机械手的设计

1前言

1.1国内外开展概况⑴

机械手首先是美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统

是示教型的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的根底上又试制成一台数控示教再现型机

械手。商名为Animate（即万能自动）。运动系统力•照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、

伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这

个根底上开展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业

机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中

央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出

现在六十年代初，但都是国外工业机械手开展的根底。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院研究Unimate-Vicarm型

工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于喷涂、起重运输、焊接和

设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种喷涂机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是机械手开展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大

力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始开展和应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半

是进口。

目前，工业机械手大局部还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改良的方向主

要是降低本钱和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能

力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反应，是机械手具有

感觉机能。

第三代机械手那么能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备

保持联系，并逐步开展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

1.1.1研究现状

自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛开展，

机器人技术也得到了飞速开展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种

用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并

得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展

到各行各业，参军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探

索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐效劳行业，甚至还进入寻常百姓家。

工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、

多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断开展之中。喷涂机器

人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功

能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使喷枪的

空间位置和姿态调至任意状态，以满足喷涂需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自

由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换

和各关节位置的控制带来复杂性。因为喷涂过程中往往需要把以空间直角坐标表示的

工件上的喷涂位置转换为喷枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转

换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余

度愈大，解愈多。如何选取最适宜的解对机器人喷涂过程中运动的平稳性很重要。不

同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。

1.1.2开展趋势⑵

工业机器人技术开展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的根底上，第二

代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头

拉开工业机器人技术的开展，其重点开展领域与技术特点表达在下述方面：

(1)机械结构

(a)以关节型为主流，80年代创造的适用于装配作业的平面关节型机器人约占

总量的1/3(目前世界工业机器人总数约为750000台),90年代初开发的适用于窄小

空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于喷涂、焊接和上

下料。

(b)应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，喷涂机器

人应运而生。

(c)己普遍采用CAD、CAM等技术用于设计、仿真与制造中。

(2)控制技术

(a)大多数采用32位CPU,控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采

用。

(b)协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正

逐步实现多智能体的协调控制。

(c)基于PC的开放式结构控制系统由于本钱低并具有标准现场网络功能，己成

为一股潮流。

(3)驱动技术

上世纪80年代开展起来的AC伺服驱动己成为主流驱动技术用于工业机器人中。

日本23家机器人公司于1998年生产的168种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动

的有156种，占93.4%。直接驱动技术那么广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电

机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC公司开发并用于工业机

器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。

(4)智能化的传感器多有应用

在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3%,不少机器人装有

两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。

(5)高速、高精度、多功能化

目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复

性为正负0.01mm.有一种大直角坐标喷涂机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种

并联机构的NC机器人，其位置重复性达1umo90年代末的机器人一般都具有两、三

种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可喷涂、切割、钻孔、铳

削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。

(6)集成化与系统化

1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有0.4s,控制器包括

软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC

公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。

工业机器人的应用从单机、单元向系统开展c多达百台以上的机器人群与微机及

周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的

生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制

造”，为工业机器人系统化的开展推波助澜。

在国内主要是逐步扩大应用范围，重点开展喷涂、铸造、热处理方面的机械手,

机械臂的结构尺寸为：大臂长约700加左右，小臂长约800mH左右，臂杆横截面

尺寸W100mmxlOOinm；手部尺寸约150mm左右；小臂摆角80°(上摆30°,下摆

50°)o

对影响自重平衡的主要结构参数进行优化设计与计算，示教时的不平衡力W2kg。

此次设计的垂直多关节机器人可以实现大臂小臂的旋转，手腕的旋转与摆动。此装

置应用在喷涂生产线上将大大提高生产效率和质量，降低了工人的劳动强度，能够带

来可观的经济效益。

1.4本课题要解决的主要问题及设计总体思路

本课题要解决的问题有以下二个：

(1)手腕处于手臂末端，需减轻手臂的载荷，力求手腕部的结构紧凑，减少重

量和体积。

(2)设计小臂的平衡系统，使小臂在撤除驱动力的情况不会发生突发性转动。

针对上述问题有了以下设计思路：

(1)手腕部机构的驱动装置采用别离传动，采用传动轴，将驱动器安置在小臂

的后端。

(2)驱动电机经我轴器与传动轴驱动•对圆柱齿轮和•对圆锥齿轮传动来带动

手腕作偏摆运动。

(3)手部的驱动电机安装在小臂内部，以此来减轻手部的重量，让手部能够作

灵活的运动。

(4)对于小臂平衡是采用重力平衡的方式，及在小臂末端放置铁块。

2总体方案设计

2.1机械结构类型确实定

为实现总体机构在空间位置提供的4个自由度，可以有不同的运动组合，根据本

课题的要求现可以将其设计成关节型机器人。关节型又称回转坐标型，这种机器人的

手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂

组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和

使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点是二作空间范围大，动作灵活，通用性

强，工艺操作精度高。

图2.1整体原理图

2.2传动方案确实定

图2.1是机器人小臂与腕部机械传动系统的简图。机械传动系统共有4个齿轮，

为了实现在同一平面改变传递方向90°,有2个齿轮为圆锥齿轮,有利于简化系统运动

方程式的结构形式。如果采用蜗轮蜗杆结构，那么必然以空间交叉方式变向，就不利于

简化系统运动方程式的结构形式。其中有2个齿轮为直齿圆柱齿轮，用于减速。小臂

的结构形式是由内部铝制的整体铸件骨架与外外表很薄的铝板壳相互胶接而成。关节

电机安装在小臂后面用于带动传动轴与齿轮的旋转来实现手腕的摆动。

图2.2小臂腕部传动原理图

2.3工作空间确实定

工作空间是机器人学中一个重要的研究领域。但在实际应用中，可以简化这一问

题，把工作空间看作是机器人操作机正常运行时，手腕参考点（如定位机构的轴线正

交，取交点为参考点）在空间的活动范围，或者说该点可达位置在空间所占有的体积。

根据关节型机器人的结构确定工作空间，工作空间是指机器人正常工作运行时，手腕

参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。

图2.3机器人的工作空间位置图

2.4手腕结构确实定⑶

手腕是操作机的小臂和末端执行器之间的联接部件。其功用是利用自身的活动度

确定被喷涂物体的空间姿态，也可以说是确定末端执行器的姿态。故手腕也称作机器

人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆（即与末端执行器相联接的杆）都有独立驱

动的自转功能，假设该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在

空间取任意姿态，即到达完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态〔即方向），可用两个

方位角确定，如图2.4所示。

图2.4末杆姿态示意图

1-大臂2-小臂3-末杆

在图2.4中末杆Ln的图示姿态可以看作是曰处于X”方向的原始位置先绕Z”在

平面内转。角，然后再向上转£角得到的。可见是由。切两角决定了末杆的方

向（姿态）。从理论上讲，如果0°<a«360°,0°工夕0360°那么末杆在空间取任意方

向。如果末杆的自转角,（即也满足0°《7«360°,就说该操作机具有最大的灵

活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的

说明操作机转动的灵活程度，定义组合灵度(dex)为:

dcx=-H—H—=XX%+XX%4-XX%

360°360°360°(2-1)

上式取加的形式但一般不进行加法运算，因为分开更能表示机构的特点。

腕结构最重要的评价指标就是dex值。假设为三个百分之百，该手腕就是最灵活

的手腕。一般说来。、用的最大值取360°,而y值可取的更大一些，如果拧螺钉，最

好了无上限。

腕结构是操作机中最为复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了腕结构

的设计难度。腕部的结构设计要求是：重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留

有一定的裕量［约5%-：0跖，传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。

2.5驱动装置的选择

2.5.1机器人驱动方案的分析和选择用

通常的机器人驱动方式有以下三种：

(1)电动驱动

电动驱动器是目前使用最广泛的驱动器。它的能源简单，速度变化范围大，效率

高，但它们多与减速装置相连，直接驱动比拟困难。

电动驱动器乂分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动。后者多为开环控制，

控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。直流伺服电机有很多优点，

但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取

代百流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。

(2)液压驱动器

液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的

杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体

泄露，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

(3)气动驱动器

气动驱动器的能源，结构都比拟简单，但与液压驱动器相比，同体积条件下功率

较小(因压力低)，而且速度不易控制，所以多月于精度不高的点位控制系统。

通过比拟以上三种驱动方式，因此本课题的机器人将采用电动驱动器中的直流伺

服电动机与步进电动机。因为直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，

相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，本钱低。而交

流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。

2.5.2手腕电机的选择⑸

(1)转腕及腕部内电机的选择

手腕的最大负荷重量利2=2必初估腕部的重量〃％=1必，最大运动速度V=lm/s,

那么：

功率=4x10x2=80W.

取平安系数为L2,^'=1.2^=1.2x80=96^

考虑到传动损失和摩擦，最终的电机功率娱=100W

又因为标准周期T=0.3sec,即九=30+0.59=50〃min.

那么所需电机的输入转速为〃=100乂，=50><10=500r/01限

根据设计要求转腕局部的电机后紧跟输出轴和联轴器，直接带动手腕旋转，故在

此选择转速较低的型号电机，又由于要求手腕的直量较轻，便于灵活的实现运动，因

此要求腕部内电机较小，应选SZYX81宽调速永磁直流伺服电机，其安装尺寸为42mm,

电机重量仅为0.35Kg,详细参数见表2-1。

表2-1SZYX81宽调速永磁直流伺服电机技术参数

规格型号额定功率额定转矩额定电压

SZYX810.1KW24V

最高电流最高转速允许转速差土10%转动惯量

2.7ABOOr/min502

该电机具有精度高，响应快，调速范围宽，加速度大，力矩波动小，线性度好，

过载能力强等特点。

2.6传动比确实定及分配

2.6.1.传动比确实定

由电动机的转速可知所需的总传动比为；10。

2.6.2传动比的分配

传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及齿轮的结构尺寸，要做到结

构合理。因此摆腕传动比分配为：摆腕总的传动比&=10,该传动为两级传动，第一

级传动为圆柱齿轮传动，传动比4=2,第二级传动为圆锥齿轮传动，传动比&=5。

3齿轮的设计

3.1齿轮强度的设计与校核网

3.1.1第一级圆柱齿轮传动设计

齿轮材料采用45号钢，锻造毛坯，小齿轮调质处理，外表硬度为210HBS；大齿

轮正火处理后齿面硬度为180HBS,因载荷平稳，齿轮速度不高，初选齿轮精度等级为

7级。取Z1=20,则Z2=2x20=40。

(1)设计准那么

先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

(2)按齿面接触疲劳强度设计

齿面接触疲劳强度条件的设计表达式

du=2.32x—(3-D

式中，(-载荷系数，取K,=1.3；

族广齿宽系数，取勿=0.8,〃=2；

ZE-材料系数，取ZE=189.8D瓯

O

小齿轮传递扭矩

P

7]=9.55x106-=9.55x106x0.2/1500=1240N•mm(3-2)

n

大小齿轮的接触疲劳强度极根应力为：

b〃s=580MPa；%鹏=560加出

选择材料的接触疲劳极根应力为：

应力循环次数N由以下公式计算可得

(3-3)

/ATN143.45x10919

那么N、=」=---------=1.73x1i0n

u2

接触疲劳寿命系数=1.1,=1.02

9

弯曲疲劳寿命系数｝二42=1.

接触疲劳平安系数S〃min=l,弯曲疲劳平安系数5小加=1-5

许用接触应力和许用弯曲应力:

将有关值代入(3-1)得:

叫外乃x42x1500

计算圆周速度：匕=3.3m/s

60xiax)60x100()

计算载荷系数：动教荷系数Kv=1.0；使用系数KA=1；动载荷分布不均匀系数

=1.02:齿间载荷分配系数依=1,那么KH=KAKvKpK6Z=1.01x1.0x1.02x1.0=1.03

修正4="司》

=38〃7"7；

438

m=—=—mm=1I.09nun；

z,20

取标准模数m=2mm。

(3)计算根本尺寸

取々=32"〃〃b2=22nun

(4)校核齿根鸾曲疲劳强度

齿形系数丫m=4.1,匕52=3.8,取匕=0.7,校核两齿轮的弯曲强度

⑶4)

*Z\

=3.7MPa<[crFI]

所以齿轮完全到达要求。由于小齿轮分度圆直径较小，考虑到结构，将小齿轮做

成齿轮轴。圆柱齿轮的几何参数见表3-1。

表3-1圆柱齿轮的几何尺寸

名称符号公式

分度圆直径d

d、=mZ[=2x10=2Dnutid2=inz2=2x20=

齿顶高

haha=ham=1x2=2nv?i

齿根高

h

fhf=(h：4-C)rn=(14-0.25)x2=2.5mm

齿全高

hh=ha+hf=2+2.5=4.5""〃

齿顶圆直径

d“i=d+2h=44〃〃〃d,,-,=d2h=84〃〃〃

%Ul1yUe4/、+U

齿根圆直径

dfi=d、-2hf=35〃〃〃df2=d2-2hf=75mm

基圆直径

山八

dh}=&cosa=37.56.wndh2=d2cosa=75.17mm

齿距P

〃=加？=3.14x2=6.28〃〃〃

齿厚Ss=Tun/2=3.14mm

齿槽宽ee=mn/2=3.14mm

中心距a

a=（4+4）/2=30

顶隙c

c=cm—0.25x2=0.5〃〃〃

3.1.2第二级圆锥齿轮传动设计

齿轮材料采用45号钢，小齿轮调质处理外表硬度为210HBS；大齿轮正火处理后

齿面硬度为180HBS,齿轮精度等级为7级。取4=10,则Z2=5x10=50

(1)设计准那么

按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

(2)按齿面接触疲劳强度设计

齿面接触疲劳强度的设计表达式

]（Z〃ZE丫4K7；

（3-5）

1^]）（）.85四（1-0.5%

其中，取。=0.3,〃二5；

Zg=189.87函，Z〃=1.8；

选择材料的接触疲劳极根应力为：

0〃“im=580MPa；b〃2iim=560MPa

选择材料的接触疲劳极根应力为：

=230MPa；2Hm=210M&

应力循环次数N由下式计算可得

浦N\4.23xio9八。"

那么N=—=---------=0.846x1i0n9

7u5

接触疲劳寿命系数Z,=1.1,ZIV2=1.O2

弯曲疲劳寿命系数=右2=1.

接触疲劳平安系数S，min=l，弯曲疲劳平安系数，.min=L5,又％r=2.0,试选

Kt=1.3o

许用接触应力和许用弯曲应力:

将有关值代入(3-5)得:

加I/1_"X43.3X2000

那么=4.53m/s

6()xl(XX)-6()xKXX)

动载荷系数Ku=1.0；使用系数储=1；齿向载荷分布不均匀系数K,=1.02；齿

间载荷分配系数取Ka=1,那么KH=KAKvKft^=1.01x1.0x1.02x1.0=1.03

修正4==433x=19.5mm

取标准模数m=2mm。

(3)计算根本尺寸

(4)校核齿根弯曲疲劳强度

复合齿形系数丫的=4.1,匕52=3.8,取匕=0.7

O

校核两齿轮的弯曲强度

一二4町%(3-6)

0/?(1-().50R)2Z|2〃/J1+〃2

所以齿轮完全到达要求。

由于小齿轮的分度圆直径较小，所以作成齿轮轴。

表3-2圆锥齿轮的几何参数

名称符号公式

分度圆直径d

4=niz[=2x1()=20/w/zd2=mz2=2x5()=100

齿顶高

%ha-hatn=1x2=2/nni

齿根高

h

fhf={ha—c)m=(1-0.2)x2=1.6mm

齿顶圆直径

*da】=4+2hacosb=44mmda2=d2+2hacos3=202mm

齿根圆直径

d

fdc-d\~2%cosJ=37nund(2=d2-2hfcos〉=197mm

齿顶角

tan久=h/R=0.01959

aa

齿根角

tan6f=hf/R=0.0235

分度圆锥角6

sin^>=mz!2R=0.196

顶锥角

讥a=i=io.3°

根锥角

6.Bf—8—0f=10

锥距RR=/2sinS=50mm

齿宽b

b=(0.2~0.35)/?=20.4/77777

4轴的设计⑺

轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴

的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。轴的结构，应使轴受力合理，防

止或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求

刚度大的轴，还应该从结构上考虑减少轴的变形。

4.1摆腕传动轴的设计

4.1.1圆柱齿轮轴的设计

由于主轴传递的功率小大，对其重量和尺寸乜尢特殊要求，应选常用材料45钢,

调质处理。

(1)初估轴径，C=106~117,取C=106那么

(4-1)

~5.4mm

(2)各段轴径确实定

初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从4面处开始逐段确定轴径，上面计

算的dmin是轴段1的直径，由于轴段1上安装联轴器，因此轴段1处直径确实定和联

轴器型号同时进行。故取轴径&=10皿。

在轴段2上要安装轴承，其直径应该便于轴承安装，又应该符合轴承内径系列，

即轴段2处的直径应与轴承型号的选择同时进行。现取角接触球轴承型号为7000C,

其内径4=10硒。通常一根轴上的两个轴承取相同型号，故取轴段6的直径4=1。1顺。

轴段3上用轴肩固定轴承，故取4=14nmi。轴段4上作成齿轮轴，尺寸与齿轮相同。

根据结构确定轴段5的直径4=22mm。

(3)各轴段长度确实定

各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合局部的长度确定。另一些轴

段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。

根据联轴器选取轴段一的长度，此时又要考虑此段轴长不应与大臂和小臂连接处

的轴在工作时相互干预，因此选取此段轴长乙二55〃叨。根据轴承宽度取/2=8〃〃〃=4,。

根据结构/3=，/5=21//?/??o

图4.1圆柱齿轮轴的结构设计草图

4.2.2轴的强度校核⑻

轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准那么是满足轴的强度或刚度要

求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，

并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受

弯矩的轴(心轴)应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校

核等。

图4.2轴的受力分析和弯扭矩图

(1)轴上的转矩T

p07

主轴上的传递的功率：P^=-=—=0.25Zw

P

7；,=9.55X106X-(4-2)

n

求作用在齿轮上的力：

(2)画轴的受力简图

轴的受力如图4.2所示。

(3)计算轴的支撑反力

在水平面上

在垂直面上

(4)画弯矩图

弯矩图如图4.2所示。

在水平面上，a—a剖面左侧

a一a剖面右侧

在垂直面上

合成弯矩，4一。副面左侧

a一。剖面右侧

(5)画转矩图，见图4.2

(6)判断危险截面

a—a截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T,那么判断左侧为危险截面,

只要左侧满足强度校核就行了。

(7)轴的弯扭合成强度校核

boL=lOO帅。，那么a==-^=0.6o

[cr]=[CT,=60Mpa,

a一。截面左侧

(8)轴的疲劳强度平安系数校核

查得抗拉强度JB=650Mpa,弯Illi疲劳强度。।=300珈。，剪切疲劳极限

r,=\55Mpa,等效系数〃。=0.2,%=0.1。

a一。横面左侧

查得(=1,A；=1.8；查得绝对尺寸系数4=0.95,%=0.92；轴经磨削加工,

外表质量系数0=1.0,那么

弯曲应力丝=2566=oi5A/P〃

*W17036.8

应力幅<ya=<yb=0.15Mpa

平均应力0

切应力Z7=Z-==0.1Mpa

r叫17I0"36。.8

平安系数S,=——巴------=—-———.........=200

——a.+-------x0.15+0.2x0

a(,n

psa01.0x0.95

查许用平安系数口]=1.37.5,显然S>[S],那么a—。剖面平安。

其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。

4.2.3圆锥齿轮轴的设计

由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸乜无特殊要求，应选常用材料45钢，

调质处理。

(1)初估轴径，C=106^117,取C=106

根据电动机的转速和额定功率可知与圆柱齿轮轴相啮合的大齿轮的转速为

那么根据公式4-1可得：

=6.8mm

(2)各段轴径确实定

初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从&S处开始逐段确定直径。轴段1

为外螺纹局部此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于对齿轮作轴向固定故取

4=6〃"〃，轴段2安装齿轮，根据齿轮的几何尺寸故取4=1()〃"”并在此段轴上开设

键槽以便于对轴上齿轮作周向固定。轴段3作为轴肩，对轴段2处安装的齿轮作轴向

固定，故取4=12〃〃〃轴段4,6处安装轴承，根据要求选用7000C型号的轴承，根据

轴承型号与轴径的大小同时选择故确定轴段4和轴段6的直径为H=4=10〃〃〃o轴

段5处用于安装套筒以便对轴上安装的轴承进行轴向固定故取4=15〃博o轴段7用

作轴肩以此来用于对轴承作轴向固定故取4=16皿〃。轴段8处为锥齿轮局部，根据

以上的设计计算可知此处轴径或=20〃仙o

(3)各轴段长度确实定

轴段1上装M6的螺栓和挡板，故取4=10〃〃〃。轴段2处装齿轮，其长度与齿轮的宽

度相同，故取4=16〃"〃。轴段3处利用轴肩作轴向固定，取。=1°m帆。轴段4与轴段6

处装轴承，取/4=8〃〃〃，4=11的〃。轴段5处装套筒，其长度为套筒的长度，故取

4=15〃〃〃o轴段7处作抽肩，取o轴段8处为锥齿轮局部，其长度4=52〃〃〃o

为保证轴承7000C内圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径

为0.3mm。为方便加工，其它轴肩圆角半径均取loin。

图4.3圆锥齿轮轴的结构设计草图

4.2.4手腕连接轴的设计

由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸乜无特殊要求，应选常用材料45钢，

调质处理。

(1)初估轴径，0106117,取0106

根据电动机的转速和额定功率可知与手腕箱体连接轴的转速为

那么根据公式4-1可得：

.。位

=1in06x3——

V150

=11.6mm

(2)各段轴径确实定

初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从cU处开始逐段确定直径。轴段1

为外螺纹局部此段螺纹用于安装挡板与螺栓，以便于作轴向固定故取4=6〃〃〃，取轴

段2处4=10〃〃〃，并在此处开设键槽用来传递扭矩其尺寸为3x8°轴段3处安装轴

承，根据要求选用700：C型号的轴承，并在轴的另一段安装大锥齿轮，也在此处开设

键槽用来传递扭矩其尺寸为3x11,根据轴承型号与轴径的大小同时选择故取

4=12加〃。轴段4用作轴肩以此来用于对大锥齿轮作轴向固定故取4=轴段

5处用来安装7001C轴承,轴承内径与轴径的大小取同一尺寸，故取痣=12〃im。

(3)各轴段长度确实定

轴段1上装M6的螺栓和挡板，故取《-8加利.轴段2处装键槽，用于传递亚矩，其

键槽尺寸为3x8,其长度取=轴段3处装轴承与大锥齿轮，中间用套筒对其

轴向固定，对大锥齿轮进行周向固定的键取尺寸为3x11,故取％=31〃〃〃。轴段4处利

用轴肩作轴向固定，取/,二3〃〃〃。由于轴承应成芯使用，所以轴段5处装轴承，其类型

代号与轴段3处一样，取=8""77o

图4.4手腕连接轴的结构设计草图

4.2.5大臂小臂连接轴的设计

由于此轴传递的功率不大，对其重量和尺寸乜无特殊要求，应选常用材料45钢，

调质处理。

(1)初估轴径，『106117,取.106那么根据公式4T得

=14.03mm

(2)各段轴径确实定

初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从(Ln处开始逐段确定直径。轴段1

处要安装压板和齿轮用来固定此轴.故4=13皿〃c轴段2处与4处安装7004C类型轴

承，其轴径大小应与轴承内径大小一致，故取出=20〃"〃,4=20〃〃〃。轴段3处取

4=23〃"〃o

(3)各轴段长度确实定

各轴段长度主要根据轴上零件的毂长或轴上零件配合局部的长度确定。另一些轴

段长度，除与轴上零件有关外，还与箱体及轴承盖等零件有关。轴段1处要安装压板

和齿轮用来固定此轴，因此此段轴的长度应取长些，故取4=113〃〃〃。轴段2的长度

与轴承有关，取/2=12利〃。轴段3处的选取长度为&=54时"。轴段4的长度与轴段2

处一样，取Z4=12mmo

图4.5大臂小臂连接轴的结构设计草图

5轴承的设计⑼

5.1轴承的选择

轴承是支承轴或轴上回转体的部件。根据工作时接触面间的摩擦性质，分为滚动

轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，相对于滑动轴

承，滚动轴承具有摩擦阻力小，效率高，起动容易，润滑简便等优点。因此我在做本

课题设计时所选用的轴承全为滚动轴承。轴承的内外圈和滚动体，一般是用轴承格钢

(如GCrGCrl5SiMn)制造，热处理后硬度应到达60〜65HRC。保持架有冲压的和实

体的两种结构。冲压保持架一般用低碳钢板冲压制成,它与滚动体间有较大间隙,工作

时噪声大；实体保持架常用铜合金，铝合金或酚醛树脂等高分子材料制成，有较好的

隔离和定心作用，又因为实体保持架比冲压保持架允许更高的转速。所以本课题选用的

保持架为实体的。从受载荷方面来考虑，我所设计的机器人承受载荷力不大，且适用

在振动与冲击不大的场合；而且球轴承比滚子轴承有较高的极限转速和旋转精度；再

从经济性方面考虑球轴承比滚子轴承廉价。综合以上因素，所以选取7000c系列的角

接触球轴承。

5.2轴承的寿命计算

圆柱齿轮轴的轴承寿命计算：

经查表可知：载荷系数4=1.2，温度系数径/=1,根本额定动载荷C,=16.5KN,

根本额定静载荷C”=1050N。

由以上计算可知:径向力E|=19.38N,X957N0

派生轴向力Fxl=eFr]=0.43x19.38=8.33N(5-1)

计算”并确定e值，-^=—=0.05

C”C“1050

根据区=0.05,查表可得e=0.4。

C,r

计算当量动负荷

查表可得：径向载荷系数X=0.44,轴向载荷系数Y=l.4o

p,=XFrl+YF.=0.44x19.38+1.4x39.78=64.22N(-？)

p2=XFr2+YF2=0.44x9.57+1.4x39.78=59.9IN(5-3)

取〃=Pi=64.22N

、i的小工士16667./cY16667(1x2500Y-

计算轴承寿命-----士—=---------------(5-4)

n[fpPJ150011.2x64.22J

=3413.8h

根据以上计算可知，其余几跟轴上的轴承也完全满足工作要求。

6其它零部件的选用

6.1键连接的选用

键连接分为平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。由于平键的两侧面

是工作面，工作时靠键与键槽侧面间的挤压来传递转矩。键的上外表与轮毂间留有间

隙，因此，平键连接定心性好，结构简单装拆方便，所以本次设计我选用的是平键连

接中的圆头平键。

键连接的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键连接的类型可根据连接的结

构特点使用要求和工作条件来选择;键的尺寸那么按符合标准规格和强度要求来取定。

键的主要尺寸为截面尺寸b、h和长度L。b、h可根据轴径d由标准中查取；长度L

可参照轮毂长度B从标准中选取。

6.2壳体的设计

小臂和手腕的外壳是支承整个传动系统的框契，采用铸铝材料，质量轻，刚度大,

小臂的外框结构的厚度为6mm、盖子厚度为6mm、电机后盖厚度为6mm。手腕的外框结

构厚度为3nlm，机器人手部为铸造铝合金。其他局部的具体尺寸由结构定，详见装配图。

6.3机器人手臂材料的选择阿

机器人手臂的材料或根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂只

要转开工作。因此对材料的一个要求是作为运动帮件，它应是轻型材料。而另一方面,

手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此在选择材料时,

需要对质量，刚度，阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。

机器人手臂材料应先是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学

角度看，即要有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢，铸铁，合金钢等。

机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比拟轻。综合而言，

应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙6,聚乙烯（PEH）

和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。所以我所设计的机器人手

臂的材料选择为铸造铝合金中的铝铜合金。

6.4机器人臂部连接件的选用同

本设计中采用常规联轴器：小臂局部采用DIN6885型号。该联轴器的特点是圆周方

向刚度大而轴向弯曲方向柔度较大，既能起到可靠的传动又适合调整和补偿轴之间的

偏差。

图6T联轴器

8.1所完成的工作

(I)对机器人手臂传动所需要的力计算

本文通过收集实际运用中喷涂机器人手臂喷涂所需要的力从而进行一系列计算并

选取适宜的