【正文】 Ft=2T2/d2=2 618/40=31N Fr=Fttan200=31 =10N Fn= Ft/cos200=31/=32N 小齒輪的受力計算 Ft=2T2/d1=2 618/20= Fr=Fttan200= =20N 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 22 頁 共 46 頁 Fn= Ft/cos200= ⑵ 確定各段軸的直徑和長度 ① 擬定軸上零件的裝配方案 根據(jù)設(shè)計的要 求和裝配要求，合理的規(guī)規(guī)各零件的安裝位置，現(xiàn)選用如圖 412所示的裝配方案。 圖 412 中間軸裝配方案圖 ② 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 (a)為了滿足軸承的定位要求，從左到右第一段需制出一軸肩，故第一段直徑d1=5mm,每二段的直徑 d2=6mm. (b)初步選擇滾動軸承。因軸承只受有徑向力作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù) d1=5mm,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游隙、 4 級公差的深溝球軸承。其尺寸為 d D T=5mm 12mm 5mm. 圖 413 中間軸結(jié)構(gòu)圖 (c)前面我們已經(jīng)確定第二段的直徑 d2=6mm，齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 12 mm，而第二段軸的長度取的是 28 mm，所以套筒的長度取 16 mm，其厚度為 1 mm，而同樣的如前面的一樣，我們用 D型軸來傳遞轉(zhuǎn)矩，軸 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 23 頁 共 46 頁 上的切面與軸截面圓心的距離為 mm。齒輪的右端使用軸肩定位，取 h=,故軸環(huán)處的直徑 d3=3mm,軸的另 一端與前面的兩端對稱，所以與前面的設(shè)計一致，這樣即完成了中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖 413所示。 ⑴ 按抗扭強度條件來進行軸的強度校核 已知鋁合金的許用抗扭強度為 60MPa,所以計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。 ⑵ 按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核軸的強度 ① 畫出簡單力學(xué)模型。軸的受力分析如圖 414 所示。 圖 414 中 間軸受力示意圖 ② 作彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。中間軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖 415所示。由圖可以看出，中間軸的危險截面是在安裝小齒輪的截面上，這里所受的彎矩和轉(zhuǎn)矩都是最大的。 圖 415 中間軸彎矩和轉(zhuǎn)矩 危險截面的彎矩為 M=FL=20N = 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 24 頁 共 46 頁 轉(zhuǎn)矩為 T=31 40+ 20= ⑶ 校核軸的強度 軸的抗 彎截面系數(shù)為 所以軸的計算應(yīng)力 選定軸的材料為鋁合金，經(jīng)查 1?? =60MPa,故設(shè)計數(shù)據(jù)安全。 電機連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 電機的連接軸是輸入軸，上面裝有一個小齒輪，是主要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的承載體，所以要求它有很高的強度和抗彎、抗扭性能。同時，因為重量的限制，因此選擇硬質(zhì)鋁合金作為驅(qū)動軸的材料，其裝配方案如圖 415 所示。 圖 415 電機連結(jié)軸裝配方案圖 該軸的設(shè)計校核與前面的兩軸相似，這里我們不再進行計算校 核，與齒輪的配合同樣使用 D 型軸段傳遞轉(zhuǎn)矩，用軸肩和套筒進行軸向定位和周向定位。 從左至右，第一段軸的長度為 ，直徑為 d1=5mm,用于安放軸承，軸肩為 h=,所以第二段軸的直徑為 d2=6mm,長度為 31mm,其中齒輪輪轂的厚度為 12mm,軸肩 h=,得第三段軸的直徑為 d3=7mm 為了便于另一端軸承的安裝和減輕軸的重量，第四段軸的 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 25 頁 共 46 頁 直徑我們?nèi)?d4=6mm,長度為 12mm,最后一段軸即安裝右軸承，長度取 ,直徑 d5=5mm。到此即完成了電機連接軸的設(shè)計和尺寸規(guī)劃 ,完成后的軸零件圖如 圖 416 所示。 圖 416 電機連結(jié)軸結(jié)構(gòu)圖 后輪減速機構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ⑴ 減速箱上箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應(yīng)盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，減速箱體應(yīng)保證其它零部件安裝上以后，能達到平衡、對稱和同軸。材料為 ABS(一種工程塑料 )，厚度為 1mm,一部分軸承蓋集成在箱體上，降低了制造和裝配難度。減速箱上蓋設(shè)計圖如圖 417所示（見附錄）。 圖 417 減速箱上蓋結(jié)構(gòu)圖 ⑵ 上蓋的結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)劃 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 26 頁 共 46 頁 玻璃清潔機器人減速傳動機構(gòu)共有三根軸，為了減小彎矩，后輪驅(qū)動軸的軸承安裝位置靠近底板的最后端、緊貼底板兩個邊緣。機器人底盤寬度為 142mm。而減速箱的寬度為 56mm，所有為了把軸承蓋和上蓋設(shè)計為一個整體，用腹板連接它們，翼展為 46mm,腹板上為了與軸進行配全，設(shè)計了直徑為 12mm 半圓筒。第二個軸承蓋與第一個軸承蓋的距離為 10mm,軸承蓋的長為 16mm,寬為 20mm。上面有三個圓環(huán)厚度分別為 5mm,6mm,3mm。直徑分別為 14mm,18mm。上蓋的形狀為 7型，長為 56mm,寬為 122mm,缺的部分長為 16mm,寬為 40mm。 上蓋的深度為 24mm,因為底盤上的軸承座與底板的距離為 10mm,所以上蓋的深度增為 34mm。軸承蓋與上蓋底的距離為 24mm。 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 ⑴ 常用機器人底盤有兩種材料，一是鋁合金，另一個是不銹鋼。底盤除按材料不同劃分外，還可以按加工工藝劃分為零件連接底盤和焊接底盤。最大的區(qū)別在于底盤是否需要依靠角鋁連接，相對于一體的焊接底盤，角鋁連接的零件數(shù)量要大得多，失效概 率也大很多。從重量角度講，鋁材雖然體積質(zhì)量較小，但強度不如不銹鋼，因此，其截面積相對較大，加之其附加的連接角鋁和螺栓，其總重量要遠遠大于不銹鋼焊接底盤。 采用鋁材制作玻璃清潔機器人的底盤具有不銹鋼底盤不具備的優(yōu)點。首先，由于鋁材較軟，可以用切鋁機進行切割，制作比較方便；其次，由于可以自己制作，而且關(guān)鍵是效率高，因此制作周期很短；最后，在機器人的調(diào)試運行階段，當(dāng)?shù)妆P出現(xiàn)問題的時候，可以很容易地進行維修，維修周期要短很多。 但是采用鋁材制作的底盤也有無法克服的缺點。即使從重量角度講鋁材雖然比重較輕，但是強度不如 不銹鋼；再有就是其截面積相對較大，加之其附加的連接螺栓，其總重量可能會大于不銹鋼底盤。 與鋁材制作的底盤相比，不銹鋼底盤制作精度高，但是不銹鋼底盤的結(jié)構(gòu)相對固定，因此當(dāng)?shù)妆P有磨損或損壞的時候，維修周期會很長。由于實際應(yīng)用中很少出現(xiàn)底盤損壞的情況，考慮到采角鋁底盤存在比較多的問題，所以一般機器人的底盤設(shè)計采用鋁合金焊接工藝。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 27 頁 共 46 頁 圖 418 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 ⑵ 底盤結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)劃 底盤長為 142mm,寬為 330mm。從機器人的前部開始，首先是連接嵌入式驅(qū)動裝置的凸 臺，其尺寸為：長、寬均為 32mm,厚度為 5mm。上面分布有四個孔與嵌入驅(qū)動裝置相連，保證機器人的正常轉(zhuǎn)向，與底盤相交的面有半徑為 5mm的倒圓角，并且用加強筋連接，以增強連接的強度。 接著是導(dǎo)向裝置，設(shè)計它的目的是防止機器人在清洗玻璃的邊緣時，機器人的側(cè)面與玻璃框摩擦。它與機器人的前端距離為 52mm，寬度為 15mm，數(shù)量為 4 個，兩邊各有兩個，距離 24mm，與底盤的連接處設(shè)計了半徑為 3 mm，以此減小其的局部應(yīng)力集中，延長機器人的使用壽命。前端有一定的角度，與底盤的角度為 300長度分別是 50 mm，36 mm。最邊緣的圓心處有一圓柱凸臺，用于安裝導(dǎo)向輪，直徑為 2 mm，高度為 2 mm。導(dǎo)向輪的直徑為 mm,中心有 2 mm 的圓孔用于安裝在底盤上，厚度為 1 mm。 后半部分是驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)減速機構(gòu)的軸承安裝座。從長度方向，它們之間的距離分別為 13 mm， 2 mm， 7 mm；從寬度方向，距離分別為 10 mm， 10 mm。軸承安裝座的尺寸為長 17 mm，寬 20 mm，高度為 10 mm。減速機構(gòu)的下箱體與底盤嵌入為一體，長 54 mm，寬 120 mm，深度為 13 mm，邊緣的圓角半徑均為 5 mm。 最后底盤的清洗板是用于貼抹布。其尺寸為：與底盤面的距離為 23 mm，長為 142 mm，寬為 49 mm，厚度為 1 mm。因為車輪的直徑為 70 mm，所以可能保證清洗板與玻璃有 2 mm的距離 ,最后設(shè)計出的底盤結(jié)構(gòu)如圖 418 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 28 頁 共 46 頁 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ⑴ 螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的 ,在于合理地確定連接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式 ,力求各螺栓和連接接合面間受力均勻 ,便于加工和裝配。為此 ,設(shè)計時應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題。 圖 419 螺栓組連結(jié)結(jié)構(gòu)圖 ① 連接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀 ,如圓形、環(huán)形、矩形、框形、三角形等。本次設(shè)計的驅(qū)動裝置使用的螺栓連接接合面為圓形，如圖 419所示。 ② 螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。 不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置 8 個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。當(dāng)螺栓連接承受彎矩或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)使螺栓的位置適當(dāng)靠近連接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。 ③ 螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。布置螺栓時，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體 壁間的最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動空間的大小來決定。扳手空間的尺寸可查閱有關(guān)標準。 表 49 螺栓間距 t0 工作壓力 /MPa ? ? ~4 ? 4~10 ? 10~16 ? 16~20 ? 20~30 t0/mm 7d 4d 3d 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 29 頁 共 46 頁 根據(jù)設(shè)計，已知 d=, 所以， t0=7d=, 可知設(shè)計滿足條件。 ④ 分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成 8 等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。本次設(shè)計設(shè)計取螺栓數(shù)目是 4。同時應(yīng)注意，同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長度均應(yīng)相同。 ⑤ 避免螺栓承受附加的彎曲載荷。 ⑵ 螺栓組連接的受力分析 進行螺栓組 連接受力分析的目的是，根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓邊接的強度計算。 ① 根據(jù)分析可知驅(qū)動裝置法蘭盤處的連接螺栓組連接只受轉(zhuǎn)矩。法蘭盤和前輪在與接合面垂直的軸上轉(zhuǎn)動，為了防止法蘭盤與前輪發(fā)生轉(zhuǎn)動，采用鉸制孔用螺栓連接。 已知 T=， r= 因此， Fmax=Trmax/ri2= (4 )=5N ② 螺栓連接承受工作剪力 0 m i n5 0 . 6 71 F M p adL? ? ? ?? 21.5 . /1404 54F M pad? ??? ? ? 螺栓設(shè)計選用的是 45Cr，所以計算得的數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。 吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理性分析 前面的方案規(guī)劃中，已經(jīng)確定有兩種吸附方案，并且在實際中都可用，因使用的場合各有所長，所以在此，設(shè)計時把吸附機構(gòu)設(shè)計為一個獨立的模塊，可以與底盤通過螺紋連接，即兩種方案的吸盤都可以安裝在這次設(shè)計的機器人上面。我們將兩種方案都列出，并將兩種吸盤進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行尺寸規(guī)劃，并分析它們的合理性。 ⑴ 磁吸盤 安裝磁吸盤，則 機器人是靠磁吸附力緊貼于玻璃墻壁上，所以磁吸盤應(yīng)該選鑄鐵。 圖 420 磁吸盤結(jié)構(gòu)圖 吸盤在底盤是一個陣列，經(jīng)過合理的布局分析，得出吸盤的作用面直徑為 16mm,取 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 30 頁 共 46 頁 其厚度為 2 mm。剩下的即是與底盤連接的螺紋柱，為了保證連接的穩(wěn)定性，在螺紋終止處，設(shè)計一軸肩， h=。取螺紋柱直徑為 5mm,軸肩后的軸段直徑為 6mm。經(jīng)過設(shè)計與尺寸規(guī)劃，最終設(shè)計出的吸盤如圖 420 所示。 ⑵ 真空吸盤 真空吸盤按結(jié)構(gòu)不同可分為普通型與特殊型兩大類。普通型吸盤一般用來吸附表面光 滑平整的工件，如玻、瓷磚、鋼板等。吸盤的材料有丁晴膠、硅橡膠、聚氨酯、氟橡膠等。特殊型吸盤是為滿足特殊應(yīng)用場合而專門設(shè)計的。結(jié)構(gòu)形狀因吸附對象而異，種類較多。 從成本和加工制作兩方面考慮，最后我們選擇采用金屬骨架，由橡膠壓制而成的碟盤形大直徑吸盤，吸盤作用面采用雙重密封結(jié)構(gòu)面，大徑為輕吮啟動面，小徑為吸牢有效作用面。柔軟的輕吮啟動使得吸著動作特別輕柔，不傷工件，且易