全向移动机器人底盘的结构毕业设计说明书

1、摘 要 随着移动机器人在现代制造业的广泛应用，对机器人的移动能力有了更高的要求。因为全向移动机器人具有平面运动的全部三个自由度，前后、左右和自转，所以理论上在机器人所处的运动平面上它可以向任何方向运动，并且它的机动性要优于非全向移动机器人。 本文的主要设计内容是全向移动机器人底盘的结构设计，达到能承载200重量，并能实现全向运动的全向移动。论文主要介绍全向移动机器人传动机构的设计，并通过ug、solidworks等软件零件的三维建模和运动仿真在理论上证明设计的可行性。关键词：移动机器人；传动机构；全向移动底盘abstract with the wide use of mobile robot

2、in the modern manufacturing, there is a high request to the robots mobility. because omni-directional mobile robot has three freedom of flat motion,front ,back,right,left and rotation, it can move at any speed and direction in the sportplane, and it has an advantage of mobility over the non-omni-dir

3、ectional mobile robot. the main content of this paper is the design of omni-directional mobile robots chassis which can carry up 200 kg weight,and the robot chassis can let omni-direction come true.the mechqnical driving system was designed in this paper.ug and solidworks is used to prove the feasib

4、ility of the design.key words: mobile robot; omni-directional wheels; omni-directional mobile chassis目 录摘 要abstract第1章 绪论11.1移动机器人的设计背景和意义11.2 设计的内容和思路2第2章 机器人全向移动底盘总体设计方案22.1 功能要求22.2 指标要求22.3 总体方案设计3第3章 电动机的选择43.1 驱动系统的选择43.2 驱动电机型号的选择4第4章 传动机构的设计64.1圆柱齿轮的设计64.2锥齿轮的设计104.3蜗轮蜗杆的设计164.4轴的设计21第5章 其它零

5、件的选取335.1联轴器的选取335.2轴承的选取335.3键的选取33第6章 ug运动仿真336.1 ug运动仿真简介336.2基于ug的运动仿真34第7章 solidworks有限元分析347.1有限元分析简介347.2基于solidworks的有限元分析35参考文献39致 谢41 第1章 绪论1.1移动机器人的设计背景和意义 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务

6、领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。 与普通工业机器人相比，服务机器人具有更大更灵活的工作空间，因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域，美国和日本处于遥遥领先的地位，机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段，上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、

7、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高，广泛应用服务机器人必将成为趋势。上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，与步行式移动

8、机构相比，它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。 但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。 本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。1.2 设计的内容和思路 本课题的主要设计内容是设计出一个能够实现机器人全向移动的底盘，要求底盘结构布局合理、可行，传动顺畅、高效，能够载重200kg，外形尺寸为长×宽×高60

9、0mm´560mm´180mm ，能够实现全向移动，最大行驶速度为。1.3 解决的主要问题 (1)移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，在设计过程中要兼顾到机器人底盘的功能特点和运动性能，使得移动机器人底盘运动灵活，便于控制，内部结构安排合理，整体设计紧凑牢靠，便于拆卸，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。 (2)利用三维建模软件对全向移动机器人底盘的主要受力零件进行有限元分析，校核零件的强度和位移形变，使得其在工作中满足强度的要求。第2章 机器人全向移动底盘总体设计方案2.1 功能要求结构布局合理、可行，传动顺畅、高效。能承

10、载200重量，能实现全向运动。预计底盘以的速度移动。2.2 指标要求 表2.1 全向移动机器人底盘设计指标要求总体结构轮式结构结构指标自重50载重200尺寸机动指标转速转向能力全向移动2.3 总体方案设计根据功能要求和指标要求设计传动装置运动，传动路线为：电机联轴器减速装置轮子。 该机器人底盘的结构包括电动机、联轴器、蜗轮蜗杆传动装置、蜗轮轴、圆柱直齿轮传动装置、锥齿轮传动装置、滚动轴承以及其他标准件等。图2.1 全向移动底盘总体布局图图2.2 全向移动机器人底盘的三维示意图第3章 电动机的选择3.1 驱动系统的选择按已知的工作要求和条件，此电机属于小功率、载荷变化不大的工作电机，选用直流伺服

11、电动机。直流伺服电动机具有结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点，能够满足设计任务中要求的设计条件及环境。3.2 驱动电机型号的选择 预计轮子摩擦因数为0.2，底盘自重为50kg，载重200kg。 选用市面上常见的轮子型号，d=66.7mm，f=490n，假设底盘移动速度为0.2m/s 其中是蜗轮蜗杆传动效率，是圆锥直齿轮传动效率，是圆柱直齿轮传动效率，是圆柱滚子轴承传动效率，是联轴器传动效率。（i属于7-40，这里取20）圆锥直齿轮呈90°的时候传动效率最高，可以达到0.88-0.90，这里取。（齿轮精度为7级）（圆柱滚子轴承）（弹性联轴器） 通过比较，选用博山电

12、机厂生产的s661dt1电磁式直流伺服电动机。 参数：u=24v，有效功率250w，转速2400r/min3000r/min,额定转矩1000.27。尺寸：总长，外径，轴径，质量。 假设圆柱直齿轮和圆锥直齿轮都为等比传动，蜗轮蜗杆的传动比为i=20。 所以把伺服电机的转速调成1140r/min。 计算传动装置的运动和动力参数 （1）各轴转速  （2）各轴输入功率 各轴的输出功率：   （3）各轴输入转矩 输出转矩：表2.1 运动和动力参数结果轴名功率p（w）转矩t （n.m）转速r/min输入输出输入输出电动机轴147.41.2311401轴118.1105.72

13、0.019.6572轴103.0101.017.417.1573轴98.096.016.616.357第4章 传动机构的设计4.1圆柱齿轮的设计 1.选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1)考虑功率及现场安装的限制，故齿轮都选用硬齿面渐开线直齿轮。 2)选择7级精度（gb/t1009588）。 3）选择材料。由1表10-1选择齿轮选用45钢调质,硬度为162207hbs。 4)选择齿数z1=z2=24。 2.按齿面接触疲劳强度设计 由1公式（10-9a）进行试算，即 （1）确定公式内的各计算数值 1）试选 由1图10-30，选取区域系数 2）由1公式10-13计算应力值环数(齿数比为1,即)

14、3）查1图10-19得： 4）齿轮的疲劳强度极限取失效概率为1%,安全系数s=1,查参考文献1公式10-12得: 许用接触应力 5）查1表10-6得： 由1表10-7得: （2）计算 1）小齿轮的分度圆直径d 2）计算圆周速度 3)计算齿宽b 4)计算齿宽与高之比 齿高 5)计算载荷系数k 使用系数 根据,7级精度, 查参考文献1图10-8得动载系数 查1由表10-4得： 查1由表10-13得: 查1由表10-3得: 故载荷系数: 6)按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 7)计算模数 3.齿根弯曲疲劳强度设计 查参考文献1公式（10-5）得： 确定公式内各计算数值 1)查1由图10-20c查

15、的齿轮弯曲疲劳强度极限 2)查1由图10-18取弯曲疲劳寿命系数 3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4，查参考文献1由公式（10-12）得 4）计算载荷系数k 5）查取齿形系数查1由表10-5查得yfa1=yfa2=2.65 6）查取应力校正系数查1由表10-5查得ysa1=ysa2=1.58 7）计算齿轮的并加以比较两齿轮的数值一样大 设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按gb/t1357-1987圆整为标准模数,取但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数.于是由: 取，那么。 这

16、样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。   4.几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 （3）计算齿轮宽度取，。4.2锥齿轮的设计 1.选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1)考虑功率及现场安装的限制，故齿轮都选用硬齿面渐开线锥齿轮。 2)选择7级精度（gb/t1009588）。 3）选择材料。由1表10-1选择齿轮选用20cr2ni4（渗碳后淬火）,硬度为350hbs。 4)选择齿数z1=z2=24。 2.按齿面接触疲劳强度设计 由1公式10-26得： (1)确定公式内的各计算值 1）试选载荷系数 初定螺旋角

17、 2）齿轮传递的转矩 3）取齿宽系数=0.35 4）查1图10-21齿面硬度得齿轮的接触疲劳强度极限 5）查1表10-6选取弹性影响系数 6）查1公式10-13计算应力值环数 7）查1图10-19得： 8）齿轮的接触疲劳强度极限：取失效概率为1%,安全系数s=1,应用参考文献1公式（10-12）得: （2）计算 1）计算小齿轮分度圆直径（由于小齿轮更容易失效故按小齿轮设计）查参考文献1公式10-26得： 2）计算圆周速度 3）计算齿宽b及模数 4）确定螺旋角和中心距 取， 5）齿高 6）计算载荷系数k 查1由表10-2查得：使用系数使用系数=1；根据v=0.139m/s 、7级精度，由参考文献

18、1图108查得：动载系数；由参考文献1表103查得：齿间载荷分配系数；由参考文献1表103取轴承系数，齿向载荷分布系数=所以： 7）按实际载荷系数校正所算得分度圆直径 8）计算模数： 3.按齿根弯曲疲劳强度设计m （1）确定计算参数 1）计算载荷 2）查取齿数系数及校正系数 查1由表105得：，；，。 3）由1图1020c按齿面硬度查得齿轮的弯曲疲劳极限 。 4）查1图1018查得弯曲疲劳寿命系数 5）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 s=1.4。 6）计算大小齿轮的并加以比较 ，两齿轮的数值一样大。 （2）计算（按大齿轮） 查1公式10-24得： 对比计算结果，由齿面接触疲劳计算的模

19、m大于由齿根弯曲疲劳强度的模数，又有齿轮模数m的大小要有弯曲强度觉定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关。所以可取弯曲强度算得的模数1.91 mm并就近圆整为标准值mn=2mm（gb/t123681990），而按接触强度算得分度圆直径重新修正齿轮齿数，,取整，则。 4.计算锥齿轮的基本几何尺寸 （1）分度圆锥角： （2）分度圆直径： （3）齿顶高 （4）齿根高 （5）齿顶圆直径： （6）齿根圆直径： （7）锥距 （8）齿宽 ，（取整）b=13mm。 则：圆整后齿宽 ，齿宽 。 （9）当量齿数 （10）分度圆齿厚 5.修正计算结果： 1）查1表105查得：=2.65，=

20、1.58；=2.65，=1.58。 2），再根据7级精度按参考文献1由图10-8计算载荷系数k，查1由表10-2查得：使用系数使用系数；根据v=0.149m/s 、7级精度，查1由图10-8查得：动载系数；由参考文献1表10-3查得：齿间载荷分配系数=；由1表10-3取轴承系数，齿向载荷分布系数= 3)所以： 4)校核分度圆直径 查1由表10-26得： 5)计算两齿轮的并加以比较 ， ，两齿轮的数值一样大。 6)实际，均大于计算的要求值，故齿轮的强度足够。表4.1 锥齿轮传动尺寸名称计算公式计算值法面模数2 mm锥角齿数2525传动比1分度圆直径50mm50mm齿顶圆直径 52.83mm52.

21、83mm齿根圆直径47.17mm47.17mm锥距 35.35mm齿宽20mm15mm分度圆齿厚 3.14mm4.3蜗轮蜗杆的设计 1.选择蜗杆的传动类型根据gb/t10085-1988的推荐，采用渐开式蜗杆(zi) 2.选择材料考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆采用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555hrc，蜗轮用铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁ht100制造。 3.按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。查1

22、式（11-12），传动中心距 确定作用在蜗轮上的转矩t2: 确定载荷系数k因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数kb=1，查1表11-5，选取使用系数ka=1；由于转速不高，冲不大，可取载荷kv=1.05。 确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗轮相配，故 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，从1图11-18得。 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜蜗轮，金属模铸造，蜗杆螺旋面齿面硬度>45hrc，查1表11-7查得蜗轮的基本许用应力。 应力循环次数: 寿命系数: 计算中心距: 取中心距a=50 , i=20，故从1表11-2中取模数m=1.6mm，蜗杆分

23、度圆直径d1=20mm。这时，查1图11-18中可查得接触系数，因为,因此以上计算结果可用。 4、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 蜗杆 轴向齿距: 直径系数: 分度圆直径： 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 分度圆导程角: 轴向齿: 宽度: 齿宽: 取b1=20mm 蜗轮 蜗轮齿数，变为系数； 验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。 分度圆直径： 喉圆直径： 齿根圆直径： 咽喉母圆半径： 宽度： ；故取b=20mm 顶圆直径： ；故取； 5、校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数: 根据，查1图11-19中可查得齿形系数。 螺旋角系数: 许用弯曲应力 查1表11-8中查得由zcusn10p1制造蜗轮基本许

24、用弯曲应力。寿命系数,弯曲强度是满足的。 6、验算效率  已知；与相对滑速度有关。 查1表11-18中用插值法查得，代入式中得=0.876，大于原估计值，即，因此不用重算。 7、精度等级公差和表面粗糙度确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从(gb/t10089-1988)圆柱蜗杆，蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f(gb/t10089-1988)，各加工表面粗糙度ra值表4.2所示：表4.2 各加工表面粗糙度ra值加工表面精度789蜗杆涡轮0.81.61.63.23.26.3齿顶圆3.212.5轴孔1.63.2 与轴肩相配端面3.26.3其他加工表

25、面6.312.5 8、热平衡计算 (1)估算散热面积a (2)验算油的工作温度 室温：通常取。 传热系数：。 油温未超过限度。 9、润滑方式根据，并结合实际，不需要采用润滑油。4.4轴的设计4.4.1蜗杆轴的设计 1.输出的功率转速和转矩 2.求作用在齿轮上的力 因已知低速级齿轮的分度圆直径为 ， 圆周力，径向力，轴向力的方向如1图15-24。 3.初步确定轴的最小直径 按1公式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据1表15-3，取a0=103, 于是得 输出轴的最小直径显然是安装连轴器处轴的直径-为了使所选的轴直径-与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号，

26、联轴器的计算转矩 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查2选用选用hl1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为160000n.mm。半联轴器的孔径，故取-=14mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度。 4.轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 （2）根据轴向定径的要求确定轴的各段直径和长度 1)为了满足半联轴器的轴向定径要求，i-轴段左端需制出一轴肩，由于是蜗杆轴，右端总长为100mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径d=15mm。 2)初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 -=1

27、4mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30202，其尺寸为。故-=15mm。 （3）轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。由1表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为10mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选择用平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差。 （4）确定轴上圆角和倒角尺寸，查1表15-2，取轴端倒角。 5.求轴上的载荷 根据轴的结构图做出轴的计算筒图，在确定轴承的支点位

28、置的，作为筒支梁的轴的支撑跨距。根据轴的计算，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩，然后按下式计算总弯矩并做出m现将计算出的截面处的相关值求得如下 表4.3 低速轴设计受力参数 载 荷水平面h垂直面v支反力，弯矩m 总弯矩,扭矩t 6.按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据1公式15-5及上列的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 已选定轴的材料为45钢，调质处理，由1表15-1查得，因此，故安全。4.4.2 轴1的设计 1. 输出的功率转速和转

29、矩 2.求作用在齿轮上的力因已知低速级齿轮的分度圆直径为 圆周力，径向力，轴向力的方向如参考文献1图15-24。 3.初步确定轴的最小直径 按1公式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据参考文献1表15-3，取a0=103， 于是得 4.轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 （2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30202，其尺寸为。 故。 （3）轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。由参考文献1表6-1查

30、得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为10mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选择用平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差。 （4）确定轴上圆角和倒角尺寸，参考表15-2，取轴端倒角。 5.求轴上的载荷 根据轴的结构图做出轴的计算筒图，如下图，在确定轴承的支点位置的，作为筒支梁的轴的支撑跨距。根据轴的计算，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩，然后按下式计算总弯矩并做出m。 现将计算出的截

31、面处的相关值求得如下 表4.4 低速轴设计受力参数 载 荷水平面h垂直面v支反力，弯矩m 总弯矩,扭矩t 5.按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据1式15-5及上列的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 已选定轴的材料为45钢，调质处理，由1表15-1查得，因此，故安全。4.4.3 轴2的设计 1. 输出的功率转速和转矩 2.求作用在齿轮上的力 因已知低速级齿轮的分度圆直径为 圆周力，径向力，轴向力的方向如参考文献1图15-24。 3.初步确定轴的最小直径 按1公式（15-2）初步估算轴的最小直径

32、。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据参考文献1表15-3，取a0=103， 于是得 4.轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 （2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力的作用，故选用与蜗杆轴一样的单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30202，其尺寸为。 故。 （3）轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。由1表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为10mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选择用

33、平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差 （4）确定轴上圆角和倒角尺寸，查1表15-2，取轴端倒角。 5.求轴上的载荷 根据轴的结构图做出轴的计算筒图，如下图，在确定轴承的支点位置的，作为筒支梁的轴的支撑跨距。根据轴的计算，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩，然后按下式计算总弯矩并做出m。 现将计算出的截面处的相关值求得如下 表7.2 低速轴设计受力参数 载 荷水平面h垂直面v支反力，弯矩m 总弯矩,扭矩t 6.按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的

34、截面（即危险截面）的强度。根据式15-5及上列的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 已选定轴的材料为45钢，调质处理，由1表15-1查得，因此，故安全。4.4.4 轴3的设计 1. 输出的功率转速和转矩 2.求作用在齿轮上的力因已知低速级齿轮的分度圆直径为 圆周力，径向力，轴向力的方向如1图15-24。 3.初步确定轴的最小直径 查1公式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据1表15-3，取a0=103， 于是得 4.轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案 （2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力的作用，故选用与蜗杆轴一样

35、的单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30202，其尺寸为。 故。 （3）轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。由1表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为10mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选择用平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差。 （4）确定轴上圆角和倒角尺寸，参考文献1表15-2，取轴端倒角。 5.求轴上的载荷 根据轴的结构图做出轴的

36、计算筒图，如下图，在确定轴承的支点位置的，作为筒支梁的轴的支撑跨距。根据轴的计算，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩，然后按下式计算总弯矩并做出m。 现将计算出的截面处的相关值求得如下 表4.5 低速轴设计受力参数 载 荷水平面h垂直面v支反力，弯矩m 总弯矩,扭矩t 6.按弯矩合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据1式15-5及上列的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 已选定轴的材料为45钢，调质处理，由1表15-1查得，因此，故安全。第5章 其

37、它零件的选取5.1联轴器的选取 输出轴的最小直径显然是安装连轴器处轴的直径-为了使所选的轴直径-与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号，联轴器的计算轴最大转矩按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查1选用选用hl1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为160000n.mm。半联轴器的孔径，故取-=14mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度5.2轴承的选取 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30202，其尺寸为。5.3键的选取 半联轴器与轴的周向定

38、位均采用平键连接。由1表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为10mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选择用平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差。第6章 ug运动仿真6.1 ug运动仿真简介 ug（unigraphics nx）是siemens plm software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。unigraphics nx针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过

39、实践验证的解决方案。 本章主要介绍 ug模块中运动仿真的功能。运动仿真是 ug的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过 ug的功能建立一个三维实体模型，利用 ug的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。ug的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构

40、进行优化。6.2基于ug的运动仿真 运动仿真功能的实现步骤为： (1)选择运动仿真的环境：在本文中选择了动态分析； (2)创建连杆：选择ug仿真模型中零件，将蜗轮蜗杆、锥齿轮和直齿轮设为连杆。而一些固定机架则可设置为固定连杆。 (3)创建运动副：在本文中只选用了一种运动副形式。将模型中的蜗杆、蜗轮、轴、直齿轮、锥齿轮、轮子的配合以及整个顶盘转动均设置为旋转副。其中对顶盘中的零件（轴、轴轮、轴上零件及圆锥齿轮）设置了第二连杆（顶盘的外框架），使之各自转动的同时，还随着顶盘的外框架一起转动。 (4)给予驱动力：本文中给予了一个恒定驱动，即恒定的速度和加速度。双击已创建的运动副，点击驾驶员选项，选择

41、恒定驱动，设置速度。 (5)创建解算方案：当连杆、运动副、驱动力均设置完成后，就可创建解算方案，设置运动分析的时间与步数。 (6)通过求解，就可看到模型的仿真运动过程，并可到处动画。第7章 solidwork有限元分析7.1有限元分析简介有限元分析（fea，finite element analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解

42、，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 7.2基于solidworks的有限元分析 有限元分析功能实现的一般步骤为： （1）建立几何模型； （2）定义材料属性； （3）定义边界条件(约束和载荷)； （4）划分网格； （5）求解； （6）查看和评估结果；图7.1 蜗杆轴的有限元分析按设计要求，选用材料为45钢，蜗杆轴受到的的应力为1.23mpa。如图7.1所示，由应力图可知，最大应力为27.7mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。 图7.2 轴1的有限元分析 按设计要求，

43、选用材料为45钢，蜗杆轴受到的的应力为19.6mpa。如图7.2所示，由应力图可知，最大应力为572.8mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。图7.3 轴2的有限元分析 按设计要求，选用材料为45钢，蜗杆轴受到的的应力为17.1mpa。如图7.3所示，由应力图可知，最大应力为222.5mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。图7.4 轴3的有限元分析 按设计要求，选用材料为45钢，蜗杆轴受到的的应力为16.3mpa。如图7.4所示，由应力图可知，最大应力229.2mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。图7.5 圆柱直齿轮的有限元分析 按设计要求，选用材料

44、为45钢，蜗杆轴受到的的应力为255.5mpa。如图7.5所示，由应力图可知，最大应力为1926.9mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。图7.6 直齿锥齿轮的有限元分析 按设计要求，选用材料为20cr2ni4，蜗杆轴受到的的应力为1080mpa。如图7.6所示，由应力图可知，最大应力为4110.6mpa，屈服力为220.6mpa，强度设计符合要求。图7.7 涡轮的有限元分析 按设计要求，选用材料为zcusn10p1，蜗杆轴受到的的应力为17.4mpa。如图7.7所示，由应力图可知，最大应力为209.3mpa，屈服力为220.6mpa，静强度设计符合要求。参考文献1 濮良贵，纪名

45、刚.机械设计m.北京:高等教育出版社，2010.2 朱家诚.机械设计课程设计m.合肥:合肥工业大学出版社，2009.3 成大先等.机械设计手册m.北京:化学工业出版社，2005.4 付京逊等.机器人学m.北京：中国科学技术出版社，1989.5 黄大绪等.使用微电机手册m.辽宁：辽宁科学技术出版社,2000.6 白井良明.机器人工程m.北京:科学出版社，2001. 7 蒋新松等.机器人学学论m.辽宁：科学技术出版社,1993.8 蔡自兴.机器人学m.北京：清华大学出版社，2000.9 murphy r r.人工智能机器人学导论m.北京：电子工业出版社，2004.10马建光，贾云得.一种基于全向摄

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