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四足步行机器人说明书正文.doc

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武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————摘要 .41 绪论 .61.1 综述 .61.2 发展概况 .61.2.1 国内发展概况 .71.2.2 国外发展概况 .71.3 课题背景 .81.4 目的及意义 .81.5 本文主要的研究工作 .92 设计内容 102.1 理论依据 102.2 方案实施 102.2.1 方案比较: 122.2.2 方案的选定 123 四杆机构的设计 .133.1 基础理论知识 133.1.1 曲柄存在条件 133.1.2 急回运动特性和行程速比 K 133.1.3 压力角和传动角 143.2 轨迹设计 153.3 方案四杆机构的设计与计算 163.3.1 四杆尺寸 16武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————3.3.2 最小传动角计算 173.3.3 步态分析 184 传动机构设计 .194.1 传动方案及电机选择 194.2 同步带传动设计 194.2.1 确定计算功率 194.2.2 选择同步带型号 204.2.3 确定带轮齿数、和带轮节圆直径、 204.2.4 验算带速 204.2.5 确定中心距和同步带节线长度及齿数 204.2.6 作用在轴上的压力 215 主轴组件设计 .225.1 主轴组件的总体布置 225.2 主轴的结构设计 225.2.1 主轴的材料和热处理 235.2.2 初估轴径 235.2.3 轴的结构设计 235.2.4 轴的强度验算 256 箱体设计 .276.1 箱体材料的选择 276.3 箱体的加工 287 杆件布层 .30武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————8 操作与安装 .31小结 32致 谢 34参考文献 35武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————摘要在自然界或人类社会中,存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合,如工地、防灾救援等许多领域,对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。四足步行机器人是机器人的一个重要分支,由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好,同时又比六足、八足步行机器人结构简单,因而更加受到各国研究人员的重视。整个设计方案主要执行构件为四杆机构。本机构采用对角线一致的原则,通过曲柄摇杆机构带动腿部运动,左前腿与右前腿一致,右前腿与左前腿一致。它是利用连杆曲线特性,当一对角足运动处于曲线的直线段时则着地不动,而另一对角足则处在曲线段做迈足运动,从而可实现类似动物的迈足运动。采用直流伺服电机驱动,通过同步带轮带动曲柄摇杆机构运动。关键词:曲柄摇杆 对角线一致 传动件 主轴组件 箱体设计 杆件布层武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————Abstract In the natural and human society ,there are many places that human beings cannot reach or special occations that may endanger the lives of human beings ,such as working site or many other areas of disaster relief.We often require robot intervention during continuous explorations and studies of in these complex environment.4 feet walking robot is an important branch of robot.Since 4 feet walking robot has great advantages over 2 feet robot in carrying capacity and stability,while having a more simple structure than 6,8 feet walking robots,many researchers attach great importance to 4feet walking robot. The executive body of the design is par 4 institutions.The agencies adopt the diagonal principles .The power goes through crank rocker to the legs.The movement of left front leg keep in consensus with right latter leg, as such.The design take use of the rod curve features,while one part of the legs are in the straight line and stand still ,the other part are in the curve part taking steps forward,so as to achieve movement similar to animals' movement.The design is powered by DC Servo Motor,while transmitted through synchronous pulleys.Key words :Crank rocker a diagonal line transmission Parts the main shaft components body design stick arrangement武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————1 绪论1.1 综述在自然界或人类社会中,存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合,如工地、防灾救援等许多领域,对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入。腿式系统有很大的优越性,较好的机动性、崎岖路面上乘坐的舒适性及对地形的适应能力强。所以这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业,有非常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。四足步行机器人是机器人的一个重要分支,由于四足机器人比两足步行机器人承载能力强、稳定性好,同时又比六足、八足步行机器人结构简单,因而更加受到各国研究人员的重视。作为一个男生,自小时候其就对于机器人有着莫大的兴趣。此次毕业设计老师分配给我这个题目,让我感觉到特别兴奋,同时也感觉到了真正动起手来设计机器人也还有许多实际上的难处。由于本专业是机械自动化方面的,此次设计应该是一次简单的机械结构的设计。对于更加精确的控制理论没有过多的研究,设计的主要作用也是作为危险环境下的托运物品。虽然所学知识有限,但我会尽全力去钻研,决定从自己能解决的机械方面的问题着手。1.2 发展概况关于四足步行机器的制作的文献,最早见于东汉学者王充的«论衡»第八卷«儒增篇», “鲁班巧工为母做木马车,木人御者,机关备具,载母其上,一驱不还,遂失其母……”三国时期,诸葛亮处于战争的需要,造出了用于托运粮草的“木牛流马”.目前 ,机器人的移动方式主要包括: 轮式、 履带式和足式。其中 ,轮式和履带式机器人的越障能力弱 ,不能充分实现运动的灵活性。四足机器人步行腿具有多个自由度 ,落足点是离散的 ,故能在足尖点可达域范围内灵活调整行走姿武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————态 ,并合理选择支撑点 ,具有更高的避障和越障能力。为此 ,四足机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域 ,而且运动学的研究是步行机器人各项研究的基础。1.2.1 国内发展概况国内对于四足步行机器的研究则起源于对木牛流马的复原,1986 年王湔在古文献的基础上经过 20 余年的潜心研究,创制出了单侧十七连杆,并由人力推动的王氏木牛流马,首开了国内研制纯机构步行机器的先河.1992 年,王湔更以单腿八连杆机构,加上马车,创作出王氏木车马.在此之后,台湾的颜鸿森教授带领他的弟子,以王氏木车马为基础,研制出了一系列的步行机器,如陈氏的四连杆型和六连杆型,邱氏,黄氏,沈氏步行机器,大陆的王旭辉和查建中等人则以单腿八连杆机构为对象,对其压力角的优化和杆件布层进行了研究和探讨.总之,传统的对象加上科学的分析和先进的理论,使得展.国内在步行机器的研究范围和深度上得到了极大的丰富和拓展.1.2.2 国外发展概况关于四足步行机器的研究,最早申请专利的当属 1893 年由 Rygg 创作的步行机器马,该机构由齿轮和连杆机构组成,由人坐在马背上脚踏前进,但是却没有做出实物来加以佐证.1913 年 Gechtolsheim 申请专利,也是用齿轮和连杆机构组成的步行机器,但是文献中没有实物的描述,故此时对于步行机器的设计,仅只考虑腿部机构与轨迹的曲线而已.1960 年 Shigley 创作出以连杆组设计四足腿部机构,并利用一组双摇杆机构来控制步行机器的步态,此时对于步行机器的设计,已经加入步态设计的理论.1966 年,McGhee 和 Frank 制造出第一台完全以电脑控制的步行机器人,之后对于步行机器的设计,则广泛地应用控制理论.1978 年,Hirose 将水平控制器装在步行机器上,并在足部装设了维持水平方向行走及修正方向的感应器.1986 年 Raibert,Chepponis 和 Brown以液压缸及伺服马达,制造出 RUNNING MACHINE 步行机器.对于四足步行机器的研究从单纯的机构逐渐向综合控制,软件,电子等多学科融合的方向发展.武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————1.3 课题背景在社会物质文明高度发达的今天,人类虽然能够创造出比较良好的生活环境,但是对于大自然的探索与了解,以及自然灾害的防治,各种危险情况下的工作却一直束手无策。因此机器人的设想就成为了在危险环境工作的必然选择。足式移动机器人对行走路面的要求较低,它可以跨越障碍物,走过沙地、沼泽等特殊路面,用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成或危险的工作。对这些环境进行不断的探索和研究,寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点,使得轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制,而多足步行机器人能够在复杂崎岖的路面上稳定行走。我所设计的四足步行机器就是为了在危险环境中的救人或者运输必须物品,为人类更好的改造大自然。1.4 目的及意义本次设计的目的是在毕业设计阶段充分的运用到本科所学到的机械方面的知识,锻炼自己的能力,学习各中机械设计的技巧和电子图版的使用。设计出一款比较简单实用的四足步行机器,能够在各种危机情况中发挥应有的作用。四足步行机器的设计其意义体现在:一:在设计四足步行机器的过程中,我参考了各种机器人设计的资料,学习到了很多关于自动机器人的知识。还在老师的指点下参观了老师指导的机器人大赛作品,对于机器人的机构和机理有了深刻的认识,充分发挥了机械设计中的知识。二:对于四杆机构的设计和研究有了比较深的了解,汲取了比较多的前人理论,学习到了许多以前不曾学习过的东西。三:设计出了一款简单实用的四足步行机器,使在危险情况下的运输和工作有了比较好的一种选择。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————1.5 本文主要的研究工作作为一个简单的四足步行机器的设计,我的主要工作就是设计出整个四足步行机器的主体结构,成为各种危险环境中的一个好工具。具体工作主要有:1、四足步行机器人整体设计,选定合理易行的方案,设计出具体尺寸结构, 画总装图;2、对主要零件进行结构设计,画零件图;3、对主要零件进行强度计算;4、撰写设计说明书,字数一万字以上;5、英文翻译5千汉字以上。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————2 设计内容2.1 理论依据本次设计的主要过程分为方案设计、杆件尺寸设计、绘制装配图及零件图。即先确定四足步行机器的方案原理。这一阶段主要参考了网上各种机器人的视频,比较了许多机器人方案,最终确定适合自己的做毕业设计 。而在明确了自己的方案之后尺寸设计过程是难点,因为以前四杆机构的设计我们学习的不是很深刻,参考了很多这方面的书籍。最后就是根据以前课程设计的相关知识作出整个的装配图和零件图,其中包括了直流电机选型、传动方式选择和计算、主轴及传动轴的设计、箱体的设计及结构工艺性考虑。主要应用的理论知识有:机械设计、机械原理、机械制造技术基础、机械设计课程设计、机电一体化、机电传动控制等等。2.2 方案实施经过长时间的搜集资料和学习四足步行机器的有关设计,分析其工作原理,特拟定了一下集中方案:A.方案一:武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————B.方案二:图 2 skywalker 建议机器人C.方案三:图 3 连杆机器人武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————2.2.1 方案比较:如图所示的三种方案,第一种方案是通过比较精密的腿部机构设计,通过前后两对足类似双人搭肩是式的行走方式来实现四足机器的步态拟合。是仿生技术以及计算机仿真的精密结果。在这里由于本人专业知识的缺乏以及经验的不足故放弃了这种方案。第二种方案结构简单轻巧,但是其运动明显存在不够稳定的缺点,体积太小难以胜任运载的要求。最后选择了第三种方案来做,其结构明了,原理清楚,运行时结构稳定性显而易见。2.2.2 方案的选定先介绍一下这个方案的基本原理。本方案中采用了对角线原则,即是对角线上的两条腿通过连接杆连接在一起保持运动一致性。而每一对足的运动轨迹都是有一条弧线和一段直线段组成的。当其中一对足轨迹处于水平线上的时候就处于着地状态,停止不动。同时另一对足相应的处于直线段的上方实现迈足运动。最终通过两队的交替处于直线段及弧线段上实现动物式的四足运动。如下图所示图 4 运动轨迹 本设计通过装在箱体内部的直流减速电机驱动,由于对角线一致原则,若两侧各使用一个电机驱动控制,则可能造成步态的冲突、干涉。故经过考虑使用一台伺服电机即可满足要求,并且这样做结构也显得比较轻巧。传动机构根据具体的要求转速和杆件尺寸可以确定,由于四根轴之间通过杆结构连接在一起,因此可以将所有的驱动力都加在一根轴上,其他的轴均是从动轴看,简化设计。具体机理是电机--减速装置--曲柄--摇杆--腿部武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————构件---四足步行实现。3 四杆机构的设计3.1 基础理论知识3.1.1 曲柄存在条件在工程实际中,对机构提出了各种各样的运动要求,而能否满足这些要求取决于机构本身的属性。下面就曲柄摇杆机构的特性进行讨论和分析。我们都知道,曲柄存在的条件是:1.架杆或机架为最短杆;2.最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。若四杆机构中最短杆和最长杆之和大于其他两杆长度之和,则无曲柄存在,两连架杆均为摇杆。若最短杆为机架,则的双曲柄机构;若最短杆的任一相邻的构件为机架,则的曲柄摇杆机构;若取最短杆位机架,则得双摇杆机构。基于以上原则,最短杆与机架相连,并且满足长度关系可得曲柄摇杆机构。3.1.2 急回运动特性和行程速比 K当曲柄匀速转动时,摇杆作变速摆动,而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程(正行程) ,将平均速度大的行程作为非工作行程(反行程) ,那么,我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————图 5 曲柄摇杆机构急回特性常用行程速比系数 K(摇杆反、正行程平均速度之比)来度量。如图所示,曲柄顺时针匀速转动,摇杆左右摆动(顺时针为正行程,逆时针为反行程) 。我们把摇杆处于两极限位置时连杆对应位置所夹的锐角称为极位夹角,用 表示。根据行程速比系数的定义有:① 存在急回特性的条件是 不等于零。② 因为 是锐角,即 小于等于 90°,故理论上 K 可以最大为 3。但由于最小传动角的限制,实用中 K 小于等于 1.4。对一些有急回特性要求的机械,常根据 K 值按式(2-2)算出 角,再确定各杆尺寸。3.1.3 压力角和传动角作用力和力作用点运动线速度方向之间所夹的锐角称为压力角,常用 表示;压力角的余角称为传动角,常用 表示。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————曲柄摇杆机构的传动角随曲柄的转动而变。传动角越大则机械效率越高,动力传动中一般要求传动角最小值 应大于 40°。因此设计曲柄摇杆机构时有必要检验 值。那么,最小传动角在什么位置出现呢?分析如下:可以证明:若机架上 A、D 两点位于 C'、C“连线的同一侧,则当 =0°时,最小,有 = ;机架上 A、D 两点位于 C'、C“连线的两侧,则 =180°时的 最大(钝角),有 =180°- 。不难看出,对于曲柄主动的曲柄摇杆机构,最小传动角就是连杆和摇杆所夹的最小锐角。3.2 轨迹设计足部轨迹是指动物在行进的过程中,完成一个循环动作的足部所产生的运动轨迹。若以动物的身体为参考坐标系,则该运动轨迹应为以封闭曲线。而动物在行进的过程中,根据其所需完成的动作可分为支撑于跨越,故将其武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————足部轨迹曲线分为支撑段和跨越段(如图 6) 。若将足部沿着既定轨迹循环一遍的时间称之为一个周期,那么我们将足部接触地面的时间称为支撑段;反之,若足部在空中运动的时间段称为跨越段。根据生物学上的定义,动物在行进时其腿部花在支撑段的时间要占到一半以上,目的是加强在行进过程中的稳定度。 图 6 足部轨迹对于任一步行机器,其足部轨迹曲线是首要考虑的重要条件,因为它直接影响到不行机器对地面的适应能力以及行进时的稳定度。为此,从仿生学的角度给出足部理想轨迹的要求:1.轨迹曲线必须唯一封闭且不交叉的曲线,以避免产生无效的轨迹曲线;2.轨迹曲线中的支撑段曲线应为直线段,以避免机构的重心产生起伏;3.轨迹曲线的跨高尽量高,以提高机构跨越障碍的能力;4.轨迹曲线的跨距尽量远,以增加机构跨步的前进距离。3.3 方案四杆机构的设计与计算3.3.1 四杆尺寸经过参考众多的四杆机构设计的资料,最终认识到使用解析法来设计此次毕设来说难度太大,耗费时间太多。在这么短的时间内要完成这种设计只有使用作图法来进行设计工作。在长时间的尝试和作图之后最终的到了满足我需要的四杆机构的尺寸。参考图三上面的标注,尺寸如下:武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————= = = = = = = =A1B1C1MA2B2C2A3B3C1= = = =500 mm3444= = = =177.5mm1c/2/3/1c/1= =392.5mm/1/= = =317mmA243/13.3.2 最小传动角计算根据上述的传动角的计算方式,当曲柄 AB 转到机架 AD 重叠共线和拉直共线两位置时,即出现极值。  8.24502).17.39(50arcos2)(arcosDCB21bcd 5.69)(r)(r22比较两个位置的传动角,可得最小传动角 。当机构运转时,其8.24min传动角的大小是变化的,为保证机构传动机构传动良好,设计时通常应该使最小传动角 。但是在此次设计中,由于传动功率比较小,设计的最40min小传动角也能够满足使用要求。在曲柄摇杆机构中,当机构曲柄与连杆在一条直线上,出现了传动角的情况。这是传动力矩为 0。因此,机构在此位置是,无论驱动力多大,0也不能使曲柄转动,机构的此种位置称为死点位置。对于传动机构来说,机构有死点位置是不利的,应该采取措施使机构顺利通过死点位置。对于连续运转的机器,可以利用从动件的惯性来通过死点位置。而本设计采用两组机构组合起来,使左右两侧的机构的死点位置相互错开,因此本设计能够顺利的通过死点位置。如下图所示的车轮联动机构所示:武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————图 7 车轮联动消除四点机构3.3.3 步态分析经过使用作图法作出四杆机构的尺寸与轨迹曲线之后,得到前后腿机构的运动特性。使用的对角线一直原则,经过作图法计算,可以完全证明此次设计左前腿与右后腿轨迹完全一致,左后腿与右前腿轨迹完全一致,能够达到迈步要求左前腿右后腿轨迹线:图 8 左前腿右后腿步态左后腿与右前腿轨迹线:武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————图 10 左后腿右前腿步态4 传动机构设计4.1 传动方案及电机选择经过作图法设计,求得主轴每旋转一周,前后跨距为 875mm,经过计算选主轴转速为 50r/min,此时机器人行走速度可得为: hkm/5.26085V即可满足设计任务所需求。主轴旋转转速为 50r/min.,据此可以选出所需直流减速伺服电机,经查阅资料,选取直流电机 J110SZ(ZYT)-PX,减速比为 60,输出轴转速为 3000r/min,功率为 2.47KW,能够满足需求。因此设计的传动路线如下:直流减速电机--同步带轮--主轴--连杆机构--机器人腿部.4.2 同步带传动设计同步带传动的主要失效形式有承载绳疲劳拉断、打滑与跳齿、带齿的过度磨损。因此同步带传动设计计算准则是带在不打滑的情况下具有较高的抗拉强度,保证承载绳不被拉断。此外,在灰尘、杂质较多的工作条件下,应对带齿进行耐磨性计算。4.2.1 确定计算功率的确定方法与普通 V 带相同,即CPKA式中 为工况系数(参考机械设计表)取为 1.0,P 为传递的名义功率 0.247KW,带入计算可得 247KW.0PC武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————4.2.2 选择同步带型号根据计算功率 和小带轮转速 ,由机械设计参考图例选择带型为 H 性。CP1n根据标准同步带的带宽系列,有 19.1、25.4、38.1、50.8、76.2 五个系列,本次设计选择带宽为 50.8mm,圆整为 50mm.4.2.3 确定带轮齿数 、 和带轮节圆直径 、1z2 1pd2一般取小带轮齿数 (参考机械设计表 8-13) 。当带速和安装尺寸允min1许时, 应尽可能选得多些。大轮齿数 ,并取为整数。根据表上数据,1z 12iz,本次设计传动比为 1:1,取 .2min 27bbppzd211为同步带的基本参数,查机械设计表 8-2 知 =12.7b bp带入公式计算得 mdp10214.2.4 验算带速 vmax106ndvp式中个符号单位同前。通常,XL、L 型的 ;H 型的smv50ax;XH、XXH 型的 。sv4max sv30max将各数据带入公式计算的 ,远远满足于带速要求。28.4.2.5 确定中心距 和同步带节线长度 及齿数aPLz按结构要求或按下式初定中心距 :0a)(2)(7.021021 ppdad即 540武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————取 即可ma2084.2.6 作用在轴上的压力 V10PFCQ试中 为皮带轮传递功率,单位为 KW,V 为带速,单位为 m/s, 的单位为QFN。代入计算可得 .26.97KNQ带轮的材料可根据使用要求和传递功率的大小采用钢 、铸铁 、粉末冶金或铸铝合金;传递功率小的高速带轮的材料可以采用工程塑料和尼龙。为了保证带与带轮轮齿的正确啮合,两者的节距和齿形角应相等。工作是为了防止同步带轮侧面脱落,在带轮不同侧面各装单挡圈或者轴肩定位。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————5 主轴组件设计5.1 主轴组件的总体布置对于机器中的一般转轴,主要应满足强度和机构的要求;对于刚度要求高的轴,主要应满足刚度的要求;对于一些高速机械的轴(如高速磨床主轴、汽轮机主轴等) ,要考虑满足振动稳定性的要求。在转轴设计中,其特点是不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。因为转轴工作时,收弯矩和转矩联合作用,而弯矩又与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关,所以当轴的结构尺寸未确定前,无法求出轴所受的弯矩。因此转轴设计时,开始只能按扭转强度或经验公式估算轴的直径,然后进行轴的结构设计,最后进行轴的强度验算。主轴组件通常由主轴,箱体,轴承和安装在主轴上的皮带轮及附件组成。经过仔细设计四足步行机器的工作特点和载荷分析,主轴组件的布置及机构形式可初步定为:图 11 主轴组件的布置图5.2 主轴的结构设计四足步行机器的主轴在工作中主要受到的是扭转载荷和弯曲应力,同时受到中等程度得冲击载荷,对材料的要求既要有较高的强度,又要有高的塑武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————性,同时还应有相当高的冲击韧性与疲劳强度。轴颈安装轴承和皮带轮处还要有一定的表面硬度,防止更换轴承和带轮是主轴受到磨损。主轴两端与外面曲柄杆件以固定铰链连接,轴端打出螺纹孔用轴端挡圈固定住曲柄。另外在主轴设计和制造中,应根据工艺条件提高主轴表面粗糙度,这样可以提高主轴的耐磨性,提高尺寸的稳定性,提高主轴的接触刚度,还可以提高主轴的疲劳强度。5.2.1 主轴的材料和热处理选择轴的材料应该考虑下列因素:1.轴的强度、刚度及耐磨性;2.热处理方法;3.材料来源;4.材料加工工艺性;5.材料价格等。本次设计的主轴主要是受到扭转载荷,无特殊要求,因而选用调质处理的 45 刚。主轴的加工工序可设定为:下料——打中心孔——粗车——调质处理——精车——圆磨5.2.2 初估轴径零件在轴上的布置方案确定后,可初步估算轴所需的最小直径 (通常mind是轴端段) ,进而初步确定阶梯轴各段的直径、长度和配合类型。轴径的初步估算常用如下两种方法:按扭转强度初步估算轴径;按经验公式估算轴径。根据我所需要的功率和相关数据,初步的定出轴端段的轴径为 。m185.2.3 轴的结构设计根据图 10 确定的轴上主要零件的布置图和轴的初步估算定出的轴径,进行轴的机构设计。(1)轴上零件的轴向定位同步带轮的一段靠轴肩定位,另一端靠套筒定位,装拆、传力均较方便;两端轴承常用统一尺寸,以便于加工、安装和维修;为便于装拆轴承,轴承武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————处轴肩不宜太高(其高度的最大值可从轴承标准中查得) 。轴承一端使用套筒定位,另外一端使用套杯进行定位。(2)轴上零件的周向定位带轮与轴、轴端与曲柄端的周向定位均采用平键连接。根据轴的直径由有关设计手册查得带轮处键为 C 型平键 ,轴端和曲柄连接处mhb6使用普通平键 A 型 ,配合均为 ;滚动轴承内圈有轴mhb67kH的配合采用基孔制,轴的尺寸公差为 。k(3)确定各段轴径和长φ20k6 φ2+0.018+0.022X561364020652+0.041+0.028φ18 40 φ20 20 +0.041+0.028φ18886652图 12 主轴的结构设计图定位轴肩高度按机械设计有关表格选取,非定位轴肩一般取 1~2.5mm,所以对于所有的轴径,从轴端向右取 mmmm 182024022018     对于轴长,取决于零件的宽度及它们的相对位置。从左端起,平键的长度为 20mm,外端曲柄厚度为 30mm,并且考虑到箱体厚度 33mm 以及箱体外垫片等因素,此段轴长定为 52mm。按从左到右的顺序来看, 段的轴上装轴承,角接触球轴承 70000m20型,宽度为 14mm,此段轴长为 14mm。第三段轴为 ,此段轴装皮带轮。皮带轮宽度为 50mm.再皮带轮左2侧有挡圈定位,再加上一段套筒的长度为 16mm,此段轴长为 70mm。第四段轴为 ,主要是考虑到箱体的宽度问题以及强度问题,此段m40轴的长度为 344mm。第五段是一段过渡轴,考虑到整个轴的结构设计,定位 20mm。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————第六段、七段分别于左侧的第二段、第一段相对应,长度分别为 14mm和 52mm。(4)考虑轴的结构工艺性考虑轴的结构工艺性,在轴的左端于右端均制成 倒角;两端装轴452承处为磨削加工,留有砂轮越程槽;为便于加工,带轮、两端的键槽布置在同一母线上,并取同一截面尺寸。5.2.4 轴的强度验算先作出轴的收力计算简图(即力学模型)如图 13a 示,取集中载荷作用于带轮及轴承的重点。(1)带轮上作用力的大小转矩 先计算传递到带轮的功率 ,直流电机的功率为 ,而皮1PKWP247.0带轮传递效率为 ,由公式知:95.0KWP23247.1带轮直径为转速为 min1r由公式计算得 mNPT  89.45023.1.905.9131圆周力 带 轮dFt12式中 为上步计算得到的转矩, 为带轮的节圆直径为 110mm。带入得到1T带 轮d816.19Nt带轮传动没有径向力和轴向力。(2)求轴承的支反力如图上所示, AC=52 mm, BC=192.7mm.1l2l水平面上的支反力 NlFtA 75.642.1952.8621 武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————NNFAtB 4.1735.64219.8(3)画弯矩图(图 13b、c)截面 C 处的弯矩 mlMAC .057.64231垂直面上弯矩为零。故最终弯矩为 C42.(4)画转矩图(图 13d) NT89.1(5)画计算弯矩图(图 13e)因单项回转,视转矩为脉动循环, ,则截面 C 处的当量弯矩为1b0.6-=mNTMCv 92.4)(212a)力力力力 A C B DT1 Ft152 192.7b)力力力力力力力力力力c)力力力力力d)力力力e)力力力力力Fa Ft1 Fb3.42N·m3.42N·mT1=4.89N·m42.92N·mαT1=26.93N·m武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————图 13 轴的强度计算(6)按弯扭合成应力校核轴的强度截面 C 当量弯矩最大,故截面 C 为可能危险截面。已知,查有关表格知,mNMv92.4MPab601abaacCc PdW3.421.0. 133 所以其强度足够。6 箱体设计四足步行机器的主要主体和传动机构都在箱体内部安装。内部有直流减速电机,各传动轴等机构,是保证运行平稳的重要零件。箱体在机械设计中应用范围十分广泛,箱体起着支承并包容各种传动零件,如齿轮、轴、轴承等,使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂,实现各种运动零件的润滑。安全保护和密封作用,使箱体内的零件不受外界环境的影响,又保护机器操作者的人生安全,并有一定的隔振、隔热和隔音作用。改善机器造型,协调机器各部分比例,使整机造型美观。6.1 箱体材料的选择箱体中设计的重点有主轴箱的设计,主轴箱是用来支承主轴轴承的,其强度要求不高,由于灰口铸铁具有优良的铸造性能,切削加工性及良好的耐磨性与消振性,故设计中采用珠光体灰口铸铁。铸铁的消振性,就是指金属将振动动能转变为热能的一种能力,由于铸铁中有石墨存在,它的消振能力特别强,其与拉伸强度的关系见下图:武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————图 14 铸铁的消振能力与拉伸强度的关系6.2 箱体的结构布置箱体的机构设计根据内部结构安排布置,配置有安装轴承处。在中间留有安装直流电动机的地方,是结构更加稳定。 铸件的壁厚应尽量保持一致,如不能一致,应使其逐渐均匀地变化。铸件的壁厚如不能一致,容易在冷却时因冷却速度不同而在壁厚处形成缩孔。6.3 箱体的加工根据箱体零件的结构形式不同,可分为整体式箱体和分离式箱体。前者武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————是整体铸造、整体加工,加工较困难,但装配精度高;后者可分别制造,便于加工和装配,但增加了装配工作量。本次设计使用整体铸造、整体加工。箱体的主要平面是装配基准,并且往往是加工时的定位基准,所以,应有较高的平面度和较小的表面粗糙度值,否则,直接影响箱体加工时的定位精度,影响箱体与机座总装时的接触刚度和相互位置精度。箱体上的轴承支承孔本身的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度都要求较高,否则,将影响轴承与箱体孔的配合精度,使轴的回转精度下降,也易使传动件(如齿轮)产生振动和噪声。一般机床主轴箱的主轴支承孔的尺寸精度为IT6,圆度、圆柱度公差不超过孔径公差的一半,表面粗糙度值为Ra0.63~0.32μm。其余支承孔尺寸精度为 IT7~IT6,表面粗糙度值为Ra2.5~0.63μm。同一轴线的孔应有一定的同轴度要求,各支承孔之间也应有一定的孔距尺寸精度及平行度要求,否则,不仅装配有困难,而且使轴的运转情况恶化,温度升高,轴承磨损加剧,齿轮啮合精度下降,引起振动和噪声,影响齿轮寿命。支承孔之间的孔距公差为 0.12~0.05mm,平行度公差应小于孔距公差,一般在全长取 0.1~0.04mm。同一轴线上孔的同轴度公差一般为0.04~0.01mm。支承孔与主要平面的平行度公差为 0.1~0.05mm。主要平面间及主要平面对支承孔之间垂直度公差为 0.1~0.04mm。武汉理工大学毕业论文(设计)————————————————————————————————————————————7 杆件布层连杆机构越多,各杆在运动的过程中难免会发生干涉,故不得不把各杆件配置在不同德层面上,但是这样一来势必引起结构的复杂化,恶化传动的性能。因此,如何让多杆在既定的区域内稳定的旋转,同时相互又不发生干涉,这是在实作过程镇南关必须要考虑的方面。对于步行机器的层排列设计,应遵循以下几点:(1)邻接两杆不能布置在同一层;(2)凡可能交叉的杆件必须放置于不同层;(3)在保证强度的前提下,总层数越少越好。在本例中,综合自身结构的特点,设定各腿部的最少
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