浙江省第十届机械设计大赛说明书.docx
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浙江省第十届机械设计大赛说明书
目录
一作品的创新与特色简介3
二设计方案拟定4
2.1方案设计4
2.2电气控制部分7
2.3总体结构8
三动力与传动方案的设计、计算与分析9
3.1车体驱动9
3.2过铝合金梁9
四动作执行机构的设计、计算与分析10
4.1取物机械手10
4.2拧螺母机械手11
五其它设计计算与说明13
5.1支臂的校核13
5.2轴的校核14
六制作、调试与试验15
结束语16
附录17
1作品的创新与特色简介
Ø行走机构采用双电机履带驱动,运行迅速、稳健、灵活,履带底盘转弯半径小,便于控制行走方向。
Ø采用小车独特的“
”型结构,通过同步带传动,借助铝合金梁,可快速顺利过河。
在两侧分别放置取物机械手和拧螺母机械手,可起到平衡左右侧的作用。
Ø旋转转机构采用两个相向运动的且具有120度夹角的铝片夹住螺母,利用丝杆进行升降,补偿在拧螺母过程中螺母下降的位移。
Ø取物机构采用“凹”字形铲进行取物,使用齿轮齿条传动让U形铲进行升降,从而快速将零件放置到指定位置。
Ø小车长宽高为295*290*295,符合题目要求,结构有比较简单,并且能顺利完成动作。
机器人三维效果和实物如图一、二所示。
图一三维效果图图二机器人实物
2设计方案拟定
2.1方案设计
1.车体及行走机构
图1机器人示意图
如图1所示。
用铝板制作成“
”型结构的机器人机架,机架中间空间布置过桥装置,下部左右两侧平台布置机器人的两个手臂(执行机构)。
采用三套同步带轮式行走装置,其中下部的左、右行走履带(同步带)分别由布置在机器人前部的左、右电动机分别通过传动比为1的锥齿轮传动后,驱动车体在地面行走并转向(如图2所示)。
布置在上部的过铝合金梁履带由电动机、锥齿轮传动来实现机器人过河(图3所示)。
图2行走同步带传动方式图3过铝合金梁同步带传动方式
2.取物机械手及拉旗装置
齿轮机构
旋转电机
铲子
齿轮齿条
支臂
绕线电机
绕线轮
升降电机
图5U型铲子
如图4所示。
在机器人机架下部一侧的平台上设置机器人立柱,由立柱、横臂和铲子立臂构成取物机械手——“凹”字形型铲子装置,“凹”字形型铲子铰接在铲子立臂上,可由电动机通过绕线轮的绳索拉动而绕立臂上下摆动,通过齿轮齿条机构实现立臂上下升降运动,立柱通过齿轮机构实现旋转运动,这样执行元件——“凹”字形型铲子具有上下摆动(铲取零件)、升降(举起零件)和旋摆(调整方位)三方面的动作,保证可靠并准确完成所要执行的任务。
图5为U型铲子构型。
当拧螺母任务完成后,将取物机械手旋转至初始位置,当绳落在绕线轮和车身主板的空隙时如图6所示,旋转取物机械手将绳夹住,移动车体实现拉旗动作。
夹住拉绳
图6拉旗机构
3.拧螺母机械手
图7拧螺母机械手
如图7所示。
在机器人机架下部另一侧的平台上设置机器人拧螺母支柱及拧螺母手臂,采用蜗杆传动实现支柱即拧螺母手臂绕机器人机架的旋转运动以调整拧螺母手臂的方位并保证有足够的拧螺母空间。
采用丝杆实现升降,从而可以实现上下移动螺母,补偿在拧螺母过程中螺母下降的位移。
拧螺母电机旋转,将已夹紧的螺母拧进螺柱。
松夹电机带动齿轮旋转使两个平行齿条相向运动,从而实现夹紧和松开的过程。
2.2电气控制部分
整个机器人均采用10台直流带减速电动机(见表1所示)驱动,以实现机器人准确、有效地完成过桥——取零件——放零件——拧螺母——拉红旗的过程,操作方便。
10台电动机采用线控独立控制,两个电气操作盒分别通过开关操控机器人的行走以及两个机械手臂的动作。
表1选用的电动机参数和用途
类型
额定电压(V)
额定功率(W)
额定转速
(r/min)
扭矩KG.CM
用途
个数
直流减速电机
12
9
125
2.3
车体驱动、支臂旋转
4
直流减速电机
12
9
32
9
支臂旋转
1
涡轮减速电机
12
100
1
丝杆旋转
1
涡轮减速电机
12
60
1.5
拉线、拧螺母
2
涡轮减速电机
12
20
5
夹螺母、上下取物
2
如图8所示为实现正反转电路图。
图9为总电路图。
图8正反转电路
图9总控电路
2.3总体结构
如图10所示为机器人三维效果图,图11为制作的机器人样机。
机器人长宽高为295*29*295。
机器人底盘较低,左右两个机械手臂质量平衡,能保证机器人运行的稳定性和抓取物品的可靠性。
图10机器人三维效果图图11机器人实物
3动力与传动方案的设计、计算与分析
3.1车体驱动
采用两个12V、9W、125r/min的减速电机,分别驱动直径d=37mm的左、右同步带轮,机器人总重量W=7.1kg,取摩擦系数
,可靠性系数K=1.3。
则,
机器人行走速度为
机器人地面行走阻力矩为
采用的两个9W电动机的驱动扭矩远大于阻力矩,所以完全满足行走要求。
3.2过铝合金梁
过桥履带采用一个12V,9W,125r/min的减速电机,驱动d=26mm的同步带轮,取摩擦系数
,其他条件与行走部分相同,则,
机器人骑跨过桥速度为
机器人过桥阻力矩为
采用一个9W的电动机完全满足过桥要求。
4动作执行机构的设计、计算与分析
4.1取物机械手
1.旋转
采用一个12V9W,32r/min的减速电机扭矩:
9kg.cm,小齿轮齿数为17,大齿轮齿数为60。
止推轴承摩擦系数f=0.02,支臂总质量m=1.5kg,最大轴承6310质量约1kg
扭矩M=F×r=2.5×9.8×0.02×3=1.47N.cm<9kg.cm
取安全系数s=3
则Pe=1.47×3=4.41N.cm<9kg.cm满足要求。
2.上升
采用一个12V9W,20r/min的减速电机扭矩:
5kg.cm,
小齿轮齿数为25
扭矩M=F×r=1×10×1.25=12.5N.cm
取安全系数s=3
则Pe=12.5×3=35.5N.cm<5kg.cm满足要求。
3.绕绳
图12绕线受力分析
采用一个12V9W,60r/min的减速电机扭矩:
1.5kg.cm,绕线轮直径d=11,如图12所示
F2max=10N
F1max=F2/cos(a)=10.5N
扭矩M=F×r=10.5×0.7=7.35N.cm
取安全系数s=2
则Pe=7.35×3=14.7N.cm<5kg.cm满足要求。
支臂的顶端线速度Vmax=n×d/D×l/60
=32×17/60×0.31/60=0.0468m/s
向心力f=mV^2/r=7.065×10^-3N
摩擦力f=mg=0.17×1×10=1.7N〉7.065×10^-3N
4.2拧螺母机械手
1.支臂旋转
采用一个12V9W,125r/min的减速电机扭矩:
2.3kg.cm,蜗杆Z1=1蜗轮Z2=60,止推轴承摩擦系数f=0.02,支臂总质量m=2kg
Ff=2×9.8×0.02=0.392N
Fa1=2T/d=2×23/1=46N
取安全系数s=3
则Pe=0.392×3=1.716N<46N满足要求。
2.手臂升降
采用一个12V,100r/min的减速电机扭矩:
1kg.cm,u=0.1
图13手臂受力分析
如图13所示
F1=20N
F2=3.14N
F3=19.75N
Ff=uF3=1.975N
F4=5.05N
M=Fr=5.05x0.4=2.02N.CM
取安全系数s=3
则Pe=2.02×3=6.06N.cm<10N.cm满足要求。
3.拧螺母
采用一个12V,60r/min的蜗轮减速电机扭矩:
1.5kg.cm
螺母转进螺杆的力矩为1N.cm
取安全系数s=3
则Pe1×3=3N.cm<15N.cm满足要求
4.夹螺母
采用一个12V,20r/min的蜗轮减速电机扭矩:
5kg.cm
最大螺母m=0.11kg,钢与铝的滑动摩擦系数=0.17
F=mg=0.17×0.11×10=0.187N
F=M/r=50/1=50N
取安全系数s=3
则Pe=0.187×3=0.561N<50N满足要求。
5其它设计计算与说明
5.1支臂的校核
支臂采用悬臂梁。
如图14所示
已知铝板的许用应
F2=20N
支臂
图14支臂
受力分析
F1=F2=20N
M=F2x70=140N.mm
符合要求
5.2轴的校核
如图各根轴采用悬臂支撑。
已知T=17.75N.cm,轴材料为钢
,F2=17.75N
轴
如图15轴和轴的受力图
按第三强度理论则强度条件为
按第四强度理论则强度条件为
符合要求
6制作、调试与试验
1.准备
2.前进
3.过铝合金梁
4.转弯
5.取轴承
6.放轴承
7.取垫片
8.放垫片
9.取螺母
10.放螺母
11.拧螺母
12.拉红旗
结束语
我们怀着锻炼个人实践创新能力的目的,以极高的热情报名参加本届机械设计大赛。
通过小组反复讨论,制定了机器人原理方案。
该方案原理正确,工作过程可靠,能保证完成规定的任务。
在制作阶段,考虑到机器人制造的工艺性,大部分材料采用铝。
电动机、轴承、同步带等我们在市场上直接购买或者淘宝网购,各种板、臂、轴等我们亲自使用车床,铣床等进行加工。
制作完成后,通过反复调试,不断解决遇到的问题,最终完成了能实现规定动作要求的机器人,该机器人在操作人员的正确操作下能简洁有效地完成作业。
由于时间仓促及能力有限,在设计的过程中缺乏经验,设计中难免会有缺点和错误。
并且有很多零件是我们纯手工打造,在精度方面不是很高,在此恳请各位专家、评委、老师和同学们批评指正。
附录
实物图
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- 关 键 词:
- 浙江省 第十 机械设计 大赛 说明书