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1、-基于Solidworks的抓物机器车机构设计及运动仿真毕业设计(论文)-第 22 页编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： 基于Solidworks的抓物机 器车机构设计及运动仿真 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明
2、确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文
3、的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）
4、中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字
5、书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要很多地方是我们人类没法进去的，因为其中的一些东西已经对我们造成了生命的威胁，但我们又有必须进去的理由。在这种场合下，机械就能为我们解决这些问题，因为它可以代替我们进行一些危险操作，用来取代人力来工作。我们设计的抓物机器车是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种将机械手和搬运车联系为一体的产品。使其能抓物运动，可以在地形复杂或恶劣、危险的环
6、境里替人完成物体的搬运或者障碍的清除等工作。抓物机器车的设计主要是通过无线通信来控制小车的前进、后退或者转弯，并由螺杆转动，带动螺杆上的螺母上下移动，再通过连杆结构实现抓爪的闭合，从而实现抓物动作。丝杆竖直放置，转臂固定在丝杆螺母上，步进电机带动丝杆旋转，螺母会上下移动，转臂也会上下移动，也就是机械手上下移动，满足了机械手降下抓物，升高移动物体的情况。机械手的转动，在由齿轮带动固定丝杆的中间件转动而实现的。关键词：机器车；抓物；丝杆AbstractMany things that we humans can not go , because some of these things have
7、been a threat to our life , but the reason we have to go in there . In this case , our machinery will be able to solve these problems. Because it can replace us doing some dangerous operation , to replace manpower to work. Because it can replace us some dangerous operation, to replace manpower to wo
8、rk. We have designed the Grasping machine car that developed in the mechanization and automation of the production process and the robot van combined into one product. So that it can catch things exercise can help people complete the removal of an object or obstacle clearance work in complex terrain
9、 or harsh, dangerous environment.Grasping machine car designed primarily controlled by a wireless communication car forward, backward, or turn. by the screw rotates, driven to move up and down the screw on the nut, and then realize gripper closure through the link structure to realize grasping objec
10、ts actions . Screw placed vertically, and the arm is fixed on screw nut, stepper motor driven rotary screw, nut meeting next move, the arm will move up and down, which is under the robot moves down to meet the robot grasping objects, elevated movement of the object. Turn the robot, driven by fixed-g
11、ear screw rotation middlewareimplementation. Key words: machine car; grasping objects; screw目 录_Toc389080073引言21 设计方案21.1 设计内容21.2 设计目的21.3 方案的选择22 机械手的设计22.1 抓手结构的设计22.2 爪片的设计22.3 螺杆的设计22.3.1确定螺纹中径22.3.2螺杆的强度计算22.3.3螺母螺纹牙的强度计算22.4 连杆盘的设计22.5 套筒的设计22.5.1套筒的尺寸22.5.2螺栓的选择22.5.3螺纹连接的防松错误！未定义书签。3 转臂的设计错
12、误！未定义书签。3.1 受力分析错误！未定义书签。3.2 转臂的尺寸计算错误！未定义书签。3.3 螺栓的设计错误！未定义书签。3.3.1螺栓组结构设计错误！未定义书签。3.3.2螺栓受力分析错误！未定义书签。4 滑动丝杆的设计错误！未定义书签。4.1 螺纹牙型的选择错误！未定义书签。4.2 螺距选择错误！未定义书签。4.3 丝杆直径的确定错误！未定义书签。4.4 螺杆的强度计算错误！未定义书签。4.5 螺母螺纹牙的强度计算错误！未定义书签。4.6 丝杆的长度错误！未定义书签。4.7 丝杆螺母的传动形式错误！未定义书签。4.8 丝杆的固定错误！未定义书签。4.9 轴承的选择错误！未定义书签。4.
13、10 固定板的设计错误！未定义书签。4.10.1固定板的结构错误！未定义书签。4.10.2固定架的固定错误！未定义书签。5 转盘的设计错误！未定义书签。5.1 中间板的设计错误！未定义书签。5.2 键的选择25.3 齿轮的设计25.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料及模数25.3.2按齿面接触疲劳强度设计25.3.3按齿根弯曲疲劳强度设计25.3.4几何尺寸计算25.4 轴的设计26 车身的设计26.1 上车身的设计26.2 下车身的设计26.3 支板的设计26.3.1支板的结构26.3.2尺寸计算26.3.3支板的连接26.3.4轮子孔的设计27 solidworks的建模和仿真28 总结2
14、谢 辞2参考文献2引言随着社会的进步，社会的分工也越来越细，特别是在现代化的生产中，有的人每天就只能做着同一件事，或者是拧同个部位的某个螺母，或者是接着同一个地方的线头，就像电影摩登时代中所演的，由于老是做同一个动作，身体相同的部位得不到休息，于是开始产生了各种职业病。于是人们强烈的希望能有什么东西能代替自己工作而自己不用那么的难受。于是机器人就被发明了出来，并替人完成那些很枯燥、单调、危险的工作。而且，机器人的发明大大的提高了工作效率，提高了工业的发展，为更多的人提供了机会。机器人的出现，使人们摆脱了那些繁琐、危险的工作。一般的，在有危险，对人体有害的场合，你总能看到他们的身影。如喷漆行业，
15、油漆发出的气味很难闻，那是有毒气体，闻多了会对人体造成难以想象的伤害；还有电焊的场合也是对人眼睛的伤害也很大，也是有了专门用来焊接的机器人。这样的地方很多，在工业里已经屡见不鲜了。特别是在汽车和工程机械行业里，喷漆和焊接那是必不可少的。也正是这些工作对汽车行业的不可或缺，近几年来，国内生产的工业机器人大多是用于服务汽车行业的，也正因为这样，汽车工业的发展也推动了机器人的增长。在一些对灰尘要求很严的重要场合或者实验室中，一旦灰尘的量超过了标准，就会有废品的出现。例如要在 10级洁净室中制造的电脑重要器件。按国际标准，10级洁净室就是要在一立方英尺内不得出现超过10个以上的直径大于0.5微米的尘埃
16、。100级洁净室就是在一立方英尺内不得出现100个同样大小的尘埃。可就是想进入100级洁净室，工作人员也要换上特制的装备才可以进去，而且，在进去之前的5个小时都不可以使用化妆品或者吸烟等，这条件可见很难做到了。所以10级洁净室也只能由机器来完成了，想进去，条件太苛刻了。而有些场合，由于被环境的限制，如有放射性物质，被有害气体包围等，我们很难进去，也没法找里面的东西出来研究。于是特制的抓物机器车就很有必要设计出来。这次设计是基于三维软件Solidworks设计的。该软件的功能很强大，组件也很多。 Solidworks是现在最主流的三维CAD解决方案，因为他具有了功能强大、易学易用、技术创新等特点
17、。 而且SolidWorks可以提供不同的设计方案、减少了设计过程中的错误以便提高产品质量。对工程师和设计者来说，SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，操作更是简单方便、易学易用。1 设计方案1.1 设计内容因为是要进行比较精密的抓取物体，所以采用无线通信技术实现对机器车的控制。通过无线接通电机，电机驱动轮子来实现小车的前进、后退与转向。而在小车的上面则是抓物机械手的部件。要实现机械手的上下移动还有一定范围的转动，还有爪片的自由张合。1.2 设计目的（1）可以在危险的，无人可进入的地方抓住物体并且移动物体，便于实验和研究。（2）由于抓物机器车使用无线通信技术控制，其动作准确，操作简单，
18、因此可以提高稳定性能。1.3 方案的选择由于小车的移动都要很精确，所以只考虑了步进电机和伺服电机。步进电机的速率是由驱动器信号输入的脉冲数量和频率来控制的。但不适合在长时间和同方向的场合使用，这样容易烧坏电机。而伺服电机与步进电机相比，在控制方式上很相似都是用脉冲串和方向信号，但价格相对来说较高。在性能满足的情况下，考虑经济方面，我们采用了步进电机。对于机械手的上下移动，可以想到的有液压、气动还有丝杆。考虑液压和气动都比较的便宜，但考虑到精确度，能采用的也只有丝杆了。对于爪片的自由张合，气动便宜实用，但由于在前面都没用到，在这里用的话还得设计气动装置，麻烦而且也不太实际，因此我们采用了步进电机
19、。2 机械手的设计由于设计的抓物车一般是在危险的地方工作，那地方可能是一些夹缝什么的，因此我们设计的小车都比较的小。设小车的尺寸为400*200*100mm，而抓取的物体最重为6KG。2.1 抓手结构的设计设抓盘的直径为50mm，爪子的开口角度为120度，抓爪可转动30度。采用的是四杆机构来实现爪子的自由张合。结构如图所示：图2-1 四杆结构简图其中L1是连杆盘与抓盘的距离，L2是爪子上两个圆柱销之间的距离，L3是连杆与爪子的距离，L4是连杆。如图，L2、L3、L4为定长，而L1随着连杆盘的移动而改变，当连杆盘向上移动时，L1会变大，那时，连杆L4通过L3拉着L2向上转动，那时爪子张开：相反，
20、当连杆盘向下移动时，连杆会压爪子向下转动，即爪子会抓紧物体。受力分析：图2-2 四杆受力分析F2=cos*FF1=sin*F由受力分析可知： 当=时，F1=F2，也就是使爪子向下转动的力与向外的力是一样的，这时，爪子处于平衡状态。而随着的增大，F1会大于F2,也就是说，当大于45度后，爪子盘向下，也就是增大后，爪子的抓力反而变小，也就是说我们设计时应该小于45度，45度时就是抓取物体的最小尺寸。从图上可知，当为45度时，越小，L4越短，从材料和经济方面来看，越小越好，故取=。当抓取的物体最小时，也就是抓爪转动30度，那时图2-3 抓物受力简图L3/L1，取L1=10mm,则=，L4=30mm；
21、所以 30mm当抓手的开口最大时，如图图2-4 开口最大受力分析此时L3、L4连成一线，则胃= =设L1=30mm,则L3+L4=2cos*30=52 mm所以 L4=42mm故 3042取 L4=40mm在连杆中连接处会打通孔，我们算出来的就是两孔间的距离，所以实际尺寸应该要加上半径还有傍边的部分。设通孔的中心到一边的距离为5mm，则连杆实际长度为40+5*2=50mm.2.2 爪片的设计为了更好的抓起物体，使物体不掉下来，应把爪片的下面做成一个倾角，受力分析如下：图2-5 抓物时受力简图Mg=cos胃*F+sin胃*cos胃* =sin胃*FF=Mg*cos胃可知，胃越小，F会越大，当取胃
22、为45度时，代入数据后得F=2*10*cos=14N根据拉压杆的强度条件：=得：=式中： 为许用应力； n为安全因数； 为载荷； A为杆的横截面面积表1 常用材料的力学性能表材料名称牌号/MPa/ MPa/%备注普通碳素钢Q215Q235Q255Q275215235255275335-450375-500410-550490-63026-3121-2619-2415-20对应久牌号A2对应久牌号A3对应久牌号A4对应久牌号A5优质碳素钢253545552753153553804505306006452320161325号钢35号钢45号钢55号钢合金钢20Cr40Cr30CrMnSi54078
23、588583598010801091020铬40铬30铬锰硅铝合金LY1227441219硬铝查表1得： 考虑到要质量较轻，采用铝合金材料：则 取安全系数n=1.2,代入数据得=274/1.2=228 MpaA14/228*=0.06* 故取抓爪的尺寸为 14*5=7060mm取首尾间的距离为80mm由杠杆原理得图2-6抓爪受力简图10*N=80*F得 N=8*14=112 N由前面图2-3的受力分析得当胃=时 N=cosFF=112/0.7=158 N受力较大，所以采用了合金钢Cr20,查表得。取安全系数n=1.2,代入数据得=540/1.2=450 MpaA（112/450）*=0.25*
24、 所以取 连杆的横截面面积为 5*6 mm连杆的尺寸为40*5*6 mm2.3 螺杆的设计螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要是把回转运动转变为直线运动。主要运动形式有以下两种：一种是螺杆转动，螺母移动；一种螺母固定，螺杆转动并且移。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种：(1)传力螺旋。 它以专递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，而且通常需要有自锁能力。(2)传导螺旋。它以传递运动为主(3)调整螺旋。它可以调整、固定零件的相对位置。螺旋运动又可分为滑动
25、螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单、便于制造，易于自锁，但其阻力大，磨损快，传动精度低等。而滚动螺旋相反，阻力小，传动精度高，但结构复杂。我们要求的是能传动动力，而且精度要求不高，行程较短，轴向力也不是很大，综上，我们采用了滑动螺旋滑动螺旋的磨损与螺纹有很大的关系，螺纹工作面的压力、表面粗糙度的选择不好，会加快螺旋的磨损。螺纹工作面上的压力越大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此选择螺纹的选择也很重要。当载荷不大，工作对螺纹间的摩擦力要求不大、螺距又比较小时，可采用基本螺纹和细牙螺纹。当载荷较大，螺距又较大时，应采用梯形螺纹。它比三角瓯的传动效率高，强度大。因此采用梯形螺纹。表2-1 螺
26、旋传动常用的材料螺旋副材料牌号应用范围螺杆Q235、Q275、45、50材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi材料需经热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动。 螺母ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5（铸锡青铜）材料耐磨性好，适用于一般传动 表2-2 滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦系数螺杆-螺母的材料滑动速度/（m/min）许用压力/Mpa摩擦系数钢-青铜低速18-250.08-0.1011-186-127-10淬火钢-青铜6-1210-130.06-0.08钢-铸铁8-1010-1212-17
27、17-2222-3030-38键宽b*键高h2*23*34*45*56*68*710*8查表5-得 主要尺寸得轴的直径为10mm，所以平键的尺寸为4*4mm根据普通平键连接的强度条件T=FyF=53*0.01/2=0.265 N.m其中：T-传递的扭矩k-键的轮毂键槽的接触高度，k=0.5h=2mml-键的工作长度，取l=8d-轴的直径,d=10mm代入数据得=3.3 =30 MPa所以符合条件。5.3 齿轮的设计5.3.1选定齿轮类型，精度等级，材料及模数（1）选用圆柱直齿轮传动；（2）一般传动机构，速度不高，故用7级精度；（GB1009588）（3）材料的选择。在这里受力较小，所以选择小齿
28、轮材料为夹布塑胶硬度为35HBS，大齿轮的材料为夹布塑胶硬度为30HBS（4）设传动比i为1:5选小齿轮齿数为Z =8，则大齿轮齿数Z为 =i=58=40,5.3.2按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算， 即：（1）确定式中各数值 1）试选载荷系数K =1.3。 2）由教材机械设计表10-7选取齿宽系数=0.5。 3）计算大齿轮传递的转矩，由前面计算可知，=0.265N*m=265N*mm. 4）由教材机械设计表10-6查的材料的弹性影响系数Z =56.4MP 5）夹布塑胶的弯曲疲劳许用应力=50MPa,接触疲劳许用应力=110MPa,所以小齿轮的接触疲劳强度极限 =100MP；大齿轮
29、的接触疲劳强度极限 =80MP。 6）由教材机械设计式10-13，计算应力次数=60j=60*300*1*5*8*365*5=1.314*109=1.314*109*5=6.57*109取接触疲劳寿命系数 =0.98； =0.95(2) 计算 确定小齿轮分度圆直径d 1）计算小齿轮的分度圆直径d ，由计算公式可得：=8mm 2)计算圆周速度。v=(*)/(60*1000)=(3.14*8*30*5)/(60*1000)=0.60m/s计算齿宽bb=*=0.5*8=4mm3）计算模数与齿高模数=4/8=0.5mm齿高h=2.25=2.25*0.5= 1.125mm 4）计算载荷系数K。 已知使用
30、系数K =1，据v=0.6 ，7级精度。由教材机械设计图10-8得=0.98， =0.95。由教材机械设计图10-13查得=1.38，由教材机械设计图10-3查得 =1 故载荷系数：K=1*1.02*1*1.38=1.863 5)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径：=8*=11.5mm 6）计算模数m m = =11.5/8=1.435.3.3按齿根弯曲疲劳强度设计 由式（10-5） 得弯曲强度设计的公式为m由上面可知，=50MPaK=1*1.02*1*1.35=1.377查取齿形系数由表10-5得 =2.40，查取应力校正系数由表10-5得 =1.67则m=0.45对比计算结果，由齿面接
31、触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2mm，查机械设计手册渐开线圆柱齿轮模数系列表可知，取 m =2mm，按接触强度算得的分度圆直径d_1=56.2mm，算出小齿轮齿数=/m=11.5/2=5.75取=10，则=510=50这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并使得结构更加紧凑，避免了材料的浪费。5.3.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径=m=2*10=20mm=m =2*50=10
32、0mm（2）计算中心距a =(20+100)/2=60mm（3）计算齿轮宽度 查表，取齿宽系数=0.4b=*a=0.4*60=24mm5.4 轴的设计（1）计算轴上的转速及转矩在前面的计算中可以得到=300r/min=265N*mmP=/9550000=0.0083 kW（2）计算作用在齿轮上的力 已知该轴上齿轮的分度圆直径为d=30mm 而=18 N=18tan=6.5N（3）初步确定轴的最小直径 现初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理，根据教材机械设计表15-3，取=110，于是可得：=110=7.16mm由于在前面，我们为了加工零件和安装的方便，取了轴的直径为10mm，比
33、最小直径大了很多，可以采用。（4）轴的结构如图所示：图5-4 轴的结构图前面一段是安装键槽，用来传递扭矩的，在上面我们也说了，为了安装和加工的方便，直径直接取了10mm因为键 的长度为8mm，取这段的长度为12mm.接下来的这段要支承中间板的重量，所以要比第一段要大，取直径为14mm，长度为4mm.齿轮的分度圆直接为30mm，可以取孔径为15mm，齿轮宽度为30mm而安装时要不能完全安装到轴上，因此轴的长度应该短一点，去长度为28mm。接下来要支撑齿轮，并起定位作用，因此要做一个轴肩。轴肩长为3mm，直径为19mm。最后还要有一段用来安装轴承的，因为在这里，轴承只受到了轴向的力，初步选择轴承为
34、单向推力球轴承，查机械手册取滚动轴承8200GB301-64。查得，小径为10mm，厚度H为11mm。安装直径为19mm。取这段轴的直径为10mm，长度为10mm。综上，符合了轴上所以安装部件的要求。（5）轴上零件的周向定位齿轮、中间板与轴的周向定位都是用平键来连接的， 。为了保证齿轮和轴的配合具有良好的对中性，选齿轮与轴的配合为H7n6 ,中间板与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过度配合来完成的，在这里选轴的直径尺寸公差为m6.5.5 轴承的设计由于轴是竖直放置的，故受到由于重力对轴承的轴向力，而且轴承还受到齿轮给的径向力，因此采用了向心推力轴承。 根据轴承使用的机械种类及工作情况适当
35、选择确定轴承的寿命。现假设供料机构每天工作8小时，预计使用寿命为5年，则： L=8*365*5=14600h查机械设计式10-3得齿轮所受的力为=(2)/ =tan把 =265N*mm，d_2=60mm代入得=(2)/=(2*265)/60=8.8N=tan=8.8*tan20=3.2N因为只用了一个轴承，且离齿轮很近，可以把齿轮所受的力全部作用在轴承上。所以轴承的力为=8.8N=3.2N 对推力轴承有=e取e=0.4=0.4=0.4*3.2=1.28 N 则 =+Mg=1.28+8.5*10=86.25N/=86.25/3050=0.028/=86.25/3.2=27e查机械设计表13-5径向动载荷系数