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机器人自动火焰切割H型钢的设计.rar

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    机器人 自动 火焰 切割 型钢 设计
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    机器人自动火焰切割 H 型钢的设计1目 录目录 ………………………………………………………………………………………………(1)ABSTRACT ………………………………………………………………………………………(2)第 1 章 工作台的设计院 …………………………………………………………………………(3)1.1 工作台总体方案 …………………………………………………………………………(3)1.2 工作台的结构设计 ………………………………………………………………………(3)1.3 滚珠丝杠螺母副的确定及验算 …………………………………………………………(4)1.4 导轨的选型及计算 ………………………………………………………………………(6)1.5 推动工件的电机选择 ……………………………………………………………………(7)1.6 推动工件的减速器确定 …………………………………………………………………(7)1.7 联轴器选择 ………………………………………………………………………………(8)1.8 离合器的选择及计算 ……………………………………………………………………(8)1.9 导轨的确定 ………………………………………………………………………………(9)1.10 压紧离合器的弹簧选择 ………………………………………………………………(10)第 2 章 机器人总体设计中技术方案的制定 ……………………………………………………(10)2.1 确定基本技术参数 ………………………………………………………………………(11)2.2 选择机器人操作机的机械结构类型 ……………………………………………………(11)2.3 机器人控制方式的选择和控制系统设计 ………………………………………………(12)2.4 机器人驱动方式的选择 …………………………………………………………………(12)第 3 章 腕摆设计 …………………………………………………………………………………(12)3.1 腕摆电机选择 机器人自动火焰切割 H 型钢的设计2……………………………………………………………………………(12)3.2 电机转速 …………………………………………………………………………………(13)3.3 同步带传动设计 …………………………………………………………………………(13)3.4 同步带轮设计 ……………………………………………………………………………(14)3.5 谐波齿轮减速装置设计 …………………………………………………………………(14)3.6 腕摆中其它零件的选择及设计 …………………………………………………………(16)3.7 手腕的装配 ………………………………………………………………………………(16)结束语 ………………………………………………………………………………………………(17)鸣 谢 ………………………………………………………………………………………………(17)参考文献 ……………………………………………………………………………………………(18)机器人自动火焰切割 H 型钢的设计3ABSTRACT(此处为英文摘要, 字体:Time New Roman, )(字号:12 磅, )(行距:固定值=22)机器人自动火焰切割 H 型钢的设计4机器人自动火焰切割 H 型钢的设计机械设计制造及其自动化,99121110,李活文指导教师:张 键 副教授摘 要 :利用机器人切割大型 H 型钢,是目前减 轻劳动强度、增加效益的有效途径,尤其是在环境比较恶劣的地方。机器人作 为一种高新科技,在国内应用还只是局限于很少的一些部门,为了使机器人的应用在我国广泛应用到各方面各部门,本 设计主要着重于机器人的设计, 为机器人的广泛应用呐喊助威。关键词 :机器人 ;切割机器人第 1 章 工作台的设计1.1.工作台总体方案考虑到机器人造价比较贵,采用两个工作台一字排列,如图 1 所示图 1工作过程为:先在一个工作台上安装好工件,用机器人气割,在气割的同时,在另一个工作台安装工作;当机器人气割完第一个工件后,马上到第二个工作台去气割工件,同时在第一个工作台上装卸工件。这样有利于提高机器人的利用率。在工作台的两侧,一侧装卸工件,在另一侧则是机器人运行的轨道;而在工作台下面则是用电机推动工件定位的机构。1.2.工作台的结构设计由于工作地点在室外,且精度要求不高,所以工作台的结构设计主要安照经验来设计。1. 2.1 虑工作的高度,取工作台的长度为 L=12000mm,宽度为 B=1330mm,高度为机器人自动火焰切割 H 型钢的设计5H=1330mm。1.2.2 作台采用方形,四条边的宽高分别为 50mm、100mm,而在其两侧每隔 2 米在工作台下焊接一根 330×100×50 的铸铁作为工作台的脚部,在工作台面每隔500mm 焊一块角钢,作为支持工件 H 钢,其 角钢号数为 10;横条边部平均焊上三片高 200mm,厚 30mm 的铁片作为工件的定位装置。1.3 滚珠丝杠螺母副的确定及验算滚珠丝杠副传动与滑动丝杠相比其主要特点是:1)传动效率高,一般可达95%以上,是滑动热杠传动的 2~4 倍;2)运动平稳,摩擦力小,灵敏度高、低速无爬行;3)可以预紧、消除丝杠副的间隙,提高轴向接触刚度;4)定位精度和重复定位精度高;5)使用寿命为普通滑动丝杠的 4~10 倍甚至更高;6)同步性好,用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时,可获得较好的同步性;7)使用可靠、润滑简单、维修方便;8)不自锁,可逆向传动,即螺母为主动,丝杠为被动。旋转运动变为直线运动;9)有专业厂生产,选区用配套方便。1.3.1 工字钢的摩擦力计算 Ff=G×f ,工字钢如图 2 。1.3.1.1 G 为工字钢的重力,f 为摩擦系数G=mg=ρVg=ρSLgS=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2=30×(800-2×30)+2×800×30+0.85×30 2 =70965mm2V=SL=70965×12000=8.5×108mm3=0.85m3 1.3.1.2 摩擦系数f=0.15 ρ=7.8×10 3kg.m3Ff=7.8×103×0.85×9.8×0.15=9746N1.3.2 工作台主要受丝杠轴向力FL=Ff/2=9750/2 = 4875 NFL=FZ= 4875 N FC=FV≈0 图 21.3.3 最大工作载荷计算选矩形导轨Fm=KFL+f’(F V+FC+G)其中 K=1.1 f’=0.005G 为移动部件的重力,约取 G=200NFm=1.1×4875+0.005(0+0+200)=5364 N1.3.4 最大动负载 CC= fmFL3L=60nt/106r=0机器人自动火焰切割 H 型钢的设计6取进给速度 V=1 m/min 丝杠基本导程选 LO=10mm∴ n=1000n/L O =1000×1/10=100 r/min 取 t=8000h因有冲击,取 fm=2 而 Fm=5364 NC= ×2×53643610/560=48077 N∴ 选用外循环滚动螺旋副,其中丝杠选用 dm=63mm Lo=10 mmCa= 51600 N1.3.5 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 η 为η= tgλ/tg(λ+φ)式中:λ 为丝杠螺母旋升角,可由上得 λ=2.9°,φ 为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f = 0.003~0.004 ,其摩擦角约等于 10′。∴η= tg2.9°/tg(2.9°+ 10′)= 0.9461.3.6 刚度验算滚动丝杠副的轴向变形将收起丝杠导程发生变化,从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形小,对纵向变形的影响更小,可忽略不计。螺母座只要设计合理,其变形量也可忽略不计。1.3.6.1 丝杠的拉压变形量 δ 1′滚珠丝杠奕计算满载时拉压变形量δ 1′= ±FmL/(EA)式中:δ 1′为在工作载荷 Fm 作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm) ;Fm 为丝杠的工作载荷 Fm = 5364N;L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 L = 330mm ;E 为材料弹性模量,对钢 E = 20.6 ×104Mpa ;A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积 A=πdm 2/4 = 3.14×632/4 =3115.7 mm2 , “+”号用于拉伸,“-”用于压缩。δ 1′=±5364×330/(20.6 ×10 4×3115.7)=±0.0028mm1.3.6.2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 δ 2有预紧 δ 2 = 0.0013 × 3ZDwFmJ式中:Dw 为滚珠直径 Dw = 5.953mm;Z = Z×圆数×列数;Z 为一圈的滚珠数,Z=πdm/Dw = 3.14×63/5.953 = 33.2Z = 33.2×3.5×1 = 116.2Fm = 5364 N因当滚珠丝杠有预紧力,且预紧力为轴向工作载荷的 1/3 时,δ 2 值可减小机器人自动火焰切割 H 型钢的设计7一半左右,所以 FYJ取 C/3 。FYJ = C/3 =48077/3 = 16026 N δ 2 = = 0.0064mm32.16095.341.3.6.3 珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量 δ = δ 1′+ δ 2 应小于允许的变形量。一般 δ 不应大于机床进给系统规定的定位精度的一半。δ = 0.0028 + 0.0064 = 0.0092 mm 机床进给系统的定位精度取 0.1mm ,其一半为 0.05mm∴δ = 0.0092 mm < 0.05 mm∴ 刚度符合要求1.3.7 压杆稳定性验算临界载荷 FK=fZπ 2EI/L2其中 E=20.6×104MP (因材料为钢)I=πd 14/64 d=D0+2e+2RR=0.52d0 e=0.07(R-d0/2) (d0为滚珠直径,由上可知 d0=9.525)R=0.52×9.525=4.944e=0.07×(4.944-9.525/2)=0.01337d1=63+2×0.01337-2×4.944=53.14I=3.14×53.144/64=391233mm4丝杠最大工作长度 L 取 L=300mm丝杠支承方式系数 fz=0.25因选用一端轴向固定,一端自由FK=0.25×3.142×20.6×104×391223/3002=2.207×106Nnk=FK/Fm=2.207×106/5364=411.3nk=411.3﹥[n k]=10稳定性安全系数满足要求1.4 导轨的选型及计算按标准,导轨副选用 GGB—AA 型直线滚动导轨副,规格为 T25如图 3 所示:机器人自动火焰切割 H 型钢的设计8图 3直线滚动导轨副的特点阵字是:1)承载能力大,刚度高。在直线滚动导轨副中,滚珠与圆弧沟槽相接触,因而许用载荷和刚度与点接触相比有较大幅度的提高。2)采用直线滚动导轨副可简化设计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高,只要求精铣或精刨。1.5 推动工件的电机选择T=FmD0/2tg(λ+ρ)=9550P 2/n∵ 摩擦系数 f=0.15∴ tgρ=0.15 即得 ρ=8.53°由上选的丝杠可得 D0=63mm λ=2°54′= 2.9°(5364×63×10 -3/2tg(2.9° + 8.53° ) )=9550P2/nP2/n=0.0036 取 n=750 r/min P2=0.0036×750=2.7Kw 图 4∴取标准 P2=3 Kw 电机型号选 Y132M-8 P=3Kw n=750 r/min电机的安装及外形,如图 4 所示 1.6 推动工件的减速器确定减速器选 ZLY 型硬齿面卧式圆柱齿轮减速器(ZBJ19004—1988) ,其齿轮为渐开线斜齿齿轮,系采用优质材料(如齿轮用 20CrMnMo 渗碳淬火、锻造毛坯,齿面硬度为 55~62HRC) ,经磨齿修缘、精度 6 级,箱体经精密镗孔等制成。承载能力高,运转平稳,噪声低。其代号为 ZLY160—10—I 。如图 5图 5机器人自动火焰切割 H 型钢的设计9该减速器的适用条件是高速轴转速不高于 1500 r/min ,齿轮圆周速度不高于20 m/s ;环境温度—40~45°C,低于 0°C 时,起动前应将润滑油先热到 8°C 以上,高于 45°C 时应采取隔热措施。1.7 联轴器选择1.7.1 连接电机与减速器的联轴器选择联轴器选用弹性柱梢齿式联轴器,其型号为 ZL3 ,如图 6该种联轴器与齿式联轴器比,具有结构简单、轻、维护方便,无需润滑等优点。图 61.7.2 连接减速器与锥式摩擦离合器的联轴器选择在锥式摩擦离合器的一端用轴套加厚至与减速器的输出轴一端同样大小,取即为 φ75 ,然后再用轴套联轴器连接起来。轴套联轴器选用 A 型 d = 75,其标号为 75 。1.8 离合器的选择及计算离合器选锥式摩擦离合器由电机的 d=42mm,确定锥式摩擦离合器的大小D=(4~6)d=(4~6)×42=168~252 取 D=230d1= 2.3d = 2.3×42 = 96.6l1 = 2d = 2×42 = 84l2 = 1.5d =1.5×42 = 63l3 = 0.5d = 0.5×42 = 21t = 0.4d = 0.4×42 = 16.8s = 0.3d = 0.3×42 =12.6c = 0.25d = 0.25×42=10.5a≥8°~10° 取 a=9°静摩擦系数 f=0.12 (许用比压[P]=1.2Mpa)锥式摩擦离合器如图 7摩擦面平均直径 DmDm=D-(0.5+1.6tgα)d=230-(0.5+1.6tg9°)× 42=198.4 摩擦面宽度 b机器人自动火焰切割 H 型钢的设计10b = ( 0.18 ~ 0.25 )Dm= ( 0.18 ~ 0.25 ) × 198.4=35.7 ~ 49.6取 b = 45计算转矩 Tp=KT/(k1k2) 图 7其中 T 为传递的转矩 K 为工作贮备系数 K = 1.3 ~ 1.5 ,现取 K=1.4k1为平均圆周速度修正系数,取 k1 = 1.3k2 为结合次数修正系数,取 k2 = 1由上可得 T =FmD0/2tg( λ+ρ )∴ T = 5364 × 63×10 -3/2tg(2.9° + 8.53°)=34.1 N.mTp=34.1 × 1.4/1.3=36.7 N.m摩擦锥行程 x = δ/sinα其中 δ 离合脱开所需间隙,一般取 δ= 0.5 ~ 1 现取 δ= 0.8x = 0.8/sin9° = 5.13 mm脱开力与结合力 Q = 2Tp(fcosα±sinα )/ ( D mf ))接合时用“+” , 脱开时用“-”Q 合 = 2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9° +sin9° )/ ( 293.5×0.12 )=572 NQ 开 =2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9°-sin9° )/ ( 293.5×0.12 )=-78.1 N摩擦面比压 P=2Tp /πD 2bf < [ P ]P=2×36.7 ×103/ (3.14×198.42×45×0.12 ) =0.11 Mpa∴ P= 0.11 Mpa < [ P ] = 1.2Mpa1.9 导轨的确定1.9.1 ∵导轨主要受机器人的自身重力,其受力不大∴选用中小型起重机的小车常用轻型,其型号选为 15 。其外形如图 8
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