機械畢業(yè)設計-三自由度機械手結構設計（含CAD圖紙全套）

機械畢業(yè)設計-三自由度機械手結構設計（含CAD圖紙全套）,機械,畢業(yè)設計,自由度,機械手,結構設計,cad,圖紙,全套 外文翻譯 Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom 一個具有競爭力的低成本的四自由度機械人手臂的設計與開發(fā) 院 、 部： 機械工程學院 專業(yè)名稱：機械設計制造及其自動化 學生姓名： 學 號： 指導老師： 摘 要 這項工作的主要重點是設計，開發(fā)和實施具有競爭力的機器人手臂具有增強控制和粗短的成本。機器人手臂的設計采用四自由度和才華來完成精確簡單的任務，如光材料處理，這將被整合到了作為一個助理為工業(yè)勞動力的移動平臺。機器人手臂上配有數個伺服電機的臂之間做鏈接和執(zhí)行的手臂動作。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施?？刂莆覀兪褂肔abVIEW ，它執(zhí)行逆運動學計算和串行通信的適當的角度，以一個微控制器，驅動伺服電機，修改的位置，速度和加速度的能力的機器人。機器人手臂的測試和驗證，進行和結果表明，正常工作。關鍵詞：機器人手臂，低成本，設計，驗證，四自由度，伺服電機， Arduino的的機器人控制， Labview的機器人控制 目 錄 1引言 1 2機械設計 1 3機械手逆運動 6 4最終選擇效應 6 5機械手的控制 7 5.1逆運動學控制 8 5.2 手動 9 6測試和驗證 10 7結果與討論 11 7.1伺服電機運動范圍 11 7.2 電流消耗 12 7.3 最大負載 12 7.4 最終位置 12 8 結論 13 參考文獻 14 1引言 機器人實際上是定義為研究，設計和使用機器人系統(tǒng)的制造[1]。機器人通常用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復的，和單調的任務。它們具有許多不同的功能，如材料處理，組裝，電弧焊接，電阻焊接，機床的裝載和卸載功能，刷涂，噴涂等。主要有兩種不同類型的機器人：一個服務機器人以及工業(yè)機器人。服務機器人是機器人，工作半或完全自主地去履行服務，有用的福祉人類和設備，但不包括生產操作[2] 。工業(yè)用機器人，在另一方面，被正式通過ISO定義的自動控制和多用途可編程操縱器在三個或更多個軸[3]。工業(yè)機器人是移動的材料，零件，工具，或通過可變的程式動作的專門設備來執(zhí)行各種任務。工業(yè)機器人系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機器人，但也能夠執(zhí)行其任務以及測序或監(jiān)視通信接口需要對機器人的任何設備和/或傳感器。2007年全球市場增長了3％，約114,000新安裝的工業(yè)機器人。截至2007年底，全國共有大約一萬個工業(yè)機器人的使用，估計有50,000服務機器人用于工業(yè)用途比較[3] 。由于增加使用工業(yè)機器人手臂，演變到該主題開始試圖模仿人類動作的細節(jié)模式。例如一組學生在韓國做創(chuàng)新的設計，為舞蹈的手，舉重，中國書法和顏色分類機械臂考慮[4] 。另一組工程師在美國開發(fā)八個自由度機械臂。該機器人是能夠把握多個對象與很多從筆形狀的一球，也模擬人類的手[5]。在空間上，航天飛機遙控器系統(tǒng)，被稱為SSRMS或Canadarm ，其繼任者是例子多度已經用來執(zhí)行各種使用專門部署熱潮的任務，例如航天飛機的檢查自由機械臂有攝像頭和連接在末端執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索演習從貨艙航天飛機傳感器[6] 。 在墨西哥，科學家們已經上了軌道設計和發(fā)展許多機器人的手臂，墨西哥政府估計，在墨西哥有在不同的工業(yè)應用中使用了大約11,000機械臂。不過，專家認為，機器人手臂的最高點，不僅質量更高，而且準確，可重復性和粗短的成本。 大多數機器人都設置了一個操作的示教和重復技術。在這種模式下，一個訓練有素的操作者（編程器）通常使用的便攜式控制裝置（示教）手動教機器人的任務。在這些編程會話機器人的速度很慢。 目前的工作是一個兩階段的項目，這需要一個移動機器人能夠運送工具從存儲室到工業(yè)單元的一部分。在這個階段中的項目，該項目開展了在科技，墨西哥蒙特雷大學，主要的重點是設計， 制定和實施了工業(yè)機器人手臂粗短的成本，準確和優(yōu)越的控制。這個機器人手臂的設計采用四自由度和才華來完成簡單的任務，如光隊友里亞爾處理，這將被整合到移動平臺的形式，作為一個助理為工業(yè)勞動力。 2機械設計 機器人手臂的機械設計是基于一個機器人操作器具有類似功能的一個人的手臂[6-8]。這樣的操縱器的鏈接是由關節(jié)，允許旋轉運動和操縱器的鏈接被認為形成一個運動鏈連接。機械手的運動鏈的業(yè)務最終被稱為末端效應器或臂端的 - 工具，它是類似于人的手。圖1顯示了自由體圖的機器人手臂的機械設計。 圖1 機械手的自由體圖 如圖所示，端部執(zhí)行器不包括在設計，因為市售的夾持器被使用。這是因為端部執(zhí)行器是系統(tǒng)中最復雜的部分之一，并且，反過來，這是很容易和經濟地使用商業(yè)化生產它。 圖2示出了機器人手臂的工作區(qū)域。 圖2 機械手工作區(qū)域圖 這是一個機器人臂具有四個自由度（DOF 4）的典型的工作空間。機械設計僅限于4自由度，主要是因為，這樣的設計允許大部分必要的運動，并保持 成本和機器人競爭的復雜性。因此，關節(jié)的旋轉運動被限制，其中旋轉的肩完成圍繞兩個軸和周圍只有一個在肘和手腕上，參見圖1。 機器人手臂的關節(jié)通常是由驅動的電氣馬達。伺服電動機被選擇，因為它們包括編碼器，它可以自動提供反饋給電動機并相應地調整位置。但是， 這些電動機的缺點是轉動范圍小于180?跨度，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區(qū)域的[9]。的基礎上，選定了伺服電機的資格 由結構和可能的負載所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于構造的材料是丙烯酸樹脂。 圖3示出用于負載計算的力的圖。的計算均只對具有最大負荷關節(jié)，由于其他關節(jié)將具有相同的電機，即電機可以移動的鏈接沒有問題。計算考慮了權重 的電動機，約50克，除電機在關節(jié)B的重量，因為它是通過鏈接的BA。圖4示出了力示意圖上鏈路CB，它包含接頭（B和C）具有最高的負載（攜帶了該書的DC和ED）和計算如下進行。 圖3 機械手負載分布圖 圖4 CB段負載分布圖 用于扭矩計算的值： WD= 0.011千克（體重鏈接的DE） WC= 0.030千克（體重鏈接的CD） WB= 0.030千克（體重鏈路的CB） L = 1千克（負載） CM = Dm為0.050公斤（重電機） LBC為0.14米（公元前鏈路的長度） 液晶顯示屏為0.14米（鏈接的CD長度） 斯α= 0.05米（LINK DE的長度） 執(zhí)行力之和在Y軸，用負載，如圖4中，并求解CY和CB，見方程（1） - （4）。同樣，執(zhí)行的時刻周圍的點C的總和，式（5），和點B，方程 化（6），以獲得在C和B，等式（7）和（8），分別在轉矩。 （6） （7） （8） 該被選擇的基礎上，計算在伺服馬達，是Hextronik HX12K ，其具有280盎司/英寸的扭矩。該電動機被推薦，因為它比任何其他電機與同樣規(guī)格便宜得多。由于我們需要更大的扭矩在關節(jié)B，見公式（8） ，我們使用兩個電動機在點B處，以符合扭矩要求;然而，一個馬達是不夠的其它關節(jié)。采用兩臺電機的合資B比使用一個大電機560盎司/英寸便宜得多。 圖 5 伺服電機 可以在圖5中示出，其他有關的特征是，它們可以轉動60度，在130毫秒和它們有各自47.9克的重量。一旦被定義為機器人手臂和電機的初始尺寸，設計進行了使用SolidWorks平臺;設計應仔細考慮丙烯酸類片材的厚度和該塊將被彼此連接的方式。用于使機器人的聚丙烯酸酯片材是1/8厚度和該薄片的選擇，因為它更容易加工和更輕的重量以良好的抗性。在設計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。它是需要工具來燒，并加入丙烯酸零件和未提供的和球隊認為機械結基于螺釘和螺母會比其他的替代品，如膠如多強。為了做到這一點，一個小的特征，設計這允許緊固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸層的螺絲。這個過程的結果是在圖6所示立體設計。 圖 6 機械手3D模型 按照設計的結束，每個部分被印在滿刻度的硬紙板，然后我們核實了所有尺寸和組件的接口。反過來，我們建立了機器人手臂的第一個原型。接著，上述機器人手臂的部件從使用圓鋸和皮膚的工具的聚丙烯酸酯片材進行機械加工。的詳細說明在各部分被做在一個專業(yè)工場因為機器人手臂的部分太小，這并不是一件容易的實現這種小而準確的切割。在組裝機器人部件的電機，幾個問題彈出。有報道說，沒有抵抗所述緊固，并且，反過來，可能會破裂的臨界點;因此，在這些點援軍進行了審議。機器人手臂的最終結果示于圖7。 圖 7 機械手總體裝配圖 3機械手逆運動 為了驗證機械臂的定位準確，逆運動學計算進行。這樣的計算來獲得每個電機從通過使用直角坐標系， 圖 8 坐標系 如圖8所示的位置上的角度各電動機將具有特定功能：位于A結合的位置的馬達，在y的最終元件軸，馬達B和C的位置在x和z軸的最后一個元件。該問題已經通過使用xz平面簡化，如圖9在其下面的已知值被定義在[9] ：LAB ：前臂長度。LBC ：臂長。Z：在z軸上的位置。X：在x軸的位置。Y：在y軸的位置。利用三角關系，如圖9所示， θ2和θ1可以得到，如在方程（9）可見，（10）的馬達角度。 圖9 XZ平面 馬達B將使用θ1和馬達C被打算用θ2。的角度為馬達A的計算公式為EEN在等式（11）。通過這些計算，伺服電機的角度得到，從而他們采取的行動，整個結構移動到特定位置。 4最終選擇效應 端部執(zhí)行器可能是該系統(tǒng)的最重要和最復雜的部分之一。明顯的，它是非常容易和經濟地使用商業(yè)人比構建它。端部執(zhí)行器主要是根據應用和機器人臂完成的任務而變化;它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機器人手臂是基于在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇末端效應器的電基礎。此外，本系統(tǒng)的主要應用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦類型是一個夾持器，如圖10。 圖 10 夾持器與伺服 5機械手的控制 該機器人手臂能自動或手動控制。在手動模式下，訓練有素的操作人員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教一個機器人做手工任務。在機器人的速度這些編程會話是緩慢的。在目前的工作中，我們所包圍的兩種模式。一個微控制器，一個驅動器和一個臺電腦化用戶界面：三個層次的呈現機器人手臂的控制基本上由。該系統(tǒng)具有獨特的特點，允許靈活的編程和控制方法，它是利用逆實施運動學;此外它也可以在全手動模式下實現。控制的電子設計示于圖11。 圖11 控制器的電子方案 用微控制器是一個的Atmega 368 ，它有一個名為“ Arduino的”發(fā)展規(guī)劃板，如圖12 。 圖12 Arduino的微控制器板 圖13 伺服控制器驅動器 編程語言非常類似于C ，但包括幾個庫，幫助在I / O端口，定時器的控制和串行通信。該微控制器被選中因為它具有低的價格，這是很容易重新編程，該編程語言是簡單的，并且中斷可用于這個特定的芯片。所使用的驅動程序是一個六通道微大師伺服控制器板。它支持三種控制方式： USB直接連接到一臺計算機， TTL串口與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器和內部腳本中使用自包含和主機無需控制器的應用。這個控制器，如圖13所示，包括位置和內置的速度和加速度控器0.25微秒分辨率 用戶界面取決于所使用的控制方法，即，逆運動學或全手動模式。在下文中，每個接口描述： 5.1逆運動學控制 在這種控制方法中，用戶輸入的坐標系統(tǒng)中的位置，其中夾爪應。至于后果，接口與LabVIEW通過一個可視化的用戶生成的，如圖14 圖14 Labview的用戶界面 程序將自動執(zhí)行逆運動學的計算，以得到每個電機應具有的角度，然后發(fā)送一個命令要么到微控制器，或直接將機器人移動到指定的位置的驅動器。通信是通過RS- 232協議進行。在下文中，您可能會看到Labview的用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW的用戶界面輸入：X軸位置。y軸的位置。Z軸位置。夾持器打開。叼紙牙攻角。串行端口。LabVIEW的用戶界面輸出是： 電機A角。 電機B1角度。 電機B2角度。 電機?角。 攻角。 姿勢角度 這樣的輸出變量進行處理，并通過適當的方式發(fā)送的，這樣的信息可以在一個正確的方式來解釋。該輸出是通過其連通于控制器串行端口發(fā)送。當按鈕“移動”被點擊時，一個過程將發(fā)生，如圖15 圖15 程序流程 在圖15中，隨著這個動作，所述機器人臂將根據所輸入的值改變其位置。此外，它有一個待機按鈕，停止該通信控制器。 這種方法的主要優(yōu)點是，它使用移動的有效方法，并提供進一步的功能，可以實現，比如位置和順序學習。的缺點，另一方面，是使 具有有效的角度逆運動學計算之后可能的位置是非常有限的，因為伺服電機有180?一個約束。 5.2 手動 這種類型的控制是我們的系統(tǒng)，在特定的位置有用多了一種選擇。在強制的情況下持倉逆運動學模式不能計算其有效的角度，我們可以用手動控制來代替。 基本上，手動控制包括一系列模擬輸入，諸如電位器，一種是與這將解釋該值并發(fā)送一個命令到伺服驅動器的微控制器相連。為了實現這一點，一個控制板，如圖16 圖16 電位器板 應該被構建為一個接口與用戶的工作?？赡軐崿F包括教學功能，使微控制器存儲在內存中，并通過鍵盤或系列交換機，我們可能還記得這些職位的職位。 6測試和驗證 若干測試是驗證該機器人臂和它的組件。測驗涉及的特定元件和整個系統(tǒng)的，如圖17所示。 圖17 機械手測試 微控制器測試是由軟件發(fā)送不同的命令給單片機，檢查這是連接到開啟或關閉取決于命令伺服電機的輸出發(fā)生變化。伺服電動機分別通過發(fā)送不同的直接脈沖到每個伺服電動機和驗證移動到合適的位置的響應之后進行測試。我們使用的標記知道在哪里的初始位置是和最終電機的位置是通過與微控制器發(fā)送信號，并且，反過來，它是由伺服解釋和比較，由編碼器提供的信號，從而在旋轉到所需的位置來確定。在測試過程中，伺服電動機是因為不正確的極化的不一致性與機器人臂系統(tǒng)。 伺服電機驅動器中使用LabVIEW軟件發(fā)送命令到發(fā)送的特定命令其中有一臺電機連接根據稱道改變位置的驅動微控制器也測試。要注意到，在這一點很重要開始一個項目的不同的伺服電機驅動器被選中，但與他們和微控制器之間的通信幾個問題都存在。所以，我們選擇一個驅動器，允許數據被直接從計算機發(fā)送到它與只有一個USB線，所以，微控制器將僅在箱子的使用實現手動控制。其他測試，以驗證整個系統(tǒng)的功能， 圖 18 機器人手臂的動作 如顯示在圖18中通過引入在LabVIEW界面中的特定位置和測量，以驗證一個參考點和最后點之間的距離發(fā)生了那些測試：該從逆正確變換到正運動學，指定的角度和馬達的轉動之間的關系。機器人手臂的測試和驗證是需要細長時間，因為需要幾次迭代的任務之一。在我們的測試中，很多問題出現的：錯誤的角度計算，電機的錯誤校正，問題與物理角度和位置測量，因為這是沒有預料過載燒毀伺服電機之一。 7結果與討論 7.1伺服電機運動范圍 伺服電機的極限得到規(guī)范，因為這種類型的電機都包含有小于180度的跨度。實際范圍為所有電機被發(fā)現是在范圍125 - 142度，如表1所示的這清楚地表明，機器人手臂的實際操作是從機架的情況下不同。 表1 電機角的范圍 電動機 角度范圍 電機A 130? 電機B1 135? 電機B2 140? 電機? 142? 電機攻擊角度 125? 7.2 電流消耗 消耗電流取決于負載和機器人臂的運動的類型。在目前的研究中，有4個級別的電流消耗為： ? 低（從0到200 mA）。這種消費發(fā)生時，機器人處于靜止狀態(tài)（不運動的情況下）。 正常（從200到500 mA）。這件事發(fā)生時，機器人手臂移動與能力去目標沒有很大的扭矩需求。 高（500 mA到900毫安）。達到按賬面負載的開頭這個范圍。通過克服的慣性載荷的初始瞬間，在正常范圍內發(fā)生的地方。 過電流（超過900 MA）。負荷太重，電機不能動彈。為在此條件下被用于多于一分鐘，將馬達燒毀，也就是說，它是不可能使用的任何多 7.3 最大負載 這些結果是用不同的權重得到的;一袋玉米被用于與規(guī)模來決定包的體重。結果進行了使用機器人手臂拿起袋子，并將其移動到特定位置。表2presents的電流消耗袋玉米的不同權重。從表2中可以看出，該機器人可在負載沒有問題的移動超過50克以下。在負載60克，機器人手臂開始有困難，并通過80克后發(fā)生嚴重的情況，其中憤怒可逆的損害可發(fā)生在馬達。 7.4 最終位置 結果表明，該機器人臂的精度移動至不同的重量（<50克），結果列于表3 ，如圖所示，在機器人手臂能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種移動不平滑，有時馬達沒有足夠的力，尤其是當負載很重。此外，一些問題可能會由于同步兩個底部的電機。兩個電機的步驟是不重合而引起的丙烯酸部位張力，這在箱子被過多會破壞的部分。 表2 負載與電流消耗 空載 電流損耗 20克 低 40克 正常 50克 正常 60克 高 80克 過流 100克 過流 表3 精度上的所有軸 軸 精度（ + / - ） × 1厘米 ? 2厘米 ? 1厘米 8 結論 本文介紹了機器人手臂，具有天賦太一，plish簡單的任務，如光材料處理的設計，開發(fā)和實施。機器人手臂的設計和建造從那里伺服電機被用來進行武器之間的聯系和執(zhí)行的手臂動作亞克力材質。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施;然而，電機的轉動范圍小于180°范圍，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區(qū)域。機器人手臂的設計，因為這是有限的四個自由度設計允許大多數必要的運動和保持成本和機器人競爭的復雜性。末端執(zhí)行器是不包括在設計，因為市售的夾持器使用，因為它是更容易和經濟地使用商業(yè)1比生成它。在設計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。根據螺釘和螺母的機械連接點被使用，并且，為了實現這一點，一個小的特征，設計這使與緊固螺母螺栓，而無需在薄亞克力層螺旋。到控制的機器人手臂，三種方法被執(zhí)行：一個微控制器，一個驅動器，和一個基于計算機的用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特點，允許在編程和控制方法的靈活性，它利用逆運動學實施;是 - 兩側也有可能是在全手動模式下實現。這個機器人手臂是與他人的對比作為多比現有機器人手臂更便宜，還可以控制所有從一臺計算機的動作，使用Labview的接口。數進行測試，以驗證上述機器人手臂其中睪丸不但涉及特定元素和整個系統(tǒng);在不同的操作條件下的結果顯示信任的機器人手臂呈現的。 參考文獻 [ 1 ]操作型工業(yè)機器人 - 詞匯，國際標準化組織標準8373 ，1994 . [ 2 ]工業(yè)和服務機器人，機器人的IFR國際聯合會，2010. [ 3 ]案例研究和投資的機器人，機器人協會統(tǒng)計部， 2008年盈利能力。 [ 4 ] RJ王， JW Zhang等人，“多重功能的智能機械臂，” FUZZ - IEEE雜志，韓國，2009年8月20-24日,1995-2000頁。 [ 5 ] LB德，米Syaifuddin 等人，“設計8自由度人型機器人手臂，”國際智能與先進系統(tǒng)，吉隆坡，2007年11月25-28頁1069-1074 。 [ 6 ] CR佳麗釀，GG Gefke和BJ ·羅伯茨，“介紹到航天飛行設計：太空機器人”太空機器人，馬里蘭大學巴爾的摩，2002年3月26日的研討會。 [ 7 ] 職業(yè)安全與健康管理局技術手冊，OSHA 3167 ，勞動，1970年美國國防部。 [ 8 ] B.利亞諾， L. Sciavicco ，L.Villani和G Oriolo ，“機器人，建模，規(guī)劃與控制”，施普林格，倫敦，2009 。 [ 9 ] M. P. Groover and M.Weiss，“工業(yè)機器人,可編程的技術應用“MC-格勞山，墨西哥D.F.，1989 15 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 1 摘要 隨著現代機械工業(yè)的發(fā)展 在機械生產中機械人得到了更廣泛 的應用 其中應用最為廣泛的機械人是一個可以改編程序的多功能 操作器 設計用來按照開始編制的完整完成多種作業(yè)的運動程序運 送材料 零件 工具或專用設備 然而在機械人當中的主要部件就 是大家所熟悉的機械手 本文主要介紹機械手結構設計 主要對液壓系統(tǒng) 支持手臂運 動的液壓缸 使手臂可以在 180 范圍內的回轉缸進行設計 主要參 數為 抓取重量最大為 50N 最大夾持鍛坯直徑為 120 主要用于 夾持直徑在 80 120 的鍛坯件 本次機械手的設計 分為七部分進行介紹 手腕和加緊油缸 結構的設計 是根據手部的旋轉角度 進行擺動缸的設計 機械 手臂伸縮機構設計 該種機構主要由活塞桿 油缸體 中間架體 左壓條 滑枕和右壓條等組合而成 定位油缸的選定和設計 主 要用來定位機械手的位置 中間架座部件的設計 通過齒輪與機 械手臂回轉油缸穩(wěn)固聯接 而回轉油缸的殼體又穩(wěn)固在機械手臂伸 縮機構的中間體上 從而使機械手臂運動連貫并且定位準確 最 后是主要部件的連接設計 關鍵詞 夾持式機械手 液壓系統(tǒng) 工作原理 伸縮 定位 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 2 Abstract This text mainly introduces the machine hand structure design main to the liquids press system support the liquids of the arm sport s press an urn and make the turn over urn that the arm revolve in 180 scopes carry on a design Its main parameter is The biggest work radius is a 120mm biggest grab at the weight as5 Mainly used for the work piece handling loading and unloading can be applied to most of the plant operations cutting device The manipulator design divided into six parts description wrist structure design is based on grasping part of the rotation angle swing cylinder design arm structure of the design telescopic arm to the main structure internal hydraulic cylinder sleeve driven sets of telescopic arm to achieve the operation arm cylinder design which is based on the entire arm and the weight of the hand arm rotational angle of the design to achieve the required operating range arm structure design the arm is the support arm component must be carefully considered the arm of materials so that they will reach the strength final link is a major component of the design arm and boom boom and hydraulic cylinder blocks as well as the size the arm are connected by hinged Keywords to clip machinery hand Press sulfide hydraulic work axiom flexibility fixed position 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 3 目 錄 第一章引 言 1 1 1 機械手的分類 1 1 2 機械手的組成 4 1 3 應用機械手的意義 6 第二章總體技術方案及系統(tǒng)組成 8 2 1 原始數據 8 2 2 工作要求 8 2 3 系統(tǒng)組成 9 2 4 總體技術方案 9 2 4 1 動作分析 10 2 4 2 手部 10 第三章回轉裝置的總體組成及結構設計 12 3 1 回轉裝置的組成 12 3 1 1 執(zhí)行件 12 3 1 2 傳遞件 12 3 1 3 驅動件 12 第四章機械傳動方案的設計與計算 14 4 1 小車的主要組成部分 14 4 2 同步帶傳動方式優(yōu)缺點 14 4 3 驅動動力源 15 4 4 機械傳動方案的設計計算 15 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 4 4 4 1 設計數據確定 16 4 4 2 同步帶結構的設計計算 17 致謝 22 參考文獻 23 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 5 第 1 章 引 言 機械工業(yè)是我國國民的基礎 為國民經濟各個產業(yè)提供裝備且為人民生活 提供實用消費產品的產業(yè) 無論是傳統(tǒng)經濟產業(yè) 以及新興行業(yè) 都是和各種 工業(yè)機械設備是分不開的 工業(yè)機械設備的性能 質量和成本 為提供中國國 民經濟各部門和國家的整體經濟效率的所有技術進步有著直接的影響 機械行 業(yè)的技術水平和規(guī)模是衡量整個國家的經濟實力和重要標準的科學技術水平 因此 在世界各地發(fā)展機械行業(yè)在經濟實力發(fā)展的一個重要戰(zhàn)略 工業(yè)機器人是近幾十年來迅速發(fā)展高科技自動化生產設備 而工業(yè)機械手 是作為工業(yè)機器人的重要分支之一 其特性可以被編程來完成各種預期的任務 分配 對整體結構性能人和機器的相關優(yōu)勢 尤其反映了人們的智力和適應性 在各種不適環(huán)境下的情況下的機械手操作精度和運算能力 在國民經濟的各個 領域的工作有一個良好的發(fā)展態(tài)勢 機械手是機械自動化生產發(fā)展的過程中發(fā)展起來的一種創(chuàng)新機制 如今 現代化的自動化生產線作業(yè)的該設備廣泛應用于工業(yè)機器人的過程 和機器人 生產這種新技術的發(fā)展已經在技術上完善 并快速發(fā)展 它被促進的工業(yè)機械 手的發(fā)展過程中 操縱器可以更好地實現機械化和自動化的整體組合 而機械 手靈活 方便 但它有重復的工作和工作 不知道疲勞 這是人手所不具備的 抓住重量的能力也大于人的能力 因此 機械手正在很多部門 并應用到越來 越多的廣泛領域和項目 涉及機械 機電液壓技術 計算機技術 傳感器技術和科技等領域的自動 化控制技術的機械手技術 是一種跨學科的綜合技術 機械手作為多功能機器是可以自動化定位 控制并且可重新編程序以的 并且擁有多個自由度 可以在各式各樣的工作環(huán)境下正確的完成任務 1 1 機械手的分類 機械手一般可分為三類 第一種類為通用型機械手 無需人工操作 它不 附屬于某種主機的裝置 可以自行根據不同任務的需求進行程序的編制 以便 可以完成各項操作 它特點是不但具備了普通機械的性能 還具備記憶智能與 通用機械 第二類為操作機 需要人工操作 這類機械手起源于軍事和原子工 業(yè) 最先是需要操作機來完成特定的作業(yè)動作 后來發(fā)展到可以利用無線電訊 號操作機來完成包括探測月球在內的一些高級的作業(yè)動作 而機械工業(yè)中所采 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 6 用的鍛造操作機就是屬于這一類機械手 第三類為主機專用機械手 主要依附 于自動機床和自動線上 用來解決機床上下料和工件送給動作 這種機械手國 外稱之為 Mechanical Hand 是專門為主機服務機械 由主機提供驅動 除極 少數外 工作程序一般是固定的 目前 在國外第一類通用機械手應用的較多 國外稱之為機器人 本課題 所研究機械手則是屬于第三種類機械手 1 簡史 機械手開始于美國開發(fā)研制的 美國聯合控制公司于 1958 年研發(fā)出了第一 臺機械手 它的結構是 機體上安裝了一個可回轉長臂 頂部裝有電磁塊制作 的工件抓取機構 控制系統(tǒng)為演示教形的 美國聯合控制的公司在于 1962 年 根據上述方案 開發(fā)機器人的數控示范 教學類型 命名為 Unimate 即萬能自動 這組運動系統(tǒng)是仿照坦克炮塔 臂 可以俯仰 旋轉和縮放 由液壓驅動 控制系統(tǒng)是使用鼓作為存儲設備 現代 也有很多的操盤一般球面坐標被包的基礎上發(fā)展起來的 同年 公司和 Leo pluijmen 公司合并成立了通用自動公司 是專業(yè)生產工業(yè)機器人 美國機械制造公司在 1962 年也研制出了一種叫 Vewrsatran 的機械手 該 機械手的中央立柱可以回轉 它的升降采用了液壓驅動控制系統(tǒng) 雖然兩種機 械手都出現在六十年代初期 但兩者都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎 為 Unimate 公司和斯坦福大學在美國于 1978 年 麻省理工學院聯合開發(fā)了 為 Unimate Vicarm 工業(yè)機器人 操縱器安裝到控制小型電腦 要在裝配工作 中使用 其定位誤差小于 1 毫米 雖然從早期的 20 世紀 70 年代的德國機 械制造行業(yè)開始應用的機械手 主要目的是進行焊接 起重 運輸設備和材料 等工作難度動作上下 目前 工業(yè)機械手中的大部分屬于第一代 控制主要依靠人工來進行 目 前的努力改進的方向主要是在于提高精度和降低成本兩個方面 現在第二代機械手正在緊鑼密鼓地研制中 設有微型電子計算控制系統(tǒng) 具有可視 可觸的能力 甚至還可能具備聽和想等智能能力 需要研發(fā)安裝上 各種傳感器 并且把感受到的信息反饋到信息終端 使機械手成為有感覺的智 能機能 而第三代機器人都能獨立完成作業(yè)任務 它的電子計算機和電視設備能保 持穩(wěn)定的連接 它也是一個機械手發(fā)展成柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 7 FMC 的重要一步 2 應用簡況 在現代工業(yè)生產 機械化和自動化的生產過程中已經成為一個突出重點 而在化工等行業(yè)的連續(xù)生產自動化過程已經基本解決 但在生產組裝加工是不 足夠的機械和在工業(yè)生產過程中的問題 因此 處理卸載過程自動化機械等問 題十分迫切 工業(yè)機器人是解決夫人和發(fā)展的過程自動化的問題 根據現有的研究資料統(tǒng)計 美國的技術偏重在于毛坯的生產環(huán)節(jié) 而日本 則偏重于機械加工環(huán)節(jié) 隨著機械手技術的不斷發(fā)展進步 該應用的對象會不 斷進行改變 機械手的作用在于鍛造作業(yè)中能進一步成為為鍛造設備的生產力 進而改 善人工操作面臨的熱 累 險等勞動條件與鏡況 在國內機械手工業(yè)和鐵路產業(yè)的研究中首先要在單機 專機上采用機械手 上下料 用于減輕工人的勞動強度和危險度 而在國外鐵路工業(yè)中應用機械手卻是用于在鐵路車軸 輪等大 中批量零 件的加工和生產 并能與機床共同工作組成一個綜合性的數控加工機械工作系 統(tǒng) 3 國外使用機械組件在操縱器的研究成為了焦點 有相機和微型計算機一 起研究 為了準確地確定軸承零件實現鑲嵌加載的目標 4 發(fā)展趨勢 工業(yè)機械手主要表現在無論數量 品種 還是性能機床加工 鑄造 熱處 理等 以及作用還遠遠沒有它是產業(yè)發(fā)展的需要 在國內機械手的主要發(fā)展逐步擴大應用范圍 注重功能開發(fā)鑄造 機械手 的熱處理 從而減輕勞動強度 提高了作業(yè)的條件 在專業(yè)機械工業(yè) 也發(fā)展 相當迅速的機械手的同時 將各種機械手的運動工作 如擺動 俯仰 升降 機構如收縮 橫向和縱向機構 設計成為一個典型的機械 所以 你可以根據 不同的要求和不同類型的需求而研制 這可以靈活地組成的工業(yè)機器人的功能 這大大方便了工業(yè)過程的設計 如制造和零件更廣泛地擴大應用范圍 此外正 確的方向 減少沖擊 提高了速度 以更好地發(fā)揮機械手的作用 此外 在現代研究應側重于機械手的發(fā)展 如伺服 記憶體再現 考慮用 腹腔鏡 通常連接到一個微型計算機的機械手 具有觸覺 視覺等的智能機械 手的性能的感覺 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 8 在國外機械制造業(yè)中的應用及各種機械手 目前主要應用于機床 臥式鍛 壓機上下點焊 噴漆等 這種機械手可以根據預先設定以完成操作任務的程序 此外 國外操縱的發(fā)展趨勢是注重機械智能性能發(fā)展 與感知能力 并正在努 力可以反饋外部環(huán)境的變化 并作出相應的改變 如當位置偏差 機械手可以 檢測并更正 在視覺和觸覺功能 目前已經取得了一定的成績 安裝機械手與視覺功能是在電視 迷你計算機 如計算機 攝像機和一個 距離傳感器裝置的工作 工作是 TV 攝像機對象可以轉化為視頻信號 然后傳 送到計算機中 計算機分析對象 如類型 大小 位置和顏色 以及指示指令 來控制所述操縱器的行動 觸覺功能安裝在機械手的觸覺反饋控制裝置 機械手首先需要手指在工作 中找到了工作 并通過安裝在手指的內部壓力敏感元件的觸摸效果 手指后提 前去搶占文物 手柄的大小可以操作的敏感元素的手指往里裝 可實現全自動 控制的握力大小 傳感器技術的不斷發(fā)展 使機器人的運算能力將得到進一步 的發(fā)展 但是更重要則是將機械手 單元和柔性制造系統(tǒng)并相結合 進而從能根本 改變機械制造系統(tǒng)的人工操作 1 2 機械手的組成 機械手主要是由驅動機構 執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)三部分構成 各組成部分 的關系如下圖 執(zhí)行機構 如圖 1 1 所示 圖 1 1 執(zhí)行機構 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 9 手部 手部安裝在手臂的前端 手臂中鑲孔裝置中有轉動軸軸承 并可以把動作 傳給手腕 用以作轉動 伸屈手腕 開閉合手指的動力 本課所指的機械手則僅需進行開閉手指的動作 機械手手就像一個人的手指 分為無關節(jié) 關節(jié)固定和關節(jié) 三種自由 手指的數量也可以被分為手指 三個和四個手指 大多使用手指的 因為手指 能夠根據夾持物體的大小裝配各種形狀和尺寸與卡盤的形狀 這樣就可以完成 基本操作需求 本課題的機械手使用的是二指形狀 手臂 手臂則有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分 本次課題機械手的手臂采用的是無關節(jié)臂 手臂是引導手指準確把握構件的主要目的 并傳輸到所需的位置 為了使 操作者能夠準確地工作 三自由度的手臂都需要小心和精確定位 本課題所做的機械手是在手臂三個自由度的前伸后退 上升下降 左轉右 轉三個方向定位上都是采用了行程開關 近一步確保了定位的精準度 機械手的運動是平移運動和旋轉分不開的 因此 它主要是在液壓馬達用 的伺服致動器 擺動缸電脈沖馬達 和直圓柱體 直流伺服電動機和步進電機 等 軀干是使手臂 電動源和執(zhí)行機構能夠固定相連接的支架 驅動機構 驅動機構主要有四種 液壓 氣壓 電動和機械驅動 這 4 種驅動中屬液 壓氣壓使用最多 能夠占據 90 以上 而電動 機械驅動則是使用的少之又少 主要是通過液壓油缸 油泵 閥和燃料箱來實現傳輸 它是利用油缸 馬 達齒輪 齒條和實現該臂的線性運動 并通過擺動油缸 減速機和電機 油缸 機架 鏈或齒輪 鏈輪等 要實現旋轉臂運動 液壓驅動的高壓 產量大 體 積小 運動平穩(wěn)的優(yōu)點 并且可以無極變速 自動鎖定 并且可以在中間位置 停止 其缺點是需要配備壓力源 該系統(tǒng)是復雜的和成本較高 由氣動驅動元件的氣動馬達 氣動氣缸 閥等一般采用采用四到六個大氣 壓 個別的崛起可以達到 8 10 個大氣壓 它的優(yōu)點是空氣便捷 維護簡單 成 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 10 本低 的缺點是 輸出小 體積大 但是 由于大的空氣的可壓縮性是比較難 以實現的停止 控制方法的唯一點 潤滑性差 這會導致壓力系統(tǒng)的中間位置 是容易生銹 為了減低停機時產生的沖擊力效果 氣壓系統(tǒng)應裝有速度控制或緩沖機構 電力驅動的產量不多 現在是使用三相感應電動機作為主要動力 以極大 的減速比減速 以驅動致動器 直線運動由電機絲桿螺母機構驅動 其他用于線 性電機 通用機械手正在思考與齒輪箱 直流或交流伺服電機 步進電機等 電力驅動的優(yōu)勢在于簡單的電源 使用簡單 維護方便 驅動和控制系統(tǒng) 被用作電源的形式 輸出較大 缺點是控制反應速度慢 機械驅動則只能應在于固定的場地 一般使用凸輪連桿機構實現制定的動 作 它的優(yōu)點在于動作準確可靠 成本低 速度快 缺點是不易調整結構形狀 本課題所研究的機械手則是采用電動機帶動絲杠螺母機構來實現手臂的上 升與下降方面 5 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的主要因素 包括工作秩序 位置和加速度等 控制系統(tǒng)是根據動作的要求設計的 該數字序列被用于控制 首先 你需 要編寫程序 并將其存儲 然后根據設定的程序 然后以控制的操縱器的正確 操作 1 3 應用機械手的意義 隨著科學技術 越來越多的各種機械手和應用的發(fā)展 在機械行業(yè) 焊接 鑄造 鉚釘 耐壓 抗沖擊 熱處理 檢驗 組裝 電鍍 噴漆 機械加工等 工作的類型是真正的應用程序的原因 其他部門 如輕工業(yè) 建筑業(yè) 重工業(yè) 以及在國防工業(yè)等已使用 在機械工業(yè)中 使用機械手的意義可為一下幾點 1 自動化程度成產過程中的提高 應用機械手可以方便的材料制成 換刀 所述工件和機器組件的加載和卸 載的傳送諸如自動化的程度 不僅提高了勞動生產率 降低了生產成本 2 能夠完善勞動條件 避免危險事故 在高溫 高壓 低溫 有灰塵 低壓 臭味 噪聲 有放射性或有其他毒 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 11 性污染等工作場合中 用人為去操作則是很危險的 也無法完美做到 而應用 機械手可部分甚至全部代替人安全完成作業(yè) 大大解決勞動危險問題 3 可以減輕人力勞動強度 更有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人來進行工作任務 這是直接減少人力投入的一個重要方 面 同時應用機械手可以進行連續(xù)的無疲勞工作 這是也減少人力投入的另一 個方面 因此 在自動化機床的綜合加工的自動線上 目前用的幾乎都是機械 手 只有極少數的人力 實現了減少人力投入和更準確的控制生產的節(jié)拍 使 得生產作業(yè)的工作進行的更有節(jié)奏 根據上面敘述 在生產生活中成功有效的應用機械手 是發(fā)展機械工業(yè)的 必然也是一種重要趨勢 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術方案及系統(tǒng)組成 12 第二章 總體技術方案及系統(tǒng)組成 2 1 原始數據 負載重量 10kg 重復定位精度 1mm 自由度 3 Z 軸的移動 R 軸的平動 軸的轉動 Z 大臂的升降 R 大臂的伸縮 腰軸 各軸最大運動速度 Z 軸上下 200mm s 軸回轉 30 s R 軸伸縮 200mm s 各軸最大運動范圍 Z 軸上下 550mm 軸回轉 90 R 軸伸縮 400mm 2 2 工作要求 機械手的工藝流程 機械手初始位 機械手前伸 機械手上升 機械手抓緊物件 機械手后退 機械手前進 小車 小車停止 機械手左轉 90 機械手前伸 機械手松 開物件 機械手后退 小車 機械手下降 機械手右轉 90 小車后退 退 至初始位 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術方案及系統(tǒng)組成 13 圖 2 1 機構簡圖 2 3 系統(tǒng)組成 本課機械手系統(tǒng)是由機體 傳送機構 動力源和控制裝置四部分組成 主 體由汽車和部件 如本體 輸送機構主要由伸縮臂和把握機構 電源是由液壓傳 動和機械傳動 控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成 2 4 總體技術方案 畢業(yè)設計的目的就是要把我們上課所學的分散的知識點綜合起來進行靈活 運用 由于機電一體化是目前產業(yè)發(fā)展的趨勢 所以 我的畢業(yè)設計的主要研 究是 機 電 流動性 這三個在一起 機 指機器 機械的主要作用可分為五個部分 分別是和的操盤下 機 械手放松 前后機械臂的收縮后 車前進后退 轉向操縱的左轉右 這五個部 分在機器上完成上下的操縱器的運動 在本主題的研究操縱器由電機絲杠螺母 機構驅動 以實現該臂向上和向下移動 滾珠絲杠驅動是放在適量做搓絲之間 的摩擦產生的螺絲和螺母深溝球之間 絲桿驅動沿著軌道線驅動滾帶球推進 滾珠絲杠傳動與滑動絲杠傳動相比 具有以下特點 傳動的效率高 滾珠絲杠副的傳動效率能達 85 98 為滑動絲杠 副的 3 4 倍 運動平穩(wěn) 它得到的接近恒定滾動摩擦系數 較小的摩擦轉矩差異 開始工作 有起動時 低速無爬行沒有影響 能源預緊 所述預裝可以消除過量配合間隙配合后 可提高接觸剛 度和傳輸的準確性 同時增加摩擦扭矩已經比較適中 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術方案及系統(tǒng)組成 14 工作的壽命長 滾珠絲杠螺母對摩擦表面具有精度高 硬度高 壽命 長和精度穩(wěn)定 壽命約為滑動絲杠副的 4 10 倍以上 定位和重復定位精度高 由于滾珠絲杠副的摩擦小 無爬行 發(fā)熱小 裂紋 可以通過擴張的預加載預拉伸補償 因此 可以實現更高的定位 并重 復定位精度 同步性良好 同時可以使用更多套相同的滾珠絲杠副驅動的同時在 相同的多個移動部件 可以得到更好的同步性 可靠性高 潤滑密封裝置具有結構簡單的優(yōu)點 維護方便 不自鎖 用于垂直移動機械手 必須添加剎車裝置 經濟性差 成本高 由于工件的結構的復雜性 所以價格高的生產成 本也高 經過計算 選擇如下 電動機型號 Y802 2 功率 1 1W 絲杠型號 Tr40 7 2 4 1 動作分析 工業(yè)機械手的機械機構是指是機械手進行操作 夾持工件及各種運動的機 械部件 機械部件主要包括手部 手臂可以前后伸縮部分 手臂可以上下升降 部分 腰部可以回轉部分以及行走機構和機座 2 4 2 手部 手部 包括杠桿手指 單向函數型封閉式油缸等 經過工作原理 利用這 個對象指的是綁雙手緊握油缸動作 通過拉桿連接旋轉手指 保持和釋放操作 1 手臂的前后伸縮部分 手臂的前后伸縮部分是由直線油缸來帶動實現 當直線油缸工作時機械手通過活塞桿行程的變化而變化 從而完成了手臂 的伸縮運動 2 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分則是由電動機 絲桿傳動副 立柱等部分組成 3 電機的工作 通過聯軸器旋轉螺桿 但螺母周由徑向轉動極限螺栓 螺 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術方案及系統(tǒng)組成 15 母和臂幀影響可以是向上和向下 腰轉部分主要是由轉盤和回轉油缸兩部分組成 回轉油缸進入壓力 回轉油缸的回轉軸開始執(zhí)行回轉動作 并通過活塞桿 的伸縮來帶動轉盤 就實現了機械手的左右轉動 4 行走機構 行走機構主要是由電動機 齒輪 帶輪等部分組成 電動機工作進行時 通過齒輪 帶輪的傳動 帶動小車的輪子轉動 來實 現行走動作 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 回轉裝置的總體組成及結構設計 16 第三章 回轉裝置的總體組成及結構設計 3 1 回轉裝置的組成 回轉裝置主要是由執(zhí)行件 傳遞件及控制系統(tǒng)三大部分組成 3 1 1 執(zhí)行件 本次課設計應用回轉臺與傳遞件 是鏈輪共同使用的一個長平鍵的心軸 驅動件驅動傳遞件 鏈輪傳動 鏈輪通過共用件通過共享鏈輪將直接得 到主軸旋轉運動的部分上的旋轉臺 使它可以旋轉 3 1 2 傳遞件 因為本課題中對機械手的要求是為間歇往返的回轉運動 所以要考慮采用 回轉曲線傳動 回轉傳動分為帶傳動 齒輪傳動和鏈傳動這三種類型 齒輪傳動而高效 工作可靠 結構緊湊 使用壽命長等特點 廣泛的轉速 和功率等 但細節(jié)上的制造和安裝精度要求較高 且不能緩沖沒有沒有過載保 護裝置 在精度低時 噪音過大 由于這一類的操盤旋轉精度不高 因此將不 予考慮 鏈傳動有無彈性滑動和打滑的現象 但穩(wěn)定的工作 具有準確平均速度比 傳動效率高 并且在相同的傳輸功率的結構的情況下更緊湊 鏈條張力小 在 鏈輪軸的力作用很小 所以它可用于低速和重載荷的條件下 并與齒輪傳動 鏈傳動制造和安裝精度要求比較 低鏈瞬時傳動比的主要缺點是不恒定的 行 駛穩(wěn)定性較差 具有沖擊和噪音的工作 很容易磨損后跳躍齒輪 周期性重負 載的傳輸及嚙合沖擊發(fā)生 因此 不適合大負荷變化和快速反向旋轉的場合 皮帶傳動是一種廣泛使用的機械傳動 它具有結構簡單 生產成本低 傳 輸非常流暢 無潤滑 制造和安裝精度也不高 噪音小 還是可以緩沖減震 過載保護功能 同步帶傳動是一種網狀型皮帶傳動裝置 具有摩擦傳動帶和齒輪傳動裝置 的特性 具有同時大發(fā)送功率 驅動更精確等 所以是穩(wěn)定的 可用于高傳輸 精度的工作情況 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 回轉裝置的總體組成及結構設計 17 3 1 3 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的主要要素 包括到達的位置 工作進行的順序 各式加 速度還有運動工作的時間等 控制系統(tǒng)可以根據動作的要求是 要設計一個特定的數字序列被用于控制 這將是第一個寫一個程序來存儲 然后根據設定的程序 工作來控制機械手 本課就是采用的電機驅動 通過齒輪和效用函數的使用軸馬達驅動皮帶輪 傳動 實現了車步行運動 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 18 第四章 機械傳動方案的設計與計算 4 1 小車的主要組成部分 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是運用步進電動機帶動同步帶與帶輪驅動小車沿著軌道進行的徑 向往返運動 執(zhí)行機構 交換工作臺輸出方式采取的是送出的方式 交換工作臺的輸出沿著相對軌 道送出 控制部分 采用 PLC 編程控制器來確保完成小車各種狀態(tài)運動的控制 其小車示意圖如圖 4 1 所示 圖 4 1 小車示意圖 4 2 同步帶傳動方式優(yōu)缺點 優(yōu)點 比較準確的傳動 同步帶采用的是嚙合傳動 且工作時無滑動穩(wěn)定 較高的傳動效率 最高效率可達 96 與 V 帶相比下能節(jié)能 10 以上 平穩(wěn)傳動 能夠吸收振動 噪音也很小 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 19 可使用的范圍非常廣泛 傳動比最高能達 10 帶輪直徑比 V 帶小很 多 從而不無需大的張緊力 系統(tǒng)結構最高速可大到 50m s 傳遞功率 300KW 擁有準確的傳動比 耐磨和耐油性較好 對軸及軸承的壓力小 也可 以使用較小的帶輪直徑 采用較短的中心距和而較大的則是速比 可以在各式各樣的工作環(huán)境下穩(wěn)定工作 無需潤滑 易于保養(yǎng) 缺點 安裝要求高 需要平行二帶輪軸線 在與二帶輪軸線垂直的平面同步運 行 帶輪中心距必須嚴格要求 安裝不當容易發(fā)生爬齒 干涉 跳齒等現象 帶和帶輪的工藝制造復雜且繁瑣 批量成產會受到成本的影響 4 3 驅動動力源 步進電動機的工作原理是把脈沖信號轉變換成角位移和直線位移的執(zhí)行元 件 這也是一種機械式的脈沖轉換器 脈沖的每一次輸出 步進電動機就會前 進一步 所以被稱為脈沖電動機 步進電動機三大類主要有 反應式步進電動 機 永磁感應式步進電動機還有機床磁式步進電動機 本次設計采用其中的反 應式步進電動機 因為它的結構較為簡單 且在工業(yè)上運用的方向也較為廣泛 之所以步進電動機能成為現代控制數學系統(tǒng)執(zhí)行重要元件 是因為步進電 動機無論是在本身上還是在性能方面都在不斷的改進與完善 其優(yōu)點如下 可直接實現數字控制 控制性能好 元件為無接觸式 因為它沒有電刷和轉換器 可以可靠而又平穩(wěn)的運行 步進電動機規(guī)定承受的范圍負載內 步距值并不會受到負載大小影響 電壓電 源的影響 波形及環(huán)境周圍溫度不斷變換的影響 抵抗干擾能力較強 可以保 持穩(wěn)定的轉速運行 誤差不長期積累 反應式步進電機相繞組功率的情況下 有能力的自我鎖定和永磁步進電 機也可以保持轉矩 4 4 機械傳動方案的設計計算 本次設計所選用了一級傳動 得知其傳動比為 1 5 本次設計計算是參照 下冊機械工業(yè)出版社出版 中 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 20 的第十章帶傳動和鏈傳動第五節(jié)同步帶與多契帶傳動中的同步帶傳動章節(jié) 4 4 1 設計數據確定 因預定設計的車速為 3km h 并且還想到實際的車速有 50 的誤差問題 所以 實際得到的最高車速為 4 5km h 折算成米 秒 應為 1 25m s V 車 1 25m s 根據工作上的實際要求所以取的車輪直徑為 130mm 又因為車速為 1 25m s 所以小車速行駛速度也應等于輪子的切向行駛速度 因為 V dn 60 1000 4 1 V 車輪切向速度 V 1 25m s d 車輪直徑 d 130mm n 車輪轉速 所以經計算得 n 60 1000V d 60 1000 1 25 3 14 130 184rpm 因為驅動軸轉數就是等于轉輪的轉速 所以 n 轉驅 n 184rpm n 轉驅 184rpm 因為 T 9 55 P 驅 n 4 2 610 T 驅動轉矩 T 9NM P 驅動軸功率 n 驅動軸轉速 n 184rpm 所以經計算得 9 9 55 P 驅 1843106 P 驅 0 2KM 因為 n 電 n 驅 4 3 n 驅 驅動軸轉速 n 驅 184rpm n 電 電機軸轉速 傳動比 所以計算得 n 電 n 電驅 n 電 1 5 184 276rpm 記 n 電 276rpm 由于驅動主軸 9 n 米 根據所選模型的實際工作需求 130 bf001 相五相步進角 為 0 75 10 12 80V 電流電壓空載 9 31 n 的最大轉矩 起始頻率 3000 步驟 s 空載運行頻率為 16000 步 s 反應一步進電機 因為 T 電 9 55 P 電 n 電 4 4 610 T 電 電機軸轉矩 T 電 9 31n m n 電 電機軸轉速 n 電 276rpm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 21 P 電 電機功率 所以計算得 P 電 T 電 n 電 9 55 9 31 276 9 55 0 26km 6103610 P 電 0 26km 因為 總 帶 聯 滾 4 5 總 總的傳動效率 帶 同步帶的傳動效率 帶 0 98 聯 聯軸器的傳動效率 聯 0 99 滾 滾動軸承的傳動效率 滾 0 99 所以 總 0 98 0 99 0 99 0 99 總 0 99 因為 P 驅 P 實電 總 4 6 P 驅 驅動軸功率 P 驅 0 2Kw 總 總機械傳動功率 總 0 99 P 實電 實際的電動機功率 所以計算得 P 實電 P 驅 總 0 2 0 99 0 21kw P 實電 0 21kw 因為 P 實電 P 電 所以符合工作要求 4 4 2 同步帶結構的設計計算 求出設計功率 因為 Pd Pm K 4 7 Pd 設計功率 Pm 電動機功率 P P 0 26kw K 修正載荷系數 實用機械設計手冊 下 表 10 5 9 修正載荷系數 K 取 1 8 因為傳動裝置不是張緊裝置和系統(tǒng)減速 額外的修正系數為零所以 Pd 1 8 0 26 0 5kw 選擇帶的節(jié)距 因為 Pd 0 5kw n 電 276rpm n1 小帶輪轉速 查 實用機械設計手冊 下 圖 10 5 4 查出了同步帶節(jié)距代號為 H 而對應的 節(jié)距 Pd 12 7mm 確定其帶輪的直徑和各帶節(jié)線長長度 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 22 查 實用機械設計手冊 表 10 5 8 得 H 型帶的小帶輪的轉速 n1 276rpm 因而 小于 900rpm 所以得出小帶輪最少的齒數 Z1 應為 14 Z1 取 22 因為 Z2 Z1 傳動比 1 5 Z2 大帶輪齒數 Z1 小帶輪齒數 Z1 22 所以 Z1 1 5 22 33 查 機電一體化機械系統(tǒng)設計 表 3 11 得出大帶齒輪數 大帶輪齒數 Z2 應取標準值為 32 Z2 32 小帶輪節(jié)圓直徑 因為 1 Pb Z1 4 8 Pb 同步帶節(jié)距 Pb 12 7mm Z1 小帶輪齒數 Z1 22 所以計算得 d1 12 7 22 3 14 88 94mm d1 88 94mm 同理可得 大帶輪節(jié)圓直徑 d2 129 36mm d2 129 36mm 選擇帶長 LP 初定中心距 a 因為 0 7 d2 d1 a 2 d2 d1 d2 大帶輪節(jié)圓直徑 d2 129 36mm d1 小帶輪節(jié)圓直徑 d1 88 94mm 所以 152 81 a 436 6 a 取 420mm a 420mm 因為 Lp 2aCOS d2 d1 2 d2 d1 180 定 角 4 9 因為 arcsin d2 d1 2a 4 10 1 所以 arcsin 129 36 88 94 2 420 3 所以 a 420mm 3 所以 Lp 2 420 COS3 129 36 88 94 2 3 129 36 88 94 180 839 343 2 1184mm 節(jié)線長 Lp 1184mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 23 查 實用機械設計手冊 下 表 10 5 5 取整數得出結果 選用長度代號為 510 Lp 1295 4mm 齒數 Zb 102 的同步帶 傳動中心距 a 的確定 因為 M Pb 8 2Zb Z1 Z2 4 11 M 修正系數 Pb 同步帶節(jié)距 Pb 12 7mm Zb 同步帶齒數 Zb 102 Z1 大帶輪齒數 Z1 22 Z2 小帶輪齒數 Z2 32 所以計算得 M 12 7 8 21 102 22 32 238 125 M 238 125mm 因為 a M 4 12 8 1212ZpbM 238 125 476mm 483 05 3 a 476mm 所以節(jié)線長 Lp 1295 4mm 傳動中心距 a 476mm 選擇標準帶寬 確認小帶輪的轉速 n1 184rpm 小帶輪的齒數 Z1 22 查 實用機械設計手冊 下 表 10 5 17 運用差值方法計算出 H 型帶的額定基準 功率 P 2 7Kw 確定實際帶寬 bs 因為 bs bs Pd k2 P 4 13 bs 標準帶寬 即查 實用機械設計手冊 下 表 10 5 4 bs 76 2mm Pd 設計功率 Pd 0 5kw K2 嚙合齒數系數 K2 根據實際的工作需求得出 K2 1 所以 bs 76 2 0 5 1 2 7 17 414 需要查 實用機械設計手冊 表 10 5 4 中 bs 取標準值為 25 4mm 其寬度標準代 號為 100 極限寬度偏差為 bs 25 4mm8 03 確定帶寬系數 Kw 因為 Kw bs bs 所以 Kw 25 4 76 2 0 2914 14 Kw 0 29 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 24 確定額定功率 P 因為 P K2 Kw P 4 14 K2 嚙合齒數系數 k2 1 Kw 帶寬系數 kw 0 29 P 基準額定功率 P 2 7kw 所以計算得 P 0 29 2 7 0 77kw 因為 P Pd 所以滿足設計要求 帶的圓周速度 V 的確定 因為 V Pb Z1n1 60 1000 4 15 Pb 帶的節(jié)距 Pb 12 7mm Z1 小帶輪齒數 Z1 22 n1 小帶輪轉速 n1 276r mm 所以計算得 V 12 7 22 276 60 1000 1 3m s 工作能力驗算 因為 P K2 kw Ta bs m v bs V 10 4 16 23 K2 嚙合齒數系數 K2 1 Kw 帶寬系數 Kw 0 29 Ta 許用工作拉力 該拉力需查 實用機械設計手冊 表 10 5 9 Ta 2100 85N m 單位長度的質量查 實用機械設計手冊 表 10 5 9 得知 m 0 448 m 所以 P 1 25 4 76 2 2100 85 25 4 0 448 1 3 76 2 1 3 1000 0 7814 2 因為 P Pd 所以額定功率大于設計功率所以傳動帶的能力足夠支持運轉 最小軸徑的確定 因為 dmin A 4 17 3 np A 該系數修正需查 簡用機械設計手冊 的表 14 13 軸承材料應為 45 鋼 A 為 118 P 傳遞功率為 0 26kw n 驅動軸轉速為 184r mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設計與計算 25 所以 dmin A 118 13mm3 np3184 26 0 d 取 30mm 結果整理 選用 H 型同步帶 Pb 12 7mm Lp 1295 4mm Bs 25 4mm 小帶輪 Z 22 d 88 94mm 大帶輪 Z 32 d 129 36mm 傳動的中心距 a 476mm 傳動帶長度帶號為 510 而寬度帶號為 100 剩下查 實用機械設計手冊 表 10 5 20 表 10 5 10 最小軸徑為 30mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝 26 致 謝 首先 我要誠摯的感謝沈陽化工大學科亞學院以及機械與交通工程系的各 位老師這四年來對我的悉心栽培 是老師們的精心培養(yǎng) 讓我成為了一名合格 的大學畢業(yè)生 學到了很多專業(yè)知識 使我熟練掌握專業(yè)僅能 并且培養(yǎng)了我 的動手實踐能力 至此 我要特別感謝我的指導老師趙艷春老師 在老師的精心指導下 不 僅讓我對這次的畢業(yè)設計的課題有了深刻的了解 也從中掌握了機械設計的大 致要求 設計的基本步驟 趙艷春老師在設計之初 過程和最后的總結部分給 我提出了很多的寶貴建議 是我少走很多的彎路 能直接捕捉到本次設計的精 髓所在 這次的畢業(yè)設計也完整而又順利的完成了 這是我四年來我大學生活的一 個見證 也是老師們悉心教育我們的一個見證 我會把它當做一個人生的起點 朝著這方向繼續(xù)努力下去 最后 對那些幫助過我的老師 同學 朋友們 是你們的幫助使我如虎添翼 順利完成了畢業(yè)設計 誠摯的感謝你們 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 27 參考文獻 1 楊黎明 機械零件設計手冊 第一版 國防工業(yè)出版社 1986 12 2 吳宗澤 機械設計 第一版 中央廣播電視大學出版社 1998 2 3 盧頌峰 機械設計課程設計手冊 第一版 中央廣播電視大學出版社 1998 4 4 非標準零件手冊 第三版 國防工業(yè)出版社 5 液壓與氣動傳動 機械工業(yè)出版社 6 機械手及其應用 機械工業(yè)出版社 7 液壓元件樣本 機械工業(yè)出版社 8 楊長能 張興毅 可編程序控制器基礎及應用 第一版 重慶大學出版社 1992 1 9 左建民 液壓與氣壓傳動 第二版 北京 機械工業(yè)出版社 1999 5 10 孫燕華 AutoCAD2000 機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 2002 9 11 顧京 數控加工編程及操作 北京 高等教育出版社 2003 9 12 陳立德 機械設計基礎課程設計指導書 第二版 北京 高等教育出版社 2004 6 13 金大鷹 機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 2001 7 14 柴鵬飛 機械設計基礎 北京 機械工業(yè)出版社 2004 8