基于Solidworks的抓物机器车机构设计及运动仿真【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

编号： 毕业设计 (论文 )说明书 题 目： 基于 抓物机 器车机构设计及运动仿真 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械制造及其自动化 学生姓名： 韦子亮 学 号： 1000110130 指导教师单位： 桂林电子科技大学 姓 名： 彭晓楠 职 称： 副教授 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2014 年 5 月 26 日 桂林电子科技大学 第 1 页 共 43 页 摘 要 很多地方是我们人类没法进去的，因为其中的一些东西已经对我们造成了生命的威胁，但我们又有必须进去的理由。在这种场合下，机械就能为我们解决这些问题，因为它可以代替我们进行一些危险操作，用来取代人力来工作。我们设计的抓物机器车 是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种 将机械手和搬运车联系为一体的产品。使其能抓物运动，可以在地形复杂或恶劣、危险的环境里替人完成物体的搬运或者障碍的清除等工作。 抓物机器车的设计主要是通过无线通信来控制小车的前进、后退或者转弯，并由螺杆转动，带动螺杆上的螺母上下移动，再通过连杆结构实现抓爪的闭合，从而实现抓物动作。丝杆竖直放置，转臂固定在丝杆螺母上，步进电机带动丝杆旋转，螺母会上下移动，转臂也会上下移动，也就是机械手上下移动，满足了机械手降下抓物，升高移动物体的情况。机械手的转动，在由齿轮带动固定丝杆的中间件转动而实现的。 关键词 ： 机器车；抓物；丝杆 桂林电子科技大学 第 2 页 共 43 页 we of a to we to go in In be to it us to to it us to to We in of So it of an or in or by a or by to up on to is up is to of by 桂林电子科技大学 第 3 页 共 43 页 目 录 引言 . 9 1 设计方案 . 10 计内容 . 10 计目的 . 10 案的选择 . 10 2 机械手的设计 . 11 手结构的设计 . 11 片的设计 . 13 杆的设计 . 15 定螺纹中径 . 16 杆的强度计算 . 17 母螺纹牙的强度计算 . 17 杆盘的设计 . 17 筒的设计 . 19 筒的尺寸 . 19 栓的选择 . 19 纹连接的防松 . 20 3 转臂的设计 . 20 力分析 . 20 臂的尺寸计算 . 21 栓的设计 . 22 栓组结构设计 . 22 栓受力分析 . 22 4 滑动丝杆的设计 . 23 纹牙型的选择 . 23 距选择 . 23 杆直径的确定 . 23 杆的强度计算 . 24 母螺纹牙的强度计算 . 24 杆的长度 . 25 杆螺母的传动形式 . 25 杆的固定 . 26 承的选择 . 26 定板的设计 . 28 桂林电子科技大学 第 4 页 共 43 页 定板的结构 . 28 定架的固定 . 29 5 转盘的设计 . 30 间板的设计 . 30 的选择 . 31 轮的设计 . 32 定齿轮类型，精度等级，材 料及模数 . 32 齿面接触疲劳强度设计 . 32 齿根弯曲疲劳强度设计 . 33 何尺寸计算 . 34 的设计 . 34 6 车身的设计 . 36 车身的设计 . 36 车身的设计 . 38 板的设计 . 41 板的结构 . 41 寸计算 . 41 板的连接 . 42 子孔的设计 . 42 7 建模和仿真 . 42 8 总结 . 47 谢 辞 . 48 参考文献 . 49 桂林电子科技大学 第 5 页 共 43 页 桂林电子科技大学 第 6 页 共 43 页 桂林电子科技大学 第 7 页 共 43 页 桂林电子科技大学 第 8 页 共 43 页 桂林电子科技大学 第 9 页 共 43 页 引言 随着社会的 进步 ，社会 的 分工 也 越来越细， 特别是在 现代化的生产中，有的人每天就只 能做着同一件事，或者是拧同 个部位的 某个 螺母， 或者是 接 着同一个地方的 线头，就像电影摩登时代中 所演的 ， 由于老是做同一个动作，身体相同的部位得不到休息，于是 开始产生 了 各种职业病。于是人们强烈 的 希望 能有什么东西能代替自己工作 而自己不用那么的难受 。于是 机器人就被发明了出来 ， 并 替人完成那些 很 枯燥、单调、危险的工作 。而且，机器人的发明大大的提高了工作效率，提高了工业的发展，为更多的人提供了机会。 机器人的出现，使人们摆脱了那些繁琐、危险的工作。一般的，在有危险，对人体有害的场合，你总能看到他们的身影。如喷漆行业，油漆发出的气味很难闻，那是有毒气体，闻多了会对人体造成难以想象的伤害；还有电焊的场合也是对人眼睛的伤害也很大，也是有了专门用来焊接的机器人。这样的地方很多，在工业里已经 屡见不鲜了。特别是在汽车和工程机械行业里，喷漆和焊接那是必不可少的。也正是这些工作对汽车行业的不可或缺，近几年来，国内生产的工业机器人大多是用于服务汽车行业的，也正因为这样，汽车工业的发展也推动了机器人的增长。 在一些对灰尘要求很严的重要场合或者实验室中，一旦灰尘的量超过了标准，就会有废品的出现。例如要在 10 级洁净室中制造的电脑重要器件。按国际标准，10 级洁净室就是要在一立方英尺内不得出现超过 10 个以上的直径大于 米的尘埃。 100 级洁净室就是在一立方英尺内不得出现 100 个同样大小的尘埃。可就是想进入 100 级洁净室，工作人员也要换上特制的装备才可以进去，而且，在进去之前的 5 个小时都不可以使用化妆品或者吸烟等，这条件可见很难做到了。所以 10级洁净室也只能由机器来完成了，想进去，条件太苛刻了。 而有些场合，由于被环境的限制，如有放射性物质，被有害气体包围等，我们很难进去，也没法找里面的东西出来研究。于是特制的抓物机器车就很有必要设计出来。 这次设计是基于三维软件 软件 的 功能 很 强大，组件 也很多 。 现在最主流的三维 决方案，因为他具有了功能强大、易学易用、技术创新等特点。 而且 以 提供不同的设计方案、减少 了 设计过程中的错误 以便 提高产品质量。 对 工程师和设计者来说， 仅提供如此强大的功能，操作 更是 简单方便、易学易用。 桂林电子科技大学 第 10 页 共 43 页 1 设计方案 计内容 因为是要进行比较精密的抓取物体，所以采用无线通信技术实现对机器车的控制。通过无线接通电机，电机驱动轮子来实现小车的前进、后退与转向。而在小车的上面则是抓物机械手的部件。要实现机械手的上下移动还有一定范围的 转动，还有爪片的自由张合。 计目的 （ 1）可以在危险的，无人可进入的地方抓住物体并且移动物体，便于实验和研究。 （ 2） 由于 抓物机器车使用无线通信技术控制，其 动作准确， 操作简单， 因此可以提高稳定 性能 。 案的选择 由于小车的移动都要很精确，所以只考虑了步进电机和伺服电机。步进电机的速率是由驱动器信号输入的脉冲数量和频率来控制的。但不适合在长时间和同方向的场合使用，这样容易烧坏电机。而伺服电机与步进电机相比，在控制方式上很相似都是用脉冲串和方向信号， 但价格相对 来说较 高 。在性能满足的情况下，考虑经济方面，我们采用了步进电机。 对于机械手的上下移动，可以想到的有液压、气动还有丝杆。考虑液压和气动都比较的便宜，但考虑到精确度，能采用的也只有丝杆了。对于爪片的自由张合，气动便宜实用，但由于在前面都没用到，在这里用的话还得设计气动装置，麻烦而且也不太实际，因此我们采用了步进电机。 桂林电子科技大学 第 11 页 共 43 页 2 机械手的设计 由于设计的抓物车一般是在危险的地方工作，那地方可能是一些夹缝什么的，因此我们设计的小车都比较的小。设小车的尺寸为 400*200*100抓取的物体最重为 6 手结构的设计 设抓盘的直径为 50子的开口角度为 120 度，抓爪可转动 30度。采用的是四杆机构来实现爪子的自由张合。结构如图所示： 图 2杆结构简图 其中 连杆盘与抓盘的距离， 爪子上两个圆柱销之间的距离， 连杆与爪子的距离， 如图， 定长，而 着连杆盘的移动而改变，当连杆盘向上移动时， 时，连杆 3拉着 时爪子张开：相反，当连杆盘向下移动时，连杆会压爪子向下转动，即爪子会抓紧物体。 受力分析： 图 2杆受力分析 桂林电子科技大学 第 12 页 共 43 页 = = 由受力分析可知： 当 =时， =，也就是使爪子向下转动的力与向外的力是一样的，这时，爪子处于平衡状态。而随着的增大，会大于 ,也就是说，当大于 45 度后，爪子盘向下，也就是增大后，爪子的抓力反而变小，也就是说我们设计时应该小于45度， 45度时就是抓取物体的最小尺寸。 从图上可知，当为 45 度时，越小， 短，从材料和经济方面来看，越小越好，故取 =。 当抓取的物体最小时，也就是抓爪转动 30度，那时 图 2物受力简图 /，取 =10则 =， =30 所以 30抓手的开口最大时，如图 图 2口最大受力分析 此时、连成一线，则 = = 设 =30 桂林电子科技大学 第 13 页 共 43 页 +=20=52 以 =42 3042 取 =40连杆中连接处会打通孔，我们算出来的就是两孔间的距离，所以实际尺寸应该要加上半径还有傍边的部分。设通孔的中心到一边的距离为 5连杆实际长度为 40+5*2=50片的设计 为了更好的抓起物体，使物体不掉下来，应把爪片的下面做成一个倾角，受力分析如下： 图 2物时受力简图 Mg=+ = F=Mg*知，越小， 取为 45度时，代入数据后得 F=2*10*4N 根据拉压杆的强度条件： = 得： = 式中： 为许用应力； 为载荷； 桂林电子科技大学 第 14 页 共 43 页 表 1 常用材料的力学性能表 材料名称 牌号 / % 备注 普通碳素钢 235 275 215 235 255 275 3357510906195应久牌号 应久牌号 应久牌号 应久牌号 质碳素钢 25 35 45 55 275 315 355 380 450 530 600 645 23 20 16 13 25 号钢 35 号钢 45 号钢 55 号钢 合金钢 200040 785 885 835 980 1080 10 9 10 20铬 40铬 30 铬锰硅 铝合金 74 412 19 硬铝 查表 1得： 考虑到要质量较轻，采用铝合金材料： 则 取安全系数 n=入数据得 =274/28 14/228*= 故取抓爪的尺寸为 14*5=7060首尾间的距离为 80杠杆原理得 图 210*N=80*F 得 N=8*14=112 N 由前面图 2当 =时 N=112/58 N 受力较大，所以采用了合金钢 表得。取安全系数 n=入数据得 桂林电子科技大学 第 15 页 共 43 页 =540/50 （ 112/450） *= 所以取 连杆的横截面面积为 5*6 杆的尺寸为 40*5*6 杆的设计 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要是把回转运动转变为直线运动。主要运动形式有以下两种：一种是螺杆转动，螺母移动；一种螺母固定，螺杆转动并且移。 螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种： (1)传力螺旋。 它以专递动力为主，要求以 较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，而且通常需要有自锁能力。 (2)传导螺旋。它以传递运动为主 (3)调整螺旋。它可以调整、固定零件的相对位置。 螺旋运动又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单、便于制造，易于自锁，但其阻力大，磨损快，传动精度低等。而滚动螺旋相反，阻力小，传动精度高，但结构复杂。 我们要求的是能传动动力，而且精度要求不高，行程较短，轴向力也不是很大，综上，我们采用了滑动螺旋 滑动螺旋的磨损与螺纹有很大的关系，螺纹工作面的压力、表面粗糙度的选择不好，会加快螺旋的磨损。螺纹工作面上的压力越大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此选择螺纹的选择也很重要。 当载荷不大，工作对螺纹间的摩擦力要求不大、螺距又比较小时，可采用基本螺纹和细牙螺纹。当载荷较大，螺距又较大时，应采用梯形螺纹。它比三角瓯的传动效率高，强度大。因此采用梯形螺纹。 表 2旋传动常用的材料 螺旋副 材料牌号 应用范围 45、 50 材料不经热处理，适用 桂林电子科技大学 第 16 页 共 43 页 螺杆 于经常运动，受力不大，转速较低的传动 4065400料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动。 螺母 锡青铜） 材料耐磨性好，适用于一般传动 表 2动螺旋副材料的许用压力 p及摩擦系数 螺杆 滑动速度 /（ m/ 许用压力 /擦系数 钢 低速 1811火钢 608 钢 135 6 低速 7 定螺纹中径 查表螺旋传动常用的材料和滑动螺旋副材料的许用压力 p及摩擦系数 可取：螺杆的材料可用 45号钢，螺母可用 锡青铜），选滑动速度为低 速，许用压力 p 为 20由滑动螺旋的耐磨性计算公式 对于梯形螺纹，有 母高度 H= 取，代入数据得 机械手册取 =螺距 P=d=4径 = H=于自锁条件： = = 代入数据得 = 桂林电子科技大学 第 17 页 共 43 页 所以 足自锁条件。 杆的强度计算 螺杆的强度条件为： = 式中： 表 2动螺旋副材料的许用应力 螺旋副材料 许用应力 / 螺杆 钢 螺母 青铜 400铁 450 钢 （ 表滑动螺旋副材料的许用应力得 =355，则 =71 F=148 N, = ， = 代入 得 以，电机的扭矩应该小于 。 母螺纹牙的强度计算 因为螺母的材料强度比较螺杆的强度要低很多，而螺纹牙又多因为发生剪切和挤压破坏而失效，故需要校核螺母的螺纹牙的强度。 由剪切强度条件 弯曲强度条件为 = 式中： 于梯形螺纹， b= l= u= 代入数据得 =30=0此螺纹的强度符合设计要求。 螺杆的长度：工作行程为 30此取长度为 36杆盘的设计 桂林电子科技大学 第 18 页 共 43 页 连杆固定在连杆盘上，然后连杆盘与螺母连接，然后跟着螺母的上下移动而移动，从而通过连杆推动抓爪的转动。连杆盘是在套筒里面上下运动的，而连杆要接到抓爪，要穿出套筒，因此在套筒上应该会有三个长孔，满足连杆随着连杆盘上下移动，为了加工和安装的方便，直接把孔开到口，而把连杆盘与连杆相连的部分放到套筒外面，这样更好的安装连杆。如图： 图 2杆盘的结构简图 中间的孔是为了螺杆能通过，使螺杆与连杆盘不接触就可以了，而盘中的三个孔则是为了固定连杆盘与螺母而留的。采用螺钉连接，螺钉可以直接拧入连杆固定板上螺纹孔中，不需用螺母，但不能经常拆装，这样易使螺纹孔磨损，从而导螺母的报废，故多用于受力不大，或不需用经常拆装的场合。在这里刚好适用。由于在这里，螺钉其固定作用，基本上只受连杆盘的重力作用，很小可忽略不计。 连接处，在外力的作用下，销钉与孔直接接触。当挤压应力过大时，在孔、销接触的局部区域内，将产生显著塑性变形，导致孔、销间的正常配合。由挤压强度条件 = 式中： 代入数据得 300* 取 =10 d=4连杆盘的厚度可为 10 桂林电子科技大学 第 19 页 共 43 页 筒的设计 筒的尺寸 套筒内是螺杆，在杆上连杆盘固定在螺母上，套筒的下方是抓盘，但为了节约材料，我们把套筒和抓盘合在一起。如图 图 2筒结构 抓盘的直径是 50可设套筒的外径为 35径可为 30于螺杆的长度为 36了便于安装连杆和连杆盘，直接开了三个深糟，糟的深度与螺杆的长度一样，也就是 36在最上面还要做耳。 栓的选择 对于连接件，一般的螺纹连接有几种类型： （ 1）螺栓连接 在被连接件上开有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母，这种连接的结构特点就是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单。 （ 2）双头螺栓连接 这种连接适用于结构上不能采用螺栓连接的场合，如被连接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆装时，往往采用双头螺栓连接。 （ 3）螺钉连接 这种连接的特点就是螺栓或螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，在结构上比双头螺栓连接简单、紧凑。其用途和双头螺栓连接相似，但经常拆装时，易使螺纹孔磨损，会导致被连接件报废，故多用于受力不大，或不需用经常拆装的场合。 （ 4）紧定螺钉连接 紧定螺钉连接就是利用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。螺钉除了作为连接盒紧定用外，还可以用于调整零件的位置。 综上所述，转臂的厚度较大，不宜制成通孔，因此选择螺钉连接。 1）螺钉的分布 桂林电子科技大学 第 20 页 共 43 页 采用三个平均分布，螺栓数 Z=3. 2）受力分析 螺钉受抓手的重力和残余预紧力 F=(6+10= N 取 =得 = N 总拉力 = = N 3）直径的确定 选择材料为 能等级为 表得材料屈服极限 =240全系数 S=螺钉材料的许用应力 =根据螺栓危险截面的拉伸强度条件 = 得 代入数据得 =1普通螺纹的基本尺寸（ 选用螺纹公称直接 d=3查粗牙螺栓、螺钉的旋入深度和螺纹孔尺寸得 d=3h=6普通螺纹连接的标准件（ 圆柱头内六角螺钉的长度为 L=10以螺钉的为 0量为 螺纹连接的防松 一般的连接螺纹都能满足自锁条件，此外拧紧以后螺母和螺栓头部等支承面上的摩擦也有防松作用。但在冲击、振动等的作用下，螺旋副间的摩擦力会变小甚至消失。多次后就会使连接松脱，因此要进行防松。防松的根本就是在于防止螺旋副在受载的时候发生相对转动，防松的方法可分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系防松等。其中摩擦防松又可分为对顶螺母、 弹簧垫圈、自锁螺母。这几中方法都是结构简单，方便使用。 故选用了弹簧垫圈来防松。 3 转臂的设计 转臂的作用是支撑机械手和抓取的物体的重量，因此在这里对强度要求很严格。 在这里，转臂固定在左边的螺母上，并随着螺母上下移动，因此可以把转臂当做悬臂梁来算。 力分析 桂林电子科技大学 第 21 页 共 43 页 图 3臂受力分析 建立剪力、弯矩方程得 , M=出剪力、弯矩图，如上图所示。 臂的尺寸计算 图 3臂的尺寸 从弯曲强度考虑，理想的变截面梁，是使所有横截面上的最多弯曲正应力都等于许用应力。 = 得 = 而对于矩形截面悬臂梁， =F*x 得 h(x)= 采用材料铝合金来加工梁，则 =00在车的中间立起丝杆，设最远可以抓离车 100算出了梁的长度为 a=400/2+100=300 F=b=55入式中得 桂林电子科技大学 第 22 页 共 43 页 h=4 一般情况下，在外力作用下，梁的轴线会由直线变成曲线。研究表明，对于细长梁来说，剪力对其的变形影响一般很小，可以忽略不计，弯曲时各横截面仍保持平面，仍与变弯后的梁轴正交。忽略剪力的影响后，转角和挠度相互关联。 设许用挠度 =a/500，则梁的刚度条件为 其中：弹性模量 E=200形的惯性矩 I= 代入数据得 *m=上，可以取 h=15栓的设计 转臂与套筒的连接是由螺钉连接的，因此在转臂的下方打 d=6h=8螺纹孔，同时在上方也要打几个固定电机的孔。另一端，转臂与丝杆上的螺母固定，然后随着螺母的上下移动而实现转臂的上下移动。在上面我们说到了很多的连接方式和各个方式的优点。在这里，可以采用螺栓连接，被连接件上的通孔和螺栓之间留有空隙，通孔的加工比较容易，精度要求较低。 栓组结构设计 采用如图所示的结构，螺栓数 z=4，对称布置 图 3栓分布 栓受力分析 螺栓受抓手的重力作用，因此每个螺栓所受的力为 F= 而 =+F 取 = 桂林电子科技大学 第 23 页 共 43 页 由螺栓危险截面的拉伸强度条件： = 得 代入数据得 = =得 d=螺栓 0 4 滑动丝杆的设计 丝杆螺母机构主要是用来将螺旋运动变换成直线运动，或者将直线运动变换成螺旋运动，丝杆螺母机构又分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构，滑动丝杆螺母机构结构简单、加工方便，制造成本低，而且具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大，传动效率低。与滑动丝杆副相比，滚动丝杆副摩擦阻力矩小，传动效率大，而且还具有轴向刚度高、运动平稳，传动精确度高，不易磨损，但结构复杂，制造成本高，而且不能自锁，具有传动的可逆性，在做升降传动结构的时候，还要采取制动措施。我们才用了滑动丝杆来实现转臂的升降。 在上面中，我们可以知道作用在丝杆的力 F= 纹牙型的选择 精密丝杆螺母传动，常用的螺纹有牙型角为普通公制螺纹和牙型为的梯形螺纹两种。当丝杆螺母结构的载荷不大，螺纹间的摩擦对工作影响不大，而又要求小螺距的时候，可采用公制基本螺纹和公制细牙螺纹。当载荷较大时，螺距也要求较大，宜用梯形螺纹。梯形螺纹比三角形螺纹的传动效率高，强度大，螺距打。螺距小时，制造困难而且不耐磨。 易知，丝杆所受载荷不大，所以选择的普通公制螺纹。 距选择 常用的梯形螺纹螺距有 2、 3、 4、 5、 6。而在精密仪器设备中，采用的公制螺纹螺距主要有 1、 ，根据实际的进给可选择螺距为 杆直径的确定 查表螺旋传动常用的材料和滑动螺旋副材料的许用压力 p及摩擦系数 可取：螺杆的材料可用 45 号钢，螺母可用 锡青铜），选滑动速度为低速，许用压力 p 为 20由滑动螺旋的耐磨性计算公式 对于普通螺纹，有 桂林电子科技大学 第 24 页 共 43 页 中 :螺母高度 H= 取，代入数据得 机械手册取 =螺距 P=2 d=14径 = H=杆的强度计算 螺杆的强度条件为： = 式中： 由表滑动螺旋副材料的许用应力得 =355，则 =71 F=N, = ， = 代入 得 N 所以，电机的扭矩应该小于 。 母螺纹牙的强度计算 因为螺母的材料强度比螺杆的低，而螺纹牙又多因为发生剪切和挤压破坏而失效，故需要校核螺母的螺纹牙的强度。 由剪切强度条件 弯曲强度条件为 = 式中： 于梯形螺纹， b= l= u= 代入数据得 =30=0此螺纹的强度符合设计要求 桂林电子科技大学 第 25 页 共