机械毕业设计837机器人切割H型钢的设计正文Word下载.docx
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1.1.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。
1.2.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。
1.2.1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。
1.2.2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330×
100×
50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。
1.3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2~4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4~10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。
1.3.1工字钢的摩擦力计算Ff=G×
f,工字钢如图2。
1.3.1.1G为工字钢的重力,f为摩擦系数
G=mg=ρVg=ρSLg
S=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2
=30×
(800-2×
30)+2×
800×
30+0.85×
302
=70965mm2
V=SL=70965×
12000=8.5×
108mm3
=0.85m3
1.3.1.2摩擦系数
f=0.15ρ=7.8×
103kg.m3
Ff=7.8×
103×
0.85×
9.8×
0.15
=9746N
1.3.2工作台主要受丝杠轴向力FL=Ff/2=9750/2=4875N
FL=FZ=4875N
FC=FV
≈0图2
1.3.3最大工作载荷计算
选矩形导轨
Fm=KFL+f’(FV+FC+G)
其中K=1.1f’=0.005
G为移动部件的重力,约取G=200N
Fm=1.1×
4875+0.005(0+0+200)
=5364N
1.3.4最大动负载C
C=
L=60nt/106
取进给速度V=1m/min
丝杠基本导程选LO=10mm
∴n=1000n/LO=1000×
1/10=100r/min
取t=8000h
因有冲击,取fm=2而Fm=5364N
C=
×
2×
5364
=48077N
∴选用外循环滚动螺旋副,其中丝杠选用dm=63mmLo=10mm
Ca=51600N
1.3.5传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率η为
η=tgλ/tg(λ+φ)
式中:
λ为丝杠螺母旋升角,可由上得λ=2.9°
,φ为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10′。
∴η=tg2.9°
/tg(2.9°
+10′)
=0.946
1.3.6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。
1.3.6.1丝杠的拉压变形量δ1′
滚珠丝杠奕计算满载时拉压变形量
δ1′=±
FmL/(EA)
δ1′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=πdm2/4=3.14×
632/4=3115.7mm2,“+”号用于拉伸,“-”用于压缩。
δ1′=±
5364×
330/(20.6×
104×
3115.7)
=±
0.0028mm
1.3.6.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
有预紧δ2=0.0013×
Dw为滚珠直径Dw=5.953mm;
Z
=Z×
圆数×
列数;
Z为一圈的滚珠数,Z=πdm/Dw=3.14×
63/5.953=33.2
=33.2×
3.5×
1=116.2
Fm=5364N
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,δ2值可减小一半左右,所以FYJ取C/3。
FYJ=C/3=48077/3=16026N
δ2=
=0.0064mm
1.3.6.3珠丝杠副刚度的验算
丝杠的总变形量δ=δ1′+δ2应小于允许的变形量。
一般δ不应大于机床进给系统规定的定位精度的一半。
δ=0.0028+0.0064=0.0092mm
机床进给系统的定位精度取0.1mm,其一半为0.05mm
∴δ=0.0092mm<0.05mm
∴刚度符合要求
1.3.7压杆稳定性验算
临界载荷FK=fZπ2EI/L2
其中E=20.6×
104MP(因材料为钢)
I=πd14/64d=D0+2e+2R
R=0.52d0e=0.07(R-d0/2)(d0为滚珠直径,由上可知d0=9.525)
R=0.52×
9.525
=4.944
e=0.07×
(4.944-9.525/2)
=0.01337
d1=63+2×
0.01337-2×
4.944
=53.14
I=3.14×
53.144/64
=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=0.25×
3.142×
20.6×
391223/3002
=2.207×
106N
nk=FK/Fm
106/5364
=411.3
nk=411.3﹥[nk]=10
稳定性安全系数满足要求
1.4导轨的选型及计算
按标准,导轨副选用GGB—AA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。
1.5推动工件的电机选择
T=FmD0/2tg(λ+ρ)=9550P2/n
∵摩擦系数f=0.15
∴tgρ=0.15即得ρ=8.53°
由上选的丝杠可得D0=63mm
λ=2°
54′=2.9°
(5364×
63×
10-3/2tg(2.9°
+8.53°
))=9550P2/n
P2/n=0.0036
取n=750r/min
P2=0.0036×
750=2.7Kw图4
∴取标准P2=3Kw
电机型号选Y132M-8
P=3Kwn=750r/min
电机的安装及外形,如图4所示
1.6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(ZBJ19004—1988),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55~62HRC),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ZLY160—10—I。
如图5
图5
该减速器的适用条件是高速轴转速不高于1500r/min,齿轮圆周速度不高于20m/s;
环境温度—40~45°
C,低于0°
C时,起动前应将润滑油先热到8°
C以上,高于45°
C时应采取隔热措施。
1.7联轴器选择
1.7.1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6
1.7.2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φ75,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。
1.8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=(4~6)d=(4~6)×
42=168~252取D=230
d1=2.3d=2.3×
42=96.6
l1=2d=2×
42=84
l2=1.5d=1.5×
42=63
l3=0.5d=0.5×
42=21
t=0.4d=0.4×
42=16.8
s=0.3d=0.3×
42=12.6
c=0.25d=0.25×
42=10.5
a≥8°
~10°
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Dm
Dm=D-(0.5+1.6tgα)d
=230-(0.5+1.6tg9°
)×
42
=198.4
摩擦面宽度b
b=(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=1.4
k1为平均圆周速度修正系数,取k1=1.3
k2为结合次数修正系数,取k2=1
由上可得T=FmD0/2tg(λ+ρ)
∴T=5364×
63×
)
=34.1N.m
Tp=34.1×
1.4/1.3
=36.7N.m
摩擦锥行程x=δ/sinα
其中δ离合脱开所需间隙,一般取δ=0.5~1现取δ=0.8
x=0.8/sin9°
=5.13mm
脱开力与结合力Q=2Tp(fcosα±
sinα)/(Dmf))
接合时用“+”,脱开时用“-”
Q合=2×
36.7×
103×
(0.12cos9°
+sin9°
)/(293.5×
0.12)
=572N
Q开=2×
-sin9°
=-78.1N
摩擦面比压P=2Tp/πD2bf<
[P]
P=2×
36.7×
103/(3.14×
198.42×
45×
0.12)
=0.11Mpa
∴P=0.11Mpa<
[P]=1.2Mpa
1.9导轨的确定
1.9.1
∵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9
1.9.2用热轧槽钢把导轨焊接在一起,热轧槽钢型号选用40c
1.9.3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92mm,厚度为30mm;
中间轴直径为50mm,长度为43mm,两端轴直径为25mm。
如图9
1.9.4小车的设计
小车板面设计成为800×
500×
30的工作板块。
1.9.5小车板块上树立外径为300mm的空心圆柱,内径为200mm;
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°
=5430N
∵一个离合器接二个弹簧
∴试验载荷取f的一半,即为2715N
据标准选取圆柱螺旋压缩弹簧,其材料直径d=8mm,弹簧直径D=32mm,
许用应力τp=585Mpa,试验载荷Fs=3676N,一圈弹簧的试验变形量fsd=2.98mm。
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。
2.1确定基本技术参数
2.1.1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。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.1.4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。
2.2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4~6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。
2.3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。
2.4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10
3.1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:
ptη=mgh
其中η=0.8,取t=2sm=m1+m2=10+20=30Kgh=30cm
∴p×
0.8=30×
0.3
p=55W
由于其效率为0.5左右
∴P=55/0.5=110W
选电机型号为75BF003,相数为3。
其功率p=120W
3.2电机转速
nmax=Vmaxθb/(360×
δp)
其中θb=1.5°
/步δp=0.1mm/脉冲Vmax=1m/s=60000mm/min
∴nmax=60000×
1.5/(360×
0.1)=2500r/min
即n1=2500r/min
3.3同步带传动设计
3.3.1功率计算
PC=KAP
其中KA=1.1
∴PC=1.1×
120=132W=0.132Kw
3.3.2选择带型Pb为XL
3.3.3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=
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