畢業(yè)論文-駕駛室焊接自動轉(zhuǎn)序機械手系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　駕駛室焊接自動轉(zhuǎn)序機械手系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　Design of Automatic Process-transfer Manipulator System in Cab Welding </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計的內(nèi)容是某卡車駕駛室外殼的自動轉(zhuǎn)序機械手系統(tǒng)。此機

2、械手的作用是作為駕駛室外殼轉(zhuǎn)序的夾持和動力裝置。駕駛室工件在上個工序完成后，機械手負(fù)責(zé)夾持駕駛室外殼，提升并旋轉(zhuǎn)，并橫向行走至下一個焊接加工工位再下降將駕駛室放置在焊接工序位置以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)并減輕操作者的勞動強度。機械手的開合時間和旋轉(zhuǎn)都要求動作迅速，工件重量較大，轉(zhuǎn)動慣量較大，機械手的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和橫向行走機構(gòu)是重點設(shè)計的內(nèi)容。</p><p>　　由于要求機械手快速開合。設(shè)計方案的手爪部分采用氣動聯(lián)動裝置。由快速

3、氣缸通過齒條-雙聯(lián)齒輪驅(qū)動連桿機構(gòu)，連桿機構(gòu)再為手爪開合提供動力。分析了連桿機構(gòu)傳動角的變化情況，計算了手爪開合氣缸的缸徑、行程和流量。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由氣缸通過齒輪齒條機構(gòu)直接驅(qū)動夾持機構(gòu)。夾持機構(gòu)通過推力調(diào)心滾子軸承被支撐在旋轉(zhuǎn)支板上。設(shè)計了旋轉(zhuǎn)齒輪，計算了旋轉(zhuǎn)氣缸的缸徑、行程和流量。由于旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量較大，所以采用電磁制動器緩沖慣性力。</p><p>　　升降機構(gòu)

4、由電動葫蘆實現(xiàn)；橫向行走部分參照了起重機行走小車的設(shè)計。電動機驅(qū)動車輪在工字鋼踏面上通過摩擦力帶動機構(gòu)橫向行走機構(gòu)行走。</p><p>　　機械部分的設(shè)計主要有機構(gòu)實現(xiàn)的設(shè)計，主要零件的選擇，重要部位受力分析，強度校核。 </p><p>　　控制部分的設(shè)計主要是電氣原理圖，氣壓原理圖，PLC外部接線圖，PLC梯形圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)序機械手；氣動

5、驅(qū)動；PLC控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design is the system of automatic process-transfer manipulator in cab welding. The role of the manipulator is being a holding and power

6、plant device in cab’s process-transfer. After the finishing of previous process of cab’s manufacturing, manipulator holds the cab, lifts and rotates it(90 degree), then the manipulator walks transversely to next station-

7、welding station, finally the manipulator falls down to put the cab on the welding station. It ensures the continuity of the whole process and</p><p>　　As it requires prompt action in holding and rotating mov

8、ement, The design proposal of holding part is that pneumatic cylinder drives the link mechanism through rack-duplicate gear</p><p>　　mechanism, then the link mechanism provides power for paws. Analyses the c

9、hange of Transmission-Angle in linkage mechanism. Calculates cylinder diameter, stroke and flow of paw-air cylinder. </p><p>　　The rotating part is that the gear-rack mechanism drives the holding part throug

10、h pneumatic cylinder to execute the rotating movement. The holding part is supported by Self-aligning thrust roller bearings. Designs the rotating-gear, calculates cylinder diameter, stroke and flow of rotating-air cylin

11、der. As the rotating part has large moment of inertia so</p><p>　　the inertia force is buffered by electromagnetic brake. </p><p>　　The movement of lifting and falling is executed by electric h

12、oists. The design in the mechanism of transverse walking references the design of travelling mechanism in crane structure. Motor drives the wheels which drives the whole part to walk transversely through the friction bet

13、ween the wheels and I-beam.</p><p>　　The design of mechanical part contains the design of mechanism, the choice of main components，force analysis of important parts and strength and life checking of the key

14、components.</p><p>　　The design of controlling part contains electricity schematic diagram, pressure system diagram, external wiring diagram of PLC and ladder diagram of PLC.</p><p>　　Keywords:

15、process-transfer manipulator；air pressure driving ;PLC controling朗讀</p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p><b>　　名詞 </b></p><p>　　manufa

16、cture</p><p>　　fabrication</p><p><b>　　yielding</b></p><p><b>　　動詞 </b></p><p><b>　　produce</b></p><p><b>　　outpu

17、t</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractI</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1

18、課題背景及意義1</p><p>　　1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 課題研究的趨勢1</p><p>　　第2章 機械手裝置的介紹1</p><p>　　2.1機械手裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1</p><p>　　2.1.1 夾持部分1</p><p>　

19、　2.1.2 旋轉(zhuǎn)部分1</p><p>　　2.1.3 升降和橫向行走部分1</p><p>　　2.2主要零部件1</p><p>　　第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計與主要零件校核1</p><p>　　3.1 設(shè)計計算1</p><p>　　3.1.1 手爪機構(gòu)設(shè)計計算1</p><p>　

20、　3.1.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算1</p><p>　　3.1.3 升降機構(gòu)和橫向行走設(shè)計計算1</p><p>　　3.2 主要零件校核計算1</p><p>　　3.2.1 手爪承重螺栓強度校核1</p><p>　　3.2.2 上下法蘭連接螺栓強度校核1</p><p>　　3.2.3 電動葫蘆連接螺栓強

21、度校核1</p><p>　　3.2.4 旋轉(zhuǎn)推力調(diào)心滾子軸承壽命計算1</p><p>　　3.2.5 主動鋼輪和被動鋼輪內(nèi)深溝球軸承軸承壽命計算1</p><p>　　3.2.6 主動鋼輪和被動鋼輪內(nèi)心軸校核1</p><p>　　3.2.7 旋轉(zhuǎn)齒輪軸鍵強度校核1</p><p>　　3.2.8 減速器

22、輸出軸與主動鋼輪輸入軸鍵強度校核1</p><p>　　3.2.9 車輪踏面疲勞強度校核1</p><p>　　第4章 控制部分設(shè)計40</p><p>　　4.1 氣壓原理圖40</p><p>　　4.2 電氣原理圖1</p><p>　　4.2.1 輸入/輸出量1</p><p&g

23、t;　　4.2.2 氣缸行程電磁開關(guān)和動作電磁閥圖1</p><p>　　4.2.3 主電路電氣原理圖1</p><p>　　4.2.4 控制電路電氣原理圖1</p><p>　　4.3 PLC控制部分1</p><p>　　4.3.1 輸入量/輸出量地址分配1</p><p>　　4.3.2 PLC外部接線

24、圖1</p><p>　　4.3.3 PLC梯形圖1</p><p><b>　　第5章 結(jié)論1</b></p><p><b>　　參 考 文 獻1</b></p><p><b>　　致 謝1</b></p><p><b>

25、;　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及意義</p><p>　　機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支[1]?？赏ㄟ^編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產(chǎn)率。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完

26、成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[2]。據(jù)資料顯示，目前機械手在我國制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用率已達(dá)到35%，而在歐美等發(fā)達(dá)國家更是達(dá)到了60%-70%。</p><p>　　在汽車制造業(yè)中，各類型的機械手的應(yīng)用更為廣泛，對于汽車制造從傳統(tǒng)的離散型生產(chǎn)到高度流水線式的轉(zhuǎn)變起到了很大的作用[3]。本課題的內(nèi)容是設(shè)計某卡車駕駛室外殼的自動轉(zhuǎn)序機械手。此機械手的作用是作為駕駛室外殼轉(zhuǎn)序的夾持和動力裝置。負(fù)責(zé)夾持駕

27、駛室外殼，提升并旋轉(zhuǎn)。并轉(zhuǎn)到下一個焊接加工工位以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。</p><p>　　1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　經(jīng)過在某大型汽車制造廠的認(rèn)識實習(xí)及參考相關(guān)國內(nèi)外資料，對于此類輔助轉(zhuǎn)序機械手。懸吊、起升及搬運過程多采用機械夾持裝置，動力常采用電動、液壓或氣動。且對此類要求精度不高的機械手沒有太嚴(yán)格的技術(shù)要求。由于對動力的要求不大且動作頻繁的機械手，常采用氣動作為動力源[5

28、]。近20年來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用5。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，

29、國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究[16]。   </p><p>　　1.3 課題研究的趨勢</p><p>　　由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作[16]。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣

30、動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等[16]。</p><p>　　第2章 機械手裝置的介紹</p><p>　　2.1機械手裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　此機械手的動作要求為夾持、旋轉(zhuǎn)、升降和橫向行走四個動作。此四個動作沒有相對密切的聯(lián)系。所以基本思路是分別設(shè)計四個動作對應(yīng)的機構(gòu)，機構(gòu)

31、設(shè)計完成后再將四個部分有機地結(jié)合。</p><p>　　2.1.1 夾持部分</p><p>　　夾持部分的作用是主要作用是垂直懸吊駕駛室，夾持部分由兩組聯(lián)動手爪負(fù)責(zé)，每組手爪有兩只勾手。手爪的開合動作由齒輪齒條通過連桿機構(gòu)驅(qū)動，動力由氣缸通過齒輪齒條機構(gòu)提供，在此機構(gòu)中僅有手爪開合的起停影響，慣性力不大，由氣缸本身的緩沖部分負(fù)責(zé)。整體機構(gòu)簡圖如圖2-1.</p><p

32、>　　圖2-1 夾持部分機構(gòu)簡圖</p><p>　　2.1.2 旋轉(zhuǎn)部分</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用是待夾持機構(gòu)夾持并提升駕駛室后將夾持機構(gòu)連同駕駛室整體旋轉(zhuǎn)90度，旋轉(zhuǎn)的時間要求為3秒，動作迅速。夾持機構(gòu)通過連接桿與齒輪相連，連接桿通過調(diào)心推力滾子軸承固定在支板上。旋轉(zhuǎn)過程中的阻力為整體夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的慣性力和推力球軸承滾珠的滾動摩擦力 ，整體阻力不大。故也采用氣缸通過齒條

33、驅(qū)動齒輪，齒輪通過鍵連接驅(qū)動夾緊機構(gòu)和駕駛室旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　由于旋轉(zhuǎn)完成后慣性力矩較大，在旋轉(zhuǎn)軸上部由電磁制動器制動。旋轉(zhuǎn)時支板需要通過卡緊裝置固定。整體機構(gòu)簡圖如圖2-2</p><p>　　圖2-2 旋轉(zhuǎn)部分機構(gòu)簡圖</p><p>　　2.1.3 升降和橫向行走部分</p><p>　　升降機構(gòu)是待夾持機構(gòu)夾持完畢后，負(fù)責(zé)

34、起吊以及下放駕駛室。橫向行走機構(gòu)負(fù)責(zé)整個機械手裝置的水平移動。升降機構(gòu)由安裝在橫向行走機構(gòu)上的一對電動葫蘆實現(xiàn)，安全可靠。橫向行走裝置的設(shè)計參照了起重機的行走小車結(jié)構(gòu)的設(shè)計。橫向行走機構(gòu)由電機、減速器、車輪和工字鋼等主要部件組成。整個機構(gòu)的所有承重通過一對主動車輪和一對被動車輪臥在工字鋼橫梁上平衡。電機通過減速器驅(qū)動主動車輪，通過車輪與工字鋼之間的踏面摩擦力帶動整個機構(gòu)平行走動。行走完畢后的慣性力制動由電機（錐形制動電動機）的制動部分完

35、成。整個升降機構(gòu)和橫向行走機構(gòu)如下圖 2-3所示。 </p><p>　　圖2-3 升降機構(gòu)和橫向行走機構(gòu)簡圖</p><p><b>　　2.2主要零部件</b></p><p>　?。?）SMC氣缸×2</p><p>　　兩個氣缸，分別為手爪開合和機械手旋轉(zhuǎn)提供動力。</p><p

36、>　?。?）TJ2A交流電磁制動器×1</p><p>　　電磁制動器為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)提供制動力矩。</p><p>　　（3）齒輪齒條；齒輪×2；齒條×4</p><p>　　齒輪齒條機構(gòu)為手爪開合和機械手旋轉(zhuǎn)傳遞動力</p><p>　?。?）KITO電動葫蘆×2</p><p&

37、gt;　　電動葫蘆為升降機構(gòu)提供動力，安全可靠。</p><p>　　（5）熱軋工字鋼×1</p><p>　　工字鋼作為橫向行走機構(gòu)的支承和踏面</p><p>　?。?）CM電動葫蘆用鋼輪（主動）×2</p><p>　　與工字鋼踏面產(chǎn)生摩擦，作為支承，傳遞行走力矩。</p><p>　　（7）

38、CM電動葫蘆用鋼輪（被動）×2</p><p><b>　　作為支承和平衡用。</b></p><p>　?。?）YREZ起重用錐形繞線轉(zhuǎn)子制動電動機×1</p><p>　　提供行走力矩和制動力矩</p><p>　　（9）CW型圓弧圓柱蝸桿減速器</p><p>　　由于主

39、動輪所需轉(zhuǎn)速不大，需要減速。而初步估算減速比i在10以上，故選用結(jié)構(gòu)緊湊的圓弧圓柱蝸桿減速器。</p><p>　　（10 推力調(diào)心滾子軸承</p><p>　　由于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)部位主要承受垂直向下的軸向力，也承受旋轉(zhuǎn)齒輪的徑向力。所以采用以承受軸向力為主、亦可以承受軸向力55％的的徑向力的推力調(diào)心滾子軸承。</p><p><b>　?。?1深溝球軸承

40、</b></p><p>　　用于行走機構(gòu)的鋼輪軸。</p><p>　　第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計與主要零件校核</p><p><b>　　3.1 設(shè)計計算</b></p><p>　　3.1.1 手爪機構(gòu)設(shè)計計算</p><p>　　（1）.手爪為鑄造手爪。結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示：</

41、p><p><b>　　圖3-1 手爪結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?。?）.手抓擺動角度計算</p><p>　　手爪的行程要求為150mm，將手爪主要尺寸簡化就可計算出手爪擺角θ，如下公式及圖。</p><p>　　(3-1) </p><p>　　圖3-2 手爪擺角計

42、算圖</p><p>　　（3）手爪連桿機構(gòu)各轉(zhuǎn)動副壓力角與傳動角計算。</p><p>　　將整個手爪連桿機構(gòu)主要尺寸簡化成幾何模型（如圖3-3），已知擺角θ=34.65°手爪的初始角度為50°。將θ設(shè)為變量。根據(jù)中間幾何數(shù)據(jù)即可計算在手爪擺動整個過程中各個轉(zhuǎn)動副的壓力角和傳動角的變化情況。計算過程如下：</p><p>　　V=108

43、5;sin(50-θ) (3-2)</p><p>　　ΔV=82.5-V (3-3)</p><p>　　H1= (3-4)</p><p>　　H2=108×cos(50-θ) (3-5)</p&

44、gt;<p>　　ΔH2=H2-70 (3-6)</p><p>　　ΔH1=H1+ΔH2-259.6 (3-7)</p><p>　　H3=70+259.6+ΔH1 (3-8)</p><p>　　G=

45、 (3-9)</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　所以手爪與連桿轉(zhuǎn)動副的壓力角(°)： α1=θ1-90 (3-12)</p><p>　　手爪與連桿轉(zhuǎn)動

46、副的壓力角(°)： γ1=180-θ1 (3-13)</p><p>　　所以連桿與滑動桿轉(zhuǎn)動副的壓力角(°)： α2=θ2 (3-14)</p><p>　　由以上幾個公式可以看出，曲柄連桿轉(zhuǎn)動副和連桿滑塊轉(zhuǎn)動副的壓力角是手爪擺動角θ的函數(shù)。曲柄連桿轉(zhuǎn)動副的傳動角隨著手爪打開而減小，而連桿

47、滑塊轉(zhuǎn)動副的傳動角隨著手爪打開而增大。在機構(gòu)運動過程中，傳動角γ的大小一般是變化的，為了保證機構(gòu)傳力性能良好，應(yīng)使γmin≥40°~50°，對于一些受力很小或不經(jīng)常使用的操縱機構(gòu)，則可允許傳動角小些，只要不發(fā)生自鎖即可[1]。為了詳細(xì)了解在手爪擺動過程中各轉(zhuǎn)動副傳動角的變化情況，可以將手爪擺動角θ設(shè)置為變量，把手爪擺動角度的初始值和終止值設(shè)置為邊界值，把各個轉(zhuǎn)動副的傳動角γ作為目標(biāo)函數(shù)，用循環(huán)語句編程，采用窮舉法逐一

48、計算各個θ下的γ值，并可以利用繪圖功能會出傳動角γ的變化情況。</p><p>　　連桿與滑動桿轉(zhuǎn)動副的壓力角(°)：γ2=90-α2 (3-15)</p><p>　　圖3-3 手爪連桿機構(gòu)個轉(zhuǎn)動副壓力角及傳動角幾何模型</p><p>　　為了計算出在手爪擺動過程中個轉(zhuǎn)動副壓力角及傳動角變化情況，將各個計算公式編成M

49、文件，在Matlab環(huán)境下計算。過程如下：</p><p>　　設(shè)擺角θ為變量，曲柄連桿轉(zhuǎn)動副（手爪與連桿轉(zhuǎn)動副）及連桿滑塊轉(zhuǎn)動副（連桿與滑動桿轉(zhuǎn)動副）兩個轉(zhuǎn)動副的壓力角和傳動角為目標(biāo)值。θ變量為[0,34.65°]換算成弧度為[0,0.6144]。</p><p><b>　　M文件如下：</b></p><p>　　%Title(

50、連桿機構(gòu)壓力角和傳動角)</p><p>　　I=0; </p><p>　　for theta=0:0.0005:0.6144; %手爪轉(zhuǎn)動角變量</p><p><b>　　I=I+1;</b></p><p>　　V(I)=10

51、8*sin(50*pi/180-theta); %</p><p>　　dtV(I)=82.733-V(I);</p><p>　　H1(I)=sqrt(300^2-(67.5+V(I))^2);</p><p>　　H2(I)=108*cos(50*pi/180-theta);</p><p>

52、;　　dtH2(I)=H2(I)-70;</p><p>　　dtH1(I)=H1(I)+dtH2(I)-259.6;</p><p>　　H3(I)=70+259.6+dtH1(I);</p><p>　　G(I)=sqrt(67.5^2+H3(I)^2);</p><p>　　theta1(I)=acos((108^2+300^2-G(I

53、)^2)/(2*108*300)); %曲柄與連桿夾角11</p><p>　　alfa1(I)=theta1(I)*180/pi-90; %曲柄連桿轉(zhuǎn)動副壓力角11</p><p>　　gama1(I)=90-alfa1(I); %曲柄連桿轉(zhuǎn)動副傳動角11</p><p>　　theta2

54、(I)=atan((V(I)+67.5)/H1(I)); %連桿滑塊夾角22</p><p>　　alfa2(I)=theta2(I)*180/pi; %連桿滑塊轉(zhuǎn)動副壓力角22</p><p>　　gama2(I)=90-alfa2(I); %連桿滑塊轉(zhuǎn)動副傳動角22</p>

55、<p><b>　　end</b></p><p>　　n=length(gama1); %計算步數(shù)</p><p>　　l=150; %手爪行程</p><p>　　dtl=l/(n-1);

56、 %手爪步長</p><p><b>　　J=0;</b></p><p>　　for ll=0:dtl:150;</p><p><b>　　J=J+1;</b></p><p><b>　　lx(J)=ll;</b>

57、</p><p><b>　　end</b></p><p>　　plot(lx,alfa1,'r.');</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　plot(lx,gama1,'b.');</p><p><

58、;b>　　grid on</b></p><p>　　title('曲柄連桿旋轉(zhuǎn)副壓力角和傳動角變化（紅色-壓力角α-傳動角γ'))</p><p>　　xlabel('手爪行程(mm)')</p><p>　　ylabel('角度(°)')</p><p><

59、b>　　完</b></p><p>　　以上是曲柄連桿旋轉(zhuǎn)副壓力角和傳動角變化的M文件，而連桿滑塊轉(zhuǎn)動副壓力角和傳動角變化的M文件與上述相似，只是將計算角度的公式替換成3-14和3-15。</p><p>　　計算生成的圖片如圖3-4和圖3-5所示，從兩張計算圖片可以看出：曲柄連桿旋轉(zhuǎn)的傳動角γ1在手爪開啟過程中從80°線性下降到34°。雖然在末尾傳動

60、角γ1小于40°但由于旋轉(zhuǎn)副主要傳遞運動，沒有達(dá)到自鎖角度，所以滿足要求。連桿滑塊轉(zhuǎn)動副的傳動角γ2在手爪開啟過程中從60°線性上升到72°滿足傳動性能要求。</p><p>　　圖3-4 曲柄連桿旋轉(zhuǎn)副壓力角和傳動角變化</p><p>　　圖3-5連桿滑塊轉(zhuǎn)動副壓力角和傳動角變化</p><p>　　4.手爪開合氣缸選擇</p

61、><p>　?。?）氣缸缸徑選擇。</p><p>　　4個手爪負(fù)責(zé)懸吊駕駛室和為駕駛室的旋轉(zhuǎn)傳遞動力。懸吊時不需要氣缸提供力，而旋轉(zhuǎn)時需要氣缸提供靜力。駕駛室的總重量為200Kg，垂直截面尺寸為2100×2100.在其旋轉(zhuǎn)過程中等效為質(zhì)量為200Kg，半徑為1000的圓盤。則其轉(zhuǎn)動慣量為</p><p><b>　　(3-16)</b>

62、</p><p>　　駕駛室旋轉(zhuǎn)90°的時間要求為3s。把整個旋轉(zhuǎn)過程等效為勻加速過程</p><p><b>　　如圖3-6所示</b></p><p>　　圖3-6 旋轉(zhuǎn)過程等效圖</p><p>　　所以角加速度α 滿足：</p><p><b>　　(3-17)<

63、/b></p><p><b>　　所以角加速度α：</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　所以手爪需要傳遞的旋轉(zhuǎn)力矩M為:</p><p>　　M=Jα=100×0.3498=34.98N·m (3-19) &

64、lt;/p><p>　　而四個手爪在旋轉(zhuǎn)過程中對駕駛室的力等效為兩圓周力。如圖3-7所示</p><p>　　圖3-7 手爪施力圖</p><p>　　在旋轉(zhuǎn)過程僅有一對力對駕駛室傳遞旋轉(zhuǎn)力矩。手爪力臂l為：</p><p>　　l=980/2=490 (3-20)</p><p&g

65、t;<b>　　所以手爪橫向受力</b></p><p>　　N (3-21)</p><p>　　再分析連桿機構(gòu)的力傳遞幾何模型，如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 手爪受力分析圖</p><p><b>　　由圖分析可得：</b></p>

66、<p>　　F1=F/cos(40) (3-22)</p><p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　F3=F2 (3-24)</p><p>　　F4=F3/cos(30) (3-

67、25)</p><p><b>　　綜上所述有：</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　手爪由氣缸通過雙聯(lián)齒輪，再通過齒條帶動。而雙聯(lián)齒輪齒數(shù)相同，所以手爪需要的力與氣缸提供的力相同。對于氣缸力：(F4:氣缸力；p：氣壓 (0.5MPa)；d：缸徑)</p><

68、;p>　　N </p><p>　　所以就得氣缸的直徑d：</p><p>　　mm </p><p>　　考慮機構(gòu)的各處摩擦和齒輪滑動摩擦，取d=40。 </p><p><b>　?。?）氣缸行程選擇</b></p><

69、p>　　氣缸通過雙聯(lián)齒輪帶動手爪運動，而雙聯(lián)齒輪的齒數(shù)相同，所以手爪所需要的行程就是氣缸的行程。根據(jù)圖3-3可得，ΔH1的最大值即為氣缸行程。在上面計算各個轉(zhuǎn)動副壓力角的Matlab程序中，找到ΔH1對應(yīng)的變量dtH1(I)最終值為73.4。對應(yīng)SMC氣缸選型手冊。選擇行程為：</p><p>　　l=75 </p><p>　　至此

70、，手爪開合氣缸缸徑為Φ40，行程為75。對應(yīng)SMC氣缸選型手冊，最終氣缸型號為：CDA2L-40-75-Y7BW3.</p><p><b>　　型號代號含義如下：</b></p><p><b>　　D：帶有磁環(huán)。</b></p><p>　　L：安裝方式為軸向腳座型。</p><p><b

71、>　　40：缸徑。</b></p><p><b>　　75：行程。</b></p><p>　　Y7BW：磁性開關(guān)型號。</p><p><b>　　3：磁性開關(guān)個數(shù)。</b></p><p>　　(3)氣缸所需流量計算</p><p>　　已知氣缸的缸徑

72、d和行程l，要求手爪開合時間為2s，所以氣缸所需流量為：</p><p>　　3.1.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計計算</p><p><b>　　1 旋轉(zhuǎn)力矩計算</b></p><p>　　整個夾持機構(gòu)連同駕駛室的整體轉(zhuǎn)動慣量計算：駕駛室的質(zhì)量為200Kg，整個夾持機構(gòu)的齒輪、齒條、支座、手爪等零件在UG NX7.5環(huán)境下模擬計算質(zhì)量約為100Kg。將

73、整體等效為質(zhì)量為300Kg、半徑為1000的圓柱。所以等效圓柱的轉(zhuǎn)動慣量：</p><p>　　又由圖3-6和式3-18已知角加速度α=0.3489rad/s2所以整個旋轉(zhuǎn)力矩為：</p><p>　　M=Jα=150×0.3489=52.335 N·m (3-27)</p><p>　　2 連接桿最小軸頸設(shè)計<

74、;/p><p>　　連接桿的最小軸頸處既承受周期旋轉(zhuǎn)力矩又承受周期的垂直向下的拉力，先按扭轉(zhuǎn)強度設(shè)計，再按靜強度校核。按扭轉(zhuǎn)強度條件扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τT滿足：</p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　　連接桿材料為45鋼，所以有：</p><p><b>　　(3-29)</b>&

75、lt;/p><p><b>　　(3-30)</b></p><p><b>　　取d=50。</b></p><p>　　按拉伸強度校核，有拉應(yīng)力</p><p><b>　　(3-31)</b></p><p><b>　　滿足強度要求<

76、/b></p><p>　　3 連接桿推力調(diào)心滾子軸承軸承選擇</p><p>　　連接桿最小軸頸d=50，由于連接桿的下端需要連接法蘭盤與夾持機構(gòu)相連，考慮法蘭連接螺栓沉頭座的因素，法蘭盤的直徑：</p><p>　　d1=130 (3-32)</p><p>　　圖3-9 軸承及最小

77、軸頸</p><p>　　而連接桿的法蘭盤需要穿過推力調(diào)心滾子軸承的內(nèi)圈（如圖3-9），所以選擇推力調(diào)心滾子軸承的內(nèi)圈直徑</p><p>　　da=140 (3-33)</p><p>　　所以推力調(diào)心滾子軸承的型號為2928。</p><p>　　4 旋轉(zhuǎn)齒輪及齒條設(shè)計</p>

78、<p>　　旋轉(zhuǎn)齒輪收到的阻力矩為夾持機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)力矩及夾持機構(gòu)對推力調(diào)心滾子軸承的摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩。查滾動軸承摩擦系數(shù)表可知推力調(diào)心滾子軸承的摩擦系數(shù)約為f=0.002。所以摩擦阻力矩M1為(F:垂直力；r：軸承平均半徑)：</p><p>　　M1=2*F*f*r=2*2.94*0.002*150=1.7649N·m (3-34)</p><p&g

79、t;　　所以總的阻力矩(M:夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)力矩)：</p><p>　　M´=M+M1=52.335+1.7649=54.1N·m (3-35)</p><p>　　齒輪連接軸有一個鍵，需要在最小直徑d的基礎(chǔ)上增加6％，取齒輪連接軸直徑d1為： </p><p>　　d1=1.06×50=53

80、 (3-36) </p><p><b>　　取d1=55。</b></p><p>　　由于齒輪中心孔邊緣距離齒根不能太小，所以齒輪的齒數(shù)z滿足：</p><p>　　mz≥d1+2m (3-37)</p><p><b>　　初取

81、m=2，則有：</b></p><p>　　z≥30 (3-38) </p><p>　　又因為齒數(shù)太小對旋轉(zhuǎn)氣缸的缸徑要求較大，經(jīng)大致計算，初選</p><p>　　z=90 (3-39)</p><p>　　按齒根彎曲疲

82、勞強度計算模數(shù)m</p><p><b>　　(3-40)</b></p><p>　　初取K=1.3、=1；T1= M´=54.1 N·m=54100 N·mm；z初取90；</p><p><b>　　(3-41) </b></p><p>　　取應(yīng)力循環(huán)影響系數(shù)K

83、FN=1，查表可得45調(diào)質(zhì)鋼彎曲疲勞強度極σFE=380MPa,取安全系數(shù)S=1.4,則：</p><p>　　= (3-42) </p><p>　　又查表得：齒形系數(shù)YFa= 2.2；應(yīng)力矯正系數(shù)YSa=1.78。所以：</p><p><b>　　(3-43)</b></p><p><b

84、>　　由于m不小于2，取</b></p><p><b>　　齒輪m=2；</b></p><p><b>　　b=20</b></p><p>　　z=90(修正結(jié)果參看下一部分的3-52)</p><p><b>　　齒條m=2</b></p>

85、<p><b>　　b=20</b></p><p>　　z1=63 (3-44)</p><p><b>　　5 氣缸選擇</b></p><p><b>　?。?）缸徑選擇</b></p><p>　　由式3

86、-35已知總阻力矩M´=54.1 N·m，已知齒輪m=2；z=90。則分度圓直徑</p><p>　　d=mz=180 (3-45) </p><p><b>　　所需要的圓周力為:</b></p><p><b>　　(3-46)</b></p>

87、<p>　　圓周力由氣缸通過齒條直接提供，所以氣對于氣缸力：(F4:氣缸力；p：氣壓 (0.5MPa)；d：缸徑)</p><p>　　F4=F (3-47)</p><p><b>　　由式3-23可得：</b></p><p><b>　　(3-48)</b

88、></p><p>　　結(jié)合SMC氣缸選型手冊，選取缸徑： </p><p>　　d=80 (3-49)</p><p><b>　?。?）氣缸行程選擇</b></p><p>　　氣缸通過齒條直接驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，所以齒輪需要的圓周行程就是氣缸的行程，由3-

89、44可知，齒輪m=2,z=90。旋轉(zhuǎn)角度為90°所以，齒輪的圓周行程</p><p><b>　　(3-50)</b></p><p>　　對應(yīng)SMC氣缸選型手冊，缸徑d=80的氣缸系列對應(yīng)141.3最接近的行程是150，與141.3相差較大，將L=150代入3-48式求出z的圓整數(shù)為：</p><p>　　z11=95；z22=96

90、 (3-51)</p><p>　　對應(yīng)的理論需求行程為：</p><p><b>　　(3-52)</b></p><p><b>　　(3-53)</b></p><p>　　由3-50和3-51比較，選取與氣缸實際行程相差最小的對應(yīng)的齒數(shù)，所以修

91、正旋轉(zhuǎn)齒輪的齒數(shù)為：</p><p>　　z=96 (3-54)</p><p>　　至此，氣缸的缸徑d=80,行程L=150,對應(yīng)SMC氣缸選型手冊，所以最終型號為：CDA2L-80-150-Y7LBW3。符號含義參看3.1.1章節(jié)第4部分氣缸型號參 數(shù)含義。</p><p>　?。?）氣缸所需流量計算&l

92、t;/p><p>　　已知氣缸的缸徑d和行程l，要求旋轉(zhuǎn)時間為3s，所以氣缸所需流量為：</p><p><b>　　(3-55)</b></p><p><b>　　6 制動器選擇 </b></p><p>　　選擇制動器的類型為TJ2A型交流電磁制動器。由式3-34可知，制動力矩為M´=5

93、4.1 N·m，對應(yīng)TJ2A型交流電磁制動器系列參數(shù)，選擇制動器的型號為TJ2A-100，制動力矩為200 N·m。</p><p>　　7緩沖蝶形彈簧初選為D=63</p><p>　　3.1.3 升降機構(gòu)和橫向行走設(shè)計計算</p><p><b>　　1 升降機構(gòu)</b></p><p>　　升降

94、動作通過一對電動葫蘆實現(xiàn)，在UG NX7.5環(huán)境下通過模型計算出的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)總重量約為100Kg；夾持機構(gòu)的總重量約為50Kg。駕駛室總重量為200Kg。所以電動葫蘆升降重量約為：</p><p>　　G=200+100+100=350Kg (3-56) </p><p>　　要求升降速度為8 m/s 。選擇電動葫蘆的型號為KITO，對應(yīng)選型手冊，選擇電

95、動葫蘆的型號為：ER003H。額定起重量為250Kg。升降速度為8 m/s。</p><p>　　2 橫向行走機構(gòu)設(shè)計</p><p>　　（1）CD電動葫蘆鋼輪選擇 </p><p>　　橫向行走機構(gòu)的設(shè)計參照了起重機的小車運行部分的設(shè)計，機構(gòu)如2-3所示，初選電動機、減速器加上其他配件估算后，整體機構(gòu)的重量不會超過1t，所以選取主動鋼輪的外徑D=113.5

96、的型號。</p><p>　?。?）電動機初步選擇</p><p>　　電動機選擇為YREZ系列起重用錐形繞線轉(zhuǎn)子制動電動機。根據(jù)CW圓柱蝸桿減速器標(biāo)準(zhǔn)減速比系列及車輪行走速度要求，初步選擇轉(zhuǎn)速為n=720 r/min的型號，功率P待定。</p><p>　?。?）減速器減速比選擇及輸入齒輪齒數(shù)確定</p><p>　　要求車輪的行走速度為v

97、=20 m/min，又已知主動車輪外徑D=113.5，所以主動車輪的轉(zhuǎn)速n´滿足：</p><p>　　πn´D=v (3-57)</p><p><b>　　所以n´為：</b></p><p>　　n´=v/(πD)=20/(3.14×0.113

98、5)=56.11 r/min (3-58)</p><p><b>　　所以減速比為</b></p><p>　　i=n/ n´=720/56.11=12.8319 (3-59) </p><p>　　對應(yīng)CW圓柱蝸桿減速器減速比標(biāo)準(zhǔn)系列，選擇減速比</p><p>　

99、　i1=12.5 (3-60)</p><p>　　理論所需減速比與CW圓柱蝸桿減速器提供的減速比之差由主公鋼輪齒輪與輸入齒輪之間的傳動比彌補（如圖3-10）。已知減速器i=12.5。則輸入齒輪與主動鋼輪齒輪之間的傳動比i2為：</p><p>　　i2=i/ i1=12.8319/12.5=1.02655 (3-

100、61)</p><p>　　已知主公鋼輪的模數(shù)m=3,齒數(shù)z=53。所以輸入齒輪的齒數(shù)</p><p>　　z1= i2×z=1.02655×53=54.4 (3-62)</p><p><b>　　取z1=54</b></p><p>　　圖3-10 減速比配置簡

101、圖</p><p>　　（4） 電動機功率選擇</p><p>　　電動機的功率根據(jù)橫行運行時所受到的阻力計算。整體機構(gòu)各個部件的重量如下表3-1：（標(biāo)準(zhǔn)件的重量為查表獲得，非標(biāo)準(zhǔn)件在 UG NX7.5環(huán)境下模擬計算。</p><p>　　表3-1各機構(gòu)質(zhì)量表</p><p>　　由上表可計算出整個機構(gòu)作用在主動輪上的質(zhì)量G和力F為：<

102、/p><p>　　G=200+100+50+38×2+58+20+40=506Kg (3-63)</p><p>　　F=G×9.8=506×9.8=4958.8 N (3-64)</p><p>　　車輪行走過程中只有直線阻力，不考慮彎道阻力和風(fēng)載荷。則直線阻力：</p><p

103、><b>　　(3-65) </b></p><p>　　式3-61中的個參數(shù)含義如下： </p><p>　　Pm： 車輪運行直線阻力（N）</p><p>　　PQ： 起升載荷（N）</p><p>　　PG1：支撐鋼輪結(jié)構(gòu)各附件自重（N）。</p><p>　　Cf： 車輪輪緣與軌道側(cè)

104、面或牽引電纜及繼電器產(chǎn)生的附加摩擦阻力系數(shù)，雙邊驅(qū)動時Cf=2.0</p><p>　　u：車輪軸承摩擦阻力系數(shù)，u=0.015</p><p>　　d：車輪軸徑，d=25</p><p>　　f：摩擦力臂，采用鋼制車輪時f=0.3mm。</p><p>　　D：車輪工作直徑（外徑）,D=113.5</p><p>&

105、lt;b>　　又因為：</b></p><p>　　PQ+ PG1=F (3-65)</p><p><b>　　所以有：</b></p><p><b>　　N (3-66)</b></p><p>　　車輪運行的坡道阻力為：&l

106、t;/p><p>　　PP=0.005×( PQ+ PG1)=0.005×4958.8=24.794N (3-67)</p><p>　　已知主動輪的運行速度v=20 m/min，所以主動輪需要的功率P滿足：</p><p>　　P= (Pm+ PP) v/1000=(105.97+24.794)×20/60/1000=0.

107、044kW (3-68)</p><p><b>　　電動機的功率為：</b></p><p><b>　　(3-69)</b></p><p>　　主動輪由一臺電動機驅(qū)動，所以m=1?？紤]到減速器、聯(lián)軸器等中間連接機構(gòu)的功率損失，取傳動機構(gòu)的效率η=0.9，安全系數(shù)S=1.2，所以：</p><

108、;p>　　P1=1.2×0.044/(0.9×1)=0.058 kW (3-70)</p><p>　　對應(yīng)n=720r/min轉(zhuǎn)速的YREZ系列起重用錐形繞線轉(zhuǎn)子制動電動機選型表，選擇功率P´=0.06 kW。</p><p>　?。?）CW型圓柱蝸桿減速器選擇</p><p>　　根據(jù)減速器傳遞的

109、功率，選擇中心距a=63型號。</p><p>　　3.2 主要零件校核計算</p><p>　　3.2.1 手爪承重螺栓強度校核</p><p>　　手爪承重螺栓為M16,主要承受垂直向下的剪力F。如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 手爪承重螺栓受力</p><p>　　承重絞制螺栓的性能等級為3.6

110、，屈服點σS=180MPa,則螺栓的變載荷許用切應(yīng)力：</p><p>　　τP=σS/4=45MPa (3-71)</p><p>　　四個手爪承重駕駛室的重力，已知駕駛室的重量為G=200Kg×9.8=1960N，取受力不均勻系數(shù)S=2,所以手爪承重螺栓受到的剪力F和剪應(yīng)力τ為：</p><p>　　F=SG/4

111、=980N (3-72)</p><p>　　τ=4F/(πd2)=4×980/(3.14×162)=4.88MPa≤ τP (3-73)</p><p>　　手爪承重螺栓剪切強度合格。</p><p>　　3.2.2 上下法蘭連接螺栓強度校核</p><p>　　

112、上下法蘭連接螺栓受軸向拉力，由于法蘭需要傳遞旋轉(zhuǎn)力矩，所以螺栓預(yù)緊力作用的摩擦力矩應(yīng)滿足力旋轉(zhuǎn)力矩要求,如圖3-12.</p><p>　　圖3-12 上下法蘭螺栓受力</p><p>　　所以螺栓的預(yù)緊力F0為：</p><p><b>　　(3-74)</b></p><p>　　式3-71中防滑系數(shù)KS取1.2；力

113、矩T由式3-35可知為54.1 N·m連接接合面摩擦系數(shù)f=0.13（干燥的鋼表面）；r∑力臂和為6×0.04=0.24。所以：</p><p>　　=2080.76N (3-75)</p><p>　　所以螺栓需要的預(yù)緊力矩T1為：</p><p>　　T1=0.2F0d=0.2×2080.76×0

114、.012=4.99N·m (3-76)</p><p>　　螺栓受到的軸向力為夾持機構(gòu)和駕駛室的重量，軸向力F為：</p><p>　　F=300×9.8/6=490N (3-77)</p><p>　　螺栓受到的最大拉力F´為：</p><p>　　F2=

115、 (3-78)</p><p>　　相對剛度系數(shù)CL/( CL+CF)=0.25，則有：</p><p>　　F2= = 2080.76+490×0.25=2203.26N (3-79)</p><p>　　螺栓的屈服點σS=180MPa則許用拉應(yīng)力：</p><p>　　σP=σS/1.5=

116、120MPa (3-80)</p><p>　　螺栓的最大應(yīng)力σ1為：</p><p>　　σ1===25 MPa ≤σP (3-81)</p><p><b>　　螺栓強度合格。 </b></p><p>　　3.2.3 電動葫蘆連接螺栓強度校核</p

117、><p>　　兩臺電動葫蘆吊板上共12個M12連接螺栓承受了夾持機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、駕駛室和電動葫蘆本身的重力。由表3-1可知，每個螺栓的軸向拉力F為：</p><p>　　F=9.8×(200+100+50+2×38)/12=347.9N (3-82)</p><p>　　由式3-77已知螺栓的許用拉應(yīng)力σP=120MPa則螺栓最

118、大拉應(yīng)力</p><p>　　σ1===4 MPa ≤σP (3-83) </p><p><b>　　螺栓強度合格。</b></p><p>　　3.2.4 旋轉(zhuǎn)推力調(diào)心滾子軸承壽命計算</p><p>　　推力調(diào)心滾子軸承主要收到兩個力：垂直向下的軸向力Fa和旋轉(zhuǎn)齒輪施加的徑向力Fr，如圖3-13所

119、示：</p><p>　　圖3-13 推力調(diào)心滾子軸承受力圖</p><p>　　軸向力Fa為夾持機構(gòu)和駕駛室的重量:</p><p>　　Fa=300×9.8=2940N (3-84)</p><p>　　由式3-47可知齒輪的圓周力Ft=571.11N,齒輪壓力角α=20°則徑向

120、力</p><p>　　Fr=Fttanα=571.11×tan20=207.87N (3-85)</p><p>　　軸承的當(dāng)量動載荷P為：</p><p>　　P=fp(XFr+Y Fa) (3-86)</p><p>　　上式中，考慮中等沖擊，取載荷系數(shù)fp=

121、1.5；查軸承手冊得徑向當(dāng)量動載荷系數(shù)X=1.2，軸向當(dāng)量動載荷系數(shù)Y=1。所以軸承的當(dāng)量動載荷為：</p><p>　　P=fp(X Fr+Y Fa)=1.5×(1.2×207.87+2940)=4784.16N=4.78kN (3-87)</p><p>　　查軸承手冊，得軸承的基本額定動載荷：</p><p>　　Ca=319kN

122、 (3-88)</p><p><b>　　軸承轉(zhuǎn)速n為：</b></p><p>　　n=60×0.25/3=5 r/min (3-89)</p><p>　　軸承的壽命系數(shù)ε=10/3，所以軸承的壽命Lh（小時）為：</p><p&g

123、t;　　Lh= ==4×109 (3-90)</p><p><b>　　滿足壽命要求。</b></p><p>　　3.2.5 主動鋼輪和被動鋼輪內(nèi)深溝球軸承軸承壽命計算</p><p>　　主動鋼輪和被動鋼輪內(nèi)的深溝球軸承主要受垂直徑向力F，如圖3-14。整個機構(gòu)的重量由四個鋼輪內(nèi)的四根心軸承受，心軸與軸