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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 第 34 頁 共 34 頁
目 錄
第1章 緒論 …………………………………………………………………………2
1.1 機(jī)器手概述………………………………………………………………………2
1.2 機(jī)器手的歷史、現(xiàn)狀……………………………………………………………4
1.3 機(jī)器手的發(fā)展趨勢………………………………………………………………5
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 ………………………6
2.1電機(jī)的選擇 ……………………………………………………………………6
2.2 一級減速器(蝸輪蝸桿減速器)………………………………………………6
2.3 二級減速器(V帶減速器)……………………………………………………16
2.4 傳動機(jī)構(gòu)的各桿應(yīng)力計(jì)算 ……………………………………………………17
2.4.1 曲柄參數(shù)計(jì)算……………………………………………………………… 17
2.4.2 連桿參數(shù)計(jì)算……………………………………………………………… 18
2.4.3 擺桿參數(shù)計(jì)算……………………………………………………………… 19
第3章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………20
3.1 傳動機(jī)構(gòu)整體組裝結(jié)構(gòu)……………………………………………………… 20
3.2 傳動機(jī)構(gòu)個零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 21
3.2.1 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 21
3.2.2 曲柄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 22
3.2.3 連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 23
3.2.4 擺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 24
3.2.5伸縮手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 26
3.2.6連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………… 27
3.2.7總裝配三維實(shí)體圖………………………………………………………… 29
第4章 總結(jié)…………………………………………………………………………30
4.1 所完成的工作………………………………………………………………… 30
4.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………………… 30
4.3 誤差分析……………………………………………………………………… 30
4.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………………… 31
致 謝…………………………………………………………………………………31
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 33
第1章 緒論
1.1機(jī)器手概述
在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題?;さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法;程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè),有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用,為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”(Industrial Robot):多數(shù)是指程序可變(編)的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置(國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人)。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能,工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢,但功能較少,適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人,而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
簡而言之,機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手,把工件由某個地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。
機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人,也即本文所研究的對象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置,可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序,以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外,還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的,稱為操作機(jī)(Manipulator)。它起源于原子、軍事工業(yè),先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè),后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人,主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上,用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”,它是為主機(jī)服務(wù)的,由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外,工作程序一般是固定的,因此是專用的。
機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型,其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊,所占空間體積小,相對工作空間最大,甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn),成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式,世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。
要機(jī)器人像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu);像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動-傳動系統(tǒng);像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言,機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成,如圖 1-1 所示。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言,還具有智能系統(tǒng),主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”,使它能識別物體和躲避障礙物,以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的,或者說并不是簡單的疊加在一起,從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能,機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動-傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體,通常由連桿和關(guān)節(jié)組成,由驅(qū)動-傳動系統(tǒng)提供動力,按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動-傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動力,傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator),相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.2 機(jī)器手的歷史、現(xiàn)狀
機(jī)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂,端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后,大力從事機(jī)器人的研究。
目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代,主要依靠人工進(jìn)行控制;控制方式則為開環(huán)式,沒有識別能力;改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺能力,甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把感覺到的信息進(jìn)行反饋,使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)器人(機(jī)器人)則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系,并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍,歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會議ISIR決定每年召開一次會議,討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。
目前,工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面,無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的,主要是在危險(xiǎn)作業(yè)(廣義的)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
在國外機(jī)械制造業(yè)中,工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多,發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料,以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè),它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作,但還不具備傳感反饋能力,不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時,就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步,針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境,適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平,要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而,目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器,一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī),使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具,采用專用微處理器,并將控制算法固化在EPROM中,這種專用系統(tǒng)很難(或不可能)集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的,如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì),多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。
美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,大致經(jīng)歷了以下幾個階段:
(1)1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年, 萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年,該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。
(2)1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時期,工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段,例如,美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機(jī)器人;1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人,并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線;又如,美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。
(3)1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年,工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計(jì),美國大約200臺工業(yè)機(jī)器人,工作時間共達(dá)60萬小時以上,與此同時,出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人,例如:森德斯蘭德公司(Sundstrand)發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺機(jī)器人的系統(tǒng)。又如,萬能自動公司制成了由25臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人。
“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說,1967年,日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”,并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人,技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實(shí)用化時期以后,從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時代。
我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年,但是由于種種原因,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù),通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新,工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的發(fā)展。
1.3機(jī)器手的發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高,機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng),尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合,從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài),提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看,總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢:
提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度,減少重量和占用空間,加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化,將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人;
開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合,如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度;開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指;開發(fā)各類行走機(jī)器人,以適應(yīng)不同的場合;
研制各類傳感器及檢測元器件,如,觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等,用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃,同時,越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算
2.1電機(jī)的選擇
蝸桿的傳動比,蝸桿為下置式:
故電動機(jī)可取轉(zhuǎn)速范圍為,符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速為750r/min,所以選型號Y160L-8,滿載轉(zhuǎn)速為720r/min。其主要技術(shù)參數(shù)見下表 2-1。
表 1 Y160L-8的技術(shù)參數(shù)
型號
功率(kW)
轉(zhuǎn)速
()
效率
(%)
功率因數(shù)
)
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)電流
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
Y160L-8
7.5
720
86
0.75
2.0
5.5
2.0
2.2一級減速器(蝸輪蝸桿減速器)
總傳動比:
蝸桿采用45鋼,表面硬度45HRC以上,蝸輪材料采用ZCuSn1091,砂型鑄造。
⑴ 許用接觸應(yīng)力
式中,t-工作壽命,h,取180000
根據(jù)N由簡明機(jī)械手冊圖6-5-56查得 =1.1.許用接觸應(yīng)力=··=220×0.87×1.1=210.54MPA
由圖6-5-55查得=0.87
⑵ 計(jì)算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩 T2
⑶ 計(jì)算渦輪蝸桿的中心距a
使用系數(shù):查表6-6-51得
彈性系數(shù):根據(jù)蝸輪副材料查表6-6-55得,
壽命系數(shù):
接觸系數(shù):由曲線圖表6-6-67得:
接觸疲勞極限:由表6-5-67得:
解除疲勞安全系數(shù)
中心距:
取a=220mm
⑷ 蝸桿尺寸
蝸桿頭數(shù):
蝸輪齒數(shù):
模數(shù):
,取m=5
分度圓直徑:
查表 五 取標(biāo)準(zhǔn)值
表 2 普通圓柱蝸桿傳動的m和d1搭配值
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
1
18
2.5
(22.4)
4
40
6.3
(80)
1.25
20
28
(50)
112
22.4
(35.5)
71
8
(63)
1.6
20
45
5
(40)
80
28
3.15
(28)
50
(100)
2
(18)
35.5
(63)
140
22.4
(45)
90
10
(71)
(28)
56
6.3
(50)
90
35.5
4
(31.5)
63
(112)
齒頂圓直徑:
齒根圓直徑:
蝸桿齒寬:
蝸桿模數(shù)增長20mm所以b1=119mm
蝸桿導(dǎo)程角:
,
⑸ 蝸輪尺寸
分度圓直徑:
齒頂圓直徑:
齒根圓直徑:
外圓直徑:
蝸輪齒寬:
蝸桿圓周速度:
相對滑動速度:
當(dāng)量摩擦系數(shù):由表6-5-67查得
螺距:
圖 2-1 渦輪事實(shí)物圖
2.2.1 蝸輪減速器的校核
2.2.1.1 蝸桿的強(qiáng)度校核
⑴ 接觸應(yīng)力強(qiáng)度
最大接觸應(yīng)力:
故所以合格
蝸桿軸擾度驗(yàn)算:
軸慣性矩
允許蝸桿擾度
蝸桿軸擾度
故渦輪軸撓度合格
蝸桿軸聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔=40mm,L1=84mm,L=112mm
鍵
蝸桿軸的校核:
圖 七 蝸桿軸的彎扭矩圖
蝸桿上的轉(zhuǎn)矩
作用在蝸桿和蝸輪上的力
圓周力:
軸向力:
徑向力:
垂直面上的支承反力:
水平面的支承反力:
繪垂直面的彎矩圖:
繪水平面的彎矩圖:
求合成彎矩:
該軸所受扭矩為:
按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
2.2.1.2 蝸輪軸的強(qiáng)度校
蝸輪軸的校核:
圖 2-4 蝸輪軸的彎扭矩圖
垂直面上的支承反力:
水平面的支承反力:
繪垂直面的彎矩圖:
繪水平面的彎矩圖:
求合成彎矩:
該軸所受扭矩為
按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度:
故,渦輪軸的強(qiáng)度滿足條件
2.2.2 渦輪軸健的校核
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔=40mm,L1=86mm,L=114mm
鍵
蝸桿軸聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩
選取LX6型彈性柱銷聯(lián)軸器,
蝸桿軸上零件的周向定位:
蝸輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接,平鍵截面,鍵槽用鍵槽銑刀加工,長為70mm,蝸輪與軸的配合
半聯(lián)軸器與軸的連接,選用平鍵,半聯(lián)軸器與軸的配合,軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的,選軸的直徑公差為s6。
查表 六 得=120MPa
表 3 健連接的許用壓力
許用擠壓應(yīng)力許用壓力
連接工作方式
健、軸的材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
靜連接
鋼
120~150
100~120
60~90
鑄鐵
70~80
50~60
30~45
動連接
鋼
50
40
30
2.3二級減速器(V帶減速器)
2.3.1 大輪與小輪直徑的確定
選定的電機(jī)的轉(zhuǎn)速為720轉(zhuǎn)/分,一級減速器的傳動比為36,為達(dá)到試驗(yàn)機(jī)的曲柄轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分。故二級減速器選擇傳動比為5的帶傳動減速器。
i =D1D2
帶型 小帶輪基準(zhǔn)直徑 小帶輪在720(r/min)的轉(zhuǎn)速
Z型 50(mm) 0.09
故選大輪直徑為250mm
2.3.2 中心距的計(jì)算
對于V帶傳動,中心距a一般可初取a0,為
0.7D1+D2
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