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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)
摘 要
現(xiàn)代工業(yè)不管是加工還是制造都存在著多種多樣的方式，有人力手動(dòng)的也有機(jī)械加工的，然而在這其中，桁架機(jī)械手機(jī)無(wú)疑是一種十分方便快捷而且簡(jiǎn)單易懂的型鋼抓取的高效率產(chǎn)品。
本次設(shè)計(jì)的桁架機(jī)械手與同類其它產(chǎn)品相比可以抓取各種形狀的型鋼，比如槽鋼，工字鋼，方鋼等等。除此以外，它還具有裝卸快速、使用安全、一機(jī)多用、操作方便、結(jié)構(gòu)合理、便于安裝等眾多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)桁架機(jī)械手的機(jī)市揚(yáng)占據(jù)了很大份額，我們知道的桁架機(jī)械手所用于工廠、碼頭、鐵路、建筑等安裝生產(chǎn)和制造。
隨著工業(yè)及制造業(yè)的發(fā)展，各類型鋼在工業(yè)、農(nóng)業(yè)上的廣泛運(yùn)用，推動(dòng)了桁架機(jī)械手機(jī)的不斷發(fā)展，桁架機(jī)械手的發(fā)展到現(xiàn)在已取得了很大的進(jìn)步，它是從最早期的手動(dòng)抓取發(fā)展到現(xiàn)在的全自動(dòng)抓取。本次研究主要在于熟悉桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)并計(jì)算桁架機(jī)械手，增加桁架機(jī)械手的精度，更好解決一些生產(chǎn)工藝上以及零件規(guī)格合格率的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 型鋼 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
-31-
Design of type steel stacker
Abstract
Modern industry, there are various ways of processing or manufacturing, including manual labor and mechanical processing. However, the stacker crane is a very convenient, fast and simple high-efficiency product for steel stacking.
The design of this type of steel, steel and other products compared to the stacker stacker can be of various shapes such as steel, steel, steel and so on. In addition, it also has a fast, safe use, multifunction, the stacker crane is a very convenient, convenient operation, reasonable structure, convenient installation and handling many advantages, the stacker crane is a very convenient,occupy a large share in the domestic steel market stacker machine, steel stacking machine we know are used in factories, docks, railways, construction and installation of production and manufacturing.
With the rapid development of industry and manufacturing industry, various types of steel are widely used in industry, agriculture, and promote the continuous development of steel stacking machine, development of steel stacking machine now has made great progress, it is from the early development of manual palletizing automatic stacking now. This research is mainly focused on the structural scheme of familiar steel stacker, designing and calculating the steel stacker, increasing the accuracy of steel stacker, and better solving some practical problems of production process and parts qualification rate.
Keywords Section steel Stacker Structural design
目 錄
摘要 I
Abstract II
桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì) I
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題設(shè)計(jì)的目的和意義 2
1.3 本課題研究的內(nèi)容 2
第2章 工作原理簡(jiǎn)介 4
2.1 整體方案 4
2.2 工作原理 4
2.3 本章小結(jié) 5
第3章 各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1.1 工作原理 6
3.1.2 機(jī)械手載荷計(jì)算 6
3.1.3 液壓缸的計(jì)算 7
3.1.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算 9
3.2 龍門機(jī)架的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.2.1 主梁危險(xiǎn)載面的強(qiáng)度驗(yàn)算 12
3.2.2 支腿危險(xiǎn)載面的強(qiáng)度驗(yàn)算 14
3.2.3 受力分析 15
3.2.4 截面強(qiáng)度計(jì)算 16
3.2.5 截面剪切強(qiáng)度計(jì)算 17
3.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3.1 滾珠絲杠計(jì)算和選型 17
3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型 18
3.3.3 滾珠絲杠副的支承方式 18
3.3.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算 19
3.3.5 剛度的驗(yàn)算 19
3.3.6 穩(wěn)定性校核 20
3.3.7 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 20
3.3.8 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用 21
3.4 小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 23
3.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 23
3.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 27
3.5 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
第1章 緒論
1.1 課題研究背景
研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進(jìn)性的機(jī)械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進(jìn)性的機(jī)械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進(jìn)性的機(jī)械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進(jìn)性的機(jī)械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性可以、質(zhì)量和成本。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，它們都將會(huì)使國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益發(fā)生翻天覆地的變化和促進(jìn)作用。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，機(jī)械工業(yè)的綜合實(shí)力和技術(shù)雄厚水平始終會(huì)為國(guó)家經(jīng)濟(jì)能力和科學(xué)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵要素。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)。所以說(shuō)，全球普遍看來(lái)都會(huì)不遺余力的去開(kāi)拓機(jī)械工業(yè)行業(yè)看成發(fā)展自己國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平能力的發(fā)展戰(zhàn)略關(guān)鍵。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進(jìn)性的機(jī)械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。始終加強(qiáng)目前的機(jī)械設(shè)備和制造新一代機(jī)械設(shè)備，取應(yīng)付目前和將來(lái)的需求。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，都是很重要的事情。
機(jī)械設(shè)備的制造，其中涵蓋了很多東西，有生產(chǎn)設(shè)施制定方案和結(jié)果；不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)方案的指定與生產(chǎn)統(tǒng)籌管理；不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)實(shí)施生產(chǎn)工藝編寫；設(shè)計(jì)和制造工具、模具；確定勞動(dòng)定額和材料定額不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，；進(jìn)行加工、整合、驗(yàn)收與打包送貨；對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)施具有目的性的管理。機(jī)械通?？赡苁侵T多個(gè)不同尋常的成形、經(jīng)過(guò)加工的高質(zhì)量零件配合起來(lái)的高難度的東西。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說(shuō)是新發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)業(yè)，通常來(lái)說(shuō)機(jī)械生產(chǎn)制造中批量，會(huì)分類成單件小批的，或者中批量的，但大部分都為大批量的制造來(lái)節(jié)約成本提高效率。
1.2 課題設(shè)計(jì)的目的和意義
目前，世界上機(jī)械手的發(fā)展已經(jīng)很成熟了。已發(fā)展形成了各種類型的小型車間用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械手主要有兩大類，磁性和非磁性機(jī)械手[1]。一類是磁性機(jī)械手。軋件由裝有可調(diào)磁性的翻轉(zhuǎn)臂和輸送小車進(jìn)行一車抓取，并且層與層之間是面對(duì)面或背對(duì)背交替放置的。該系統(tǒng)主要運(yùn)用于中型型鋼抓取。全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作。鋼材抓取后，由平立輥道輸送到打捆區(qū)，平立輥道的寬度是可調(diào)的，以避免料垛散落[2]。
機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用，這方面包括機(jī)械設(shè)備的選擇、訂購(gòu)、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、振動(dòng)與噪聲是人們?nèi)粘Ｉ钆c工業(yè)生產(chǎn)中極其常見(jiàn)的物理現(xiàn)象[2]，其對(duì)于一般工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是極其有害的。在機(jī)械加工領(lǐng)域，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)使機(jī)構(gòu)磨損加劇，降低使用壽命，影響零部件的加工精度；而在土木建筑、交通運(yùn)輸以及航空航天等領(lǐng)域，振動(dòng)不僅可能造成橋梁坍塌，火箭發(fā)射失利，人員的舒適度與安全度降低等，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成人員的傷亡。因此，振動(dòng)所帶來(lái)的危害不容小覷。振動(dòng)控制技術(shù)作為改善系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲的有效手段，是時(shí)下熱門的研究方向之一。當(dāng)前，振動(dòng)控制的方法可概括為：被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃法[22]。被動(dòng)控制法主要通過(guò)各種儲(chǔ)能或耗能材料以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的吸收與耗散。
維護(hù)、修理和改造以及各行業(yè)使用的成套機(jī)械設(shè)備和機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用，來(lái)確保機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這包括機(jī)械的工業(yè)使用和成套機(jī)械設(shè)備、機(jī)械產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品的選擇、訂購(gòu)、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和翻新，以確保機(jī)械產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用是研究機(jī)械產(chǎn)品制造過(guò)程中的環(huán)境污染、機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用和自然資源的過(guò)度消耗，特別是自然資源的利用，以及解決這些問(wèn)題的措施。機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用是現(xiàn)代機(jī)械工程的一項(xiàng)重要任務(wù)，其重要性日益提高。
1.3 本課題研究的內(nèi)容
本論文主要研究運(yùn)用所學(xué)大學(xué)課程知識(shí)對(duì)桁架機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，了解CAD的各種功可以，及所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，達(dá)到學(xué)以致用的目的。本次設(shè)計(jì)的其主要內(nèi)容為：
1、桁架機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2、根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行計(jì)算；
3、對(duì)相關(guān)重要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核；
4、運(yùn)用AutoCAD軟件繪制機(jī)械手的裝配圖及重要零件圖；
4、最后完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫。
第2章 工作原理簡(jiǎn)介
2.1 整體方案
本次設(shè)計(jì)的桁架機(jī)械手是機(jī)械生產(chǎn)制造中很常見(jiàn)的一種設(shè)備，它的工作流程是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，把型鋼抓取成型，合理安排擺放空間位置，完成生產(chǎn)制造的統(tǒng)一管理。
桁架機(jī)械手的工作原理圖如圖2-1所示：X方向的移動(dòng)梁在龍門架的導(dǎo)軌上運(yùn)行，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)完成X方向的移動(dòng)，Y方向移動(dòng)梁在X移動(dòng)梁上運(yùn)動(dòng)，也是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)完成Y方向的移動(dòng)。
上升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作同理也是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)完成上下運(yùn)動(dòng)。抓取機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式，這樣夾緊力可以保證很大。抓取的穩(wěn)固。
在抓取型鋼時(shí)，首先把抓取機(jī)構(gòu)通過(guò)各梁的移動(dòng)，到達(dá)指定位置，然后抓取，上升后，再把型鋼移動(dòng)到所需要抓取的地方，抓取機(jī)構(gòu)松開(kāi)。完成一次抓取。
圖2-1 方案圖
2.2 工作原理
桁架機(jī)械手的工作原理為：通過(guò)控制信號(hào)控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)部件，完成堆通過(guò)抓取機(jī)構(gòu)到指定的型鋼堆積的地方夾住型鋼完成指定位置的抓取。整個(gè)機(jī)械手的動(dòng)作前提都是靠光電傳感器檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)它們的反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，然后經(jīng)過(guò)中控系統(tǒng)來(lái)對(duì)機(jī)械手的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有序地操作，從而完成整個(gè)抓取的工藝流程。
2.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案，了解了其工作的工作原理，從而更清楚各個(gè)機(jī)構(gòu)的關(guān)聯(lián)及工作內(nèi)容，來(lái)更好的完成下面的設(shè)計(jì)計(jì)算。
第3章 各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 工作原理
該機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的工作原理，類似一個(gè)機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程，是利用液壓缸驅(qū)動(dòng)夾板的夾持力將型鋼的兩側(cè)夾緊，由于力是液壓缸驅(qū)動(dòng)的，因此保證了一定的夾緊力。抓取機(jī)構(gòu)上側(cè)也設(shè)有一個(gè)液壓缸，可以使型鋼定位，定位后保證了夾緊的位置，可以更好的完成夾緊動(dòng)作。夾緊機(jī)構(gòu)上側(cè)有主推油缸，與連桿連接，通過(guò)連桿的作用可以微調(diào)抓取結(jié)構(gòu)的方向，保證抓取機(jī)構(gòu)對(duì)型鋼的抓取位置，不影響力的跑偏。
3.1.2 機(jī)械手載荷計(jì)算
本次設(shè)計(jì)機(jī)械手橫向行程為5000mm，型鋼選擇常見(jiàn)的，估取重量為，各導(dǎo)軌均為直線導(dǎo)軌。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[3]中，查表3-1可知，最大工作載荷的計(jì)算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4；
—為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。
最大動(dòng)載荷的計(jì)算：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。
—橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為；
—橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計(jì)算得出得 ：=12278.8。
3.1.3 液壓缸的計(jì)算
1. 初步確系統(tǒng)壓力
表3.1 按負(fù)載選擇工作壓力[4]
負(fù)載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[4]
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表2-1和表2-2可知，初選液壓缸的設(shè)計(jì)壓力P1=0.4MPa
為了滿足快速進(jìn)退速度相等，并減小液壓泵的流量，則液壓缸無(wú)桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。為防止工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機(jī)械效率。則液壓缸上的平衡方程
故液壓缸無(wú)桿腔的有效面積：
液壓缸直徑：
表3.3 液壓缸內(nèi)徑系列GB/T2348-1980mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
參考表3.3，這里取標(biāo)準(zhǔn)值D=40mm；
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。
前面分析了采取A1=2A，故活塞桿直徑d=0.71D=28.4mm ，因此根據(jù)表3.4，取d=28（標(biāo)準(zhǔn)直徑）
表3.4 液壓缸活塞桿直徑系列GB/T2348-1980mm
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
2.液壓缸缸體厚度計(jì)算
缸體是液壓缸中最重要的零件，參考相關(guān)文獻(xiàn)《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，選用常見(jiàn)的45號(hào)鋼作為缸體的材料。
式中：——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。
當(dāng)液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。
[]=，為材料的抗拉強(qiáng)度。
注：1.額定壓力Pn
額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa
2.最高允許壓力Pmax
Pmax1.5Pn=1.251=1.25MPa
液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強(qiáng)度：σb=600MPa
安全系數(shù)n：參考相關(guān)文獻(xiàn)《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，表2—10，取n=5。
因?yàn)槲覀兛梢杂?jì)算出許用應(yīng)力[]==120MPa
=
=0.2mm
=200,符合設(shè)計(jì)要求中的。
但考慮到制造工藝以及按照的需求，這里液壓缸厚度取2.5mm。
因此液壓缸缸體外徑為45mm。
3.1.4 強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算
1.對(duì)活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算
（1）活塞桿強(qiáng)度計(jì)算
校核活塞桿的直徑d
式中，F(xiàn)為活塞桿上的作用力；為活塞桿材料的許用應(yīng)力，1.4。
=12.36
（2）液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算
為了能夠保持其能穩(wěn)定運(yùn)行活塞桿進(jìn)行壓縮負(fù)載時(shí)，所承受的壓力不能超過(guò)臨界負(fù)載。不然的話會(huì)發(fā)生軸向彎曲，導(dǎo)致液壓缸無(wú)法正常工作?；钊麠U的截面形狀、直徑與長(zhǎng)度以及其所用材料性質(zhì)；液壓缸的安裝方式等等因素來(lái)決定的值。活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式為，
式中為安全系數(shù)，一般取=2-4.
當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)
式中，l為安裝長(zhǎng)度，其值為320mm；活塞桿橫截面慣性矩為J；最小回轉(zhuǎn)半徑為，；
—為柔性系數(shù)，其值為85；
—為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，使用一端自由一端固定為支承的選擇方式，值為0.25；
—對(duì)鋼取活塞桿使用的材料的彈性模量為E=2.06x
—A為活塞桿橫截面積；材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值是f，其值為4.9x，系數(shù)的值為1/5000.
（8.4）
=0.019
=85x=42.5
=6.1xN
=1.5xN
2.連接零件的強(qiáng)度計(jì)算
液壓缸在液壓元器件中最重要，因此要對(duì)它的各部分連接零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
(1)焊縫強(qiáng)度的計(jì)算（鋼桶與缸蓋）
如圖所示，其焊縫的應(yīng)力為：
式中F——液壓缸最大推力（N）；
——焊接效率，取0.7
——焊縫的許用應(yīng)力（Pa）
=4200x，取安全系數(shù)n=3.3-4
=11.23MPa≤[δ]==105Mpa
(2)缸蓋連接螺栓的強(qiáng)度計(jì)算
缸蓋與缸筒用法蘭環(huán)時(shí)；
螺栓螺紋處的拉應(yīng)力： (MPa)
螺栓螺紋處的剪應(yīng)力： (MPa)
其合成應(yīng)力和強(qiáng)度驗(yàn)算公式為
≤[σ](MPa)
式中——螺紋外徑；
——螺紋內(nèi)徑。
——螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)（0.07~0.2），一般取=0.12；
——螺紋預(yù)緊力系數(shù)，取K=1.25~1.5；
——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；
——液壓缸最大推力（N）；
——缸筒內(nèi)徑（m）。
——螺栓數(shù)量。
K=1.25，=0.12，F(xiàn)=12000，=6，=4.917，Z=6
=131.65Mpa
=37.85MPa
=147MPa≤600MPa
通過(guò)以上的強(qiáng)度計(jì)算保證液壓缸的各部件可以滿足工況要求。
3.2 龍門機(jī)架的設(shè)計(jì)計(jì)算
主梁材料的選擇：選用Q235，其力學(xué)性能好。橋式主梁結(jié)構(gòu)形式及截面尺寸的確定：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用后，驗(yàn)算是否符合要求。
3.2.1 主梁危險(xiǎn)載面的強(qiáng)度驗(yàn)算
1）正應(yīng)力的驗(yàn)算
參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，根據(jù)公式計(jì)算的垂直彎矩同時(shí)作用在主梁上，并考慮約束彎曲和約束扭轉(zhuǎn)的影響，主梁再面上的正應(yīng)力可按下式疊加：
主梁跨中：
主梁支承載面：
式中：
、——主梁跨中的最大垂直彎矩和水平彎矩；
、——主梁支承載面的最大垂直彎矩和水平彎矩；
、——主梁跨中和支承載面對(duì)軸的載面摸數(shù)；
——主梁對(duì)軸的載面摸數(shù)。
參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，強(qiáng)度許用應(yīng)力為：
1）確定應(yīng)力循環(huán)特性
參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，鋼的強(qiáng)度許用應(yīng)力為：
式中：參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，為載荷組合的安全系數(shù)。
2）剪應(yīng)力的驗(yàn)算
參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，箱形載面主梁支承載面處的剪力在腹板上引起的剪應(yīng)力按下式計(jì)算：
式中——主梁載面的一部分對(duì)中性軸的靜矩；
——主梁載面對(duì)軸的慣性矩；
、——主梁的主、副腹板的厚度。
在水平載荷作用下，蓋板上的剪應(yīng)力：
式中——支承處的水平剪力；
——主梁載面的一部分對(duì)軸的靜矩；
——主梁載面對(duì)軸的慣性矩；
——上、下蓋板厚度。
主梁受扭的影響。則按純扭轉(zhuǎn)計(jì)算，計(jì)算式為：
主腹板上=
副腹板上=
蓋板上=
式中——作用與主梁支承載面的扭矩；
——主梁封閉載面的輪廓面積，。
在主梁載面上，各種載荷在同一點(diǎn)引起的剪應(yīng)力予疊加。
3.2.2 支腿危險(xiǎn)載面的強(qiáng)度驗(yàn)算
對(duì)于單主梁箱形結(jié)構(gòu)門架的支腿應(yīng)分別選取幾個(gè)載面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
強(qiáng)度驗(yàn)算式為：
式中——門架平面，支腿驗(yàn)算載面的最大彎矩；
——支腿平面，支腿驗(yàn)算載面的最大彎矩；
——支腿平面，支腿驗(yàn)算載面的軸向力；
、——驗(yàn)算載面對(duì)軸和軸的載面模數(shù)；
——驗(yàn)算載面的面積。
根據(jù)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度條件計(jì)算截面需要的面積：
由計(jì)算結(jié)構(gòu)知，桿件應(yīng)根據(jù)疲勞強(qiáng)度條件確定截面積。桿件需要的最小截面積為20732.55。
3.2.3 受力分析
參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的可知，所受到的載荷為均布載荷
圖3-1 橫梁受力圖
在I-I截面上彎矩為：
截面(Ⅱ-Ⅱ)剪力：
3.2.4 截面強(qiáng)度計(jì)算
截面寬度
截面高度
截面積
面積重心至x軸距離
截面對(duì)x軸的靜面矩
靜面矩S與面積重心至x軸距離乘積
各截面積的慣性矩
重心至x軸的慣性矩
截面對(duì)x軸的慣性矩
截面對(duì)x軸的慣性矩
受壓截面和受拉截面彎曲應(yīng)力相等為
由此可得，在截面上彎曲應(yīng)力小于許用應(yīng)力，安全。
3.2.5 截面剪切強(qiáng)度計(jì)算
由分析得，最大應(yīng)力在中心橫斷面。
式中：
Q—截面剪切力
B—簡(jiǎn)化截面寬度
H—簡(jiǎn)化截面高度
代入得：
根據(jù)上面計(jì)算可知，在截面上剪切強(qiáng)度小于許用剪切強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)
為安全。
3.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手各方向的移動(dòng)機(jī)構(gòu)均勻有減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠完成的各個(gè)方向的動(dòng)作。
3.3.1 滾珠絲杠計(jì)算和選型
1.最大工作載荷的計(jì)算
本次設(shè)計(jì)機(jī)械手橫向行程為5000mm，型鋼選擇常見(jiàn)的，估取重量為，各導(dǎo)軌均為直線導(dǎo)軌。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[3]中，查表3-1可知，最大工作載荷的計(jì)算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4；
—為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。
最大動(dòng)載荷的計(jì)算：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。
—橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為；
—橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計(jì)算得出得 ：=12278.8。
3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為5級(jí)，其參數(shù)如表3.3所示。
表3.3相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
32
5
3.5
19
16.5
32.8
14
3.3.3 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，采用雙推-單推支承方式，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，其方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
3.3.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算
=
式中：—螺距升角，
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，
一般取=10′。
算得： ==95.67%
3.3.5 剛度的驗(yàn)算
=
（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
前面已經(jīng)計(jì)算了：
為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047
=±4.7
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，，,所以剛度足夠。
3.3.6 穩(wěn)定性校核
=
式中：
—絲杠支承系數(shù)，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，單推-單推時(shí)，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，
（，單位為）
把代入算出=87080。
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，由以上數(shù)據(jù)可以算出：== (3.9)
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
3.3.7 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.3.8 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（）
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，對(duì)于鋼材：
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長(zhǎng)度（）
—鋼材的密度
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，具體計(jì)算如下：
電機(jī)力矩的計(jì)算
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
式中：
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含，顯然。
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
式中：
在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算
式中：
摩擦力矩
式中：
附加摩擦力矩
式中：
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，具體計(jì)算：
橫向：
可查出，90BAGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為50N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。
3.4 小齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
3.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
計(jì)算斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力時(shí)，推導(dǎo)計(jì)算公式的出發(fā)點(diǎn)和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點(diǎn)：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強(qiáng)度 ；重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。
齒輪的計(jì)算載荷
為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上的平均載荷P（單位為N/mm）為
P =
Fn ——作用在齒面接觸線上的法向載荷
L ——沿齒面的接觸線長(zhǎng)，單位mm
法向載荷Fn 為公稱載荷，在實(shí)際傳動(dòng)中，由于齒輪的制造誤差，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會(huì)使法面載荷增大。因此在計(jì)算載荷的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按接觸線單位長(zhǎng)度上的最大載荷，即計(jì)算Pca （單位N/mmm）進(jìn)行計(jì)算。即
Pca = KP =K
K——載荷系數(shù)
載荷系數(shù)K包括 ：
使用系數(shù)，
動(dòng)載系數(shù)，
齒間載荷分配系數(shù)
齒向載荷分布數(shù)，即
K =
使用系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，動(dòng)載荷影響的系數(shù)：
= 1.0
動(dòng)載系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的， 參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)。
= 1.0
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒間載荷系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒輪的制造精度7級(jí)精度[2]
= 1.2
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒向荷分配系數(shù)：
齒寬系數(shù) φd = b/d = 18.14/12.13 = 1.5
= 1.12+0.18(1+0.6φd) + 0.23*10b = 1.5
所以載荷系數(shù)：
K= = 1*1*1.2*1.5 = 1.8
斜齒輪傳動(dòng)的端面重合度：
= bsin = 0.318φd*ztan = 1.65
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，在斜齒輪傳動(dòng)中齒輪的單位長(zhǎng)度受力和接觸長(zhǎng)度如下：
P ca = KP =K
因?yàn)?
Fn = Ft/(cos*cosβ1)
所以
=1.8*3297.6/18.14/1.65/0.67= 296N/mm
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，利用赫茲公式，代入當(dāng)量直齒輪的有關(guān)參數(shù)后，得到斜齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式[2] ：
=
式中：
Z －彈性系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，主動(dòng)小齒輪選用材料20CrMo制造， 參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，根據(jù)材料選取，均為0.3， E，E都為合金鋼 ， 取189.8 MPa
求得 Z = 5.7
－節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
Z = 2.24
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，齒輪與齒條的傳動(dòng)比 u , u趨近于無(wú)窮
則
所以 = 51.6 MPa
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限
= 1000 MPa
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N = 2*10
所以 = 1.1
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，取失效概率為1%，安全系數(shù)S = 1，可得
= 1.1*1000MPa = 1100MPa
K ——接觸疲勞壽命系數(shù)
由此可得 <
因此疲勞強(qiáng)度要求。
3.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算校核公式：
齒間載荷分配系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，= 1.2
齒向載荷分配系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知， = 1.33
載荷系數(shù)
K= = 1*1*1.2*1.3 =1.56
齒形系數(shù)
校正系數(shù)
= 1.4
螺旋角系數(shù)
校核齒根彎曲強(qiáng)度
σ=
= = 323.8MPa
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)：
=1.5
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知，計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力為：
——彎曲疲勞壽命系數(shù)
參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]中可知， = 1.5
可得， = 1.5*1000/1.5 = 1000 MPa
所以： σ <
所以經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，符合設(shè)計(jì)要求。
3.5 本章小結(jié)
本章內(nèi)容主要包括計(jì)算了機(jī)械手各部件的參數(shù)計(jì)算，完成零件的校核。
結(jié)論
本文在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我認(rèn)真分析了指導(dǎo)老師提供的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書(shū)和期刊資料；對(duì)現(xiàn)在我國(guó)的桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)總體趨勢(shì)進(jìn)行分析，在網(wǎng)上和圖書(shū)館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設(shè)計(jì)的基本方案，然后設(shè)計(jì)出了具體的方案。
本次設(shè)計(jì)的桁架機(jī)械手為了達(dá)到一定的精度要求，通過(guò)選用最佳降速比來(lái)降低慣量；采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度；用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和降低慣量。采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也是傳動(dòng)剛度接近常數(shù)，這是機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)，保證了一定的精度。
本次傳動(dòng)系統(tǒng)采用了步進(jìn)減速電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采用一個(gè)深溝來(lái)保證其徑向的圓跳動(dòng)。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，這是本次設(shè)計(jì)的突出亮點(diǎn)，也是難度的所在，為了圓滿完成本次設(shè)計(jì)，在指導(dǎo)老師不厭其煩的耐心指導(dǎo)下，查閱參考了大量的相關(guān)資料，才完成了本次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多相關(guān)知識(shí)。為今后走向工作崗位提前做準(zhǔn)備。
致謝
本文隨著設(shè)計(jì)的逐步接近尾聲，意味著我在哈理工大學(xué)四年的大學(xué)生學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束。站在畢業(yè)的門檻前，回首往昔，有太多的感慨，也有太多需要感謝的人。
大學(xué)生生活是我在求學(xué)生涯中收獲最大、改變最大的四年，我的導(dǎo)師對(duì)我的影響無(wú)疑是最大的。本文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，謹(jǐn)在此向恩師表示衷心的感謝。在大學(xué)生四年的求學(xué)期間，老師廣博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)以及自信樂(lè)觀的生活態(tài)度對(duì)我的成長(zhǎng)和進(jìn)步起到了深遠(yuǎn)的影響。在科研上您是良師，對(duì)我的課題進(jìn)展付出了大量心血；在生活上您更是朋友，給予了我父母般的關(guān)懷。在此大學(xué)論文完成之際，我對(duì)您表示深深的敬意。
論文的完成也離不開(kāi)機(jī)械制造及自動(dòng)化設(shè)計(jì)其他幾位老師的指導(dǎo)和幫助。在此要特別感謝課題組的老師在科研和生活上的指導(dǎo)和建議，給予了我很大啟發(fā)和幫助。感謝課題組教授的關(guān)心和支持，以及在學(xué)習(xí)生活中為提供的良好環(huán)境。同時(shí)，也要感謝其他老師的鼓勵(lì)和幫助。
感謝課題組的同屆同門很多同學(xué)，四年的實(shí)驗(yàn)室生活因?yàn)橛心銈兌兊酶映鋵?shí)和開(kāi)心，這一路上你們給我的幫助、鼓勵(lì)讓我走的每一步變得更加堅(jiān)定。感謝上一屆等師兄，謝謝你們給我的指導(dǎo)。特別感謝師弟在課題上給我的幫助，感謝我的研究生室友，謝謝你們對(duì)我生活上的幫助。
感謝我的母校哈理工大學(xué)給了我一個(gè)寬闊的學(xué)習(xí)平臺(tái)和一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，為我的人生前進(jìn)道路奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
最后，要特別感謝我的家人，感謝父母在求學(xué)生涯中給予我無(wú)微不至的關(guān)懷和照顧，謝謝你們一如既往對(duì)我地支持和鼓勵(lì)。家永遠(yuǎn)是我內(nèi)心深處最溫暖的港灣，你們對(duì)我二十幾年的付出，我將用一生去回報(bào)。
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