关节型机器人腕部结构及控制系统设计
?F2??F1?YFS23.8?110.02?MPa?103.97MPa???F2? YFS14.1所以齿轮完全达到要求。
表5－6齿轮的几何尺寸
名称 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距 齿厚 齿槽宽 中心距 顶隙 符号 公式 d d1?mz1?2?20?40mmd2?mz2?2?40?80mm ha ha?ha?m?1?2?2mm hf h da1 df1 hf?(ha??c?)m?(1?0.2)?2?2.5mm h?ha?hf?2?2.5?4.5mm da1?d1?2ha?44mm da2?d2?2ha?84mm df1?d1?2hf?35mm df2?d2?2hf?75mm db1?d1cos??37.56mmdb2?d2cos??75.17mm p??m?3.14?2?6.28mm s??m/2?3.14mm e??m/2?3.14mm db1 p s e a c a?(d1?d2)/2?60mm c?c?m?0.25?2?0.5mm 第二极圆锥齿轮传动：齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180~190HBS，齿轮精度等级为7极。取z1?20,则z2?7?20?140。经计算齿轮满足要求。小齿轮作成齿轮轴。 a. 设计准则
按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 b. 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
?ZHZE3d1t???[?]H??4KT1??0.85?(1?0.5?)2u （4－4）
RR?2其中， ?d?0.8，u?5，
ZE?189.8MPa，ZH?1.8，
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P=mgv?5?10?3?150w/s n=143r/min
P0.15?9.55?106?9550N?mm n143选择材料的接触疲劳极根应力为：
T1?9.55?106?H1lim?580MPa ?H2lim?560MPa
选择材料的接触疲劳极根应力为：
?F1lim?230MPa ?F2lim?210MPa 应力循环次数N由下式计算可得
N1?60n1at （4-5） ?60?2000?300?8?16
?4.23?109
N14.23?109??0.846?109 则 N2?u5接触疲劳寿命系数ZN1?1.1,ZN2?1.02 弯曲疲劳寿命系数YN1?YN2?1
接触疲劳安全系数SHmin?1，弯曲疲劳安全系数SFmin?1.5,又YST?2.0，试选Kt?1.3。
求许用接触应力和许用弯曲应力：
??H1???H1limZN1?580?1.1?638MPaSHmin1??H2???HlimZN2?580?1.02?591.6MPaSHmin1??F1???F1limYSTSFminSFmin230?2YN1??1MPa?306.67MPa1.51.5
??F2???F2limYSTYN2?210?2?1MPa?280MPa将有关值代入（4－4）得：
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?ZHZEd1t?3??[?]H??4KT1??0.85?(1?0.5?)2uRR?224?1.3?9550?1.8?189.8??3?mm ?2591.60.85?0.3(1?0.5?0.3)?2???43.3mm??43.3?2000?d1tn1则 v1???4.53m/s
60?100060?1000z1v120?4.53?m/s?0.96m/s 100100动载荷系数Kv?1.0；使用系数KA?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，则KH?KAKvK?Ka?1.01?1.0?1.02?1.0?1.03
K1.03?39.1mm 修正d1?d1t3H?43.3?3Kt1.3m?d139.1?mm?1.95mm z120取标准模数m?2mm。 c.计算基本尺寸
d1?mz1?2?20?40mmd2?mz2?2?140?280mma?m
?z1?z2??40?280?160mm22d. 校核齿根弯曲疲劳强度
复合齿形系数YFS1?4.1，YFS2?3.8 取 Y??0.7 校核两齿轮的弯曲强度
?F1?4KT1YFS1?R(1?0.5?R)z1m1?u222232 （4-6）
?4?1.03?9550?4.10.8(1?0.5?0.8)?20?231?52MPa
?21MPa???F1?
?F2??F1?
YFS23.8?21?MPa?19MPa???F2? YFS14.121
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所以齿轮完全达到要求。
表5－7齿轮的几何尺寸
名称 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿顶角 齿根角 分度圆锥角 顶锥角 根锥角 锥距 齿宽 符号 公式 d d1?mz1?2?20?40mmd2?mz2?2?140?280mm ha ha?ha?m?1?2?2mm hf da hf?(ha??c?)m?(1?0.2)?2?1.6mm da1?d1?2hacos??44mmda2?d2?2hacos??282mm df1?d1?2hfcos??37mmdf2?d2?2hfcos??277mm tan?a?ha/R?0.01959 df ?a ?f ? ?a ?f R b tan?f?hf/R?0.0235 sin??mz/2R?0.196 ?a????a?10.3? ?f????f?10? R?mz/2sin??102mm b?(0.2~0.35)R?20.4mm 6轴的设计和校核
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，避免或减轻应力集中，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。
6.1摆腕输入轴的设计
a:轴的材料为45号刚，调制处理。 （1）求输入功率，转速和转矩。 根据电机的基本参数可以知道p1=0.6kw
n1=2000r/min T1=9550000?0.6?2000?2860N/mm 2初步确定轴的最小直径。 取A0=112，于是得dmin=A03P0.6=112?3=10mm n2000根据联轴器的型号选轴的最小直径是12mm b: 各段轴径和长度的确定
初估轴径后，就可按照轴上零件的安装顺序从dmin处开始逐段确定轴径，上
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面计算的dmin是轴段1的直径d1=12mm，L1=10mm。
轴段2要起到过度作用，所以取d2=22mm,L2=33mm。
轴段3的d3=30mm,L3=5mm。
轴段4要做成齿轮轴所以取d4=44mm,L4=42mm。 轴段5，d5=d3=30mm,L5=20mm。
轴段6考虑要安装轴承，内径要符合轴承安装条件，所以取d6=25mm,L6=16mm。
（2）轴的强度校核
轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则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。
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