工业机器人球坐标型机械臂结构设计 论文正文 - 图文(8)

4.2.1 丝杠耐磨性计算

丝杠材料采用钢，螺母材料选用青铜，根据［21］表3-8取许用比压[P]一11N/mm2 对于单头标准梯形螺纹: d2≧0.8

P/?(p)=1.7mm （4-6）

式中:P一轴向载荷N,

根据标准系列，取丝杠公称直径d=10mm

4.2.2 丝杠稳定性计算

柔度：?= ?l/i

式中: ?一长度系数，这里取2 l一丝杠最大工作长度取200mm i一危险截面惯性半径,i=d1/4=2.25mm 带入数据得：?=2x200/2.25=177.8 丝杠临界压缩载荷:Pc=π2EI/(?l)2

式中:E一弹性模量，钢取20.58x104N/mm2

I-惯性矩，I=πd14/64=490.9mm4

代入数据得：Pc=12389.45N

取丝杠稳定安全系数nW = 4 则:Pc/nw=3097.5N》200N 故丝杠稳定。

4.2.3 丝杠刚度计算

一个导程的变形量的最大值:

?=4ps/πEd12+16Ms2/π2Gd14 式中:p一轴向载荷200 N s一 导程 2mm

E一 弹性模量20.58x104N/mm2 D1一 丝杠小径 9mm

M一丝杠传递扭矩,由2.2.3知，M=T=0.078Nm G一 切变模量 83.3x103N/mm

34

4-7） （

将数据代入得: ?=6.15x10-6mm 一米变形量为: ?1000=6.15x10

-3

/2=3.08?m

200mm变形量为： ?200=200?s/2=0.6?m\\

由变形量可知，丝杠变形较小，刚度足够。

4.2.4 丝杠和螺母螺纹牙强度计算

螺母所受弯曲应力:

?w=3phs/πdb2LZ=3x34.31x2/π10x1.32x15x1=0.26N/mm2 （4-8） 式中:b一齿根宽度b=0.65s=1.3mm，其它字母意义同前。 青铜的许用弯曲应力为:

[?w]=49N/mm2，故?w <［a］ 螺母螺纹所受剪切应力:

?=ps/πdbLZ=34.3x2/πx10x1.3x15x1=0.11N/mm2 （4-9）

青铜的许用剪切应力为[?]=49N/ mm 2，故: ?<［?］ 丝杠螺纹所受弯曲应力：

?w=3phs/πdb2LZ=3x34.3x1x2/（πx9x1.32x15x1）=0.293N/mm2 钢的许用弯曲应力为 [ ?w]=72N/mm 2 故。，?w <[ ?w] 丝杠的螺纹所受的剪切应力:

?=ps/πd1bLZ=34.3x2/(πx9x1.3x15.1)=0.127N/mm2 钢的许用剪切强度为[?]=120N/mm 2，故: ?<［?］ 以上校核表明，丝杠和螺母的螺纹牙强度足够。

4.2.5 螺纹副自锁条件校核

由[2]表3-10得，此螺纹副的当量摩擦系数fw=0.1. 当量摩擦角为: ?v =arctgfw =6.350

由式(2-6)知，螺旋升角为: ?

35

故此螺纹副能自锁. 结论:

丝杠螺母副公称直径d=10mm，导程p=2mm，刚度、强度、稳定性均合格，且能自锁。

4.3 各输出轴的设计

各轴的材料均选用45号钢，轴的许用扭剪应力［?］= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.

4.3.1 机身输出轴设计

图14 机身输出轴

由图知，此轴传递扭矩T=20Nm，转速v=300/s，则传递功率为： P=Txw=20π/6=10.5W=O.O105KW n=wx60/360=5r/min

d≧C3P/n=120x30.0105/5=15.4mm （4-10） 与谐波减速器连接部分轴径最小，有键槽，由于它承受了大臂、小臂、腕部及负载所带来的弯距，另外减速器的轴颈较大，故d的值可取大一些，这里取d=45mm;轴承部分45mm，轴承选为单列向心推力球轴承，轴承型号为66000，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。

4.3.2 大臂输出轴设计

36

图15 大臂输出轴

由式3-3知，此轴的设计功率为Pd=0 .382W，转速w=150/s,n=15x60/360=2.5r/min

则：

d≧C3P/n=6.4mm

最小轴径在两臂连接处，有键槽，且承受一定弯矩，故取d=10mm，轴承部分轴径选用? 10，其余按结构确定。轴承选为单列向心球轴承，轴承型号为0000，其余根据结构确定。

4.3.3 带轮轴设计

图16 带轮轴

此轴传递的扭矩为:

T=2To/i2x ?=2x0.22/(2x0.85)=0.26Nm 此轴的转速为w=300/s, 则传递功率为:

P=Txw=0.26xπ/6=0.136W=0.000136KW N=wx60/360=5r/min d≧C3P/n=3.6mm

37

由于轴上有键槽,承受一定弯矩,取d=15mm，轴承处轴颈取为d=15mm。轴承选为单列向心球轴承，轴承型号为0000.

4.3.4 伸缩轴设计

伸缩轴上螺母与丝杠配合，故需设计成空心轴，主要承受轴向拉力，取内径d=12mm，外径D=20mm，用两光杠与一直线轴承导向。丝杠上设置一对向心球轴承支撑，轴承型号为0000。光杠采用?5钢棒， 与伸缩轴平行放置，示意图如下：

图17 伸缩轴导向示意图

丝杠传递扭矩T=0.078Nm，则光杠所受圆周力: Ft=T/(31x10-3)=2.51N 则光杠所受径向力为:F=25.1N 光杠挠度最大值:Ymax=Fl3/192EI 式中:1一光杠长度395mm

E一弹性模量200Gpa I-惯性矩 I=1/64πd4 将数据代入得:Ymax=3.586 ?m

由变形量可知，光杠变形较小，刚度足够。

4.4 壳体设计

机身部分采用铸铁材料，方形结构，臂厚4-7.2mm。如下面机身底座底板的图形结构。

机械臂的整个机身的重量都压在了底版上，因此，底版的厚度取值为7.2mm，以保证足够的强度。

38