精密機械設計課程說明書2013010420

1、二自由度機械手課程設計精密機械課程設計說明書二自由度機械手 學院 光電學院 班級 測控1302 姓名 孫亞培 2013010420 指導老師 閆光 課設日期 2016.1 前言 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。通常把傳送機構(gòu)的運動稱為傳送機構(gòu)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

2、同位置和方位物件，傳送機構(gòu)也應具有6個自由度。常用的機械手傳送機構(gòu)的自由度還多為少于6個的。一般的專用機械手只有24個自由度，而通用機械手則多數(shù)為36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）。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。目錄一、設計任務及小組分配41.課程設計目的42.主要任務6二、結(jié)構(gòu)設計說明71.初始方案草圖72.存在問題及解決方案8三、主要參數(shù)計算過程及結(jié)果101.各部分材料選擇說明102.底座外形尺寸及質(zhì)量初步估計113.齒輪和直齒條的相關(guān)計算124.電機的選擇

3、145.聯(lián)軸器的相關(guān)計算166.電機處四個螺栓的計算177.板材右側(cè)及左側(cè)配重的計算17四、其它技術(shù)說明18五、改進設想18六、設計小結(jié)19總體方案設計1、二自由度機械手系統(tǒng)設計二自由度機械手系統(tǒng)由機械本體結(jié)構(gòu)，步進電機組成2、機械本體結(jié)構(gòu)從機構(gòu)學的角度來分析，二自由度機械手機械結(jié)構(gòu)可以看作由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運動鏈兩自由度機械手機械系統(tǒng)設計思想 首先利用solidworks軟件作為輔助設計工具進行兩自由度機械手的機械零件設計，建立三維模型。然后，經(jīng)虛擬裝配后，生成虛擬樣機，進行機械系統(tǒng)虛擬樣機分析，分析其運動軌跡及機械零件結(jié)構(gòu)。最后，利用autoCAD軟件繪制

4、出準確的二維投影圖，便可得到可以實際加工出物理樣機投影視圖。機械手自由度的選擇 機械手運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。在考慮機械手用途、成本及技術(shù)難度等問題后，本組選擇機械手的自由度為2個，末端機械爪可以自由旋轉(zhuǎn)，中部直齒條和齒輪作用完成升降。兩自由度機械手的數(shù)學描述 機械手具有兩個自由度，其上端執(zhí)行機構(gòu)位置相對于機械本體不斷的變化。如果要對上端執(zhí)行器進行精確的控制，則要對其空間位置進行精確的描述。應用齊次坐標變換不僅能夠 對坐標進行描述，也能夠表達控制算法、 計算機視覺和計

5、算機圖形學等問題一、設計任務及小組分配1.課程設計目的 “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，要考慮裝配關(guān)系，考慮結(jié)構(gòu)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(shù)要求。總之，通過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

6、工圖紙是什么樣子。其目的是：（1） 具體應用、鞏固加深和擴大課程及有關(guān)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； （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)濟性，外觀要求3）熟悉有關(guān)規(guī)范、標準、手冊設計中涉及到的零件材料、結(jié)構(gòu)等，均需按照有關(guān)標準選零件的尺寸、公差等亦應符合相關(guān)標準；制圖也要符合一定的規(guī)范。因

7、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。2.主要任務在分析功能要求及參考圖的基礎上：（1） 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(gòu)的設計、計算及其相互連接，零位設計及其誤差估計；（2） 典型零件的設計計算，并繪制零件圖；編寫說明書?？傮w裝配模型如圖所示：二、結(jié)構(gòu)設計說明1.初始方案草圖簡要說明：（1） 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。（2） 齒輪再帶動直齒條的上下移動，從而實現(xiàn)沿上下方向移動的一個自由度。（3） 為了對直齒條起固定作用，我們制作一個箱體，并在箱體上

8、開槽固定。（4） 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。（5） 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)。（6） 整個結(jié)構(gòu)的材料使用Q235鋼。2.存在問題及解決方案（1） 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(jié)構(gòu)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(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。 我們選擇一級圓柱齒輪減速器，即在原來的齒輪和齒條之間再加一個齒數(shù)為原齒輪二倍

9、的大齒輪，使傳動比為2，從而實現(xiàn)減速。（2） 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(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。（3） 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，并將上端部分和板A用螺釘固定。（4） 右側(cè)電機的固定問題。右側(cè)電機選用低速電機，并用螺釘將其固定在板A的右側(cè)。（5） 右側(cè)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(gòu)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

10、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。三、主要參數(shù)計算過程及結(jié)果1.各部分材料選擇說明底座、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(jié)構(gòu)，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。箱體、軸、軸肩、夾具選

11、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2860mm,油淬時可淬透到1540mm。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174229HB時，相對切削加工性為60%。該鋼適于制作中型塑料模具。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2.24.9%Cu、0.21.8%Mg、0.30.9%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。硬鋁有良好的機械性能，強度大（如2Al2-T4

12、抗拉強度可達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。Q235是碳素結(jié)構(gòu)鋼，與舊標準GB700-79牌號中的A3、C3鋼相當，是沿用俄羅斯TOCT的牌號。其鋼號中的Q代表屈服強度。通常情況下，該鋼不經(jīng)過熱處理直接進行使用。GB700-88標準中碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235按冶金質(zhì)量分為A、B、C、D四個等級，各等級的鋼種含Si量均為0.3%，區(qū)別在于含碳量和硫、磷含量的不同。AB級含碳量為0.14%0.22%和0.12%0.20%，CD級含碳量為0.18%、0.17%，A級的含Mn量最小，D級SP含量最小。國內(nèi)有不少應用低碳馬氏體剛強烈淬火工藝制造

13、冷作模具的實例。利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，在該鋼表面進行Mo-Cr共滲，隨后進行超飽和滲碳、淬火及回火復合處理，Mo-Cr躬身層厚度在100微米以上，表面Mo含量可達20%，Cr含量達到10%，超飽和滲碳表面含碳量超過2.0%，表面成分接近鉬系高速鋼，淬火及回火后表面硬度高達1300HV，超過一般冶金高速鋼。磨損試驗表明，摩擦系數(shù)隨著接觸應力的增加而增大，平均相對耐磨性是GCr15滲碳淬火鋼的2.2倍。Q235模具鋼淬火規(guī)范淬火溫度為950，鹽浴爐加熱，10%NaCl鹽水冷卻淬火。用途編輯1、可用于各種磨具把手以及其他不重要的磨具零件。1  2、曾經(jīng)選用GCr15、9SiCr、T8

14、及45鋼，由于工件有咬模、粘?，F(xiàn)象發(fā)生，鍛胚很難從模具中沖出來，致使沖頭產(chǎn)生塑性變形、彎曲和斷裂，壽命較短，每10件沖頭約沖螺栓8001200件；后采用Q235鋼做沖頭材料，經(jīng)淬火后不回火直接使用，硬度為3640HRC，每十件沖頭能沖螺栓2000件以上，而且失效形式為塑性變形，解決了沖頭在使用中碎裂的現(xiàn)象，保證了操作者的人身安全。2  2.底座外形尺寸及質(zhì)量初步估計相關(guān)參數(shù)設定為：材料：Q235鋼 材料密度：=7.85g/cm³4.電機的選擇（1） 箱體內(nèi)的電機選擇的型號為靈浪品牌四口機電機電壓：110V轉(zhuǎn)速：20r/min 配有電容質(zhì)量：250g材質(zhì)：銅包鋁線優(yōu)點：耐用、

15、低噪音、低震動、發(fā)熱小5.聯(lián)軸器的相關(guān)計算采用凸緣聯(lián)軸器，體積為17.53cm³，選用Q235鋼，密度為7.8g/cm³6.電機處四個螺栓的計算對4個螺栓進行應力計算：抗彎截面系數(shù)：Wz=4×0.1×0.2×0.2×0.2=0.0032cm³應力=彎矩/抗彎截面系數(shù)=23.4/0.0162=7312.5N/cm²小于16KN/cm²,設計符合條件。四、其它技術(shù)說明齒輪傳動的潤滑: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。輪齒嚙合面

16、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用如下型號的潤滑劑：五、改進設想1. 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。2. 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。 六、設計小結(jié)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。 經(jīng)過大半個月的學習，我的精密機械課程設計總算是圓滿結(jié)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，按照計劃進行。之后，我去圖書館查閱了大量設計需要的相關(guān)資料，包括所需各個零件的材料，和一些計算的參數(shù)等等。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