單自由度越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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本文運(yùn)用大學(xué)所學(xué)的知識(shí)，提出了單自由度越障機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、工 作原理以及主要零部件的設(shè)計(jì)中所必須的理論計(jì)算和相關(guān)強(qiáng)度校驗(yàn)，構(gòu)建了單自由度越障機(jī)器人總的指導(dǎo)思想，從而得出了該單自由度越障機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)，并且變化靈活，多樣，運(yùn)行平穩(wěn)的結(jié)論。 關(guān)鍵詞： 發(fā)展；單自由度越障機(jī)器人；結(jié)構(gòu)；高效 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 he of by at to an in a of In is a of of to of of a in of of of of is of in is of in of is In if of is of is to so of a be is a to of of is of on to to a a of of in of of 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 錄 摘 要 ........................................................... i .................................................... 錄 ......................................................... 緒論 ............................................................ 1 題的來源與研究的目的和意義 ............................... 1 自由度越障機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................... 2 課題研究的內(nèi)容 ........................................... 4 圖繪制 ............................................. 5 準(zhǔn)特征，參考幾何體的創(chuàng)建 ........................... 6 伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建 ......................... 7 程圖的設(shè)計(jì) ........................................ 10 配設(shè)計(jì) ............................................ 11 2 單自由度越障機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .............................. 12 自由度越障機(jī)器人的總體方案圖 ........................... 12 3 機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 ........................................ 17 機(jī)的選型計(jì)算 ........................................... 18 輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ....................................... 19 輪齒條的選型計(jì)算 ....................................... 19 4 各主要零部件強(qiáng)度的校核 ........................................ 24 動(dòng)軸強(qiáng)度的校核與計(jì)算 ................................... 25 輪強(qiáng)度的校核計(jì)算 ....................................... 26 結(jié) 論 .......................................................... 26 致 謝 .......................................................... 27 參考文獻(xiàn) ........................................................ 28 附錄 一 ......................................................... 32 附錄 二 ......................................................... 40 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 1 1 緒論 題的來源與研究的目的和意義 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)知識(shí)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)分割，使視野狹隘，可以多多參加技 術(shù)交流，和參加科研項(xiàng)目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識(shí)的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。機(jī)械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個(gè)超級經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和任務(wù)。機(jī)器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官 完全不能直接完成的任務(wù)。現(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實(shí)。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細(xì)胞和分子。電子計(jì)算機(jī)硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強(qiáng)，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進(jìn)手功能。又一方面實(shí)踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過程中，以及在每個(gè)人的成長過程中，大腦 和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能和機(jī)械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機(jī)械制造。在過去，各種機(jī)械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度的進(jìn)化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進(jìn)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機(jī)械工程。在第十九世紀(jì)，機(jī)械工程的知識(shí)總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場的第十九個(gè)世紀(jì)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 2 著機(jī)械工程和知識(shí)增長的發(fā)展 開始分解，機(jī)械工程專業(yè)，有分支機(jī)構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢分解，在時(shí)間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的峰值。由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識(shí)使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識(shí)的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā) 展知識(shí)循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識(shí)的專家，也有綜合的知識(shí)了解不夠，看看其他學(xué)科和項(xiàng)目作為一個(gè)整體，從而形成一種相互強(qiáng)烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機(jī)械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識(shí)，包括社會(huì)科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個(gè)更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 自由度越障機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 60 年代，單自由度越障機(jī)器人人的研究工作開始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用， 到了 20 世紀(jì) 80 年 代， 現(xiàn)代單自由度越障機(jī)器人人的研制工作進(jìn)入了 廣泛開展階段。 世界上第一臺(tái)真正意義的四組步行機(jī)器人是由 1977 年制作的。 該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性， 但缺點(diǎn)是， 該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的 狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。 20 世紀(jì) 80， 90 年代最具代表性的單自由度越障機(jī)器人人是日本 驗(yàn)室研制 的 列。 1981~1984 年 授研制成功腳步裝有傳感和信號處理 系統(tǒng)的 的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳 感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。 器人采用新型的直動(dòng)性腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用 兩級變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對腿的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 3 2000，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器 人 的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤，陀螺儀，傾角計(jì)和觸覺傳感器。系統(tǒng) 控制是由基于 控 制器通過反射機(jī)制來完成的。夠?qū)嵕€不規(guī)則地面 的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行， 顯示了生物激勵(lì)控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。 它 的另一特點(diǎn)是利用了激光和 像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠 在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無碰撞快速行走。 目前最具代表性的四組步行機(jī)器人是美國 驗(yàn)室研制的 能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá) 52重量，爬升斜坡可達(dá) 35°。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同 時(shí)，腿部連 有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能 力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng) 機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。 國內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從 20 世紀(jì) 80 年代起步，取得一定成果的有上海交通大 學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于 1991 年開展了 列 單自由度越障機(jī)器人 人的研究。 1996 年該研究所研制成功了 該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)， 每個(gè)腿有 3 個(gè)自 由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制， 腳底裝有 力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)線了對角動(dòng)態(tài)行 走。但行走速度極慢，極限步速僅為 h,另外其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí) 實(shí)用性較差。 清華大學(xué)所研制的一款 單自由度越障機(jī)器人 人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)機(jī)構(gòu)， 通過模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件， 完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能 力較小。 綜 上所述，美國，日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn)，實(shí)用化程度 也在不斷提高。國內(nèi) 單自由度越障機(jī)器人 的研究起步比較晚，在上個(gè)世紀(jì) 90 年代以后才逐漸 有了成果，但研究水平距世界先進(jìn)水平還有差距。 課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運(yùn)用 單自由度越障機(jī)器人 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 4 圖繪制 掌握點(diǎn)、直線、矩形、弧度圓等基本圖形的繪制方法；掌握樣條、文字等高級幾何圖形的繪制方法；理解集合約束的概念并在草圖繪制中熟練應(yīng)用幾何約束；熟練應(yīng)用陣列、實(shí)體轉(zhuǎn)換等草圖繪制 工具；能綜合應(yīng)用各種草圖繪制實(shí)體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 準(zhǔn)特征 清楚明白基于特征的建模方式、參數(shù)化思想等概念；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)點(diǎn)的方法；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)軸方法；靈活運(yùn)用各種建立基準(zhǔn)面的方法；靈活運(yùn)用坐標(biāo)系的建立方法；能根據(jù)建模需要綜合應(yīng)用各種參考幾何體。 伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣特征建模 靈活運(yùn)用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運(yùn)用旋轉(zhuǎn)特征的概念與建立方法；掌握掃描特征的概念與建立方法；靈活運(yùn)用放樣特征的概念與建立方法；通過實(shí)踐能夠準(zhǔn) 確分析零件的特征，靈活運(yùn)用拉伸和旋轉(zhuǎn)也正建立三維模型。綜合應(yīng)用掃描、放樣、彎曲、鏡向、陣列等特征建立各種實(shí)體。 程圖設(shè)計(jì) 靈活運(yùn)用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運(yùn)用建立標(biāo)準(zhǔn)三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運(yùn)用各種注釋的方法。 配設(shè)計(jì) 靈活運(yùn)用自底向上的裝配方法；靈活運(yùn)用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運(yùn)用 活運(yùn)用裝配體零部件的狀態(tài)和屬性控制，并能夠在裝配體中設(shè)計(jì)子裝配體；靈活運(yùn)用干涉檢查；靈活運(yùn)用自上向下的裝配 方法；靈活運(yùn)用在裝配模型工程圖中添加零件序號；靈活運(yùn)用生成裝配體材料明細(xì)表的方法。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 5 2 單自由度越障機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 自由度越障機(jī)器人的總體方案圖 本次設(shè)計(jì)的 單自由度越障機(jī)器人 采取的方案圖如下圖所示 ; 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 6 3 機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)的選型計(jì)算 已知整個(gè)單自由度越障機(jī)器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?10機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 1440r/m。即： 0 01010 ???? ??? 具體的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下 : N= ?＝ W) G－電機(jī)的負(fù)載 ? －傳動(dòng)效率，取 以根據(jù) N＝ n＝ 1500r/ 10用 查 0112 輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1） 選擇 \齒輪材料為 45（調(diào)質(zhì)），硬度為 2802） 精度等級選用 7級精度； 3）小齒輪齒數(shù) 30，大齒輪齒數(shù) 31的； 4） 齒輪模數(shù)都為 2的直齒輪 因?yàn)榈退偌壍妮d荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （ 1） 試選 （ 2）選取區(qū)域系數(shù) （ 3）選取尺寬系數(shù)φ d＝ 1 （ 4）查得εα 1＝ α 2＝ εα＝εα 1＋εα 2＝ （ 5）查得材料的彈性影響系數(shù) （ 6）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ 600齒輪的解除疲勞強(qiáng)度極限σ 550 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 7 （ 7）計(jì)算應(yīng) 力循環(huán)次數(shù) 6060× 192× 1×（ 2× 8× 300× 5）＝ 102＝ ＝ 107； （ 8） 查得接觸疲勞壽命系數(shù) （ 9） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 ； 取失效概率為 1％，安全系數(shù) S＝ 1，由得： [σ H]1＝＝ 600570σ H]2＝＝ 550539[σ H]＝ [σ H]1＋ [σ H]2/2＝ 輪齒條的選型計(jì)算 （ 1）選擇材 料及確定需用應(yīng)力 小齒輪選用 45號鋼，調(diào)質(zhì)處理， 236 由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》查得 l i m 1 l i m 25 8 0 , 3 7 0 S H l i m 1 . 0H a H M P???? ?， 2 0,4 5 0 l i i i m ??? ? （ 2） 確定各種參數(shù) 齒輪按 8等級精度制造 由于原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，載荷平穩(wěn)，，一般按照中等沖擊載荷計(jì)算。查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得： 取 K=《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 11— 4?。? 區(qū)域系數(shù) 彈性系數(shù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教?。糊X寬系數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 由 ? ? 8 015 8 0l ?? ?? 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 8 ? ? 701370l ?? ?? ? ? 6 0li ?? ?? （ 3）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 )(3 7 . 550 111 ?????3322 1 . 0 2 9 6 . 4 3 1 0 1 1 1 8 8 . 0 2 . 50 . 4 2 3 7 04 4 . 5 6 m m（ ）? ? ? ? ?? ? ?? 齒數(shù)取 4 故實(shí)際傳動(dòng)比由于是齒輪齒條傳動(dòng)則 i=1 模數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 我們?nèi)?m= 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ??? db d? ， 取 b=18 4）驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度 齒形系數(shù) 式 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，安全。 （ 5）計(jì)算齒輪圓周轉(zhuǎn)速 ? ?11 3 . 1 4 3 6 2 9 3 . 4 2 2 . 3 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0??? ? ???m s? 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 9 此速度合適 其他計(jì)算從略。 所 得小齒輪的基本參數(shù)如下： (1)分度圓直徑 d1 d1=m*4=362)齒頂高 m=1*3)齒根高 c')*m=(1+4)齒高 h1 h1=5)齒頂圓直徑 *6+2*96)齒根圓直徑 67)基圓直徑 d1* )=36*8)齒頂圓壓力角 α a1=9)= (9)端面重合度 Σα =1/2/π *( ))+ ))) =1/2/ π*(24*(60*(=10)縱向重合度Σβ =0 (11)總重合度 Σγ =Σα =齒條的設(shè)計(jì) 齒輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條作直線運(yùn)動(dòng)，齒條可以看作一個(gè)齒數(shù)無窮多的齒輪的一部分，這時(shí)齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開線也變?yōu)橹本€。齒條 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 10 直線的速度 v 與齒輪分度圓直徑 d 、轉(zhuǎn)速 n 之間的關(guān)系為 v = ( / )60dn m m s? 本次設(shè)計(jì)中 V=50mm/s 式中 d—— 齒輪分度圓直徑， 小齒輪分度圓直徑為 36mm n —— 齒輪轉(zhuǎn)速， 齒輪轉(zhuǎn)速為 嚙合線 12齒輪的基圓相切 1N ，由于齒條的基圓為無窮大，所以嚙合線與齒條基圓的切 點(diǎn) 2N 在無窮遠(yuǎn)處。 齒輪與齒條嚙合時(shí)，不論是否標(biāo)準(zhǔn)安裝（齒輪與齒條標(biāo)準(zhǔn)安裝即為齒輪的分度圓與齒條的分度圓相切），其嚙合角 '? 恒等于齒輪分度圓壓力角 ? ，也等于齒條的齒形角；齒輪的節(jié)圓也恒與分度圓重合。只是在非標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)，齒條的節(jié)線與分度線不再重合。 齒輪與齒條正確嚙合條件是基圓齒距相等，齒條的基圓齒距是其兩相鄰齒廓同側(cè)直線的垂直距離，即 c o s c o m? ? ???。 齒輪與齒條的實(shí)際嚙合線為 12即齒條頂線及齒輪齒頂圓與嚙合線 12交點(diǎn) 2B 及 1B 之間的長度。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 11 齒輪齒條傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 齒輪與齒條傳動(dòng)的尺寸計(jì)算見表 表 齒輪齒條傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 項(xiàng)目名稱 計(jì)算公式及代號 轉(zhuǎn) 90? 齒輪齒條數(shù)值 齒輪齒數(shù) 1z 24 模數(shù) m 螺旋角 ? 0? 基本齒廓 壓力角 ? 20? 齒頂高系數(shù) *1 頂隙系數(shù) *C 輪變位系數(shù) 1x 0 尺寬 齒輪 1b 18齒條 2b 20齒條長度 L 450項(xiàng)目名稱 計(jì)算公式及代號 轉(zhuǎn)齒輪齒條數(shù)值 齒輪分度圓直徑 11c o sd m z ?? 36齒頂高 齒輪 ? ?*1 1 1h x m?? 齒條 *21h m? 齒根高 齒輪 **1 1 2()h c x m? ? ? 條 **21()h c m?? 齒高 齒輪 h h?? 齒條 齒輪中心到齒條中心距 1 12dH x m?? 18齒距 齒條齒數(shù) 2 p??96 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 12 4 各主要零部件強(qiáng)度的校核 動(dòng)軸強(qiáng)度的校核與計(jì)算 1、軸的特點(diǎn) : 軸是組成機(jī)械的主要零件之二。一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須裝在軸上刁 ‘ 能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及 時(shí)它又通過軸承和機(jī)架 聯(lián)接，由此形成 · 個(gè) 以軸為基準(zhǔn)的組合體一軸系部件。 2、 軸的種類 1、根據(jù)承受載荷的不同分為 : 1)轉(zhuǎn)軸 :定義既能承受彎矩又承受扭矩的軸 2)心軸 :定義 :只承受彎矩而不承受扭矩的軸 3)傳送軸 :定義 :只承受扭矩而不承受彎矩的軸 z、根據(jù)軸的外形，可以將直軸分為光軸和階梯軸 3、根據(jù)軸內(nèi)部狀況，又可以將直軸分為實(shí)心軸和空。 4、 軸的設(shè)計(jì)重點(diǎn) 1、軸的設(shè)計(jì) 主要進(jìn)行軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì)，對于轉(zhuǎn)速較高的軸還要進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)算。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 根據(jù)軸的功能，軸必須保證軸上零件的安裝固定和保證軸系在機(jī) 器中的支撐要求，同時(shí)應(yīng)具有良好的工藝性。 一 般的設(shè)計(jì)步驟為 : 選擇材料，初估軸徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，必要時(shí)要進(jìn)行剛度校核和穩(wěn)定性計(jì)算。 2、軸的材料 軸是主要的支承件，常采用機(jī)械性能較好的材料。常用材料包括 : 碳素鋼 :該類材料對應(yīng)力集中的敏感性較小，價(jià)格較低，是軸類零件最常用的材料常用牌號有 :30、 35、 40、 45、 50。采用優(yōu)質(zhì)碳鋼時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行熱處理以改善其性能。 可以選用 255 等普通碳鋼。合金鋼 :對于要求重載、高溫、結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕等使用場 合的軸， 可以選用合金 綱合金鋼具有史 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 13 好的機(jī)械性能和熱處理性能，但對應(yīng)力集中較敏感，價(jià)格也較高。設(shè)計(jì)中尤其要汁意從結(jié)構(gòu)上減小應(yīng)力集中，并提高其表面質(zhì)量。 鑄鐵 :對于形狀比較復(fù)雜的軸，可以選用球鑄鐵和高強(qiáng)度 。 鑄鐵。它們具有較好的加工性和吸振性，經(jīng)濟(jì)性好且 鑄造質(zhì)量不易保證。 3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸在工作中的作用，軸的結(jié)構(gòu)取決于 :軸在機(jī)器中的安裝位置和形式，軸上零件的類型和尺寸，載荷的性質(zhì)、大小、方向和分布狀況，軸的加工工藝等多個(gè)因素。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足 :軸上零件布置合理，從而軸受力合理有利于提高強(qiáng) 度和剛度 ;軸和軸上零件必須有準(zhǔn)確的工作位置 ;軸上零件裝拆調(diào)整方便 ;軸具有良好的加工工 。 藝性 ;節(jié)省材料等。 1)軸的毛坯一般采用圓鋼、鍛造或焊接獲得，由于鑄造品質(zhì)不易保證，較少選用鑄造毛坯。軸主要由三部分組成。軸上被支承，安裝軸承的部分稱為軸頸 ; 支承軸上零件，安裝輪毅的部分稱為軸頭 ;聯(lián)結(jié)軸頭和軸頸的部分稱為軸身。軸頸上安裝滾動(dòng)軸承時(shí)，直徑尺寸必須按滾動(dòng)軸承的國標(biāo)尺寸選擇，尺寸公差和表面粗糙度須按規(guī)定選擇 ;軸頭的尺寸要參考輪毅的尺寸進(jìn)行選擇，軸身尺寸確定時(shí)應(yīng)盡量使軸頸與軸頭的過渡合理，避 免截面尺寸變化過大，同時(shí)具有較好的工藝性。 1、 分析所設(shè)計(jì)軸的工作狀況，擬定軸上零 件 的裝配方案和軸在機(jī)器中的安裝情況。 2、 根據(jù)已知的軸上近似載荷，初估軸的直徑或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定軸的某徑向尺寸。 3、 根據(jù)軸上零件受力情況、安裝、固定及裝配時(shí)對軸的表面要求等確定軸的徑向 (直徑 )尺寸。 4、 根據(jù)軸上零 件 的位置、配合長度、支承結(jié)構(gòu)和形式確定軸的軸向尺寸。 5、 考慮加工和裝配的工藝性，使軸的結(jié)構(gòu)更合理。 3)零件在軸上的安保證軸上零件可靠工作，需要在工作過程中有準(zhǔn)確的位 置， 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 14 即零件在軸上必須有準(zhǔn)確的定位和固定。零件在軸上的準(zhǔn)確位置包括軸向和周向兩個(gè)方面 種擋圈、套筒、圓螺母、錐端軸頭等的多種組合結(jié)構(gòu)。 軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩種。利用軸肩定位結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但軸的直徑加大，軸肩處出現(xiàn)應(yīng)力集中 ;軸肩過多也不利于加工。因此，定位軸肩多在不致過多地增加軸的階梯數(shù)和軸向力較大的清況下使用，定位軸肩的高度一般取3動(dòng)軸承定位軸肩的高度需按照滾動(dòng)軸承的安裝尺寸確定。非定位軸肩多是為了裝配合理方便和徑向尺寸過 度時(shí)采用，軸肩高度無嚴(yán)格限制，一般取為1 套筒定位可以避免軸肩定位引起的軸徑增大和應(yīng)力集中，但受到套筒長度和與軸的配合因素的影響，不宜用在使套筒過長和高速旋轉(zhuǎn)的場合。 擋圈的種類較多，且多為標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)中需按照各種擋圈的用途和 (1)從裝配來考慮 :應(yīng)合理的設(shè)計(jì)非定位軸肩，使軸上不同零件在安裝過程中盡量減少不必要的配合 ;為了裝配方便，軸端應(yīng)設(shè)計(jì) 45。的倒角 ;在裝鍵的軸段，應(yīng)使鍵槽靠近軸與輪毅先接觸的直徑變化處，便于在安裝時(shí)零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對準(zhǔn)采用過盈配合 時(shí)，為了便于裝配，直徑變化可用錐面過渡等。 (2)從加工來考慮 :當(dāng)軸的某段須磨削加工或有螺紋時(shí)，須設(shè)計(jì)砂輪越程槽或退刀槽根據(jù)表面安裝零件的配合需要，合理確定表面粗糙度和加工方法為改善軸的抗疲勞強(qiáng)度，減小軸徑變化處的應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)增大其過渡圓角徑，但同時(shí)要保證零件的可靠定位，過渡圓角半徑又必須小于與之相配的零件的圓角半徑或倒角尺寸。 軸的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。其中對于軸的強(qiáng)度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設(shè)計(jì)是否能達(dá)到使用要求，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。 由此看來合理的進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核成為軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，同時(shí)也是評定軸的設(shè)計(jì)成敗得先決條件。校核結(jié)果如不滿足承載要求時(shí)，強(qiáng)度校核是對材料或設(shè)備的力學(xué)性能進(jìn)行檢測并調(diào)節(jié)的一種方式，并且這種方式以不破壞材料或設(shè)備性能為一前提。 進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 15 計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于傳動(dòng)軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。 承強(qiáng)度的校核計(jì)算 由于驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪材料均選用 45,調(diào)質(zhì)處理。 查得： M P 5011702? ?? ?? ?? 預(yù) 期齒輪壽命 5年，每天工作 12小時(shí)，工作載荷為輕微沖擊，則 818216 0 6 0 * 1 * 5 2 0 * ( 5 * 3 0 0 * 1 2 ) 5 . 6 1 6 * 1 0/ 2 . 7 2 1 6 * 1 0N a n i? ? ??? 查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》圖，得： ? ??Y )驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 載荷系數(shù)，取 K=得： M H ?? ? 接觸應(yīng)力為： 232212 1 . 5 5 . 5 6 4 7 1 0 3 . 0 61 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8 1 7 2 . 0 7 92 4 7 8 2 . 0 6H E Zb d a???? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? i i i i ??????????(2)驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 取 K=表： ? ??Y ? ? m Y?? ?彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，取 F? 則： 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 16 ? ?1 3 5 0 0 . 9 2 2 5 7 . 61 . 2 5F M P a? ??? ? ?2 3 5 0 0 . 9 8 2 7 4 . 41 . 2 5F M P a? ??? 1 1 11 2212000 2 0 0 0 1 . 5 5 . 5 6 4 7 2 . 6 8 1 . 5 62 4 3 2 61 2 . 4 2 8F a S Y Yb m a? ? ? ? ? ??? ???2221112 . 4 6 1 . 6 8 1 2 . 4 2 8 1 2 . 2 8 52 . 6 8 1 . 5 6F a S a S P ?? ? ? ? ??由上述計(jì)算可知，均滿足要求。 結(jié)論 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 17 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是單自由度越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)，通過初期的定題，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 18 致 謝 當(dāng)我寫到這里的時(shí)候，我心里是別提有多么的開心，不管 前面的對與錯(cuò)，總之，我覺得自己做到這里已不錯(cuò)了，感謝 我的 老師和幫助我的同學(xué)一起到圖書館查資料的那些同學(xué)們，要不是你們恐怕我現(xiàn)在真不知道自己能做到哪里，首先您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上對我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在我改寫論文時(shí)給我鼓勵(lì)和支持，從這點(diǎn)看出老師當(dāng)初選你當(dāng)我的老師我是明智的，而且，通過這次寫論文我知道遇到什么事總要靠別人來完成，現(xiàn)在我覺得這種想法是我錯(cuò)啦，也許自己做的比那些人做的會(huì)更好，同時(shí)，我要把這種態(tài)度放到工作當(dāng)中，我相信我自己一定可以比別人做的出色。說實(shí)話，我從開始認(rèn)真做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，才領(lǐng)悟到知識(shí)確實(shí)是種 強(qiáng)大的工具，我現(xiàn)在想來前面失去的，我想在通過在工作中補(bǔ)回來，想到這里自己說了句 “呵呵 ”，但是話說回來，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我花了挺大的功夫，雖然是苦，但心里挺開心的，我想如果大學(xué)這 四 年我好好來利用它的話，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)不談在班里第一個(gè)交，最少也在前十個(gè)人之前交，最后在這里衷心的對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)的幫助。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 19 參考文獻(xiàn) [1] 武動(dòng) 機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì) 北京：科學(xué)出版社， 2] 劉成 單自由度越障機(jī)器人概述 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 3] 張棟 單自由度越障機(jī)器人 的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 4] 姜繼海，宋錦春，高常識(shí) . 單自由度越障機(jī)器人工作原理 5] 張春林，曲繼方，張美麟 機(jī)械工業(yè)出版社， 6] 錢平 . 加工專機(jī)應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社， 7] 張遼遠(yuǎn) . 單自由度越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 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計(jì)和計(jì)算的機(jī)械原理和機(jī)械零件學(xué)；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學(xué)和非金屬工藝學(xué)等等。 研究、設(shè)計(jì)和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品，不斷改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機(jī)械產(chǎn)品，以適應(yīng)當(dāng)前和將來的需要。 機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)計(jì)劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度；編制和貫徹制造工藝；設(shè)計(jì)和制造工具、模具；確定勞動(dòng)定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運(yùn)；對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機(jī)械一般是由許多各有獨(dú)特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復(fù)雜的制品 。 生產(chǎn)批量有單件 和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn) 。 銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個(gè)人、家庭 。 而且銷售量在社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的影響下 ， 可能出現(xiàn)很大的波動(dòng)。因此，機(jī)械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復(fù)雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機(jī)械工業(yè)。 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 22 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品 在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 研究機(jī)械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費(fèi)方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機(jī)械工程的一項(xiàng)特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。 機(jī)械工程分類 機(jī)械的種類繁多，可以按幾個(gè)不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動(dòng)力機(jī)械、物料搬運(yùn)機(jī)械、粉碎機(jī)械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織機(jī)械等；按工作原理可分為熱力機(jī)械、流體機(jī)械、仿生機(jī)械等。另外，機(jī)械在其研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等過程中都要經(jīng)過幾個(gè)工作性質(zhì)不同的階段 。 按這些不同階 段，機(jī)械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個(gè)分支系統(tǒng)，如機(jī)械科研、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械運(yùn)用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學(xué)科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機(jī)械工程可能分化成上百個(gè)分支學(xué)科。例如，按功能分的動(dòng)力機(jī)械，它與按工作原理分的熱力機(jī)械、流體機(jī)械、透平機(jī)械、往復(fù)機(jī)械、蒸汽動(dòng)力機(jī)械、核動(dòng)力裝置、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動(dòng)力裝置、鐵路機(jī)車、船舶輪機(jī)工程、汽車工程等 都 有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機(jī)是動(dòng)力機(jī)械，也是熱力機(jī)械、流體機(jī)械和透平機(jī)械，它屬于船舶動(dòng)力裝置、 蒸汽動(dòng)力裝置，可能也屬于核動(dòng)力裝置等等。 機(jī)械工程的發(fā)展歷程 人類成為 “現(xiàn)代人 ”的標(biāo)志就是制造工具。石器時(shí)代的各種石斧、石錘和木質(zhì)、皮質(zhì)的簡單粗糙的工具是后來出現(xiàn)的機(jī)械的先驅(qū)。從制造簡單工具演進(jìn)到制造由多個(gè)零件、部件組成的現(xiàn)代機(jī)械，經(jīng)歷了漫長的過程。 幾千年前，人類已創(chuàng)制了用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨，用來提水的桔槔和轆轤，裝有輪子的車，航行于江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動(dòng)力，從人自身的體力，發(fā)展到利用畜力、水力和風(fēng)力。所用材料從天然的石、木、土、皮革， 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 23 發(fā)展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿 的陶車，已是具有動(dòng)力、傳動(dòng)和工作三個(gè)部分的完整機(jī)械。 人類從石器時(shí)代進(jìn)入青銅時(shí)代，再進(jìn)而到鐵器時(shí)代，用以吹旺爐火的鼓風(fēng)器的發(fā)展起了重要作用。有足夠強(qiáng)大的鼓風(fēng)器，才能使冶金爐獲得足夠高的爐溫，才能從礦石中煉得金屬。在中國，公元前 1000～前 900 年就已有了冶鑄用的鼓風(fēng)器，并逐漸從人力鼓風(fēng)發(fā)展到畜力和水力鼓風(fēng)。 15～ 16 世紀(jì)以前，機(jī)械工程發(fā)展緩慢。但在以千年計(jì)的實(shí)踐中，在機(jī)械發(fā)展方面還是積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，成為后來機(jī)械工程發(fā)展的重要潛力。17 世紀(jì)以