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内容简介：

编号： 毕业设计任务书题 目： 一种攀爬机器机械部分的设计 学院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年12月28日一、毕业设计（论文）的内容本设计要求学生攀爬机器机械部分为设计对象，旨在培养学生严谨的分析解决问题的能力和综合运用专业基础知识进行实际设计的能力。需要学生充分运用所学的机械原理、机械设计、装备设计制造、制图、工艺、公差与技术测量等机械专业知识进行机器的方案设计、零件的结构尺寸设计计算、工艺卡片编制等。1、查阅文献资料，进行相关调研，了解目前已有的攀爬机械的工作原理及结构设计特点，做好设计前的准备工作。2、根据给定的设计数据要求，提出攀爬机器的设计方案（两种及两种以上），进行比较后选出最佳方案作为设计对象；3、对攀爬机器的各部分结构尺寸进行具体设计、进行必要的设计计算及受力分析，并选择合适的零件材料；4、运用CAD、CAXA等CAD工具进行辅助设计，完成攀爬机器的整体结构的设计，绘制其零件图、装配图。5、熟悉零件的加工工艺，对典型零件进行加工工艺路线分析； 6、总结设计数据，整理设计思路，编写设计说明书。二、毕业设计（论文）的要求与数据1、设计的机械要能负重5kg攀爬直径120-200内的直杆，要求运动可靠。2、设计该攀爬机器的零部件，制定出主要零部件的工艺规程，并编制主要零部件的制造工艺；3、采用CAD设计软件（如：CAXA、SolidWorks、AutoCAD等）对零部件进行实体建模、绘制其二维装配图与零件图。4、编写设计说明书。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文），在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；对零件进行必要设计计算、对于有标准规定的零部件，必须严格按照标准要求进行选择或设计，编制出主要零件的加工工艺卡，要求符合实际加工情况，合理选择零件的加工机床；2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文），要求排版整齐，无明显语法、字词的错误；3、绘制出所设计攀爬机器的零件图和装配图，要求折算到A0图纸3张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸，要求图形绘制符合国家标准，方便读图，重要零件的关键尺寸和公差要标注完整正确，并配注合理的技术要求。四、应收集的资料及主要参考文献1. 左健民. 液压与气压传动（第4版）.北京:机械工业出版社,2011.2. 濮良贵、纪名刚等. 机械设计（第八版）.北京:高等教育出版社,2006.3. 甘永立.几何量公差与检测（第七版）.上海:上海科技大学出版社,2005.4. 王运炎，叶尚川. 机械工程材料（第2版）. 北京:机械工业出版社,2004.5. 实用机械设计手册编写组.实用机械手册（上）.北京:机械工业出版社,1998.6. 机械设计手册编委会.机械设计手册(新版)第4卷.北京:机械工业出版社,2004.7. 机械设计手册编委会.机械设计手册(新版)第3卷.北京:机械工业出版社,2004. 8. 詹友刚.SolidWorks 2012机械设计教程.北京：机械工业出版社，2012.9. HOWELL L L. Compliant mechanismsM. New York：Wiley Interscience，2001.10.KIM C J. A conceptual approach to the computational synthesis of compliant mechanismsD. Michigan :University of Michigan，2005.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台，并装有CAD设计软件（AutoCAD，CAXA，UG，Pro/E呀Solidworks）等。任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 机械电子工程系教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计(论文)开题报告题 目： 一种攀爬机器机械部分的设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名：学 号： 指导教师单位： 姓 名：职 称：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年3月1日1毕业设计的主要内容、重点和难点等1.设计内容：1、查阅文献资料，进行相关调研，了解目前已有的攀爬机械的工作原理及结构设计特点，做好设计前的准备工作。2、根据给定的设计数据要求，提出攀爬机器的设计方案（两种及两种以上），进行比较后选出最佳方案作为设计对象；3、对攀爬机器的各部分结构尺寸进行具体设计、进行必要的设计计算及受力分析，并选择合适的零件材料；4、运用CAD、CAXA等CAD工具进行辅助设计，完成攀爬机器的整体结构的设计，绘制其零件图、装配图。5、熟悉零件的加工工艺，对典型零件进行加工工艺路线分析；6、总结设计数据，整理设计思路，编写设计说明书；7、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；8、完成相关设计计算及机械设计图（要求绘图工作量折合A0图纸3张以上）。2、重点难点：本次毕设的重点主要是设计爬竿机器人的机械控制结构、结构方案的确定，包括如何实现攀爬直杆和负重运输。齿轮和直杆的工艺计算和工艺选择。难点在于所选择的方案的合理性和可行性。2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）1.课题研究背景 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥， 又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行 动。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接 受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种 机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一 种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了 执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 而机器人学是一门高度交叉的前沿学科，是典型的的机电一体化技术系 统。它涉及机械学电子工程学计算机科学与工程人工智能生物学人 类学社会等众多领域。 在机器人技术快速发展的今天，不管是作为一名现代工程师，还是理工科 大学学生，都有必要学习，掌握一些机器人学方面的知识，特别是机械专业的 学生，机器人技术可以说是一门必修课。为了满足社会的需求，攀爬机器人的研究力度越来越大。目前，攀爬机器人应用更为广泛，已在消防、核工业、石化行业、建筑行业、高空作业等危险领域得到了广泛应用；其目的是代替人类， 人类带来了极大的工作效益和安全保障，从而受到人们的高度重视。鉴于以上特点，开发具有攀爬功能的机器人代替人去从事危险工作将有重要意义。目前，很多高校和科研院所已研制出或正在研制攀爬机器麻省理工学院研制了一种能爬窗梁的机器人shady3D南京航空航天大学研制了仿壁虎机器人，该机器人能够在竖直墙面和天花板上进行运动。国科学院沈阳自动化研究所研制了一种5自由度爬壁 机器人，不仅能实现爬行和转向，且能在壁面之间实现过渡援式吸附、干性黏合剂吸附和负压吸附。2.现有设备(1)计算机一台；(2)设计软件(Solidworks2013、CAXA2013)。3.参考文献：1 江励.双手爪式模块化仿生攀爬机器人的研究D. 华南理工大学.2012 2 蔡传武.爬杆机器人的攀爬控制D. 华南理工大学 2011 3 陈亮.焊接机器人路径规划问题的算法研究D. 武汉科技大学. 2010 4 郭敏.带视觉的双臂机器人手臂无碰撞路径规划D. 东北大学. 2008 5 Wing Kwong Chung,Yangsheng Xu,Ou Ma.Minimum Energy Demand Locomotion on Space StationJ. Journal of Robotics . 2013 6 Tin Lun Lam,Yangsheng Xu.Motion planning for tree climbing with inchwormlike robotsJ. J. Field Robotics . 2012 (1) 7 Tin Lun Lam,Yangsheng Xu.Biologically inspired treeclimbing robot with continuum maneuvering mechanismJ. J. Field Robotics . 20128 蔡传武. 爬杆机器人的攀爬控制D. 华南理工大学 .2011 9 周芳,朱齐丹,赵国良.基于改进快速搜索随机树法的机械手路径优化J. 机械工程学报. 2011(11) 10 江励,管贻生,蔡传武,朱海飞,周雪峰,张宪民.仿生攀爬机器人的步态分析J. 机械工程学报. 2010(15) 11 夏泽洋,陈恳.仿人机器人足迹规划建模及算法实现J. 机器人. 20084 M. Tavakoli, L. Marques, A. T. de Almeida. 3dclimber: Climbing and Manipulation Over 3d StructuresJ. The Journal of Mechatronics, 2010, 213、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料1.实施方案（1）掌握一种三维制图软件Pro/E（2）对攀爬机器人进行结构设计（3）运用三维制图软件绘制攀爬爬行机器人的装配图8（4）绘制攀爬爬行机器人的主要零件图（5）完成毕业设计说明书2.进度实施计划第1周：搜集整理并认真阅读课题相关的中文及外文文献；第2周：对设计过程制定确切的计划，撰写开题报告；第3-4周：完成毕业设计课题方案的设计，确定出符合要求的方案；第5-6周：绘制出爬杆机器人的结构图； 第7-8周：完成爬杆机器人装配图、零部件设计，确定各个零部件的尺寸；第9-10周：整个机器人的装配方案，并绘制出二维图、三维图；第11周：呈交指导老师审阅，检查，修改图纸；第12-15周：完整编制出设计说明书，打印装订说明书、设计图纸以及其他资料；第16周：完成答辩前的其他准备工作，准备好答辩。3.预期提交毕设设计资料1、 二万字左右的一种攀爬机器机械部分的设计设计说明书（论文），说明书给出三个以上可行方案并进行比较，确定一个最佳方案，按最佳方案进行具体的、详细的设计系统，设计过程有理论分析、强度刚度分析，附有任务书2、不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、二维工程图、零件装配图、非标准零件图（折合3张以上A0图纸）。指导教师意见指导教师（签字）： 2016年03月 日开题小组意见开题小组组长（签字）：2016年03 月 日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2016年03月 日- 6 -桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号： 毕业设计说明书题 目：一种攀爬机器机械部分的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名：学 号：指导教师： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 年 6 月 3 日V 毕业设计（论文）报告用纸摘 要在一些工程类建筑中，一些直径比较小的直杆随处可见，对于这些直杆作业一直存在着一些问题，人为作业较为困难和危险。设计一个可攀爬直杆的机器人，通过该机器人平台搭载一些作业机器，对于解决小直杆的作业问题具有较大现实意义。本次设计的攀爬机器人是由众多简易的机构组成，在结构上面比较简单，利用我们平时生活中随处可见的曲柄滑块机构、凸轮机构等等结合而成。利用凸轮结构的运动特性实现手爪的夹紧与松开，在驱动源方面只采用一个轻质电机，避免电机过多造成结构上的繁琐和避免重量过重。机械手的手爪采用的是弹簧夹紧的原理，弹簧提供的力足够支撑整个机器人的自重和负重。通过弹簧解决了在变直径杆上攀爬的问题。本文对曲柄滑块的运动和受力分析证明了该机器人运动的稳定性和可靠性。还通过减速箱的设计赋予机器人一定的攀爬运动速度。还对手爪、轴、轴承等部件的受力校核证明该机器人在结构上面的稳定性。该机器人还具有一定的负重能力。可以在机器人上面搭载一些作业机器人，实现多功能作业。本次设计的机器人通过各机构联动工作，工作简单可靠。本文还对输出轴的尺寸、配合进行了说明。对轴的加工工艺进行了工艺规程制定，分析各工序的制定方法。对于轴类零件的加工工序有一定的了解与掌握。关键词：爬杆机器人；变直径杆；夹紧；曲柄滑块AbstractIn some of the engineering building, a number of relatively small diameter straight bar everywhere, straight bar for these jobs, there has been some problems, man-made work more difficult and dangerous. Design a robot can climb straight bar, equipped with some of the work machine by the robot platform for solving the problems of small jobs straight bar has a larger significance.The climbing robot designed by many simple bodies, in the above structure is relatively simple, we usually use slider-crank mechanism life everywhere, the cam mechanism, and so a combination. Using the motion characteristics of the cam mechanism to achieve clamping and release the gripper, in terms of the driving source using only a lightweight damping motor to avoid the motor caused by excessive red tape and avoid excessive weight on the structure. Robot gripper uses the principle of a spring clamp, the spring force provided enough to support its own weight and the weight of the whole robot. By spring solves the problem of variable diameter pole climbing.In this paper, the crank-slider motion and stress analysis to prove the stability and reliability of the robot movement. Also gives some climbing robot movement speed by gearbox design. Also force the opponent claw, shafts, bearings and other parts of the check show that the stability of the structure above the robot. The robot also has a certain weight-bearing capacity. Some jobs may be mounted on top of the robot in robot to achieve mufti-functional operations. The robot design work through the linkage mechanism, work is simple and reliable.This paper also the size of the output shaft, with the described. Axis machining process were to develop process planning, analysis of the development method in each step. For shaft machining operations have a certain understanding and grasp.According to the axis of the development process card. Reasonable and feasible production process planning.Keywords: pole-climbing robots; variable diameter rod; clamp; crank-slider目 录1 绪论11.1 攀爬直杆机器人研究目的11.2 研究现状11.3 研究内容22 爬杆机器人方案设计32.1 方案选择32.2 设计方法52.2.1仿生设计52.2.2夹紧装置设计62.2.3运动状态72.2.4小结73 机械结构设计83.1 机械手爪设计83.1.1机械手爪力学分析93.2 曲柄滑块机构设计103.2.1曲柄滑块速度分析113.3 连杆的受力分析113.3 移动凸轮的设计123.4 盘形凸轮设计134 减速箱设计144.1 电动机的选择144.2 齿轮设计144.2.1齿轮类型、材料及强度计算154.3 轴的设计264.3.1联轴器的选择264.3.2轴承选择274.3.3确定轴的结构与尺寸284.3.4轴的校核294.4 轴承的校核344.4.1轴承的径向载荷344.4.2 轴承的轴向力校核354.4.3轴承的径向当量载荷355 弹簧的选择376 零件的加工工艺规程396.1对零件进行工艺分析396.2 确定零件的装夹396.3 定位基准的选择原则396.4 加工刀具的选择396.5 机床选择396.5 主要加工工序安排407 结论42致谢43参考文献44附录45第 47 页 共 45页 毕业设计（论文）报告用纸1 绪论1.1 攀爬直杆机器人研究目的机器人的起源要追溯到3000多年前，但是从60年代以后机器人技术得到飞速的发展。经过50来年的研发和使用，机器人已经进入新的时代了。机器人在过去只是工业机械手，但是现在我们已经重新定义，机械手只是其中机器人中的一部分了，现在我们所说机器人是新型的、新一代的，可以协作的，还有服务型的机器人，包括医疗、服务、家庭、康复等等方面可以为人类解决有难度或有危险的问题。人们的生活越来越好，越来越多的地方城市化率增高，高楼林立，街道四通八达。我们平常经过道路时可以看到好多树立的电线杆、电灯杆、广告牌立柱等等圆柱形直杆。但是由于直杆在室外遇到各种环境问题或者人为因素，常常需要环卫工人清洗或者相关人员维修。在清洗一些高空建筑时如果采用人工清洗具有很大的危险性。对于电线杆等直径比较大的直杆，通过人工攀爬作业比较方便，也可以采用工程车工作。都但是一些直接比较小的直杆，就像我们在生活中见到的一些装路灯的直杆，如果通过人工攀爬上去工作比较困难。采用工程车进行作业的话，作业成本较高，在拥挤狭小的路段作业比较困难。研发一些攀爬类的机器人就变的尤为重要了。爬杆机器人的研究需要机械设计，电子设计，软件工程、材料科学、以及仿生学等一些列基础学科融合交汇。需要进行线性、非线性模型计算。可以利用传感器等信息控制，三维建模分析和仿真运动。1.2 研究现状爬杆机器人的设计并不是唯一的，不同的设计者有着不同的思路，但是总的来说国内外的机器人研究主要在杆上固定方式上面有所不同。Woody系列机器人。2005年在日本爱知博览会上展出了林业机器人Woody-1（图1.1）随后又于2009年开发出改型后的机器人Woody-2（图1.2）。对夹子进行了简化，移动方式也由原来的丝杠驱动线性移动变为多关节协调运动。 图1.1 Woody-1 机器人 图1.2 Woody-2机器人双手爪攀爬机器人Shady3D（图1.3）,他只有3个自由度可以在一个空间桁架中攀爬，但是对桁架要求极高。可以通过两台Shady3D形成6个自由度从而进行杆件过渡。图1.3 shady3D机器人RiSE(Robots in Scansorial Environments)是一个仿生攀爬机器人（图1.4）。设计者们参考四条腿的壁虎攀爬机理和六条腿的嶂螂攀爬机理，采用模块化设计思想以提高机器人构型的灵活性，将每条腿做成一个单独的模块，使得RISE可以在四腿和六腿行走之间转换1。类似的还有管道爬行机器人3DClimber和并联机器人CPR。图1.4 Rise系列机器人1.3 研究内容本次设计主要是设计一个直杆内爬行的机器人，类似于Shady3D拥有三个自由度。该机器人具备负重5kg的能力和在直径为120mm到200mm的直杆爬行。可以赋予该机器人大约100mm/s的攀爬速度。2 爬杆机器人方案设计2.1 方案选择对于机器人行走的工作原理主要有以下几种：气动蠕动式：可以通过机构本的自锁或者是利用静摩擦原理。螺旋爬升式：利用滚动摩擦的原理来实现；直线行走式：直接通过克服动摩擦来运动；关节式爬行：利用移动副和转动副的特点来实现运动；并联式爬行：利用并联机构的特点来实现。方案1：让机器人直接抱紧在直杆上，通过电动机提供动力，让与直杆直接接触的轮子运动从而实现机器人的运动。调节机器人上的弹簧的拉伸长度来获得一定的预紧力，是的机器人抱紧直杆。面对不同的直杆调节不同的弹簧尺寸已达到一定的预紧力。机器人的大体设计如图2.1。该方案的机器人可提供较大的负载能力，运行比较平稳，是和一定范围内的直杆，但是该方案不能再一根变直径杆上连续工作，在换直径的直杆工作前要调节弹簧预紧力，比较麻烦。1.电动机，2.减速箱，3.皮带，4.弹簧，5.车轮图2.1爬杆机器人方案1方案2：在开始作业前，将机器人安装到直杆上，通过调节机器人上的螺母使机器人对直杆有一定的预紧力，与方案1的弹簧提供预紧力不同，直接通过机器人的收紧力来保证机器人正常工作。当机器人在直杆上固定以后，利用电机驱动提供力让机器人实现运动，面对不同的直杆需要在安装的时候调节好机器人直接上的不同连接孔。机器人的大体设计如图2.2所示该方案的机器人同样可以提供较大的负载能力，而且结构简单，但是该方案不能再一根变直径杆上运动，每次变换杆时要调节连接孔，操作上比较麻烦。1.螺钉 2.车轮 3.减速箱 4.电机 5.直杆图2.2 爬杆机器人方案2方案3：将机器人安装在直杆上，下手抓通过弹簧夹紧直杆，上手抓松开，电机带动连杆运动，移动凸轮将上手抓顶起，上手抓夹紧，下手抓松开并上升从而达到机器人的爬行功能。通过弹簧收缩力提供预紧力使手抓收缩，电机提供动力。在变直径的情况下弹簧力改变以确保爬杆机器人的正常作业。大体方案设计如图2.3所示该方案所能提供负载有限，但针对本次设计要求该机器人满足负载5kg的技术要求，并且能在一根变直径杆上作业，通过弹簧的拉力可以适应120200mm的直径杆，满足本次设计的所有技术要求。小结：通过比较以上列出的三个设计方案，本次设计的方案采用方案三。该方案满足本次设计要求。结构紧凑可靠性高。1.机械手爪 2.移动凸轮 3.连杆 4.弹簧 5.盘形凸轮 6.导杆图2.3 爬杆机器人方案32.2 设计方法2.2.1仿生设计说道爬杆运动我们首先能联想到生活中的许多动物的爬树姿态，例如我们去公园参观总能看到猴子爬在树上（如图2.4），还有在电线维修和安装电表时我们能看到工人穿上脚扣（图2.5），然后通过双手向上爬行，脚扣向下倾斜形成自锁，脚扣上面的橡胶跟电线杆用较大的摩擦系数。还有我们在生活中常常能看到的一种昆虫尺蛾（图2.6）。在爬行时，它先使腹足和尾足抓住树枝，在通过身体向上运动，然后用前足抓紧树枝，松开腹足和尾足，向前或向上运动。有这几个生活中的事例我能可以运用到我们爬杆机器人的设计当中。 图2.3 猴子爬树 图2.5 工人攀爬电线杆 图2.6 尺蛾我们可以通过仿生学的灵感来设计我们机器人的爬行运动方案。方案1：我们可以参考机床中丝杠的运动原理，在下手爪固定时，通过电机驱动使上手爪通过丝杠上升，到达固定位置后下手抓松开，通过传动使的下手抓上升，到一定位置后下手抓固定完成一次运动。方案2：在机械结构中有一种很常见的机构-曲柄滑块机构，在下手爪固定时，通过电机驱动是的滑块到达最大行程处，上手抓固定、下手抓松开，通过驱动力是连杆带动下手抓上升。再重复动作即可达到设计所要求的运动。总结：方案1的运动过程较为稳定，但是结构重量较重，材料价格比较贵。方案2的运动稳定性一般，但是结构重量轻，结构简单，方案设计比较实惠。所以选择方案2的设计（图2.7）。图2.7 运动周期图2.2.2夹紧装置设计对于手爪的夹紧方案的设计我们同样可以参照我们生活中的一些实例来进行设计，比如我们平时用火钳之类的带手爪的工具时我们是如何夹紧物件的。我们可以采用电机驱动连杆往复运动（图2.8），该机构虽然能实现加紧功能，但是如果是在变直杆上面工作，直杆直径变化使得较大会无法夹紧直杆从而失去工作能力。我们可以通过参考我们生活中一些带弹簧的钳子（图2.9）将弹簧上的压簧变成拉簧，通过拉簧产生的拉力作用使得手爪夹紧直杆，大体的结构设计方案如图2.10所示。 图2.8 连杆驱动手爪 图2.9 钳子图2.10 夹紧装置大体结构2.2.3运动状态根据以上的设计方案结果我们可以得出本次设计的运动状态的分布：状态1：:在初始状态是，机器人的下机械手爪夹紧直杆，同时上机械手爪在弹簧作用下松开。状态2：电机运动，通过减速箱连接带动曲柄以及和曲柄一起固定在下手爪处的两个盘形凸轮机构顺时钟转动，盘形凸轮推动下机械臂想外摆动，机械手爪向外松开。当盘形凸轮转过小半径的圆弧后，下方的手爪松开；同时移动凸轮向下运动，此时上方手爪夹紧直杆。状态3：电机继续回转运动，此时机器人的上机械手夹紧，而下机械手此刻处于松开状态，机器人下半部分被运动到极限位置，即上升到最高位置。状态4：电机继续回转运动，当机器人下部的盘形凸轮转过最大半径的圆弧后，下机械手爪开始收缩，并夹紧；同时移动凸轮向上运动走过空行程，在凸轮运动时，上机械手爪开始松开。状态5：电机持续回转运动，由于此时下方手爪夹紧直杆，而上方手爪处于松开，电动机通过曲柄产生的推力使得机器人的上半部分向上运动，当曲柄和连杆拉直共线即滑块可到达的最大行程是，机器人上半部分上升到极限位置。机器人从状态1运行到状态5可完成一次爬行。2.2.4小结本文设计的爬杆机器人攀爬的是120200mm的变直径杆，本文设计的机器人仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构是由曲柄滑块机构和凸轮机构组成；驱动机构，整个机器人只采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。整个爬杆机机器人长度为260mm左右，宽的尺寸为150mm作业，高度为430mm作业，整个机器人的重量不超过3kg，整个爬杆机器人的结构主要通过2根长为430mm的铝管连接在一起。机械手跟套筒固定在两根管上。下机械手固定，上机械手爪可以上下移动。凸轮机构主要有在上机械手爪的移动凸轮和一个在下机械手爪的两个并联的盘形凸轮构成。两种凸轮和上下机械手的装置通过曲柄滑块装置连接起来，是的各个机构能够正常运作并形成一个整体，上部的摆杆机构在曲柄连杆机构的作用下可以沿导杆上下移动。3 机械结构设计3.1 机械手爪设计本次设计的爬杆机器人采用的是上下两个手爪的机械设计，属于双手抓攀爬机器人的一种。双手爪攀爬机器人是指一类结构上由多自由度本体和首尾攀附装置组成的，通过两手爪交替固定并配合本体屈伸或扭摆等运动来实现自身整体移动的特种攀爬机器人。在本次的设计任务书中要求攀爬直径120-200mm内的直杆。在接触部分我们采用橡胶增大摩擦力。在将一个圆形块焊接到橡胶边上（图3.1），机械手跟橡胶块相连，利用橡胶块增大整个机械手爪的和所要攀爬直杆的摩擦力，增加整个机器人可靠性。 图3.1 机械手爪橡胶块在根据直杆的大小我们可以大体设计出手爪的外形和尺寸（图3.2）。根据电机的大致尺寸设定旋转中心跟直杆中心水平距离为67mm，垂直距离为129mm，橡胶块的厚度为5mm，机械手爪的连接臂绕导杆的摆动角度范围在7.8以内。考虑到安装机器人的问题，所以机械手抓的摆动角度大概在10左右。图3.2 机械手爪设计尺寸图机械手爪的厚度取10mm。重量大概是0.2kg。总的长度大约为260mm。采用铝合金2014。弹性模量E=70GPa。手爪的大体三维形状如图3.3所示。图3.3 机械手爪三维图3.1.1机械手爪力学分析机器人的关键部分如机械连接臂，对机器人的爬行具有很重要作用，在机器人爬行过程中，当机械手夹紧时，此时受力最大，机械臂变形最大，因此需对机械臂的变形绕度进行评估。当机械手一端夹紧的时候我们可以吧整个手臂看成一个悬臂梁，截面可以看成一个矩形截面来计算。一根轴如果在受力的时候变弯了，我们把这样的轴叫做挠曲轴（图3.4）所示，我们可以校核垂直于梁的位移量来确保梁的稳定性，也就是要计算挠度值。图3.4 挠曲轴挠度方程： （3-1）其中： （3-2）符号意义：矩形截面对X轴的惯性矩； a 长（cm）；b 宽(cm)；横截面经过简化可以看成近似为长方形的弯曲杆。长杆几何参数可简化为：L=240mm；B=10mm；H=10mm；长杆材料参数：弹性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；当爬杆机器人开始工作的时候，特别是在上机械手爪夹紧直杆时，此时下机械手爪是处于松开状态的，在这个时候上机械手爪所受到的力最大，变形也是最大的。因为我们两个机械手爪是通过两个大圆杆作为固定点的，所以我们可以忽略掉在Y轴上面的变形，只计算在X上面的变形。机械手臂可看成一根长为240mm的悬臂梁，根据我们下面的计算我们可以知道每只机械手连接臂末端的最大载荷为F=54N，应用材料力学公式求端点处的绕度： （3-3）由此可看出机械手连接臂在处于悬臂状态时，当连接臂末端承受最大载荷F=54N时，最大绕度值为=2mm，可以忽略不计。3.2 曲柄滑块机构设计曲柄滑块机构是由平面四杆机构演变而来。本次设计的机器人向上攀爬的功能就是由曲柄滑块机构来实现。电机提供动能带动跟输出轴相连的曲柄，通过曲柄滑块的往复运动，结合上下机械手的松开与夹紧运动。因此曲柄滑块的运动决定着机器人的功能能否实现。对心曲柄滑块机构：在机构运动时滑块的运动轨跡跟曲柄的回转中心在同一条直线上，叫做对心曲柄滑块机构。当曲柄r越小，连杆l越大时，机构的传力特性比较好。考虑到电机的宽度和盘形凸轮的长度，一般工程中曲柄和连杆长度比为1/4。可以先选取曲柄的长度为60mm，再选取连杆的长度为240mm，因为凸轮也是有长度的，所以还要加上凸轮的长度，总的长度大约为260mm。因为是对心曲柄滑块机构，所以e=0。3.2.1曲柄滑块速度分析图3.9 运转周期图因为曲柄做的是圆周运动，所以设曲柄的转速为r/min。曲柄尧轨迹旋转一周所用的时间为： （3-4）由图12的周期图我们可以看出当曲柄尧轨迹转一圈后，爬杆机器人向上爬行了2r。也就是120mm。可以求出机器人的向上移动速度： （3-5）因为本次设计的机器人的要求对爬行速度没有明确的要求，所以我们设定机器人的向上移动速度为100mm/s所以应该保持在50r/min左右。3.3 连杆的受力分析图3.10 受力图建立曲柄跟滑块的受力方程，得出力与力p的关系： b （3-6）将曲柄最外处看成一个点，根据向心力几三角函数关系可得力和关系： （3-7）联立两个式子： （3-8）曲柄端点处转矩T： （3-9）根据受力图可知： （3-10）将式（3-24）、（3-25）代入式（3-26），可得b +（3-11）则可推导出作用在滑块上的压力p，即 （3-12）在实际工程中曲柄和连杆长度上面你的关系都有4rL,所以rL，则角可以取0。 （3-13）有下面的减速箱的计算我们已经可以知道了连杆所受到的转矩T=8980Nmm,曲柄的长度为60mm。所以我们可以带入上面求得的方程：根据所设计的移动凸轮的角度我们可知，当时，滑块所承受的力为233N，远大于弹簧的拉力54N，所以可以保证曲柄滑块机构的运动的可靠性。3.3 移动凸轮的设计在本次爬杆机器人的设计当中，移动凸轮就是相当于曲柄滑块机构当中的滑块，通过凸轮推出的距离来实现上机械手的松开。上机械手从导柱中心到推杆的距离为106mm，可摆动的角度大约为10，为了保证机械手的安装，每边机械手的可摆动距离为20mm以上，通过三维模型建模测定，可设定移动凸轮的下底面长度为60mm，凸轮的上下面长度为40mm。其余的凸轮尺寸如图13所示。图 3.11 移动凸轮尺寸图3.4 盘形凸轮设计盘形凸轮在我们的工程实践中常常用到，本次设计中所要求得机械手摆动的运动轨迹。可以通过凸轮机构来实现。我们通过凸轮的运动轨迹（图14-1）。来确定下机械手爪的运动过程。当推杆接触到凸轮的小轮廓时，下机械手爪处于夹紧状态，当经过推程时下机械手爪慢慢张开，到达最大轮廓时处于停歇状态，此时机械手爪松开。再经过回程，机械手爪重新夹紧，此后一直重复运动。图3.12盘形凸轮运动过程由于机械手只有两种运动状态，可以将凸轮做成等速运动规律。通过三维建模的尺寸观察，凸轮的小半径取20mm，大半径取42mm即可满足机械手120mm到200mm的摆动要求。图 3.14 盘形凸轮尺寸图4 减速箱设计4.1 电动机的选择在现代的机器人设计当中，电动机时不可缺少的一部分。怎么样选择合适的电动机也很重要。对于本次所要设计的爬杆机器人，我们主要考虑的是电机的结构大小，所能提供的转速和功率要满足机器人的爬行速度和力矩。对比现在市面上的电机选择，我们可以选择厦门Jscc所生产的电机，通过比较发现阻尼电机的结构比其他电机的结构更小，而且该公司的电机都是采用铝制，在重量上都比较轻盈。这对我们的爬杆机器人所要的重量都相吻合。所以我们选择用jscc的电机。通过该公司的产品列表我们选择型号为60YR25DV11的阻尼电机。该电机的标准参数如表1所示：表1 电机参数齿轮轴圆轴输出功率W电压V频率HZ电流A额定转速r/min启动转矩mN*m额定转矩mN*m运行电容60YR25GV1160YR25DV1150110500.487101452106/250V由于我们的减速箱是自己设置的，所以我们采用的是圆轴式。通过我们查该公司给出来的资料我们可以得出电机的尺寸（图4.1）。重量为1.6kg，大致为60mmx60mmx98mm。电机的额定转速为710r/min。图4.1 电机的尺寸参数4.2 齿轮设计在本次设计中，我们采用圆锥圆柱二级减速的设计方案。电机的转速通过上面电机的选择可以知道为710r/min,功率为25w，爬杆机器人的向上爬行速度为100mm/s，曲柄的转速为50r/min。所以输出轴的输出转速为50r/min。二级减速器的方案如图4.2所示。图 4.2 二级减速器方案图确定传动比因为已知的输出转速为，输入的转速，所以确定总传动比为15。通过查机械手册可以知道锥齿轮间的传动比为；我们取斜齿轮间的传动比为；我们取。通过查机械设计课程设计手册，我们可以确定每两个两件间的传动效率：；因为是闭式减速箱，；。那么我们可以算出总的传动效率为：。各轴转速 = 各轴转矩：=0.672Nm =1.908Nm =9Nm4.2.1齿轮类型、材料及强度计算圆锥齿轮设计：对于传动方式我们选择直齿锥齿轮齿轮传动，同时我们选取压力角取为20，因为圆锥圆柱齿轮减速器在我们生活中比较常见，运转速度不高，通过我们查阅课本机械设计（第九版）里面的表10-6故选用8级精度。材料的选择：因为本次的设计减速箱是运用在爬杆机器人身上，所以对材料的重量有特殊的要求，不能直接选用钢材。通过对于一些新型材料的了解。我们将齿轮轮芯的材料定为聚苯醚（又称PPO）。这种材料具有刚性大、耐热性高、耐磨、强度较高等优点。齿面的材料继续用钢材。小齿轮的材料我们可以选用调质处理后的40Cr钢，而它的齿面硬度可以达到280HBS,大齿轮的材料选用调质处理后的45钢，而它的齿面硬度可以达到240HBS。我们可以预选一个小齿轮齿数，先取小齿轮，因为锥齿传动比定为3，所以大齿轮齿数1.齿面接触疲劳强度：因为我们所设计的减速器是属于闭式的，所以计算齿轮的强度主要通过齿面的接触疲劳强度来校核计算。 （1）分度圆计算公式为： （4-1）数的值：先试选定载荷系数的值：在上面我们已经算出了小齿轮的转矩：可选取齿宽系数通过查课本机械设计（第九版）8图10-20查得区域系数通过查文献8表10-5查得弹性影响系数为：计算齿轮所接触得疲劳强度所允许的许用应力通过查询文献8的图10-25d可以得到接触疲劳极限的值：小齿轮，大齿轮。应力循环次数的计算：=3.067 （4-2） （4-3）通过查文献8中的图10-23可以得到接触疲劳寿命系数的值：，。可以取失效概率为1，S=1。计算接触疲劳许用应力： （4-4） （4-5）因为是许用应力，所以应该取计算出来的较小值。（2）分度圆直径： （4-6）试算直径为： 圆周速度v： =12.08mm （4-7）通过查文献8表10-2可定使用系数 通过圆周速度查文献8中图10-8得 齿间载荷分配系数因为齿轮精度低，所以取查文献8表10-2，因为小齿轮悬臂，所以取齿向载荷分布系数可以计算出我们所需要的实际载荷系数（3）计算小齿轮的分度圆， （4-8）通过实际的载荷系数来更正分度圆直径： （4-9）齿轮模数为 （4-10）2.齿根弯曲疲劳强度设计：模数的计算公式： （4-11）(1)确定公式内的各计算值通过查文献8中的图10-24可以得到弯曲疲劳强度极限值，小齿轮值为，大齿轮的值为。弯曲疲劳寿命系数，计算弯曲疲劳许用应力取安全系数S=1.4， （4-12） （4-13）可以算出载荷系数2.31（系数的选择方法和上面相同）节圆锥角 （4-14） （4-15）可以的到当量齿数 （4-16）通过查文献8中的图10-17可以得到齿形系数：，。通过查文献8中的图10-18可以得到应力校正系数 ， 计算两个齿轮的=0.0145 （4-17）=0.016 （4-18）因为大齿轮的值比较大，所以参照大齿轮的数值。(2)模数计算1.50 （4-18）根据实际中的模数值可以选取m=1.5，=17 (3)几何尺寸计算计算大端分度圆直径 计算节锥顶距 （4-19）大端齿顶圆直径 （4-20） （4-21）齿宽： （4-22）取主要设计结论表3 锥齿轮参数表齿轮齿数z模数m压力角分锥角齿宽b材料等级小齿轮171.52018.4351440Cr（调质）8大齿轮511.52071.5651445钢（调质）8 图4.3 小锥齿轮三维图 图4.4 大锥齿轮三维图圆柱齿轮设计：通过上面我们已经求出每根轴的转速，圆柱小齿轮所在轴的转速为236.7r/min，大齿轮所在的轴的转速47.3r/min,两个齿轮的传动比i=5。齿轮的材料选择跟上面锥齿轮的选择一样，将齿轮轮芯的材料定为聚苯醚。齿缘的材料继续用钢材。小齿轮的材料我们可以选用调质处理后的40Cr钢，而它的齿面硬度可以达到280HBS,大齿轮的材料选用调质处理后的45钢，而它的齿面硬度可以达到240HBS。我们可以预选一个小齿轮齿数，先取小齿轮，因为锥齿传动比定为5，所以大齿轮齿数1.齿面接触疲劳强度：因为我们所设计的减速器是属于闭式的，所以计算齿轮的强度主要通过齿面的接触疲劳强度来校核计算。该校核的计算公式为： （4-23）（1）我们要先确定公式中每个参数的值：先试选定载荷系数的值：在上面我们已经算出了小齿轮的转矩：可选取齿宽系数，螺旋角通过查课本机械设计（第九版）8图10-20查得区域系数通过查文献8表10-5查得弹性影响系数为：通过查询文献8的图10-25d可以得到接触疲劳极限的值小齿轮，大齿轮。应力循环次数的计算： 通过查文献8中的图10-23可以得到接触疲劳寿命系数的值： ，计算接触疲劳许用应力 （4-24） （4-25）因为是许用应力，所以应该取计算出来的较小值。由计算接触疲劳强度用重合度系数。 （4-25） （4-26） （4-27） （4-28） （4-29） （4-30）由可得螺旋角系数： （4-31）（2）分度圆直径： （4-32）=mm计算圆周速度v （4-33）计算齿宽 （4-34）计算齿宽与齿高比b/h模数： （4-35）齿高： （4-36）齿轮的圆周力 （4-37） （4-38）(3)计算载荷系数查得 通过查文献8表10-2可定使用系数 通过圆周速度查文献8中图10-8得 齿间载荷分配系数取查文献8表10-4，取齿向载荷分布系数 （4-39）由 b/h=7.72, 查得所以 (4) 校正后的分度圆直径：=14.95mm (4-40)(5) 计算模数=0.852.齿根弯曲疲劳强度设计：模数的计算公式： （4-41）(1) 确定公式内的各计算值载荷系数由式，计算弯曲疲劳强度的重合度系数。 （4-42） （4-43） （4-44）由式，可得计算弯曲疲劳强度的螺旋角系数。 ，计算弯曲疲劳许用应力，取安全系数S=1.4 （4-45）通过查文献8中的图10-17可以得到齿形系数 通过查文献8中的图10-18可以得到应力校正系数 计算两个齿轮的当量齿数， （4-46） （4-47）因为大齿轮的值比较大，所以参照大齿轮的数值。（2）模数计算=0.41 （4-48）圆周速度v （4-49） （4-50）齿宽 （4-51）齿高h及宽高比 （4-52）可以算出载荷系数（系数的选择方法和上面相同） （4-53）因为整个减速箱的尺寸不一过大，所以模数的选择要尽量取小可以选取m=0.8，按齿面接触强度计算的分度圆d来计算小齿圆系数。，。互为质数，取(3)几何尺寸计算中心距： （4-54）因为模数增大，所以圆整中心距螺旋角： （4-55） （4-56） （4-57）齿宽： （4-58）取,3.因为在圆整中心距之后各项数值都已经变化，所以要重新校核。（1）齿面接触疲劳校核：将它们代入得：式中的参数的取值跟前面的计算一样，所以我们将参数的计算公式省略，计算如下：， （4-59）假设成立，计算有效。（2） 齿根接触疲劳校核：，。 （4-60）所以满足设计要求。主要设计结论表3 圆柱齿轮参数表齿轮齿数Z模数m压力角（）螺旋角（）中心距a（mm）齿宽b（mm）材料等级小齿轮190.82013.936462040Cr（调质）8大齿轮960.82013.936461645钢（调质）8 图4.5 小斜齿轮轴 图4.6 大斜齿轮4.3 轴的设计4.3.1联轴器的选择由于上面电机的选择后可以知道电机的输出轴的直径为8mm，应为直径比较小，我们通过查机械手册可能比较难选择，我们可以通过米西米（MISUMI-VONA）网站进行查找我们所需要的联轴器。由米西米查询到的零件可以在市面上买到，所以对于我们的设计如果要做成品是比较方便的。通过查询轴径的联轴器和尽可能的细小的零件。我们可以采用刚性联轴器。参数表如图4.7所示：图4.7 联轴器参数表图4.8 联轴器尺寸库最后我们选择SR-16-8X8。尺寸如图4.8所示。4.3.2轴承选择因为本次设计的减速箱是运用在爬杆机器人上的，所以所设计的轴的尺寸都不会很大，我们查表可以知道一般的圆锥滚子轴承的内径和外径都比较大。通过查询米西米的材料库，我们发现了一种直径较小、比较经济实用性的轴承-深沟球轴承。通过比较我们选择型号为SC6700ZZ的轴承，它的具体参数如图4.9所示除了输出轴的轴承根据输出轴的那段轴直径选择15mm型的轴承，其余的三个轴承都是选择轴径为10mm型的。图4.9 轴承结构简图图4.10 轴承参数图4.3.3确定轴的结构与尺寸输入轴：因为轴一是输入轴，一端直接与联轴器相连，所以第一段轴的直径取8mm，根据联轴器的尺寸，轴的第一段长度取8mm。第二段的轴因为直接与轴承相连，所以该段的轴直径取10mm。轴肩的部分的长度我们可以取13mm。第四段轴同样是直接跟轴承接触，长度要大于轴承宽度取6mm，最后一段与齿轮通过键连接，取直接为8mm，长度为15mm。总长为42mm。轴一的结构如图4.11所示图4.11 输入轴尺寸图中间齿轮轴：轴二为中间轴，第一段和最后一段都是与轴承相连，所以取直径为10mm，靠进齿轮的这一段长度为5mm，另一段9mm，跟齿轮相连的两段直径都为12mm，跟轴承靠近的这一段长度取5mm，远离齿轮的另一段长度取3mm，跟大锥齿相接触的那一段轴的直径根据齿轮取11mm，长度根据齿轮宽度20mm可以取16mm。轴二的结构如图17.2所示图4.12 中间齿轮轴尺寸图输出轴：轴三是输出轴，第一段与螺母相连，我们是直径为12mm的六角螺母，所以轴的做成直径为M12的螺纹线。该段的长度15mm，第二段轴是与两个盘形凸轮相接触的，所以轴的直径我们根据盘形凸轮直径取12mm，要保证两个盘形凸轮的宽度，所以长度取35mm。第三段得轴直接与轴承接触，该地方的轴承我们取14mm的，所以直径取14mm，该段轴的长度取19mm。第四段轴直接与大齿轮键连接，可以取直径为16mm，齿轮宽度为16mm，所以轴上的长度为14mm。与轴承接触的那一段我们10mm的直径，而中间那段轴肩直径可以取12mm，两段的长度分别为4mm和20mm。轴三的结构尺寸如图4.13所示图4.13 输出轴尺寸图4.3.4轴的校核按弯曲合成强度校核：通过左手定则和右手定则还有轴的转向我们可以确定每根轴上面的齿轮所受的轴向力、向心力和圆周力，力的方向如下图4.14所示。图4.14 各齿轮的受力图输入轴：在上面我们已经计算出了每根轴所受到的转矩。所以已知，输入轴的转速为n=710r/min。小齿轮大端分度圆直径，。电机一端所产生的圆周力： （4-61）锥齿轮1上的作用力：圆周力： （4-62）方向与方向相反。径向力为： （4-63）方向指向轴的方向。轴向力为： （4-64）方向指向锥齿大端。垂直方向支反力： （4-65） （4-66）水平方向支反力： （4-67）绘制弯矩图：图4.15 轴的力矩图表4 输入轴力矩载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力 （4-68）因为轴的材料为调质处理后的45钢，由文献8中表15-1查得许用弯曲应力，因此，故安全。中间轴：（1），。，。（2）锥齿轮2上的作用力圆周力： （4-69）径向力为： （4-70）轴向力为： （4-71）（3）齿轮3上的作用力圆周力： （4-72）方向与方向相反。 （4-56） （4-73）垂直支反力： （4-58）水平支反力： （4-74）表5 中间轴力矩载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T取，轴的计算应力因为轴的材料为调质处理后的45钢，由文献8中表15-1查得许用弯曲应力，因此，故安全。输出轴：（1），。（2）齿轮4上的作用力圆周力： （4-75） （4-76） （4-77）垂直支反力： （4-78）水平支反力： （4-79）表6 输出轴力矩载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力因为轴的材料为调质处理后的45钢，由文献8zhong 表15-1查得许用弯曲应力，因此，故安全。4.4 轴承的校核4.4.1轴承的径向载荷因为跟轴相连的轴承不提供另外径向力，所以轴承所受到的径向力与上面轴校核是所受的径向力相等。输入轴：，中间轴：，输出轴：，4.4.2 轴承的轴向力校核因为我们所选用的轴承是深沟球轴承。通过查轴承手册我们可以知道，深沟球轴承可以承受的较大的径向力，允许高转速。在轴向力方面只能承受少许力。我们可以查询SKF给出的深沟球轴承数据资料“对于深沟球轴承只受轴向力时，轴向力不应超过0.5C0，轻型系列的不应该超过0.25C0”。根据上面轴承的参数我们可以知道我们这次选定的型号SC6700ZZ的轴承的额定静载荷为0.34KN。所以深沟球轴承的最大轴向载荷：各轴的轴向载荷：输入轴：中间轴：，两个轴向力方向相反，所以所受的轴向力：输出轴：根据计算结果我们可以得出三根所受的轴向力均远远小于该型号的深沟球轴承的额定轴向载荷，所以该型号轴承在轴向载荷方面符合设计要求。4.4.3轴承的径向当量载荷根据轴承设计手册中GB276-89中深沟球轴承的径向当量载荷计算：输入轴：，e取0.19，Y=2.30 （4-80）当量动载荷：当量静载荷： （4-81）当量动载荷：当量静载荷：中间轴：，e取0.19，Y=2.30 （4-82）当量动载荷：当量静载荷： （4-83）当量动载荷：当量静载荷：输出轴：，e取0.19，Y=2.30 （4-84）当量动载荷：当量静载荷： （4-85）当量动载荷：当量静载荷：无论是当量动载荷还是当量静载荷都远远小于轴承的额定动载荷和额定静载荷。所以该数据可以证明我们本次设计所选用的轴承符合设计要求。5 弹簧的选择在本次的爬杆机器人设计中，弹簧所起到的作用是至关重要的，机械手爪能否夹紧直杆，摩擦力是否足够让机器人不下落，这些都是由所选择的弹簧来决定的。所以整个机器人的可靠性和稳定性都与弹簧有关。摩擦力的计算：通过上面的计算我们大概可以知道整个爬杆机器人的重量，本次设计的所有材料都以轻质为主。电机中1.6kg，手爪0.2kg，凸轮和减速箱大约1kg。总重量大约为3kg，因为设计要求负重5kg，所以摩擦力所要支撑的重量应为8kg。重力：F=mg=80N通过查询橡胶与钢铁间的摩擦系数表7 摩擦系数材料名称摩擦系数静摩擦滑动摩擦橡胶钢铁0.900.650.80因为夹紧时处于静止状态，所以为静摩擦，取=0.9。所以每只手爪对直杆的压力：我们可以做出受力分析图，将导柱看成一个支点（图5.1），通过力矩求出弹簧力： 图5.1 手爪受力图通过三维建模分析测定距离，在手爪可以夹紧在120mm的直杆圆柱时，两个弹簧的安装点的距离为100mm，通过查询机械手册和米西米的零部件资料我们可以选择型号为22-1651的SAMINI 日本张力弹簧。弹簧的参数如图（5.2）所示，弹簧的三维模型如图（5.3）所示图 5.2 弹簧参数图图5.3 弹簧实体图通过三维上面实测我们可知当机械手夹紧时，弹簧的长度为100，伸长量为25mm，弹簧力为，所以弹簧的预紧力足够支撑整个爬杆机器人的运动。6 零件的加工工艺规程优质、高产、低成本这三个方面使我们对零件的加工工艺规程的进行制订的时候我们必须要保证的，同时我们还要提高零件的劳动生产率和降低制造成本。6.1对零件进行工艺分析在对一个零件的工艺规程制定之前，应该要先对这个零件进行工艺分析。其主要内容包括：（1) 分析零件所起的作用；（2) 分析零件图上面的技术要求；（3) 分析零件的主要加工表面的尺寸、形位公差，粗糙度 等；（4) 分析零件的材料、热处理的方法和机加工的工艺性。本次的对零件工艺分析主要是对减速箱中的输出轴（图4.13）的加工进行工艺制定。本次设计的轴零件表面是由圆柱，键槽，倒角，螺纹等表面组成。因为本次的零件属于圆环类的零件加工。零件的轮廓相对来说较复杂，零件的尺寸精度和加工精度的要求比较高。零件总体结构主要包括圆柱面、圆锥面、切槽、外螺纹等。6.2 确定零件的装夹在上面我们已经说明了本次加工的零件是轴类零件，对于轴类零件，我们以零件的自身的外圆柱来做为定位基准定位。装夹方法有以下几种：（1）用四爪卡盘装卡；（2） 用三爪自定心卡盘装卡；（3） 用两顶尖装卡；（4） 用一夹一顶装卡；（5） 用双三爪自定心卡盘装卡。6.3 定位基准的选择原则工件在夹具中的定位基准的选择上应遵循基准重合、基准统一和互为基准等重要原则，对于要在同一个工件上进行多道不同的工序来加工时，要保证基准统一前后工序要尽可能的采用同一定位基准系统。6.4 加工刀具的选择因为现在对一些材料的研究发展迅速，我们在机加工中所用的刀具也有了一定的变化，一些新型的材料对于刀具的的各个方面都切削性能有了显著的提高。在数控加工中数控车床对刀具由一定的要求，在材料方面可靠性一定要高，还能承受一定热量。精度要高，尽量选用标准的刀具。6.5 机床选择CA6140车床的结构如图5.4所示。CA6140型卧式车床的所能加工的范围比较广泛，可以加工许多不同表面：例如一些轴类、套筒类的零件上面的一些圆形回转表面（圆柱面、圆锥面、环槽）；还可以对零件进行车削端面；在轴表面车削螺纹；还可以进行钻孔和滚花等工作。图5.4 CA6140车床在本次设计的加工零件中，还要在轴上铣两个键槽。所以还需要X5032立式铣床。X5032立式铣床可以通过改变铣床上面铣刀的类型来加工我们所需要的不同工序。可以加工一些平面、斜面，还可以铣各种键槽，钻孔等。是现机械业当中的理想加工设备。6.5 主要加工工序安排利用CA6140车床主轴加工的主要表面有、车M12螺纹、倒角、轴肩等，这些面的加工尺寸精度在IT6IT7之间，表面粗糙度的值主要在0.81.6mm之间。主轴主要表面的加工顺序安排如下：外圆表面粗加工（铣端面、加工顶尖孔、粗车外圆）外圆表面半精加工（半精车外圆、精车外圆）外圆表面精加工（精铣键槽，粗、精磨外圆）。轴的加工工序一般要按照：粗车热处理半精车精车淬火-回火粗磨精磨。在我们确定了主要的加工表面顺序以后我们还要将一些次要的加工工序加入到工序中，在加工螺纹键槽时，这些表面加工不容易出现失误，对表面的要求也不高，所以讲这些加工放到后面加工，但是如果放在精加工后加工可能会造成已经精加工的面损伤。所以安排