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目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 課題研究的目的和意義 1
1.3 現(xiàn)狀 2
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 12
2.1 設(shè)計(jì)的基本要求 12
2.1.1 工藝范圍 12
2.1.2 進(jìn)給方案的選取 12
2.1.3 吸附結(jié)構(gòu) 13
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1 切削力的計(jì)算 14
3.2 絲杠螺母的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算 14
3.2.2 效率計(jì)算 15
3.2.3 剛度驗(yàn)算 15
3.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 16
3.3 電機(jī)的選擇 17
3.3.1 計(jì)算傳動(dòng)比 17
3.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 18
3.3.3 所需傳動(dòng)力矩計(jì)算 18
3.3.4 電機(jī)的選擇 19
3.4 軸承的選用與校核 20
3.4.1 角接觸球軸承的選擇 20
3.4.2 深溝球軸承的選擇 21
結(jié)論 22
致謝 23
參考文獻(xiàn) 24
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- I -
第1章 緒論
1.1 課題背景
課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒?，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.2 課題研究的目的和意義
船舶正常工作時(shí)總有一部分沉在水下，常年累月，在水下的船體表面會(huì)附著一些貝類、藻類等生物，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加了船舶的燃料消耗，所以每隔一段時(shí)間就要對(duì)船舶進(jìn)行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對(duì)船舶進(jìn)行清洗，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，工作量大，難度大.因此研究水下清洗機(jī)器人成為必要.本設(shè)計(jì)的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動(dòng)并且可以吸附在船體上的清洗機(jī)器人.一方面機(jī)器人可以像魚類一樣在水下自由的游動(dòng);另一方面該機(jī)器人可以通過電磁吸附吸附在船體上并且通過移動(dòng)裝置在船體上爬行，同時(shí)進(jìn)行清洗.因此該機(jī)器人代替了人工潛入水下進(jìn)行清洗，減少了工人的工作量，減輕了工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了水下船舶清洗的自動(dòng)化，同時(shí)對(duì)于爬行機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)提出了一種新的爬行方式，具有重要意義.。
1.3 現(xiàn)狀
目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，一方面船舶清洗是在水下，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度，目前國(guó)內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2003 年研制出了一種水下清洗機(jī)器人，采用履帶式移動(dòng)方式，吸附在船體上清洗船舶.國(guó)外一些國(guó)家也開始研究清洗機(jī)器人，主要是壁面清洗機(jī)器人的研究，都取得一些成績(jī)，但是在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和清洗功能的技術(shù)理論和實(shí)踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期.
對(duì)于清洗機(jī)器人的研究，尤其是水下清洗機(jī)器人，目前仍然是處于開始期，還有很多關(guān)鍵的技術(shù)需要解決，并且水下清洗機(jī)器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式，還有很長(zhǎng)一段路要走，但是隨著中國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展，船舶的排水量的增加，水下船舶部分的清洗也將是一項(xiàng)很繁重的任務(wù)，如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗，將大大提高效率，減輕工作量，所以水下清洗機(jī)器人有著很好的發(fā)展前景.
爬行方案
機(jī)器人要完成在船體表面的爬行，一方面通過電磁吸附吸附在船體上，同時(shí)機(jī)器人在船體上要完成移動(dòng).
爬行部分主要解決兩個(gè)問題，一個(gè)問題是機(jī)器人在曲面的移動(dòng)，另一個(gè)問題是機(jī)器人在船體表面的吸附.
爬行方案
對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動(dòng)，例如清洗玻璃的機(jī)器人，在玻璃上爬行，清洗管道的機(jī)器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機(jī)器人及其移動(dòng)方案：多吸盤真空吸附式壁面清洗機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人用于清洗高空玻璃，傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡(jiǎn)便易行,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性.該機(jī)器人可以代替人工清洗.
考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的一些特點(diǎn)以及對(duì)壁面清洗機(jī)器人的要求 ,該壁面清洗機(jī)器人多采用真空式吸附方式.
下面是幾種移動(dòng)方案：
1）
圖1
圖 1 為機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)模型 ,它由 2 個(gè)外形 基本一樣的框架構(gòu)成.每個(gè)框架下有 3 條腿 ,各由提升氣缸組成 ,每條腿下部有 1 個(gè)吸盤組.氣缸伸縮時(shí) ,吸盤便接觸、脫離壁面. 下框架下部安裝有 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸 ,使得 2 個(gè)框架可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度.2 個(gè)框架中間有 1 個(gè)可以相對(duì)下框架旋轉(zhuǎn)的圓盤 ,圓盤上有 1 個(gè)氣缸和 2 個(gè)導(dǎo)軌.機(jī)器人可以沿著和2 個(gè)框架之間的導(dǎo)軌平行的方向做直線運(yùn)動(dòng).
圖2
運(yùn)動(dòng)初態(tài)如圖 2.2a 所示 ,運(yùn)動(dòng)開始上框架的腿部吸盤先脫離吸附 ,提升氣缸縮回 ,這就完成了機(jī)器人腿部的縮回.然后2框架之間的氣缸伸出 ,上框架便沿著軌道方向相對(duì)下框架運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)到位后 ,上框架 3 提升氣缸伸出 ,吸盤吸附工作表面 ,如圖 2.2b.隨后下框架的吸盤松開 ,提升氣缸縮回 ,2 框架之間的氣缸縮回 ,下框架便沿著導(dǎo)軌方向靠攏上框架 ,直到恢復(fù)到如圖 2.2c 所示樣式.這樣便完成了1個(gè)工作循環(huán). 該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)是利用汽缸，吸附是利用真空吸附.
2）
圖3
圖2.3所示是另一種移動(dòng)裝置，它由八個(gè)吸盤組成，外面有四個(gè)，里面有四個(gè)，并且里面四個(gè)吸盤可以通過支撐桿和滾珠絲杠移動(dòng)，其中吸盤是靠真空吸附.
圖4
圖4表示了爬壁機(jī)器人的直線行走過程.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使后足的立足點(diǎn)選擇在前足已用過的立足點(diǎn)上,從而減少對(duì)障礙的判斷次數(shù)以提高行走速度.圖 4(a)表示為機(jī)器人的初始狀態(tài),氣缸小行程伸出,吸盤處于全吸狀態(tài),滑塊處于中位;圖 4(b)表示外側(cè) 4個(gè)吸盤吸附不動(dòng)對(duì)內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤進(jìn)行真空破壞,使其吸盤松開,內(nèi)側(cè)氣缸縮回;圖 4(c)表示前進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠上的滑塊前進(jìn),滑塊和內(nèi)框架一體隨之前進(jìn);圖4(d)表示內(nèi)側(cè)氣缸伸 出,內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上圖 4(e)表示內(nèi)側(cè) 4個(gè)吸盤吸附不動(dòng),對(duì)外側(cè) 4個(gè)吸盤進(jìn)行真空破壞,使其松開,外側(cè)氣缸縮回;圖 4(f)表示前進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)滾珠絲杠前進(jìn),帶動(dòng)外框架隨之前進(jìn);圖 4(g)表示外側(cè)氣缸伸出,外側(cè) 4吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上,此時(shí)內(nèi)外框架 8個(gè)吸盤全處于吸附狀態(tài),機(jī)器人開始下一運(yùn)動(dòng)循環(huán).以上是爬壁機(jī)器人的一個(gè)步進(jìn)過程,如此不斷循環(huán),就實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的連續(xù)前行.
圖5
該機(jī)器人主要由一個(gè)主體氣缸、兩個(gè)縱向吸盤提升氣缸、一個(gè)橫向吸盤提升氣缸、兩組橫向吸盤組以及兩組縱向吸盤組構(gòu)成.
圖6
圖6為多足爬壁機(jī)器人一個(gè)步距的行走流程圖.以向前運(yùn)動(dòng)為例, 初始狀態(tài)是機(jī)器人處于靜止的狀態(tài), 這時(shí)機(jī)器人可以通過攜帶的探頭對(duì)管壁進(jìn)行清掃和檢測(cè).機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí), 橫向和縱向的真空吸盤都處于提供真空狀態(tài)下, 橫向吸盤提升氣缸處于縮回狀態(tài), 縱向吸盤提升氣缸處于伸出狀態(tài).當(dāng)縱向吸盤釋放真空, 縱向吸盤提升氣缸縮回時(shí), 橫向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸缸筒是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 活塞桿向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 隨后縱向吸盤提升氣缸伸出, 縱向吸盤提供真空吸附; 當(dāng)橫向吸盤釋放真空, 橫向吸盤提升氣缸縮回時(shí), 縱向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時(shí)主氣缸活塞桿是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下, 氣缸筒向前運(yùn)動(dòng)一定距離, 且橫向吸盤提升氣缸伸出, 橫向吸盤提供真空吸附, 完成一個(gè)行走過程.
4）目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水下船舶清洗機(jī)器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一種水下清洗機(jī)器人，他們的移動(dòng)是靠履帶完成的，采用永磁吸附，雙履帶機(jī)構(gòu)，
圖7
機(jī)器人的吸附機(jī)能是由固定在履帶鏈條外翼板上的磁吸附塊來實(shí)現(xiàn)的.由鏈條的鏈節(jié)數(shù)決定了每條履帶上每隔一個(gè)鏈節(jié)安裝一個(gè)磁塊,則履帶一周上均勻鑲嵌有21個(gè)橡膠封裝的永磁體塊.在履帶移動(dòng)的過程中,保證每條履帶上有8個(gè)磁塊與容器表面處于良好的吸附狀態(tài),并形成足夠的磁力將機(jī)器人吸附在容器表面上,實(shí)現(xiàn)吸附功能.在移動(dòng)的初始時(shí)刻,調(diào)整兩條履帶上的磁塊處于相同的狀態(tài),然后由伺服電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪,進(jìn)而帶動(dòng)履帶表面的磁塊在容器表面上交替吸附,周而復(fù)始,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在容器表面上的移動(dòng).
吸附方案
吸附方式主要有兩種：真空吸附和磁吸附.
1、真空吸附裝置
真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等.
真空吸盤是在利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而實(shí)現(xiàn)吸附的，真空的產(chǎn)生可以通過真空泵、壓縮空氣或排風(fēng)機(jī)等.用真空泵或用壓縮空氣產(chǎn)生真空的吸盤，一般真空度較高.由排風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空的吸盤，一般真空度較低.
2、磁吸附裝置
磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人用于鐵磁性壁面上的作業(yè).磁吸附裝置的吸附由電磁鐵、永磁鐵來產(chǎn)生.
電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場(chǎng)吸力把對(duì)象物吸住.當(dāng)切斷電流時(shí)，磁場(chǎng)消失，對(duì)象物即被釋放.本機(jī)構(gòu)就是利用電磁吸附，當(dāng)磁鐵不通電時(shí)，吸盤沒有吸力，當(dāng)通電時(shí)，吸盤具有吸力.先給大吸盤通電，具有磁性吸附在船體上，然后斷電，磁性消失，這時(shí)再給小吸盤通電，吸盤具有磁性，小吸盤吸附在船體上，循環(huán)吸附.于此同時(shí)移動(dòng)部分利用 間隙時(shí)間移動(dòng).
永磁吸附是利用永磁鐵來產(chǎn)生磁性吸附，永磁吸附所產(chǎn)生的磁性一直存在，所以移動(dòng)部分就一直在被吸附物體上，哈工大所研制的清洗機(jī)器人就是利用永磁吸附，利用雙履帶移動(dòng)方式，一直吸附在船體上移動(dòng). 本機(jī)構(gòu)是利用機(jī)器人的行走完成移動(dòng)，所以采用真空吸附
清洗方案
清洗方案的選擇，清洗的對(duì)象是船體表面，包括清洗船體表面附著的一些貝類、藻類等生物，需要一定的清洗力.同時(shí)考慮機(jī)器人的本身尺寸大少，清洗圓盤不易過大，并且驅(qū)動(dòng)要簡(jiǎn)單、可行.下面是現(xiàn)存的一些清洗工具：
1）公路圓盤洗
該清洗盤用于公路的清洗，主要清洗路面的塵土和垃圾，所以尺寸很大，所需力要求不大，轉(zhuǎn)速在100r/min左右，本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)容易設(shè)計(jì)，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)所需功能.
圖8
2）滾筒刷
滾筒刷尺寸小，清洗的力不大，靠滾動(dòng)來完成清洗，一般用于手動(dòng)，主要用于清洗玻
璃等比較光滑的表面，清洗力不是很大，并且是靠滾來完成的.
圖9
目前市場(chǎng)上主要有這兩種清洗設(shè)備，比較兩種設(shè)備，第一種要靠電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，第二種主要是靠手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)清洗；兩種清洗都不需要很大的力，轉(zhuǎn)速不需要很快；第一種尺寸很大，主要清洗路面，所以尺寸比較大，第二種尺寸相對(duì)很小. 考慮以上特點(diǎn)，本機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)選擇第一種，但是尺寸選擇變小，利用小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，考慮清洗的力矩及所需轉(zhuǎn)速，選擇轉(zhuǎn)速為40r/min，清洗面積大約為500平方毫米.對(duì)清洗盤的設(shè)計(jì)主要是選擇合適得材料、毛刷來清洗船體表面，船體表面的污染物對(duì)船體有一點(diǎn)的吸附力，普通的毛刷不容易將其刷下，容易變形，考慮這些因素，選擇鐵絲刷，鐵絲具有一定的硬度，不容易變形，現(xiàn)在市場(chǎng)上也可以買到。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)的基本要求
2.1.1 工藝范圍
船舶在長(zhǎng)期的航行中，水下部分的船體表面會(huì)附有貝類、藻類生物及生出銹斑，嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命，還增加船舶的燃料消耗，所以定期清洗非常重要，人工清洗人員工作量大、難度大、效率低，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少，對(duì)于壁面清洗機(jī)器人有一些研究，主要是清洗玻璃、墻壁等，但是對(duì)于船舶清洗研究的卻是很少，主要是因?yàn)榇扒逑词窃谒拢O(shè)計(jì)時(shí)要考慮水的影響，密封性的要求，水下移動(dòng)、吸附等問題，增大了設(shè)計(jì)的難度。因此研制水下清洗機(jī)器人成為需要，水下船舶清洗機(jī)器人將大大提高船舶清洗的效率，減少工作量，減少工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分：一部分是移動(dòng)部分，另一部分是清洗部分。移動(dòng)部分主要解決的問題是機(jī)器人在曲面上的移動(dòng)，清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用清洗盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括：國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，水下船舶清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖零件圖的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.1.2 進(jìn)給方案的選取
比較現(xiàn)有移動(dòng)方案，可以看出移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要都是依靠?jī)蓚€(gè)相似的機(jī)構(gòu)分別移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，而驅(qū)動(dòng)大多是利用汽缸來驅(qū)動(dòng).哈工大的水下清洗機(jī)器人的移動(dòng)是靠雙履帶來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，利用永磁吸附，一直緊貼在船體上移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng).除哈工大的水下機(jī)器人外，其他機(jī)器人的移動(dòng)主要是適應(yīng)平面移動(dòng)，而對(duì)于在曲面上的移動(dòng)涉及的比較少，本機(jī)器人的移動(dòng)參考以上幾種機(jī)器人的移動(dòng)方式加已改進(jìn)，具有一定的適應(yīng)性.移動(dòng)方案也是采用兩個(gè)相似的機(jī)構(gòu)，循環(huán)前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)是利用電機(jī)帶動(dòng)齒輪在通過絲杠螺母來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)連個(gè)相似機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng).如圖10所示，
2.1.3 吸附結(jié)構(gòu)
真空吸附裝置也稱真空吸盤，在壁面移動(dòng)機(jī)器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè)，如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 本機(jī)構(gòu)用真空吸盤，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需油缸的伸出和縮進(jìn)，完成吸附工作。
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 切削力的計(jì)算
查表所得進(jìn)的力為從《設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般徑向載荷：
軸向載荷：
取： ,
3.2 絲杠螺母的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算
綜合絲杠的軸向工作負(fù)載采用下面公式計(jì)算：
（4-1）
查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》知：
——顛覆力矩影響系數(shù)，采用雙三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=1.2；
——當(dāng)量摩擦因數(shù)，三角形導(dǎo)軌時(shí)，取=0.1；
——導(dǎo)軌承受的重力，估計(jì)重為80kg，故
由公式（4—1）得：
計(jì)算最大動(dòng)載荷Ca：
（4-2）
其中，為壽命值，為當(dāng)量轉(zhuǎn)速，可由下列公式計(jì)算：
（4-3）
（4-4）
式中 ——絲杠推薦壽命，h；查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-55得，壽命；
——滾珠絲杠導(dǎo)程，mm；初選=10mm；
——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取1/2，=7.6；
——負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-53得按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2~1.5，取=1.2；
——絲杠壽命，以106轉(zhuǎn)為單位。
由公式（4—2），（4—3），（4—4）可得：
=23.2KN
根據(jù)額定最大動(dòng)載荷，選擇滾珠絲杠型號(hào)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-61，選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，其型號(hào)為FD4010-4-P2，公稱直徑，絲杠導(dǎo)程為10mm，額定動(dòng)載荷為40KN，大于23.2KN。滿足強(qiáng)度要求。
3.2.2 效率計(jì)算
根據(jù)機(jī)械原理公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
（4-5）
式中 ——摩擦角， ；
——螺旋升角，可由下列公式計(jì)算：
其中，=32mm為絲杠公稱直徑，=10mm為絲杠導(dǎo)程。
由公式（4—5）得：。
3.2.3 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在軸向力作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮，在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響其傳動(dòng)精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算滿載時(shí)的變形量。
滾珠絲杠在軸向力作用下的變形量為：
（4-6）
式中 ——工作負(fù)載,N；；
——滾珠絲杠的導(dǎo)程,mm；=10mm；
——絲杠材料的彈性模量,N/mm2；；
——滾珠絲杠內(nèi)徑截面積,mm2。
絲杠滾珠直徑：
滾道半徑：
偏心距：
滾珠絲杠內(nèi)徑：
滾珠絲杠截面積：
由公式（4—6）得：mm
因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量很小，可忽略，即，
所以絲杠長(zhǎng)度為1000mm時(shí)，導(dǎo)程變形總誤差為:
μm/m
對(duì)絲杠精度等級(jí)為：1、2、3、4、5級(jí)，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-22，絲杠每1m長(zhǎng)度上允許的變形量不大于5、10、15、30、60μm/m，對(duì)不滿足剛度要求時(shí)，可采取預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，加大絲杠直徑等措施。本設(shè)計(jì)采用4級(jí)精度，，故剛度足夠。
3.2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算
進(jìn)給行程較長(zhǎng)受力較大，為提高剛度減小機(jī)床自身的誤差，采用兩端軸向固定的支撐方式，如圖4-1所示：絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，等于工作臺(tái)最大行程加螺母長(zhǎng)度加兩端余程。工作臺(tái)行程為=650mm，螺母長(zhǎng)度為150mm，查表3.7-25，導(dǎo)程為10mm時(shí)，余程為40mm，因此絲杠螺紋部分長(zhǎng)度mm。
絲杠支撐跨距，應(yīng)略大于，取為=1100mm
其中 ——核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離,mm；
——核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離,mm。
查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-45及表3.7-61得:
圖4-1 絲杠兩端固定支撐方式
為工作行程加絲杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撐距離的一半，
為游動(dòng)端支撐距離的一半加上工作行程加上絲杠螺母的一半，得：,
臨界轉(zhuǎn)速校核：
高速的長(zhǎng)絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速：
式中 ——絲杠絲杠支承方式系數(shù)，根據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.7-37，取3.927；
——受壓面直徑，
其當(dāng)量轉(zhuǎn)速為，故，值均滿足規(guī)定條件，因而絲杠不會(huì)發(fā)生共振和失穩(wěn)。
3.3 電機(jī)的選擇
3.3.1 計(jì)算傳動(dòng)比
閉環(huán)傳動(dòng)比： （4-7）
式中 ——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min；=2000r/min；
——工作臺(tái)最大進(jìn)給速度,mm/min；
=7.6m/min=7600mm/min；
——絲杠導(dǎo)程,mm；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選大些,選=10mm。
由公式（4—7）得：
取，根據(jù)傳動(dòng)功率，已知v=7.6m/s。擬訂減速齒輪副的齒數(shù)，，模數(shù)mm。
故可取齒輪為：=20， =50，=20°， ，
其分度圓直徑：
中心距：。齒輪經(jīng)校核,滿足要求。
3.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
式中 ——絲杠的長(zhǎng)度。
工作臺(tái)，工件等折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
=
式中 ——工作臺(tái)重量，取=80kg；
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
絲杠傳動(dòng)時(shí)，一級(jí)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
3.3.3 所需傳動(dòng)力矩計(jì)算
所需力矩：
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的加速力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，；
——由絲杠預(yù)緊引起的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力, ；
采用滾珠絲杠時(shí)：
最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
式中 ——折算到電機(jī)軸上的總慣量，kg.m2；
——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，=25ms；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；當(dāng)時(shí)計(jì)算時(shí)計(jì)算；
摩擦力矩：
式中 ——導(dǎo)軌摩擦力,N；等于橫向進(jìn)給系統(tǒng)重力乘以摩擦系數(shù)；
——絲杠螺距，mm；
——降速比；
——傳動(dòng)鏈總效率，＝0.75～0.85，?。?.8。
附加摩擦力矩：
式中 ——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率一般，取；
——最大軸向負(fù)載，N；
切削力矩：
對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能要求較高，所以電動(dòng)機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩占的比重很小，一般都小于電動(dòng)機(jī)力矩的 10％～30％，所以按：
計(jì)算。
3.3.4 電機(jī)的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)，要使快速空載啟動(dòng)力矩小于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，即，為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，即峰值轉(zhuǎn)矩，一般，其中為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，λ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)過載系數(shù)(交流伺服電機(jī)λ=1.5~2) 。
故選擇FANUC交流伺服電機(jī)S—1.0其最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，最大轉(zhuǎn)矩16 ，額定轉(zhuǎn)矩2.0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，重量為4.5kg。交流伺服電機(jī)的電機(jī)慣量與負(fù)載慣量的匹配關(guān)系：
式中 ——負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的總和，
——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，
滿足慣量匹配。
3.4 軸承的選用與校核
3.4.1 角接觸球軸承的選擇
進(jìn)給系統(tǒng)承受軸向力和徑向力，并且承受軸向力不大，可選用角接觸球軸承。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-50，選用7006C GB/T292-94 角接觸球軸承，其基本參數(shù)見表4-1所示。
表4-1 7006C角接觸球軸承的基本參數(shù)
d(mm)
D(mm)
B(mm)
Cr(kN)
Cor(kN)
極限轉(zhuǎn)速（r/min）
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30
55
13
16.2
11.5
9500
14000
軸承壽命校核計(jì)算：
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》，滾動(dòng)軸承壽命的校核條件為：
（4-8）式中 ——軸承應(yīng)具有的基本額定動(dòng)載荷，N；
——軸承所受的載荷，N；
（4-9），
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-5，得：
，其中e為判斷系數(shù)。
故取。
由公式（4—9）得：
式中 ——軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；等于絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/min；
——軸承預(yù)期計(jì)算壽命，h；h；
——壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承。
由公式（4—8）得：
NkN
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中選用軸承基本額定動(dòng)載荷為16.2kN，所以滿足要求。
3.4.2 深溝球軸承的選擇
深溝球軸承用在游動(dòng)端，故承的軸向力可以忽略，因此只考慮其徑向力。根據(jù)軸的尺寸，查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3.8-44，選用6306深溝球軸承，如表4-2所示。
表4-2 6306深溝球觸球軸承的基本參數(shù)
d(mm)
D(mm)
B(mm)
Cr(kN)
Cor(kN)
極限轉(zhuǎn)速（r/min）
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30
72
19
27.0
15.2
9000
12000
游動(dòng)端徑向力，根據(jù)公式（4-9）X=1,Y=0, N, ,,同上，故由公式（4-8）得，軸承承受的基本動(dòng)載荷為：
本設(shè)計(jì)選用的軸承基本額定動(dòng)載荷為15.8kN，所以滿足使用要求。
結(jié)論
經(jīng)過本學(xué)期大量時(shí)間的悉心研究和查閱大量相關(guān)的資料,終于完成了對(duì)本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
通過這次設(shè)計(jì)所學(xué)到的知識(shí)和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是深刻的,它使我認(rèn)識(shí)到了基礎(chǔ)知識(shí)的重要性,綜合設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)知識(shí)的堆積、創(chuàng)新的過程。此外,在設(shè)計(jì)中要始終保持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,仔細(xì)做好每一步,這對(duì)我們今后步入社會(huì),踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。
致謝
本次設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下完成的。從論文的選題、方案的設(shè)計(jì)、具體的繪圖到論文撰寫的每個(gè)環(huán)節(jié),都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢問設(shè)計(jì)進(jìn)程,并為我細(xì)心講解,幫助我開拓思路,精心點(diǎn)撥,熱忱鼓勵(lì)。他嚴(yán)格的教學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng)都深深地感染和激勵(lì)著我。
再次,我還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們,有了你們的幫助和支持,才使得我按時(shí)完成設(shè)計(jì)。
謝謝老師和同學(xué)們!
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