毕业设计（论文）-大型四边形滚动机器人的设计与研究（全套图纸三维）.doc

毕业设计(论文) 大型四边形滚动机器人的设计与研究学 号：姓 名：专 业：机械设计制造及其自动化系 别： 机械工程系指导教师：XXX讲师XXX副教授二一五年五月摘 要全套图纸，加153893706机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对大型四边形滚动机器人进行改良和优化是当务之急。有大型机器人生产制造企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。国内大型四边形滚动机器人设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。大型四边形滚动机器人的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。本毕业设计的目标是设计一种大型四边形滚动机构，该机构尺寸为大型，利用人体操作实现机构运动的控制。采用四杆机构作为设计基础，通过机构设计与仿真设计实现滚动功能。关键词：大型四边形滚动机器人；结构；四杆机构；曲柄摇杆iABSTRACTThe environment of global economic development, China industries affected by other countries advanced technology at the same time, foreign enterprises and brand spread to more and more Chinese has become an opportunity. Cap pressing machine in industry through a variety of ways have been working with the relevant technology, and constantly improve their own strength and core competitiveness, and narrow the gap with developed countries. In the new market demand, update the sleeve pressing machine is a pressing matter of the moment. The production of pipe pressing machine equipment manufacturing enterprises to fully tap the potential of the market, vigorously develop the sleeves of large low cost pressing special machinery and equipment, plays a positive role in the evolution of automatic assembly, the assembly of mechanical equipment. There is a large pipe equipment on equipment safety index has strict requirements of production. In the production equipment of enterprises, give full consideration to the possible problems in the operation of the equipment, so as to reduce the noise pollution caused by vibration or improper operation of equipment phenomenon. and manufacturing of domestic pipe pressing equipment with global appeal, economic, security and stability of the theme consistent. Increase R & D and production pipe pressing equipment of new energy saving, efficient sleeve pressing machine is the trend of development of the industry.Recently, the use of machinery industry, bearing and shaft sleeve shaft were investigated, found that the shaft, bearings and bushings in the machinery industry is one of the key parts. Come very naturally in the assembly of the installation is also very simple. In the installation if the use of artificial pressure with not only the labor intensity is too large and the size of each other is not easy to ensure the shaft, bearing and shaft sleeve, so the design of a special press be imperative.Key word: Micro walking robot；construction；four-bar linkage；crank-rockeriv目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪论1 1.1课题来历与研究的目的以及意义1 1.2大型四边形滚动机器人的发展现状2 1.3本课题研究的内容5 1.4 该机器人的Solidworks设计7 1.4.1 草图绘制9 1.4.2 基准特征，参考几何体的创建10 1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建11 1.4.4 工程图的设计12 1.4.5 装配设计12 2 大型四边形滚动机器人总体方案结构的设计12 2.1 大型四边形滚动机器人的总体方案图12 2.2 大型四边形滚动机器人的工作原理12 3 机械传动的设计计算16 3.1 伺服电机的选型计算16 3.2 传动轴的设计计算17 3.3 轴承的设计计算17 4 主要零部件的强度校核18 4.1 传动轴强度的校核19 4.2 轴承强度的校核计算19 结论19 致 谢20 参考文献21附录 一32附录 二401 绪论1.1课题的来源与研究的目的和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。1.2 大型四边形滚动机器人的发展现状 机器人是最典型的机电一体化数字化装备 ，技术附加值很高 ，应用范围很广 ，作为 先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业 ，将对未来生产和社会发展起越来越重要 的作用。国外专家预测 ， 机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（ IFR ）统计 世界机器人市场前景看好 ，从20世纪下半叶起 ， 世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头 。 进入90年代 ，机器人产品发展速度 加快 ，年增长率平均在 10% 左右 ，2000 年增长率上升到 15% ，预计21 世纪初 ，作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如 2l 世纪日本创建机器人社会技术发 展战略报告指出 ， 机器人技术RT 与信息技术（ IT ）一样，在强化产业竞争力 “ 方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑 2l 世纪日本产业竞争力的 产业战略之 最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（ 2003 2007 年 ），现正在实施中。机器人广泛应用于各行各业 。主要进行焊接、装配、搬运 、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人 83 万台。过去 10 年，机 器人的价格降低约 80% ，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了 40% 。现役机器人的 平均寿命在 10 年以上，可能高达 15 年 ， 它们还易于重新使用 。 由于机器人及自动化 成套装备对提高制造业自动化水平 ， 提高产品质量和生产效率 、 增强企业市场竞争力 、 改善劳动条件等起到了重大的作用 ， 加之成本大幅度低和性能的迅速提高 ， 其增长速度 较快 。 据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会 （ UCENE ） 统计 ， 如表 l 所 示 ， 2001 年机器人安装量为 7.8 万台套 ，年增长率 9% 。 机器人的应用主要有两种 方式 ， 一种是机器人工作单元 ， 另一种是带机器人的生产线 ， 并且后者在国外已经成 为机器人应用的主要方式 。 以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种 、 少批量的柔性生产发展方向 ， 具有广阔的市场发展前景和强劲生命力 ， 已开发出多种面 向汽车 、 电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品 。 在发达国家 ， 机器人自动 化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元 。 像国际上著名公司 ABB 、 Comau 、 KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG 、 村田等都是机器人自 动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据日本工业机器人协会统计， 早期的日本工业机器人产业年产值约为 50 亿日元 ， 经 过 70 年代的应用期和 80 年代的普及期， 1981 年产值达到 1000 亿日元， 1991 年提 到 高到 6000 亿日元 ， 到 2000 年 ， 其产值达到 10800 亿日元 ， 2005 年将达到 18500亿日元。据国际机器人协会统计 ， 2003 年工业机器人发货量呈现强劲增长势头 。 与 2002 年相比 ， 2003 年全球范围内机器人的订货量增长约 10% 以上。预计，工业机器人 的世界市场将从 2002 年的 68600 台套增长到 2006 年的 91100 多台套，年平均增长 7.4% 。我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初， 到现在已经历了 30 年的历 程 。 前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态 ， 发展比较缓慢 。 1985 年后开始 列入国家有关计划，发展比较快。特别是在 “ 七五 ” 、 八五 ” 、 九五 ” 机器人 “ “ 技术国家攻关 、 “ 863 ”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大 发展。 在机器人基础技术方面 ： 诸如机器人机构的运动学 、 动力学分析与综合研究 ， 机 器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究 ， 机器人内外部传感器的研究与开发 ， 具 有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展 ， 并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面 ： 诸如交直流伺服电机及其驱动 系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨 、 谐 波减速器 、 RV 减速器 、 十字交叉滚子轴承 、 薄壁轴承等均开发出一些样机或产品 。 但这些元部件距批量化生产还有一段距离。 在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双 CPU 、多 CPU 和分级分层控制的机 器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。 在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如 AGV 自 动导引车 ），壁面爬行机器人，重复定位精度为 O.024mm 的装配机器人，可潜入海 底 6000m 的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实 用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面 ： 目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人 生产线 ， 喷涂生产线和焊装生产线 。 国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人 工程设计和实施的能力 ， 整体性能已达到国际同类产品的先进水平 ， 而整体价格仅为国 外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。据统计，九五 ” 期间，我国工业机器人的需求量以每年 30 以上的速度增长。“2000 年，我国工业机器人的拥有量约为 3500 台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为 6 7 亿元。 1986 2000 年产品销量如表 3 所示。 据有关专家预测 ， 我国机器人 2005 年拥有量将增至 7600 台 ， 年销售额为 28.7 亿元 ； 2010 年拥有量为 17300 台，年销售额为 93.1 亿元。根据发达国家产业发展与升 级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到 2015 年中国机器人市场的容量约达十几万台 套。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益 。 随着我国 工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大 ， 并且逐渐成为 自动化生产线的主要方式 。 我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步 ， 而国内装备 制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期 ， 这就给机器人自动化生产线研究开 发者带来巨大商机 。 据预测 ， 目前我国仅汽车行业、电子和家电行业 、 烟草行业 、 新能源电池行业等 ，年需求此类自动化线就达 300 多条 ，产值约为 60 多亿元人民币 。 预计在 2005 年左右需求此类自动化生产线达到 600 条 。 据初步测算 ，“ 十一五 ” 期 间汽车制造业的需求市场容量将达到 800 多亿元人民币。我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小， 这与当前市场需求有较大差距。 生产规 模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本 ， 才能占领国内市 场 。 目前主要生产第一代示教再现型机器人 。 随着建筑施工 、 石化 、 食品 、核工 业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度 、 蛇形的 、 无人飞行器以及家用 、 病人护理 、 盲人引导犬等 。 目前正在逐步建立上海 、 沈阳 、 北京机器人及其自动化生产线产业基地 ， 开发出一批有市场前景的 ， 具有自主知识产权 的机器人及其自动化生产线产品 。 进一步加强与外企合作 ， 引入先进技术及资金使我国 成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界。1.3本课题研究的内容 大型四边形滚动机器人的设计重点是依靠SOLIDWORKS。在设计过程中，了解大型四边形滚动机器人的结构特征和三维软件的使用要领。本文的设计目标是设计大型四边形滚动机器人。利用人体操作实现机构运动的控制，采用四杆机构作为设计基础，通过机构设计与仿真设计实现滚动功能。其研究内容包括：（1）功能分析与方案设计；（2）结构设计与三维造型；（3）运动仿真；（4）控制系统设计。1.4 该机器人的Solidworks设计 熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。1.4.1草图绘制 掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。1.4.2 基准特征-参考几何体的创建 清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。1.4.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模 灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。1.4.4工程图设计 灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。1.4.5装配设计 灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。2 大型四边形滚动机器人总体方案结构的设计2.1 大型四边形滚动机器人总体方案结构的设计本次设计的大型四边形滚动机器人采取的方案是：采用碳钢板通过销轴连接的方式来制作主体，主体里面安装步进电动机作为动力源，驱使曲柄连杆机构运动，然后曲柄连杆机构开始运动，使得我的机器人的步行功效得以实现，其具体方案结构图如下：2.2 大型四边形滚动机器人的工作原理该大型四边形滚动机器人采用步进电动机作为动力源，驱使曲柄连杆机构运动，然后曲柄连杆机构开始运动，使机器人按照不同的步态实现滚动功能。其具体步态规划图如下图所示：3 机械传动的设计计算3.1 伺服电机的选型计算 已知整个大型四边形滚动机器人的总重量130KG,其他重量70G，我们取总重量为200Kg，移动速度为12r/min。即：具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速 3.负载转矩式中：4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A，此电机厂家为机电产品。依据电动机参数和特性曲线可得： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.1KW，额定转矩为7.62N.m，最高的转矩是9N.m，额定的转速是3000r/min，以下是电动机的效果图：外形尺寸130x160，电机输出轴径为25mm。3.2 传动轴的设计计算 轴作为机器的一个关键组成部分，其为各类传动部件的安装，传动的扭矩和旋转运动围绕轴进行，而且经过轴承和机架连接。为了满足定位轴上的紧固件和容易加工和装配的轴类零件和拆卸，通常轴设计成阶梯轴。轴系的零件是由轴和它上边的零部件构成一个装配体系，研究轴的过程中不仅要研究轴体自己的数据，还要将系统里的全部零碎部件融合在一起。 因为用于振动的传递的轴体不仅要传送扭矩，还得经受住弯矩，是以本人研究的阶梯性轴是转动轴。因为确定了小带轮的参数，相应的大带轮随之确定。接下来的工作就是计算轴体的直径了。轴体的研究需要凭借扭转强度来调整弯曲的强度，因为可用作轴的原料比较多，所以必须得明确轴的应用环境，还有规定诸如刚度，强度以及别的机构机能。可以使用热处理这种方法，当然也要琢磨怎样使加工简单并且花费较少，用研究计算所得的数据以确定轴体的用料，故采取45号钢当成轴体的原料，它需要40MPa的切应力。然后需要做正火或者调质处理来确保它的力学性能。 1、初步计算轴的直径扭转强度估计轴的最小直径d，轴的最小直径mm，查表16.2，c=112, p=20.35, n=851,代入设计公式得=17.26mm。考虑键槽等要素对轴的影响，轴的直径应增加以弥补轴的键槽强度减弱。取轴直径d=20mm，就是最右边装带轮处直径等于20mm。装有密封元件和滚动轴承处的直径，应与密封元件和轴承的内孔径尺寸保持一致。轴体上面存在两支点的轴承要选用一样的标准，方便加工轴承的座孔。挨着的轴段，应使直径不一样构成轴肩，轴肩在轴体上部件定位以及承受轴向力时要提供相应的高度，轴肩的直径差通常选5到10mm，本文轴肩处采取5毫米的直径差，接着把每段轴体的长度尺寸匹配到一块，还要注意轴承座的安装以及结构是否合理，同样，螺钉等部件的长度和别的的因素，这样即可确定出轴的各段长度了。3.3 轴承的设计计算轴承的选择并不是只考虑轴径一个因素，还要考虑到轴承的性能，一般要考虑到其寿命、可靠度（指该轴承达到或超过规定寿命的概率）、静载荷、动载荷、额定寿命、基本额定寿命、基本额定载荷等等很多因素。最主要的是允许空间、载荷的大小和方向、轴承工作转速、旋转精度、轴承的刚性（一般磙子轴承的刚性大于球轴承）、轴向游动、安装和拆卸。因为在本设计的轴上径向载荷大，轴向载荷小，而且存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的问题，所以选用调心滚子轴承，因为调心磙子轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双轴向载荷，而圆锥磙子轴承有打的锥角可承受大的径、轴向联合载荷。所以选用（双列向心）圆锥磙子轴承，有双内圈，并是可分离的轴承，根据d=80mm,由参考资料2P7356 表7278 带紧定套的调心滚子轴承（GB/T288-1994），选用22218CK/W33+H318轴承，其基本额定载荷为=240KN,=322KN, 根据轴承选用配套的轴承座，参考资料2P7-43表7-2-105 适用圆锥孔的异径孔滚动轴承座(GB/T7813-1998) SNK型轴承座，可选用SNK316型的轴承座。4 主要零部件的强度校核 4.1 传动轴强度的校核 轴的强度计算一般可分为三种：1）按扭转强度或刚度计算；2）按弯扭合成强度计算；3）精确强度校核计算。 当轴的支撑位置和轴所受的载荷大小、方向、作用点及载荷种类均已确定，支撑反力及弯矩可求得时，可按照弯曲或者弯扭合成强度进行轴的强度计算。作用在轴上的载荷一般按集中载荷考虑，如本设计中的带传动对轴的力，其作用点取在轮缘宽度的中点。计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的双支点梁，一般轴的支点近似取为轴承宽度中点。由于本设计所用轴主要是受弯曲强度，很少的扭转强度，是根据扭转强度设计，应校核轴的弯曲强度，首先分析轴的受力，左端受的是圆锥筛的重力，右端是带轮对轴的力，中间是轴承座的两个支撑力。左端的作用力包括筛自身的重力、物料的重力、物料旋转产生的离心力。所以考虑圆锥筛对轴产生作用力时，仅是一个经验数据。在这里，假设圆锥筛为实心，对轴的作用力取其重力的。 密度是=7.38/,锥筛大端直径为D=，小端直径是d=360，H=1140，h=510，所以锥筛的体积即0.2;所以,筛的重力约为 轴径是按扭转强度初步设计的，所以要校核轴的弯曲强度，轴的强度校核也就是找出危险截面，看危险截面是否满足轴径条件，如果危险截面满 足，那么别的轴径肯定满足；根据轴的实际尺寸，承受的弯矩、扭矩图考虑应力集中，表面状态，尺