精密机械设计课程说明书2013010420图文

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1、二自由度机械手课程设计精密机械课程设计说明书二自由度机械手 学院 光电学院 班级 测控1302 姓名 孙亚培 2013010420 指导老师 闫光 课设日期 2016.1 前言 机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新，机械手的研究、制造和应用水平，是一种机体独立，动作自由度较多，自动化程度高的自动操作机械。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间不

2、同位置和方位物件，传送机构也应具有6个自由度。常用的机械手传送机构的自由度还多为少于6个的。一般的专用机械手只有24个自由度，而通用机械手则多数为36个自由度（这里所说的自由度数目，均不包括手指的抓取动作）。我们小组选择设计一个二自由度机械手，通过齿轮和齿条的传动，以及电机旋转的带动作用，实现上下移动和绕轴旋转这两个自由度。具体设计情况见后文。目录一、设计任务及小组分配41.课程设计目的42.主要任务6二、结构设计说明71.初始方案草图72.存在问题及解决方案8三、主要参数计算过程及结果101.各部分材料选择说明102.底座外形尺寸及质量初步估计113.齿轮和直齿条的相关计算124.电机的选择

3、145.联轴器的相关计算166.电机处四个螺栓的计算177.板材右侧及左侧配重的计算17四、其它技术说明18五、改进设想18六、设计小结19总体方案设计1、二自由度机械手系统设计二自由度机械手系统由机械本体结构，步进电机组成2、机械本体结构从机构学的角度来分析，二自由度机械手机械结构可以看作由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链两自由度机械手机械系统设计思想 首先利用solidworks软件作为辅助设计工具进行两自由度机械手的机械零件设计，建立三维模型。然后，经虚拟装配后，生成虚拟样机，进行机械系统虚拟样机分析，分析其运动轨迹及机械零件结构。最后，利用autoCAD软件绘制

4、出准确的二维投影图，便可得到可以实际加工出物理样机投影视图。机械手自由度的选择 机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。在考虑机械手用途、成本及技术难度等问题后，本组选择机械手的自由度为2个，末端机械爪可以自由旋转，中部直齿条和齿轮作用完成升降。两自由度机械手的数学描述 机械手具有两个自由度，其上端执行机构位置相对于机械本体不断的变化。如果要对上端执行器进行精确的控制，则要对其空间位置进行精确的描述。应用齐次坐标变换不仅能够 对坐标进行描述，也能够表达控制算法、 计算机视觉和计

5、算机图形学等问题一、设计任务及小组分配1.课程设计目的 “精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要 的意义。学生在这个环节中不仅是完成一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中应该定位为设计者。设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。整个设计采用Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。我们要求每人拿出至少一张可用于加工的图纸。这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过课程设计要使学生知道，设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加

6、工图纸是什么样子。其目的是：（1） 具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础； （2）掌握正确的设计思想。通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图设计过程中需注意以下内容：1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求3）熟悉有关规范、标准、手册设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因

7、此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。2.主要任务在分析功能要求及参考图的基础上：（1） 进行方案设计与计算，并绘制方案草图和正式图。包括示平移、升降、抓取等机构的设计、计算及其相互连接，零位设计及其误差估计；（2） 典型零件的设计计算，并绘制零件图；编写说明书。总体装配模型如图所示：二、结构设计说明1.初始方案草图简要说明：（1） 选用一个有一定高度小桌作为整体的底座，桌面上放一个低速旋转的电机，齿轮套在电机的轴上，电机转动带动齿轮转动。（2） 齿轮再带动直齿条的上下移动，从而实现沿上下方向移动的一个自由度。（3） 为了对直齿条起固定作用，我们制作一个箱体，并在箱体上

8、开槽固定。（4） 直齿条上端和一块板A相固定，直齿条的上下移动带动板A的上下移动。（5） 板A上连接一根轴，该轴一端与电机轴用联轴器连接，另一端连接机械手。电机转动带动轴和机械手的转动，从而实现另一个自由度旋转。（6） 整个结构的材料使用Q235钢。2.存在问题及解决方案（1） 电机的转速偏高，可能会在传动过程中由于转速太快导致整个装配结构不稳定，直齿条会飞出。我们的解决方案是加一个减速机构，减速器的一般类型有：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、齿轮-蜗杆减速器、轴装式减速器、组装式减速器、轴装式减速器、联体式减速器。 我们选择一级圆柱齿轮减速器，即在原来的齿轮和齿条之间再加一个齿数为原齿轮二倍

9、的大齿轮，使传动比为2，从而实现减速。（2） 装配的大部分零件位于偏右的位置，可能会由于重心不在中间使得整个装配体向右倾斜。我们的解决方案是在底座的左侧加一块与右侧质量相同的配重块。配重块是用于增加自身重量来保持平衡的重物。（3） 直齿条和板A的固定问题在一开始没有确定。我们的解决方案是在直齿条的上端部分用平面代替齿面，并将上端部分和板A用螺钉固定。（4） 右侧电机的固定问题。右侧电机选用低速电机，并用螺钉将其固定在板A的右侧。（5） 右侧电机轴和机械手轴的联接问题。我们的解决方案是使用联轴器。联轴器用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力

10、传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。三、主要参数计算过程及结果1.各部分材料选择说明底座、联轴器、螺栓、下方板材、配重材料选用Q235钢。Q235是碳素结构钢，通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用，具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，所有很多型材（如角钢、圆钢、工字钢、槽钢等材质很多为q235），并具有一定的强度，适合于桥梁、建筑等工程结构，实用性能好，价格相对也很便宜，性价比高。密度为7.858g/cm，许用应力16kg/cm。箱体、轴、轴肩、夹具选用的材料为40Cr。40

11、Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到2860mm,油淬时可淬透到1540mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为174229HB时，相对切削加工性为60%。该钢适于制作中型塑料模具。机械手部分的材料选择硬铝合金。硬铝，是指铝合金中以Cu为主要合金元素的（含2.24.9%Cu、0.21.8%Mg、0.30.9%Mn、少量的硅，其余部分是铝）一类铝合金，代号2XXX，常用的有2Al1、2Al2等。硬铝有良好的机械性能，强度大（如2Al2-T4抗拉强度可达469MPa

12、以上）又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料。硬铝成分：Al-Cu-Mg-Mn合金。Q235是碳素结构钢，与旧标准GB700-79牌号中的A3、C3钢相当，是沿用俄罗斯TOCT的牌号。其钢号中的Q代表屈服强度。通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用。GB700-88标准中碳素结构钢Q235按冶金质量分为A、B、C、D四个等级，各等级的钢种含Si量均为0.3%，区别在于含碳量和硫、磷含量的不同。AB级含碳量为0.14%0.22%和0.12%0.20%，CD级含碳量为0.18%、0.17%，A级的含Mn量最小，D级SP含量最小。国内有不少应用低碳马氏体刚强烈淬火工艺制造冷作模具的实例。利用双层

13、辉光离子渗金属技术，在该钢表面进行Mo-Cr共渗，随后进行超饱和渗碳、淬火及回火复合处理，Mo-Cr躬身层厚度在100微米以上，表面Mo含量可达20%，Cr含量达到10%，超饱和渗碳表面含碳量超过2.0%，表面成分接近钼系高速钢，淬火及回火后表面硬度高达1300HV，超过一般冶金高速钢。磨损试验表明，摩擦系数随着接触应力的增加而增大，平均相对耐磨性是GCr15渗碳淬火钢的2.2倍。Q235模具钢淬火规范淬火温度为950，盐浴炉加热，10%NaCl盐水冷却淬火。用途编辑1、可用于各种磨具把手以及其他不重要的磨具零件。1 2、曾经选用GCr15、9SiCr、T8及45钢，由于工件有咬模、粘模现象发

14、生，锻胚很难从模具中冲出来，致使冲头产生塑性变形、弯曲和断裂，寿命较短，每10件冲头约冲螺栓8001200件；后采用Q235钢做冲头材料，经淬火后不回火直接使用，硬度为3640HRC，每十件冲头能冲螺栓2000件以上，而且失效形式为塑性变形，解决了冲头在使用中碎裂的现象，保证了操作者的人身安全。2 2.底座外形尺寸及质量初步估计相关参数设定为：材料：Q235钢 材料密度：=7.85g/cm4.电机的选择（1） 箱体内的电机选择的型号为灵浪品牌四口机电机电压：110V转速：20r/min 配有电容质量：250g材质：铜包铝线优点：耐用、低噪音、低震动、发热小5.联轴器的相关计算采用凸缘联轴器，体

15、积为17.53cm，选用Q235钢，密度为7.8g/cm6.电机处四个螺栓的计算对4个螺栓进行应力计算：抗弯截面系数：Wz=40.10.20.20.2=0.0032cm应力=弯矩/抗弯截面系数=23.4/0.0162=7312.5N/cm小于16KN/cm,设计符合条件。四、其它技术说明齿轮传动的润滑:润滑对齿轮传动的工作能力有很大的影响，许多类型的齿面损伤如点蚀、胶合、磨损、塑性变形等都可通过合理的润滑来防止或减轻。轮齿啮合面加注润滑剂，可以避免金属直接接触，减少摩擦损失，还可以散热及防锈蚀。因此对齿轮传动进行适当的润滑，可以大为改善齿轮的工作状况，且保持运转正常及预期的寿命。可选用如下型号

16、的润滑剂：五、改进设想1. 直齿条固定处磨损较严重，改进设想采用弹簧固定，减小摩擦，提高稳定性。2. 机械手的开合问题。用机械手的开合来实现一个自由度，代替直齿条升降。 六、设计小结本次课程设计主要分为两个阶段，第一阶段是前期的准备阶段，第二阶段是为期两周的具体设计，让我收获颇丰。 经过大半个月的学习，我的精密机械课程设计总算是圆满结束。这是大学以来的第一次课程设计，也是对大学以来所学知识的一次综合运用与实践，抱着这种心态，我将更多的时间和精力投入到课程设计中，充分利用好这个机会，让自己对所学知识有全面的提升。在看过课程设计的要求与说明之后，由于理论知识的不足，再加上平时没什么设计经验，一开始

17、的时候有些手忙脚乱，自己也不知从何处开始。在经过老师的多次指导下，同时积极与同组的同学沟通交流，自己渐渐有了设计思路。首先确定设计方案，然后列计划，按照计划进行。之后，我去图书馆查阅了大量设计需要的相关资料，包括所需各个零件的材料，和一些计算的参数等等。在设计的过程中培养了我的综合运用机械设计课程及其他课程理论知识和解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。也让我学会了较为熟练地运用SolidWorks很为实用的软件。这个在此期间我和其他同学之间互相帮助，一起研究讨论课程设计过程中遇到的困难，培养了我们的团队精神。在这些过程当中，我充分的认识到自己在理解知识和接收应用方面的不足，特别是自己系统的自我学习能力的欠缺，将来要进一步加强，今后的学习还要更加努力。本次课程设计不仅对所学的课程知识有了更深入的理解和掌握，巩固了理论教学过程中所学到的理论知识，更多的是一些实际设计过程中的所有的经验。总而言之，这次的课程设计让我学到了很多东西，相信对以后的学习也会有很大的帮助的。 20