S型轨迹无碳小车转向机构的设计制造

S型轨迹无碳小车转向机构的设计制造无碳小车各个零件的加工程序及工序卡4.1无碳小车的零部件加工（机加工）4.1.1无碳小车的从动轴加工无碳小车的从动轴及加工工艺：表一：数控加工刀具卡数控加工刀具卡片工序号程序编号产品名称零件名称材料零件图号轮胎硬铝2序号刀具号刀具名称及规格刀半径加工表面备注1T010193°外圆车刀外圆表面、端面2T020260°螺纹车刀车螺纹3T0404切断车刀B=4切断表二：数控加工工序卡数控加工工序卡产品名称零件名称材料零件图号轮胎硬铝工序号程序编号夹具名称夹具编号使用设备车间3号馆工序号工步内容刀具号主轴转速r/min进给速度mm/min被吃刀量备注1粗车各外圆表面T01016003000.5X轴余量0.1Y轴余量0.12精车各外圆表面T01018001000.125自动3切槽T0404300800.26自动4车螺纹T0202300300.1自动5切断T0404300800.26自动6粗车反面各外圆表面T01016003000.5X轴余量0.1Y轴余量0.17精车反面各外圆表面T01018001000.125自动表三：加工程序程序程序说明%0001华中起始句T0101调用1号刀，一号刀具坐标M40M42M03S600主轴正转，转速600G00X30Z5快速移动到距离工件近点G71U0.5R2P10Q70X0.1Z0.1F300精加工循环指令S800精加工转速800r/minN10G01X7Z0F100精加工循环指令起始行X8Z-1倒1X45°角Z-15X10Z-35X14N70Z-115精加工循环指令最后一句G00X50X方向退刀G00X100Z100快速退到安全点S300主轴转速300r/minT0404调四号刀，四号刀具坐标（b=4,切槽刀）G00X20Z-15快速到达工件安全点G01X10G01X7F80切槽G01X20G00X100Z100快速退到安全点S300主轴转速300r/minT0303调三号刀，三号刀具坐标（60°螺纹刀）G01X8Z5F30快速到达工件，但未碰到工件G82X7.3Z-15F1车螺纹指令，螺纹导程1X6.9X6.7X6.7光整一刀X6.7光整第二刀G01X15X方向退刀G00X100Z100快速退刀到安全点S300主轴转速300r/minT0404调四号刀，四号刀具坐标G00X30Z-115快速到达工件切断点G01X18G01X0F80切断G00X100快速退刀Z100M05主轴停M02程序停止换向装夹零件反向加工%0002华中起始句T0101调一号刀，一号刀具坐标M40M42M03S600主轴正转，转速600r/minG00X30Z5快速到达距工件安全点G71U0.5R2P10Q30X0.1Z0.1F300精加工循环指令S800精加工转速800r/minN10G01X9Z0F300精加工循环第一句X10Z-1N30Z-10精加工循环最后一句G00X30G00X100Z100快速退到安全点M05主轴停止M02程序停止4.1.2无碳小车的传动轴加工无碳小车的传动轴机加工工艺：表一：数控加工刀具卡数控加工刀具卡片工序号程序编号产品名称零件名称材料零件图号轮胎序号刀具号刀具名称及规格刀半径加工表面备注1T010193°外圆车刀外圆表面、端面2T020260°螺纹车刀车螺纹3T0404切断车刀B=4切断表二：数控加工工序卡数控加工工序卡产品名称零件名称材料零件图号轮胎硬铝工序号程序编号夹具名称夹具编号使用设备车间3号馆工序号工步内容刀具号主轴转速r/min进给速度mm/min被吃刀量备注1粗车各外圆表面T01016003000.5X轴余量0.1Y轴余量0.12精车各外圆表面T01018001000.125自动3切槽T0404300800.26自动4车螺纹T0202300300.1自动5切断T0404300800.26自动6粗车反面各外圆表面T01016003000.5X轴余量0.1Y轴余量0.17精车反面各外圆表面T01018001000.125自动表三：加工程序程序程序说明%0001华中起始句T0101调用1号刀，一号刀具坐标M40M42M03S600主轴正转，转速600r/minG00X30Z5快速到达工件G71U0.5R2P10Q100X0.1Z0.1F300精加工循环指令S800精加工转速800r/minN10G01X9Z0F100精加工循环指令第一句G01X10Z-1Z-10X14Z-40X19N100Z-140精加工循环最后一句G00X30G00X100Z100快速退刀到安全点S300主轴转速300r/minT0404调四号刀，四号刀具坐标G00X30Z-140快速到达切断点G01X25G01X0F30切断G00X100Z100快速退到安全点M05M02换向装夹，加工零件反向%0002T0101M40M42M03S600G00X30Z5G71U0.5R2PQX0.1Z0.1S800N10G01X9Z0F100G01X10Z-1Z-25X19N20Z-55G00X30G00X100Z100S300T0404G00X30Z-35G01X15G01X9F80G01X15G00X100Z100S300T0202G00X10Z5G82X9.3Z-15F1加工M10X1螺纹，第一刀X8.9第二刀X8.7第三刀X8.7光整第一刀X8.7光整第二刀G01X15G00X100Z100M05M024.2无碳小车的零部件加工工序卡零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*200*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件上顶面留0.5mm余量T01端铣刀2精铣削工件上顶面T01端铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*200*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件下底面留0.5mm余量T01端铣刀2精铣削工件下底面T01端铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*200*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件外轮廓留0.5mm余量T02立铣刀2精铣削工件外轮廓T02立铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*200*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1加工装配孔T03钻头零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*210*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件上顶面留0.5mm余量T01端铣刀2精铣削工件上顶面T01端铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*210*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件下底面留0.5mm余量T01端铣刀2精铣削工件下底面T01端铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*210*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件内轮廓T02立铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*210*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1粗铣削工件外轮廓留0.5mm余量T02立铣刀2精铣削工件外轮廓T02立铣刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格210*210*6mm安装方法用压板固定工步号工步内容刀具号加工参数1加工孔T02立铣刀2铰中心孔T03铰刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1平工件右端面T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1粗车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀2精车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1车削螺纹M9X1.5T02外圆螺纹车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1切断T033mm切断车刀2掉头加工T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1钻固定孔T04钻头零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数 零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1粗车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀2精车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1换钻头钻中心孔T02钻头2换铰刀铰孔T03铰刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1切断T043mm切断车刀2掉头加工另外一端T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1平工件右端面T01粗精两用外圆车刀 零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1粗车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀2精车工件外轮廓T01粗精两用外圆车刀零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1换钻头钻中心孔T02钻头零件图加工信息加工设备车床零件材料硬铝毛坯规格安装方法三爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1切断T033mm切断车刀零件图加工信息加工设备铣床零件材料硬铝毛坯规格安装方法四爪卡盘工步号工步内容刀具号加工参数1加工装配孔T04钻头第五章无碳小车制造成本分析5.1小车的制造为了能够避开更多的障碍物，小车的整体构造越简单越好，通过上面的计算和分析可知道构成小车的轴承和齿轮属于标准件，轴承由市场购买，齿轮则通过3D打印机获得，其余非标准件复杂难于加工的零件转向连杆和小车前轮支架也通过3D打印获得，其余较简单零件如轴、轴承座、小车底板、前轮、后轮、套筒等皆需要我们在数控车间里面自行加工，由于我们经验不足，加工过程中存在很多失误和加工误差，导致在装配和测试中发现很多问题。小车的制作材料根据小车承受的负载及其力学性能、刚度、强度等特点，同时考虑到小车在行驶过程中因摩擦产生的能量损失，小车要选用那些既能够达到其强度刚度要求，又能够减少小车的重量，减少其摩擦的材料。由于在常用金属中，铝的密度较小，又易于加工，且价格便宜，故选用铝板和铝块作为其主要加工材料。对于标准件齿轮，我们利用3D打印机打印。考虑到小车的能量有限，要尽可能的减少小车因摩擦损失的能量，对于轴的连接处，选用深沟球滚动轴承，转向部分采用杆端球轴承和丝杆。5.2小车的整体材料种类硬质铝板和硬质铝块、3D打印材料、圆筒、内径15mm，外径20mm的铁管5.3成本分析查资料获得各工序价格表：车削人工费：8.5元/小时，车床使用费：20元/小时；铣削人工费：9.5元/小时，铣床使用费：20元/小时；钳工人工费:20元/小时，钻床使用费：10元/小时。5.4总成本无碳小车在设计时充分考虑到环保和降低成本的要求，在材料及加工设备的选择、零件的工艺安排和加工精度、生产过程组织等各个环节，力求把小车的总成本控制到最合理。根据下面加工成本分析报告我们可以得知个加工成本：无碳小车主要零件的材料费：每台小车所需材料费：3×13=39元以每年500台计算中材料费：19500元；②无碳小车主要零件的人工费和制造费：270.125×500=135062.5元；③无碳小车外协零件费用:齿轮、滑轮，滑轮架皆使用3D打印。④无碳小车外购零件费用：外购主要包括螺钉、轴承，单台小车所需费用：30元；按生产500台需求购买，费用共计：15000元；无碳小车总成本=19500+135062.5+15000=169562.5元；每台小车：127150÷500=339.125元。加工成本分析报告表表5.4以重力势能驱动自行小车的设计与制造加工成本分析报告总3页第1页编号：产品名称无碳小车生产纲领500台/年1、材料成本分析编号材料毛坯种类毛坯尺寸件数/毛坯每台件数备注编号材料毛坯种类毛坯尺寸件数/毛坯每台件数备注1铝板材150×2101/11底板5铝板材200×2001/11从动轮2铝板材250×605/15轴承座6铝棒料φ35×401/11前轮3铝板材90×601/11轴承座7铝棒料Φ20×5006/66轴4铝板材200×2001/11驱动轮8铝棒料Φ15×Φ20×601/11重物支杆硬铝市场价格13元/kg，500台小车主要零件使用材料重量：3kg/台×500台=1500kg，材料成本为1750×13=19500元，每辆小车的材料成本为13×3=39元以重力势能驱动自行小车的设计与制造工艺成本分析卡片总3页第2页编号：产品名称无碳小车生产纲领500台/年2、人工费和制造费分析序号零件名称工艺内容工时工艺成本分析机动时间辅助时间终止时间1底板铣削加工1h0.2h1.2h铣削费用：（9.5+20）×1.2=35.4元钳工费用：20×0.6=12元钳工0.5h0.1h0.6h2轴承座铣削加工0.8h0.1h0.9h铣削费用：（9.5+20）×0.9=26.55元钳工费用：20×0.4=8元钳工0.3h0.1h0.4h3驱动轮铣削加工0.3h0.2h0.5h铣削费用：（9.5+20）×0.5=14.75元钳工费用：20×0.3=6元钳工0.2h0.1h0.3h4从动轮铣削加工0.3h0.1h0.4h铣削费用：（9.5+20）×0.4=11.8元钳工费用：20×0.2=4元钳工0.1h0.1h0.2h5前轮车削0.60.050.65车削费用：（8.5+20）×0.65=18.525元6轴车削2.40.63车削费用：（8.5+20）×3=85.5元以重力势能驱动自行小车的设计与制造工艺成本分析卡片总3页第3页编号：产品名称无碳小车生产纲领500台/年2、人工费和制造费分析序号零件名称工艺内容工时工艺成本分析机动时间辅助时间终止时间7重物支杆车削0.50.3h0.8h车削费用：（8.5+20）×0.8=22.8元8前轮支座铣削0.3h0.1h0.4h车削费用：（8.5+20）×0.4=11.4元钻孔费用：10×0.1=1元钻孔0.05h0.05h0.1h9重物支座车削0.3h0.1h0.4h车削费用：（8.5+20）×0.4=11.4元钻孔费用：10×0.1=1元钻孔0.05h0.05h0.1h第六章小车的制造、装配和试验测试结果分析以及调试6.1小车制造、装配和测试结果出现的影响因素（1）后轮不同心、直径不相称（2）轴心不对称（3）传动不平稳（4）前轮不在小车中心线上（5）后轮端面跳动（6）前轮及曲柄摇杆机构间隙的影响（7）赛道不光滑、平整（8）轴承和轴承座的配合（9）增距系统滑轮不能使用6.2对测试所得各影响因素分析6.2.1后轮不同心、直径不相称在单向轴承驱动情况下，由于两个后轮不存在固定或者传动比关系，因此直径的差别对行进的轨迹的路程影响能通过两个轮子的相对旋转来消除。但是由于后轮直径的差别会导致整个小车车身的倾斜，进而影响前导向轮的方向，从而影响小车行进轨迹的方向的微小变化。

6.2.2传动不平稳传动不平稳的情况下，会使后轮与前导向轮摆角之间的关系不稳定，导致小车轨迹发生重复性不好、突然偏离直线轨迹等不可预知的变化。6.2.3前轮不在小车中心线上当前轮不在小车中心线上，前转向轮摆动时，会使小车与地面接触点发生偏移。当小车在行走期间就会是左右转向角度发生偏移，导致小车及早和障碍物相撞或者提早转向不能绕开障碍物，小车行走路线也会发生偏移，种种因素最终导致无法确定小车的初始位置。6.2.4后轮端面跳动当后轮端面跳动时，且当两个后轮的跳动在某个瞬间一致时，会使小车整体的瞬心与理论值发生偏移，也就是小车轨迹瞬时曲率半径发生变化，导致小车轨迹发生偏移。当小车后轮端面的跳动达到一致时，小车瞬时的瞬心位置和转弯半径会发生变化，从而导致小车轨迹发生变化。6.2.5前轮及曲柄摇杆机构间隙的影响通过对前轮的检测发现，前轮支架轴线与轴承间的间隙过大，严重影响小车的轨迹，以至于小车轨迹会发生严重偏离，与实验现象中“小车轨迹长距离的直线性实现起来较难，当距离较远时，最后一段距离的重复性较差，小车轨迹在调整好后放置一段时间，轨迹会发生严重偏离”的现象相一致，经过重新制作，间隙得到减小，小车轨迹的直线性和重复性得到了较大的提高。6.2.6赛道不光滑、平整当路面凹凸不平，特别是存在斜坡的时候，小车下坡的时候车速较快，当车拐弯的时候，可能存在打滑、侧翻的危险，会严重影响小车的行走。但是由于路面不在可控的范围内，因此无法将路面的影响降至最低。

6.2.7轴承和轴承座的过渡配合由于加工误差所致，我们所购买的轴承没能够安装进轴承座，最终我们使用锤子将其强行安装进去形成了过度配合，导致的结果就是轴承发生微型变形，增加了轴承和里面滚珠的摩擦，从而增大了小车的阻力，只是小车需要更大的力矩才能驱动行走。6.2.8增距系统滑轮不能使用由于在理想状态下所涉及的滑轮组没能够达到实际状态下推动小车行走的力矩，所以导致小车无法行走。通过多次测试最终获得一组一级增距滑轮尺寸，小滑轮的半径R小=10mm和15mm，大滑轮半径R大=20mm。实际状态下计算：一级增距计算大滑轮和小滑轮的周长：C大=2πR大=2×3.14×20=125.6mmC小=2πR小=2×3.14×10=62.8mmC小=2πR小=2×3.14×15=94.2mm由于绕线轮的大端直径为19mm，小端直径为14mm，为了方便计算取中间值R绕=8.25作为绕线轮的直径。绕线轮周长为C绕=2πR绕=2×3.14×8.25=51.81mm计算当重物下降高度为400mm小滑轮转过的圈数：400/62.8=6.369（圈）400/94.2=4.246（圈）计算大滑轮和绕线轮之比：C大/C绕=125.6/51.81=2.4246.3无碳小车的调试与修改小车的调试是很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。6.3.1协调性的调试小车设计出来后在不改变其参数的条件下，其轨迹就确定了，但装配出的小车会与proe模拟出的小车还是会有出入，这是由于加工误差和装配误差的存在。比如，重物挂上小车重心会偏，重物往后落，前轮有时会脱离地面，曲柄滑块处摩擦太大，很难滑动，会卡死等等。所以，就需要协调性调试。协调性的调试大多就是多磨合，曲柄滑块处可以放在机床上用砂纸摩，达到轴孔配合的最佳。重心太靠后，改变上面滑轮尺寸，重心不要超过后轮轴就解决了。6.3.2速度的调试当小车协调性调试好，就要去调试小车的速度。当小车速度太快，小车行走的轨迹会出现偏移，甚至翻到。所以我们要想办法将小车的速度控制在匀速且速度较慢。前面所叙述的，因为小车从静止起动，需要的力矩较大，所以我们将绕线筒设计成锥形的。起动时绕在锥度最大处，等车速平稳时绕在均匀处。上述这只是保证匀速最基本的无需改变的，还有一些其他外在的因素影响速度，与改变速度的方法。摩擦力的影响，我们在设计小车时为了把摩擦力降到最小，可用滚动摩擦代替滑动摩擦，也可用在滑动摩擦处添加润滑油的方法来降低摩擦力。质量的影响，前面设计底板，轮子时都采用减重原则，在不影响强度的情况下去除材料。路面的影响，通过小车在指定的赛道上行走，测出速度的变化，然后通过减重、增重、改变摩擦等使速度均匀。绕线筒的影响，当速度太快，或由于摩擦太大，与刚开始计算的有差距，小车直接起动不了，我们可以通过改变绕线筒的大小来使速度达到均匀，使小车更好的行走。6.3.3避障的调试小车结构简单，但采用了多组微调机构，通过观察小车在指定赛道上行走时避障的特点，微调螺母，慢慢地改善小车避障性能，并做好标记。但由于一些其他原因，使小车避障一直无法改善，这时我们要改善小车的加工与装配的问题。(1)小车转向时，其前轮不稳定分析：在设计小车转向机构时，为了使前轮自由转动而不受到干涉，将前轮转向轴及其转向轴孔间隙配合，却忽略了轴与孔之间的间隙，从而在试车的过程中出现了这个问题。从而在试车的过程中出现了这个问题。解决方案：因为轴承是标准件，其外径已经确定，不宜改变，而车身则更容易加工，因此在车身前端采用基轴制过盈配合嵌入一个轴承。同时，相比于对轴承内径进行改变，转向轴的加工则更容易实现，所以将前轮套上的转向轴以基孔制过盈配合在这个轴承上。(2)重物下落过快分析：在初始设计中，驱动轴是后车轮轴，它与小齿轮过盈配合。本文所设计的小车采用的是单级齿轮传动，其传动比等于被动齿轮与主动齿轮的齿数之比，也等于主动齿轮与被动齿轮的转速之比。考虑到单级齿轮传动系的传动比太大会造成空间的占用和成本上的浪费，所以选择传动比为3的齿轮副。从而小齿轮轴(驱动轴)的转速与大齿轮轴的转速之比也是3。又因为牵引线是绕在小齿轮轴上的，所以重物下落地快。解决方案：将牵引线缠绕在大齿轮轴上，并将轴上绕线处制成锥台。（3）制作加工中的问题在结构上，要注意齿轮副的啮合采用小模数齿轮，增加齿数，最好取互为质数的齿数，同时注意增大齿轮啮合重合度，这样可以提高传动精度，弥补齿轮制造精度差。在工艺上，由于受到机床精度、刀具磨损、操作技能等因素的影响，做出的零件的尺寸往往会产生一定的误差，因此为了保证零件的安装，就必须对零件的尺寸规定一个允许变动的极限值，尺寸公差(简称公差)即为允许尺寸的变动量。因此在设计时，注意要把成品件的偏差考虑进去。（4）牵引线与载物架上的支撑轴干涉分析：在初始方案中，想要通过斜拉重物来降低重物的下落速度，但效果不明显，且出现了牵引线常与载物架上的支撑轴干涉的问题。因此，将齿轮副横置，选择大齿轮轴靠近右后轮的一端作为绕线处，仅需要注意绕线的方式就可以解决干涉问题。同时，为了给牵引线的布置提供空间，得将重物支撑杆设计成按等边三角形布置，围成一个中间恰好通过直径50mm的空间的设计。解决方案：将大齿轮轴作为驱动轴，牵引线缠绕其右端。6.3.4距离的调试当小车协调性、速度，避障都调试好，我们还可以对小车行走的距离进行调试。下面是小车行走距离的调试方法。（1）添加增距装置，比如在支撑重物处设计一个同轴的大小滑轮，从而增加行走的距离。（2）减重量，减摩擦力，然后减小绕线筒直径，使绕线的圈数增加，从而增加行走距离。（3）增加驱动轮的直径等方法等距离增加以后，要接着调试小车的速度与避障。6.3.5加工无碳小车感悟无碳小车依照现代工程师的标准，注重设计的巧妙、制作的精良、调试的可靠性等。与其他类似的模型小车相比，本小车更注重能量的利用、车体结构的稳定性、匀速性等;采用的柔性摆杆机构更涉及了诸多数学理论的验证;，且使小车控制转弯更省力、使小车的躲避障碍物的周期更容易实现与控制，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。适合广大青少年学习研究。通过加工无碳小车，锻炼了我们的动手能力，创新意识，团结协作精神和对问题的钻研精神。另外，最重要的是让我们学会了专业知识，对数控机床的操作，数控编程的深入了解。还有就是精进了本专业的操作软件proe等。个人心得，通过参与设计加工调试，我个人认为特别要注意的有一下几点：1.出发点一定要对，当时设计轨迹时应该将前轮的轨迹设计成行走轨迹，就避免了主动轮在内外圈行走距离不同的问题。2.为了保证实现标准运动轨迹，转向轮转向时一定要稳定；3、为了保证小车的转向要精确平稳，须将转向轴的轴线、前轮