本科毕业设计说明书（论文）
（1）工作时无滑动，有准确的传动比
第12 页共46 页
通过以上的比较可以总结出同步带传动的优点有[17,21,22]：
同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。 （2）传动效率高，节能效果好
由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。 （3）传动比范围大，载荷范围大，结构紧凑
同步带传动的传动比一般可达到l0左右，传动的功率从几瓦到几百瓦。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。 （4）维护保养方便，运转费用低
由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。且同步带传动无需润滑，齿面具有自润滑性。 （5）传动噪音小，传动机构质量轻。 2.2.4 圆弧齿同步带传动
自1946年由美国的Vniroyal公司开发成功后，带的齿廓一直为梯形（图 2.8 a））。梯形齿的齿侧面为直线，这使带齿根应力集中严重，影响它的寿命和承载能力；另外，梯形齿同步带传动的震动、噪音和干涉量也较高，影响带速。光弹实验发现，在梯形齿截面上应力分布很不均匀。
随着人们对齿形应力分布的解析，开发出了传递功率更大的圆弧齿（图 2.8b）），由于它的带齿根应力小，应变条纹沿整个截面分布，使整个齿的材料得到充分利用，降低了振动和噪音，干涉小。圆弧齿同步带的问世，扩大了同步带的传动范围，使同步带不但能适用于高速低扭矩的场合，也能适应低速高扭矩的场合，还扩大了应用领域[19]。
后来人们根据渐开线的展成运动，又开发出了与渐开线相近似的多圆弧齿形，使带齿和带轮能更好的啮合（图 2.8c）），使得同步带传动啮合性能和传动性能得到进一
本科毕业设计说明书（论文）
步优化，且传动变得更平稳、精确、噪音更小。
第13 页共46 页
a) 梯形齿 b) 圆弧齿 c) 近似渐开线齿
图 2.8 同步带齿形的变迁
本课题设计的是气动机器人腰部旋转的转换装置，对于机器人而言最重要的是传动精度要高，圆弧齿同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点，传动更平稳、更精确。由于带传动是扰性传动，带本身具有弹性，在一定程度上还能吸收传动过程中的部分振动，且同步带传动维修调整都比较方便，适应性好。由于系统传动速度不大，但是传递的扭矩比较大，属于低速高扭矩的场合，综合考虑了圆弧齿同步带的优点，所以本课题选用该传动来替代原有系统的传动方式。
本科毕业设计说明书（论文）
3 全气动关节型机器人的优化结构研究
3.1 圆弧齿同步带传动结构设计
第14 页共46 页
根据以上对圆弧齿同步带的分析，本课题决定采用圆弧齿同步带传动的方式。 对于优化后的结构需要满足以下几个要求：
（1）能够解决上文中提到的消除齿隙影响，达到减小定位时的振动的目的 （2）满足机器人的工作空间要求，即不影响原有系统的工作空间 （3）结构紧凑，便于安装，调节方便 优化结构的整体结构图如图 3.1所示。
１－机器人本体支座；2－ML2B气缸；3－同步带压板；4－同步带
5－压紧支架；6－压紧条；7－前后机架；8－同步带轮
图 3.1 优化后系统整体结构图
同步带轮的设计结构如图所示，由于设计的同步带轮的直径较小，所以为了装配的方便，同步带轮和传动轴设计为一体，直接在传动轴上加工出同步带轮。同步带轮的结构如图 3.2所示。
图 3.2 同步带轮轴
本科毕业设计说明书（论文）
（1）传动轴的安装方法 （2）机架的加工工艺问题 （3）机架与底板的安装问题 （4）机架的其他功能
第15 页共46 页
同步带的机架起到固定作用，在设计时需要考虑以下几个问题。
机架分为前机架和后机架，前机架固定于底板，由于带传动的中心距设计成可调，因此后机架并没有完全与底板固定。后机架与底板固定处铣成一长槽，不限制它在带轮中心距方向的自由度，通过压紧支架上的压紧螺钉施加同步带的张紧力。
由于同步带轮轴是两端细中间粗的结构，为了保证同步带轮轴的安装方便。因此机架设计成上下两部分，装配时先将带轮轴与下机架装配，然后再将上机架与带轮轴进行装配。
由于机架上体的尺寸较小，如果在对其加工时采用折弯的方法，加工的难度很大。综合考虑了加工工艺和难度，机架由多个部件通过焊接而成。考虑到带轮轴需要与机架中的轴承座进行装配，需要保证轴承座孔的同轴度要求。加工时先将上下机架装配成一体，而后通过一次加工确定轴承支座孔的位置，再对轴承孔进行精加工，从而保证了同轴度要求。
结构优化后气动机器人腰部关节传动结构的实物如图 3.3所示。
图 3.3 结构优化后的腰关节传动结构实物图
本科毕业设计说明书（论文）
3.2 机械结构的设计和计算
3.2.1 同步带轮的设计计算
同步带传动主要失效形式有[25]： （1）抗拉层弯曲疲劳；
（2）在冲击载荷或严重过载情况下断裂； （3）抗拉层与带背撕脱抽出；
第16 页共46 页
（4）带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边和带齿磨损。
在对同步带传动结构设计之前，需要对原有机构的设计参数进行一些测量和说明。
原系统对腰部回转运动设计的运动空间范围为?95?，所以其总的旋转角度为
190?。ML2B气缸的行程为L=100mm,由此可计算出，原系统齿轮齿条传动中齿轮的
分度圆直径：
D=
L?360?100?360???60.3mm
??190???190?下面来说明同步带传动的设计计算步骤。 （1）带轮转速
通过实验发现在气缸在工作压力为0.6MPa时，在其行程范围L=100mm内运动时间约为T=4s，由此得出气缸在0.6MPa时平均运动速度v=
所以带轮的设计转速n=（2）设计功率
同步带传动的动力源是SMC公司的ML2B气缸。其气缸的理论输出力如表3.1所示[33]。
表3.1 SMC ML2B气缸理论输出力 (N)
缸径(mm) 25 32 40 活塞面积(mm) 490 804 1256 2100?25mm/s。 460v60?25??7.9r/min。 ?D??60.3使用压力（MPa） 0.2 98 161 251 0.3 147 241 377 0.4 196 322 502 0.5 245 402 628 0.6 194 483 754 0.7 343 563 879 0.8 292 643 1005 本系统使用的气缸型号为ML2B32 -100,由表可查得气缸在0.5MPa时气缸的理论输出力F=483N。