精密機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)--二自由度機(jī)械手

1、<p>　　精密機(jī)械課程設(shè)計(jì)說明書</p><p><b>　　二自由度機(jī)械手</b></p><p>　　課設(shè)日期 2016.1 </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　機(jī)械手工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科，它集中了機(jī)械工程、電

2、子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新，機(jī)械手的研究、制造和應(yīng)用水平，是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。機(jī)械手的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。</p><p>　　通常把傳送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)稱為傳送機(jī)構(gòu)的自由度。從力學(xué)的角度分析，物件在空間只有6個(gè)自由度。因此為抓取和傳送在空間不同位置和方位物件，傳送機(jī)構(gòu)也應(yīng)具有6個(gè)自

3、由度。常用的機(jī)械手傳送機(jī)構(gòu)的自由度還多為少于6個(gè)的。一般的專用機(jī)械手只有2～4個(gè)自由度，而通用機(jī)械手則多數(shù)為3～6個(gè)自由度（這里所說的自由度數(shù)目，均不包括手指的抓取動(dòng)作）。</p><p>　　我們小組選擇設(shè)計(jì)一個(gè)二自由度機(jī)械手，通過齒輪和齒條的傳動(dòng)，以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)和繞軸旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)自由度。具體設(shè)計(jì)情況見后文。</p><p><b>　　目錄</b&g

4、t;</p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)及小組分配4</p><p>　　1.課程設(shè)計(jì)目的4</p><p><b>　　2.主要任務(wù)6</b></p><p>　　二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明7</p><p>　　1.初始方案草圖7</p><p>　　2.存在問題及解決方

5、案8</p><p>　　三、主要參數(shù)計(jì)算過程及結(jié)果10</p><p>　　1.各部分材料選擇說明10</p><p>　　2.底座外形尺寸及質(zhì)量初步估計(jì)11</p><p>　　3.齒輪和直齒條的相關(guān)計(jì)算12</p><p>　　4.電機(jī)的選擇14</p><p>　　5.聯(lián)軸器

6、的相關(guān)計(jì)算16</p><p>　　6.電機(jī)處四個(gè)螺栓的計(jì)算17</p><p>　　7.板材右側(cè)及左側(cè)配重的計(jì)算17</p><p>　　四、其它技術(shù)說明18</p><p><b>　　五、改進(jìn)設(shè)想18</b></p><p><b>　　六、設(shè)計(jì)小結(jié)19</b&g

7、t;</p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)及小組分配</p><p><b>　　1.課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　“精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)作為實(shí)踐環(huán)節(jié)對于整個(gè)課程具有非常重要 的意義。學(xué)生在這個(gè)環(huán)節(jié)中不僅是完成一項(xiàng)指定任務(wù)，更重要的是實(shí)際走過一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程。學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)該定位為設(shè)計(jì)者。設(shè)計(jì)者要進(jìn)行方案篩選論證，要考慮裝配

8、關(guān)系，考慮結(jié)構(gòu)工藝性，考慮選材。整個(gè)設(shè)計(jì)采用Solidworks完成，從3D建模到2D圖紙。我們要求每人拿出至少一張可用于加工的圖紙。這樣的圖紙，僅僅圖形表達(dá)正確是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。圖紙的尺寸標(biāo)注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正確選擇材料，要有技術(shù)要求?？傊ㄟ^課程設(shè)計(jì)要使學(xué)生知道，設(shè)計(jì)過程包括那些步驟，能夠投放生產(chǎn)的加工圖紙是什么樣子。</p><p><b>　　其目的是：</b><

9、;/p><p>　　具體應(yīng)用、鞏固加深和擴(kuò)大課程及有關(guān)先修課程的理論知識(shí)、生產(chǎn)知識(shí)，了解精密機(jī)械設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，為以后進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)；</p><p>　?。?）掌握正確的設(shè)計(jì)思想。通過課程設(shè)計(jì)使同學(xué)掌握儀表的設(shè)計(jì)思路。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般其主要過程為：接受）設(shè)計(jì)任務(wù)－（擬定）設(shè)計(jì)方案－設(shè)計(jì)計(jì)算－繪制裝配圖－繪制零件圖設(shè)計(jì)過程中需注意以下內(nèi)容：1）滿足使用要

10、求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工藝性（結(jié)構(gòu)合理、簡單，經(jīng)濟(jì)性，外觀要求3）熟悉有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、手冊設(shè)計(jì)中涉及到的零件材料、結(jié)構(gòu)等，均需按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選零件的尺寸、公差等亦應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；制圖也要符合一定的規(guī)范。因此在課程設(shè)計(jì)過程中要求同學(xué)學(xué)習(xí)、掌握查閱標(biāo)準(zhǔn)及使用手冊的能力。</p><p><b>　　2.主要任務(wù)</b></p><p>　　在分析功能要求及參考

11、圖的基礎(chǔ)上：</p><p>　　進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與計(jì)算，并繪制方案草圖和正式圖。包括示平移、升降、抓取等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算及其相互連接，零位設(shè)計(jì)及其誤差估計(jì)；</p><p>　　典型零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制零件圖；編寫說明書。</p><p>　　總體裝配模型如圖所示：</p><p><b>　　二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明</b>&

12、lt;/p><p><b>　　1.初始方案草圖</b></p><p><b>　　簡要說明：</b></p><p>　　選用一個(gè)有一定高度小桌作為整體的底座，桌面上放一個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，齒輪套在電機(jī)的軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　齒輪再帶動(dòng)直齒條的上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)沿上下方向移

13、動(dòng)的一個(gè)自由度。</p><p>　　為了對直齒條起固定作用，我們制作一個(gè)箱體，并在箱體上開槽固定。</p><p>　　直齒條上端和一塊板A相固定，直齒條的上下移動(dòng)帶動(dòng)板A的上下移動(dòng)。</p><p>　　板A上連接一根軸，該軸一端與電機(jī)軸用聯(lián)軸器連接，另一端連接機(jī)械手。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸和機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)另一個(gè)自由度——旋轉(zhuǎn)。</p><p

14、>　　整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料使用Q235鋼。</p><p>　　2.存在問題及解決方案</p><p>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏高，可能會(huì)在傳動(dòng)過程中由于轉(zhuǎn)速太快導(dǎo)致整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，直齒條會(huì)飛出。我們的解決方案是加一個(gè)減速機(jī)構(gòu)，減速器的一般類型有：圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、齒輪-蝸桿減速器、軸裝式減速器、組裝式減速器、軸裝式減速器、聯(lián)體式減速器。 我們選擇一級(jí)圓柱齒輪減速器，即在原來的齒

15、輪和齒條之間再加一個(gè)齒數(shù)為原齒輪二倍的大齒輪，使傳動(dòng)比為2，從而實(shí)現(xiàn)減速。</p><p>　　裝配的大部分零件位于偏右的位置，可能會(huì)由于重心不在中間使得整個(gè)裝配體向右傾斜。我們的解決方案是在底座的左側(cè)加一塊與右側(cè)質(zhì)量相同的配重塊。配重塊是用于增加自身重量來保持平衡的重物。</p><p>　　直齒條和板A的固定問題在一開始沒有確定。我們的解決方案是在直齒條的上端部分用平面代替齒面，并將上

16、端部分和板A用螺釘固定。</p><p>　　右側(cè)電機(jī)的固定問題。右側(cè)電機(jī)選用低速電機(jī)，并用螺釘將其固定在板A的右側(cè)。</p><p>　　右側(cè)電機(jī)軸和機(jī)械手軸的聯(lián)接問題。我們的解決方案是使用聯(lián)軸器。聯(lián)軸器用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸

17、和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。</p><p>　　三、主要參數(shù)計(jì)算過程及結(jié)果</p><p>　　1.各部分材料選擇說明</p><p>　　底座、聯(lián)軸器、螺栓、下方板材、配重材料選用Q235鋼。Q235是碳素結(jié)構(gòu)鋼，通常情況下，該鋼不經(jīng)過熱處理直接進(jìn)行使用，具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，所有很多型材（如角鋼、圓鋼、工字鋼、槽鋼

18、等材質(zhì)很多為q235），并具有一定的強(qiáng)度，適合于橋梁、建筑等工程結(jié)構(gòu)，實(shí)用性能好，價(jià)格相對也很便宜，性價(jià)比高。密度為7.858g/cm³，許用應(yīng)力16kg/cm²。</p><p>　　箱體、軸、軸肩、夾具選用的材料為40Cr。40Cr鋼是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼之一。調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到Ф28～60mm,油淬時(shí)可

19、淬透到Ф15～40mm。這種鋼除調(diào)質(zhì)處理外還適于氰化和高頻淬火處理。切削性能較好，當(dāng)硬度為174～229HB時(shí)，相對切削加工性為60%。該鋼適于制作中型塑料模具。</p><p>　　機(jī)械手部分的材料選擇硬鋁合金。硬鋁，是指鋁合金中以Cu為主要合金元素的（含2.2—4.9%Cu、0.2—1.8%Mg、0.3—0.9%Mn、少量的硅，其余部分是鋁）一類鋁合金，代號(hào)2XXX，常用的有2Al1、2Al2等。硬鋁有良好的

20、機(jī)械性能，強(qiáng)度大（如2Al2-T4抗拉強(qiáng)度可達(dá)469MPa以上）又便于加工，而且密度小，可作輕型結(jié)構(gòu)材料。硬鋁成分：Al--Cu--Mg--Mn合金。</p><p>　　2.底座外形尺寸及質(zhì)量初步估計(jì)</p><p><b>　　相關(guān)參數(shù)設(shè)定為：</b></p><p>　　材料：Q235鋼 材料密度：ρ=7.85g/cm³&l

21、t;/p><p>　　桌面體積：400mm×300mm×30mm=40cm×30cm×3cm=3600cm³</p><p>　　桌腿體積：50mm×50mm×100mm=5cm×5cm×10cm=250cm³</p><p>　　桌腿的體積：250×4=100

22、0cm³</p><p>　　整體體積：3600+1000=4600cm³</p><p>　　整體質(zhì)量：m=ρ×V≈4600cm³×7.8g/cm³≈35kg</p><p>　　3.齒輪和直齒條的相關(guān)計(jì)算</p><p>　　齒輪模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列（摘錄GB/T1357-1987)如下

23、表</p><p>　　注：選用模數(shù)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用第一系列；其次選用第二系列；括號(hào)內(nèi)的模數(shù)盡可能不用。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪各部分的尺寸與模數(shù)有一定的關(guān)系，計(jì)算公式如下表：</p><p><b>　?。?）小齒輪</b></p><p>　　模數(shù)：m=2 齒數(shù)：z=17</p><

24、p>　　因?yàn)閙≧1，所以取齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25</p><p>　　分度圓直徑：d1=mz=2×17=34mm</p><p>　　齒頂圓直徑：da=m(z+2)=2×19=38mm</p><p>　　齒根圓直徑：df=m(z-2.5)=2×14.5=29mm</p><p>　　

25、齒頂高：ha=m=2mm（正常齒）</p><p>　　齒根高：hf=1.25m=1.25×2=2.5mm（正常齒）</p><p>　　全齒高：h=ha+hf=2.5+2=4.5mm</p><p>　　齒距：p=πm=3.14×2=6.28mm</p><p><b>　　大齒輪</b></

26、p><p>　　模數(shù)：m=2 齒數(shù)：z=34</p><p>　　因?yàn)閙≧1，所以取齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25</p><p>　　分度圓直徑：d2=mz=2×34=68mm</p><p>　　齒頂圓直徑：da=m(z+2)=2×36=72mm</p><p>　　齒根圓直徑：df

27、=m(z-2.5)=2×31.5=63mm</p><p>　　齒頂高：ha=m=2mm</p><p>　　齒根高：hf=1.25m=1.25×2=2.5mm</p><p>　　全齒高：h=ha+hf=2+2.5=4.5mm</p><p>　　齒距：p=πm=3.14×2=6.28mm</p>

28、<p>　　大小齒輪中心距：a=（d1+d2)=(34+68)=51mm</p><p>　　大小齒輪傳動(dòng)比：i===2</p><p>　　減速結(jié)果：電機(jī)轉(zhuǎn)速20r/min可以變成10r/min,即r/s,也就是1s轉(zhuǎn)60度。</p><p><b>　　直齒條</b></p><p>　　對直齒條上升、下

29、降距離計(jì)算：</p><p>　　上升、下降距離：300-260=40mm</p><p>　　對直齒條上升40mm所需時(shí)間進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　齒輪2周長為C=2πr=2×3.14×34=213.52mm</p><p>　　時(shí)間為×=1.124s</p><p><b&

30、gt;　　4.電機(jī)的選擇</b></p><p><b>　　箱體內(nèi)的電機(jī)</b></p><p>　　選擇的型號(hào)為靈浪品牌四口機(jī)電機(jī)</p><p><b>　　電壓：110V</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速：20r/min 配有電容</p><p><

31、b>　　質(zhì)量：250g</b></p><p><b>　　材質(zhì)：銅包鋁線</b></p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：耐用、低噪音、低震動(dòng)、發(fā)熱小</p><p><b>　　聯(lián)接機(jī)械手的電機(jī)</b></p><p>　　選用標(biāo)紅框內(nèi)型號(hào)的電機(jī)。</p><p>　

32、　對電機(jī)軸進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算:</p><p>　　當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，小圓柱（軸）的抗彎截面系數(shù)</p><p>　　Wz=0.1d³=0.1×0.6×0.6×0.6=0.0216cm³</p><p>　　小圓柱的應(yīng)力=彎矩/抗彎截面系數(shù)==1083.333 N/cm²小于16kN/cm²,設(shè)計(jì)符合條件。

33、</p><p>　　5.聯(lián)軸器的相關(guān)計(jì)算</p><p>　　采用凸緣聯(lián)軸器，體積為17.53cm³，選用Q235鋼，密度為7.8g/cm³</p><p>　　質(zhì)量：m=ρV=7.8×17.53≈136g</p><p>　　取重力加速度g=10m/s²</p><p>　　

34、重量：G=mg=136×10=1360N</p><p>　　每個(gè)螺栓上需要的預(yù)緊力：F≧</p><p>　　環(huán)形接合面外徑：D=36mm=0.036m 內(nèi)徑：D1=24mm=0.024m</p><p>　　K---工作情況系數(shù)，可參考JB/ZQ4383-86 《聯(lián)軸器的載荷分類及工作情況系數(shù)》選用，取K=1.5</p><p

35、>　　螺栓數(shù)目：z=4 摩擦系數(shù)：f=0.15</p><p>　　工作轉(zhuǎn)矩：T=9550×Pw/n=7020×PH/n=0.06N·m</p><p>　　Tc=KT 式中T=理論扭矩</p><p>　　F≧==100N,F≧10N</p><p>　　當(dāng)聯(lián)軸器的鉸制孔與受剪螺

36、栓的配合為或時(shí)，兩個(gè)半聯(lián)軸器依靠螺栓的剪切和擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器在傳遞最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，每個(gè)螺栓所受的剪力：</p><p>　　F0===11.25N</p><p>　　螺栓中心圓的直徑D0=4mm=0.004m</p><p>　　6.電機(jī)處四個(gè)螺栓的計(jì)算</p><p>　　對4個(gè)螺栓進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算：</p><p>

37、;　　抗彎截面系數(shù)：Wz=4×0.1×0.2×0.2×0.2=0.0032cm³</p><p>　　應(yīng)力=彎矩/抗彎截面系數(shù)=23.4/0.0162=7312.5N/cm²</p><p>　　小于16KN/cm²,設(shè)計(jì)符合條件。</p><p>　　7.板材右側(cè)及左側(cè)配重的計(jì)算</p&g

38、t;<p>　　對下面的板材進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算：</p><p>　　板材右側(cè)的質(zhì)量（近似計(jì)算）:m=160+136+400+156=852g</p><p>　　重心（2.5,3.5,1）</p><p>　　彎矩M=0.852×10×3.5×=0.2982N·M;</p><p>　　抗彎截

39、Wz=0.1×0.3×0.3×0.3=(2.7×)cm³=(2.7×)m³;總的抗彎截面系數(shù)Wz=2×Wz=（5.4×）m³</p><p>　　應(yīng)力=彎矩/抗彎截面系數(shù)==5.5222×N·m小于許用應(yīng)力16KN/cm²=16×N/m²,設(shè)計(jì)符合條件。</p

40、><p>　　對左側(cè)進(jìn)行配重計(jì)算：</p><p>　　左側(cè)配重近似為上方板材右側(cè)的質(zhì)量，其質(zhì)量為0.852kg,為了安全起見配重取2kg左右，這樣穩(wěn)定性也有了保障。質(zhì)量M=10×10×2.6×7.858=2043.08g。</p><p><b>　　四、其它技術(shù)說明</b></p><p>

41、<b>　　齒輪傳動(dòng)的潤滑:</b></p><p>　　潤滑對齒輪傳動(dòng)的工作能力有很大的影響，許多類型的齒面損傷如點(diǎn)蝕、膠合、磨損、塑性變形等都可通過合理的潤滑來防止或減輕。</p><p>　　輪齒嚙合面加注潤滑劑，可以避免金屬直接接觸，減少摩擦損失，還可以散熱及防銹蝕。因此對齒輪傳動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐櫥?，可以大為改善齒輪的工作狀況，且保持運(yùn)轉(zhuǎn)正常及預(yù)期的壽命?？蛇x用如

42、下型號(hào)的潤滑劑：</p><p><b>　　五、改進(jìn)設(shè)想</b></p><p>　　直齒條固定處磨損較嚴(yán)重，改進(jìn)設(shè)想采用彈簧固定，減小摩擦，提高穩(wěn)定性。</p><p>　　機(jī)械手的開合問題。用機(jī)械手的開合來實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度，代替直齒條升降。</p><p><b>　　六、設(shè)計(jì)小結(jié)</b><

43、;/p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)階段，第一階段是前期的準(zhǔn)備階段，第二階段是為期兩周的具體設(shè)計(jì)，讓我收獲頗豐。 </p><p>　　經(jīng)過大半個(gè)月的學(xué)習(xí)，我的精密機(jī)械課

44、程設(shè)計(jì)總算是圓滿結(jié)束。這是大學(xué)以來的第一次課程設(shè)計(jì)，也是對大學(xué)以來所學(xué)知識(shí)的一次綜合運(yùn)用與實(shí)踐，抱著這種心態(tài)，我將更多的時(shí)間和精力投入到課程設(shè)計(jì)中，充分利用好這個(gè)機(jī)會(huì)，讓自己對所學(xué)知識(shí)有全面的提升。在看過課程設(shè)計(jì)的要求與說明之后，由于理論知識(shí)的不足，再加上平時(shí)沒什么設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一開始的時(shí)候有些手忙腳亂，自己也不知從何處開始。在經(jīng)過老師的多次指導(dǎo)下，同時(shí)積極與同組的同學(xué)溝通交流，自己漸漸有了設(shè)計(jì)思路。首先確定設(shè)計(jì)方案，然后列計(jì)劃，按照計(jì)劃進(jìn)

45、行。之后，我去圖書館查閱了大量設(shè)計(jì)需要的相關(guān)資料，包括所需各個(gè)零件的材料，和一些計(jì)算的參數(shù)等等。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過程中培養(yǎng)了我的綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程及其他課程理論知識(shí)和解決實(shí)際問題的能力，真正做到了學(xué)以致用。也讓我學(xué)會(huì)了較為熟練地運(yùn)用SolidWorks很為實(shí)用的軟件。這個(gè)在此期間我和其他同學(xué)之間互相幫助，一起研究討論課程設(shè)計(jì)過程中遇到的困難，培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊(duì)精神。在這些過程當(dāng)中，我充分的認(rèn)識(shí)到自己