【正文】 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 38 附錄 1 圖紙 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 39 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 40 。感謝四年來一直教育我的老師和領(lǐng)導(dǎo)們，沒有他們四年來的教育，也就沒有今天的成果。還有在課題研究過程中，姚凌飛、王東師兄在方案的細(xì)節(jié)方面都給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助，他們的幫助極大的提高了我的工作效率。 由于時間 所限，本文存在著許多不足和值得進(jìn)一步深入研究的問題 ： （ 1） 裝置的機(jī)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)選效率不高，缺乏一個快速的優(yōu)選方法，對方案的優(yōu)選流程程序化，設(shè)計出優(yōu)選構(gòu)型的軟件平臺，這是值得深入研究的問題； （ 2） 裝置的工程實(shí)現(xiàn)方案很多，如何能夠從各種實(shí)現(xiàn)方案中選擇出最佳方案是值得深入研究的問題； （ 3） SolidWorks 具有強(qiáng)大的三維設(shè)計和文件管理功能，如何科學(xué)使用SolidWorks，使設(shè)計工作系統(tǒng)化，加強(qiáng)設(shè)計者之間的協(xié)助，這是值得深入研究的問題。 本文主要完成了工作 包括以下幾個方面 ： （ 1） 運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)基本工作原理為目標(biāo)，提出了 5 中裝置的機(jī)構(gòu)構(gòu)型； （ 2） 深入分析了各機(jī)構(gòu) 構(gòu)型 ，重點(diǎn)計算了“機(jī)器手”構(gòu)型和“仿極坐標(biāo)系”構(gòu)型的運(yùn)動學(xué)正反解析解，并得出了速度轉(zhuǎn)換公式及速度雅克比矩陣； （ 3） 基于 MATLAB 仿真計算了構(gòu)型的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，定性比較了“機(jī)器手”構(gòu)型和“仿極坐標(biāo)系”構(gòu)型的優(yōu)缺點(diǎn) ，并最終選取了“仿極坐標(biāo)系”方案作為裝置的機(jī)構(gòu)方案； （ 4） 對裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，把裝置分為了直線運(yùn)動單元和轉(zhuǎn)動 單元分，并對兩個單元的總體實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了深入的分析； （ 5） 通過分析比較各種工程實(shí)現(xiàn)方法，最終選擇了線性滑塊導(dǎo)軌和同步帶傳動實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動單元，并對它們進(jìn)行了選型設(shè)計； （ 6） 利用 SolidWorks 對裝置進(jìn)行了三維設(shè)計，并重點(diǎn)對輪殼、導(dǎo)軌架和搖桿進(jìn)行了受力分析及優(yōu)化設(shè)計，最終得出了各零件的工程圖紙。根據(jù)設(shè)計要求， 選擇了線性滑塊導(dǎo)軌、同步帶和減速器的型號，計算了搖桿的參數(shù)，利用 SolidWorks 設(shè)計出了 裝置的 圖紙，重點(diǎn)對同步帶輪殼、導(dǎo)軌架、搖桿進(jìn)行了仿真分析，優(yōu)化了它們的尺寸參數(shù)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 優(yōu)化得到最低安全系數(shù)： ，應(yīng)力分布如圖 414 所示。 電機(jī) 的運(yùn)行 轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)動慣量分別為 ： 2M 1 . 2 6 6M 0 . 0 7 9 , 0 . 2 65 0 0 . 3 2 0 . 3r s N m MN m M N miR ?? ? ? ? ??? () 2 2220 . 2 5 5 0 0 . 2 550J k g c mJ k g c mi ?? ? ?負(fù) 載 () （ 2） 成品型號： CM030T50B3Φ25SZDX SolidWorks 設(shè)計及仿真 （ 1） SimulationXpress 仿真分析 ?連桿分析結(jié)果 最低安全系數(shù)： ，應(yīng)力分布如圖 412 所示。 步進(jìn)電機(jī)在 0160r/min 運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩沒有明顯變化 ， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ： 24 3 3 33 3 3 3M 5 10 / 2 10 10 / 5 10 10 / 5 6 Nr M M Mk g N k g mm m k g m mm m k g m m? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?目 標(biāo) 搖 桿 調(diào) 節(jié) () 通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速可以計算出減速機(jī)的 實(shí)際輸入功率： 422r1S1 . 2 6 6 0 . 8 3 3 . 4 1 09 5 5 0 R 9 5 5 0 0 . 3 2rMnP k w? ?? ? ? ??? () 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200246810搖桿角速度時間度/s0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 4 0 2 00204060水平速度時間mm/s哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 減速機(jī)工況系數(shù)為 ? ， 根據(jù)以上數(shù)據(jù) 查表得到 傳動比 為 50i? 。仿真 結(jié)果如圖 411 所示。 （ 1） 計算減速比 運(yùn)動臺運(yùn)行 速度 1 米 /分鐘 2 米 /分鐘， 約為 。幾乎在各式機(jī)械的傳動體系中都可以見到它的蹤影，從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車，建筑用的重型機(jī)具，機(jī)械產(chǎn)業(yè)所用的加工機(jī)具及主動化生產(chǎn)裝備，到日常生涯中常見的家電，鐘表等等 .其運(yùn)用從大動力的傳輸工作，到小負(fù)荷 ,蒸汽鍋爐 ，準(zhǔn)確的角度傳輸都可以見到減速機(jī)的運(yùn)用。 減速器設(shè)計 減速機(jī)是一種相對精密的機(jī)械，應(yīng)用它的目標(biāo)是下降轉(zhuǎn)速，增添轉(zhuǎn)矩。 22 5 0 ( ) ( ) 5( ) 5rrrr???? ? ? ? ? ? ???? ? ? ??? () 由 ()綜合得到不等式 ()。 設(shè)計搖臂為方形，這樣利于安裝目標(biāo)，設(shè)搖臂寬為 b ，高為 h ，則： 23m a x 6 2 1 2b h h b hI W y? ? ? ? () 將 500l r mm?? ，以及彈性模量 71E Mpa? 代入方程組 ()得到 ()。 ? ?? ?m a x m a xm a x m a x()()x l r r xy r r y??? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ??? () 搖臂設(shè)計 可以把搖臂簡化成懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁在簡單載荷作用下變形，其最大變形量為 ： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 33B Flv EI?? () 根據(jù)幾何關(guān)系公式推出式 ()： 22232BBBv Fll E Ivl v l ll?? ? ? ? ?????? ? ? ? ??? () 其中 500l r mm?? ，目標(biāo)質(zhì)量為 kg? 。 s in ( ) ( ) s in ( )c o s ( ) ( ) c o s ( )d x d l r d x l r rd y r d y r r? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ???? ? ? ? ? ??? () 分析誤差公式 ()得到關(guān)于 x? 和 y? 的兩個極大值 ，如式 ()。輪殼的最低安全系數(shù)為 ，大于 1，結(jié)構(gòu)形狀及尺寸合理，無須優(yōu)化再設(shè)計。 ?導(dǎo)軌架分析結(jié)果 最低安全系數(shù)： ，應(yīng)力分布如圖 49 所示。 表 49 最大與最小應(yīng)力位置表 類型 最小 位置 最大 位置 應(yīng)力 N/m^2 (, 15mm, 0mm) +006 N/m^2 (27mm, , ) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 圖 47 應(yīng)力分布圖解 ?位移圖解： 表 410 最大與最小位移位置表 類型 最小 位置 最大 位置 合位移 0 mm (, 19mm, ) mm (10mm, 0mm, 10mm) 圖 48 位移圖解 從應(yīng)力分析圖解可以看出其應(yīng)力主要集中在側(cè)面螺釘孔附近，仿真結(jié)果接近實(shí)際情況。 SimulationXpress 支持對單實(shí)體的分析；對于多實(shí)體零件，可以一次分析一個實(shí)體；對于裝配體，可以一次分析一個實(shí)體的物理模擬效應(yīng)。 SimulationXpress 可以 評估設(shè)計的安全性 ， 評估結(jié)果的準(zhǔn)確性 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 圖 46 爆炸視圖 （ 3） SolidWorks 仿真分析 SimulationXpress 為 SolidWorks 用戶提供了 易于使用的 分析工具。 （ 1） 直線運(yùn)動單元三維裝配圖如圖 45 所示 。該軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，并成為主流三維CAD 軟件市場的標(biāo)準(zhǔn)，是目前最優(yōu)秀的中檔三維 CAD 軟件之一，在全球擁有超過 50 萬的用戶。 成品選型 上海滬達(dá)軸承有限公司， HRW17CA2UUM+670M。 直線滾動導(dǎo)軌副支承類型選擇 直線滾動導(dǎo)軌副的支承分為滾動體不循環(huán)和滾動體循環(huán)兩種，滾動體循環(huán)支承相對于滾動體不循環(huán)支承具有行程長度不受限制，運(yùn)動精度和性能更高等特點(diǎn)，運(yùn)動臺要求運(yùn)行范圍大，因 此選擇滾動體循環(huán)的直線滾動導(dǎo)軌支承。 線性滑塊導(dǎo)軌設(shè)計 線性滑塊導(dǎo)軌也叫做直線滾動導(dǎo)軌，其廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、測量機(jī)和測量儀器等。 90゜ 弧內(nèi)累積 177。 （ 1） HTD 圓弧齒同步帶傳動的設(shè)計計算見表 42。 圓弧齒同步帶現(xiàn)在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，一種是以美國 uniroyal 公司為代表生產(chǎn)的 HTD同步帶，結(jié)構(gòu)為半圓弧，現(xiàn)有 3M、 5M、 8M、 14M、 20M 等幾種型號；另一種是以美國 Goodyear 公司為代表生產(chǎn)的 STPD 同步帶（平頂圓弧齒），現(xiàn)有 、S8M、 S14M 等幾種型號，國內(nèi)生產(chǎn)同步帶的多數(shù)企業(yè)采用的是 HTD 同步標(biāo)準(zhǔn)。 同步帶按齒形可以分為梯形 齒同步帶和圓弧齒同步帶。由于帶的工作面呈齒形，與帶輪的齒槽作嚙合傳動，并由帶的抗拉層承受負(fù)載，以保持帶的節(jié)線長度不變，故帶和帶輪之間沒有相對滑動，可以實(shí)現(xiàn)帶和帶輪之間的同步傳動。 正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制器構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控定位 系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 （ 7） 易于控制 ： 只需控制脈沖的頻率和個數(shù)，即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。除此之外步進(jìn)電機(jī)還具有以下一些優(yōu)點(diǎn) : （ 1） 無刷 ：步進(jìn)電機(jī)是無刷結(jié)構(gòu)電機(jī)， 與帶有換向器和電刷等易損部件的傳統(tǒng)有刷電機(jī) 相比而言可靠性更高 ； （ 2） 與負(fù)載無關(guān) ： 不超載時步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行 ； （ 3） 動態(tài)響應(yīng)快 ： 易于啟動、停止和反轉(zhuǎn) ； （ 4） 保持轉(zhuǎn)矩 ： 停止時能夠自鎖 ； （ 5） 無累積誤差 ： 雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具有一定的誤差 (35%)， 但是轉(zhuǎn)動一周后累積的誤差和為零。步進(jìn)電機(jī)不像其它電機(jī)那樣連續(xù) 旋轉(zhuǎn)， 而是以一定的步距角一步一步做增量運(yùn)動因此而得名。 驅(qū)動類型選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化 為 機(jī) 械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。減速器的類別是根據(jù)所采用的齒輪齒形 、齒廓曲線劃分；減速器的品種是根據(jù)使用的需要而設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)的減速器；減速器的型式是在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)齒面硬度、傳動級數(shù)、出軸型式、裝配型式、安裝型式、聯(lián)接型式等因素而設(shè)計的不同特性的減速器。 減速器是原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器。電控旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以分為三個部分：驅(qū)動電機(jī)，減速器，控制器，其中減速器是關(guān)鍵部分。 導(dǎo)軌品質(zhì)對電控位移臺運(yùn)動平穩(wěn)性，承載大小影響最大，目前常用的導(dǎo)軌形式主要由燕尾導(dǎo)軌， V 型導(dǎo)軌副，線性軸承，線性滑塊，其性能的比較如表 41所示，根據(jù)課題要求及實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件，選擇線性滑塊作為直線運(yùn)動模塊的導(dǎo)軌形式。 為了保證高精度的傳動 和定位要求，目前多采用同步齒帶或滾珠絲桿傳動系統(tǒng)。直線運(yùn)動單元的機(jī)械設(shè)計就是對位移臺進(jìn)行設(shè)計。工業(yè)上，電控位移系統(tǒng)分為三個組成部分：位移臺，驅(qū)動電機(jī)，控制器。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 第 4 章 機(jī)械設(shè)計及仿真 總體設(shè)計 模擬目標(biāo)二維運(yùn)動臺的機(jī)構(gòu)由一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，在機(jī)械設(shè)計過程中可以把運(yùn)動臺分為直線運(yùn)動單元和轉(zhuǎn)動單元兩部分，即分別對這兩個單元進(jìn)行設(shè)計。通過對方案 4 和方案 5 比較分析，認(rèn)為方案 5 更符合設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)容易，所以確定方案 5 為最終方案。 定性比較 方案 5 相對方案 4 反解簡單，其運(yùn)動耦合相對較弱，從運(yùn)動學(xué)計算結(jié)果可以得出方案 5 比方案 4 控制簡單，從機(jī)構(gòu)機(jī)械實(shí)現(xiàn)尺度分析，方案 5 比方案 4 的剛度要高，綜合這幾方面，“仿極坐標(biāo)系”方案相對于“機(jī)器手”方案具有特點(diǎn)： （ 1） 運(yùn)動耦合較弱； （ 2） 控制簡單方便； 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200246810搖桿角速度時間度/s0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 4 0 2 00204060水平速度時間mm/s哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 （ 3） 正、反解求解容易；