【毕业设计论文】移动机器人转台的的设计-设计说明书【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 1 引言 1 1 . 1本课题研究内容及意义 1 1 . 2 国内外发展现状 1 1 . 3 本文所做的工作 1 2 装台系统的总体设计 3 3 俯仰系统的设计 5 3 . 1 俯仰机构的设计 5 3 . 2 俯仰系统的传动分析与计算 8 4 转台回转系统的设计 1 3 4 . 1 转台回转机构的设计 1 3 4 . 2 传动比的设置 1 6 4 . 3 回转系统的动力分析与计算 1 6 结束语 3 1 致谢 3 2 参考文献3 3 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 引言 小型机器人主要用于代替人工作业，批量生产成本一般较低。由于上述特点，它大 都用于简单、重复、繁重的工作，如上、下料，搬运等，以及工作环境恶劣的场所，如 喷漆、焊接、清砂和清理核废料等。它使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化, 使人 类的生产方式从手工作业、自动化跨入了智能化的时代。 1 . 1 本课题研究内容及意义 本课题以小型地面移动机器人的转台为研究对象， 综合运用所学基础理论知识, 根据 给定的总体结构尺寸、重量及运动特性指标，进行结构选型、机构设计。通过本课题的 研究，通过对设计要求、工作原理和机构动作的分析和理解，构思机构运动方式和传动 布局，并进行机构、零部件设计计算等环节的实践，培养设计、计算、制图及计算机应 用能力，以提高分析与解决工程实际问题的能力。 1 . 2 国内外发展现状 随着生活水平的提高，科技的发展，人们将大量简单繁重的工作交给机器人，机器 人仆人将大量出现。如汽车司机长时间驾驶容易疲劳，汽车将有安全的自动驾驶模式。 现在自动驾驶车能对前方车辆实行避让超车，但对小动物或人不知避让，这要待更聪明 的传感器出现或图像处理更精细些。 在医疗领域， 能进入人体的微型机器人将大显身手。 它们进入血管、肠道等地方进行清理、探查、保健预警等。工业机器人在国外发达国家 用的很普遍，随着新兴产业的出现，相应的工业机器人必将会研制出来。国际形势虽无 世界大战之虑，但局部冲突时有发生，反恐形势依然严峻。美国和许多欧洲国家以及日 本都投入大量人力物力研发军用机器人。大型的无人坦克冲锋陷阵，小型的昆虫机器人 “间谍”到处爬行，少量的作战人员在安全的信息中心运筹帷幄。2 0 0 4 年我国中国科学 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 院沈阳自动化研究所也自行研制出“灵蜥”系列反恐防暴机器人。 1 . 3 本文所做的工作 本次设计主要完成两个运动，转台的旋转与升降系统。转台系统有回转和俯仰两个 自由度。为使俯仰运动满足自锁的要求，拟采用棘轮机构，因其工作时有较大的冲击和 噪声，而且运动精度较差，故放弃。考虑使用螺旋机构，其优点是能获得很大的减速比， 还可有自锁性。它的主要缺点是机械效率一般较低，特别是具有自锁性时效率将低于 5 0 % 。转台的回转运动可考虑使用蜗轮蜗杆机构，其优点是传动平稳，啮合冲击小，由于 蜗杆的头数少，故单级传动可获得较大的传动比，且结构紧凑。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 转台系统的总体设计 转台系统有两个自由度，若视转台的回转为第一自由度。第一自由度结构及尺寸取 决于搭载对象的质量，以及搭载对象对机器人的作用力，而第一自由度受第二自由度影 响，故应先计算第二自由度传动的零件。第二自由度即为转台的俯仰运动，采用了螺纹 副结构，并结合摆动导杆机构，实现了俯仰台旋转自由度图 2 . 1 所示为上层搭载平台第 二自由度三维图。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2 . 1 搭载系统第二自由度三维图 俯仰系统的结构尺寸取决于搭载物的尺寸及质量， 以及搭载对象对机器人的作用力。 俯仰运动的传动结构为螺旋传动， 并利用了摆动导杆机构， 具体图纸设计如图 2 . 2 所示。 图 2.2 俯仰系统二维结构图 1 俯仰台 2 螺母 B 2 0 3 丝杠 B 2 0 4 销 5 联轴器 6 连接座 7 减速箱 8 电机 9 空心轴 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 0 搭载台 如图 2 . 2 所示，电机旋转运动经减速箱减速后，由联轴器传递给丝杠，使丝杠旋转。 丝杠旋转使与之配合的螺母作相对直线运动。因为螺母是固定在俯仰台底部的，所以实 质上是俯仰台在绕水平轴转动，实现了俯仰的自由度。 转台的回转自由度主要是由蜗轮蜗杆减速器传递的。 电机旋转运动经减速箱减速后， 由同步带传递给蜗杆轴，蜗杆轴带动蜗轮转动，使之完成回转运动。蜗轮蜗杆传动的一 种空间的齿轮传动， 它能实现交错角为 90 度的两轴间的动力和运动传递。 在这个移动机 器人的设计中，它与同步带轮合作，将电机的高速转动一级一级减速，达到所要的结果， 在此传动中，由于摩擦等因素，能量受到损耗，转为热能，所以不仅需对材料的受力校 核，而且对材料的受热特性也要验证。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 俯仰系统的设计 3 . 1 俯仰机构的设计 转台的俯仰运动直接由滑动螺旋副完成，滑动螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹 或矩形螺纹等。 梯形螺纹一般是指牙形角 ? 30=， 螺纹副的大径和小径处有径向间隙。 牙根强度高， 螺纹的工艺性好。主要用于传力螺旋和传动螺旋如金属切削机床的丝杠等。 锯齿形螺纹有两种牙形，一种是工作面牙形斜角 ? 3 1 =，非工作面牙形斜角 ? 30 2 =；另一种是 ? 0 1 =， ? 45 2 =的锯齿形角，其外螺纹的牙根处有相当大的圆角， 减小了应力集中，提高了动载强度；大径处无间隙，便于对中；和梯形螺纹一样都具有 螺纹的强度高、工艺性好的特点，但有更高的效率。用于单向受力的传力螺旋，如大型 起重机的螺旋千斤顶等。文中采用 3 / 3 0 牙形的锯齿形螺纹，此处采用锯齿形螺纹， 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 主要是因为锯齿形螺纹具有较好的自锁性能，螺纹之间的摩擦力及支承面之间的摩擦力 都能阻止螺母的松脱。所以即使在振动及交变载荷作用下，也不需要防松。 滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母高度通常是根据耐磨性 计算确定的。 传力螺旋应校核螺杆的危险界面的强度， 要求自锁的螺杆应校核其自锁性。 能够搭载发射性装置是多用途特殊移动作业机器人的主要功能，所以要求控制俯仰台运 动的机构具有自锁能力。因此采用了螺旋旋动中的滑动螺旋副传动，并采用单线螺纹。 下面根据指标进行螺杆参数和螺母参数的计算。 螺杆的中径 2 d： P F d = 2 （3 . 1 ） 其中：3 / 3 0 锯齿形螺纹7 . 0=， 5 . 22 . 1=，此处取2 . 1=； F轴向载荷，根据指标，NF5000=； P许用压强（M P a ） ，当丝杠与螺母均选用 4 5 钢时， MPaP5 . 7=。 代入数据计算得： mmd5 .16 5 . 72 . 1 5000 7 . 0 2 = = 由锯齿形螺纹的参数关系Pdd75. 0 2 =，其中d为螺纹公称直径，P为螺距，以及 查阅标准，可得mmd20=，mmP4=。 则有： mmPdd17475. 02075. 0 2 = 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 螺杆小径为： mmPdd06.134735534. 120735534. 1 1 = 螺母的高度H：mmdH5 .25175 . 1 2 = 取整得: mmH30= 旋合圈数z： 105 . 7 4 30 3 m / s时，KV= 1 . 1 1 . 2 ，故取 KV= 1 . 1 ，载荷分布系数 K 载荷平稳时 K= 1 ，载荷变 化时 K = 1 . 1 1 . 3 ，故取 K= 1 . 1 。Z为接触系数，取 2 . 5 。 将上述数据代入公式（4 . 1 3 ）中，计算得 H = 1 9 . 3 2 N mm，远远小于 1 1 5 . 8 2 N mm，符合要求，所选合格。 ( 4 ) 校核涡轮齿根弯曲强度 齿根弯曲强度验算公式 FPFS VA F YY mdd KKKT = 21 2 666 （4 . 1 5 ） 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 式子中，按当量齿数 2v Z= 2 Z/ c o s 3= 4 8 /0 . 9 1 3 = 5 2 . 5 7 4 及5 . 0 2 =x查表得， FS Y= 4 . 2 6 ， Y= 1 -/ 1 2 0 = 0 . 8 8 3 将上述诸值代入公式 YY mdd KKKT FS VA F 21 2 666 = 1 2 . 4 4 2 /N mm， 远远小于 4 2 . 2 1 2 /N mm，所以是合格的。 ( 5 ) 热平衡校核 （闭式蜗杆传动）周围空气的温度 t = 2 0 C ，取散热系数 K = 1 7 W / （m 2 C ） ， 估计散热面积 A = 1.75 0.33 100 a = 0 . 0 7 2 m （4 . 1 6 ） 1 1 1000(1)p tt KA =+= 4 9 . 3 7 Ce时，X = 0 . 4 4 ， Y = 1 . 1 9 , 所以： R 1 = 22 11HV FF+=1 3 5 N R 2 = 22 22HV FF+=1 3 3 N 11 SeR=8 1 N 22 SeR= 7 9 . 8 N 1 A = 2 S + a F = 1 0 3 . 3 4 N ， 2 A = 2 S a F = 5 6 . 2 6 N 1 A / 1 R = 0 . 7 6 5 e = 0 . 4 7 ， 2 A / 2 R = 0 . 4 2 3 5 年。 故所选轴承适合工作寿命 5 年。 蜗杆轴的设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 ( 1 ) 蜗杆轴的材料的选择，确定许用应力 考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。 蜗杆选 3 5 C r M o ，表面淬火，硬度为 4 5 5 0 H R C ；表面粗糙度mRa6 . 1。 ( 2 ) 按扭转强度，初步估计轴的最小直径, 选用联轴器。 由上面的已经算出，d只要大于 1 0 m m ，就能满足要求，轴伸安装联轴器，考虑补偿 轴的可能位移，选用弹性拄销联轴器，取工作情况系数 a K = 1 . 5 c T =KaT=1.5 144.84=217.26N m 由转速和转矩查表 G B / T 5 0 1 4 - 1 9 8 5 选用 H L 3弹性柱销联轴器，标准孔径d= 4 0 m m ， 即轴伸直径为 4 0mm。 ( 3 ) 轴承 采用角接触球轴承，并采用凸缘式轴承盖，实现轴承系两端单向固定。选定滚动轴 承为型号为 7 2 1 2 C 。 ( 4 ) 轴的结构设计径向尺寸的确定 从轴段 1 d = 4 0 m m开始逐渐选取轴段直径， 2 d 起固定作用，定位轴肩高度可在 （0 . 0 7 - 0 . 1 ）d 范围内，故 2 d =1d + 2 h 4 0（1 + 20 . 0 7 ）= 4 5 . 6 m m ，该直径处安装密封毡 圈，标准直径。应取 2 d = 5 0 m m ； 3 d 与轴承的内径相配合，为便与轴承的安装取，选定轴 承型号为 7 2 1 2 C ， 3 d = 6 0 。 4 d 起定位作用， 由 h =（0 . 0 70 . 1 ） 3 d =（0 . 0 7 - 0 . 1 ）6 0 = 4 . 2 6 m m ，取 h = 5 m m ， 4 d = 6 0 + 25 = 7 0 m m 。 （5 ）滚动轴承的寿命校核 选定滚动轴承为型号为 7 2 1 2 C ，尺寸适合该蜗杆。蜗杆上的滚动轴承由于应力幅比 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 蜗杆的小，所以一般只校核蜗轮上的滚动轴承的寿命即可，也可以取减速器的检修期为 2 年，到检修期时更换。 4 . 4 本章小结 蜗轮蜗杆传动的一种空间的齿轮传动， 它能实现交错角为 90 度的两轴间的动力和运 动传递。在这个移动机器人的设计中，它与皮带轮合作，将电机的高速转动一级一级减 速，达到所要的结果，在此传动中，由于摩擦等因素，能量受到损耗，转为热能，所以 本章不仅对材料的受力校核，而且对材料的受热特性进行了验证。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 结束语 经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了移动机器人转台的论文。从开始 接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与 挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识 也有很多感受，从对机械的一知半解，对零件选用的一无所知的状态，我开始了独立的 学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常 稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次校核的成功都会让我 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 兴奋好一段时间。从中我也充分体会到了机械设计给我们生活带来的乐趣，在自己的小 小世界里自得其乐。 虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的 每一个细节，都有我的劳动。当看着自己的努力极有希望成为实物的时候，真是莫大的 幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要认认真真用心去做的一 件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没 有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学 习中激励我继续进步。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 致 谢 本研究及学位论文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态 度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到 项目的最终完成，周老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。半年多来，导师不仅 在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向周 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 我还要感谢在一起愉快的度过本科四年的各位同学，正是由于你们的帮助和支持， 我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可 敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢 培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 参 考 文 献 1 减速机信息网. 工业机器人技术 E B / O L . h t t p : / / w w w . g k c i t y . c o m / n - i - 2 8 9 7 6 - c - P o t p o u r r i . h t m , 2 0 0 6 . 2 熊有伦. 机器人技术技术 M . 武汉： 华中理工大学大学出版社，1 9 9 6 . 3 K r i s z t i n i c z I . p o s i t i o n i n g p r o b l e m s o f i n d u s t r i a l r o b o t s M . N e w Y o r k : M i c r o s o f t P r e s s , 1 9 9 7 . 1 6 5 2 8 6 . 4 林绳宗. 全球机器人应用概况 J . 高技术纵览，2 0 0 5 , 6 : 5 5 . 5 龚振邦. 机器人机械设计 M . 北京: 电子工业出版社, 1 9 9 5 . 6 中国自动化网. 工业机器人的现状与发展趋势 E B / O L . h t t p