0301-机器人自动火焰切割H型钢的设计【全套5张CAD图】
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Four-stage-engine and Two-stage-engine OperationThe actions taking place in the engine cylinder can be divided into four stages, or strokes.“Stroke”refers to piston movement;a stroke occurs when the piston moves from one limiting position to the other. The upper limit of piston movement is called TDC(top dead center). The lower limit of piston movement is called BDC (bottom dead center). A stroke is piston movement from TDC to BDC or from BDC to TDC. In other words, the piston completes a stroke each time it changes its direction of motion.Where the entire cycle or events in the cylinder requires four strokes (or two crankshaft revolutions), the engine is called a four-stroke-cycle engine, or a four-cycle engine. The four piston strokes are intake, compression, power, and exhaust.Intake stroke. On the intake stroke, the intake valve has opened, the piston is moving downward, and a mixture of air and vaporized gasoline is entering the cylinder through the valve port. The mixture of air and vaporized gasoline is delivered to the cylinder by the fuel system and carburetor.Compression stroke. After the piston reaches BDC, or the lower limit of its travel, it begins to move upward. As this happens, the intake valve closes. The exhaust valve is also closed, so that the cylinder is sealed. The exhaust valve is also closed, so that the cylinder is sealed. As the piston moves upward(pushed now by the revolving crankshaft and connecting rod), the air-fuel mixture is compressed. By the time the piston reaches TDC, the mixture has been compressed to as little as one tenth of its original volume, or even less. This compression of the air-fuel mixture increases the pressured, not only does the pressure in the cylinder go up, but the temperature of the mixture also increases.Power stroke. As the piston reaches TDC on the compression stroke, an electric spark is produced at the spark plug. The ignition system delivers a high-voltage surge of electricity to the spark plug to produce the spark. The spark ignites, or sets fire to, the air-fuel mixture. It now begins to burn very rapidly, and the cylinder pressure increases to as much as 3-5 MPa or even more. This terrific push against the piston forces it downward, and a power impulse is transmitted through the connecting rod to the crankpin on the crankshaft. The crankshaft is rotated as the piston is pushed down by the pressure above it.Exhaust stroke. As the piston reaches BDC again, the exhaust valve opens. Now, as the piston moves up on the exhaust stroke, it forces the burned gases ort of the cylinder through the exhaust-valve port. Then, when the piston reaches TDC, the exhaust valve closes and the intake valve opens. Now, a fresh charge of air-fuel mixture will be drawn into the cylinder as the piston moves down again to-ward BDC, The above four strokes are continuously repeated.In the four-stroke-cycle engine, already discussed in Lesson 1、2, the complete cycle of events requires four piston strokes (intake, compression, power, and exhaust). In the two-stroke-cycle, or two-cycle, engine, the intake and compression strokes and the power and exhaust strokes are in a sense combined. This permits the engine to produce a power stroke every two piston strokes, or every crankshaft rotation.In the two-cycle engine, the piston acts as a valve, clearing valve ports in the cylinder wall as it nears BDC.A fresh air-fuel charge enters through the intake port, and the burned gases exit through the exit through the exhaust port. The complete cycle of operation is as follows: As the piston nears TDC, ignition takes place. The high combustion pressures drive the piston down, and the thrust through the connecting rod turns the crankshaft. As the piston nears BDC, it passes the intake and exhaust ports in the cylinder wall. Burned gases, still under some pressure, begin to stream ort through the exhaust port. At the same time, the intake port, now cleared by the piston, begins to deliver air-fuel mixture, under pressure, to the cylinder. The top of the piston is shaped to give the incoming mixture an upward movement. This helps to sweep the burned gases ahead and out through the exhaust port.After the piston has passed through BDC and starts up again, it passes both ports, thus sealing them off. Now the fresh air-fuel charge above the piston is compressed and ignited. The same series of events takes place again and continue as long as the engine runs.We mentioned that the air-fuel mixture is delivered to the cylinder under pressure. In most engines, this pressure is put on the mixture in the crankcase. The crankcase is sealed except for a leaf, or reed, valve at the bottom. The reed valve is a flexible, flat metal plate that rests snugly against the floor of the crankcase. There are holes under the reed valve that connect to the engine carburetor. When the piston is moving up, a partial vacuum is produced in the sealed crankcase. Atmospheric pressure lifts the reed valve off the holes, and air-fuel mixture enters the crankcase. After the piston passes TDC and starts down again, pressure begins to build up in the crankcase. This pressure closes the reed valve so that further downward movement of the piston compresses the trapped air-fuel mixture in the crankcase. The pressure which is built up on the air-fuel mixture then causes it to flow up through the intake port into the engine cylinder when the piston moves down far enough to clear the intake port.The two-stroke engine is not only very simple but gives nearly twice the power of a four stroke engine from a cylinder of given size, but it is wasteful of gasoline, as some mixture inevitably finds its way into the exhaust system on the combines intake/exhaust stroke, and there are always some combustion products left in the cylinder which reduce the rapid burning of the fuel. This kind of engine is always used in motorcycles.中文翻译四行程发动机和二行程发动机的工作过程发动机气缸内的工作过程,可以分为四个阶段,或行程。行程涉及塞的运动;活塞从某一限定位置到另一限定位置的动动称为一行程。活塞运动的上限称为TDC(上止点),下限称为BDC(下止点)。一个行程就是活塞从上止点到下止点,或下止点到上止点的运动。换句话说,活塞每完成一个行程,就改变一次其运动的方向。发动机气缸中的全部工作过程分为四个行程的(或嗜曲轴旋转两周的),叫做四行程循环发动机。发动机的四个活塞行程是进气、压缩、做功、排气。进气行程:在进气行程中,进气门打开,活塞向下移动,可燃混合气通过进气门进入气缸。适当浓度可燃混合气是由燃料系统和化油器提供的。压缩行程:在活塞到达下止点时,或者是活塞下限时,活塞开始向上运动。同时,进气门关闭,排气门也关闭,所以这时的气缸是封闭的。当活塞向上运动时(这时是由转动的曲轴和连杆推动活塞),可燃混合气被压缩。当活塞到达上止点时,可燃混合气被压缩到只有原体积的十分之一,甚至更少。当油气混合燃料被压缩时,不仅气缸里的压力上升,可燃混合气的温度也随之增加了。做功行程:当活塞到达压缩行程到上止点时,火花塞产生电火花。电火花是由点火系统向火花塞提供高压电脉冲而产生的。电火花点燃可燃混合气。可燃混合气开始发生剧烈燃烧,气缸内压力达到35兆帕,甚至更高。作用于活塞上强大的推动力推动活塞下运动,并将这一推力通过连杆传到曲轴上的连杆轴颈上。因此,当活塞受压向下动动时,推动曲轴转动。排气行程:当活塞受压向下运动时,推动曲轴转动。排气行程:当活塞再一次到达下止点时,排气门打开。同时,活塞向上移动,把废气经排气门排出气缸。随后活塞达到上止点,排气门关闭,进气门打开。当活塞又一次向下移动到达下止点时,新鲜可燃混合气被吸入气缸,上述的四个行程又继续重复。四行程发动机整个工作循环需要活塞完成进气、压缩、作功、排气四个行程。在二行程发动机中,进气和压缩行以及作功和排气行分别合并在一起的,这使得二行程发动机每两个行程,即曲轴旋转一周,就完成一次工作循环。在二行程发动机中,活塞起到阀门的作用,当活塞接近下止点时,使气缸壁上的进排气口打开。新的可燃混合气通过进气口进入,燃烧过的废气从排气口排出。整个工作过程如下:当活塞接近上止点时,发动机点火。燃烧产生的高压驱动活塞向下运动,通过连杆,推动曲轴转动。当活塞接近下止点时,以过气缸壁上的进排气口,燃烧过的气体,仍有剩余压力,开始从排气口喷出。同时,活塞使进气口露出,受压缩的可燃混合气开始进气缸。活塞顶部的形状使进入气缸的可燃混合气向上运动,这样有助于扫气,引导燃烧过的废气向上运动并从排气口排出。在活塞通过下止点,并开始上升时,活塞经过进气口和排气口,将其堵住。这时活塞上方新的可燃混合气受压缩后点火。只要发动机运转,同样的动作就会反复不断地发生。我们曾提到可燃混合气是被压进气缸的。在大多数发动机中,可燃混合气是在曲轴箱中受压的。除了底部有一叶片阀(片簧阀)之外,曲轴箱是密封的。片簧阀是一片柔韧、平整的金属片。金属片紧贴在曲轴箱的底部。在片簧阀的下面有孔产生部分真空。大气的压力将片簧阀提起。打开孔道,可燃混合气进入曲轴箱。当活塞经过上止点,又开始向下运动时,压力就开始在曲轴箱中产生,压力使片簧阀关闭,这样,活塞进一步的向下运动压缩留在曲轴箱中的可燃混合气。当活塞向下运动直到露出进气口,可燃混合气所具有的压力使其上升,通过进气口进入气缸。二行程发动机不仅结构简单,而且其功率相当于具有相同气缸容积的四行程发动机的二倍。但是,在进气和排气行程中,一些可燃混合气不可避免地进入排气系统,并且总会有一些燃烧物滞留在气缸中,致使燃料不能充分燃烧。所以二行程发动机耗油较大。通常使用在摩托车上。文件一毕业设计(论文)任务书设计题目: 机器人切割H型钢的设计 任务书的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等)1 完成总体设计。2 完成部分部件设计。3 主要技术数据及要求。H型钢腹板尺寸800mm,厚度30mm,长度12000mm;翼板尺寸宽度为800mm,厚度30mm,长度12000mm。4 切割速度要满足板厚度和火焰所要到达的最大速度。要求完成的图纸内容及要求1 完成总体和部分部件设计图纸。2 编写设计计算说明书。3 元件中有二个零件图。图纸数量:二张A1,一张A2,二张A3设计参考资料:1 李洪 主编,实用机床设计手册,沈阳,辽宁科学技术出版社。2 郑堤,唐可洪 主编,机电一体化设计手册基础,机械工业出版社。3 毛谦德,李振清 主编,袖珍机械设计师手册,机械工业出版社。4 孙桓,陈作模 主编,机械原理,高等教育出版社。5 廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏 编,互换性与技术测量,中国计量出版社。6 徐灏 主编,机械设计手册,第2版,第3、4卷,机械工业出版社。7 秦曾煌 主编,电工学,上、下册,高等教育出版社。8 周开勤 主编,机械零件手册,高等教育出版社。9 吴振彪 编,机电综合设计指导,湛江海洋大学出版。10 周伯英 编著,工业机器人设计,北京,机械工业出版社。11 龚振邦,汪勤悫,陈振华,钱晋武 编著,机器人机械设计,北京,电子工业出版社。 机器人自动火焰切割H型钢的设计目 录目录 (1)ABSTRACT (2)第1章 工作台的设计院 (3) 11 工作台总体方案 (3) 12 工作台的结构设计 (3) 13 滚珠丝杠螺母副的确定及验算 (4)14 导轨的选型及计算 (6) 15 推动工件的电机选择 (7) 16 推动工件的减速器确定 (7) 17 联轴器选择 (8) 18 离合器的选择及计算 (8) 19 导轨的确定 (9)110 压紧离合器的弹簧选择 (10)第2章 机器人总体设计中技术方案的制定 (10) 21 确定基本技术参数 (11) 22 选择机器人操作机的机械结构类型 (11) 23 机器人控制方式的选择和控制系统设计 (12) 24 机器人驱动方式的选择 (12)第3章 腕摆设计 (12) 31 腕摆电机选择 (12) 32 电机转速 (13) 33 同步带传动设计 (13) 34 同步带轮设计 (14) 35 谐波齿轮减速装置设计 (14) 36 腕摆中其它零件的选择及设计 (16) 37 手腕的装配 (16)结束语 (17)鸣 谢 (17)参考文献 (18)abstract(此处为英文摘要, 字体:Time New Roman,)(字号:12磅,)(行距:固定值=22)机器人自动火焰切割H型钢的设计摘 要:利用机器人切割大型H型钢,是目前减轻劳动强度、增加效益的有效途径,尤其是在环境比较恶劣的地方。机器人作为一种高新科技,在国内应用还只是局限于很少的一些部门,为了使机器人的应用在我国广泛应用到各方面各部门,本设计主要着重于机器人的设计,为机器人的广泛应用呐喊助威。关键词:机器人 ;切割机器人第1章 工作台的设计 11工作台总体方案考虑到机器人造价比较贵,采用两个工作台一字排列,如图1所示 图 1工作过程为:先在一个工作台上安装好工件,用机器人气割,在气割的同时,在另一个工作台安装工作;当机器人气割完第一个工件后,马上到第二个工作台去气割工件,同时在第一个工作台上装卸工件。这样有利于提高机器人的利用率。在工作台的两侧,一侧装卸工件,在另一侧则是机器人运行的轨道;而在工作台下面则是用电机推动工件定位的机构。12工作台的结构设计由于工作地点在室外,且精度要求不高,所以工作台的结构设计主要安照经验来设计。1 21 虑工作的高度,取工作台的长度为L=12000mm,宽度为B=1330mm,高度为H=1330mm。1 22 作台采用方形,四条边的宽高分别为50mm、100mm,而在其两侧每隔2米在工作台下焊接一根33010050的铸铁作为工作台的脚部,在工作台面每隔500mm焊一块角钢,作为支持工件H钢,其角钢号数为10;横条边部平均焊上三片高200mm,厚30mm的铁片作为工件的定位装置。 13 滚珠丝杠螺母副的确定及验算 滚珠丝杠副传动与滑动丝杠相比其主要特点是:1)传动效率高,一般可达95%以上,是滑动热杠传动的24倍;2)运动平稳,摩擦力小,灵敏度高、低速无爬行;3)可以预紧、消除丝杠副的间隙,提高轴向接触刚度;4)定位精度和重复定位精度高;5)使用寿命为普通滑动丝杠的410倍甚至更高;6)同步性好,用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时,可获得较好的同步性;7)使用可靠、润滑简单、维修方便;8)不自锁,可逆向传动,即螺母为主动,丝杠为被动。旋转运动变为直线运动;9)有专业厂生产,选区用配套方便。131 工字钢的摩擦力计算Ff=Gf ,工字钢如图2 。1311 G为工字钢的重力,f为摩擦系数G=mg=Vg=SLgS=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2 =30(800-230)+280030+0.85302 =70965mm2V=SL=7096512000=8.5108mm3=0.85m3 1312摩擦系数f=0.15 =7.8103kg.m3Ff=7.81030.859.80.15 =9746N132工作台主要受丝杠轴向力FL=Ff/2=9750/2 = 4875 NFL=FZ= 4875 N FC=FV0 图 2133 最大工作载荷计算选矩形导轨Fm=KFL+f(FV+FC+G)其中K=1.1 f=0.005G为移动部件的重力,约取G=200NFm=1.14875+0.005(0+0+200) =5364 N134 最大动负载C C= L=60nt/106 取进给速度V=1 m/min 丝杠基本导程选LO=10mm n=1000n/LO =10001/10=100 r/min 取t=8000h因有冲击,取fm=2 而Fm=5364 NC=25364 =48077 N 选用外循环滚动螺旋副,其中丝杠选用dm=63mm Lo=10 mm Ca= 51600 N135 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为= tg/tg(+)式中:为丝杠螺母旋升角,可由上得=2.9,为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f = 0.0030.004 ,其摩擦角约等于10。= tg2.9/tg(2.9+ 10) = 0.946136 刚度验算 滚动丝杠副的轴向变形将收起丝杠导程发生变化,从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形小,对纵向变形的影响更小,可忽略不计。螺母座只要设计合理,其变形量也可忽略不计。13 61丝杠的拉压变形量1滚珠丝杠奕计算满载时拉压变形量1= FmL/(EA)式中:1为在工作载荷Fm作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm);Fm为丝杠的工作载荷Fm = 5364N;L为滚珠丝杠在支承间的受力长度L = 330mm ;E为材料弹性模量,对钢E = 20.6 104Mpa ;A为滚珠丝杠按内径确定的截面积A=dm2/4 = 3.14632/4 =3115.7 mm2 ,“+”号用于拉伸,“”用于压缩。1=5364330/(20.6 1043115.7)=0.0028mm1362滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2有预紧2 = 0.0013 式中:Dw为滚珠直径Dw = 5.953mm;Z= Z圆数列数;Z为一圈的滚珠数,Z=dm/Dw = 3.1463/5.953 = 33.2Z= 33.23.51 = 116.2Fm = 5364 N因当滚珠丝杠有预紧力,且预紧力为轴向工作载荷的1/3 时,2 值可减小一半左右,所以FYJ取C/3 。FYJ = C/3 =48077/3 = 16026 N 2 = = 0.0064mm1363珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量 = 1+ 2 应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度的一半。 = 0.0028 + 0.0064 = 0.0092 mm 机床进给系统的定位精度取0.1mm ,其一半为0.05mm = 0.0092 mm 0.05 mm 刚度符合要求137压杆稳定性验算 临界载荷FK=fZ2EI/L2其中E=20.6104MP (因材料为钢)I=d14/64 d=D0+2e+2RR=0.52d0 e=0.07(R-d0/2) (d0为滚珠直径,由上可知d0=9.525)R=0.529.525 =4.944e=0.07(4.944-9.525/2) =0.01337d1=63+20.01337-24.944 =53.14I=3.1453.144/64 =391233mm4丝杠最大工作长度L取L=300mm丝杠支承方式系数fz=0.25因选用一端轴向固定,一端自由FK=0.253.14220.6104391223/3002 =2.207106Nnk=FK/Fm =2.207106/5364 =411.3nk=411.3nk=10稳定性安全系数满足要求14导轨的选型及计算按标准,导轨副选用GGBAA型直线滚动导轨副,规格为T25如图3所示: 图 3 直线滚动导轨副的特点阵字是:1) 承载能力大,刚度高。在直线滚动导轨副中,滚珠与圆弧沟槽相接触,因而许用载荷和刚度与点接触相比有较大幅度的提高。2) 采用直线滚动导轨副可简化设计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高,只要求精铣或精刨。15推动工件的电机选择T=FmD0/2tg(+)=9550P2/n 摩擦系数f=0.15 tg=0.15 即得=8.53由上选的丝杠可得D0=63mm =254= 2.9(53646310-3/2tg(2.9 + 8.53 ) )=9550P2/nP2/n=0.0036 取n=750 r/min P2=0.0036750=2.7Kw 图 4取标准P2=3 Kw 电机型号选Y132M-8 P=3Kw n=750 r/min电机的安装及外形,如图4所示 16推动工件的减速器确定减速器选ZLY型硬齿面卧式圆柱齿轮减速器(ZBJ190041988),其齿轮为渐开线斜齿齿轮,系采用优质材料(如齿轮用20CrMnMo渗碳淬火、锻造毛坯,齿面硬度为5562HRC),经磨齿修缘、精度6级,箱体经精密镗孔等制成。承载能力高,运转平稳,噪声低。其代号为ZLY16010I 。如图5 图 5该减速器的适用条件是高速轴转速不高于1500 r/min ,齿轮圆周速度不高于20 m/s ;环境温度4045C,低于0C时,起动前应将润滑油先热到8C以上,高于45C时应采取隔热措施。17联轴器选择171 连接电机与减速器的联轴器选择联轴器选用弹性柱梢齿式联轴器,其型号为ZL3 ,如图6该种联轴器与齿式联轴器比,具有结构简单、轻、维护方便,无需润滑等优点。 图 6172 连接减速器与锥式摩擦离合器的联轴器选择 在锥式摩擦离合器的一端用轴套加厚至与减速器的输出轴一端同样大小,取即为75 ,然后再用轴套联轴器连接起来。轴套联轴器选用A型 d = 75,其标号为 75 。18离合器的选择及计算离合器选锥式摩擦离合器由电机的d=42mm,确定锥式摩擦离合器的大小D=(46)d=(46)42=168252 取D=230d1= 2.3d = 2.342 = 96.6l1 = 2d = 242 = 84l2 = 1.5d =1.542 = 63l3 = 0.5d = 0.542 = 21t = 0.4d = 0.442 = 16.8s = 0.3d = 0.342 =12.6c = 0.25d = 0.2542=10.5a810 取a=9静摩擦系数f=0.12 (许用比压P=1.2Mpa)锥式摩擦离合器如图7摩擦面平均直径DmDm=D-(0.5+1.6tg)d =230-(0.5+1.6tg9) 42 =198.4 摩擦面宽度bb = ( 0.18 0.25 )Dm = ( 0.18 0.25 ) 198.4 =35.7 49.6取 b = 45计算转矩Tp=KT/(k1k2) 图 7其中T为传递的转矩 K为工作贮备系数K = 1.3 1.5 ,现取K=1.4k1为平均圆周速度修正系数,取k1 = 1.3k2 为结合次数修正系数,取k2 = 1由上可得T =FmD0/2tg( + ) T = 5364 6310-3/2tg(2.9 + 8.53) =34.1 Nm Tp=34.1 1.4/1.3 =36.7 Nm摩擦锥行程 x = /sin其中离合脱开所需间隙,一般取= 0.5 1 现取= 0.8x = 0.8/sin9 = 5.13 mm脱开力与结合力Q = 2Tp(fcossin )/ ( Dmf )接合时用“+” , 脱开时用“-”Q合= 2 36.7 103 ( 0.12cos9 sin9 )/ ( 293.50.12 ) =572 NQ开=2 36.7 103 ( 0.12cos9sin9 )/ ( 293.50.12 ) =78.1 N摩擦面比压P=2Tp /D2bf P P=236.7 103/ (3.14198.42450.12 ) =0.11 Mpa P= 0.11 Mpa P = 1.2Mpa 19导轨的确定191 导轨主要受机器人的自身重力,其受力不大选用中小型起重机的小车常用轻型,其型号选为15 。其外形如图8 图 8 图 9192 用热轧槽钢把导轨焊接在一起,热轧槽钢型号选用40c193 小车轮子的设计 按经验及主要考虑安全因数设计轮子,现设计为两轮子的直径为92 mm ,厚度为30 mm;中间轴直径为50mm , 长度为43 mm ,两端轴直径为25 mm 。如图919 4小车的设计小车板面设计成为80050030的工作板块。1 95小车板块上树立外径为300 mm 的空心圆柱,内径为200 mm ;树立的圆柱顶部再焊一条同样规格的空心圆柱,不过是水平方向放置。1.10 压紧离合器的弹簧选择 弹簧的性能和使用寿命很大程度上取决于材料的选择。要求材料具有较高的疲劳极限、屈服点和足够的冲击韧度。现选取的弹簧材料用热轧弹簧钢经热卷成型后,再淬火回火处理制。由Fm/f = cos9 f = Fm/cos9= 5264/cos9 = 5430 N 一个离合器接二个弹簧 试验载荷取f的一半,即为2715 N据标准选取圆柱螺旋压缩弹簧,其材料直径d = 8 mm,弹簧直径D = 32 mm,许用应力p = 585 Mpa,试验载荷Fs = 3676 N ,一圈弹簧的试验变形量fsd = 2.98 mm 。 其端部结构形式为:两端圈并紧并磨平。 第二章 机器人总体设计中技术方案的制定机器人系统的引用,应做到以下几点:1 析和确定机器人系统的方案。(1) 机器人系统的应用和可行性调查。可行性调查主要是技术和经济两个方面。(2) 确定产品工艺过程和机器人作业动作要求。对工艺过程中每一个工作单元的任务应有明确规定,即每一个工作单元将要做的工作数量。(3) 确定机器人系统的能力和适用的作业范围和外围装置。机器人系统的外围装置指的是为完成机器人操作,而应配的辅助装置。(4) 进行不同方案的对比研究。(5) 确定机器人系统方案。2 详细设计阶段详细设计的内容有:(1) 机器人机座、手臂、手腕、末端执行器及与机器人作业对象有关的设计。(2) 外围设备的设计。(3) 安全装置的设计。(4) 布局设计。 包括人机系统的详细内容,作业对象的流动系统,维护和服务区等的布局设计。(5) 安全保护设施的设计。3 制造、安装、试运转阶段其工作内容有:(1) 自制设备的制造、外购设备的检查验收。(2) 系统的总体布置和设备安装。(3) 调试、试运转。(4) 边续工作运转,调整。21确定基本技术参数211额定负载目前,国内外使用的工业机器人中,其负载能力的范围很大,最小的额定负载在5N以下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下,产生的惯性力(矩)等。212工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定,用工作空间来表示的。工作空间的形状尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。213运动速度 机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后,按照循环时间安排确定每个动作的时间,就能进一步确定各动作速度,用m/s或()/s表示,各动作的时间分配要考虑多方面的因素,例如总的循环时间的长短,各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试作各动作时间的分配方案表,进行比较,分配动作时间除考虑工艺动作的要求外,还应考虑惯性和行程的大小,驱动和控制方式、定位方式和精度要求。214 分辨率、位姿准确度和重复性、轨迹准确度和重复性以及最小定位时间工业机器人各运动轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度称分辨率。次执行同一位姿指令,实到位姿与指令位姿之间不一致程度自然保护区位姿准确定。机械接口中心跟随指令运动轨迹的不一致程度,称为轨迹谁确度。在相同条件下,用同一方法操作,重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度,称为位姿重复性。机械接口中心沿同一轨迹运动,重复多次所测得的轨迹的不一致程度,称为轨迹重复性。工业机器人中分辨率、准确度、重复性精度要求是根据其使用要求确定的,而工业机器人本身所能达到的精度则取决于操作机结构的刚度,运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲方法等因素,应用在不同操作和工艺过程的工业机器人重复性精度要求也不同。22 选择机器人操作机的机械结构类型机械结构类型是以其坐标形式来表明其类型,并说明其自由度数。根据对机器人基本技术参数的要求来选择机械结构类型的坐标形式及其自由度数是机器人系统设计中进行结构设计的基础。选择何种类型须根据现场作业位置,工艺操作要求等情况,经分析、比较后进行选择。自由度数愈多,机器人的灵活性和通用性愈大。工业机器人一般须有46个自由度才能满足灵活性和通用性的要求。在满足需要的条件下,应使用自由度最少,以简化机器人的结构和控制。在确定所加工产品(工字钢,即机器人作业对象)工艺过程和机器人作业动作要求时,应在满足工艺要求的前提下,缩短动作行程,简化动作运动轨迹,减少机器人操作机的自由度数。动作行程短,在相同的循环时间条件下,降低了机器人手臂动作的运动速度,能提高运动准确度和重复精度,便于设计和制造。23 机器人控制方式的选择和控制系统设计 根据近期内外设计制造的工业机器人来看,都采用计算机控制系统,所以本设计也采用计算机控制系统。24 机器人驱动方式的选择 驱动装置是带动操作机各运动臂的动力源,本设计中采用电动机来驱动。第3章 腕摆设计腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧,避免干涉。多数将腕部结构的驱动部分按在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。从腕部结构图和传动原理图图10,可以看出,这是一个腕摆一个手转二自由度的手腕结构,其传动路线为,腕摆电机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器,减速器的输出轴带动腕摆框实现腕摆运动;手转电机通过减速器和和齿形带,以及一对锥齿轮来实现手转运动。注意,当腕摆框摆动而手转电机不转时,联接手部的锥齿轮在别一锥齿轮上滚动,产生附加的手转运动,在控制上要进行修正。 图 1031 腕摆电机选择驱动形式选用电动机形式驱动,且为步进电动机,性能特点有如以下:(1) 使用范围,适用于运动控制要求严格的中、小型号机器人。(2) 控制性能和安全性,控制性能好,控制灵活性强,可实现速度、位置的精确控制,对环境无影响。(3) 结构性能,体积小,需减速装置。(4) 安装和维护要求,维修使用较复杂。(5) 效率与制造成本,成本较高,效率为0.5左右。由能量守恒量可得:p t = m g h 其中= 0.8, 取t = 2 s m = m1 + m2 =10 + 20 = 30 Kg h = 30 cm p20.8 =309.80.3 p = 55 W由于其效率为0.5左右 P = 55/0.5 = 110 W选电机型号为75BF003 ,相数为3。其功率p = 120 W32 电机转速 nmax =Vmaxb / (360 p ) 其中b = 1.5/步 p =0.1mm/脉冲 Vmax = 1m/s = 60000 mm/min nmax =600001.5/(3600.1) = 2500 r/min即 n1 = 2500 r/min33 同步带传动设计331 功率计算PC = KAP其中KA = 1.1 PC = 1.1 120=132 W = 0.132 Kw332 选择带型Pb为XL333 小带轮齿数Z1 Zmin = 12考虑有利于提高带的经曲疲劳寿命,现取Z1 = 15 334 小带轮节圆直径d1 = Z1Pn/由上可得节距大小Pn = 5.080 d1 = 15 5.080/3.14 = 24.27 mm 335 大带轮齿数Z2 = iZ1 = n1Z1/n2现取i= 3.2 则Z2 = 3.2 15 = 48n2 = n1/i = 2500/3.2 = 781.3 r/min 336 大带轮节圆直径d2 = Z2Pb/d2 = 485.080/3.14 = 77.7 337 带速V =d1n1/( 601000 )Vmax = 50 m/sV = 3.1424.272500/( 601000 ) = 31.75 m/s Vmax = 50 m/s 合符要求 338 初定中心距a0 0.7( d1+ d2 )a0 0.7 ( 24.27 + 77.7 ) = 71.38 mm现取 a0 = 180 mm339 带节线长及其齿数( Lp , Z )L0 = 2a0 + (d1+ d2)/2 + (d2 - d1)2/(4a0) = 2180 + 3.14(24.27 + 77.7 )/2 +(77.7 24.27)2/ (4180 ) = 524 mm选带长代号:210节线周长Lp = 533.40 0.61节线长上的齿数Z=1053310实际中心距a = a0 (LpL0)/2现取“+” 号 a = 180 + (533.4524)/2 = 184.3 mm3311小带轮啮合齿数Zm ( 1/2(d2d1)/(6a)Z1Zmmin = 6Zm 1/2(77.724.27)/(6184.3) 15 = 6.8 ZmZmmin = 63312基本额定功率P0 = (Tamv2) v 103基本额定功率是基准宽度bs0的额定功率,其中 bs0 =9.5 mm许用工作拉力Ta = 31 N ,m = 0.01 Kg/mP0 = (310.01 31.752) 31.75 103 = 0.66 Kw3313带宽 bs 按标准选取 bs = 7.9 mm34同步带轮设计341直径按标准选取3411 小带轮:节径d1= 24.26 mm , 外径D1= 23.75 mm3412 大带轮:节径d2=77.62 mm , 外径D2=77.11 mm34 2 宽度3421 小带轮:带轮采用无边挡圈,由于同步带宽度为7.9 mm,带轮最小宽 度为10.4 mm ,现取为11 mm。3422大带轮:跟小带轮的宽度一样,同为11 mm 。 35谐波齿轮减速装置设计351作原理谐波齿轮传动装置是由三个基本构件组成,即具有内齿的刚轮G、具有外齿的容易变形的,薄壁圆筒状柔轮R和波发生器H。刚轮子和柔轮上轮齿的齿形和周节相同(齿形多用渐开线或三角形),但柔轮比刚轮少2 个或几个齿。波发生器由一椭圆盘和一柔性滚珠轴承组成,也可以由一个转臂和几个滚子组成。通常波发生器为主动件,柔轮和刚体之一为从动件,另一为固定件。谐波齿轮传动的工作原理如图10所示,若刚轮G为固定件,波发生器H为主动件,柔轮R为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时,由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径,使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆,使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时,变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开,其余各处的齿,则视回转方向不同分别处于“啮入”或“啮出”状态,当波发生器连续回转时,啮入区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的的刚轮沿与波发生器转向相反的主向作低速回转,柔轮长轴和短轴相位的连续变化,使柔轮的变形在其圆周上连续的简谐波开。因此,这种传动称为谐波传动。若柔轮固定,刚轮从动,其工作过程完全相同,只是刚轮的转向与波发生器转向相同。 图 11352 计算如图11所示,波发生器有两个触头,产生两个啮个区,故称双波发生器。其传动比计算:现选为:波发生器主动、柔轮固定、刚轮从动,当波发生器回转时,迫使刚轮顺序地和刚轮啮合,波发生器回转一周i时,刚轮相对柔轮与波发生器同方向转过(ZGZR)个齿,即顺转了(ZGZR)/ ZG周。因此波发生器和刚轮的减速传动比为: iHGR = nH/nG = ZG/(ZGZR)式中ZG、ZR分别为刚轮与柔轮的齿数,nH 、nG 分别为波发生器和刚轮的转速。现取ZG =200 ZR =198iHGR =200/(200198) = 100 取模数m = 0.3 dRf = (ZR2h*2C*)m=(1982120.25)0.3=58.65 mm dRa=(ZR2h*)m=(19821) 0.3=60 mm dR=mZR =0.3198 =59.4 mm dGf = (ZG2h*2C*)m =(2002120.25) 0.3 =59.25 mm dGa=(ZG2h*)m =(20021) 0.3 =60.6 mm dG=mZG =0.3 200 =60 mm36 腕摆中其它零件的选择及设计361 实现腕部动作,把腕部支连起的来一条阶梯轴,如零件图中所示。362 轴的左端,由轴为20,而选用角接触球轴承36204连接;右端轴为15,而选为角接触球轴承36205。37 手腕的装配由于机器人存在定位误差,或者讲分辩率有限,会造成装配失败的情况。一般来说在机器人进的精密装配作业中,当被装配零件之间的配合精度相当高,由于被装配零件的不一致性、工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时,会导致装配困难。这就需要装配动作的柔顺性要求。柔顺装配要求技术有两种,一种是从检测、控制的角度,采取各种不同的搜索方法,实现边校正边装配。有的手爪上还配有检测元件如视觉传感器、力传感器等,这就是所谓主动柔顺装配。另一种是从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节,以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配”。 结束语 本次的毕业设计,是对大学四年来所学知识的综合运用。在设计过程中,通过对所学知识的系统复习,总体温习,巩固了大学阶段所学的知识,尤其是对某项课题作专门的了解,收集资料,分析资料,并独立思考和解决问题,这是对以后在科学研究和解决实际工作问题的一个很好的训练。 通过对使用机器人切割H型钢的设计,使我了解到目前国内、外机器人的总体使用情况,尤其我国目前的实际情况。这次设计是南油西部石油公司合众近海建设公司的课题,通过对他们提出的要求进行系统的分析,加上对实际情况了解,完成了本次设计。在设计过程中,虽然没有使用到CAXA的软件,但是通过对它的学习,使自己的创造思维快速向三维方向靠拢,可使自己的思维观念可以客观、实在的再现出来。在设计过程中,得到张键老师的指导,对我完成这次的设计提供了不可磨灭的作用,才能使我按时按质完成设计任务。 设计任务的完成,使我对自己的能力有进一步的了解,并对自己充心信心。只要自己肯努力付出,并充分发挥自己所学知识和技巧,任何事情都可以完美完成。在设计过程中,深深体会到了:独立自主解决定很重要,但相互合作也是不可忽视的,因为在以后在工作中,是需要彼此之间相互合作的,一个人的力量是有限的,只有通过大家的合作,才能快速、有效地完成任务。参考文献设计参考文献:1 李洪 主编,实用机床设计手册,沈阳,辽宁科学技术出版社。2 郑堤,唐可洪 主编,机电一体化设计手册基础,北京,机械工业出版社。3 毛谦德,李振清 主编,袖珍机械设计师手册,北京,机械工业出版社。4 孙桓,陈作模 主编,机械原理,北京,高等教育出版社。5 廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏 编,互换性与技术测量,北京,中国计量出版社。6 徐灏 主编,机械设计手册,第2版第3、4卷,北京,机械工业出版社。7 秦曾煌 主编,电工学,上、下册,北京,高等教育出版社。8 周开勤 主编,机械零件手册,北京,高等教育出版社。9 吴振彪 编,机电综合设计指导,湛江,湛江海洋大学出版。10 周伯英 编著,工业机器人设计,北京,机械工业出版社。11 龚振邦,汪勤悫,陈振华,钱晋武 编著,机器人机械设计,北京,电子工业出版社。19
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