三自由度教学实验机器人设1

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4.2轴的设计及校核

4.2.1选择材料

该轴传递效小功率，转速较低，无特殊要求，故选45号钢，调制处理。

4.2.2按扭转强度设计轴径

由式（15—3） d?A03确定各参数：

P

n(1??)1) ?=0.5—0.6，取0.5； 2) 3) 4)

查表（15—3）A0=126—103，取118； n=47.62/3=15.87r/min； P=0.0555KW； 代人公式中 d?118?30.055?18.24mm

15.87?(1?0.5?0.5?0.5?0.5)因结构原因，轴的直径要加大至48mm，从而其内径可取20mm。 4.2.4按弯扭合成强度条件校核轴 1)

求齿轮上的作用力

输出轴转矩：T1=9550×103×P1/n1=9550×103×0.055/47.62=11030N.mm 齿轮上的圆周力：Ft=2T/d=2×11030/50=441.2N

齿轮上的径向力：Fr= Ft×tan?=441.2×tan20°=160.58N 2) 3)

作用在轴上端的弯矩： 粗略估计M=22000N.mm 计算支撑反力 水平支撑反力 Fr1H=

131Ft?M131?441.2?22000?102102=782.3N

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Fr2H=

(131?102)Ft?M(131?102)?441.2?22000=1223.5N ?102102垂直面支承反力 Fr1v=Fr2v=

4)

131Fr131?160.58??206.2N 102102(131?102)Fr(131?102)?160.58?102102=366.8N

校核轴的强度

由计算知剖面1的弯矩较大，且轴径较小，其为危险面。 取a=0.6 计算应力为： σca=

M2?(aT)2??61505.12?(0.6?22000)20.1(40?20)33?11.01Mpa

前已选定，轴的材料为45钢，调制处理，由表15—1查得许用[σ] -1=60Mpa 因此σ

ca

＜许用应力， 故安全。

其上各表在文献[4，184-298]上可查到 4.3腰部轴承的选择和校核

4.3.1选择轴承类型

腰部轴承要同时受较大的轴向载荷和较大的径向载荷。故轴承要选用能同时承受比较大的轴向和径向载荷的轴承。这里选用角接触轴承型号为7208c。 4.3.2计算轴向载荷 作用在齿轮上的扭矩

T1=9550×103×0.055/47.62=11030N.mm

作用在大齿轮上的圆周力：Ft=2T/d=2×11030/50=441.2N 齿轮上的径向力：Fr= Frtanα=441.2×tan20°=160.58N

这里需要说明的是，本计算过程中，上部平台作用在腰上的力为估算值，其假设通过轴心在计算过程中取轴向力为Ka=1000N

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Fr1= Fr2=

Fr?131160.58?131??206.23N 102102Fr?(131?102)160.58?233??366.8N

102102查文献[7,98--195]续表4.6—2 ， 7208c轴承的Cr=26.8KN，C0=20.5KN。 粗略的e≈0.4

∴Fd1=e Fr1=0.4×206.23=82.52N Fd2= e Fr2=0.4×366.8=146.72N

Fa1=max｛Fd1，Fd2-Ka,｝= max｛82.52，-853.28,｝=82.52 N Fa2=max｛Fd2，Fd1+Ka,｝= max｛146.72，1082.52｝=1082.52 N 4.3.3计算当量动载荷∴

∵Fr2＞Fr1，Fa2＞Fa1 ∴只计算P2

Fa21082.52??0.0528 C020500由表13—5查值得：e=0.43

Fa21082.52??2095＞e Fr2366.8∴X=0.44 Y=1.33

查表13—6，取?p=1.2。

P2=?p(XFr2+YFa2)=1.2×（0.44×366.8+1.33×1082.52）=1921.37 4.3.4计算轴承应具有的基本额定动载荷

C=

P360nLAh1921.37360?47.62?(300?8?10)??6.55KN＜26.8 661.21010?t∴适用。

以上各表在文献[4，184-298]上可查到。

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总结

本设计室针对三自由度机器人进行的，在结构设计中用简单的传动装置和减速装置实现了三自由度机器人的基本运动。设计时对机器人的主要部件和标准件进行了选择和校核。

但是需要指出的是，由于毕业设计的时间和篇幅的限制，本设计只是对机器

人的机械方面作了入门学习，所以，关于机器人的控制和传感方面的设计并未提及，这也是我觉得遗憾的地方，希望有机会能够继续研究这方面的知识。

另外值得说明的上，本设计只是对机器人中最简单的三自由度机器人进行

的，而实用的机器人多以六自由度居多，对于机器人比较复杂的另外三自由度本设计中并没有涉及到，从这一点来说，本设计只是一种尝试而已，另外，整个结构设计也只是能够达到驱动的要求，部分结构的设计并不一定很合理。

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