水下船舶清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類(lèi)、藻類(lèi)生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒?，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問(wèn)題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問(wèn)題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1.2 課題研究的目的和意義 船舶正常工作時(shí)總有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船體表面會(huì)附著一些貝類(lèi)、藻類(lèi)等生物，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加了船舶的燃料消耗，所以每隔一段時(shí)間就要對(duì)船舶進(jìn)行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對(duì)船舶進(jìn)行清洗，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，工作量大，難度大.因此研究水下清洗機(jī)器人成為必要.本設(shè)計(jì)的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動(dòng)并且可以吸附在船體上的清洗機(jī)器人.一方面機(jī)器人可以像魚(yú)類(lèi)一樣在水下自由的游動(dòng);另一方面該機(jī)器人可以通過(guò)電磁吸附吸附在船體上并且通過(guò)移動(dòng)裝置在船體上爬行，同時(shí)進(jìn)行清洗.因此該機(jī)器人代替了人工潛入水下進(jìn)行清洗，減少了工人的工作量，減輕了工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了水下船舶清洗的自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)于爬行機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)提出了一種新的爬行方式，具有重要意義.。 1.3 現(xiàn)狀 目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，一方面船舶清洗是在水下，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問(wèn)題，增大了設(shè)計(jì)的難度，目前國(guó)內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2003 年研制出了一種水下清洗機(jī)器人，采用履帶式移動(dòng)方式，吸附在船體上清洗船舶.國(guó)外一些國(guó)家也開(kāi)始研究清洗機(jī)器人，主要是壁面清洗機(jī)器人的研究，都取得一些成績(jī)，但是在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和清洗功能的技術(shù)理論和實(shí)踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期. 對(duì)于清洗機(jī)器人的研究，尤其是水下清洗機(jī)器人，目前仍然是處于開(kāi)始期，還有很多關(guān)鍵的技術(shù)需要解決，并且水下清洗機(jī)器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式，還有很長(zhǎng)一段路要走，但是隨著中國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展，船舶的排水量的增加，水下船舶部分的清洗也將是一項(xiàng)很繁重的任務(wù)，如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，將大大提高效率，減輕工作量，所以水下清洗機(jī)器人有著很好的發(fā)展前景. 爬行方案 機(jī)器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過(guò)電磁吸附吸附在船體上，同時(shí)機(jī)器人在船體上要完成移動(dòng). 爬行部分主要解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人在曲面的移動(dòng)，另一個(gè)問(wèn)題是機(jī)器人在船體表面的吸附. 爬行方案 對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動(dòng)，例如清洗玻璃的機(jī)器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機(jī)器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機(jī)器人及其移動(dòng)方案：多吸盤(pán)真空吸附式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡(jiǎn)便易行,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性.該機(jī)器人可以代替人工清洗. 考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的一些特點(diǎn)以及對(duì)壁面清洗機(jī)器人的要求 ,該壁面清洗機(jī)器人多采用真空式吸附方式. 下面是幾種移動(dòng)方案： 1） 圖1 圖 1 為機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)模型 ,它由 2 個(gè)外形 基本一樣的框架構(gòu)成.每個(gè)框架下有 3 條腿 ,各由提升氣缸組成 ,每條腿下部有 1 個(gè)吸盤(pán)組.氣缸伸縮時(shí) ,吸盤(pán)便接觸、脫離壁面. 下框架下部安裝有 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸 ,使得 2 個(gè)框架可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度.2 個(gè)框架中間有 1 個(gè)可以相對(duì)下框架旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán) ,圓盤(pán)上有 1 個(gè)氣缸和 2 個(gè)導(dǎo)軌.機(jī)器人可以沿著和2 個(gè)框架之間的導(dǎo)軌平行的方向做直線運(yùn)動(dòng). 圖2 運(yùn)動(dòng)初態(tài)如圖 2.2a 所示 ,運(yùn)動(dòng)開(kāi)始上框架的腿部吸盤(pán)先脫離吸附 ,提升氣缸縮回 ,這就完成了機(jī)器人腿部的縮回.然后2框架之間的氣缸伸出 ,上框架便沿著軌道方向相對(duì)下框架運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)到位后 ,上框架 3 提升氣缸伸出 ,吸盤(pán)吸附工作表面 ,如圖 2.2b.隨后下框架的吸盤(pán)松開(kāi) ,提升氣缸縮回 ,2 框架之間的氣缸縮回 ,下框架便沿著導(dǎo)軌方向靠攏上框架 ,直到恢復(fù)到如圖 2.2c 所示樣式.這樣便完成了1個(gè)工作循環(huán). 該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)是利用汽缸，吸附是利用真空吸附. 2） 圖3 圖2.3所示是另一種移動(dòng)裝置，它由八個(gè)吸盤(pán)組成，外面有四個(gè)，里面有四個(gè)，并且里面四個(gè)吸盤(pán)可以通過(guò)支撐桿和滾珠絲杠移動(dòng)，其中吸盤(pán)是靠真空吸附. 圖4 圖4表示了爬壁機(jī)器人的直線行走過(guò)程.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使后足的立足點(diǎn)選擇在前足已用過(guò)的立足點(diǎn)上,從而減少對(duì)障礙的判斷次數(shù)以提高行走速度.圖 4(a)表示為機(jī)器人的初始狀態(tài),氣缸小行程伸出,吸盤(pán)處于全吸狀態(tài),滑塊處于中位;圖 4(b)表示外側(cè) 4個(gè)吸盤(pán)吸附不動(dòng)對(duì)內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行真空破壞,使其吸盤(pán)松開(kāi),內(nèi)側(cè)氣缸縮回;圖 4(c)表示前進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠上的滑塊前進(jìn),滑塊和內(nèi)框架一體隨之前進(jìn);圖4(d)表示內(nèi)側(cè)氣缸伸 出,內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤(pán)與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上圖 4(e)表示內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤(pán)吸附不動(dòng),對(duì)外側(cè) 4個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行真空破壞,使其松開(kāi),外側(cè)氣缸縮回;圖 4(f)表示前進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)滾珠絲杠前進(jìn),帶動(dòng)外框架隨之前進(jìn);圖 4(g)表示外側(cè)氣缸伸出,外側(cè) 4吸盤(pán)與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上,此時(shí)內(nèi)外框架 8個(gè)吸盤(pán)全處于吸附狀態(tài),機(jī)器人開(kāi)始下一運(yùn)動(dòng)循環(huán).以上是爬壁機(jī)器人的一個(gè)步進(jìn)過(guò)程,如此不斷循環(huán),就實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的連續(xù)前行. 圖5 該機(jī)器人主要由一個(gè)主體氣缸、兩個(gè)縱向吸盤(pán)提升氣缸、一個(gè)橫向吸盤(pán)提升氣缸、兩組橫向吸盤(pán)組以及兩組縱向吸盤(pán)組構(gòu)成. 圖6 圖6為多足爬壁機(jī)器人一個(gè)步距的行走流程圖.以向前運(yùn)動(dòng)為例, 初始狀態(tài)是機(jī)器人處于靜止的狀態(tài), 這時(shí)機(jī)器人可以通過(guò)攜帶的探頭對(duì)管壁進(jìn)行清掃和檢測(cè).機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí), 橫向和縱向的真空吸盤(pán)都處于提供真空狀態(tài)下, 橫向吸盤(pán)提升氣缸處于縮回狀態(tài), 縱向吸盤(pán)提升氣缸處于伸出狀態(tài).當(dāng)縱向吸盤(pán)釋放真空, 縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回時(shí), 橫向真空吸盤(pán)處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸缸筒是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 活塞桿向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 隨后縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出, 縱向吸盤(pán)提供真空吸附; 當(dāng)橫向吸盤(pán)釋放真空, 橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回時(shí), 縱向真空吸盤(pán)處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸活塞桿是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 氣缸筒向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 且橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出, 橫向吸盤(pán)提供真空吸附, 完成一個(gè)行走過(guò)程. 4）目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水下船舶清洗機(jī)器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一種水下清洗機(jī)器人，他們的移動(dòng)是靠履帶完成的，采用永磁吸附，雙履帶機(jī)構(gòu)， 圖7 機(jī)器人的吸附機(jī)能是由固定在履帶鏈條外翼板上的磁吸附塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的.由鏈條的鏈節(jié)數(shù)決定了每條履帶上每隔一個(gè)鏈節(jié)安裝一個(gè)磁塊,則履帶一周上均勻鑲嵌有21個(gè)橡膠封裝的永磁體塊.在履帶移動(dòng)的過(guò)程中,保證每條履帶上有8個(gè)磁塊與容器表面處于良好的吸附狀態(tài),并形成足夠的磁力將機(jī)器人吸附在容器表面上,實(shí)現(xiàn)吸附功能.在移動(dòng)的初始時(shí)刻,調(diào)整兩條履帶上的磁塊處于相同的狀態(tài),然后由伺服電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪,進(jìn)而帶動(dòng)履帶表面的磁塊在容器表面上交替吸附,周而復(fù)始,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在容器表面上的移動(dòng). 吸附方案 吸附方式主要有兩種：真空吸附和磁吸附. 1、真空吸附裝置 真空吸附裝置也稱(chēng)真空吸盤(pán)，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 真空吸盤(pán)是在利用吸盤(pán)內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而實(shí)現(xiàn)吸附的，真空的產(chǎn)生可以通過(guò)真空泵、壓縮空氣或排風(fēng)機(jī)等.用真空泵或用壓縮空氣產(chǎn)生真空的吸盤(pán)，一般真空度較高.由排風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空的吸盤(pán)，一般真空度較低. 2、磁吸附裝置 磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人用于鐵磁性壁面上的作業(yè).磁吸附裝置的吸附由電磁鐵、永磁鐵來(lái)產(chǎn)生. 電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場(chǎng)吸力把對(duì)象物吸住.當(dāng)切斷電流時(shí)，磁場(chǎng)消失，對(duì)象物即被釋放.本機(jī)構(gòu)就是利用電磁吸附，當(dāng)磁鐵不通電時(shí)，吸盤(pán)沒(méi)有吸力，當(dāng)通電時(shí)，吸盤(pán)具有吸力.先給大吸盤(pán)通電，具有磁性吸附在船體上，然后斷電，磁性消失，這時(shí)再給小吸盤(pán)通電，吸盤(pán)具有磁性，小吸盤(pán)吸附在船體上，循環(huán)吸附.于此同時(shí)移動(dòng)部分利用 間隙時(shí)間移動(dòng). 永磁吸附是利用永磁鐵來(lái)產(chǎn)生磁性吸附，永磁吸附所產(chǎn)生的磁性一直存在，所以移動(dòng)部分就一直在被吸附物體上，哈工大所研制的清洗機(jī)器人就是利用永磁吸附，利用雙履帶移動(dòng)方式，一直吸附在船體上移動(dòng). 本機(jī)構(gòu)是利用機(jī)器人的行走完成移動(dòng)，所以采用真空吸附 清洗方案 清洗方案的選擇，清洗的對(duì)象是船體表面，包括清洗船體表面附著的一些貝類(lèi)、藻類(lèi)等生物，需要一定的清洗力.同時(shí)考慮機(jī)器人的本身尺寸大少，清洗圓盤(pán)不易過(guò)大，并且驅(qū)動(dòng)要簡(jiǎn)單、可行.下面是現(xiàn)存的一些清洗工具： 1）公路圓盤(pán)洗 該清洗盤(pán)用于公路的清洗，主要清洗路面的塵土和垃圾，所以尺寸很大，所需力要求不大，轉(zhuǎn)速在100r/min左右，本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)容易設(shè)計(jì)，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)所需功能. 圖8 2）滾筒刷 滾筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滾動(dòng)來(lái)完成清洗，一般用于手動(dòng)，主要用于清洗玻 璃等比較光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滾來(lái)完成的. 圖9 目前市場(chǎng)上主要有這兩種清洗設(shè)備，比較兩種設(shè)備，第一種要靠電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，第二種主要是靠手動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗；兩種清洗都不需要很大的力，轉(zhuǎn)速不需要很快；第一種尺寸很大，主要清洗路面，所以尺寸比較大，第二種尺寸相對(duì)很小. 考慮以上特點(diǎn)，本機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)選擇第一種，但是尺寸選擇變小，利用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，考慮清洗的力矩及所需轉(zhuǎn)速，選擇轉(zhuǎn)速為40r/min，清洗面積大約為500平方毫米.對(duì)清洗盤(pán)的設(shè)計(jì)主要是選擇合適得材料、毛刷來(lái)清洗船體表面，船體表面的污染物對(duì)船體有一點(diǎn)的吸附力，普通的毛刷不容易將其刷下，容易變形，考慮這些因素，選擇鐵絲刷，鐵絲具有一定的硬度，不容易變形，現(xiàn)在市場(chǎng)上也可以買(mǎi)到。 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)的基本要求 2.1.1 工藝范圍 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類(lèi)、藻類(lèi)生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒拢O(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問(wèn)題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問(wèn)題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2.1.2 進(jìn)給方案的選取 比較現(xiàn)有移動(dòng)方案，可以看出移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要都是依靠?jī)蓚€(gè)相似的機(jī)構(gòu)分別移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，而驅(qū)動(dòng)大多是利用汽缸來(lái)驅(qū)動(dòng).哈工大的水下清洗機(jī)器人的移動(dòng)是靠雙履帶來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，利用永磁吸附，一直緊貼在船體上移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng).除哈工大的水下機(jī)器人外，其他機(jī)器人的移動(dòng)主要是適應(yīng)平面移動(dòng)，而對(duì)于在曲面上的移動(dòng)涉及的比較少，本機(jī)器人的移動(dòng)參考以上幾種機(jī)器人的移動(dòng)方式加已改進(jìn)，具有一定的適應(yīng)性.移動(dòng)方案也是采用兩個(gè)相似的機(jī)構(gòu)，循環(huán)前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)是利用電機(jī)帶動(dòng)齒輪在通過(guò)絲杠螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)連個(gè)相似機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng).如圖10所示， 2.1.3 吸附結(jié)構(gòu) 真空吸附裝置也稱(chēng)真空吸盤(pán)，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 本機(jī)構(gòu)用真空吸盤(pán)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需油缸的伸出和縮進(jìn)，完成吸附工作。 第3章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 切削力的計(jì)算 查表所得進(jìn)的力為從《設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般徑向載荷： 軸向載荷： ?。?, 3.2 絲杠螺母的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算 綜合絲杠的軸向工作負(fù)載采用下面公式計(jì)算： （4-1） 查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》知： ——顛覆力矩影響系數(shù)，采用雙三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=1.2； ——當(dāng)量摩擦因數(shù)，三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=0.1； ——導(dǎo)軌承受的重力，估計(jì)重為80kg，故 由公式（4—1）得： 計(jì)算最大動(dòng)載荷Ca： （4-2） 其中，為壽命值，為當(dāng)量轉(zhuǎn)速，可由下列公式計(jì)算： （4-3） （4-4） 式中 ——絲杠推薦壽命，h；查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-55得，壽命； ——滾珠絲杠導(dǎo)程，mm；初選=10mm； ——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取1/2，=7.6； ——負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-53得按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2~1.5，取=1.2； ——絲杠壽命，以106轉(zhuǎn)為單位。 由公式（4—2），（4—3），（4—4）可得： =23.2KN 根據(jù)額定最大動(dòng)載荷，選擇滾珠絲杠型號(hào)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-61，選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，其型號(hào)為FD4010-4-P2，公稱(chēng)直徑，絲杠導(dǎo)程為10mm，額定動(dòng)載荷為40KN，大于23.2KN。滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 3.2.2 效率計(jì)算 根據(jù)機(jī)械原理公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： （4-5） 式中 ——摩擦角， ； ——螺旋升角，可由下列公式計(jì)算： 其中，=32mm為絲杠公稱(chēng)直徑，=10mm為絲杠導(dǎo)程。 由公式（4—5）得：。 3.2.3 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在軸向力作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮，在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響其傳動(dòng)精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算滿(mǎn)載時(shí)的變形量。 滾珠絲杠在軸向力作用下的變形量為： （4-6） 式中 ——工作負(fù)載,N；； ——滾珠絲杠的導(dǎo)程,mm；=10mm； ——絲杠材料的彈性模量,N/mm2；； ——滾珠絲杠內(nèi)徑截面積,mm2。 絲杠滾珠直徑： 滾道半徑： 偏心距： 滾珠絲杠內(nèi)徑： 滾珠絲杠截面積： 由公式（4—6）得：mm 因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量很小，可忽略，即， 所以絲杠長(zhǎng)度為1000mm時(shí)，導(dǎo)程變形總誤差為: μm/m 對(duì)絲杠精度等級(jí)為：1、2、3、4、5級(jí)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-22，絲杠每1m長(zhǎng)度上允許的變形量不大于5、10、15、30、60μm/m，對(duì)不滿(mǎn)足剛度要求時(shí)，可采取預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，加大絲杠直徑等措施。本設(shè)計(jì)采用4級(jí)精度，，故剛度足夠。 3.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 進(jìn)給行程較長(zhǎng)受力較大，為提高剛度減小機(jī)床自身的誤差，采用兩端軸向固定的支撐方式，如圖4-1所示：絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，等于工作臺(tái)最大行程加螺母長(zhǎng)度加兩端余程。工作臺(tái)行程為=650mm，螺母長(zhǎng)度為150mm，查表3.7-25，導(dǎo)程為10mm時(shí)，余程為40mm，因此絲杠螺紋部分長(zhǎng)度mm。 絲杠支撐跨距，應(yīng)略大于，取為=1100mm 其中 ——核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離,mm； ——核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離,mm。 查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-45及表3.7-61得: 圖4-1 絲杠兩端固定支撐方式 為工作行程加絲杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撐距離的一半， 為游動(dòng)端支撐距離的一半加上工作行程加上絲杠螺母的一半，得：, 臨界轉(zhuǎn)速校核： 高速的長(zhǎng)絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速： 式中 ——絲杠絲杠支承方式系數(shù)，根據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-37，取3.927； ——受壓面直徑， 其當(dāng)量轉(zhuǎn)速為，故，值均滿(mǎn)足規(guī)定條件，因而絲杠不會(huì)發(fā)生共振和失穩(wěn)。 3.3 電機(jī)的選擇 3.3.1 計(jì)算傳動(dòng)比 閉環(huán)傳動(dòng)比： （4-7） 式中 ——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min；=2000r/min； ——工作臺(tái)最大進(jìn)給速度,mm/min； =7.6m/min=7600mm/min； ——絲杠導(dǎo)程,mm；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選大些,選=10mm。 由公式（4—7）得： 取，根據(jù)傳動(dòng)功率，已知v=7.6m/s。擬訂減速齒輪副的齒數(shù)，，模數(shù)mm。 故可取齒輪為：=20， =50，=20°， ， 其分度圓直徑： 中心距：。齒輪經(jīng)校核,滿(mǎn)足要求。 3.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 式中 ——絲杠的長(zhǎng)度。 工作臺(tái)，工件等折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： = 式中 ——工作臺(tái)重量，取=80kg； 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 絲杠傳動(dòng)時(shí)，一級(jí)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 3.3.3 所需傳動(dòng)力矩計(jì)算 所需力矩： 式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的加速力矩； ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，； ——由絲杠預(yù)緊引起的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力, ； 采用滾珠絲杠時(shí)： 最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 式中 ——折算到電機(jī)軸上的總慣量，kg.m2； ——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，=25ms； ——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；當(dāng)時(shí)計(jì)算時(shí)計(jì)算； 摩擦力矩： 式中 ——導(dǎo)軌摩擦力,N；等于橫向進(jìn)給系統(tǒng)重力乘以摩擦系數(shù)； ——絲杠螺距，mm； ——降速比； ——傳動(dòng)鏈總效率，＝0.75～0.85，取＝0.8。 附加摩擦力矩： 式中 ——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率一般，?。? ——最大軸向負(fù)載，N； 切削力矩： 對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，所以電動(dòng)機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩占的比重很小，一般都小于電動(dòng)機(jī)力矩的 10％～30％，所以按： 計(jì)算。 3.3.4 電機(jī)的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)，要使快速空載啟動(dòng)力矩小于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，即，為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，即峰值轉(zhuǎn)矩，一般，其中為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，λ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)過(guò)載系數(shù)(交流伺服電機(jī)λ=1.5~2) 。 故選擇FANUC交流伺服電機(jī)S—1.0其最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，最大轉(zhuǎn)矩16 ，額定轉(zhuǎn)矩2.0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，重量為4.5kg。交流伺服電機(jī)的電機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配關(guān)系： 式中 ——負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的總和， ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量， 滿(mǎn)足慣量匹配。 3.4 軸承的選用與校核 3.4.1 角接觸球軸承的選擇 進(jìn)給系統(tǒng)承受軸向力和徑向力，并且承受軸向力不大，可選用角接觸球軸承。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-50，選用7006C GB/T292-94 角接觸球軸承，其基本參數(shù)見(jiàn)表4-1所示。 表4-1 7006C角接觸球軸承的基本參數(shù) d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 30 55 13 16.2 11.5 9500 14000 軸承壽命校核計(jì)算： 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》，滾動(dòng)軸承壽命的校核條件為： （4-8）式中 ——軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷，N； ——軸承所受的載荷，N； （4-9）， 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-5，得： ，其中e為判斷系數(shù)。 故取。 由公式（4—9）得： 式中 ——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；等于絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/min； ——軸承預(yù)期計(jì)算壽命，h；h； ——壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承。 由公式（4—8）得： NkN 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中選用軸承基本額定動(dòng)載荷為16.2kN，所以滿(mǎn)足要求。 3.4.2 深溝球軸承的選擇 深溝球軸承用在游動(dòng)端，故承的軸向力可以忽略，因此只考慮其徑向力。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-44，選用6306深溝球軸承，如表4-2所示。 表4-2 6306深溝球觸球軸承的基本參數(shù) d(mm) D(mm) B(mm) Cr(kN) Cor(kN) 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 30 72 19 27.0 15.2 9000 12000 游動(dòng)端徑向力，根據(jù)公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，軸承承受的基本動(dòng)載荷為： 本設(shè)計(jì)選用的軸承基本額定動(dòng)載荷為15.8kN，所以滿(mǎn)足使用要求。 結(jié)論 經(jīng)過(guò)本學(xué)期大量時(shí)間的悉心研究和查閱大量相關(guān)的資料,終于完成了對(duì)本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)所學(xué)到的知識(shí)和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是深刻的,它使我認(rèn)識(shí)到了基礎(chǔ)知識(shí)的重要性,綜合設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)知識(shí)的堆積、創(chuàng)新的過(guò)程。此外,在設(shè)計(jì)中要始終保持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,仔細(xì)做好每一步,這對(duì)我們今后步入社會(huì),踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。 致謝 本次設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下完成的。從論文的選題、方案的設(shè)計(jì)、具體的繪圖到論文撰寫(xiě)的每個(gè)環(huán)節(jié),都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢(xún)問(wèn)設(shè)計(jì)進(jìn)程,并為我細(xì)心講解,幫助我開(kāi)拓思路,精心點(diǎn)撥,熱忱鼓勵(lì)。他嚴(yán)格的教學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng)都深深地感染和激勵(lì)著我。 再次,我還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們,有了你們的幫助和支持,才使得我按時(shí)完成設(shè)計(jì)。 謝謝老師和同學(xué)們! 參考文獻(xiàn) [1] 濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006. 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