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文件一
湛江海洋大學
畢業(yè)設計（論文）任務書
設計題目： 機器人切割H型鋼的設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 九九機制〈一〉班
學生姓名： 李 活 文
指導教師： 張 鍵 職稱： 副教授
設計起訖日期： 2003/03/24——2003/06/06
設計地點： 湛江海洋大學
2003年 06月 02日
畢業(yè)設計（論文）任務書的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）
1． 完成總體設計。
2． 完成部分部件設計。
3． 主要技術數據及要求。
H型鋼腹板尺寸800mm，厚度30mm，長度12000mm；翼板尺寸寬度為800mm,厚度30mm，長度12000mm。
4． 切割速度要滿足板厚度和火焰所要到達的最大速度。
要求完成的圖紙內容及要求
1． 完成總體和部分部件設計圖紙。
2． 編寫設計計算說明書。
3． 元件中有二個零件圖。
圖紙數量：二張A1，一張A2，二張A3
要完成的實習內容及要求：
1． 南油西部石油公司合眾近海建設公司海工碼頭現場實習。
2． 查閱資料。
3． 全面了解現場對切割設備的要求。
其他要提交的設計資料：
除提交的設計圖紙和說明書外，還提交以上全部的電子資料。
設計參考資料：
1． 李洪 主編，實用機床設計手冊，沈陽，遼寧科學技術出版社。
2． 鄭堤，唐可洪 主編，機電一體化設計手冊基礎，機械工業(yè)出版社。
3． 毛謙德，李振清 主編，袖珍機械設計師手冊，機械工業(yè)出版社。
4． 孫桓，陳作模 主編，機械原理，高等教育出版社。
5． 廖念釗，莫雨松，李碩根，楊興駿 編，互換性與技術測量，中國計量出版社。
6． 徐灝 主編，機械設計手冊，第2版，第3、4卷，機械工業(yè)出版社。
7． 秦曾煌 主編，電工學，上、下冊，高等教育出版社。
8． 周開勤 主編，機械零件手冊，高等教育出版社。
9． 吳振彪 編，機電綜合設計指導，湛江海洋大學出版。
10． 周伯英 編著，工業(yè)機器人設計，北京，機械工業(yè)出版社。
11． 龔振邦，汪勤愨，陳振華，錢晉武 編著，機器人機械設計，北京，電子工業(yè)出版社。
畢業(yè)設計（論文）進度計劃
設計起訖時間
工作內容
備注
03、24 至
04、10
04、11 至
04、18
04、19 至
05、15
05、16 至
05、31
06、01 至
06、06
到南油西部石油公司合眾近海建設公司海工碼頭現場實習；學CAXA軟件；
找資料
總體方案設計
機械部分設計
機器人部分設計
出圖、答辯
實習過程要注意現場實際情況。
要考慮周全。
圖書館。
圖書館。
用CAD出圖。
文件二
湛 江 海 洋 大 學
畢業(yè)設計（論文）書
設計題目： 機械人切割H型鋼的設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 九九機制〈一〉班
學生姓名： 李 活 文
指導教師： 張 鍵 林 菁
2003年 06月 03日
目 錄：
中英文摘要………………………………………………………….1
文件三： 湛江海洋大學畢業(yè)設計（論文）成績評定表
指導教師評語：
指導教師簽名：
200 年 月 日
評閱教師評語：
評語教師簽名：
200 年 月 日
答辯小組評語
答辯組長簽名：
200 年 月 日
畢業(yè)設計成績：
系主任簽名：
審批單位（蓋章）
200 年 月 日
機器人自動火焰切割H型鋼的設計
目 錄
目錄 ………………………………………………………………………………………………（1）
ABSTRACT ………………………………………………………………………………………（2）
第1章 工作臺的設計院 …………………………………………………………………………（3）
1．1 工作臺總體方案 …………………………………………………………………………（3）
1．2 工作臺的結構設計 ………………………………………………………………………（3）
1．3 滾珠絲杠螺母副的確定及驗算 …………………………………………………………（4）
1．4 導軌的選型及計算 ………………………………………………………………………（6）
1．5 推動工件的電機選擇 ……………………………………………………………………（7）
1．6 推動工件的減速器確定 …………………………………………………………………（7）
1．7 聯軸器選擇 ………………………………………………………………………………（8）
1．8 離合器的選擇及計算 ……………………………………………………………………（8）
1．9 導軌的確定 ………………………………………………………………………………（9）
1．10 壓緊離合器的彈簧選擇 ………………………………………………………………（10）
第2章 機器人總體設計中技術方案的制定 ……………………………………………………（10）
2．1 確定基本技術參數 ………………………………………………………………………（11）
2．2 選擇機器人操作機的機械結構類型 ……………………………………………………（11）
2．3 機器人控制方式的選擇和控制系統設計 ………………………………………………（12）
2．4 機器人驅動方式的選擇 …………………………………………………………………（12）
第3章 腕擺設計 …………………………………………………………………………………（12）
3．1 腕擺電機選擇 ……………………………………………………………………………（12）
3．2 電機轉速 …………………………………………………………………………………（13）
3．3 同步帶傳動設計 …………………………………………………………………………（13）
3．4 同步帶輪設計 ……………………………………………………………………………（14）
3．5 諧波齒輪減速裝置設計 …………………………………………………………………（14）
3．6 腕擺中其它零件的選擇及設計 …………………………………………………………（16）
3．7 手腕的裝配 ………………………………………………………………………………（16）
結束語 ………………………………………………………………………………………………（17）
鳴 謝 ………………………………………………………………………………………………（17）
參考文獻 ……………………………………………………………………………………………（18）
2
英文文摘
Four-stage-engine and Two-stage-engine Operation
The actions taking place in the engine cylinder can be divided into four stages, or strokes.“Stroke”refers to piston movement；a stroke occurs when the piston moves from one limiting position to the other. The upper limit of piston movement is called TDC（top dead center）. The lower limit of piston movement is called BDC (bottom dead center). A stroke is piston movement from TDC to BDC or from BDC to TDC. In other words, the piston completes a stroke each time it changes its direction of motion.
Where the entire cycle or events in the cylinder requires four strokes (or two crankshaft revolutions), the engine is called a four-stroke-cycle engine, or a four-cycle engine. The four piston strokes are intake, compression, power, and exhaust.
Intake stroke. On the intake stroke, the intake valve has opened, the piston is moving downward, and a mixture of air and vaporized gasoline is entering the cylinder through the valve port. The mixture of air and vaporized gasoline is delivered to the cylinder by the fuel system and carburetor.
Compression stroke. After the piston reaches BDC, or the lower limit of its travel, it begins to move upward. As this happens, the intake valve closes. The exhaust valve is also closed, so that the cylinder is sealed. The exhaust valve is also closed, so that the cylinder is sealed. As the piston moves upward(pushed now by the revolving crankshaft and connecting rod), the air-fuel mixture is compressed. By the time the piston reaches TDC, the mixture has been compressed to as little as one –tenth of its original volume, or even less. This compression of the air-fuel mixture increases the pressured, not only does the pressure in the cylinder go up, but the temperature of the mixture also increases.
Power stroke. As the piston reaches TDC on the compression stroke, an electric spark is produced at the spark plug. The ignition system delivers a high-voltage surge of electricity to the spark plug to produce the spark. The spark ignites, or sets fire to, the air-fuel mixture. It now begins to burn very rapidly, and the cylinder pressure increases to as much as 3-5 MPa or even more. This terrific push against the piston forces it downward, and a power impulse is transmitted through the connecting rod to the crankpin on the crankshaft. The crankshaft is rotated as the piston is pushed down by the pressure above it.
Exhaust stroke. As the piston reaches BDC again, the exhaust valve opens. Now, as the piston moves up on the exhaust stroke, it forces the burned gases ort of the cylinder through the exhaust-valve port. Then, when the piston reaches TDC, the exhaust valve closes and the intake valve opens. Now, a fresh charge of air-fuel mixture will be drawn into the cylinder as the piston moves down again to-ward BDC, The above four strokes are continuously repeated.
In the four-stroke-cycle engine, already discussed in Lesson 1、2, the complete cycle of events requires four piston strokes (intake, compression, power, and exhaust). In the two-stroke-cycle, or two-cycle, engine, the intake and compression strokes and the power and exhaust strokes are in a sense combined. This permits the engine to produce a power stroke every two piston strokes, or every crankshaft rotation.
In the two-cycle engine, the piston acts as a valve, clearing valve ports in the cylinder wall as it nears BDC.
A fresh air-fuel charge enters through the intake port, and the burned gases exit through the exit through the exhaust port. The complete cycle of operation is as follows: As the piston nears TDC, ignition takes place. The high combustion pressures drive the piston down, and the thrust through the connecting rod turns the crankshaft. As the piston nears BDC, it passes the intake and exhaust ports in the cylinder wall. Burned gases, still under some pressure, begin to stream ort through the exhaust port. At the same time, the intake port, now cleared by the piston, begins to deliver air-fuel mixture, under pressure, to the cylinder. The top of the piston is shaped to give the incoming mixture an upward movement. This helps to sweep the burned gases ahead and out through the exhaust port.
After the piston has passed through BDC and starts up again, it passes both ports, thus sealing them off. Now the fresh air-fuel charge above the piston is compressed and ignited. The same series of events takes place again and continue as long as the engine runs.
We mentioned that the air-fuel mixture is delivered to the cylinder under pressure. In most engines, this pressure is put on the mixture in the crankcase. The crankcase is sealed except for a leaf, or reed, valve at the bottom. The reed valve is a flexible, flat metal plate that rests snugly against the floor of the crankcase. There are holes under the reed valve that connect to the engine carburetor. When the piston is moving up, a partial vacuum is produced in the sealed crankcase. Atmospheric pressure lifts the reed valve off the holes, and air-fuel mixture enters the crankcase. After the piston passes TDC and starts down again, pressure begins to build up in the crankcase. This pressure closes the reed valve so that further downward movement of the piston compresses the trapped air-fuel mixture in the crankcase. The pressure which is built up on the air-fuel mixture then causes it to flow up through the intake port into the engine cylinder when the piston moves down far enough to clear the intake port.
The two-stroke engine is not only very simple but gives nearly twice the power of a four stroke engine from a cylinder of given size, but it is wasteful of gasoline, as some mixture inevitably finds its way into the exhaust system on the combines intake/exhaust stroke, and there are always some combustion products left in the cylinder which reduce the rapid burning of the fuel. This kind of engine is always used in motorcycles.
中文翻譯
四行程發(fā)動機和二行程發(fā)動機的工作過程
發(fā)動機氣缸內的工作過程，可以分為四個階段，或行程。行程涉及塞的運動；活塞從某一限定位置到另一限定位置的動動稱為一行程?；钊\動的上限稱為TDC（上止點），下限稱為BDC（下止點）。一個行程就是活塞從上止點到下止點，或下止點到上止點的運動。換句話說，活塞每完成一個行程，就改變一次其運動的方向。
發(fā)動機氣缸中的全部工作過程分為四個行程的（或嗜曲軸旋轉兩周的），叫做四行程循環(huán)發(fā)動機。發(fā)動機的四個活塞行程是進氣、壓縮、做功、排氣。
進氣行程：在進氣行程中，進氣門打開，活塞向下移動，可燃混合氣通過進氣門進入氣缸。適當濃度可燃混合氣是由燃料系統和化油器提供的。
壓縮行程：在活塞到達下止點時，或者是活塞下限時，活塞開始向上運動。同時，進氣門關閉，排氣門也關閉，所以這時的氣缸是封閉的。當活塞向上運動時（這時是由轉動的曲軸和連桿推動活塞），可燃混合氣被壓縮。當活塞到達上止點時，可燃混合氣被壓縮到只有原體積的十分之一，甚至更少。當油氣混合燃料被壓縮時，不僅氣缸里的壓力上升，可燃混合氣的溫度也隨之增加了。
做功行程：當活塞到達壓縮行程到上止點時，火花塞產生電火花。電火花是由點火系統向火花塞提供高壓電脈沖而產生的。電火花點燃可燃混合氣?？扇蓟旌蠚忾_始發(fā)生劇烈燃燒，氣缸內壓力達到3~5兆帕，甚至更高。作用于活塞上強大的推動力推動活塞下運動，并將這一推力通過連桿傳到曲軸上的連桿軸頸上。因此，當活塞受壓向下動動時，推動曲軸轉動。排氣行程：當活塞受壓向下運動時，推動曲軸轉動。
排氣行程：當活塞再一次到達下止點時，排氣門打開。同時，活塞向上移動，把廢氣經排氣門排出氣缸。隨后活塞達到上止點，排氣門關閉，進氣門打開。當活塞又一次向下移動到達下止點時，新鮮可燃混合氣被吸入氣缸，上述的四個行程又繼續(xù)重復。
四行程發(fā)動機整個工作循環(huán)需要活塞完成進氣、壓縮、作功、排氣四個行程。在二行程發(fā)動機中，進氣和壓縮行以及作功和排氣行分別合并在一起的，這使得二行程發(fā)動機每兩個行程，即曲軸旋轉一周，就完成一次工作循環(huán)。
在二行程發(fā)動機中，活塞起到閥門的作用，當活塞接近下止點時，使氣缸壁上的進排氣口打開。新的可燃混合氣通過進氣口進入，燃燒過的廢氣從排氣口排出。整個工作過程如下：當活塞接近上止點時，發(fā)動機點火。燃燒產生的高壓驅動活塞向下運動，通過連桿，推動曲軸轉動。當活塞接近下止點時，以過氣缸壁上的進排氣口，燃燒過的氣體，仍有剩余壓力，開始從排氣口噴出。同時，活塞使進氣口露出，受壓縮的可燃混合氣開始進氣缸。活塞頂部的形狀使進入氣缸的可燃混合氣向上運動，這樣有助于掃氣，引導燃燒過的廢氣向上運動并從排氣口排出。
在活塞通過下止點，并開始上升時，活塞經過進氣口和排氣口，將其堵住。這時活塞上方新的可燃混合氣受壓縮后點火。只要發(fā)動機運轉，同樣的動作就會反復不斷地發(fā)生。
我們曾提到可燃混合氣是被壓進氣缸的。在大多數發(fā)動機中，可燃混合氣是在曲軸箱中受壓的。除了底部有一葉片閥（片簧閥）之外，曲軸箱是密封的。片簧閥是一片柔韌、平整的金屬片。金屬片緊貼在曲軸箱的底部。在片簧閥的下面有孔產生部分真空。大氣的壓力將片簧閥提起。打開孔道，可燃混合氣進入曲軸箱。當活塞經過上止點，又開始向下運動時，壓力就開始在曲軸箱中產生，壓力使片簧閥關閉，這樣，活塞進一步的向下運動壓縮留在曲軸箱中的可燃混合氣。當活塞向下運動直到露出進氣口，可燃混合氣所具有的壓力使其上升，通過進氣口進入氣缸。
二行程發(fā)動機不僅結構簡單，而且其功率相當于具有相同氣缸容積的四行程發(fā)動機的二倍。但是，在進氣和排氣行程中，一些可燃混合氣不可避免地進入排氣系統，并且總會有一些燃燒物滯留在氣缸中，致使燃料不能充分燃燒。所以二行程發(fā)動機耗油較大。通常使用在摩托車上。
機器人自動火焰切割H型鋼的設計
目 錄
目錄 ………………………………………………………………………………………………（1）
ABSTRACT ………………………………………………………………………………………（2）
第1章 工作臺的設計院 …………………………………………………………………………（3）
1．1 工作臺總體方案 …………………………………………………………………………（3）
1．2 工作臺的結構設計 ………………………………………………………………………（3）
1．3 滾珠絲杠螺母副的確定及驗算 …………………………………………………………（4）
1．4 導軌的選型及計算 ………………………………………………………………………（6）
1．5 推動工件的電機選擇 ……………………………………………………………………（7）
1．6 推動工件的減速器確定 …………………………………………………………………（7）
1．7 聯軸器選擇 ………………………………………………………………………………（8）
1．8 離合器的選擇及計算 ……………………………………………………………………（8）
1．9 導軌的確定 ………………………………………………………………………………（9）
1．10 壓緊離合器的彈簧選擇 ………………………………………………………………（10）
第2章 機器人總體設計中技術方案的制定 ……………………………………………………（10）
2．1 確定基本技術參數 ………………………………………………………………………（11）
2．2 選擇機器人操作機的機械結構類型 ……………………………………………………（11）
2．3 機器人控制方式的選擇和控制系統設計 ………………………………………………（12）
2．4 機器人驅動方式的選擇 …………………………………………………………………（12）
第3章 腕擺設計 …………………………………………………………………………………（12）
3．1 腕擺電機選擇 ……………………………………………………………………………（12）
3．2 電機轉速 …………………………………………………………………………………（13）
3．3 同步帶傳動設計 …………………………………………………………………………（13）
3．4 同步帶輪設計 ……………………………………………………………………………（14）
3．5 諧波齒輪減速裝置設計 …………………………………………………………………（14）
3．6 腕擺中其它零件的選擇及設計 …………………………………………………………（16）
3．7 手腕的裝配 ………………………………………………………………………………（16）
結束語 ………………………………………………………………………………………………（17）
鳴 謝 ………………………………………………………………………………………………（17）
參考文獻 ……………………………………………………………………………………………（18）
abstract
（此處為英文摘要， 字體：Time New Roman，）
（字號：12磅，）
（行距：固定值=22）
機器人自動火焰切割H型鋼的設計
機械設計制造及其自動化，99121110， 李活文
指導教師：張 鍵 副教授
摘 要 ：利用機器人切割大型H型鋼，是目前減輕勞動強度、增加效益的有效途徑，尤其
是在環(huán)境比較惡劣的地方。機器人作為一種高新科技，在國內應用還只是局限于很少的一些部門，為了使機器人的應用在我國廣泛應用到各方面各部門，本設計主要著重于機器人的設計，為機器人的廣泛應用吶喊助威。
關鍵詞 ：機器人 ；切割機器人
第1章 工作臺的設計
1．1．工作臺總體方案
考慮到機器人造價比較貴，采用兩個工作臺一字排列，如圖1所示
圖 1
工作過程為：先在一個工作臺上安裝好工件，用機器人氣割，在氣割的同時，在另一個工作臺安裝工作；當機器人氣割完第一個工件后，馬上到第二個工作臺去氣割工件，同時在第一個工作臺上裝卸工件。這樣有利于提高機器人的利用率。
在工作臺的兩側，一側裝卸工件，在另一側則是機器人運行的軌道；而在工作臺下面則是用電機推動工件定位的機構。
1．2．工作臺的結構設計
由于工作地點在室外，且精度要求不高，所以工作臺的結構設計主要安照經驗來設計。
1． 2．1 慮工作的高度，取工作臺的長度為L=12000mm，寬度為B=1330mm，高度為H=1330mm。
1． 2．2 作臺采用方形，四條邊的寬高分別為50mm、100mm，而在其兩側每隔2米在工作臺下焊接一根330×100×50的鑄鐵作為工作臺的腳部，在工作臺面每隔500mm焊一塊角鋼，作為支持工件H鋼，其?角鋼號數為10；橫條邊部平均焊上三片高200mm，厚30mm的鐵片作為工件的定位裝置。
1．3 滾珠絲杠螺母副的確定及驗算
滾珠絲杠副傳動與滑動絲杠相比其主要特點是：1）傳動效率高，一般可達95%以上，是滑動熱杠傳動的2~4倍；2）運動平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高、低速無爬行；3）可以預緊、消除絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度；4）定位精度和重復定位精度高；5）使用壽命為普通滑動絲杠的4~10倍甚至更高；6）同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得較好的同步性；7）使用可靠、潤滑簡單、維修方便；8）不自鎖，可逆向傳動，即螺母為主動，絲杠為被動。旋轉運動變?yōu)橹本€運動；9）有專業(yè)廠生產，選區(qū)用配套方便。
1．3．1 工字鋼的摩擦力計算Ff=G×f ，工字鋼如圖2 。
1．3．1．1 G為工字鋼的重力，f為摩擦系數
G=mg=ρVg=ρSLg
S=t1(H-2t2)+2Bt2+0.85r2
=30×（800-2×30）+2×800×30+0.85×302
=70965mm2
V=SL=70965×12000=8.5×108mm3
=0.85m3
1．3．1．2摩擦系數
f=0.15 ρ=7.8×103kg.m3
Ff=7.8×103×0.85×9.8×0.15
=9746N
1．3．2工作臺主要受絲杠軸向力FL=Ff/2=9750/2 = 4875 N
FL=FZ= 4875 N
FC=FV
≈0 圖 2
1．3．3 最大工作載荷計算
選矩形導軌
Fm=KFL+f’（FV+FC+G）
其中K=1.1 f’=0.005
G為移動部件的重力，約取G=200N
Fm=1.1×4875+0.005（0+0+200）
=5364 N
1．3．4 最大動負載C
C=
L=60nt/106
取進給速度V=1 m/min
絲杠基本導程選LO=10mm
∴ n=1000n/LO =1000×1/10=100 r/min
取t=8000h
因有沖擊，取fm=2 而Fm=5364 N
C=×2×5364
=48077 N
∴ 選用外循環(huán)滾動螺旋副，其中絲杠選用dm=63mm Lo=10 mm
Ca= 51600 N
1．3．5 傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率η為
η= tgλ/tg(λ+φ)
式中：λ為絲杠螺母旋升角，可由上得λ=2.9°，φ為摩擦角,滾珠絲杠副的滾動摩擦系數f = 0.003～0.004 ,其摩擦角約等于10′。
∴η= tg2.9°/tg(2.9°+ 10′)
= 0.946
1．3．6 剛度驗算
滾動絲杠副的軸向變形將收起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉變形小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計。
1．3． 6．1絲杠的拉壓變形量δ1′
滾珠絲杠奕計算滿載時拉壓變形量
δ1′= ±FmL/(EA)
式中：δ1′為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）；Fm為絲杠的工作載荷Fm = 5364N；L為滾珠絲杠在支承間的受力長度L = 330mm ；E為材料彈性模量，對鋼E = 20.6 ×104Mpa ；A為滾珠絲杠按內徑確定的截面積A=πdm2/4 = 3.14×632/4 =3115.7 mm2 ，“+”號用于拉伸，“－”用于壓縮。
δ1′=±5364×330/（20.6 ×104×3115.7）
=±0.0028mm
1．3．6．2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
有預緊δ2 = 0.0013 ×
式中：Dw為滾珠直徑Dw = 5.953mm；Z= Z×圓數×列數；Z為一圈的滾珠數，Z=πdm/Dw = 3.14×63/5.953 = 33.2
Z= 33.2×3.5×1 = 116.2
Fm = 5364 N
因當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3 時，δ2 值可減小一半左右，所以FYJ取C/3 。
FYJ = C/3 =48077/3 = 16026 N
δ2 = = 0.0064mm
1．3．6．3珠絲杠副剛度的驗算
絲杠的總變形量δ = δ1′+ δ2 應小于允許的變形量。一般δ不應大于機床進給系統規(guī)定的定位精度的一半。
δ = 0.0028 + 0.0064 = 0.0092 mm
機床進給系統的定位精度取0.1mm ,其一半為0.05mm
∴δ = 0.0092 mm ＜ 0.05 mm
∴ 剛度符合要求
1．3．7壓桿穩(wěn)定性驗算
臨界載荷FK=fZπ2EI/L2
其中E=20.6×104MP （因材料為鋼）
I=πd14/64 d=D0+2e+2R
R=0.52d0 e=0.07(R-d0/2) (d0為滾珠直徑，由上可知d0=9.525)
R=0.52×9.525
=4.944
e=0.07×(4.944-9.525/2)
=0.01337
d1=63+2×0.01337-2×4.944
=53.14
I=3.14×53.144/64
=391233mm4
絲杠最大工作長度L取L=300mm
絲杠支承方式系數fz=0.25
因選用一端軸向固定，一端自由
FK=0.25×3.142×20.6×104×391223/3002
=2.207×106N
nk=FK/Fm
=2.207×106/5364
=411.3
nk=411.3﹥[nk]=10
穩(wěn)定性安全系數滿足要求
1．4導軌的選型及計算
按標準，導軌副選用GGB—AA型直線滾動導軌副，規(guī)格為T25
如圖3所示：
圖 3
直線滾動導軌副的特點陣字是：
1） 承載能力大，剛度高。在直線滾動導軌副中，滾珠與圓弧溝槽相接觸，因而許用載荷和剛度與點接觸相比有較大幅度的提高。
2） 采用直線滾動導軌副可簡化設計、制造和裝配工作。導軌副的安裝基面精度和質量要求不高，只要求精銑或精刨。
1．5推動工件的電機選擇
T=FmD0/2tg（λ+ρ）=9550P2/n
∵ 摩擦系數f=0.15
∴ tgρ=0.15 即得ρ=8.53°
由上選的絲杠可得D0=63mm
λ=2°54′= 2.9°
（5364×63×10-3/2tg(2.9° + 8.53° ) ）=9550P2/n
P2/n=0.0036
取n=750 r/min
P2=0.0036×750=2.7Kw 圖 4
∴取標準P2=3 Kw
電機型號選Y132M-8
P=3Kw n=750 r/min
電機的安裝及外形，如圖4所示
1．6推動工件的減速器確定
減速器選ZLY型硬齒面臥式圓柱齒輪減速器（ZBJ19004—1988），其齒輪為漸開線斜齒齒輪，系采用優(yōu)質材料（如齒輪用20CrMnMo滲碳淬火、鍛造毛坯，齒面硬度為55~62HRC），經磨齒修緣、精度6級，箱體經精密鏜孔等制成。
承載能力高，運轉平穩(wěn)，噪聲低。其代號為ZLY160—10—I 。如圖5
圖 5
該減速器的適用條件是高速軸轉速不高于1500 r/min ，齒輪圓周速度不高于20 m/s ；環(huán)境溫度—40~45°C，低于0°C時，起動前應將潤滑油先熱到8°C以上，高于45°C時應采取隔熱措施。
1．7聯軸器選擇
1．7．1 連接電機與減速器的聯軸器選擇
聯軸器選用彈性柱梢齒式聯軸器，其型號為ZL3 ，如圖6
該種聯軸器與齒式聯軸器比，具有結構簡單、輕、維護方便，無需潤滑等優(yōu)點。
圖 6
1．7．2 連接減速器與錐式摩擦離合器的聯軸器選擇
在錐式摩擦離合器的一端用軸套加厚至與減速器的輸出軸一端同樣大小，取即為φ75 ，然后再用軸套聯軸器連接起來。軸套聯軸器選用A型 d = 75，其標號為 75 。
1．8離合器的選擇及計算
離合器選錐式摩擦離合器
由電機的d=42mm，確定錐式摩擦離合器的大小
D=（4~6）d=（4~6）×42=168~252 取D=230
d1= 2.3d = 2.3×42 = 96.6
l1 = 2d = 2×42 = 84
l2 = 1.5d =1.5×42 = 63
l3 = 0.5d = 0.5×42 = 21
t = 0.4d = 0.4×42 = 16.8
s = 0.3d = 0.3×42 =12.6
c = 0.25d = 0.25×42=10.5
a≥8°~10° 取a=9°
靜摩擦系數f=0.12 （許用比壓[P]=1.2Mpa）
錐式摩擦離合器如圖7
摩擦面平均直徑Dm
Dm=D-（0.5+1.6tgα）d
=230-(0.5+1.6tg9°)× 42
=198.4
摩擦面寬度b
b = ( 0.18 ~ 0.25 )Dm
= ( 0.18 ~ 0.25 ) × 198.4
=35.7 ~ 49.6
取 b = 45
計算轉矩Tp=KT/(k1k2) 圖 7
其中T為傳遞的轉矩
K為工作貯備系數K = 1.3 ~ 1.5 ，現取K=1.4
k1為平均圓周速度修正系數，取k1 = 1.3
k2 為結合次數修正系數，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．m
Tp=34.1 × 1.4/1.3
=36.7 N．m
摩擦錐行程 x = δ/sinα
其中δ離合脫開所需間隙，一般取δ= 0.5 ~ 1 現取δ= 0.8
x = 0.8/sin9° = 5.13 mm
脫開力與結合力Q = 2Tp(fcosα±sinα )/ ( Dmf ))
接合時用“+” ， 脫開時用“-”
Q合= 2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9° ＋sin9° )/ ( 293.5×0.12 )
=572 N
Q開=2 × 36.7 ×103 × ( 0.12cos9°－sin9° )/ ( 293.5×0.12 )
=－78.1 N
摩擦面比壓P=2Tp /πD2bf < [ P ]
P=2×36.7 ×103/ (3.14×198.42×45×0.12 )
=0.11 Mpa
∴ P= 0.11 Mpa < [ P ] = 1.2Mpa
1．9導軌的確定
1．9．1
∵導軌主要受機器人的自身重力，其受力不大
∴選用中小型起重機的小車常用輕型，其型號選為15 。
其外形如圖8
圖 8 圖 9
1．9．2 用熱軋槽鋼把導軌焊接在一起，熱軋槽鋼型號選用40c
1．9．3 小車輪子的設計
按經驗及主要考慮安全因數設計輪子，現設計為兩輪子的直徑為92 mm ，厚度為30 mm;
中間軸直徑為50mm , 長度為43 mm ，兩端軸直徑為25 mm 。如圖9
1．9． 4小車的設計
小車板面設計成為800×500×30的工作板塊。
1． 9．5小車板塊上樹立外徑為300 mm 的空心圓柱，內徑為200 mm ；樹立的圓柱頂部再焊一條同樣規(guī)格的空心圓柱，不過是水平方向放置。
1.10 壓緊離合器的彈簧選擇
彈簧的性能和使用壽命很大程度上取決于材料的選擇。要求材料具有較高的疲勞極限、屈服點和足夠的沖擊韌度。現選取的彈簧材料用熱軋彈簧鋼經熱卷成型后，再淬火回火處理制。
由Fm/f = cos9°
∴ f = Fm/cos9°
= 5264/cos9°
= 5430 N
∵ 一個離合器接二個彈簧
∴ 試驗載荷取f的一半，即為2715 N
據標準選取圓柱螺旋壓縮彈簧,其材料直徑d = 8 mm，彈簧直徑D = 32 mm,
許用應力τp = 585 Mpa，試驗載荷Fs = 3676 N ,一圈彈簧的試驗變形量fsd = 2.98 mm 。
其端部結構形式為：兩端圈并緊并磨平。
第二章 機器人總體設計中技術方案的制定
機器人系統的引用，應做到以下幾點：
1． 析和確定機器人系統的方案。
（1） 機器人系統的應用和可行性調查?？尚行哉{查主要是技術和經濟兩個方面。
（2） 確定產品工藝過程和機器人作業(yè)動作要求。對工藝過程中每一個工作單元的任務應有明確規(guī)定，即每一個工作單元將要做的工作數量。
（3） 確定機器人系統的能力和適用的作業(yè)范圍和外圍裝置。機器人系統的外圍裝置指的是為完成機器人操作，而應配的輔助裝置。
（4） 進行不同方案的對比研究。
（5） 確定機器人系統方案。
2． 詳細設計階段
詳細設計的內容有：
（1） 機器人機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器及與機器人作業(yè)對象有關的設計。
（2） 外圍設備的設計。
（3） 安全裝置的設計。
（4） 布局設計。 包括人—機系統的詳細內容，作業(yè)對象的流動系統，維護和服務區(qū)等的布局設計。
（5） 安全保護設施的設計。
3． 制造、安裝、試運轉階段
其工作內容有：
（1） 自制設備的制造、外購設備的檢查驗收。
（2） 系統的總體布置和設備安裝。
（3） 調試、試運轉。
（4） 邊續(xù)工作運轉，調整。
2．1確定基本技術參數
2．1．1額定負載
目前，國內外使用的工業(yè)機器人中，其負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產生的慣性力（矩）等。
2．1．2工作范圍
工業(yè)機器人的工作范圍是根據工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀尺寸則影響機器人的機械結構坐標型式、自由度數和操作機各手臂關節(jié)軸線間的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。
2．1．3運動速度
機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試作各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅動和控制方式、定位方式和精度要求。
2．1．4 分辨率、位姿準確度和重復性、軌跡準確度和重復性以及最小定位時間
工業(yè)機器人各運動軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度稱分辨率。次執(zhí)行同一位姿指令，實到位姿與指令位姿之間不一致程度自然保護區(qū)位姿準確定。機械接口中心跟隨指令運動軌跡的不一致程度，稱為軌跡誰確度。在相同條件下，用同一方法操作，重復多次所測得的同一位姿散布的不一致程度，稱為位姿重復性。機械接口中心沿同一軌跡運動，重復多次所測得的軌跡的不一致程度，稱為軌跡重復性。
工業(yè)機器人中分辨率、準確度、重復性精度要求是根據其使用要求確定的，而工業(yè)機器人本身所能達到的精度則取決于操作機結構的剛度，運動速度控制和驅動方式、定位和緩沖方法等因素，應用在不同操作和工藝過程的工業(yè)機器人重復性精度要求也不同。
2．2 選擇機器人操作機的機械結構類型
機械結構類型是以其坐標形式來表明其類型，并說明其自由度數。根據對機器人基本技術參數的要求來選擇機械結構類型的坐標形式及其自由度數是機器人系統設計中進行結構設計的基礎。選擇何種類型須根據現場作業(yè)位置，工藝操作要求等情況，經分析、比較后進行選擇。自由度數愈多，機器人的靈活性和通用性愈大。工業(yè)機器人一般須有4~6個自由度才能滿足靈活性和通用性的要求。在滿足需要的條件下，應使用自由度最少，以簡化機器人的結構和控制。
在確定所加工產品（工字鋼，即機器人作業(yè)對象）工藝過程和機器人作業(yè)動作要求時，應在滿足工藝要求的前提下，縮短動作行程，簡化動作運動軌跡，減少機器人操作機的自由度數。動作行程短，在相同的循環(huán)時間條件下，降低了機器人手臂動作的運動速度，能提高運動準確度和重復精度，便于設計和制造。
2．3 機器人控制方式的選擇和控制系統設計
根據近期內外設計制造的工業(yè)機器人來看，都采用計算機控制系統，所以本設計也采用計算機控制系統。
2．4 機器人驅動方式的選擇
驅動裝置是帶動操作機各運動臂的動力源，本設計中采用電動機來驅動。
第3章 腕擺設計
腕部結構的設計要滿足傳動靈活、結構緊湊輕巧，避免干涉。多數將腕部結構的驅動部分按在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現各個動作。
從腕部結構圖和傳動原理圖圖10，可以看出，這是一個腕擺一個手轉二自由度的手腕結構，其傳動路線為，腕擺電機通過同步齒形帶傳動帶動腕擺諧波減速器，減速器的輸出軸帶動腕擺框實現腕擺運動；手轉電機通過減速器和和齒形帶，以及一對錐齒輪來實現手轉運動。注意，當腕擺框擺動而手轉電機不轉時，聯接手部的錐齒輪在別一錐齒輪上滾動，產生附加的手轉運動，在控制上要進行修正。
圖 10
3．1 腕擺電機選擇
驅動形式選用電動機形式驅動，且為步進電動機，性能特點有如以下：
（1） 使用范圍，適用于運動控制要求嚴格的中、小型號機器人。
（2） 控制性能和安全性，控制性能好，控制靈活性強，可實現速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響。
（3） 結構性能，體積小，需減速裝置。
（4） 安裝和維護要求，維修使用較復雜。
（5） 效率與制造成本，成本較高，效率為0.5左右。
由能量守恒量可得：p t η = m g h
其中η= 0.8, 取t = 2 s m = m1 + m2 =10 + 20 = 30 Kg h = 30 cm
∴ p×2×0.8 =30×9.8×0.3
p = 55 W
由于其效率為0.5左右
∴ P = 55/0.5 = 110 W
選電機型號為75BF003 ，相數為3。
其功率p = 120 W
3．2 電機轉速
nmax =Vmaxθb / (360 ×δp )
其中θb = 1.5°/步 δp =0.1mm/脈沖 Vmax = 1m/s = 60000 mm/min
∴ nmax =60000×1.5/(360×0.1) = 2500 r/min
即 n1 = 2500 r/min
3．3 同步帶傳動設計
3．3．1 功率計算
PC = KAP
其中KA = 1.1
∴ PC = 1.1 ×120=132 W = 0.132 Kw
3．3．2 選擇帶型Pb為XL
3．3．3 小帶輪齒數Z1 ≥ Zmin = 12
考慮有利于提高帶的經曲疲勞壽命，現取Z1 = 15
3．3．4 小帶輪節(jié)圓直徑d1 = Z1Pn/π
由上可得節(jié)距大小Pn = 5.080
∴ d1 = 15 ×5.080/3.14 = 24.27 mm
3．3．5 大帶輪齒數Z2 = iZ1 = n1Z1/n2
現取i= 3.2 則Z2 = 3.2 × 15 = 48
n2 = n1/i = 2500/3.2 = 781.3 r/min
3．3．6 大帶輪節(jié)圓直徑d2 = Z2Pb/π
∴d2 = 48×5.080/3.14 = 77.7
3．3．7 帶速V =πd1n1/( 60×1000 )≤Vmax = 50 m/s
V = 3.14×24.27×2500/( 60×1000 )
= 31.75 m/s ＜ Vmax = 50 m/s
∴ 合符要求
3．3．8 初定中心距a0≥ 0.7( d1+ d2 )
a0≥ 0.7 × ( 24.27 + 77.7 ) = 71.38 mm
現取 a0 = 180 mm
3．3．9 帶節(jié)線長及其齒數（ Lp , Z ）
L0 = 2a0 + π(d1+ d2)/2 + (d2 - d1)2/(4a0)
= 2×180 + 3.14×(24.27 + 77.7 )/2 +(77.7 – 24.27)2/ (4×180 )
= 524 mm
選帶長代號：210
∴節(jié)線周長Lp = 533.40 ± 0.61
節(jié)線長上的齒數Z=105
3．3．10實際中心距a = a0 ± (Lp－L0)/2
現取“+” 號
∴ a = 180 + （533.4－524）/2
= 184.3 mm
3．3．11小帶輪嚙合齒數Zm ≈( 1/2－(d2－d1)/(6a))Z1≥Zmmin = 6
Zm ≈ {1/2－(77.7－24.27)/(6×184.3)} ×15 = 6.8
∴ Zm＞Zmmin = 6
3．3．12基本額定功率P0 = （Ta－mv2）× v ×10－3
基本額定功率是基準寬度bs0的額定功率，其中 bs0 =9.5 mm
許用工作拉力Ta = 31 N ，m = 0.01 Kg/m
P0 = (31－0.01 × 31.752) × 31.75 ×10－3
= 0.66 Kw
3．3．13帶寬 bs
按標準選取 bs = 7.9 mm
3．4同步帶輪設計
3．4．1直徑按標準選取
3．4．1．1 小帶輪：節(jié)徑d1= 24.26 mm ， 外徑D1= 23.75 mm
3．4．1．2 大帶輪：節(jié)徑d2=77.62 mm , 外徑D2=77.11 mm
3．4． 2 寬度
3．4．2．1 小帶輪：帶輪采用無邊擋圈，由于同步帶寬度為7.9 mm，帶輪最小寬
度為10.4 mm ，現取為11 mm。
3．4．2．2大帶輪：跟小帶輪的寬度一樣，同為11 mm 。
3．5諧波齒輪減速裝置設計
3．5．1作原理
諧波齒輪傳動裝置是由三個基本構件組成，即具有內齒的剛輪G、具有外齒的容易變形的，薄壁圓筒狀柔輪R和波發(fā)生器H。剛輪子和柔輪上輪齒的齒形和周節(jié)相同（齒形多用漸開線或三角形），但柔輪比剛輪少2 個或幾個齒。波發(fā)生器由一橢圓盤和一柔性滾珠軸承組成，也可以由一個轉臂和幾個滾子組成。通常波發(fā)生器為主動件，柔輪和剛體之一為從動件，另一為固定件。
諧波齒輪傳動的工作原理如圖10所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器H為主動件，柔輪R為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內孔時，由于波發(fā)生器兩滾子外側之間的距離略大于柔輪內孔直徑，使原為圓形的柔輪產生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉時，嚙入區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的的剛輪沿與波發(fā)生器轉向相反的主向作低速回轉，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上連續(xù)的簡諧波開。因此，這種傳動稱為諧波傳動。若柔輪固定，剛輪從動，其工作過程完全相同，只是剛輪的轉向與波發(fā)生器轉向相同。
圖 11
3．5．2 計算
如圖11所示，波發(fā)生器有兩個觸頭，產生兩個嚙個區(qū)，故稱雙波發(fā)生器。其傳動比計算：
現選為：波發(fā)生器主動、柔輪固定、剛輪從動，當波發(fā)生器回轉時，迫使剛輪順序地和剛輪嚙合，波發(fā)生器回轉一周i時，剛輪相對柔輪與波發(fā)生器同方向轉過（ZG－ZR）個齒,即順轉了（ZG－ZR）/ ZG周。因此波發(fā)生器和剛輪的減速傳動比為： iHGR = nH/nG = ZG/（ZG－ZR）
式中ZG、ZR分別為剛輪與柔輪的齒數，nH 、nG 分別為波發(fā)生器和剛輪的轉速。
現取ZG =200 ZR =198
iHGR =200/（200－198） = 100
取模數m = 0.3
∴dRf = (ZR－2h*－2C*)m
=(198－2×1－2×0.25)×0.3
=58.65 mm
dRa=(ZR＋2h*)m
=(198＋2×1) ×0.3
=60 mm
dR=mZR
=0.3×198 =59.4 mm
dGf = (ZG－2h*－2C*)m
=(200－2×1－2×0.25) ×0.3
=59.25 mm
dGa=(ZG＋2h*)m
=(200＋2×1) ×0.3
=60.6 mm
dG=mZG
=0.3 × 200
=60 mm
3．6 腕擺中其它零件的選擇及設計
3．6．1 實現腕部動作，把腕部支連起的來一條階梯軸，如零件圖中所示。
3．6．2 軸的左端，由軸為φ20，而選用角接觸球軸承36204連接；右端軸為φ15，而選為角接觸球軸承36205。
3．7 手腕的裝配
由于機器人存在定位誤差，或者講分辯率有限，會造成裝配失敗的情況。一般來說在機器人進的精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件之間的配合精度相當高，由于被裝配零件的不一致性、工件的定位夾具、機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就需要裝配動作的柔順性要求。
柔順裝配要求技術有兩種，一種是從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實現邊校正邊裝配。有的手爪上還配有檢測元件如視覺傳感器、力傳感器等，這就是所謂主動柔順裝配。另一種是從結構的角度在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的需要。這種柔順裝配技術稱為“被動柔順裝配”。
結束語
本次的畢業(yè)設計，是對大學四年來所學知識的綜合運用。在設計過程中，通過對所學知識的系統復習，總體溫習，鞏固了大學階段所學的知識，尤其是對某項課題作專門的了解，收集資料，分析資料，并獨立思考和解決問題，這是對以后在科學研究和解決實際工作問題的一個很好的訓練。
通過對使用機器人切割H型鋼的設計，使我了解到目前國內、外機器人的總體使用情況，尤其我國目前的實際情況。這次設計是南油西部石油公司合眾近海建設公司的課題，通過對他們提出的要求進行系統的分析，加上對實際情況了解，完成了本次設計。在設計過程中，雖然沒有使用到CAXA的軟件，但是通過對它的學習，使自己的創(chuàng)造思維快速向三維方向靠攏，可使自己的思維觀念可以客觀、實在的再現出來。在設計過程中，得到張鍵老師的指導，對我完成這次的設計提供了不可磨滅的作用，才能使我按時按質完成設計任務。
設計任務的完成，使我對自己的能力有進一步的了解，并對自己充心信心。只要自己肯努力付出，并充分發(fā)揮自己所學知識和技巧，任何事情都可以完美完成。在設計過程中，深深體會到了：獨立自主解決定很重要，但相互合作也是不可忽視的，因為在以后在工作中，是需要彼此之間相互合作的，一個人的力量是有限的，只有通過大家的合作，才能快速、有效地完成任務。
鳴 謝
鳴謝：張鍵副教授和林菁老師的熱心指導。
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