基于Solidworks的抓物機器車機構(gòu)設(shè)計及運動仿真【含三維仿真18張CAD圖紙】

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I摘 要很多地方是我們?nèi)祟悰]法進去的，因為其中的一些東西已經(jīng)對我們造成了生命的威脅，但我們又有必須進去的理由。在這種場合下，機械就能為我們解決這些問題，因為它可以代替我們進行一些危險操作，用來取代人力來工作。我們設(shè)計的抓物機器車是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種將機械手和搬運車聯(lián)系為一體的產(chǎn)品。使其能抓物運動，可以在地形復(fù)雜或惡劣、危險的環(huán)境里替人完成物體的搬運或者障礙的清除等工作。抓物機器車的設(shè)計主要是通過無線通信來控制小車的前進、后退或者轉(zhuǎn)彎，并由螺桿轉(zhuǎn)動，帶動螺桿上的螺母上下移動，再通過連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抓爪的閉合，從而實現(xiàn)抓物動作。絲桿豎直放置，轉(zhuǎn)臂固定在絲桿螺母上，步進電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，螺母會上下移動，轉(zhuǎn)臂也會上下移動，也就是機械手上下移動，滿足了機械手降下抓物，升高移動物體的情況。機械手的轉(zhuǎn)動，在由齒輪帶動固定絲桿的中間件轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)的。關(guān)鍵詞：機器車；抓物；絲桿IIAbstractMany 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 middlewareimplementation. Key words: machine car; grasping objects; screwIII目 錄引言 ...............................................................................11 設(shè)計方案 ......................................................................21.1 設(shè)計內(nèi)容 .......................................................................21.2 設(shè)計目的 .......................................................................21.3 方案的選擇 .....................................................................22 機械手的設(shè)計 .................................................................32.1 抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計 ................................................................32.2 爪片的設(shè)計 .....................................................................52.3 螺桿的設(shè)計 .....................................................................72.3.1 確定螺紋中徑 .................................................................82.3.2 螺桿的強度計算...............................................................92.3.3 螺母螺紋牙的強度計算 ........................................................92.4 連桿盤的設(shè)計..................................................................102.5 套筒的設(shè)計 ....................................................................112.5.1 套筒的尺寸 ..................................................................112.5.2 螺栓的選擇 ..................................................................112.5.3 螺紋連接的防松..............................................................133 轉(zhuǎn)臂的設(shè)計 ..................................................................133.1 受力分析 ......................................................................133.2 轉(zhuǎn)臂的尺寸計算 ...............................................................143.3 螺栓的設(shè)計 ....................................................................153.3.1 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計..............................................................15IV3.3.2 螺栓受力分析 ................................................................154 滑動絲桿的設(shè)計 .............................................................164.1 螺紋牙型的選擇 ...............................................................164.2 螺距選擇 ......................................................................164.3 絲桿直徑的確定 ...............................................................164.4 螺桿的強度計算 ...............................................................174.5 螺母螺紋牙的強度計算 ........................................................174.6 絲桿的長度 ....................................................................184.7 絲桿螺母的傳動形式 ...........................................................184.8 絲桿的固定 ....................................................................194.9 軸承的選擇 ....................................................................194.10 固定板的設(shè)計 ................................................................214.10.1 固定板的結(jié)構(gòu) ...............................................................224.10.2 固定架的固定 ...............................................................225 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 ..................................................................235.1 中間板的設(shè)計..................................................................235.2 鍵的選擇 ......................................................................255.3 齒輪的設(shè)計 ....................................................................255.3.1 選定齒輪類型，精度等級，材料及模數(shù) .......................................255.3.2 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 ....................................................265.3.3 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 ....................................................275.3.4 幾何尺寸計算 ................................................................27V5.4 軸的設(shè)計 ......................................................................286 車身的設(shè)計 ..................................................................306.1 上車身的設(shè)計..................................................................306.2 下車身的設(shè)計..................................................................316.3 支板的設(shè)計 ....................................................................356.3.1 支板的結(jié)構(gòu) ..................................................................356.3.2 尺寸計算 ....................................................................356.3.3 支板的連接 ..................................................................366.3.4 輪子孔的設(shè)計 ................................................................367 solidworks 的建模和仿真 ..................................................378 總結(jié) ..........................................................................38謝 辭 ............................................................................39參考文獻 .........................................................................40 第 1 頁 共 43 頁引言隨著社會的進步，社會的分工也越來越細，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，或者是擰同個部位的某個螺母，或者是接著同一個地方的線頭，就像電影《摩登時代》中所演的，由于老是做同一個動作，身體相同的部位得不到休息，于是開始產(chǎn)生了各種職業(yè)病。于是人們強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。于是機器人就被發(fā)明了出來，并替人完成那些很枯燥、單調(diào)、危險的工作。而且，機器人的發(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會。機器人的出現(xiàn)，使人們擺脫了那些繁瑣、危險的工作。一般的，在有危險，對人體有害的場合，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，聞多了會對人體造成難以想象的傷害；還有電焊的場合也是對人眼睛的傷害也很大，也是有了專門用來焊接的機器人。這樣的地方很多，在工業(yè)里已經(jīng)屢見不鮮了。特別是在汽車和工程機械行業(yè)里，噴漆和焊接那是必不可少的。也正是這些工作對汽車行業(yè)的不可或缺，近幾年來，國內(nèi)生產(chǎn)的工業(yè)機器人大多是用于服務(wù)汽車行業(yè)的，也正因為這樣，汽車工業(yè)的發(fā)展也推動了機器人的增長。在一些對灰塵要求很嚴的重要場合或者實驗室中，一旦灰塵的量超過了標(biāo)準(zhǔn)，就會有廢品的出現(xiàn)。例如要在 10 級潔凈室中制造的電腦重要器件。按國際標(biāo)準(zhǔn)，10 級潔凈室就是要在一立方英尺內(nèi)不得出現(xiàn)超過 10 個以上的直徑大于 0.5 微米的塵埃。100 級潔凈室就是在一立方英尺內(nèi)不得出現(xiàn) 100 個同樣大小的塵埃?？删褪窍脒M入 100 級潔凈室，工作人員也要換上特制的裝備才可以進去，而且，在進去之前的 5 個小時都不可以使用化妝品或者吸煙等，這條件可見很難做到了。所以 10級潔凈室也只能由機器來完成了，想進去，條件太苛刻了。而有些場合，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，我們很難進去，也沒法找里面的東西出來研究。于是特制的抓物機器車就很有必要設(shè)計出來。這次設(shè)計是基于三維軟件 Solidworks 設(shè)計的。該軟件的功能很強大，組件也很多。 Solidworks 是現(xiàn)在最主流的三維 CAD 解決方案，因為他具有了功能強大、易學(xué)易用、技術(shù)創(chuàng)新等特點。 而且 SolidWorks 可以提供不同的設(shè)計方案、減少了設(shè)計過程中的錯誤以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。對工程師和設(shè)計者來說，SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，操作更是簡單方便、易學(xué)易用。 第 2 頁 共 43 頁 第 3 頁 共 43 頁1 設(shè)計方案1.1 設(shè)計內(nèi)容因為是要進行比較精密的抓取物體，所以采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)對機器車的控制。通過無線接通電機，電機驅(qū)動輪子來實現(xiàn)小車的前進、后退與轉(zhuǎn)向。而在小車的上面則是抓物機械手的部件。要實現(xiàn)機械手的上下移動還有一定范圍的轉(zhuǎn)動，還有爪片的自由張合。1.2 設(shè)計目的（1）可以在危險的，無人可進入的地方抓住物體并且移動物體，便于實驗和研究。（2）由于抓物機器車使用無線通信技術(shù)控制，其動作準(zhǔn)確，操作簡單，因此可以提高穩(wěn)定性能。1.3 方案的選擇由于小車的移動都要很精確，所以只考慮了步進電機和伺服電機。步進電機的速率是由驅(qū)動器信號輸入的脈沖數(shù)量和頻率來控制的。但不適合在長時間和同方向的場合使用，這樣容易燒壞電機。而伺服電機與步進電機相比，在控制方式上很相似都是用脈沖串和方向信號，但價格相對來說較高。在性能滿足的情況下，考慮經(jīng)濟方面，我們采用了步進電機。對于機械手的上下移動，可以想到的有液壓、氣動還有絲桿?？紤]液壓和氣動都比較的便宜，但考慮到精確度，能采用的也只有絲桿了。對于爪片的自由張合，氣動便宜實用，但由于在前面都沒用到，在這里用的話還得設(shè)計氣動裝置，麻煩而且也不太實際，因此我們采用了步進電機。 第 4 頁 共 43 頁2 機械手的設(shè)計由于設(shè)計的抓物車一般是在危險的地方工作，那地方可能是一些夾縫什么的，因此我們設(shè)計的小車都比較的小。設(shè)小車的尺寸為 400*200*100mm，而抓取的物體最重為 6KG。2.1 抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計設(shè)抓盤的直徑為 50mm，爪子的開口角度為 120 度，抓爪可轉(zhuǎn)動 30 度。采用的是四桿機構(gòu)來實現(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)簡圖其中 L1 是連桿盤與抓盤的距離，L2 是爪子上兩個圓柱銷之間的距離，L3 是連桿與爪子的距離，L4 是連桿。如圖，L2、L3、L4 為定長，而 L1 隨著連桿盤的移動而改變，當(dāng)連桿盤向上移動時，L1 會變大，那時，連桿 L4 通過 L3 拉著 L2 向上轉(zhuǎn)動，那時爪子張開：相反，當(dāng)連桿盤向下移動時，連桿會壓爪子向下轉(zhuǎn)動，即爪子會抓緊物體。受力分析： 第 5 頁 共 43 頁圖 2-2 四桿受力分析=cos *FF2 ??2=sin *FF1 ??2由受力分析可知： 當(dāng) = 時， = ，也就是使爪子向下轉(zhuǎn)動的力與向外??345。 ??1??2的力是一樣的，這時，爪子處于平衡狀態(tài)。而隨著 的增大， 會大于 ,也就是??3 ??1 ??2說，當(dāng) 大于 45 度后，爪子盤向下，也就是 增大后，爪子的抓力反而變小，也??3 ??3就是說我們設(shè)計時 應(yīng)該小于 45 度，45 度時就是抓取物體的最小尺寸。??3從圖上可知，當(dāng) 為 45 度時， 越小，L4 越短，從材料和經(jīng)濟方面來看， 越小??3 ??2 ??2越好，故取 = 。??230。當(dāng)抓取的物體最小時，也就是抓爪轉(zhuǎn)動 30 度，那時 第 6 頁 共 43 頁圖 2-3 抓物受力簡圖// ，取 =10mm,??3 ??1 ??1則 = ， =30mm；??145。 ??4所以 30mm??4≥當(dāng)抓手的開口最大時，如圖圖 2-4 開口最大受力分析此時 、 連成一線，則??3 ??4= =??30。 ??130。設(shè) =30mm,則??1+ =2cos *30=52 mm??3??4 ??1 第 7 頁 共 43 頁所以 =42mm??4故 30 42≤??4≤取 =40mm??4在連桿中連接處會打通孔，我們算出來的就是兩孔間的距離，所以實際尺寸應(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，則連桿實際長度為 40+5*2=50mm.2.2 爪片的設(shè)計為了更好的抓起物體，使物體不掉下來，應(yīng)把爪片的下面做成一個傾角，受力分析如下：圖 2-5 抓物時受力簡圖Mg=cos *F+sin *??? ??cos * ?=sin *F?? ??F=Mg*cos??可知， 越小，F(xiàn) 會越大，當(dāng)取 為 45 度時，代入數(shù)據(jù)后得?? ??F=2*10*cos =14N45。根據(jù)拉壓桿的強度條件： 第 8 頁 共 43 頁=????????(??????)??????≤[??]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)性能表材料名稱牌號 /MPa???? / MPa???? /%??5 備注普通碳素鋼Q215Q235Q255Q275215235255275335-450375-500410-550490-63026-3121-2619-2415-20對應(yīng)久牌號 A2對應(yīng)久牌號 A3對應(yīng)久牌號 A4對應(yīng)久牌號 A5優(yōu)質(zhì)碳素鋼253545552753153553804505306006452320161325 號鋼35 號鋼45 號鋼55 號鋼合金鋼20Cr40Cr30CrMnSi54078588583598010801091020 鉻40 鉻30 鉻錳硅 第 9 頁 共 43 頁鋁合金 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 ??=274??????取安全系數(shù) n=1.2,代入數(shù)據(jù)得[ ]=274/1.2=228 Mpa??A 14/228* =0.06* ≥ 10?6 10?6??3故取抓爪的尺寸為 14*5=70 60mm>取首尾間的距離為 80mm由杠桿原理得圖 2-6 抓爪受力簡圖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 ??45。N=cos F45。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??=540?????? 第 10 頁 共 43 頁數(shù)據(jù)得[ ]=540/1.2=450 Mpa??A （112/450）* =0.25* ≥ 10?6 10?6??3所以取 連桿的橫截面面積為 5*6 mm連桿的尺寸為 40*5*6 mm2.3 螺桿的設(shè)計螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要是把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。主要運動形式有以下兩種：一種是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動；一種螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并且移。螺旋傳動按其用途不同，可分為以下三種：(1)傳力螺旋。 它以專遞動力為主，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。它以傳遞運動為主(3)調(diào)整螺旋。它可以調(diào)整、固定零件的相對位置。螺旋運動又可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪Y(jié)構(gòu)簡單、便于制造，易于自鎖，但其阻力大，磨損快，傳動精度低等。而滾動螺旋相反，阻力小，傳動精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我們要求的是能傳動動力，而且精度要求不高，行程較短，軸向力也不是很大，綜上，我們采用了滑動螺旋滑動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，工作對螺紋間的摩擦力要求不大、螺距又比較小時，可采用基本螺紋和細牙螺紋。當(dāng)載荷較大，螺距又較大時，應(yīng)采用梯形螺紋。它比三角甌的傳動效率高，強度大。因此采用梯形螺紋。 第 11 頁 共 43 頁表 2-1 螺旋傳動常用的材料螺旋副 材料牌號 應(yīng)用范圍Q235、Q275、45、50 材料不經(jīng)熱處理，適用于經(jīng)常運動，受力不大，轉(zhuǎn)速較低的傳動螺桿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。螺母ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅）材料耐磨性好，適用于一般傳動表 2-2 滑動螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦系數(shù) ?螺桿-螺母的材料滑動速度/（m/min）許用壓力/Mpa 摩擦系數(shù) ?低速 18-25鋼-青銅 ≤3.0 11-18 0.08-0.10 第 12 頁 共 43 頁6-12 7-10淬火鋼-青銅 6-12 10-13 0.06-0.08所以 0.04???>滿足自鎖條件。2.3.2 螺桿的強度計算螺桿的強度條件為：=??????1????2+3(4????1)2≤[??]式中：F-螺桿受到的軸向壓力；A-螺桿截面面積；-螺紋小徑；??1T-螺紋受到的扭矩;-螺桿材料的許用應(yīng)[??]表 2-3 滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力許用應(yīng)力/Mpa螺旋副材料[??] ???? [ ]??螺桿 鋼 ????3?5青銅 40-60 30-40鑄鐵 45-55 40螺母鋼 （1.0-1.2[??] 0.6[??]由表滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力得 =355，則 = =71 Mpa???? [??]3555 第 14 頁 共 43 頁把 F=148 N, =3.675mm ， =48.35 代入??1 ?? ????2得148.351482+3( 4??3.675)2≤71T 10.6 N m≤ ???所以，電機的扭矩應(yīng)該小于 10.6 N 。?????2.3.3 螺母螺紋牙的強度計算因為螺母的材料強度比較螺桿的強度要低很多，而螺紋牙又多因為發(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度。由剪切強度條件??= ??????????≤[??]彎曲強度條件為=??6??????????2??≤[????]式中： b-螺紋牙跟部的厚度，對于梯形螺紋，b=0.65 P l-彎曲力臂 l=?????22u-螺紋工作圈數(shù) u=????代入數(shù)據(jù)得=0.2 ]=30-40??=1483.14?16?0.65?2?22.5/2≤[??= =0.5 =40-60??6?148?0.53.14?16?1.32?11.25≤[????]因此螺紋的強度符合設(shè)計要求。螺桿的長度：工作行程為 30mm 加上螺母的高度 6mm,因此取長度為 36mm. 第 15 頁 共 43 頁2.4 連桿盤的設(shè)計連桿固定在連桿盤上，然后連桿盤與螺母連接，然后跟著螺母的上下移動而移動，從而通過連桿推動抓爪的轉(zhuǎn)動。連桿盤是在套筒里面上下運動的，而連桿要接到抓爪，要穿出套筒，因此在套筒上應(yīng)該會有三個長孔，滿足連桿隨著連桿盤上下移動，為了加工和安裝的方便，直接把孔開到口，而把連桿盤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 連桿盤的結(jié)構(gòu)簡圖中間的孔是為了螺桿能通過，使螺桿與連桿盤不接觸就可以了，而盤中的三個孔則是為了固定連桿盤與螺母而留的。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)螺母的報廢，故多用于受力不大，或不需用經(jīng)常拆裝的場合。在這里剛好適用。由于在這里，螺釘其固定作用，基本上只受連桿盤的重力作用，很小可忽略不計。連接處，在外力的作用下，銷釘與孔直接接觸。當(dāng)擠壓應(yīng)力過大時，在孔、銷接觸的局部區(qū)域內(nèi)，將產(chǎn)生顯著塑性變形，導(dǎo)致孔、銷間的正常配合。由擠壓強度條件= ??????????????≤[??????]式中： -擠壓力???? 第 16 頁 共 43 頁-耳片的厚度??d-孔的直徑代入數(shù)據(jù)得300*148????≤ 1060.5* ????≥ 10?6 ??2取 =10mm , d=4mm??則連桿盤的厚度可為 10mm2.5 套筒的設(shè)計2.5.1 套筒的尺寸套筒內(nèi)是螺桿，在桿上連桿盤固定在螺母上，套筒的下方是抓盤，但為了節(jié)約材料，我們把套筒和抓盤合在一起。如圖圖 2-8 套筒結(jié)構(gòu)抓盤的直徑是 50mm，則可設(shè)套筒的外徑為 35mm,內(nèi)徑可為 30mm。由于螺桿的長度為 36mm 套筒的長度為 50mm.套筒的上部分，為了便于安裝連桿和連桿盤，直接開了三個深糟，糟的深度與螺桿的長度一樣，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 螺栓的選擇對于連接件，一般的螺紋連接有幾種類型：（1）螺栓連接在被連接件上開有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母，這種連接的結(jié) 第 17 頁 共 43 頁構(gòu)特點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，往往采用雙頭螺栓連接。（3）螺釘連接這種連接的特點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單、緊湊。其用途和雙頭螺栓連接相似，但經(jīng)常拆裝時，易使螺紋孔磨損，會導(dǎo)致被連接件報廢，故多用于受力不大，或不需用經(jīng)常拆裝的場合。（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，以固定兩個零件的相對位置，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)姆植疾捎萌齻€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,??1得 =0.5*63.5=31.75 N??1總拉力 = =95.25 N??2 ??1+??3）直徑的確定選擇材料為 Q235、性能等級為 4.6 的螺釘，查表得材料屈服極限 =240Mpa，???? 第 18 頁 共 43 頁安全系數(shù) S=1.5，故螺釘材料的許用應(yīng)力 = Mpa.[??]=??????2401.5根據(jù)螺栓危險截面的拉伸強度條件=??????1.3????2??4??21≤[??]得 ??1≥4?1.3??2??[??]代入數(shù)據(jù)得 =1mm??1≥4?1.3?95.253.14?160按普通螺紋的基本尺寸（GB196-81），選用螺紋公稱直接 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度為L=10mm所以螺釘?shù)臑?M3*10-Q。重量為 0.003kg2.5.3 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、振動等的作用下，螺旋副間的摩擦力會變小甚至消失。多次后就會使連接松脫，因此要進行防松。防松的根本就是在于防止螺旋副在受載的時候發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，防松的方法可分為摩擦防松、機械防松和破壞螺旋副運動關(guān)系防松等。其中摩擦防松又可分為對頂螺母、彈簧墊圈、自鎖螺母。這幾中方法都是結(jié)構(gòu)簡單，方便使用。故選用了彈簧墊圈來防松。3 轉(zhuǎn)臂的設(shè)計 第 19 頁 共 43 頁轉(zhuǎn)臂的作用是支撐機械手和抓取的物體的重量，因此在這里對強度要求很嚴格。在這里，轉(zhuǎn)臂固定在左邊的螺母上，并隨著螺母上下移動，因此可以把轉(zhuǎn)臂當(dāng)做懸臂梁來算。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畫出剪力、彎矩圖，如上圖所示。3.2 轉(zhuǎn)臂的尺寸計算圖 3-2 轉(zhuǎn)臂的尺寸從彎曲強度考慮，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 第 20 頁 共 43 頁于許用應(yīng)力。= =[ ]??????????(×)??(×) ??得=??(×）??(×)[ ??]而對于矩形截面懸臂梁，=F*x??(×）??(×)=???26得h(x)=6??????[??]采用材料鋁合金來加工梁，則[ ]=228MPa.因為車的長度為 400mm，若在車的??中間立起絲桿，設(shè)最遠可以抓離車 100mm 遠的物體，則算出了梁的長度為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 mm6?63.5?30055?228但一般情況下，在外力作用下，梁的軸線會由直線變成曲線。研究表明，對于細長梁來說，剪力對其的變形影響一般很小，可以忽略不計，彎曲時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??????33????≤??500其中：彈性模量 E=200GPa,矩形的慣性矩 I=???312 第 21 頁 共 43 頁代入數(shù)據(jù)得h 6.3* m=6.3mm≥ 10?3綜上，可以取 h=15mm3.3 螺栓的設(shè)計轉(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，同時在上方也要打幾個固定電機的孔。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而實現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的上下移動。在上面我們說到了很多的連接方式和各個方式的優(yōu)點。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)計采用如圖所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù) z=4，對稱布置圖 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，因此每個螺栓所受的力為F=MG/4=15.9 N而 = +F??2??1取 =0.5F??1 第 22 頁 共 43 頁則 ??2=15.9+15.9?0.5=23.85 ??由螺栓危險截面的拉伸強度條件：=??????1.3??2??4??21≤[??]得 ??1≥4?1.3??2??[??]代入數(shù)據(jù)得 =0.8mm??1≥4?1.3?23.853.14?160取 =3.242mm??1查得 d=4mm.查六角頭螺栓，取螺栓 M4*304 滑動絲桿的設(shè)計絲桿螺母機構(gòu)主要是用來將螺旋運動變換成直線運動，或者將直線運動變換成螺旋運動，絲桿螺母機構(gòu)又分為滑動摩擦機構(gòu)和滾動摩擦機構(gòu)，滑動絲桿螺母機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、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，傳動效率低。與滑動絲桿副相比，滾動絲桿副摩擦阻力矩小，傳動效率大，而且還具有軸向剛度高、運動平穩(wěn)，傳動精確度高，不易磨損，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，而且不能自鎖，具有傳動的可逆性，在做升降傳動結(jié)構(gòu)的時候，還要采取制動措施。我們才用了滑動絲桿來實現(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傳動，常用的螺紋有牙型角為 普通公制螺紋和牙型為 的梯60. 30. 第 23 頁 共 43 頁形螺紋兩種。當(dāng)絲桿螺母結(jié)構(gòu)的載荷不大，螺紋間的摩擦對工作影響不大，而又要求小螺距的時候，可采用公制基本螺紋和公制細牙螺紋。當(dāng)載荷較大時，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效率高，強度大，螺距打。螺距小時，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。60.4.2 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)實際的進給可選擇螺距為 0.5mm4.3 絲桿直徑的確定查表螺旋傳動常用的材料和滑動螺旋副材料的許用壓力[p]及摩擦系數(shù) ? 可取：螺桿的材料可用 45 號鋼，螺母可用 ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅），選滑動速度為低速，許用壓力 [p] 為 20Mpa.由滑動螺旋的耐磨性計算公式對于普通螺紋，有0.56??2≈??????[??]其中:h-螺紋的工作高度t-螺距螺母高度H= ???2取 ，代入數(shù)據(jù)得?=1.50.56 =1.3??2≥63.5?0.50.2?1.5?20查機械手冊取 =12.701mm, 螺距 P=2mm ??2d=14mm,小徑 =11.835mm； 大徑 ??1 第 24 頁 共 43 頁H=1.5*12.701=19.0515mm4.4 螺桿的強度計算螺桿的強度條件為：=??????1????2+3(4????1)2≤[??]式中：F-螺桿受到的軸向壓力；A-螺桿截面面積；-螺紋小徑；??1T-螺紋受到的扭矩;-螺桿材料的許用應(yīng)力。[??]由表滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力得 =355，則 = =71 Mpa???? [??]3555把 F=63.5 N, =11.835mm ， =102.554 代入??1 ?? ????2得1102.55463.52+3( 4??11.835)2≤71T 19.8 N≤ ?????所以，電機的扭矩應(yīng)該小于 19.8 N 。?????4.5 螺母螺紋牙的強度計算因為螺母的材料強度比螺桿的低，而螺紋牙又多因為發(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度。由剪切強度條件??= ??????????≤[??]彎曲強度條件為 第 25 頁 共 43 頁=??6??????????2??≤[????]式中： b-螺紋牙跟部的厚度，對于梯形螺紋，b=0.65 P l-彎曲力臂 l=?????22u-螺紋工作圈數(shù) u=????代入數(shù)據(jù)得=0.2 ]=30-40??=63.53.14?6?0.65?2?22.5/2≤[??= =0.5 =40-60??6?148?0.53.14?6?1.32?4.459≤[????]因此螺紋的強度符合設(shè)計要求4.6 絲桿的長度如圖所示：設(shè)抓手與地面的距離為 200mm圖 4-1 高度簡圖 第 26 頁 共 43 頁a+H=h+L+200其中：a 為絲桿長度；H 為小車高度；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 絲桿螺母的傳動形式根據(jù)絲桿和螺母的相對運動情況，其基本傳動形式可以分為：（1）螺母固定、絲桿轉(zhuǎn)動并移動 這種傳動形式是因為螺母起支承作用，并消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的軸向竄動，結(jié)構(gòu)簡單，傳動精度較高，但剛性差，一般用于行程較小的場合（2） 絲桿轉(zhuǎn)動、螺母移動 該傳動需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，因此需要導(dǎo)向裝置。（3） 螺母移動，絲桿移動 這種傳動需要限制螺母的移動和絲桿的轉(zhuǎn)動，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)動并移動 該結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但使用時很不方便，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)運動，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，可以分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動阻力小，選用、潤滑、維護都比較方便，選用滾動軸承。滾動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 第 27 頁 共 43 頁圖 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 第 28 頁 共 43 頁圖 4-4 推力軸承（4）對絲桿進行受力分析得圖 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，查機械手冊后，取最小的向心推力軸承，也就是 36200GB292-64.根據(jù)軸承使用的機械種類及工作情況適當(dāng)選擇確定軸承的壽命?，F(xiàn)假設(shè)供料機構(gòu)每天工作 8 小時，預(yù)計使用壽命為 5 年，則：L=8 =14600h×365×5采用正裝的安裝方式，對軸承受力分析中，如圖 第 29 頁 共 43 頁圖 4-6 軸承的正裝因為 取 e=0.4????=????????=38.1 N????2=0.4??????2=0.4?63.5?300200????1=??????+????2=30+38.1=68.1 ??N????1=76.5N????2=95.25=0.02????1??0=68.13050=0.012????2??0=38.13050.89 e ????1????1=68.176.5=0 >=0.4=e????2????2=38.195.25查《機械設(shè)計》表 13-5 徑向動載荷系數(shù) X 和軸向動載荷系數(shù) Y，可知=0.44 =1.42 =1 =0??1 ??1 ??2 ??2當(dāng)量動載荷 P 的一般計算公式：P= ( )????×??????+??????——載荷系數(shù)，由《機械設(shè)計》表 13-6 根據(jù)載荷性質(zhì)，選取載荷系數(shù)，這里取????=1.5；???? 第 30 頁 共 43 頁——徑向動載荷系數(shù)，??——軸向動載荷系數(shù)， ??——徑向載荷； ????——軸向載荷；????因而：( )=195.5 N??1=1.5×0.44?76.5+1.42?68.1( )=142.9 N??2=1.5×1?95.25+0查《機械設(shè)計》表 13-4 溫度系數(shù) 可知：????取溫度系數(shù) =1????對于球軸承，選取 ??=3查《機械零件設(shè)計手冊》可知滾動軸承 36200GB292-64 的額定動載荷 C=5.15KN。軸承基本額定壽命公式：= (???10660??????????)??= =177434 14600h10660×172×(5150×1195.5)3 ?所以選擇的軸承可以滿足要求。4.10 固定板的設(shè)計由于絲桿較長，因此不僅下方要固定，上面也要固定，所以在上方做了一個板來固定。4.10.1 固定板的結(jié)構(gòu)簡圖如下 第 31 頁 共 43 頁圖 4-7 固定板結(jié)構(gòu)因為上面也有一個軸承，由軸承安裝可知，h B=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 D 30mm,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，對稱布置圖 4-8 螺栓分布螺栓受力分析：螺栓受抓手的重力作用，因此每個螺栓所受的力為F=95.25*250/20/4=298N 第 32 頁 共 43 頁而= +F??2??1取 =0.5F??1則 ??2=298+298?0.5=446 ??由螺栓危險截面的拉伸強度條件：=??????1.3??2??4??21≤[??]得 ??1≥4?1.3??2??[??]代入數(shù)據(jù)得 =2.1mm??1≥4?1.3?4463.14?160取 =4.134mm??1查得 d=3mm.查六角頭螺栓，取螺栓 M3*10那么 L=l+2*8=44+16=60mm5 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計為了轉(zhuǎn)角的精確，我們選用了齒輪來傳動，但由于齒輪只能傳動，而不能在上面固定零件，因此我們需要一個中間板來實現(xiàn)。也就是說，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，從而實現(xiàn)了用電機傳動齒輪，齒輪傳動到中間板，從而中間板轉(zhuǎn)動，固定在中間板上的絲桿，固定板、機械手等也跟著轉(zhuǎn)動。 第 33 頁 共 43 頁5.1 中間板的設(shè)計當(dāng)中間板起固定作用時，其的長和寬可以與上面的固定架相同，也就是長為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，查機械手冊得直徑為 30mm，寬為 9mm.所以板的中間應(yīng)該開一個直徑 30mm 的孔，同時再開一個小孔，以便多余長的絲桿不碰到板。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)簡圖但在下方我們需要的是齒輪傳動到中間板，使中間板轉(zhuǎn)動。顯然，目前的中間板是不可能的，沒有軸和鍵的位置，因此我們可以把板加厚，以達到安裝鍵的尺寸。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應(yīng)下來的部分。則形狀如圖：