毕业设计40壳体支撑与驱动机构设计（机械专业毕业设计）

沈阳理工大学学士学位论文 I 摘 要 本文针对回转壳体内粘贴胶片的接触性 操作， 设计一个壳体支撑与驱动机构，此机构可以适用 于 几种 不同 型号壳体 的 旋转、移动、定位等操作 ，同时 配合机械手 来完成此任务 。 设计的 机构 主要包括 壳体支撑 工作台、轴向和径向 的限位机构 、调节壳体的中心距装置等部件。重点对驱动壳体的 摩擦轮压紧 力进行了计算校核，避免驱动过程中的打滑。另外， 模拟直角坐标机器人的 移动，设计了 丝杠 加 直线导轨 的传动方式保证 壳体 垂直方向的 移动 。针对 壳体 旋转中精度不太高的要求，设计链传动方式驱动 壳体摩擦轮 。为了适用不同型号的壳体的胶片粘贴要求，设计灵活、方 便的 限位装置 对壳体限位 。系统中选用了高精度的 伺服电机 和 减速器 来保证精度，实现壳体准确的移动和定位。最后对系统中各个部件的刚度、强度等性能指标进行校核。 关键词 ： 自动置片系统 ； 直角坐标机器人； 回转 壳体；打滑 沈阳理工大学学士学位论文 II Abstract This paper mainly deals with the contacting operation of stick colloid inside the rotary hull. Based on that, a hull supporting and driving mechanism is designed. It can be applied in different types of hull operation, such as spinning, moving and locating. Meanwhile, there should be the cooperation of the robot manipulator. The mechanism mainly comprises of the units like hull supporting platform, axial and radial spacing mechanism and hull device measuring centre distance and so on. The main focus in this paper is the calculation and examination of the friction pulley clamping forces of the driving hull, so that to avoid the skid in the process of driving. In addition, simulating the moving of Cartesian robot, the transmission of master screw plus linear guide way is designed to make sure the hulls upright moving. Since precision of hull spinning is not so demanding, the chain drive mode is designed to drive the hull friction pulley. In order to meet the needs of different types of hull film, agile and convenient spacing mechanism is designed to limit the hull. In this system, high precise servo-motor and reduction gear are chosen to guarantee the exact moving and locating. In the end, every units stiffness and strength is check up as guideline in the whole system. Keywords: Automatic sticking-colloid system; Cartesian robot; Rotary hull; Skid 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 摘要 . Abstract . . 1 引言 . 1 1.1 课题背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 2 壳体和支架机构的总体设计 . 3 2.1 本次课题的主要内容 . 3 2.2 课题研究方案 . 3 3 摩 擦轮的设计 . 4 3.1 摩擦与打滑 . 4 3.2 传动比 . 4 3.3 设计思想 . 4 3.4 摩擦轮的设计与计算 . 5 3.4.1 壳体的受力分析 . 5 3.4.2 滚子的受力分析 . 6 3.4.3 滚子的质量及壳体的驱动力 F . 6 3.4.4 滚子旋转驱动电机的选择 . 7 4 滚子链传动的设计 . 9 4.1 滚子链链轮的主要尺寸 . 9 4.2 滚子链传动的设计计算 . 9 4.2.1 滚子链传动的设计计算步骤及计算式 . 9 4.2.2 滚子链的静强度计算 . 11 4.2.3 滚子链链轮 . 11 4.2.4 链传动的润滑 . 13 5 轴的设计验算 . 14 沈阳理工大学学士学位论文 IV 5.1 选择轴的材料 . 14 5.2 初步估计轴径 . 14 5.3 轴的结构 设计 . 14 5.4 轴的校核 . 15 5.4.1 轴的校核 . 15 5.4.2 轴的扭转刚度计算 . 18 6 轴上零件的选择与计算 . 20 6.1 键的选择与计算 . 20 6.2 滚动轴承的验算 . 21 6.2.1 确定轴上深沟球轴承的承载能力 . 21 6.2.2 按当量动载荷校核 . 22 6.2.3 按额定静载荷校核 . 22 7 各部分部件的质量估算 . 23 7.1 所选底板质量 . 23 7.2 所选上板质量 . 23 7.3 所选支架质量 . 23 7.4 所选滚子质量 . 23 7.5 所选轴质量 . 23 7.6 上板的合力 . 23 7.7 所有的合力 . 24 8 传动装置的设计计算及电机的选择 . 25 8.1 滑动螺旋传动左右旋丝杠 的设计 . 25 8.1.1 材料的选择 . 25 8.1.2 耐磨性计算 . 25 8.1.3 螺杆的强度计算 . 26 8.1.4 螺杆的稳定性计算 . 26 8.2 左右旋丝杠副的设计计算 . 27 8.2.1 螺母螺纹牙的强度计算 . 27 8.2.2 螺母外径与凸缘的强度计算 . 29 沈阳理工大学学士学位论文 V 8.2.3 螺母凸缘的强度 . 29 8.3 上下运动的丝杠的设计选择 . 30 8.3.1 材料的选择 . 30 8.3.2 耐磨性计算 . 30 8.3.3 螺杆的强度计算 . 30 8.3.4 螺杆的稳定性计算 . 30 8.4 上下传动的螺旋副的设计计算 . 31 8.4.1 螺母螺纹牙的强度计算 . 31 8.4.2 螺母外径与凸缘的强度计算 . 31 8.4.3 螺母凸缘的强度计算 . 32 8.5 丝杠电机及减速器的选择 . 32 8.5.1 选择的电机 . 32 8.5.2 选择的减速器 . 33 9 几种重要外购件的选择 . 34 9.1 直线导轨的选择 . 34 9.2 联轴器的选择 . 34 结 论 . 36 致 谢 . 37 参考文献 . 38 附录 A . 39 附录 B . 45 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 引 言 1.1 课题背景和意义 机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。 机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来， 机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望 ，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。 机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。 1.2 国内外研究现状 为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基 梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大 学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发 “MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。 我国的工业机器人从 80 年代 “七五 ”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过 “七五 ”、 “八五 ”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬沈阳理工大学学士学位论文 2 件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 (站 )上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车 制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计 ”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好 系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩 的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在 “十五 ”后期立于世界先进行列之中。 沈阳理工大学学士学位论文 3 2 壳体和支架机构的总体设计 2.1 本次课题的主要内容 针对回转壳体内粘贴胶片的接触性操作，设计一个壳体支撑与驱动机构，完成壳体的旋转、移动、定位等操作。设计内容包括支架部分的主要部件装备图和零件图。 要求： 了解直角坐标机器人的基本结构和传动方式，实现壳体支架的平移动作。 对壳体支架的限位机构进行设计，可适用不同型号的壳体。 选择合理的伺服电机 。 2.2 课题研究方案 这次的机构设计初步想采用安川伺服电机 作 为驱动方式使支架可以在导轨的配合下很好的完成移动和旋转。而完成旋转的支撑壳体的零件想采用滚子令其旋转，而支架部分可以 作 为拟导轨形式的机构完成 移动；完成旋转，移动 采用 伺服 电机完成驱动 ，传动系统的选择拟用链传动或者丝杠传动来带动机构的传动 。 具体如何选择在选择在设计的过程中加以比较再进行最后的确定。 沈阳理工大学学士学位论文 4 3 摩擦轮的设计 3.1 摩擦与打滑 摩擦轮传动是利用两轮直接接触所产生的摩擦力来传递运动和动力的一种机械运动。主 动轮依靠摩擦力的作用带动从动轮转动，并保证两轮面的接触处有足够大的摩擦力，使主动轮产生的摩擦力矩足以克服从动轮上的阻力矩。如果摩擦力矩小于阻力矩，两轮面接触处在传动中会出现相对滑移的现象，这种现象称为 “打滑 ”。因此在设计过程中也应该避免出现打滑现象的发生。 1、 增大正压力 (正压力只能适当增加 ) 2、 增大摩擦因数 通常是将其中一个摩擦轮用钢或铸铁材料制造，在另一个摩擦轮的工作表面，粘上一层石棉、皮革、橡胶布、塑料或纤维材料等。轮面较软的摩擦轮宜作主动轮，这样可以避免传动中产生打滑，致使从动轮的轮面遭受局部磨损 而影响传动质量。 3.2 传动比 机构中瞬时输入速度与输出速度的比值称为机构的传动比摩擦轮传动的传动比就是主动轮转速与从动轮转速的比值。 i=n1/n2 (3.1) 式中 1n 主动轮转速 ( min/r )； 2n 从动轮转速 ( min/r )； 传动时如果两摩擦轮在接触处 P 点没有相对滑移，则两轮在 P 点处的线速度相等 v1=v2 (3.2) 式中 v1滚子的线速度 (m/s)； v2 壳体的线速度 (m/s)； 因此：两摩擦轮的转速之比等于它们直径的反比。 i=n1/n2 =D2/D1 (3.3) 式中 1D 主动轮直径滚子 150mm； 2D 从动轮直径壳体 350mm。 3.3 设计思想 沈阳理工大学学士学位论文 5 该机构壳体需要完成旋转，且该壳体材料为金属类的某种材料。因为考虑摩擦轮为圆柱体、圆锥体或圆环，加工简单，精度高。还可以无间隙的实现正反向传动。所以采用直接接触并相互压紧的两摩擦轮之间的摩擦力，将主动轮的运动与转矩传给从动轮。主动轮滚子材料选择为 HT350 该材料密度为 7g/cm3 但在滚子表面挂上一层橡胶以增大壳体与滚子间的摩擦力，但考虑该系统之间的接触不需任何润滑，因此还需要在干燥的环境下进行，查表得知许用摩擦因数 fp 为 0.7。避免打滑就应该在设计过程中保证两个摩擦轮之间线速度一样 且保证有足够 大的摩擦力， 这就要选择 壳体与滚子的相对位置 (即两 物体 间的角度 )。 3.4 摩擦轮的设计与计算 3.4.1 壳体的受力分析 图 3.1 壳体 与滚子 受力 根据摩擦因数曲线和查表得出滑动安全系数 SR=fmax/fp=1/0.7=1.4281.4 2.0 合理。根据图计算如下： FN 法 =Gcos - Ft (3.4) Ft=fFN 法 (3.5) 由 (3.4)和 (3.5)得 Ft =fFN 法 =(f/1+f)Gcos i=n1 /n2 =D2/D1(1- ) (3.6) 式中 FN 法 正 压力 (N)； G 重力 (N)； 沈阳理工大学学士学位论文 6 为正压力与重力的夹角 ； Ft 摩擦力 (N)； f 摩擦系数 ； 为相应滑动率 0.1。 主动轮 n1=15r/min 把 D1=150mm， D2=350mm，代入得 n2=38.88r/min 3.4.2 滚子的受力分析 根据余旋定理 a2+b2-2abcos2 =c2 (3.7) 由设计知 25030 当 l 最大时 ， 最大 图 3.2 滚子中心距 l 的确定 由图可以分析出 sin =185/250dK=32mm,合适。 沈阳理工大学学士学位论文 10 5、 初定中心距 a 按要求 a0=180mm a0p=a0/p (4.3)式中 a0p 以节距计的初定中心距 (mm) ； a0 初定中心距 (mm)。 由公式 (4.3) a0p=a0/p=180/15.875=11.34,所以在无张紧装置时有 18011.3425=283.5满足。 6、 链节数 LP LP=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P/a0(Z2-Z1/2)2 (4.4) 由公式 (4.4) LP=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P/a0(Z2-Z1/2)2 =2180/15.875+(17+17)/2+15.875/180(17-17/2) 2 =22.68+17+0 =39.67 取 LP=40 节 7、 链条长度 L L=PLP/1000 (4.5) 式中 KP 排数系数 ； 由公式 (4.5) L=PLP/1000=15.87540/1000=0.635m 8、 理论中心距 a a=P/2(LP-Z) (4.6) 式中 Z 齿数 ； 当 Z1=Z2=Z=17 时，由公式 (4.6) a=P/2(LP-Z)=15.875/2(40-17)=182.5625mm 9、 实际中心距 a a=a- a (4.7) 由公式 (4.7) a=a- a=182.5625-0.004182.5625=181.5mm 取 a=182mm 10、 链速 V V= Z1 n1 P/601000 (4.8) 由公式 (4.8) V= Z1 n1 P/601000=1737.515.875/(601000)=0.169m/s 因为 V0.6m/s 所以该传动为低速链传动。 11、 有效圆周力 Ft 沈阳理工大学学士学位论文 11 Ft=1000P/V (4.9) 由公式 (4.9) Ft=1000P/V=10000.45/0.169=2662.7N 12、 作用于轴上之力 FK FK=1.15KAFt (4.10) 由公式 (4.10) FK=1.15KAFt=1.1512662.7=3062.105N 13、 润滑方式的选择 根据 P 及 V 查图 11103，应采用油杯或刷子供油。 14、 链条的标记 链 10A140 4.2.2 滚子链的静强度计算 在低速 (V0.6m/s)重载链传动中，链条的静强度占主要地位。如果仍用额定功率曲线选择计算，结果常不经济，因为额定功率曲线上各点相应的条件性安全系数 n 为8 20，远比静强度安全系数大。当进行 耐疲劳和耐磨损工作能力计算时，若要求的使用寿命过短，传动功率过大，也需进行链条的静强度验算。 链条静强度计算公式： l i m148caAFnS KF (4.11) 式中： Sca 链的抗拉静强度的计算安全系数； Flim单的极限拉伸载荷，单位为 (kN)； KA 工作情况系数； F1 链的紧边工作拉力，单位为 (kN)； n 链的排数 。 由公式 (4.11) 18.56627.21 8.13 tAca FKQS 在允许的范围之内，所以静强度满足要求。 4.2.3 滚子链链轮 链轮基本尺寸的计算 1、 分度圆直径 d d=P/sin180o/Z (4.12) 由公式 (4.12) d=P/sin180o/Z=15.875/sin180o/17=15.875/0.18345=86.4mm 沈阳理工大学学士学位论文 12 2、 齿顶圆直径 da damax=d+1.25P-d1 (4.13) damin=d+(1-1.6/Z)P-d1 (4.14) 由公式 (4.13)(4.14) damax=d+1.25P-d1=86.4+1.2515.875-10.16=96.08mm damin=d+(1-1.6/Z)P-d1=86.4+(1-1.6/17) 15.875-10.16=90.62mm da 取为 96.08mm 3、 齿根圆直径 df df=d-d1 (4.15) 由公式 (4.15) df=d-d1=86.4-10.16=76.24mm 4、 分度圆弧齿高 ha hamax=(0.625+0.8/Z)P-0.5d1 (4.16) hamin=0.5(P-d1) (4.17) 由公式 (4.16)(4.17) hamax=(0.625+0.8/Z)P-0.5d1=5.58mm hamin=0.5(P-d1)=0.5(15.875-10.16)=2.8575mm 所以取 ha=5.57mm 5、 齿侧凸缘直径 dg dgPcot180o/Z-1.04h2-0.76 (4.18) 由公式 (4.18) dgPcot180o/Z-1.04h2-0.76=15.875cot180o/17-1.0415.09-0.76=68.47mm 6、 齿宽 bf1 bf1=0.95b1 (4.19) 由公式 (4.19) bf1=0.95b1=0.959.4=8.93mm 7、 链轮齿总宽 bfn bfn= bf1=8.93mm 8、 齿侧半径 rx rx 公称 =P=15.875mm 9、 齿侧倒角 ba ba=0.1315.875=2.06mm 10、 齿侧凸缘圆角半径 ra ra0.04P (4.20) 由公式 (4.20) ra0.04P=0.0415.875=0.635mm 沈阳理工大学学士学位论文 13 图 4.1 链轮齿 槽形状 4.2.4 链传动的润滑 1、 润滑方式的选择 根据链条的节距 P 和速度 V 按机械手册 3选择润滑方式。由于链速 V2m/s，故采用人工定期润滑的方式 。每班加油一次，保证不干燥。 2、 润滑剂的选择 一般情况采用润滑油，按机械手册进行选择，对于开式、低速传动可在油中添加MoS2、 WS2MoSe2、 WS e2 等添加剂。 沈阳理工大学学士学位论文 14 5 轴的设计验算 5.1 选择轴的材料 选用 45 钢 ，调质处理 5.2 初步估计轴径 在轴的设计时，必须知道轴的基本直径，基本直径可按扭转刚度或扭转强度估算法来估计。根据轴上所受的转矩估算轴径，至于弯矩对轴强度的影响，用降低许用剪切力的办法来加以考虑。因为在数值上轴的传递功率 P轴的转速，所以可按扭转刚度估算轴径 。 估算公式为： dB4np(5.1) 式中 d 危险截面的直径 (mm)； T 转矩 (Nm)； 许用剪切应力 (N/mm2)； B 材料系数 ； p 轴所传递的功率 (kw)； n 轴的转速 (r/min)。 按表 12.1-35，取 B=91.5 由公式 (5.1) dB4 np =91.54 2045.0=28.28mm 考虑端部有轴单键槽，轴径应增大 45%，取 d= 30mm 5.3 轴的结构设计 轴的结构如图所示 沈阳理工大学学士学位论文 15 图 5.1 轴的结构图 左端轴颈取 32，右端轴颈取 30 长度均很短所以不会有影响。考虑装配方便以及轴承的标准，故轴承的轴径取 32，长度取 39。又考虑轴承内侧采用轴套固定，固定链轮的部分取 30，长度取 52。轴的中部是花键轴，又考虑装配情况，所以轴径稍大一些。取 d=36,D=40。长度取 100。 5.4 轴的校核 对于传动轴，除重载轴外，一般无须进行强度计算，只进行刚度计算。 轴的载荷的作用下会产生弯曲和扭转变形，当这些变形超过某个允许值时，会使机器零部件工作状况恶化，甚至使机器无法正常工作，故对精密机器的传动 和对刚度要求高的轴，要进行刚度校核，以保证轴的正常工作。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度两种，前者是用扭转角来度量，后者是用挠度和偏角来度量。 轴在受载的情况下会产生弯曲变