毕业设计（论文）-单自由度越障机器人的设计与研究（全套图纸三维）.doc

毕业设计(论文) 单自由度越障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 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，对单自由度越障机器人进行改良和优化是当务之急，单自由度越障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。 全套图纸，加153893706 国内单自由度越障机器人的研发及制造要与全球号召的高效经济、灵活、多样等主题保持一致。近期对机器人行业中单自由度越障机器人的使用情况进行了调查，发现在机械行业中，单自由度越障机器人的使用非常普遍。自然而然在机械设备中它们的设计也非常频繁。传统的单自由度越障机器人结构单一，实现的功能有限，所以设计一个专用的单自由度越障机器人势在必行。 本文运用大学所学的知识，提出了单自由度越障机器人的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了单自由度越障机器人总的指导思想，从而得出了该单自由度越障机器人的优点是高效，经济，并且变化灵活，多样，运行平稳的结论。关键词：发展；单自由度越障机器人；结构；高效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. With the development of science and technology, interdisciplinary mutual infiltration, mutual exchanges between the various industry, extensive use of new structure, new materials, new technology, the sleeve pressing machine is large, efficient, 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. Graduation project this time is a tube axial compressive loading machine. This paper introduces the theoretical calculation to design sleeve pressing machine structure, working principle and main parts of the strength check and the advantages of the sleeve, pressing machine is efficient, economical, and high safety, stable operation. The overall plan is: the relative position of two axle sleeve on the plane, the motor reducer to provide power through belt drives the screw rod to rotate, and drives the head movement, a nut, a rotary motion of the linear motion of press. Block type safety clutch overload protection with teeth, pressure distribution in the corresponding position of the pipe after drilling through the drilling template.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2单自由度越障机器人的发展现状2 1.3 本课题研究的内容4 1.4.1 草图绘制5 1.4.2 基准特征，参考几何体的创建6 1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建7 1.4.4 工程图的设计10 1.4.5 装配设计112 单自由度越障机器人总体结构的设计12 2.1 单自由度越障机器人的总体方案图123 机械传动部分的设计计算17 3.1电机的选型计算18 3.2齿轮传动的设计计算19 3.3齿轮齿条的选型计算194 各主要零部件强度的校核24 4.1转动轴强度的校核与计算25 4.2齿轮强度的校核计算26结 论26致 谢27参考文献28附录 一32附录 二40iii1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单自由度越障机器人的发展现状 20世纪60年代，单自由度越障机器人人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用， 到了 20 世纪 80 年代， 现代单自由度越障机器人人的研制工作进入了 广泛开展阶段。 世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。 该机器人具有较好的步态运动稳定性， 但缺点是， 该机器人的关节是由逻辑电路组成的 状态机控制的，因此机器人的运动受限制，只能呈现固定的运动形式。 20 世纪 80， 90 年代最具代表性的单自由度越障机器人人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制 的 TITAN 系列。19811984 年 Hirose 教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的 TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传 感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。 TITAN-VI 机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用 两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 2000-2003 年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器 人 Tekken-IV,它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统 控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实线不规则地面 的自适应动态步行， 显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。 它 的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够 在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。 目前最具代表性的四组步行机器人是美国 Boston dynamics 实验室研制的 BigDog,它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达 52KG 的重量，爬升斜坡可达 35。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连 有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能 力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当 机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。 国内四足机器人研制工作从 20 世纪 80 年代起步，取得一定成果的有上海交通大 学、清华大学、哈尔滨工业大学等。 上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列单自由度越障机器人人的研究。 1996 年该研究所研制成功了JTUWM-III， 该机器人采用开式链腿机构， 每个腿有 3 个自 由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制， 脚底装有 PVDF 测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行 走。但行走速度极慢，极限步速仅为 1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时 实用性较差。 清华大学所研制的一款单自由度越障机器人人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构， 通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件， 完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能 力较小。 综上所述，美国，日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度 也在不断提高。国内单自由度越障机器人的研究起步比较晚，在上个世纪 90 年代以后才逐渐 有了成果，但研究水平距世界先进水平还有差距。 1.3本课题研究的内容 本论文主要研究运用SolidWorks对单自由度越障机器人进行设计。1.3.1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。1.3.2 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。1.3.3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。1.3.4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。1.3.5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 单自由度越障机器人总体结构的设计2.1 单自由度越障机器人的总体方案图本次设计的单自由度越障机器人采取的方案图如下图所示;3 机械传动的设计计算3.1 电机的选型计算 已知整个单自由度越障机器人中零件的重量，我们取总重量为10Kg，电机额定转速为1440r/m。即： 具体的电机设计计算如下:N=0.18(KW)G电机的负载传动效率，取0.75所以根据N0.5kw，n1500r/min，查B1表10-4-1选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机的结构。 3.2齿轮传动的设计计算1） 选择齿轮材料为45（调质），硬度为280HBS.2） 精度等级选用7级精度； 3）小齿轮齿数z130，大齿轮齿数z231的； 4） 齿轮模数都为2的直齿轮 因为低速级的载荷大于高速级的载荷，所以通过低速级的数据进行计算 1） 确定公式内的各计算数值 （1） 试选Kt1.6 （2）选取区域系数ZH2.433 （3）选取尺宽系数d1 （4）查得10.75，20.87，则121.62 （5）查得材料的弹性影响系数ZE189.8Mpa （6）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1600MPa；大齿轮的解除疲劳强度极限Hlim2550MPa； （7）计算应力循环次数 N160n1jLh601921（283005）3.3210e8 N2N1/56.64107； （8） 查得接触疲劳寿命系数KHN10.95； KHN20.98 ；（9） 计算接触疲劳许用应力 ；取失效概率为1，安全系数S1，由得： H10.95600MPa570MPa H20.98550MPa539MPa HH1H2/2554.5MPa；3.3齿轮齿条的选型计算2.3.1齿轮的设计（1）选择材料及确定需用应力小齿轮选用45号钢，调质处理，HB236 由机械零件设计手册查得 （2） 确定各种参数齿轮按 8等级精度制造由于原动机为电动机，载荷平稳，一般按照中等冲击载荷计算。查机械设计基础得：取K=1.3查机械设计基础114取：区域系数 ZH=2.5 弹性系数 ZE=188.0查机械设计基础教取：齿宽系数 由 （3）按齿面接触强度设计计算齿数取Z1=24故实际传动比由于是齿轮齿条传动则i=1模数 我们取m=1.5宽 ，取b=18mm（4）验算齿轮弯曲强度 齿形系数YFa1=2.56，YSa1=1.63 YFa2=2.24，YSa2=1.76由式 ，安全。（5）计算齿轮圆周转速v并选择齿轮精度 此速度合适其他计算从略。所得小齿轮的基本参数如下：(1)分度圆直径d1d1=m*z1=1.5*24=36mm (2)齿顶高ha1ha1=ha*m=1*1.5=1.5mm (3)齿根高hf1hf1=(ha+c)*m=(1+0.2)*1.5=1.8mm (4)齿高h1h1=ha1+hf1=1.5+1.8=3.3mm (5)齿顶圆直径da1da1=d1+2*ha1=36+2*1.5=39mm (6)齿根圆直径df1df1=d1-2*hf1=36-2*1.8=32.4mm (7)基圆直径db1db1=d1*cos()=36*0.939693=33.83mm (8)齿顶圆压力角a1=arcos(db1/da1)=arcos(33.8289/39)=29.84 (9)端面重合度=1/2/*(z1*(tan(a1)-tan()+z2*(tan(a2)-tan() =1/2/*(24*(0.573659-0.36397)+60*(0.457418-0.36397)=1.69 (10)纵向重合度=0 (11)总重合度=1.69 2.3.2齿条的设计齿轮作回转运动，齿条作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变为直线。齿条直线的速度与齿轮分度圆直径、转速之间的关系为本次设计中V=50mm/s式中 d齿轮分度圆直径，；小齿轮分度圆直径为36mm 齿轮转速，。齿轮转速为37.5r/min其啮合线与齿轮的基圆相切，由于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否标准安装（齿轮与齿条标准安装即为齿轮的分度圆与齿条的分度圆相切），其啮合角恒等于齿轮分度圆压力角，也等于齿条的齿形角；齿轮的节圆也恒与分度圆重合。只是在非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿轮与齿条正确啮合条件是基圆齿距相等，齿条的基圆齿距是其两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即。齿轮与齿条的实际啮合线为，即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线的交点及之间的长度。齿轮齿条传动的几何尺寸计算齿轮与齿条传动的尺寸计算见表表 齿轮齿条传动的几何尺寸计算项目名称计算公式及代号转齿轮齿条数值齿轮齿数24模数1.5螺旋角基本齿廓压力角齿顶高系数1顶隙系数0.25齿轮变位系数0尺宽齿轮18齿条20齿条长度450项目名称计算公式及代号转齿轮齿条数值齿轮分度圆直径36齿顶高齿轮1.5齿条1.5齿根高齿轮1.88齿条1.88齿高齿轮3.38齿条齿轮中心到齿条中心距18齿距4.71齿条齿数964 各主要零部件强度的校核4.1转动轴强度的校核与计算1、轴的特点: 轴是组成机械的主要零件之二。一切作回转运动的传动零件，都必须装在轴上刁能进行运动及.力的传递，同时它又通过轴承和机架联接，由此形成个以轴为基准的组合体一轴系部件。2、轴的种类1、根据承受载荷的不同分为: 1)转轴:定义既能承受弯矩又承受扭矩的轴2)心轴:定义:只承受弯矩而不承受扭矩的轴3)传送轴:定义:只承受扭矩而不承受弯矩的轴z、根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴3、根据轴内部状况，又可以将直轴分为实心轴和空。4、轴的设计重点1、轴的设计W轴的工作能力设计。主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。轴的结构设计。根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。一般的设计步骤为:选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。2、轴的材料 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括:碳素钢:该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料常用牌号有:30、35、40、45、50。采用优质碳钢时，一般应进行热处理以改善其性能。.力较小或不重要的轴，也可以选用X235,Q255等普通碳钢。合金钢:对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，可以选用合金纲合金钢具有史好的机械性能和热处理性能，但对应力集中较敏感，价格也较高。设计中尤其要汁意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。 铸铁:对于形状比较复杂的轴，可以选用球铸铁和高强度。 铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性，经济性好且.力集中不敏感，但铸造质量不易保证。3、轴的结构设计 根据轴在工作中的作用，轴的结构取决于:轴在机器中的安装位置和形式，轴上零件的类型和尺寸，载荷的性质、大小、方向和分布状况，轴的加工工艺等多个因素。合理的结构设计应满足:轴上零件布置合理，从而轴受力合理有利于提高强度和刚度;轴和轴上零件必须有准确的工作位置;轴上零件装拆调整方便;轴具有良好的加工工。艺性;节省材料等。1).轴的组成 轴的毛坯一般采用圆钢、锻造或焊接获得，由于铸造品质不易保证，较少选用铸造毛坯。轴主要由三部分组成。轴上被支承，安装轴承的部分称为轴颈; 支承轴上零件，安装轮毅的部分称为轴头;联结轴头和轴颈的部分称为轴身。轴颈上安装滚动轴承时，直径尺寸必须按滚动轴承的国标尺寸选择，尺寸公差和表面粗糙度须按规定选择;轴头的尺寸要参考轮毅的尺寸进行选择，轴身尺寸确定时应尽量使轴颈与轴头的过渡合理，避免截面尺寸变化过大，同时具有较好的工艺性。.结构一设计步骤设计中常采用以下的设计步骤: 1、分析所设计轴的工作状况，拟定轴上零件的装配方案和轴在机器中的安装情况。2、根据已知的轴上近似载荷，初估轴的直径或根据经验确定轴的某径向尺寸。3、根据轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对轴的表面要求等确定轴的径向(直径)尺寸。4、根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式确定轴的轴向尺寸。5、考虑加工和装配的工艺性，使轴的结构更合理。3)零件在轴上的安保证轴上零件可靠工作