精密機械設計課程設計--二自由度機械手

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

2、子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新，機械手的研究、制造和應用水平，是一種機體獨立，動作自由度較多，自動化程度高的自動操作機械。機械手的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。</p><p>　　通常把傳送機構的運動稱為傳送機構的自由度。從力學的角度分析，物件在空間只有6個自由度。因此為抓取和傳送在空間不同位置和方位物件，傳送機構也應具有6個自

3、由度。常用的機械手傳送機構的自由度還多為少于6個的。一般的專用機械手只有2～4個自由度，而通用機械手則多數(shù)為3～6個自由度（這里所說的自由度數(shù)目，均不包括手指的抓取動作）。</p><p>　　我們小組選擇設計一個二自由度機械手，通過齒輪和齒條的傳動，以及電機旋轉(zhuǎn)的帶動作用，實現(xiàn)上下移動和繞軸旋轉(zhuǎn)這兩個自由度。具體設計情況見后文。</p><p><b>　　目錄</b&g

4、t;</p><p>　　一、設計任務及小組分配4</p><p>　　1.課程設計目的4</p><p><b>　　2.主要任務6</b></p><p>　　二、結構設計說明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)計算過程及結果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11</p><p>　　3.齒輪和直齒條的相關計算12</p><p>　　4.電機的選擇14</p><p>　　5.聯(lián)軸器

6、的相關計算16</p><p>　　6.電機處四個螺栓的計算17</p><p>　　7.板材右側及左側配重的計算17</p><p>　　四、其它技術說明18</p><p><b>　　五、改進設想18</b></p><p><b>　　六、設計小結19</b&g

7、t;</p><p>　　一、設計任務及小組分配</p><p><b>　　1.課程設計目的</b></p><p>　　“精密機械設計基礎”課程設計作為實踐環(huán)節(jié)對于整個課程具有非常重要 的意義。學生在這個環(huán)節(jié)中不僅是完成一項指定任務，更重要的是實際走過一個完整的設計過程。學生在課程設計中應該定位為設計者。設計者要進行方案篩選論證，要考慮裝配

8、關系，考慮結構工藝性，考慮選材。整個設計采用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，僅僅圖形表達正確是遠遠不夠的。圖紙的尺寸標注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正確選擇材料，要有技術要求?？傊ㄟ^課程設計要使學生知道，設計過程包括那些步驟，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>　　具體應用、鞏固加深和擴大課程及有關先修課程的理論知識、生產(chǎn)知識，了解精密機械設計的一般設計方法和步驟培養(yǎng)學生的實際設計能力，為以后進行畢業(yè)設計打下基礎；</p><p>　　（2）掌握正確的設計思想。通過課程設計使同學掌握儀表的設計思路。機械產(chǎn)品設計，一般其主要過程為：接受）設計任務－（擬定）設計方案－設計計算－繪制裝配圖－繪制零件圖設計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（結構合理、簡單，經(jīng)濟性，外觀要求3）熟悉有關規(guī)范、標準、手冊設計中涉及到的零件材料、結構等，均需按照有關標準選零件的尺寸、公差等亦應符合相關標準；制圖也要符合一定的規(guī)范。因此在課程設計過程中要求同學學習、掌握查閱標準及使用手冊的能力。</p><p><b>　　2.主要任務</b></p><p>　　在分析功能要求及參考

11、圖的基礎上：</p><p>　　進行方案設計與計算，并繪制方案草圖和正式圖。包括示平移、升降、抓取等機構的設計、計算及其相互連接，零位設計及其誤差估計；</p><p>　　典型零件的設計計算，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、結構設計說明</b>&

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

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

14、>　　整個結構的材料使用Q235鋼。</p><p>　　2.存在問題及解決方案</p><p>　　電機的轉(zhuǎn)速偏高，可能會在傳動過程中由于轉(zhuǎn)速太快導致整個裝配結構不穩(wěn)定，直齒條會飛出。我們的解決方案是加一個減速機構，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。 我們選擇一級圓柱齒輪減速器，即在原來的齒

15、輪和齒條之間再加一個齒數(shù)為原齒輪二倍的大齒輪，使傳動比為2，從而實現(xiàn)減速。</p><p>　　裝配的大部分零件位于偏右的位置，可能會由于重心不在中間使得整個裝配體向右傾斜。我們的解決方案是在底座的左側加一塊與右側質(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>　　右側電機的固定問題。右側電機選用低速電機，并用螺釘將其固定在板A的右側。</p><p>　　右側電機軸和機械手軸的聯(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)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸

17、和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。</p><p>　　三、主要參數(shù)計算過程及結果</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是碳素結構鋼，通常情況下，該鋼不經(jīng)過熱處理直接進行使用，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），并具有一定的強度，適合于橋梁、建筑等工程結構，實用性能好，價格相對也很便宜，性價比高。密度為7.858g/cm³，許用應力16kg/cm²。</p><p>　　箱體、軸、軸肩、夾具選用的材料為40Cr。40Cr鋼是機械制造業(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，水淬時可淬透到Ф28～60mm,油淬時可

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，當硬度為174～229HB時，相對切削加工性為60%。該鋼適于制作中型塑料模具。</p><p>　　機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2XXX，常用的有2Al1、2Al2等。硬鋁有良好的

20、機械性能，強度大（如2Al2-T4抗拉強度可達469MPa以上）又便于加工，而且密度小，可作輕型結構材料。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</p><p><b>　　相關參數(shù)設定為：</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計算</p><p>　　齒輪模數(shù)標準系列（摘錄GB/T1357-1987)如下

23、表</p><p>　　注：選用模數(shù)時，應優(yōu)先選用第一系列；其次選用第二系列；括號內(nèi)的模數(shù)盡可能不用。</p><p>　　標準直齒圓柱齒輪各部分的尺寸與模數(shù)有一定的關系，計算公式如下表：</p><p><b>　　（1）小齒輪</b></p><p>　　模數(shù)：m=2 齒數(shù)：z=17</p><

24、p>　　因為m≧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>　　因為m≧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>　　大小齒輪傳動比：i===2</p><p>　　減速結果：電機轉(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、降距離計算：</p><p>　　上升、下降距離：300-260=40mm</p><p>　　對直齒條上升40mm所需時間進行計算：</p><p>　　齒輪2周長為C=2πr=2×3.14×34=213.52mm</p><p>　　時間為×=1.124s</p><p><b&

30、gt;　　4.電機的選擇</b></p><p><b>　　箱體內(nèi)的電機</b></p><p>　　選擇的型號為靈浪品牌四口機電機</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：耐用、低噪音、低震動、發(fā)熱小</p><p><b>　　聯(lián)接機械手的電機</b></p><p>　　選用標紅框內(nèi)型號的電機。</p><p>　

32、　對電機軸進行應力計算:</p><p>　　當物體運動時，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>　　小圓柱的應力=彎矩/抗彎截面系數(shù)==1083.333 N/cm²小于16kN/cm²,設計符合條件。

33、</p><p>　　5.聯(lián)軸器的相關計算</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>　　每個螺栓上需要的預緊力：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>　　當聯(lián)軸器的鉸制孔與受剪螺

36、栓的配合為或時，兩個半聯(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，每個螺栓所受的剪力：</p><p>　　F0===11.25N</p><p>　　螺栓中心圓的直徑D0=4mm=0.004m</p><p>　　6.電機處四個螺栓的計算</p><p>　　對4個螺栓進行應力計算：</p><p>

37、;　　抗彎截面系數(shù)：Wz=4×0.1×0.2×0.2×0.2=0.0032cm³</p><p>　　應力=彎矩/抗彎截面系數(shù)=23.4/0.0162=7312.5N/cm²</p><p>　　小于16KN/cm²,設計符合條件。</p><p>　　7.板材右側及左側配重的計算</p&g

38、t;<p>　　對下面的板材進行應力計算：</p><p>　　板材右側的質(zhì)量（近似計算）: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>　　應力=彎矩/抗彎截面系數(shù)==5.5222×N·m小于許用應力16KN/cm²=16×N/m²,設計符合條件。</p

40、><p>　　對左側進行配重計算：</p><p>　　左側配重近似為上方板材右側的質(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、其它技術說明</b></p><p>

41、<b>　　齒輪傳動的潤滑:</b></p><p>　　潤滑對齒輪傳動的工作能力有很大的影響，許多類型的齒面損傷如點蝕、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。因此對齒輪傳動進行適當?shù)臐櫥?，可以大為改善齒輪的工作狀況，且保持運轉(zhuǎn)正常及預期的壽命?？蛇x用如

42、下型號的潤滑劑：</p><p><b>　　五、改進設想</b></p><p>　　直齒條固定處磨損較嚴重，改進設想采用彈簧固定，減小摩擦，提高穩(wěn)定性。</p><p>　　機械手的開合問題。用機械手的開合來實現(xiàn)一個自由度，代替直齒條升降。</p><p><b>　　六、設計小結</b><

43、;/p><p>　　本次課程設計主要分為兩個階段，第一階段是前期的準備階段，第二階段是為期兩周的具體設計，讓我收獲頗豐。 </p><p>　　經(jīng)過大半個月的學習，我的精密機械課

44、程設計總算是圓滿結束。這是大學以來的第一次課程設計，也是對大學以來所學知識的一次綜合運用與實踐，抱著這種心態(tài)，我將更多的時間和精力投入到課程設計中，充分利用好這個機會，讓自己對所學知識有全面的提升。在看過課程設計的要求與說明之后，由于理論知識的不足，再加上平時沒什么設計經(jīng)驗，一開始的時候有些手忙腳亂，自己也不知從何處開始。在經(jīng)過老師的多次指導下，同時積極與同組的同學溝通交流，自己漸漸有了設計思路。首先確定設計方案，然后列計劃，按照計劃進

45、行。之后，我去圖書館查閱了大量設計需要的相關資料，包括所需各個零件的材料，和一些計算的參數(shù)等等。</p><p>　　在設計的過程中培養(yǎng)了我的綜合運用機械設計課程及其他課程理論知識和解決實際問題的能力，真正做到了學以致用。也讓我學會了較為熟練地運用SolidWorks很為實用的軟件。這個在此期間我和其他同學之間互相幫助，一起研究討論課程設計過程中遇到的困難，培養(yǎng)了我們的團隊精神。在這些過程當中，我充分的認識到自己