基于Solidworks的抓物機(jī)器車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
基于Solidworks的抓物機(jī)器車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS+仿真,基于Solidworks的抓物機(jī)器車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,基于,solidworks,機(jī)器,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),運(yùn)動(dòng),仿真
編號(hào)：
說(shuō)明書(shū)
題 目： 基于Solidworks的抓物機(jī)
器車(chē)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真
學(xué) 院：
專(zhuān) 業(yè)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱(chēng)：
題目類(lèi)型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開(kāi)發(fā)
2014年5月26日
摘 要
很多地方是我們?nèi)祟?lèi)沒(méi)法進(jìn)去的，因?yàn)槠渲械囊恍〇|西已經(jīng)對(duì)我們?cè)斐闪松耐{，但我們又有必須進(jìn)去的理由。在這種場(chǎng)合下，機(jī)械就能為我們解決這些問(wèn)題，因?yàn)樗梢源嫖覀冞M(jìn)行一些危險(xiǎn)操作，用來(lái)取代人力來(lái)工作。我們?cè)O(shè)計(jì)的抓物機(jī)器車(chē)是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種將機(jī)械手和搬運(yùn)車(chē)聯(lián)系為一體的產(chǎn)品。使其能抓物運(yùn)動(dòng)，可以在地形復(fù)雜或惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境里替人完成物體的搬運(yùn)或者障礙的清除等工作。
抓物機(jī)器車(chē)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)無(wú)線通信來(lái)控制小車(chē)的前進(jìn)、后退或者轉(zhuǎn)彎，并由螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺桿上的螺母上下移動(dòng)，再通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓爪的閉合，從而實(shí)現(xiàn)抓物動(dòng)作。絲桿豎直放置，轉(zhuǎn)臂固定在絲桿螺母上，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，螺母會(huì)上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)臂也會(huì)上下移動(dòng)，也就是機(jī)械手上下移動(dòng)，滿足了機(jī)械手降下抓物，升高移動(dòng)物體的情況。機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，在由齒輪帶動(dòng)固定絲桿的中間件轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。
關(guān)鍵詞：機(jī)器車(chē)；抓物；絲桿
Abstract
Many things that we humans can not go , because some of these things have been a threat to our life , but the reason we have to go in there . In this case , our machinery will be able to solve these problems. Because it can replace us doing some dangerous operation , to replace manpower to work. Because it can replace us some dangerous operation, to replace manpower to work. We have designed the Grasping machine car that developed in the mechanization and automation of the production process and the robot van combined into one product. So that it can catch things exercise can help people complete the removal of an object or obstacle clearance work in complex terrain or harsh, dangerous environment.
Grasping machine car designed primarily controlled by a wireless communication car forward, backward, or turn. by the screw rotates, driven to move up and down the screw on the nut, and then realize gripper closure through the link structure to realize grasping objects actions . Screw placed vertically, and the arm is fixed on screw nut, stepper motor driven rotary screw, nut meeting next move, the arm will move up and down, which is under the robot moves down to meet the robot grasping objects, elevated movement of the object. Turn the robot, driven by fixed-gear screw rotation middleware
implementation.
Key words: machine car; grasping objects; screw
目 錄
引言 1
1 設(shè)計(jì)方案 2
1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 2
1.2 設(shè)計(jì)目的 2
1.3 方案的選擇 2
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 3
2.1 抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3
2.2 爪片的設(shè)計(jì) 5
2.3 螺桿的設(shè)計(jì) 7
2.3.1確定螺紋中徑 8
2.3.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 9
2.3.3螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算 9
2.4 連桿盤(pán)的設(shè)計(jì) 10
2.5 套筒的設(shè)計(jì) 11
2.5.1套筒的尺寸 11
2.5.2螺栓的選擇 11
2.5.3螺紋連接的防松 13
3 轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì) 13
3.1 受力分析 13
3.2 轉(zhuǎn)臂的尺寸計(jì)算 14
3.3 螺栓的設(shè)計(jì) 15
3.3.1螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.3.2螺栓受力分析 15
4 滑動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì) 16
4.1 螺紋牙型的選擇 16
4.2 螺距選擇 16
4.3 絲桿直徑的確定 16
4.4 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 17
4.5 螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算 17
4.6 絲桿的長(zhǎng)度 18
4.7 絲桿螺母的傳動(dòng)形式 18
4.8 絲桿的固定 19
4.9 軸承的選擇 19
4.10 固定板的設(shè)計(jì) 21
4.10.1固定板的結(jié)構(gòu) 22
4.10.2固定架的固定 22
5 轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì) 23
5.1 中間板的設(shè)計(jì) 23
5.2 鍵的選擇 25
5.3 齒輪的設(shè)計(jì) 25
5.3.1選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及模數(shù) 25
5.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 26
5.3.3按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 27
5.3.4幾何尺寸計(jì)算 27
5.4 軸的設(shè)計(jì) 28
6 車(chē)身的設(shè)計(jì) 30
6.1 上車(chē)身的設(shè)計(jì) 30
6.2 下車(chē)身的設(shè)計(jì) 31
6.3 支板的設(shè)計(jì) 35
6.3.1支板的結(jié)構(gòu) 35
6.3.2尺寸計(jì)算 35
6.3.3支板的連接 36
6.3.4輪子孔的設(shè)計(jì) 36
7 solidworks的建模和仿真 37
8 總結(jié) 38
謝 辭 39
參考文獻(xiàn) 40
V
第55頁(yè) 共43頁(yè)
引言
隨著社會(huì)的進(jìn)步，社會(huì)的分工也越來(lái)越細(xì)，特別是在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，有的人每天就只能做著同一件事，或者是擰同個(gè)部位的某個(gè)螺母，或者是接著同一個(gè)地方的線頭，就像電影《摩登時(shí)代》中所演的，由于老是做同一個(gè)動(dòng)作，身體相同的部位得不到休息，于是開(kāi)始產(chǎn)生了各種職業(yè)病。于是人們強(qiáng)烈的希望能有什么東西能代替自己工作而自己不用那么的難受。于是機(jī)器人就被發(fā)明了出來(lái)，并替人完成那些很枯燥、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作。而且，機(jī)器人的發(fā)明大大的提高了工作效率，提高了工業(yè)的發(fā)展，為更多的人提供了機(jī)會(huì)。
機(jī)器人的出現(xiàn)，使人們擺脫了那些繁瑣、危險(xiǎn)的工作。一般的，在有危險(xiǎn)，對(duì)人體有害的場(chǎng)合，你總能看到他們的身影。如噴漆行業(yè)，油漆發(fā)出的氣味很難聞，那是有毒氣體，聞多了會(huì)對(duì)人體造成難以想象的傷害；還有電焊的場(chǎng)合也是對(duì)人眼睛的傷害也很大，也是有了專(zhuān)門(mén)用來(lái)焊接的機(jī)器人。這樣的地方很多，在工業(yè)里已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮了。特別是在汽車(chē)和工程機(jī)械行業(yè)里，噴漆和焊接那是必不可少的。也正是這些工作對(duì)汽車(chē)行業(yè)的不可或缺，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人大多是用于服務(wù)汽車(chē)行業(yè)的，也正因?yàn)檫@樣，汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展也推動(dòng)了機(jī)器人的增長(zhǎng)。
在一些對(duì)灰塵要求很?chē)?yán)的重要場(chǎng)合或者實(shí)驗(yàn)室中，一旦灰塵的量超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)有廢品的出現(xiàn)。例如要在 10級(jí)潔凈室中制造的電腦重要器件。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，10級(jí)潔凈室就是要在一立方英尺內(nèi)不得出現(xiàn)超過(guò)10個(gè)以上的直徑大于0.5微米的塵埃。100級(jí)潔凈室就是在一立方英尺內(nèi)不得出現(xiàn)100個(gè)同樣大小的塵埃?？删褪窍脒M(jìn)入100級(jí)潔凈室，工作人員也要換上特制的裝備才可以進(jìn)去，而且，在進(jìn)去之前的5個(gè)小時(shí)都不可以使用化妝品或者吸煙等，這條件可見(jiàn)很難做到了。所以10級(jí)潔凈室也只能由機(jī)器來(lái)完成了，想進(jìn)去，條件太苛刻了。
而有些場(chǎng)合，由于被環(huán)境的限制，如有放射性物質(zhì)，被有害氣體包圍等，我們很難進(jìn)去，也沒(méi)法找里面的東西出來(lái)研究。于是特制的抓物機(jī)器車(chē)就很有必要設(shè)計(jì)出來(lái)。
這次設(shè)計(jì)是基于三維軟件Solidworks設(shè)計(jì)的。該軟件的功能很強(qiáng)大，組件也很多。 Solidworks是現(xiàn)在最主流的三維CAD解決方案，因?yàn)樗哂辛斯δ軓?qiáng)大、易學(xué)易用、技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)。 而且SolidWorks可以提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，操作更是簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容
因?yàn)槭且M(jìn)行比較精密的抓取物體，所以采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器車(chē)的控制。通過(guò)無(wú)線接通電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)向。而在小車(chē)的上面則是抓物機(jī)械手的部件。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下移動(dòng)還有一定范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，還有爪片的自由張合。
1.2 設(shè)計(jì)目的
（1）可以在危險(xiǎn)的，無(wú)人可進(jìn)入的地方抓住物體并且移動(dòng)物體，便于實(shí)驗(yàn)和研究。
（2）由于抓物機(jī)器車(chē)使用無(wú)線通信技術(shù)控制，其動(dòng)作準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單，因此可以提高穩(wěn)定性能。
1.3 方案的選擇
由于小車(chē)的移動(dòng)都要很精確，所以只考慮了步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的速率是由驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入的脈沖數(shù)量和頻率來(lái)控制的。但不適合在長(zhǎng)時(shí)間和同方向的場(chǎng)合使用，這樣容易燒壞電機(jī)。而伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比，在控制方式上很相似都是用脈沖串和方向信號(hào)，但價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)較高。在性能滿足的情況下，考慮經(jīng)濟(jì)方面，我們采用了步進(jìn)電機(jī)。
對(duì)于機(jī)械手的上下移動(dòng)，可以想到的有液壓、氣動(dòng)還有絲桿。考慮液壓和氣動(dòng)都比較的便宜，但考慮到精確度，能采用的也只有絲桿了。對(duì)于爪片的自由張合，氣動(dòng)便宜實(shí)用，但由于在前面都沒(méi)用到，在這里用的話還得設(shè)計(jì)氣動(dòng)裝置，麻煩而且也不太實(shí)際，因此我們采用了步進(jìn)電機(jī)。
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)
由于設(shè)計(jì)的抓物車(chē)一般是在危險(xiǎn)的地方工作，那地方可能是一些夾縫什么的，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的小車(chē)都比較的小。設(shè)小車(chē)的尺寸為400*200*100mm，而抓取的物體最重為6KG。
2.1 抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
設(shè)抓盤(pán)的直徑為50mm，爪子的開(kāi)口角度為120度，抓爪可轉(zhuǎn)動(dòng)30度。采用的是四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)爪子的自由張合。結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖2-1 四桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
其中L1是連桿盤(pán)與抓盤(pán)的距離，L2是爪子上兩個(gè)圓柱銷(xiāo)之間的距離，L3是連桿與爪子的距離，L4是連桿。
如圖，L2、L3、L4為定長(zhǎng)，而L1隨著連桿盤(pán)的移動(dòng)而改變，當(dāng)連桿盤(pán)向上移動(dòng)時(shí)，L1會(huì)變大，那時(shí)，連桿L4通過(guò)L3拉著L2向上轉(zhuǎn)動(dòng)，那時(shí)爪子張開(kāi)：相反，當(dāng)連桿盤(pán)向下移動(dòng)時(shí)，連桿會(huì)壓爪子向下轉(zhuǎn)動(dòng)，即爪子會(huì)抓緊物體。
受力分析：
圖2-2 四桿受力分析
=cos*F
=sin*F
由受力分析可知： 當(dāng)=時(shí)，=，也就是使爪子向下轉(zhuǎn)動(dòng)的力與向外的力是一樣的，這時(shí)，爪子處于平衡狀態(tài)。而隨著的增大，會(huì)大于,也就是說(shuō)，當(dāng)大于45度后，爪子盤(pán)向下，也就是增大后，爪子的抓力反而變小，也就是說(shuō)我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該小于45度，45度時(shí)就是抓取物體的最小尺寸。
從圖上可知，當(dāng)為45度時(shí)，越小，L4越短，從材料和經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看，越小越好，故取=。
當(dāng)抓取的物體最小時(shí)，也就是抓爪轉(zhuǎn)動(dòng)30度，那時(shí)
圖2-3 抓物受力簡(jiǎn)圖
//，取=10mm,
則=，=30mm；
所以 30mm
當(dāng)抓手的開(kāi)口最大時(shí)，如圖
圖2-4 開(kāi)口最大受力分析
此時(shí)、連成一線，則
= =
設(shè)=30mm,則
+=2cos*30=52 mm
所以 =42mm
故 3042
取 =40mm
在連桿中連接處會(huì)打通孔，我們算出來(lái)的就是兩孔間的距離，所以實(shí)際尺寸應(yīng)該要加上半徑還有傍邊的部分。設(shè)通孔的中心到一邊的距離為5mm，則連桿實(shí)際長(zhǎng)度為40+5*2=50mm.
2.2 爪片的設(shè)計(jì)
為了更好的抓起物體，使物體不掉下來(lái)，應(yīng)把爪片的下面做成一個(gè)傾角，受力分析如下：
圖2-5 抓物時(shí)受力簡(jiǎn)圖
Mg=cos*F+sin*?
cos* ?=sin*F
F=Mg*cos
可知，越小，F(xiàn)會(huì)越大，當(dāng)取為45度時(shí)，代入數(shù)據(jù)后得
F=2*10*cos=14N
根據(jù)拉壓桿的強(qiáng)度條件：
=
得：
[]=
式中： []為許用應(yīng)力；
n為安全因數(shù)；
為載荷；
A為桿的橫截面面積
表1 常用材料的力學(xué)性能表
材料名稱(chēng)
牌號(hào)
/MPa
/ MPa
/%
備注
普通碳素鋼
Q215
Q235
Q255
Q275
215
235
255
275
335-450
375-500
410-550
490-630
26-31
21-26
19-24
15-20
對(duì)應(yīng)久牌號(hào)A2
對(duì)應(yīng)久牌號(hào)A3
對(duì)應(yīng)久牌號(hào)A4
對(duì)應(yīng)久牌號(hào)A5
優(yōu)質(zhì)碳素鋼
25
35
45
55
275
315
355
380
450
530
600
645
23
20
16
13
25號(hào)鋼
35號(hào)鋼
45號(hào)鋼
55號(hào)鋼
合金鋼
20Cr
40Cr
30CrMnSi
540
785
885
835
980
1080
10
9
10
20鉻
40鉻
30鉻錳硅
鋁合金
LY12
274
412
19
硬鋁
查表1得：
考慮到要質(zhì)量較輕，采用鋁合金材料：
則
取安全系數(shù)n=1.2,代入數(shù)據(jù)得
[]=274/1.2=228 Mpa
A14/228*=0.06*
故取抓爪的尺寸為
14*5=7060mm
取首尾間的距離為80mm
由杠桿原理得
圖2-6抓爪受力簡(jiǎn)圖
10*N=80*F
得 N=8*14=112 N
由前面圖2-3的受力分析得
當(dāng)=時(shí)
N=cosF
F=112/0.7=158 N
受力較大，所以采用了合金鋼Cr20,查表得。取安全系數(shù)n=1.2,代入數(shù)據(jù)得
[]=540/1.2=450 Mpa
A（112/450）*=0.25*
所以取 連桿的橫截面面積為 5*6 mm
連桿的尺寸為40*5*6 mm
2.3 螺桿的設(shè)計(jì)
螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。主要運(yùn)動(dòng)形式有以下兩種：一種是螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)；一種螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并且移。
螺旋傳動(dòng)按其用途不同，可分為以下三種：
(1)傳力螺旋。 它以專(zhuān)遞動(dòng)力為主，要求以較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力，用以克服工件阻力。這種傳力螺旋主要是承受很大的軸向力，一般為間歇性工作，每次的工作時(shí)間較短，工作速度也不高，而且通常需要有自鎖能力。
(2)傳導(dǎo)螺旋。它以傳遞運(yùn)動(dòng)為主
(3)調(diào)整螺旋。它可以調(diào)整、固定零件的相對(duì)位置。
螺旋運(yùn)動(dòng)又可分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋。滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造，易于自鎖，但其阻力大，磨損快，傳動(dòng)精度低等。而滾動(dòng)螺旋相反，阻力小，傳動(dòng)精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
我們要求的是能傳動(dòng)動(dòng)力，而且精度要求不高，行程較短，軸向力也不是很大，綜上，我們采用了滑動(dòng)螺旋
滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋有很大的關(guān)系，螺紋工作面的壓力、表面粗糙度的選擇不好，會(huì)加快螺旋的磨損。螺紋工作面上的壓力越大，螺旋副間越容易形成過(guò)度磨損。因此選擇螺紋的選擇也很重要。
當(dāng)載荷不大，工作對(duì)螺紋間的摩擦力要求不大、螺距又比較小時(shí)，可采用基本螺紋和細(xì)牙螺紋。當(dāng)載荷較大，螺距又較大時(shí)，應(yīng)采用梯形螺紋。它比三角甌的傳動(dòng)效率高，強(qiáng)度大。因此采用梯形螺紋。
表2-1 螺旋傳動(dòng)常用的材料
螺旋副
材料牌號(hào)
應(yīng)用范圍
螺桿
Q235、Q275、45、50
材料不經(jīng)熱處理，適用于經(jīng)常運(yùn)動(dòng)，受力不大，轉(zhuǎn)速較低的傳動(dòng)
40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi
材料需經(jīng)熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉(zhuǎn)速較高的重要傳動(dòng)。
螺母
ZCuSn10P1、
ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅）
材料耐磨性好，適用于一般傳動(dòng)
表2-2 滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦系數(shù)?
螺桿-螺母的材料
滑動(dòng)速度/（m/min）
許用壓力/Mpa
摩擦系數(shù)?
鋼-青銅
低速
18-25
0.08-0.10
11-18
6-12
7-10
淬火鋼-青銅
6-12
10-13
0.06-0.08
鋼-鑄鐵
13-18
0.12-0.15
6-12
4-7
鋼-鋼
低速
7.5-13
0.11-0.17
2.3.1確定螺紋中徑
查表螺旋傳動(dòng)常用的材料和滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦系數(shù)?可?。郝輻U的材料可用45號(hào)鋼，螺母可用ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅），選滑動(dòng)速度為低
速，許用壓力 [p] 為20Mpa.
由滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算公式
對(duì)于梯形螺紋，有
0.8
螺母高度
H=
取，代入數(shù)據(jù)得
0.8=1.8
查機(jī)械手冊(cè)取 =3.675mm, 螺距P=0.5mm
d=4mm,小徑=3.459mm；
H=1.5*3.675=5.5125mm
對(duì)于自鎖條件：
=arctan=arctan
而 =arctan()
代入數(shù)據(jù)得
=arctan0.04
0.8
所以 0.04
滿足自鎖條件。
2.3.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算
螺桿的強(qiáng)度條件為：
=
式中：F-螺桿受到的軸向壓力；
A-螺桿截面面積；
-螺紋小徑；
T-螺紋受到的扭矩;
-螺桿材料的許用應(yīng)
表2-3 滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力
螺旋副材料
許用應(yīng)力/Mpa
[]
螺桿
鋼
螺母
青銅
40-60
30-40
鑄鐵
45-55
40
鋼
（1.0-1.2
0.6
由表滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力得=355，則==71 Mpa
把F=148 N, =3.675mm ，=48.35 代入
得
T10.6 Nm
所以，電機(jī)的扭矩應(yīng)該小于10.6 N。
2.3.3螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算
因?yàn)槁菽傅牟牧蠌?qiáng)度比較螺桿的強(qiáng)度要低很多，而螺紋牙又多因?yàn)榘l(fā)生剪切和擠壓破壞而失效，故需要校核螺母的螺紋牙的強(qiáng)度。
由剪切強(qiáng)度條件
彎曲強(qiáng)度條件為
=
式中： b-螺紋牙跟部的厚度，對(duì)于梯形螺紋，b=0.65 P
l-彎曲力臂 l=
u-螺紋工作圈數(shù) u=
代入數(shù)據(jù)得
=0.2]=30-40
==0.5=40-60
因此螺紋的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。
螺桿的長(zhǎng)度：工作行程為30mm加上螺母的高度6mm,因此取長(zhǎng)度為36mm.
2.4 連桿盤(pán)的設(shè)計(jì)
連桿固定在連桿盤(pán)上，然后連桿盤(pán)與螺母連接，然后跟著螺母的上下移動(dòng)而移動(dòng)，從而通過(guò)連桿推動(dòng)抓爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。連桿盤(pán)是在套筒里面上下運(yùn)動(dòng)的，而連桿要接到抓爪，要穿出套筒，因此在套筒上應(yīng)該會(huì)有三個(gè)長(zhǎng)孔，滿足連桿隨著連桿盤(pán)上下移動(dòng)，為了加工和安裝的方便，直接把孔開(kāi)到口，而把連桿盤(pán)與連桿相連的部分放到套筒外面，這樣更好的安裝連桿。如圖：
圖2-7 連桿盤(pán)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
中間的孔是為了螺桿能通過(guò)，使螺桿與連桿盤(pán)不接觸就可以了，而盤(pán)中的三個(gè)孔則是為了固定連桿盤(pán)與螺母而留的。采用螺釘連接，螺釘可以直接擰入連桿固定板上螺紋孔中，不需用螺母，但不能經(jīng)常拆裝，這樣易使螺紋孔磨損，從而導(dǎo)螺母的報(bào)廢，故多用于受力不大，或不需用經(jīng)常拆裝的場(chǎng)合。在這里剛好適用。由于在這里，螺釘其固定作用，基本上只受連桿盤(pán)的重力作用，很小可忽略不計(jì)。
連接處，在外力的作用下，銷(xiāo)釘與孔直接接觸。當(dāng)擠壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，在孔、銷(xiāo)接觸的局部區(qū)域內(nèi)，將產(chǎn)生顯著塑性變形，導(dǎo)致孔、銷(xiāo)間的正常配合。由擠壓強(qiáng)度條件
=
式中： -擠壓力
-耳片的厚度
d-孔的直徑
代入數(shù)據(jù)得
300*
0.5*
取 =10mm , d=4mm
則連桿盤(pán)的厚度可為10mm
2.5 套筒的設(shè)計(jì)
2.5.1套筒的尺寸
套筒內(nèi)是螺桿，在桿上連桿盤(pán)固定在螺母上，套筒的下方是抓盤(pán)，但為了節(jié)約材料，我們把套筒和抓盤(pán)合在一起。如圖
圖2-8 套筒結(jié)構(gòu)
抓盤(pán)的直徑是50mm，則可設(shè)套筒的外徑為35mm,內(nèi)徑可為30mm。由于螺桿的長(zhǎng)度為36mm套筒的長(zhǎng)度為50mm.套筒的上部分，為了便于安裝連桿和連桿盤(pán)，直接開(kāi)了三個(gè)深糟，糟的深度與螺桿的長(zhǎng)度一樣，也就是36mm套筒還要與轉(zhuǎn)臂相連，故在最上面還要做耳。
2.5.2螺栓的選擇
對(duì)于連接件，一般的螺紋連接有幾種類(lèi)型：
（1）螺栓連接
在被連接件上開(kāi)有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母，這種連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
（2）雙頭螺栓連接
這種連接適用于結(jié)構(gòu)上不能采用螺栓連接的場(chǎng)合，如被連接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比較軟，且需要經(jīng)常拆裝時(shí)，往往采用雙頭螺栓連接。
（3）螺釘連接
這種連接的特點(diǎn)就是螺栓或螺釘直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母，在結(jié)構(gòu)上比雙頭螺栓連接簡(jiǎn)單、緊湊。其用途和雙頭螺栓連接相似，但經(jīng)常拆裝時(shí)，易使螺紋孔磨損，會(huì)導(dǎo)致被連接件報(bào)廢，故多用于受力不大，或不需用經(jīng)常拆裝的場(chǎng)合。
（4）緊定螺釘連接
緊定螺釘連接就是利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面或頂入相應(yīng)的凹坑中，以固定兩個(gè)零件的相對(duì)位置，并可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)矩。螺釘除了作為連接盒緊定用外，還可以用于調(diào)整零件的位置。
綜上所述，轉(zhuǎn)臂的厚度較大，不宜制成通孔，因此選擇螺釘連接。
1）螺釘?shù)姆植?
采用三個(gè)平均分布，螺栓數(shù)Z=3.
2）受力分析
螺釘受抓手的重力和殘余預(yù)緊力
F=(6+0.02*3+0.03*3+0.2)*10=63.5 N
取 =0.5F,
得 =0.5*63.5=31.75 N
總拉力 = =95.25 N
3）直徑的確定
選擇材料為Q235、性能等級(jí)為4.6的螺釘，查表得材料屈服極限=240Mpa，安全系數(shù)S=1.5，故螺釘材料的許用應(yīng)力=Mpa.
根據(jù)螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件
=
得
代入數(shù)據(jù)得
=1mm
按普通螺紋的基本尺寸（GB196-81），選用螺紋公稱(chēng)直接d=3mm.
查粗牙螺栓、螺釘?shù)男肷疃群吐菁y孔尺寸得
d=3mm，h=6mm
查普通螺紋連接的標(biāo)準(zhǔn)件（GB70-76）得圓柱頭內(nèi)六角螺釘?shù)拈L(zhǎng)度為
L=10mm
所以螺釘?shù)臑镸3*10-Q。重量為0.003kg
2.5.3螺紋連接的防松
一般的連接螺紋都能滿足自鎖條件，此外擰緊以后螺母和螺栓頭部等支承面上的摩擦也有防松作用。但在沖擊、振動(dòng)等的作用下，螺旋副間的摩擦力會(huì)變小甚至消失。多次后就會(huì)使連接松脫，因此要進(jìn)行防松。防松的根本就是在于防止螺旋副在受載的時(shí)候發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，防松的方法可分為摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺旋副運(yùn)動(dòng)關(guān)系防松等。其中摩擦防松又可分為對(duì)頂螺母、彈簧墊圈、自鎖螺母。這幾中方法都是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便使用。
故選用了彈簧墊圈來(lái)防松。
3 轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)臂的作用是支撐機(jī)械手和抓取的物體的重量，因此在這里對(duì)強(qiáng)度要求很?chē)?yán)格。
在這里，轉(zhuǎn)臂固定在左邊的螺母上，并隨著螺母上下移動(dòng)，因此可以把轉(zhuǎn)臂當(dāng)做懸臂梁來(lái)算。
3.1 受力分析
圖3-1 轉(zhuǎn)臂受力分析
建立剪力、彎矩方程得
Fby=F, M=Fa
畫(huà)出剪力、彎矩圖，如上圖所示。
3.2 轉(zhuǎn)臂的尺寸計(jì)算
圖3-2 轉(zhuǎn)臂的尺寸
從彎曲強(qiáng)度考慮，理想的變截面梁，是使所有橫截面上的最多彎曲正應(yīng)力都等于許用應(yīng)力。
==[]
得
=
而對(duì)于矩形截面懸臂梁，
=F*x
得
h(x)=
采用材料鋁合金來(lái)加工梁，則[]=228MPa.因?yàn)檐?chē)的長(zhǎng)度為400mm，若在車(chē)的中間立起絲桿，設(shè)最遠(yuǎn)可以抓離車(chē)100mm遠(yuǎn)的物體，則算出了梁的長(zhǎng)度為
a=400/2+100=300 mm
而F為抓手和抓取的物體的重力總和。即F=63.5 N.取梁寬b=55mm,代入式中得
h==4 mm
但一般情況下，在外力作用下，梁的軸線會(huì)由直線變成曲線。研究表明，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)梁來(lái)說(shuō)，剪力對(duì)其的變形影響一般很小，可以忽略不計(jì)，彎曲時(shí)各橫截面仍保持平面，仍與變彎后的梁軸正交。忽略剪力的影響后，轉(zhuǎn)角和撓度相互關(guān)聯(lián)。
設(shè)許用撓度[]=a/500，則梁的剛度條件為
其中：彈性模量E=200GPa,矩形的慣性矩I=
代入數(shù)據(jù)得
h6.3*m=6.3mm
綜上，可以取 h=15mm
3.3 螺栓的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)臂與套筒的連接是由螺釘連接的，因此在轉(zhuǎn)臂的下方打d=6mm，h=8mm的螺紋孔，同時(shí)在上方也要打幾個(gè)固定電機(jī)的孔。另一端，轉(zhuǎn)臂與絲桿上的螺母固定，然后隨著螺母的上下移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的上下移動(dòng)。在上面我們說(shuō)到了很多的連接方式和各個(gè)方式的優(yōu)點(diǎn)。在這里，可以采用螺栓連接，被連接件上的通孔和螺栓之間留有空隙，通孔的加工比較容易，精度要求較低。
3.3.1螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)z=4，對(duì)稱(chēng)布置
圖3-3 螺栓分布
3.3.2螺栓受力分析
螺栓受抓手的重力作用，因此每個(gè)螺栓所受的力為
F=MG/4=15.9 N
而
=+F
取
=0.5F
則
由螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件：
=
得
代入數(shù)據(jù)得
=0.8mm
取
=3.242mm
查得d=4mm.查六角頭螺栓，取螺栓M4*30
4 滑動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì)
絲桿螺母機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)將螺旋運(yùn)動(dòng)變換成直線運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)變換成螺旋運(yùn)動(dòng)，絲桿螺母機(jī)構(gòu)又分為滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，制造成本低，而且具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大，傳動(dòng)效率低。與滑動(dòng)絲桿副相比，滾動(dòng)絲桿副摩擦阻力矩小，傳動(dòng)效率大，而且還具有軸向剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精確度高，不易磨損，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，而且不能自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，在做升降傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，還要采取制動(dòng)措施。我們才用了滑動(dòng)絲桿來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的升降。
在上面中，我們可以知道作用在絲桿的力F=63.5 N
4.1 螺紋牙型的選擇
精密絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)，常用的螺紋有牙型角為普通公制螺紋和牙型為的梯形螺紋兩種。當(dāng)絲桿螺母結(jié)構(gòu)的載荷不大，螺紋間的摩擦對(duì)工作影響不大，而又要求小螺距的時(shí)候，可采用公制基本螺紋和公制細(xì)牙螺紋。當(dāng)載荷較大時(shí)，螺距也要求較大，宜用梯形螺紋。梯形螺紋比三角形螺紋的傳動(dòng)效率高，強(qiáng)度大，螺距打。螺距小時(shí)，制造困難而且不耐磨。
易知，絲桿所受載荷不大，所以選擇的普通公制螺紋。
4.2 螺距選擇
常用的梯形螺紋螺距有2、3、4、5、6mm等。而在精密儀器設(shè)備中，采用的公制螺紋螺距主要有0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75mm等，根據(jù)實(shí)際的進(jìn)給可選擇螺距為0.5mm
4.3 絲桿直徑的確定
查表螺旋傳動(dòng)常用的材料和滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦系數(shù)?可?。郝輻U的材料可用45號(hào)鋼，螺母可用ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅），選滑動(dòng)速度為低速，許用壓力 [p] 為20Mpa.
由滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算公式
對(duì)于普通螺紋，有
0.56
其中:h-螺紋的工作高度
t-螺距
螺母高度
H=
取，代入數(shù)據(jù)得
0.56=1.3
查機(jī)械手冊(cè)取 =12.701mm, 螺距P=2mm
d=14mm,小徑=11.835mm；
H=1.5*12.701=19.0515mm
4.4 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算
螺桿的強(qiáng)度條件為：
=
式中：F-螺桿受到的軸向壓力；
A-螺桿截面面積；
-螺紋小徑；
T-螺紋受到的扭矩;
-螺桿材料的許用應(yīng)力。
由表滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力得=355，則==71 Mpa
把F=63.5 N, =11.835mm ，=102.554 代入
得
T19.8 N
所以，電機(jī)的扭矩應(yīng)該小于19.8 N。
4.5 螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算
因?yàn)槁菽傅牟牧蠌?qiáng)度比螺桿的低，而螺紋牙又多因?yàn)榘l(fā)生剪切和擠壓破壞而失效，故需要校核螺母的螺紋牙的強(qiáng)度。
由剪切強(qiáng)度條件
彎曲強(qiáng)度條件為
=
式中： b-螺紋牙跟部的厚度，對(duì)于梯形螺紋，b=0.65 P
l-彎曲力臂 l=
u-螺紋工作圈數(shù) u=
代入數(shù)據(jù)得
=0.2]=30-40
==0.5=40-60
因此螺紋的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求
4.6 絲桿的長(zhǎng)度
如圖所示：設(shè)抓手與地面的距離為200mm
圖4-1 高度簡(jiǎn)圖
a+H=h+L+200
其中：a為絲桿長(zhǎng)度；
H為小車(chē)高度；
h為套筒高度；
L為抓爪的高度。
代入數(shù)據(jù)得
a=200+70+50-100=220mm.
4.7 絲桿螺母的傳動(dòng)形式
根據(jù)絲桿和螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，其基本傳動(dòng)形式可以分為：
（1）螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 這種傳動(dòng)形式是因?yàn)槁菽钙鹬С凶饔?，并消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)精度較高，但剛性差，一般用于行程較小的場(chǎng)合
（2） 絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng) 該傳動(dòng)需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要導(dǎo)向裝置。
（3） 螺母移動(dòng)，絲桿移動(dòng) 這種傳動(dòng)需要限制螺母的移動(dòng)和絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且占用空間較大
（4） 絲桿固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng) 該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但使用時(shí)很不方便，故很少應(yīng)用。
4.8 絲桿的固定
在這里絲桿是豎直安裝的，因此不僅要保證絲桿的豎直度，還要考慮到絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就涉及到了旋轉(zhuǎn)支承部件的選擇了。
4.9 軸承的選擇
軸承按摩擦的性質(zhì)不同，可以分為滑動(dòng)摩擦軸承和滾動(dòng)摩擦軸承。滾動(dòng)軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動(dòng)阻力小，選用、潤(rùn)滑、維護(hù)都比較方便，選用滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承又可以分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承。
（1）向心推力軸承的作用
圖4-2 向心推力軸承
（2）向心軸承
主要承受徑向載荷
圖4-3 向心軸承
（3）推力軸承
只能承受軸向載荷的軸承
圖4-4推力軸承
（4）對(duì)絲桿進(jìn)行受力分析得
圖4-5 絲桿受力分析
所以采用了向心推力軸承。由于取用的絲桿中徑很小，查機(jī)械手冊(cè)后，取最小的向心推力軸承，也就是36200GB292-64.
根據(jù)軸承使用的機(jī)械種類(lèi)及工作情況適當(dāng)選擇確定軸承的壽命。現(xiàn)假設(shè)供料機(jī)構(gòu)每天工作8小時(shí)，預(yù)計(jì)使用壽命為5年，則：
L=8=14600h
采用正裝的安裝方式，對(duì)軸承受力分析中，如圖
圖4-6 軸承的正裝
因?yàn)? 取e=0.4
=38.1 N
N
N
=0.02
=0.012
.89e
=0.4=e
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-5 徑向動(dòng)載荷系數(shù)X和軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y，可知
=0.44 =1.42 =1 =0
當(dāng)量動(dòng)載荷P的一般計(jì)算公式：
P=()
——載荷系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-6根據(jù)載荷性質(zhì)，選取載荷系數(shù)，這里取=1.5；
——徑向動(dòng)載荷系數(shù)，
——軸向動(dòng)載荷系數(shù)，
——徑向載荷；
——軸向載荷；
因而：
()=195.5 N
()=142.9 N
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-4溫度系數(shù)可知：
取溫度系數(shù)=1
對(duì)于球軸承，選取
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知滾動(dòng)軸承36200GB292-64的額定動(dòng)載荷C=5.15KN。
軸承基本額定壽命公式：
=(
==17743414600h
所以選擇的軸承可以滿足要求。
4.10 固定板的設(shè)計(jì)
由于絲桿較長(zhǎng)，因此不僅下方要固定，上面也要固定，所以在上方做了一個(gè)板來(lái)固定。
4.10.1固定板的結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)圖如下
圖4-7 固定板結(jié)構(gòu)
因?yàn)樯厦嬉灿幸粋€(gè)軸承，由軸承安裝可知，hB=9.取h=13mm,則固定架的高度為13+250=263mm。
設(shè)厚度d=2mm，則l=2*2+40=44mm。而寬度D30mm,因此取D=40mm
4.10.2固定架的固定
采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)z=4，對(duì)稱(chēng)布置
圖4-8 螺栓分布
螺栓受力分析：
螺栓受抓手的重力作用，因此每個(gè)螺栓所受的力為
F=95.25*250/20/4=298N
而
=+F
取
=0.5F
則
由螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件：
=
得
代入數(shù)據(jù)得
=2.1mm
取 =4.134mm
查得d=3mm.查六角頭螺栓，取螺栓M3*10
那么 L=l+2*8=44+16=60mm
5 轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì)
為了轉(zhuǎn)角的精確，我們選用了齒輪來(lái)傳動(dòng)，但由于齒輪只能傳動(dòng)，而不能在上面固定零件，因此我們需要一個(gè)中間板來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，固定板和軸承、絲桿等固定在中間板上，然后在用鍵與軸連接到齒輪上，從而實(shí)現(xiàn)了用電機(jī)傳動(dòng)齒輪，齒輪傳動(dòng)到中間板，從而中間板轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在中間板上的絲桿，固定板、機(jī)械手等也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.1 中間板的設(shè)計(jì)
當(dāng)中間板起固定作用時(shí)，其的長(zhǎng)和寬可以與上面的固定架相同，也就是長(zhǎng)為60mm,寬為40mm，其結(jié)構(gòu)為
圖5-1 中間件的結(jié)構(gòu)
由上面可知，采用了軸承36200GB292-64，查機(jī)械手冊(cè)得直徑為30mm，寬為9mm.所以板的中間應(yīng)該開(kāi)一個(gè)直徑30mm的孔，同時(shí)再開(kāi)一個(gè)小孔，以便多余長(zhǎng)的絲桿不碰到板。軸承的孔深為9mm,則可設(shè)板的高度為12mm.如圖
圖5-2 中間件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
但在下方我們需要的是齒輪傳動(dòng)到中間板，使中間板轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，目前的中間板是不可能的，沒(méi)有軸和鍵的位置，因此我們可以把板加厚，以達(dá)到安裝鍵的尺寸。為了不改變上面的板的厚度，我們只加厚了中間的部分，但為了板更好的受力，應(yīng)加厚的部分包括軸承對(duì)應(yīng)下來(lái)的部分。則形狀如圖：
圖5-3 結(jié)構(gòu)圖
我們中間板的轉(zhuǎn)動(dòng)可以看做是剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其主動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)軸的矩使中間板轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)力矩大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度就大；如果力矩相同，那么剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的，角加速度就小，反之，角加速度就大。
受力分析可知，主動(dòng)力就是鍵對(duì)中間板的力。根據(jù)剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程得
J=FR
查《理論力學(xué)（1）》表11-1得
細(xì)直桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =
圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =；
空心圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 =()；
長(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 =();
設(shè)轉(zhuǎn)臂上的質(zhì)量為7kg,圓柱的質(zhì)量為0.08kg，空心圓柱的質(zhì)量為0.10kg,而長(zhǎng)方體的質(zhì)量為0.12kg
R=20mm,r=5mm,=5rad/
代入數(shù)據(jù)得
J=()+()-+ =0.21164kg.
== =53N
5.2 鍵的選擇
鍵通常是用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪轂間的周向固定，以便傳遞扭矩。鍵的類(lèi)型主要有：平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接等。平鍵連接的特點(diǎn)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便，對(duì)中性比較好。
表5-1普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸
軸的直徑
6-8
8-10
10-12
12-17
17-22
22-30
30-38
鍵寬b*鍵高h(yuǎn)
2*2
3*3
4*4
5*5
6*6
8*7
10*8
查表5-得 主要尺寸得軸的直徑為10mm，所以平鍵的尺寸為4*4mm
根據(jù)普通平鍵連接的強(qiáng)度條件
[]
T=FyF=53*0.01/2=0.265 N.m
其中：T-傳遞的扭矩
k-鍵的輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h=2mm
l-鍵的工作長(zhǎng)度，取l=8
d-軸的直徑,d=10mm
代入數(shù)據(jù)得
=3.3 []=30 MPa
所以符合條件。
5.3 齒輪的設(shè)計(jì)
5.3.1選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及模數(shù)
（1）選用圓柱直齒輪傳動(dòng)；
（2）一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，速度不高，故用7級(jí)精度；（GB10095—88）
（3）材料的選擇。
在這里受力較小，所以選擇小齒輪材料為夾布塑膠硬度為35HBS，大齒輪的材料為夾布塑膠硬度為30HBS
（4）設(shè)傳動(dòng)比i為1:5選小齒輪齒數(shù)為Z =8，則大齒輪齒數(shù)Z為
=i×=5×8=40,
5.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算， 即：
（1）確定式中各數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)K =1.3。
2）由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7選取齒寬系數(shù)=0.5。
3）計(jì)算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，由前面計(jì)算可知，
=0.265N*m=265N*mm.
4）由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)Z =56.4MP
5）夾布塑膠的彎曲疲勞許用應(yīng)力[]=50MPa,接觸疲勞許用應(yīng)力[]=110MPa,所以小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =100MP；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =80MP。
6）由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-13，計(jì)算應(yīng)力次數(shù)
=60j=60*300*1*5*8=1.314*
=1.314**5=6.57*
取接觸疲勞壽命系數(shù) =0.98； =0.95
(2) 計(jì)算 確定小齒輪分度圓直徑d
1）計(jì)算小齒輪的分度圓直徑d ，由計(jì)算公式可得：
==8mm
2)計(jì)算圓周速度。
v=(π**)/(60*1000)=(3.14*8*30*5)/(60*1000)=0.60m/s
計(jì)算齒寬b
b=*=0.5*8=4mm
3）計(jì)算模數(shù)與齒高
模數(shù)=4/8=0.5mm
齒高h(yuǎn)=2.25=2.25*0.5= 1.125mm
4）計(jì)算載荷系數(shù)K。
已知使用系數(shù)K =1，據(jù)v=0.6 ，7級(jí)精度。由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8得=0.98， =0.95。由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-13查得=1.38，由教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-3查得 =1
故載荷系數(shù)：
K==1*1.02*1*1.38=1.863
5)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑：
==8*=11.5mm
6）計(jì)算模數(shù)m
m = =11.5/8=1.43
5.3.3按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5） 得彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)的公式為
m
由上面可知，=50MPa
K==1*1.02*1*1.35=1.377
查取齒形系數(shù)
由表10-5得 =2.40，
查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5得 =1.67
則
m=0.45
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)漸開(kāi)線圓柱齒輪模數(shù)系列表可知，取 m =2mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d_1=56.2mm，算出小齒輪齒數(shù)
=/m=11.5/2=5.75
取=10，則=5×10=50
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，避免了材料的浪費(fèi)。
5.3.4幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
=m=2*10=20mm
=m =2*50=100mm
（2）計(jì)算中心距
a =(20+100)/2=60mm
（3）計(jì)算齒輪寬度
查表，取齒寬系數(shù)=0.4
b=*a=0.4*60=24mm
5.4 軸的設(shè)計(jì)
（1）計(jì)算軸上的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩
在前面的計(jì)算中可以得到
=300r/min
=265N*mm
P=/9550000=0.0083 kW
（2）計(jì)算作用在齒輪上的力
已知該軸上齒輪的分度圓直徑為d=30mm
而
===18 N
==18tan=6.5N
（3）初步確定軸的最小直徑
現(xiàn)初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)教材《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3，取=110，于是可得：
==110=7.16mm
由于在前面，我們?yōu)榱思庸ち慵桶惭b的方便，取了軸的直徑為10mm，比最小直徑大了很多，可以采用。
（4）軸的結(jié)構(gòu)
如圖所示：
圖5-4 軸的結(jié)構(gòu)圖
前面一段是安裝鍵槽，用來(lái)傳遞扭矩的，在上面我們也說(shuō)了，為了安裝和加工的方便，直徑直接取了10mm因?yàn)殒I 的長(zhǎng)度為8mm，取這段的長(zhǎng)度為12mm.接下來(lái)的這段要支承中間板的重量，所以要比第一段要大，取直徑為14mm，長(zhǎng)度為4mm.齒輪的分度圓直接為30mm，可以取孔徑為15mm，齒輪寬度為30mm而安裝時(shí)要不能完全安裝到軸上，因此軸的長(zhǎng)度應(yīng)該短一點(diǎn)，去長(zhǎng)度為28mm。接下來(lái)要支撐齒輪，并起定位作用，因此要做一個(gè)軸肩。軸肩長(zhǎng)為3mm，直徑為19mm。最后還要有一段用來(lái)安裝軸承的，因?yàn)樵谶@里，軸承只受到了軸向的力，初步選擇軸承為單向推力球軸承，查機(jī)械手冊(cè)取滾動(dòng)軸承8200GB301-64。查得，小徑為10mm，厚度H為11mm。安裝直徑為19mm。取這段軸的直徑為10mm，長(zhǎng)度為10mm。綜上，符合了軸上所以安裝部件的要求。
（5）軸上零件的周向定位
齒輪、中間板與軸的周向定位都是用平鍵來(lái)連接的， 。為了保證齒輪和軸的配合具有良好的對(duì)中性，選齒輪與軸的配合為 ,中間板與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過(guò)度配合來(lái)完成的，在這里選軸的直徑尺寸公差為m6.
5.5 軸承的設(shè)計(jì)
由于軸是豎直放置的，故受到由于重力對(duì)軸承的軸向力，而且軸承還受到齒輪給的徑向力，因此采用了向心推力軸承。
根據(jù)軸承使用的機(jī)械種類(lèi)及工作情況適當(dāng)選擇確定軸承的壽命?，F(xiàn)假設(shè)供料機(jī)構(gòu)每天工作8小時(shí)，預(yù)計(jì)使用壽命為5年，則：
L=8*365*5=14600h
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-3得齒輪所受的力為
=(2)/?
=tanα
把 =265N*mm，d_2=60mm
代入得
=(2)/=(2*265)/60=8.8N
=tanα=8.8*tan20=3.2N
因?yàn)橹挥昧艘粋€(gè)軸承，且離齒輪很近，可以把齒輪所受的力全部作用在軸承上。所
以軸承的力為
=8.8N
=3.2N
對(duì)推力軸承有?=e???取e=0.4
=0.4=0.4*3.2=1.28 N
則 =+Mg=1.28+8.5*10=86.25N
/?=86.25/3050=0.028
/?=86.25/3.2=27>e
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-5?徑向動(dòng)載荷系數(shù)X和軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y，可知
=0.44?????=1.42????
當(dāng)量動(dòng)載荷P的一般計(jì)算公式：
P=()
——載荷系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-6根據(jù)載荷性質(zhì)，選取載荷系數(shù)，這里取=1.5；
——徑向動(dòng)載荷系數(shù)，
——軸向動(dòng)載荷系數(shù)，
——徑向載荷；
——軸向載荷；
因而： ()=185.82 N
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-4溫度系數(shù)可知：
取溫度系數(shù)=1
對(duì)于球軸承，選取
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知滾動(dòng)軸承36200GB292-64的額定動(dòng)載荷C=5.15KN。
軸承基本額定壽命公式：
=(
==118843914600h
所以選擇的軸承可以滿足要求。
6 車(chē)身的設(shè)計(jì)
6.1 上車(chē)身的設(shè)計(jì)
為了美觀，我們把中間板剛好放在上車(chē)身中，這樣從側(cè)面看的時(shí)候就好像絲桿固定在車(chē)上。如圖
圖6-1 整體圖
為了能兩邊都可以抓物，我們把絲桿的位置固定在車(chē)身的中心，則在上車(chē)身的
中心應(yīng)開(kāi)一個(gè)孔，如圖所示
圖6-2 上車(chē)身的結(jié)構(gòu)圖
本來(lái)車(chē)身的作用是擋住東西，不讓其他的東西掉到里面，防止砸到里面的電路板、元件等，同時(shí)也是為了防止灰塵、腐蝕性液滴等落到電路板上，起到保護(hù)的作用，因此雖然在中心處開(kāi)了一個(gè)孔，但應(yīng)盡量的小，避免那些雜物掉到里面。中間板的直徑為90mm，則，為了盡量的緊湊而又不干涉到轉(zhuǎn)動(dòng)，取孔的直徑為92mm。
因?yàn)樯宪?chē)身沒(méi)有起固定的作用，所受的力不是很大，我們做的時(shí)候可以做的薄一點(diǎn)，要鋁來(lái)做，取厚度為2mm.為了更好的蓋住，能用螺栓、螺釘?shù)葋?lái)連接，可以把車(chē)身四周折彎10-20mm，如圖
圖6-3 形狀圖
同時(shí)，為了節(jié)約材料，我們可以把一些多余的部分去掉，如輪子的前面和后面都
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