機器人自動火焰切割H型鋼的設計

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Unlike human painters, they are unaffected by the poisonous fumes. Robots are better at this task, not because they are faster or cheaper than humans, but because they work in a place where humans cannot. Third in the list of useful jobs for robots is the assembly of electronnic parts. Robots shine at installing chips in printed circuit boards because of a capability that robots have that people dont . A robot, one properly programmed, will not put a chip in the wrong place. This automatic accuracy is particularly valuable in this kind of industry because locating and fixing mistakes is costly.Robotics Revolution Earlier robots were usually blind and deaf, but newer types of robots are fitted with video cameras and other sensing devices that can detect heat, texture, size, and sound. These robots are used in space projects, nuclear stations, and underwater exporation research. Inther efforts to expand the range of robotic applications, reseachers are looking beyon traditional designs to examine a variety of potential models from the biological world. The industrial arm is a classic example. Scientists have been able to model robots to imitate the vertebrate spine of a snake in order to paint the interior of automobiles. They have simulated the muscle structure and movement of an elephants trunk in an attempt to create a robotic arm capable of lifting heavy objects. Scientists also emulate the flexibility of an octopus where the tentacles can conform to the fragile objects of any shape and hold them with uniform, gentle pressure. A variation of this design can be used to handle animals, turn hospital patients in their beds, or lift asmall child.The challenge of equipping robots with the skills to operate independently, outside of a factory or laboratory, has taxed theingenuity and creativity of academic, military, and industral scientists for years. Simply put, robot hands-like robot legs, or eyes, orreasoning powers-have long way to go before they can approach what biological evlution has achieved over by the course of hundreds of millions of years. Much more will have to happen in laboratories around the world before the robots can be compared to natures handiwork. In the meantime, the robotics revolution is already beginning to change the kind of work that people do. The boring and dangerous jobs are now assumed by robots. By the turn of the century, more and more humans will be required for tasks that machine can not do. There are slso some industrialists who hope that by the year 2000 all their empoyee will be knowledge workers, no longer standing on assembly lines but rather sitting at desks and computer terminals to deal with information. These changes are already under way, and their pace accelerates every year.Intelligent Robots A new phase in robot applications has been opened with the development of “intelligent robots”. An intelligent robot is bascally one that must be capable of sensing its surrounding and possess intelligence enough to respond to a changing environment in much the same way as we do. Such ability requires the direct application of sensory perception and artificial intelligence. Much of reseach in robotics has been and is still concerned with how to equip robots with visual sensors-eyes and tactile sensors-the”fingers”. Artificial intelligence will enable the robot to changes in its task and in its environment, and to reason and make decisions in reactiong to those changes.Visional SensoryMuch effort has been made to simulate similar human sensory abilities for inelligent robots. Among them ,vision is the most important sense as it is estimated that up to 80% of sensory information is received by vision. Vision can be bestowed on robotic systems by using imaging sensors in various ways. For improving accuracy of performance, it can help precisely adjust the robot hand by means of optical feedback control using visual sensors. Determining the location, orientation, and recognition of the parts to be picked up is another important application.Among the vision system, one of the key components is imagery sensor. The imagery sensor of a robot system is defined as an electro-optical device that converts an optical image to a video signal. The image sensor is usually either a TV-camera or a solid state sensory device, for exanple, change-couple devices(CCD). The latter device offers greater sensitivity, long endurance and lightweight, and is thus welcome when compared with the TV-camera. The camera system contains not only the camera detector but also, and very importantly, alens system. The lens determines the field of view, the depth of focous, ans other optical factors that directly affect the quality of the image detected by the camera. Either TV-camera or CCDs produce an image by generating an analogue value on every pixel, proportional to its light intensity. To enable a digital computer to work with this signal, an analongue-to-digital(A/D) converter is needed to transfer analogue into digital data, then stored in random access menory(RAM), installed in computer. The computer analyzes the data and extracts such imagery information as edges, colors and textures of the objects in the image. Finally, the computer interprets or understands what the image represents in terms of knowledge about the scene and gives the robot a symbolic description of its environment.Tactile SensoryNext to vision in importance is tactile sensing or touching. Imagine the blind can do delicate jobs relying on his/her sensitive tactile. A blind robot can be extremely effective in performing an assembly task using only a sense of touch. Touch is of particular importance for providing feedback necessary to grip delicate objects firmly without causing damage to them.To simulate tactile in human hands, a complete tactile-sensing system must peform three fundmental sensing perations: (1)joint force sensing which senses the force applies to robots hand, wrist and arm joints; (2)touch sensing which sense the preeure applied to various points on the hands surface or the grippers surface; (3)slip sensing which senses any movement of the object while it is being graspeed.The joint forces are usually sensed using various strain gauges arranged in robotwrist assembly. A strain gauge is a force-sensing element whose resistance changes in proportion to the amount of the force applied to the element. The simplest application of touch sensor is gripper equipped with an array of miniature microswitches. This type of sensor can only determine the presence or absence of an object at a particular point or an array of points of the robot hand. A more advanced type of touch sensors uses arrays of pressure-sensitive piezoelectric material (conductive rubber or foam, etc.). The arrangement allows the sensor to perceive changes in force and pressure within the robothand. Since the force at each point can be determined, the force on its surface can be mapped and the shapes of objects grasped in the robot hand be determined respectively. Slip sensing is required for a robot to create the optimum amount of grasping force applied to a delicate, fragile object. This ability prevents damage to the object and allows the object to be picked up without the danger of being droped. The gripping force is increased step by step until the object has been firmly grasped and no more slip occurs.The integration of tactile sensing and vision sensing can dramatically enhance robotic assembly task. An example of this type of sensors would be a vision used to locate and identify objects and position of the robot itself, combined with a tactile sensor usedto detech the distribution of force and pressure, and determine torque, weight, center of mass and compliance of the material it handle. The hand-eye coordination for general- purpose manipulation will be extremely powerful in the industrial world.機器人機器人應用 許多今天使用的機器人在做一些對工人特別困難的工作.這些類型的工作需要很大的力量,或者有危險.比如,在需要將汽車零件焊接在一起的自動生產(chǎn)工業(yè)中,機器人就特別有用,工人使用的焊接工具重約100磅,或更重,并且很難操作。作為機械巨人,機器人可以被呼喚去做任何事情,從一工場的工作站點之間移動笨重部件到到運送袋裝的水泥。由于機器人不需要呼吸，所以噴涂是另一個適合機器人的任務，不像油漆工，機器人不受有毒氣體的影響。機器人更優(yōu)于完成這種工作，不但因為它們比人做得更快更便宜，而且因為能在人不能工作的地方進行工作。適合于機器人工作中，第三個項目是裝配電子元件。機器人能很好地將芯片裝配在印刷電路板上，因為它具備人所沒有具備的能力。一旦適當?shù)鼐幊?，機器人就不會將芯片放錯地方。這種自動的精度在這種類型的工業(yè)中特別有價值，因為定位和安裝錯誤代價是很高的。機器人革命早期的機器人又瞎又聾，但新型機器人安裝有電視攝像機和其他傳感設備，因而能感知熱、結(jié)構(gòu)、尺寸和聲音，這些機器人用于空間計劃、核反應堆和水下探測研究。在擴大機器人應用范圍的嘗試中，研究者正超越傳統(tǒng)設計，并考慮源自生物世界的各種潛在模型，工業(yè)機械手是一個典型的例子?？茖W家已能讓機器人模仿蛇的脊椎，以油漆汽車內(nèi)部。在著力建造能舉起重物體的機器人的手臂時，他們模仿肌肉結(jié)構(gòu)和大象鼻子的運動?？茖W家還模擬章魚的靈活性，其觸角能用于任何形狀的易碎品，并用均勻且輕柔的壓力握住這些易碎品。這種設計的一種變化能用于抱起動物，給醫(yī)院中病床上的病人翻身，或抱起小孩。機器人有在工廠或?qū)嶒炇彝猹毩⒉僮鞯募寄?，這一挑戰(zhàn)已花費了學術(shù)界、軍世界和工業(yè)界的科學家們的智謀和創(chuàng)造性。簡單來說，機器人的手如同機器人的腿、眼睛或推理能力。在接近經(jīng)過成億年生物進化所獲得的能力之前，還有很長的路要走。在機器人能和自然的杰作相比之前，在世界各地的實驗室中還需完成許多工作。同時，機器人的進展已開始轉(zhuǎn)變?nèi)怂龅墓ぷ鳎钊藚挓┖臀ｋU的工作已由機器人承擔。在世紀之交，更多更多的人要去完成機器所不能完成的任務。已有許多工業(yè)家希望到2000以后，所有的雇員都是知識工，不再站在裝配線前，而是坐在桌子和計算機終端前處理信息。這些變化已經(jīng)存在，而且其步伐每年都在加快。智能機器人一個機器人應用中的新局面隨著“智能機器人”的發(fā)展而已經(jīng)打開。一個智能機器人基本上能感知環(huán)境并且具有足夠的智力，像我們?nèi)艘粯幽軐ψ兓沫h(huán)境作出響應。這種能力要求直接使用感覺和人工智能。許多機器人的研究已經(jīng)，并且仍然關(guān)注如何在機器人中裝備視覺傳感器眼睛和觸覺傳感“手指”。人工智能將使機器人能響應并適應其工作任務和環(huán)境變化，并且能按照這些變化的反應進行推理和作出決定。視覺傳感為使機器人模仿人的感覺能力，已作了很多的努力。其中，視覺是最重要的感覺，因為據(jù)估計，接近80的感覺信息是由視覺收到的。機器人系統(tǒng)中設置視覺可由各種形式的圖象傳感器來完成。為了改善運行的精度，通過視覺傳感器的光學反饋控制，可精密地調(diào)整機器人手臂。決定位置、方向和辨別所要選取得零件則是另一重要的應用。在視覺系統(tǒng)中，關(guān)鍵部件之一是圖象傳感器。機器人系統(tǒng)中的圖象傳感器的定義為將光學圖象轉(zhuǎn)換成視頻信號的電光學器件。圖象傳感器通常為電視攝像機，或固態(tài)傳感器件，如電荷耦合器件（CCD）。后一種器件提供更高的靈敏度、較長的耐久性和較輕的重量，因而與電視攝像機相比更受歡迎。攝像系統(tǒng)不但包括攝像探測器，而且更重要的是包括光學透鏡系統(tǒng)。這種透鏡決定視場、定焦深度和其他直接影響攝像機所攝圖象質(zhì)量的光學特性。無論電視攝像機還是CCD都會通過在每一象素點形成與光強成正比的模擬量而產(chǎn)生圖象。要使數(shù)字計算機對信號起作用，需要模擬數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)，然后存儲在計算機內(nèi)的隨機存取存儲器（RAM）中。計算機分析這些數(shù)據(jù)并抽取某些信息，如邊界、區(qū)域、顏色，以及圖象中物體結(jié)構(gòu)。最后，計算機能就場景的辨別、理解圖象所表示的含義或作出解釋，并使機器人用符號對環(huán)境的描述。接觸感覺重要性僅次于視覺是接觸感覺，或觸感。想象一下盲人能依靠靈敏的觸覺來做精細的工作。無視覺機器人能只用觸覺極有效地完成裝配任務，對于需要反饋來緊緊握住精致脆弱的物體而不會損壞它們的用途，觸覺具有獨特的重要性。為了模擬人手的觸覺，一完整的接觸傳感系統(tǒng)必須完成三個基本操作：（1）關(guān)節(jié)的力覺，檢測加在機器人的手、腕和臂關(guān)節(jié)上的力；（2）觸覺檢測，加在手平面或者夾持器平面各個點上的壓力；（3）滑覺，檢測所抓取的物體的任何滑動。關(guān)節(jié)上的力通常用各種布置在機器人手腕零件上的應變測力計來檢測。應變測力計是一種測力元件，其電阻變化與加在元件上的力大小成比例。最簡易的觸覺傳感器是用細小的微型開關(guān)陣列組成的夾持器。這種傳感器只能決定物體是否在機器人手上的點陣中某個特殊點上存在。更為先進的觸覺傳感器使用壓敏的壓電材料（如導電橡膠或泡沫等）。其排列使傳感器能感覺機器人手中的力和壓力的變化。既然各點上的力可以決定，所以手掌面上的力就可被圖象化地獲得，并由此決定機器人手中所握物體的形狀。對于產(chǎn)生一個用于精致脆弱物體的最佳握持力，機器人需要滑覺。這種能力避免損壞物體，并能抓起物體而不會有掉下的危險。夾持力一步一步增加，直至物體被緊緊抓住而不再有滑動。觸覺和視覺的集成能極大地提高機器人的裝配工作，這類傳感器的一例是是覺傳感器，用于對物體和機器人本身的定位和辨別；并結(jié)合觸覺傳感器用于探測力和壓力的分布和確定力矩、重量、重心，安所抓取的材料決定握持力。這種用于通用的手眼配合操作在工業(yè)界將會變得極為有效力。 文件一湛江海洋大學畢業(yè)設計（論文）任務書設計題目： 機器人切割H型鋼的設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 學生姓名： 指導教師： 職稱： 副教授 設計起訖日期： 設計地點： 2003年 06月 02日畢業(yè)設計（論文）任務書的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）1 完成總體設計。2 完成部分部件設計。3 主要技術(shù)數(shù)據(jù)及要求。H型鋼腹板尺寸800mm，厚度30mm，長度12000mm；翼板尺寸寬度為800mm,厚度30mm，長度12000mm。4 切割速度要滿足板厚度和火焰所要到達的最大速度。要求完成的圖紙內(nèi)容及要求1 完成總體和部分部件設計圖紙。2 編寫設計計算說明書。3 元件中有二個零件圖。圖紙數(shù)量：二張A1，一張A2，二張A3要完成的實習內(nèi)容及要求：1 南油西部石油公司合眾近海建設公司海工碼頭現(xiàn)場實習。2 查閱資料。3 全面了解現(xiàn)場對切割設備的要求。其他要提交的設計資料：除提交的設計圖紙和說明書外，還提交以上全部的電子資料。設計參考資料：1 李洪 主編，實用機床設計手冊，沈陽，遼寧科學技術(shù)出版社。2 鄭堤，唐可洪 主編，機電一體化設計手冊基礎(chǔ)，機械工業(yè)出版社。3 毛謙德，李振清 主編，袖珍機械設計師手冊，機械工業(yè)出版社。4 孫桓，陳作模 主編，機械原理，高等教育出版社。5 廖念釗，莫雨松，李碩根，楊興駿 編，互換性與技術(shù)測量，中國計量出版社。6 徐灝 主編，機械設計手冊，第2版，第3、4卷，機械工業(yè)出版社。7 秦曾煌 主編，電工學，上、下冊，高等教育出版社。8 周開勤 主編，機械零件手冊，高等教育出版社。9 吳振彪 編，機電綜合設計指導，湛江海洋大學出版。10 周伯英 編著，工業(yè)機器人設計，北京，機械工業(yè)出版社。11 龔振邦，汪勤愨，陳振華，錢晉武 編著，機器人機械設計，北京，電子工業(yè)出版社。畢業(yè)設計（論文）進度計劃設計起訖時間工作內(nèi)容備注03、24 至04、1004、11 至04、1804、19 至05、1505、16 至05、3106、01 至06、06到南油西部石油公司合眾近海建設公司海工碼頭現(xiàn)場實習；學CAXA軟件；找資料總體方案設計機械部分設計機器人部分設計出圖、答辯實習過程要注意現(xiàn)場實際情況。要考慮周全。圖書館。圖書館。用CAD出圖。文件二湛 江 海 洋 大 學畢業(yè)設計（論文）書設計題目： 機械人切割H型鋼的設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 九九機制一班 學生姓名： 李 活 文 指導教師： 張 鍵 林 菁 2003年 06月 03日目 錄：中英文摘要.1文件三： 湛江海洋大學畢業(yè)設計（論文）成績評定表指導教師評語： 指導教師簽名： 200 年 月 日評閱教師評語： 評語教師簽名： 200 年 月 日答辯小組評語 答辯組長簽名： 200 年 月 日畢業(yè)設計成績： 系主任簽名：審批單位（蓋章） 200 年 月 日 機器人自動火焰切割H型鋼的設計目 錄目錄 （1）ABSTRACT （2）第1章 工作臺的設計院 （3） 11 工作臺總體方案 （3） 12 工作臺的結(jié)構(gòu)設計 （3） 13 滾珠絲杠螺母副的確定及驗算 （4）14 導軌的選型及計算 （6） 15 推動工件的電機選擇 （7） 16 推動工件的減速器確定 （7） 17 聯(lián)軸器選擇 （8） 18 離合器的選擇及計算 （8） 19 導軌的確定 （9）110 壓緊離合器的彈簧選擇 （10）第2章 機器人總體設計中技術(shù)方案的制定 （10） 21 確定基本技術(shù)參數(shù) （11） 22 選擇機器人操作機的機械結(jié)構(gòu)類型 （11） 23 機器人控制方式的選擇和控制系統(tǒng)設計 （12） 24 機器人驅(qū)動方式的選擇 （12）第3章 腕擺設計 （12） 31 腕擺電機選擇 （12） 32 電機轉(zhuǎn)速 （13） 33 同步帶傳動設計 （13） 34 同步帶輪設計 （14） 35 諧波齒輪減速裝置設計 （14） 36 腕擺中其它零件的選擇及設計 （16） 37 手腕的裝配 （16）結(jié)束語 （17）鳴 謝 （17）參考文獻 （18）abstract（此處為英文摘要， 字體：Time New Roman，）（字號：12磅，）（行距：固定值=22）機器人自動火焰切割H型鋼的設計機械設計制造及其自動化，99121110，李活文指導教師：張 鍵 副教授摘 要：利用機器人切割大型H型鋼，是目前減輕勞動強度、增加效益的有效途徑，尤其 是在環(huán)境比較惡劣的地方。機器人作為一種高新科技，在國內(nèi)應用還只是局限于很少的一些部門，為了使機器人的應用在我國廣泛應用到各方面各部門，本設計主要著重于機器人的設計，為機器人的廣泛應用吶喊助威。關(guān)鍵詞：機器人 ；切割機器人第1章 工作臺的設計 11工作臺總體方案考慮到機器人造價比較貴，采用兩個工作臺一字排列，如圖1所示 圖 1工作過程為：先在一個工作臺上安裝好工件，用機器人氣割，在氣割的同時，在另一個工作臺安裝工作；當機器人氣割完第一個工件后，馬上到第二個工作臺去氣割工件，同時在第一個工作臺上裝卸工件。這樣有利于提高機器人的利用率。在工作臺的兩側(cè)，一側(cè)裝卸工件，在另一側(cè)則是機器人運行的軌道；而在工作臺下面則是用電機推動工件定位的機構(gòu)。12工作臺的結(jié)構(gòu)設計由于工作地點在室外，且精度要求不高，所以工作臺的結(jié)構(gòu)設計主要安照經(jīng)驗來設計。1 21 慮工作的高度，取工作臺的長度為L=12000mm，寬度為B=1330mm，高度為H=1330mm。1 22 作臺采用方形，四條邊的寬高分別為50mm、100mm，而在其兩側(cè)每隔2米在工作臺下焊接一根33010050的鑄鐵作為工作臺的腳部，在工作臺面每隔500mm焊一塊角鋼，作為支持工件H鋼，其角鋼號數(shù)為10；橫條邊部平均焊上三片高200mm，厚30mm的鐵片作為工件的定位裝置。 13 滾珠絲杠螺母副的確定及驗算 滾珠絲杠副傳動與滑動絲杠相比其主要特點是：1）傳動效率高，一般可達95%以上，是滑動熱杠傳動的24倍；2）運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高、低速無爬行；3）可以預緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度；4）定位精度和重復定位精度高；5）使用壽命為普通滑動絲杠的410倍甚至更高；6）同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得較好的同步性；7）使用可靠、潤滑簡單、維修方便；8）不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動；9）有專業(yè)廠生產(chǎn)，選區(qū)用配套方便。131 工字鋼的摩擦力計算Ff=Gf ，工字鋼如圖2 。1311 G為工字鋼的重力，f為摩擦系數(shù)G=mg=Vg=SLgS=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2 =30（800-230）+280030+0.85302 =70965mm2V=SL=7096512000=8.5108mm3=0.85m3 1312摩擦系數(shù)f=0.15 =7.8103kg.m3Ff=7.81030.859.80.15 =9746N132工作臺主要受絲杠軸向力FL=Ff/2=9750/2 = 4875 NFL=FZ= 4875 N FC=FV0 圖 2133 最大工作載荷計算選矩形導軌Fm=KFL+f（FV+FC+G）其中K=1.1 f=0.005G為移動部件的重力，約取G=200NFm=1.14875+0.005（0+0+200） =5364 N134 最大動負載C C= L=60nt/106 取進給速度V=1 m/min 絲杠基本導程選LO=10mm n=1000n/LO =10001/10=100 r/min 取t=8000h因有沖擊，取fm=2 而Fm=5364 NC=25364 =48077 N 選用外循環(huán)滾動螺旋副，其中絲杠選用dm=63mm Lo=10 mm Ca= 51600 N135 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為= tg/tg(+)式中：為絲杠螺母旋升角，可由上得=2.9，為摩擦角,滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f = 0.0030.004 ,其摩擦角約等于10。= tg2.9/tg(2.9+ 10) = 0.946136 剛度驗算 滾動絲杠副的軸向變形將收起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計。13 61絲杠的拉壓變形量1滾珠絲杠奕計算滿載時拉壓變形量1= FmL/(EA)式中：1為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）；Fm為絲杠的工作載荷Fm = 5364N；L為滾珠絲杠在支承間的受力長度L = 330mm ；E為材料彈性模量，對鋼E = 20.6 104Mpa ；A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積A=dm2/4 = 3.14632/4 =3115.7 mm2 ，“+”號用于拉伸，“”用于壓縮。1=5364330/（20.6 1043115.7）=0.0028mm1362滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2有預緊2 = 0.0013 式中：Dw為滾珠直徑Dw = 5.953mm；Z= Z圓數(shù)列數(shù)；Z為一圈的滾珠數(shù)，Z=dm/Dw = 3.1463/5.953 = 33.2Z= 33.23.51 = 116.2Fm = 5364 N因當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3 時，2 值可減小一半左右，所以FYJ取C/3 。FYJ = C/3 =48077/3 = 16026 N 2 = = 0.0064mm1363珠絲杠副剛度的驗算絲杠的總變形量 = 1+ 2 應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度的一半。 = 0.0028 + 0.0064 = 0.0092 mm 機床進給系統(tǒng)的定位精度取0.1mm ,其一半為0.05mm = 0.0092 mm 0.05 mm 剛度符合要求137壓桿穩(wěn)定性驗算 臨界載荷FK=fZ2EI/L2其中E=20.6104MP （因材料為鋼）I=d14/64 d=D0+2e+2RR=0.52d0 e=0.07(R-d0/2) (d0為滾珠直徑，由上可知d0=9.525)R=0.529.525 =4.944e=0.07(4.944-9.525/2) =0.01337d1=63+20.01337-24.944 =53.14I=3.1453.144/64 =391233mm4絲杠最大工作長度L取L=300mm絲杠支承方式系數(shù)fz=0.25因選用一端軸向固定，一端自由FK=0.253.14220.6104391223/3002 =2.207106Nnk=FK/Fm =2.207106/5364 =411.3nk=411.3nk=10穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足要求14導軌的選型及計算按標準，導軌副選用GGBAA型直線滾動導軌副，規(guī)格為T25如圖3所示： 圖 3 直線滾動導軌副的特點陣字是：1） 承載能力大，剛度高。在直線滾動導軌副中，滾珠與圓弧溝槽相接觸，因而許用載荷和剛度與點接觸相比有較大幅度的提高。2） 采用直線滾動導軌副可簡化設計、制造和裝配工作。導軌副的安裝基面精度和質(zhì)量要求不高，只要求精銑或精刨。15推動工件的電機選擇T=FmD0/2tg（+）=9550P2/n 摩擦系數(shù)f=0.15 tg=0.15 即得=8.53由上選的絲杠可得D0=63mm =254= 2.9（53646310-3/2tg(2.9 + 8.53 ) ）=9550P2/nP2/n=0.0036 取n=750 r/min P2=0.0036750=2.7Kw 圖 4取標準P2=3 Kw 電機型號選Y132M-8 P=3Kw n=750 r/min電機的安裝及外形，如圖4所示 16推動工件的減速器確定減速器選ZLY型硬齒面臥式圓柱齒輪減速器（ZBJ190041988），其齒輪為漸開線斜齒齒輪，系采用優(yōu)質(zhì)材料（如齒輪用20CrMnMo滲碳淬火、鍛造毛坯，齒面硬度為5562HRC），經(jīng)磨齒修緣、精度6級，箱體經(jīng)精密鏜孔等制成。承載能力高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。其代號為ZLY16010I 。如圖5 圖 5該減速器的適用條件是高速軸轉(zhuǎn)速不高于1500 r/min ，齒輪圓周速度不高于20 m/s ；環(huán)境溫度4045C，低于0C時，起動前應將潤滑油先熱到8C以上，高于45C時應采取隔熱措施。17聯(lián)軸器選擇171 連接電機與減速器的聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器選用彈性柱梢齒式聯(lián)軸器，其型號為ZL3 ，如圖6該種聯(lián)軸器與齒式聯(lián)軸器比，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕、維護方便，無需潤滑等優(yōu)點。 圖 6172 連接減速器與錐式摩擦離合器的聯(lián)軸器選擇 在錐式摩擦離合器的一端用軸套加厚至與減速器的輸出軸一端同樣大小，取即為75 ，然后再用軸套聯(lián)軸器連接起來。軸套聯(lián)軸器選用A型 d = 75，其標號為 75 。18離合器的選擇及計算離合器選錐式摩擦離合器由電機的d=42mm，確定錐式摩擦離合器的大小D=（46）d=（46）42=168252 取D=230d1= 2.3d = 2.342 = 96.6l1 = 2d = 242 = 84l2 = 1.5d =1.542 = 63l3 = 0.5d = 0.542 = 21t = 0.4d = 0.442 = 16.8s = 0.3d = 0.342 =12.6c = 0.25d = 0.2542=10.5a810 取a=9靜摩擦系數(shù)f=0.12 （許用比壓P=1.2Mpa）錐式摩擦離合器如圖7摩擦面平均直徑DmDm=D-（0.5+1.6tg）d =230-(0.5+1.6tg9) 42 =198.4 摩擦面寬度bb = ( 0.18 0.25 )Dm = ( 0.18 0.25 ) 198.4 =35.7 49.6取 b = 45計算轉(zhuǎn)矩Tp=KT/(k1k2) 圖 7其中T為傳遞的轉(zhuǎn)矩 K為工作貯備系數(shù)K = 1.3 1.5 ，現(xiàn)取K=1.4k1為平均圓周速度修正系數(shù)，取k1 = 1.3k2 為結(jié)合次數(shù)修正系數(shù)，取k2 = 1由上可得T =FmD0/2tg( + ) T = 5364 6310-3/2tg(2.9 + 8.53) =34.1 Nm Tp=34.1 1.4/1.3 =36.7 Nm摩擦錐行程 x = /sin其中離合脫開所需間隙，一般取= 0.5 1 現(xiàn)取= 0.8x = 0.8/sin9 = 5.13 mm脫開力與結(jié)合力Q = 2Tp(fcossin )/ ( Dmf )接合時用“+” ， 脫開時用“-”Q合= 2 36.7 103 ( 0.12cos9 sin9 )/ ( 293.50.12 ) =572 NQ開=2 36.7 103 ( 0.12cos9sin9 )/ ( 293.50.12 ) =78.1 N摩擦面比壓P=2Tp /D2bf P P=236.7 103/ (3.14198.42450.12 ) =0.11 Mpa P= 0.11 Mpa P = 1.2Mpa 19導軌的確定191 導軌主要受機器人的自身重力，其受力不大選用中小型起重機的小車常用輕型，其型號選為15 。其外形如圖8 圖 8 圖 9192 用熱軋槽鋼把導軌焊接在一起，熱軋槽鋼型號選用40c193 小車輪子的設計 按經(jīng)驗及主要考慮安全因數(shù)設計輪子，現(xiàn)設計為兩輪子的直徑為92 mm ，厚度為30 mm;中間軸直徑為50mm , 長度為43 mm ，兩端軸直徑為25 mm 。如圖919 4小車的設計小車板面設計成為80050030的工作板塊。1 95小車板塊上樹立外徑為300 mm 的空心圓柱，內(nèi)徑為200 mm ；樹立的圓柱頂部再焊一條同樣規(guī)格的空心圓柱，不過是水平方向放置。1.10 壓緊離合器的彈簧選擇 彈簧的性能和使用壽命很大程度上取決于材料的選擇。要求材料具有較高的疲勞極限、屈服點和足夠的沖擊韌度。現(xiàn)選取的彈簧材料用熱軋彈簧鋼經(jīng)熱卷成型后，再淬火回火處理制。由Fm/f = cos9 f = Fm/cos9= 5264/cos9 = 5430 N 一個離合器接二個彈簧 試驗載荷取f的一半，即為2715 N據(jù)標準選取圓柱螺旋壓縮彈簧,其材料直徑d = 8 mm，彈簧直徑D = 32 mm,許用應力p = 585 Mpa，試驗載荷Fs = 3676 N ,一圈彈簧的試驗變形量fsd = 2.98 mm 。 其端部結(jié)構(gòu)形式為：兩端圈并緊并磨平。 第二章 機器人總體設計中技術(shù)方案的制定機器人系統(tǒng)的引用，應做到以下幾點：1 析和確定機器人系統(tǒng)的方案。（1） 機器人系統(tǒng)的應用和可行性調(diào)查?？尚行哉{(diào)查主要是技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面。（2） 確定產(chǎn)品工藝過程和機器人作業(yè)動作要求。對工藝過程中每一個工作單元的任務應有明確規(guī)定，即每一個工作單元將要做的工作數(shù)量。（3） 確定機器人系統(tǒng)的能力和適用的作業(yè)范圍和外圍裝置。機器人系統(tǒng)的外圍裝置指的是為完成機器人操作，而應配的輔助裝置。（4） 進行不同方案的對比研究。（5） 確定機器人系統(tǒng)方案。2 詳細設計階段詳細設計的內(nèi)容有：（1） 機器人機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器及與機器人作業(yè)對象有關(guān)的設計。（2） 外圍設備的設計。（3） 安全裝置的設計。（4） 布局設計。 包括人機系統(tǒng)的詳細內(nèi)容，作業(yè)對象的流動系統(tǒng)，維護和服務區(qū)等的布局設計。（5） 安全保護設施的設計。3 制造、安裝、試運轉(zhuǎn)階段其工作內(nèi)容有：（1） 自制設備的制造、外購設備的檢查驗收。（2） 系統(tǒng)的總體布置和設備安裝。（3） 調(diào)試、試運轉(zhuǎn)。（4） 邊續(xù)工作運轉(zhuǎn)，調(diào)整。21確定基本技術(shù)參數(shù)211額定負載目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中，其負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力（矩）等。212工作范圍工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。213運動速度 機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作速度，用m/s或（）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試作各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動和控制方式、定位方式和精度要求。214 分辨率、位姿準確度和重復性、軌跡準確度和重復性以及最小定位時間工業(yè)機器人各運動軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度稱分辨率。次執(zhí)行同一位姿指令，實到位姿與指令位姿之間不一致程度自然保護區(qū)位姿準確定。機械接口中心跟隨指令運動軌跡的不一致程度，稱為軌跡誰確度。在相同條件下，用同一方法操作，重復多次所測得的同一位姿散布的不一致程度，稱為位姿重復性。機械接口中心沿同一軌跡運動，重復多次所測得的軌跡的不一致程度，稱為軌跡重復性。工業(yè)機器人中分辨率、準確度、重復性精度要求是根據(jù)其使用要求確定的，而工業(yè)機器人本身所能達到的精度則取決于操作機結(jié)構(gòu)的剛度，運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖方法等因素，應用在不同操作和工藝過程的工業(yè)機器人重復性精度要求也不同。22 選擇機器人操作機的機械結(jié)構(gòu)類型機械結(jié)構(gòu)類型是以其坐標形式來表明其類型，并說明其自由度數(shù)。根據(jù)對機器人基本技術(shù)參數(shù)的要求來選擇機械結(jié)構(gòu)類型的坐標形式及其自由度數(shù)是機器人系統(tǒng)設計中進行結(jié)構(gòu)設計的基礎(chǔ)。選擇何種類型須根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)位置，工藝操作要求等情況，經(jīng)分析、比較后進行選擇。自由度數(shù)愈多，機器人的靈活性和通用性愈大。工業(yè)機器人一般須有46個自由度才能滿足靈活性和通用性的要求。在滿足需要的條件下，應使用自由度最少，以簡化機器人的結(jié)構(gòu)和控制。在確定所加工產(chǎn)品（工字鋼，即機器人作業(yè)對象）工藝過程和機器人作業(yè)動作要求時，應在滿足工藝要求的前提下，縮短動作行程，簡化動作運動軌跡，減少機器人操作機的自由度數(shù)。動作行程短，在相同的循環(huán)時間條件下，降低了機器人手臂動作的運動速度，能提高運動準確度和重復精度，便于設計和制造。23 機器人控制方式的選擇和控制系統(tǒng)設計 根據(jù)近期內(nèi)外設計制造的工業(yè)機器人來看，都采用計算機控制系統(tǒng)，所以本設計也采用計算機控制系統(tǒng)。24 機器人驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動裝置是帶動操作機各運動臂的動力源，本設計中采用電動機來驅(qū)動。第3章 腕擺設計腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，避免干涉。多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分按在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。從腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動原理圖圖10，可以看出，這是一個腕擺一個手轉(zhuǎn)二自由度的手腕結(jié)構(gòu)，其傳動路線為，腕擺電機通過同步齒形帶傳動帶動腕擺諧波減速器，減速器的輸出軸帶動腕擺框?qū)崿F(xiàn)腕擺運動；手轉(zhuǎn)電機通過減速器和和齒形帶，以及一對錐齒輪來實現(xiàn)手轉(zhuǎn)運動。注意，當腕擺框擺動而手轉(zhuǎn)電機不轉(zhuǎn)時，聯(lián)接手部的錐齒輪在別一錐齒輪上滾動，產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運動，在控制上要進行修正。 圖 1031 腕擺電機選擇驅(qū)動形式選用電動機形式驅(qū)動，且為步進電動機，性能特點有如以下：（1） 使用范圍，適用于運動控制要求嚴格的中、小型號機器人。（2） 控制性能和安全性，控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響。（3） 結(jié)構(gòu)性能，體積小，需減速裝置。（4） 安裝和維護要求，維修使用較復雜。（5） 效率與制造成本，成本較高，效率為0.5左右。由能量守恒量可得：p t = m g h 其中= 0.8, 取t = 2 s m = m1 + m2 =10 + 20 = 30 Kg h = 30 cm p20.8 =309.80.3 p = 55 W由于其效率為0.5左右 P = 55/0.5 = 110 W選電機型號為75BF003 ，相數(shù)為3。其功率p = 120 W32 電機轉(zhuǎn)速 nmax =Vmaxb / (360 p ) 其中b = 1.5/步 p =0.1mm/脈沖 Vmax = 1m/s = 60000 mm/min nmax =600001.5/(3600.1) = 2500 r/min即 n1 = 2500 r/min33 同步帶傳動設計331 功率計算PC = KAP其中KA = 1.1 PC = 1.1 120=132 W = 0.132 Kw332 選擇帶型Pb為XL333 小帶輪齒數(shù)Z1 Zmin = 12考慮有利于提高帶的經(jīng)曲疲勞壽命，現(xiàn)取Z1 = 15 334 小帶輪節(jié)圓直徑d1 = Z1Pn/由上可得節(jié)距大小Pn = 5.080 d1 = 15 5.080/3.14 = 24.27 mm 335 大帶輪齒數(shù)Z2 = iZ1 = n1Z1/n2現(xiàn)取i= 3.2 則Z2 = 3.2 15 = 48n2 = n1/i = 2500/3.2 = 781.3 r/min 336 大帶輪節(jié)圓直徑d2 = Z2Pb/d2 = 485.080/3.14 = 77.7 337 帶速V =d1n1/( 601000 )Vmax = 50 m/sV = 3.1424.272500/( 601000 ) = 31.75 m/s Vmax = 50 m/s 合符要求 338 初定中心距a0 0.7( d1+ d2 )a0 0.7 ( 24.27 + 77.7 ) = 71.38 mm現(xiàn)取 a0 = 180 mm339 帶節(jié)線長及其齒數(shù)（ Lp , Z ）L0 = 2a0 + (d1+ d2)/2 + (d2 - d1)2/(4a0) = 2180 + 3.14(24.27 + 77.7 )/2 +(77.7 24.27)2/ (4180 ) = 524 mm選帶長代號：210節(jié)線周長Lp = 533.40 0.61節(jié)線長上的齒數(shù)Z=1053310實際中心距a = a0 (LpL0)/2現(xiàn)取“+” 號 a = 180 + （533.4524）/2 = 184.3 mm3311小帶輪嚙合齒數(shù)Zm ( 1/2(d2d1)/(6a)Z1Zmmin = 6Zm 1/2(77.724.27)/(6184.3) 15 = 6.8 ZmZmmin = 63312基本額定功率P0 = （Tamv2） v 103基本額定功率是基準寬度bs0的額定功率，其中 bs0 =9.5 mm許用工作拉力Ta = 31 N ，m = 0.01 Kg/mP0 = (310.01 31.752) 31.75 103 = 0.66 Kw3313帶寬 bs 按標準選取 bs = 7.9 mm34同步帶輪設計341直徑按標準選取3411 小帶輪：節(jié)徑d1= 24.26 mm ， 外徑D1= 23.75 mm3412 大帶輪：節(jié)徑d2=77.62 mm , 外徑D2=77.11 mm34 2 寬度3421 小帶輪：帶輪采用無邊擋圈，由于同步帶寬度為7.9 mm，帶輪最小寬 度為10.4 mm ，現(xiàn)取為11 mm。3422大帶輪：跟小帶輪的寬度一樣，同為11 mm 。 35諧波齒輪減速裝置設計351作原理諧波齒輪傳動裝置是由三個基本構(gòu)件組成，即具有內(nèi)齒的剛輪G、具有外齒的容易變形的，薄壁圓筒狀柔輪R和波發(fā)生器H。剛輪子和柔輪上輪齒的齒形和周節(jié)相同（齒形多用漸開線或三角形），但柔輪比剛輪少2 個或幾個齒。波發(fā)生器由一橢圓盤和一柔性滾珠軸承組成，也可以由一個轉(zhuǎn)臂和幾個滾子組成。通常波發(fā)生器為主動件，柔輪和剛體之一為從動件，另一為固定件。諧波齒輪傳動的工作原理如圖10所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器H為主動件，柔輪R為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時，由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時，嚙入?yún)^(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的主向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上連續(xù)的簡諧波開。因此，這種傳動稱為諧波傳動。若柔輪固定，剛輪從動，其工作過程完全相同，只是剛輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同。 圖 11352 計算如圖11所示，波發(fā)生器有兩個觸頭，產(chǎn)生兩個嚙個區(qū)，故稱雙波發(fā)生器。其傳動比計算：現(xiàn)選為：波發(fā)生器主動、柔輪固定、剛輪從動，當波發(fā)生器回轉(zhuǎn)時，迫使剛輪順序地和剛輪嚙合，波發(fā)生器回轉(zhuǎn)一周i時，剛輪相對柔輪與波發(fā)生器同方向轉(zhuǎn)過（ZGZR）個齒,即順轉(zhuǎn)了（ZGZR）/ ZG周。因此波發(fā)生器和剛輪的減速傳動比為： iHGR = nH/nG = ZG/（ZGZR）式中ZG、ZR分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)，nH 、nG 分別為波發(fā)生器和剛輪的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)取ZG =200 ZR =198iHGR =200/（200198） = 100 取模數(shù)m = 0.3 dRf = (ZR2h*2C*)m=(1982120.25)0.3=58.65 mm dRa=(ZR2h*)m=(19821) 0.3=60 mm dR=mZR =0.3198 =59.4 mm dGf = (ZG2h*2C*)m =(2002120.25) 0.3 =59.25 mm dGa=(ZG2h*)m =(20021) 0.3 =60.6 mm dG=mZG =0.3 200 =60 mm36 腕擺中其它零件的選擇及設計361 實現(xiàn)腕部動作，把腕部支連起的來一條階梯軸，如零件圖中所示。362 軸的左端，由軸為20，而選用角接觸球軸承36204連接；右端軸為15，而選為角接觸球軸承36205。37 手腕的裝配由于機器人存在定位誤差，或者講分辯率有限，會造成裝配失敗的情況。一般來說在機器人進的精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件之間的配合精度相當高，由于被裝配零件的不一致性、工件的定位夾具、機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就需要裝配動作的柔順性要求。柔順裝配要求技術(shù)有兩種，一種是從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實現(xiàn)邊校正邊裝配。有的手爪上還配有檢測元件如視覺傳感器、力傳感器等，這就是所謂主動柔順裝配。另一種是從結(jié)構(gòu)的角度在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的需要。這種柔順裝配技術(shù)稱為“被動柔順裝配”。 結(jié)束語 本次的畢業(yè)設計，是對大學四年來所學知識的綜合運用。在設計過程中，通過對所學知識的系統(tǒng)復習，總體溫習，鞏固了大學階段所學的知識，尤其是對某項課題作專門的了解，收集資料，分析資料，并獨立思考和解決問題，這是對以后在科學研究和解決實際工作問題的一個很好的訓練。 通過對使用機器人切割H型鋼的設計，使我了解到目前國內(nèi)、外機器人的總體使用情況，尤其我國目前的實際情況。這次設計是南油西部石油公司合眾近海建設公司的課題，通過對他們提出的要求進行系統(tǒng)的分析，加上對實際情況了解，完成了本次設計。在設計過程中，雖然沒有使用到CAXA的軟件，但是通過對它的學習，使自己的創(chuàng)造思維快速向三維方向靠攏，可使自己的思維觀念可以客觀、實在的再現(xiàn)出來。在設計過程中，得到張鍵老師的指導，對我完成這次的設計提供了不可磨滅的作用，才能使我按時按質(zhì)完成設計任務。 設計任務的完成，使我對自己的能力有進一步的了解，并對自己充心信心。只要自己肯努力付出，并充分發(fā)揮自己所學知識和技巧，任何事情都可以完美完成。在設計過程中，深深體會到了：獨立自主解決定很重要，但相互合作也是不可忽視的，因為在以后在工作中，是需要彼此之間相互合作的，一個人的力量是有限的，只有通過大家的合作，才能快速、有效地完成任務。鳴 謝鳴謝：張鍵副教授和林菁老師的熱心指導。參考文獻設計參考文獻：1 李洪 主編，實用機床設計手冊，沈陽，遼寧科學技術(shù)出版社。2 鄭堤，唐可洪 主編，機電一體化設計手冊基礎(chǔ)，北京，機械工業(yè)出版社。3 毛謙德，李振清 主編，袖珍機械設計師手冊，北京，機械工業(yè)出版社。4 孫桓，陳作模 主編，機械原理，北京，高等教育出版社。5 廖念釗，莫雨松，李碩根，楊興駿 編，互換性與技術(shù)測量，北京，中國計量出版社。6 徐灝 主編，機械設計手冊，第2版第3、4卷，北京，機械工業(yè)出版社。7 秦曾煌 主編，電工學，上、下冊，北京，高等教育出版社。8 周開勤 主編，機械零件手冊，北京，高等教育出版社。9 吳振彪 編，機電綜合設計指導，湛江，湛江海洋大學出版。10 周伯英 編著，工業(yè)機器人設計，北京，機械工業(yè)出版社。11 龔振邦，汪勤愨，陳振華，錢晉武 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