玩具箱、玩具柜关闭件试验机.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 34 页 共 34 页目 录第1章 绪论 21.1 机器手概述21.2 机器手的历史、现状41.3 机器手的发展趋势5第2章 玩具箱、玩具柜关闭件试验机传动机构强度计算 6 2.1电机的选择 62.2 一级减速器（蜗轮蜗杆减速器）6 2.3 二级减速器（V带减速器）162.4 传动机构的各杆应力计算 172.4.1 曲柄参数计算 17 2.4.2 连杆参数计算 18 2.4.3 摆杆参数计算 19 第3章 玩具箱、玩具柜关闭件试验机传动机构机构设计20 3.1 传动机构整体组装结构 203.2 传动机构个零件结构设计 21 3.2.1 机架的结构设计 213.2.2 曲柄的结构设计 223.2.3 连杆的结构设计 233.2.4 摆杆的结构设计 24 3.2.5伸缩手臂的结构设计 26 3.2.6连接件的结构设计 273.2.7总装配三维实体图 29第4章 总结30 4.1 所完成的工作 30 4.2 设计经验 30 4.3 误差分析 304.4 可以继续探索的方向 31致 谢31 参考文献 33 第1章 绪论1.1机器手概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器手的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3机器手的发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： 提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； 研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。第2章 玩具箱、玩具柜关闭件试验机传动机构强度计算2.1电机的选择蜗杆的传动比，蜗杆为下置式：故电动机可取转速范围为，符合这一范围的同步转速为750r/min，所以选型号Y160L-8，满载转速为720r/min。其主要技术参数见下表 2-1。表 1 Y160L-8的技术参数型号功率（kW）转速（）效率（）功率因数）堵转转矩堵转电流最大转矩额定转矩额定电流额定转矩Y160L-87.5720860.752.05.52.02.2一级减速器（蜗轮蜗杆减速器）总传动比: 蜗杆采用45钢，表面硬度45HRC以上，蜗轮材料采用ZCuSn1091，砂型铸造。 许用接触应力 式中，t工作寿命，h，取180000根据N由简明机械手册图6-5-56查得 =1.1.许用接触应力=2200.871.1=210.54MPA由图6-5-55查得=0.87 计算蜗轮输出转矩 T2 计算涡轮蜗杆的中心距a使用系数:查表6-6-51得弹性系数：根据蜗轮副材料查表6-6-55得， 寿命系数： 接触系数：由曲线图表6-6-67得：接触疲劳极限：由表6-5-67得：解除疲劳安全系数中心距： 取a220mm 蜗杆尺寸蜗杆头数：蜗轮齿数： 模数：，取m5 分度圆直径：查表 五 取标准值表 2 普通圆柱蜗杆传动的m和d1搭配值m(mm)d1(mm)m(mm)d1(mm)m(mm)d1(mm)m(mm)d1(mm)1182.5(22.4)4406.3(80)1.252028(50)11222.4（35.5）718（63）1.620455(40)80283.15（28）50(100)2(18)35.5(63)140 22.4（45）9010(71)(28)566.3(50)9035.54（31.5）63(112)齿顶圆直径： 齿根圆直径： 蜗杆齿宽： 蜗杆模数增长20mm所以b1=119mm蜗杆导程角：， 蜗轮尺寸分度圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径： 外圆直径： 蜗轮齿宽： 蜗杆圆周速度： 相对滑动速度： 当量摩擦系数：由表6-5-67查得螺距： 图 2-1 涡轮事实物图2.2.1 蜗轮减速器的校核2.2.1.1 蜗杆的强度校核 接触应力强度 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩 垂直面上的支承反力：水平面的支承反力：绘垂直面的弯矩图：绘水平面的弯矩图：求合成弯矩：该轴所受扭矩为：按弯矩合成应力校核轴的强度2.2.1.2 蜗轮轴的强度校蜗轮轴的校核：图 2-4 蜗轮轴的弯扭矩图垂直面上的支承反力：水平面的支承反力：绘垂直面的弯矩图：绘水平面的弯矩图：求合成弯矩：该轴所受扭矩为按弯矩合成应力校核轴的强度：故，涡轮轴的强度满足条件2.2.2 涡轮轴健的校核选取LT6弹性套柱销联轴器,d轴孔40mm，L186mm，L=114mm键蜗杆轴联轴器计算转矩选取LX6型弹性柱销联轴器，蜗杆轴上零件的周向定位：蜗轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接，平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为70mm，蜗轮与轴的配合半联轴器与轴的连接，选用平键，半联轴器与轴的配合，轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，选轴的直径公差为s6。查表 六 得=120MPa表 3 健连接的许用压力许用挤压应力许用压力连接工作方式健、轴的材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击静连接钢1201501001206090铸铁708050603045动连接钢5040302.3二级减速器（V带减速器） 2.3.1 大轮与小轮直径的确定选定的电机的转速为720转/分，一级减速器的传动比为36，为达到试验机的曲柄转速为4转/分。故二级减速器选择传动比为5的带传动减速器。带型 小带轮基准直径 小带轮在720（r/min）的转速Z型 50（mm） 0.09故选大轮直径为250mm2.3.2 中心距的计算 对于V带传动，中心距a一般可初取，为 取为500mm决定后，有带传动的几何关系，按下式计算所需带的基准长度1516根据，查表选定相近的基准长度。再根据来计算实际中心距mm故选择V带型减速器 Z型 小带轮直径为50mm 大带轮直径为250mm 中心距为342mm 2.4 传动机构各杆参数计算2.4.1曲柄参数计算 根据设计要求，考虑到曲柄的损坏大多为疲劳损坏，所以在材料的选择上要选择强度较高的金属材料。故选取经过850 正火处理，840处理，600回火处理的45钢 其=335Mpa 曲柄的长度为300mm，其质量约为2Kg。杆件的重力约为19.6N 45号钢的屈服极限为=335Mpa 取安全系数=1.2Mpa 计算曲柄杆件的横截面积：F为杆件的自身重力和各杆件之间的作用力，约为40N，将Mpa带入式中。A=0.0015=15横截面采用工字型结构 图2-1 曲柄横截面2.4.2 连杆参数计算 根据设计要求，考虑到连杆的损坏大多为疲劳损坏，所以在材料的选择上要选择强度较高的金属材料。故选取经过850 正火处理，840处理，600回火处理的45钢 其=335Mpa 连杆的长度为750mm，其质量约为7.5Kg。杆件的重力约为73.5N 45号钢的屈服极限为=335Mpa 取安全系数=1.2Mpa 计算曲柄杆件的横截面积：F为杆件的自身重力和各杆件之间的作用力，约为80N，将Mpa带入式中。A=0.0028=横截面采用工字型结构 图2-2 连杆横截面2.4.3 摆杆参数计算根据设计要求，考虑到摆杆的损坏大多为疲劳损坏，所以在材料的选择上要选择强度较高的金属材料。故选取经过850 正火处理，840处理，600回火处理的45钢 其=335Mpa 摆杆的长度为450mm，其质量约为4Kg。杆件的重力约为39.2N 45号钢的屈服极限为=335Mpa 取安全系数=1.2Mpa 计算曲柄杆件的横截面积：F为杆件的自身重力和各杆件之间的作用力，约为42N，将Mpa带入式中。A=0.0015=横截面采用工字型结构 图2-3 摆杆横截面第3章 玩具箱、玩具柜关闭件试验机传动机构机构设计3.1 传动机构整体组装结构 本设计的传动机构采用传统的曲柄连杆机构来实现，传动机构的运动结构简图如图2-1所示：图3-1 机构运动简图本机构由电机通过减速器带动曲柄CD做圆周运动，CD杆带动连杆BC运动，连杆BC从而带动摆杆AB往复摆动。机构的摆角为120。AB将连接外部的伸缩手臂配合定位夹固定玩具箱盖，带动玩具箱盖运动，从而实现检测玩具箱盖寿命的目的。3.2 传动机构个零件结构设计3.2.1 机架结构设计机架平面结构设计图：图3-2机架平面结构设计图 机架的材料选择普通铸铁材料，连接轴部分采用45刚材料应为在轴部分的疲劳损害较大。2轴的下方分别有直径140mm，高80mm的圆柱型底座支撑，这样可以减少杆件在旋转时对机架造成的摩擦损害，同时也提高了机架的使用寿命。机架三维实体图：图3-3机架三维实体图3.2.2 曲柄的结构设计曲柄平面设计图;图3-4曲柄平面设计图曲柄三维实体图：图3-5曲柄三维实体图3.2.3 连杆的结构设计连杆平面设计图：图3-6连杆平面设计图连杆三维实体图：图3-7连杆三维实体图3.2.4 摆杆的结构设计摆杆平面设计图：图3-8 摆杆平面设计主视图图3-9 摆杆平面设计主视图摆杆三维实体图：图3-10摆杆三维实体图3.2.5伸缩手臂的结构设计伸缩手臂平面结构结构设计图：图3-11伸缩手臂平面结构结构设计图伸缩手臂三维实体图：图3-12伸缩手臂三维实体图3.2.6连接件的结构设计连接件的平面结构设计图：图3-13连接件的平面结构设计图连接件的三维实体图：3-14连接件的三维实体图3.2.7总装配图总装配图：图3-15 总装配图三维实体装配图图3-16 装配实体图第4章 总结4.1 所完成的工作（1）对曲柄连杆机构结构的设计本文的第3章，第1节通过图解法画出曲柄连杆的运动简图。大体设计出了传动机构。同时设计出了各杆件的长度。（2）电动机和减速器的选择与设计为了使机构可以达到要求的转动速度，在选择好了电动机之后用二级减速装置实现减速，本文的第2章分别写出了蜗轮蜗杆减速器和V带减速器的设计过程。（3）杆件强度的计算通过对材料学的初步认识，先选取合适的杆件材料，通过一系列的计算过程，计算出杆件的横截面，从而设计出各杆件。（4）机构的零件图绘制绘制机构的二维零件图。（5）机构的三维实体图绘制机构各零件的三维实体图，并装配。4.2 设计经验和不足（1） 机架的设计尚有不足 机架的设计没有定位装置，和与电机减速箱的链接装置。（2） 最好安装机械制动装置 仅依靠程序来实现制动并不可靠，例如突然掉电，将无法制动。（3） 电机上应安装放电回路 电机相当于一个线圈，在电机启动或者停止瞬间，会产生很高的感应电动势，很可能会对电路中的元器件造成破坏，所以要加上稳压或者续流元件。4.3 误差分析 本文中每个关节的角度误差在2左右，由于是开环机构，所以综合叠加起来，末端误差可能会较大，并且重复精度不够。 下面简要分析一下误差的来源：（1） 齿轮、轴承的间隙，齿形带的变形不均匀（2） 装配误差（3） 各关节轴的回转误差，各连杆的受力变形误差；（4） 运行时，机械部分的振动4.4 可以继续探索的方向（1）可以设计电控装置对机构的运动周期进行计数（2）可以对减速箱体进行设计（3）可以设计减速箱，电机，传动机构的链接装置（4）可以设计试验机的外部机壳致 谢 本次毕业设计，是于黄玲老师考虑到学生日后的研究方向而特意为我安排的。通过这次训练，提高了自己的动手能力、设计能力和编程水平，为学生日后顺利进入机器手这一深邃的科研领域作下了铺垫。本次毕业设计，学生收获颇多，这与黄老师的悉心指导是分不开的。黄老师公务繁忙，但是还是经常抽时间来检查学生毕业设计进度，就毕业设计过程中遇到的问题给予耐心指导，敦敦教诲，身体力行，实在令学生钦佩感动不已！特此，学生郑重向于老师表示感谢！另外，学生还要感谢杨斌同学，他们在学生毕业设计的过程中给出了许多有益的建议，特此表示感谢！参考文献1 Craig, John J. Introduction to robotics. M 北京 机械工业出版社，2006 2 Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters f