毕业设计-苹果装箱机械手设计【含8张CAD图纸、毕业论文】
南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书( 论文)作 者 :学 号:学 院 (系 ):专 业 :题 目 : 苹果装箱机械手设计指导者: 评阅者: 2016 年 6 月毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 中 文 摘 要本课题最终目的在于研制一套自动装箱机械手用于苹果自动生产线取代人工装箱工作,以实现成型工序参数的稳定性。设计了一种苹果自动装箱机械手,利用步进电动机带动手臂进行上下移动和水平垂直旋转,通过气压驱动机械手抓取和松放,能够实现全自动装箱放各种型式和材料的苹果。本次设计的苹果自动装箱机械手由底座、传送机构、臂部升降机构、臂部摆动机构、吸盘等构成。本次设计首先,通过对苹果自动装箱机械手结构及原理进行分析,在此分析基础上提出了总体结构方案;接着,对主要技术参数进行了计算选择;然后,对各主要零部件进行了设计与校核;最后,通过 AutoCAD 制图软件绘制了苹果自动装箱机械手装配图及主要零部件图。通过本次设计,巩固了大学所学专业知识,如:机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等;掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD 制图软件,对今后的工作于生活具有极大意义。关键词:苹果,装箱机械手,滚珠丝杠,齿轮,轴毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 外 文 摘 要Title Apple packing manipulator designAbstractThe ultimate goal of this project is to develop a set of automatic packing machine for automatic production line of apple to replace the manual packing, in order to achieve the stability of the forming process parameters. An apple automatic packing manipulator is designed, using step motor drive the arm of under movement and vertical rotation, through the air pressure drive manipulator and release, can realize the automatic packing for various types and materials of apple. The design of Apples automatic packing machine hand by the base, the transmission mechanism, the arm of the lifting mechanism, the arm swing mechanism, sucker, etcThis design first, through apple automatic packing machine for the structure principle and analysis, this analysis is proposed based on the overall structure of the program; then, the main technical parameters were calculated to select; then, of the main parts were designed and checked. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn apple automatic packing machine for assembly and major parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: apple, packing machine, ball screw, gear, shaftI目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义 11.2 机械手简介 11.3 机械手国内外研究现状 21.4 机械手发展趋势 32 方案设计 .42.1 设计要求 42.1.1 功能要求 .42.1.2 参数要求 .42.2 机械手的构成 42.2.1 执行机构 .42.2.2 驱动机构 .52.2.3 控制系统 .52.3 总体方案设计 52.3.1 总体方案拟定 .52.3.2 升降机构方案 .62.3.3 摆动机构方案 .73 升降机构的设计 .83.1 电动机的选择 83.1.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号 .83.1.2 启动矩频特性校核 .93.2 滚珠丝杆副的选型与校核 93.2.1 型号选择 .103.2.2 校核计算 .113.3 导轨的选型与校核 113.3.1 导轨的选型 .113.3.2 滑动导轨副的计算、选择 .123.4 轴承及键的校核与寿命计算 144 摆动机构的设计 .164.1 电动机的选择 164.1.1 电机轴的转动惯量 .164.1.2 电机扭矩计算 .174.2 齿轮传动的设计 184.2.1 选精度等级、材料和齿数 .184.2.2 按齿面接触疲劳强度设计 .184.2.3 按齿根弯曲强度设计 .20II4.2.4 几何尺寸计算 .214.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核 224.3.1 尺寸与结构设计计算 .224.3.2 强度校核计算 .234.3.3 键的校核与寿命计算 .254.4 摆臂设计 254.5 吸盘的选择 255 控制系统设计 .275.1 CPU 与存储器 285.2 中断处理电路 335.3 8279 键盘、显示 37总 结 .44参考文献 .45致 谢 .46附 录 .47附录 147附录 256本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 1 页 共 60 页1 绪论1.1 研究背景及意义苹果在运输过程中容易磕碰、挤压等导致破损后腐烂,因此苹果必须装箱运输,我国苹果产量巨大,每年到丰收季节均会有大量苹果等待装箱,如果均靠人力会耗费大量人力及时间,不仅容易使工人作业疲劳而且容易错过最佳上市时间,因此希望设计出苹果装箱机械手,实现苹果自动装箱。在机械工业中,应用机械手的意义可以概括如下:(1)以提高生产过程中的自动化程度:应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。(2)以改善劳动条件,避免人身事故:在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的,而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。三、可以减轻人力,并便于有节奏的生产:应用机械手代替人进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。综上所述,有效的应用机械手,是发展机械工业的必然趋势。1.2 机械手简介到目前为止,世界各国对“机械手机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机械手机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照予定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序(或简单可变程序) 、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机械手机械手” 、 “机械手” 、 “操作机”的这三种自动化和半自动化装置,在技术上有某些相通之处,所以有时不易明确区分,就它们的技术特征来看,其大致区别如下。“机械手” (Mechanical Hand):多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置(国内一般称作机械手或专用机械手) 。如自动线、自动线的上、下料,加工中心的自动换刀的自动化装置。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 2 页 共 60 页1.3 机械手国内外研究现状机械手机械手(Industral Robot ,简称 IR)是 1960 年由美国金属市场报首先使用的,但这个概念是由美国 GeorgeCPevol 在 1954 年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机械手机械手,以现在的眼光来看,就是示教再现机械手。随后,美国的 Unimation 公司和美国的机械铸造(AMF) 公司于 1962 年分别制造了实用的一号机,并分别取名为 Unimate 和 Versatran。Unimate 机械手外形类似坦克炮塔,采用极坐标结构,而 Versatran 机械手采用圆柱坐标结构。上述两种机械手成为机械手结构的主流,美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中,采用这类机械手进行压、铸、冲压等上、下料,收到了良好的效果。美国的机械手机械手技术的发展,大致经历了以下几个阶段:19631967 年为实验定型阶段。19631967 年,万能自动公司制造的机械手机械手供用户做工艺实验。1967 年,该公司生产的机械手机械手定型为 1900 台。19681970 年为实验应用阶段。这一时期,机械手机械手在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台机械手机械手;1969 年又自行研制出SAM 型机械手机械手,并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。19701972 年,机械手机械手处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机械手机械手会议。据当时统计,美国已采用了大约 200 台机械手机械手,工作时间共达 60 万小时以上。与此同时,出现了所谓高级机械手,例如森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制 50 台机械手机械手的系统。在欧洲第一台机械手机械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司发表的第一台操作机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手,并从其他各国引进了用于不同生产过程的机械手,并获得迅速,很快研制出日本国产华的机械手机械手,技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家,目前机械手机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机械手机械手仅比日本晚 56 年,但由于种种原因,机械手机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 3 页 共 60 页仿制外,已经具备了一定的独立设计和研制能力。在 1958 年维吾尔自治区成立30 年大庆站展览馆展出了由机械局研制的跳舞机械手阿依古丽 。在 1986 年地十六届广交会上,成都电讯工程学院研制的第三代仿人机械手成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好,并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机械手西电 I 号 ,也于 1985 年 9 月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外,清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统,北京钢铁学院研制的焊接机械手,均已达到了较高的水平。同时,在机械手学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究,也取得了一定的进展。近几年来的成就表明,我国机械手技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来,我们一定回赶上世界各国前进的步伐。1.4 机械手发展趋势机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动,实现生产的机械化和自动化,代替人在有害环境下的手工操作,改善劳动条件,保证人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。20世纪 40 年代后期,美国在原子能实验中,首先采用机械手搬运放射性材料,人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后,机械手逐步推广到工业生产部门,用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料,也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用,完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。我国工业机械手的研究与开发起步较晚,比欧美要晚 30 年左右,起步于上世纪 70 年代,1972 年我国第一台机械手 在上海开发成功,随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(19861990 年)开始,我国政府大大加 大了对工业机械手的重视程度,并且为此项目投入大量的资 金,在众多学者及研究人员的参与下,研究开发并且制造了一系列的工业机械手,与此同时,一系列的机械手关键部件也被开发出来,如机械手专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机,编码器等等。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。重点是研究视觉功能和触觉功能。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 4 页 共 60 页随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高,更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。2 方案设计2.1 设计要求2.1.1 功能要求设计装箱机械手,替代人工,实现苹果装箱的机械化。2.1.2 参数要求原始数据:(1)苹果为近似球型,直径 50100mm,重 100500g。(2)手爪夹持力(最大)不超过 10N。(3)箱体长方形,内腔长宽高最大尺寸分别不超过 1000mm.技术要求:(1) 工作行程,水平方向:50160cm,竖直方向:40cm 。.(2) 自由度数目不超过 3 个,选取机械手的坐标形式。(3) 安全型驱动方式,不得有冲击和震动。2.2 机械手的构成机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的,各部关系如图 2.1 所示。图 2-1 机械手的构成2.2.1 执行机构(1)手部 即直接与工件接触的部分,一般是回转型或平移型(为回转型,因其结构简单) 。手爪多为两指(也有多指) ;根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可用负压式或真空式的空气吸盘(它主要用于吸取冷的,光滑表面的零件或薄板零件)本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 5 页 共 60 页和电磁吸盘。传力机构型式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2)腕部 是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓物体的方位(即姿态)。它可以有上下摆动,左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上,将筒类、盘类零件卡在卡盘上等) ,手腕还可以有一个小距离的横移。也有的机械手没有腕部自由度。(3)臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体,并按预定要求将其搬到预定的位置。手臂有三个自由度,可采用直角坐标(前后、上下、左右都是直线),圆柱坐标(前后、上下直线往复运动和左右旋转) ,球坐标(前后伸缩、上下摆动和左右旋转)和多关节(手臂能任意伸屈)四种方式。直角坐标占空间大,工作范围小,惯性大,其优点是结构简单、刚度高,在自由度较少时使用。圆柱坐标占空间较小,工作范围较大,但惯性也大,且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小,工作范围大,惯性小,所需动力小,能抓取底面物体,多关节还可以绕障碍物选择途径,但多关节式结构复杂,所以也不常用。2.2.2 驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快,结构简单,成本低。采用点位控制或机械挡块定位时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在 300N 以下。液动式的出力大,臂力可达 1000N 以上,且可用电液伺服机构,可实现连续控制,使机械手的用途和通用性更广,定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型,机械式只用于动作简单的场合。2.2.3 控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特征。2.3 总体方案设计2.3.1 总体方案拟定本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 6 页 共 60 页根据以上工作要求,综合考虑机械手的功能实现和通用性,确定采用两自由度关节型结构。整体方案初步确定自动装箱机械手通过方形底座固定,接着利用齿轮的旋转带动机械手做 90的回转运动。机械手臂由一个关节相连,通过两个单独的步进电机带动手臂上下移动及回转。手臂末端连接着两个吸盘,通过这个吸盘的动作,将苹果利用气缸吸附在机械手上,然后将其移动到输送带上,如此往复的循环。图 2-2 装箱机械手初步机构简图2.3.2 升降机构方案升降机构通常有采用液压缸的液压式、采用气缸的气动式,也有采用丝杠/螺纹传动的机械式。但是通常液压式、和气动式需要比较庞大的液压/气动系统来提供动力源,并且液压式对工作环境污染较严重,而气动式则冲击较大,均不适合用于本次摆苹果机的臂部升降机构。因此本次采用丝杠/螺纹传动的机械式降机构,为了提高工作效率本次采用滚珠丝杠副作为升降机构,其结构如下图示:本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 7 页 共 60 页图 2-3 升降机构方案2.3.3 摆动机构方案摆动机构,通常可以通过齿轮传动、四杆机构(曲柄摇杆机构)等实现,但是为了保证摆动机构的稳定性以及减小机构尺寸确保机构的紧凑性,本次采用齿轮传动,结构如下图示:图 2-4 摆动机构方案本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 8 页 共 60 页3 升降机构的设计3.1 电动机的选择步进电动机又称为脉冲电动机,是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点:转速(或线速度)与脉冲频率成正比;在负载能力允许的范围内,不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化;速度可调,能够快速起动、制动和反转;定位精度高、同步运行特性好。摆苹果机臂部升降机构要求电动机电位精度高,速度调节方便快速,受环境影响小,且额定功率小,并且可用于开环系统。而 BF 系列步进电动机为反应式步进电动机,具备以上的所有条件,我们选用了型号 90BF004 的反应式步进电动机作为主运动的动力源,该机功率为 0.42KW。选用时主要有以下几个步骤:3.1.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(1)步距角初选步进电机型号,并从手册中查到步距角 ,由于b本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 9 页 共 60 页 pbiL360综合考虑,我初选了 ,可满足以上公式。4,5.10b(2)距频特性步进电机最大静转矩 Mjmax 是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq 与最大静转矩 Mjmax 的关系是:Mmq= maxMj步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算: 0kfakq式中:Mkq 为空载启动力矩;Mka 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩;Mkf 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩;为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。0M而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩,即:Mkq Mmq=Mjmax计算 Mkq 的各项力矩如下:加速力矩 25552521 106.8.10./08. mKgiMRJ mrvnpb /4361436maxax NtJMk 519.016042)18.0.(02 212ax 空载摩擦力矩 mNiLGfkf 6.048.2796.130附加摩擦力矩本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 10 页 共 60 页 mNiLFMYJ 2.1)9.0(48.20)1(200 mqkjkfakq mN75.395. 3461x3.1.2 启动矩频特性校核步进电机有三种工况:启动,快速进给运行,工进运行。前面提出的 ,仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否kqMmaxj满足要求,但是不能保证电机启动时不丢步。因此,还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大,启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长,启动过程缓慢,空载启动力矩 中的加速力矩kqM不会很大。一般不会发生丢步现象。kaM3.2 滚珠丝杆副的选型与校核滚珠丝杆已由专门工厂制造,因此,不用我们自己设计制造,只要根据使用工况选择某种类型的结构,再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杆被三次选用,故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下:首先对于一些参数说明如下:轴向变载荷 ,其中 i 表示第 i 个工作载荷,i=1、2、3n ;)(NFi第 i 个载荷对应的转速 (r/min);in第 i 个载荷对应的工作时间 (h) ;it丝杆副最大移动速度 (mm/min);maxv丝杆预期寿命 。)(hLb3.2.1 型号选择(1)根据使用和结构要求本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 11 页 共 60 页选择滚道截面形状,滚珠螺母的循环方式和预紧方式;(2)计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件,查得载荷系数 =1.0 系数 =1.5;dfjs计算当量转速 dnmin/20/)(miaxrnd计算当量载荷 dFNFmavd 3/)2(in初步确定导程 hPmVPh 5.240/1/max取 4mm计算丝杆预期工作转速 nL1206dnL计算丝杆所需的额定载荷 aCNLFfCnda 152012331 (3)选择丝杆型号根据初定的 和计算的 ,选取导程为 4mm,额定载荷大于 的丝杆。所选hPaC aC丝杆型号为 CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。3.2.2 校核计算(1)临界转速校核 4768.04min/590321.202max6316 ccc nnrldn而 最 大 工 作 转 速校核合格。(2)由于此丝杆是竖直放置,且其受力较小,温度变化较小。所以其稳定性、本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 12 页 共 60 页温度变形等在此也没必要校核。(3)滚珠丝杆的预紧预紧力 一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即:)(pFNdp7831其相应的预紧转矩 mNPFThp 16.0)85.01(.247810)(2 32323.3 导轨的选型与校核3.3.1 导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种, 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言,它有以下几方面的优点:定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的 1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小,运动灵活,可使驱动扭矩减少 90%,因此,可将机床定位精度设定到超微米级。降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小,特别适用于反复进行起动、停止的往复运动,可使所需的动力源及动力传递机构小型化,减轻了重量,使机床所需电力降低 90%,具有大幅度节能的效果。可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小,因此发热少,可实现机床的高速运动,提高机床的工作效率 2030%。可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑,由于油膜的浮动,产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下,流体润滑只限于边界区域,由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的,在这种摩擦中,大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反,滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少,故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时,由于使用润滑油也很少,大多数情况下只需脂润滑就足够了,这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 13 页 共 60 页在结构上选用:开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。3.3.2 滑动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P,式中:C0 为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷 P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般运行状况), 3.05.0(运动时受冲击、振动) 。根据计算结果查有关资料初选导轨:因系统受中等冲击,因此取 4.0sLf, ,0.5()OSLXYZCfPFWxYYOXSL=+.(20+671.58)=3.79N.()26fP413.94.C根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉江机床厂 BGX 系列滚动直线导轨,其型号为: BGXH25BE基本结构及参数如下:导轨的额定动载荷 N1750aC本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 14 页 共 60 页依据使用速度 v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作aC寿命 Ln:额定行程长度寿命:()HTCaWfSFK2045MF1,.81,oTCHRdffff3310.8752()()14209.58HTCaWfSFKkm导轨的额定工作时间寿命: 3102SoTHln导轨的工作寿命足够.3 310249.584971506SoTln hTh导轨的静安全系数: 04.136SLCfP:静安全系数; :基本静额定负载; :工作载荷Sf 0CP导轨寿命计算: 3()5748htwcfLKmP本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 15 页 共 60 页3.4 轴承及键的校核与寿命计算(1)轴承1).按承载较大的滚动轴承选择其型号,因支承跨距不大,故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承,轴承的预期寿命取为:Lh29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为 Fr1=340.43N,轴向力为 Fa1=159.90N,2) 初步选择深沟球轴承 6202,其基本额定动载荷为 Cr=51.8KN,基本额定静载荷为 C0r=63.8KN。3) 径向当量动载荷 NFNVHr 43.06.187.5432221211 r 859222动载荷为 ,查得 ,则有arrYP.0.Nr 0123.156.43. 由 式 13-5 得a hrh LPCnL 104.53012.3985760601 6满足要求。(2)键1)选择键联接的类型和尺寸小带轮处选用单圆头平键,尺寸为 mlhb1862)校核键联接的强度本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 16 页 共 60 页键、轴材料都是钢,由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP120键的工作长度mbl3261,合适PP MadlkT5.8165.0721314 摆动机构的设计本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 17 页 共 60 页4.1 电动机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例,相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点,所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率,再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。4.1.1 电机轴的转动惯量a、旋转轴的转动惯量 328md4LJR上式中:d直径,旋转外径 d=8mmL长度=30mmP钢的密度 =7800 2kg/m经计算得 0.=RJb、齿轮的转动的惯量 328d4LJL上式中:d直径,齿轮外径 d=30mmL长度=14mmP钢的密度 =7800 2kg/m经计算得 0.=RJ2-81*4.9kLc、联轴器的转动惯量查表得 204g/.mJW=因此28- m0.8kg4.10*9 LR本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 18 页 共 60 页4.1.2 电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩 atJnT602mxax上式中: min/150maxrn=J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量,取 15s-1,则 ta=0.2sSK3ta经计算得 mNT=2.maxb、折算至电机轴上的摩擦力矩 IPFT20f上式中:F0 导轨摩擦力, F0=Mf,而 f=摩擦系数为 0.02,F0=Mgf=32NP丝杆螺距( m)P=0.001m传动效率,=0.90I传动比, I=1经计算得 NTf=75.0c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 i2)-1(00PT上式中 P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 0.9经计算的 T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 mNTTf =+=82.0max根据以上计算的扭矩及转动惯量,选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066,其额定转矩为 6.7N.m。4.2 齿轮传动的设计本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 19 页 共 60 页前述算得 ,步进电机工作转速能在较大范围变化本次计算取mNT7.62,传动比in/7102rn2i4.2.1 选精度等级、材料和齿数采用 7 级精度由表 6.1 选择小齿轮材料为 40Cr(调质) ,硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢(调质) ,硬度为 240HBS。选小齿轮齿数 18Z大齿轮齿数 取4022i 2Z4.2.2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算,即 3211)(2.HEdtt ZuTkd1) 确定公式各计算数值(1)试选载荷系数 .tK(2)计算小齿轮传递的转矩 mNT7.62(3)小齿轮相对两支承非对称分布,选取齿宽系数 6.0d(4)由表 6.3 查得材料的弹性影响系数 2/18.9MPaZE(5)由图 6.14 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 H601lim大齿轮的接触疲劳强度极限 Pa52li(6)由式 6.11 计算应力循环次数 81 10.)830(1760hjLnN829.4.(7)由图 6.16 查得接触疲劳强度寿命系数08.1NZ12.NZ本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 20 页 共 60 页(8)计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为 1,安全系数为 S=1,由式 10-12 得MPaSZHN6480lim1 H 15.12li2(9)计算试算小齿轮分度圆直径 ,代入 中的较小值td1Hmdt 5.29)68.(236.07312.1 计算圆周速度 v snvt /83.060715.94.3160计算齿宽 b mdt 7.15.291计算齿宽与齿高之比 b/h模数 Zmtnt 48.20.1齿高 3.5./7/ 2.75.hbmnt计算载荷系数 K根据 ,7 级精度,查得动载荷系数smv/2.0 02.1VK假设 ,由表查得NbFtA1.HK由于载荷中等振动,由表 5.2 查得使用系数 1.AK由表查得 283.1H查得 FK本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 21 页 共 60 页故载荷系数 439.128.0.1HVAK(10)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式可得 mdtt 57/.5.29/331(11)计算模数 Zm.10/7./14.2.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 321FSdnYZKT(1)确定公式内的计算数值由图 6.15 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPaFE501大齿轮的弯曲疲劳强度极限 382由图 6.16 查得弯曲疲劳寿命系数9.01NZ.2N计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为 1,安全系数为 S=1.3,得MPaSZFENF 2.346.5091 FEF .71.822计算载荷系数 436.28.0.1FVAK(2)查取齿形系数由表 6.4 查得 8.21FaY.2Fa(3)查取应力校正系数 由表 6.4 查得5.1Sa76.2Sa本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 22 页 共 60 页(4)计算大小齿轮的 ,并比较FSaY01456273 3465821FSaY大齿轮的数据大(5)设计计算 mm32.10456.26.0174333对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,可取有弯曲强度算得的模数 1.32mm,并圆整取第一标准模数值m=1.5mm,并按接触强度算得的分度圆直径 d57.301算出小齿轮齿数 取82./5730/1mdZ 201Z大齿轮齿数 取422i Z4.2.4 几何尺寸计算(1)计算分度圆直径 mZd605.143221(2)计算中心距 a4/)(/)(1(3)计算齿宽宽度 取bd8306. mB20;812综合整理两级齿轮参数如下表:参数选择序号 名称 符号小齿轮 大齿轮1 齿数 Z 20 402 模数 m 1.5mm3 分度圆直径 21dm60,34 齿顶高 ah5.1本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 23 页 共 60 页5 齿根高 fhm875.16 全齿高 3.7 顶隙 c08 齿顶圆直径 21d6,9 齿根圆直径 43f m25.,.10 齿宽 21B18,011 中心距 a44.3 旋转轴及轴上零件的设计与校核4.3.1 尺寸与结构设计计算1)传动轴上的功率 P1,转速 n1 和转矩 T1, ,wP243min/51rnmNT57.612)初步确定轴的最小直径先按式 初步估算轴的最小直径。选取轴的材料 45 钢,调质处理。根3PdCn据机械设计表 11.3,取 ,于是得:12md7.9354.012该处开有键槽故轴径加大 510,且传动轴的最小直径显然是安装齿轮轮处的直径 。取 ; 。1L213)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度(a)为了满足车轮的轴向定位的要求 2 轴段左端需制出轴肩,轴肩高度轴肩高度 ,取 故取 2 段的直径 ,长度 。dh07.mh5.md14mL20(b)初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用,故选用深沟球轴承。根据,查机械设计手册选取 0 基本游隙组,标准精度级的深沟球轴承 6203,142故 ,轴承采用轴肩进行轴向定位,轴肩高度轴肩高度 ,取d573 dh07.本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 24 页 共 60 页,因此,取 。mh5.1md184(c)齿轮处由于齿轮分度圆直径 ,故采用齿轮轴形式,齿轮宽度md601B=18mm。另考虑到齿轮端面与箱体间距 1mm 以及两级齿轮间位置配比,取, 。l15l64)轴上零件的周向定位查机械设计表,联接车轮的平键截面 。mlhb1244.3.2 强度校核计算1)求作用在轴上的力已知齿轮的分度圆直径为 ,根据机械设计 (轴的设计计算部分未md60作说明皆查此书)式(10-14) ,则 NtgFdTntrt 75.68207.184a.029.35Np.2)求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时,从手册中查取 a 值。对于 6203 型深沟球轴承,由手册中查得 a=14mm。因此,轴的支撑跨距为L1=72mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 MH、M V 及 M 的值列于下表。载荷 水平面 H 垂直面 V支反力F ,NNH143NF126,NFNV237156C 截面弯矩 M mLNH8532 mMLaNV1432总弯矩 MV 6858222max扭矩 T670本 科 毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 25 页 共 60 页图 4-1 弯矩图和扭矩图3)按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭转切应力,取 ,轴的6.0计算应力 MpaWTMca 1.28201.98684)(3222 已选定轴的材料为 45Cr,调质处理。由表 15-1 查得 。因此70P1-,故安全。1-ca4)键的选择采用圆头普通平键 A 型(GB/T 10961979)连接,联接车轮的平键截面, 。齿轮与轴的配合为 ,滚动轴承与mlhb124Mpap1076Hr
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