中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择
本设计要求手腕回转90°或180°，则腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。步进电机是一种步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
故手腕结构为步进电机带动涡轮蜗杆运动的结构：其主要功能是带动手爪的转向，使其能准确的抓取零件和放置零件。
运行方式为步进电机带动蜗轮蜗杆转动，继而带动手腕的转动，转到一定角度
(90°或180°)时电机停止转动，完成手腕的转动功能。
4.3 腕部的设计计算
计算条件：夹取工件重量600g左右，回转180°。 4.3.1 蜗轮轴的设计计算
设计计算：（计算部分由小组成员张益完成） （1）选择轴的材料
选择轴的材料为45钢，调质处理。由机械手册表6-1-1查得：?b?650MPa，
?s?360MPa，??1?270MPa，??1?155MPa
（2）初步确定最小轴径 按表选取A?115
?3P211.9?10?115?3?10.6mm .....................................（4.1）由机械手册得 dmin?A3 n215（3）轴的结构设计
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图4.1 蜗轮轴结构图
（4）键的选择与校核 1、蜗轮连接键 选择普通平键8?7?20
2T22?7.576?103查机械手册可得 p1? ??12MPa ..........................................（4.2）
D1k1l130?3.5?12查机械手册可得?pp?100MPa 所以p1??pp 2、轴端连接键
选择普通平键5?5?20。
2T22?7.576?103查机械手册可得 p2? ??25MPa .........................................（4.3）
D2k2l216?2.5?15查机械手册可得?pp?100MPa 所以p2??pp （5）轴的强度校核 其条件为 ?ca??M/W?2?4??T/2W??M2?(?T)2/W????1?....................（4.4）
2其中?ca —— 轴的计算应力，MPa；
M —— 轴所受的弯矩，Nmm M?MH2?MV2； ............................（4.5）
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中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） T —— 轴所受的扭矩，Nmm； W —— 轴的抗弯截面系数，mm3；
??1 —— 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算
M???T?M???T??M???T??ca????4?????3W0.2d?W??2W?0.1456222222?3.452?1.132???0.6*7.576?0.2*10.632?..........................................................................................................................................（4.6） 即?ca??σ-1?＝270MPa，故安全。 4.3.2 蜗轮齿轮设计 计算条件：
蜗轮轴输出功率P2?11.9?10?3kW，转速n?15r/min，负载转矩TL?7.576N?m，传动比i?50。工作寿命Lh?20000h 设计计算：
1选择材料和加工精度
蜗杆选用45钢、蜗轮选用ZCuAl10Fe3、加工精度7级 1.初选几何参数
z1?1，z2?50
2.计算蜗轮蜗杆传动效率及蜗杆输入转矩
粗算传动效率??(100?3.5i)%?(100?3.550)%?0.753 .................................（4.7） 蜗轮输出转矩T1?9.55蜗杆输入转矩 TL?P11.91?9.55??7.576N?m ..............................................（4.8） n15T17.576??0.201N?m ...................................................（4.9） i?50?0.7533.确定许用接触应力?Hp 蜗杆输入功率PL?TLn00.201?750??15.78w ......................................................（4.10） 9.559.55滑动速度vs?6.8m/s、?Hbp?115N/mm2、Zs?0.88
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中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） N?60n2Ln?60?15?20000?1.8?107、ZN?0.76 ..............................................（4.11） ?Hp??HbpZsZN?115?0.88?0.76N/mm2?76.912N/mm2 ..................................（4.12）4.求载荷系数K
动载荷系数K1?1.1、啮合质量系数K2?0.96、小时载荷率JC?15%、小时载荷率系数K3?0.68、环境温度系数K4?1.37、工作情况系数K5?1.0 由于不带风扇，K6?1
所以：K?K1K2K3K4K5K6?1.1?0.96?0.68?1.37?1.0?1?0.984 .......................（4.13） 5.计算m和q值
15150215150m3q?3()KT2?3()2?0.984?7.576?4.87mm .......................（4.14）
z2?Hp50?76.912取 m3q?5mm，m?2，q?16 7.蜗轮齿面接触强度校核验算
?H?14783KT2147830.984?7.576 ???71.35??Hp ....................................（4.15）
d2d110032接触强度足够。
4.3.3 步进电机选型
计算条件：手腕电机载荷约为85N，蜗轮轴转速n?15r/min 设计计算：
手腕转动90?的时间约为t?1s，
期间做功W?m1gh2?m2gh2?11.9J .........................................................................（4.16） 蜗轮轴输出功率P1?涡轮轴转矩T1?9.55W11.9J??11.9?10?3kW ...................................................（4.17） t1sP11.91?9.55??7.576N?m .................................................（4.18） n15电机轴输出转矩TL?T27.576??0.201N?m .................................................（4.19） i?50?0.75323
中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 电机轴输出功率PL?TLn00.201?750??15.78w ................................................（4.20） 9.559.55步距角取???i?0.018??50?0.9?。 ...................................................................（4.21） 静力矩Tsmax?(2~3)TL?(2~3)?0.201?(0.402~0.603)N?m ............................（4.22） 选用永磁感应子式步进电机57BYG450C
4.4 手腕部分出图及主要零部件出图
图4.2 手腕三维图
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