Q221-平行四边形双足步行机器人的设计与研究【三维SolidWorks】.zip

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三维SolidWorks q221 平行四边形 步行 机器人 设计 研究 钻研 三维 solidworks
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内容来自:伤城文章网更多四足步行机器人的结构设计开题报告相关资料请点击这里郑州科技学院毕业设计(论文)开题报告课题名称 课题来源 学生姓名 教师拟定 四足步行机器人的结构设计 课题类型 学 号 AY 指导教师 专 业 机械设计制造及其自 动化一、设计目的和意义 在自然界或者人类社会中,存在人类无法到达的地方和可能危机人类生命的特殊场 合,如工地,防灾救援现场等许多领域,对这些复杂环境的不断探索和研究往往需要有 机器人的介入。与轮式或履带式机器人相比,由于足式机器人的立足点是离散的点,可 以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能 力。常见的足式步行机器人包括双足步行机器人,四足步行机器人,六足步行机器人,八足步行机器人等。其中四足步行机器人是一种对复杂地形具有高度适应性和具有实际 应用价值的移动机器人,比双足步行机器人承载能力强,稳定性好。同时又比六足,八 足步行机器人结构简单,因此受到各国研究人员的普遍重视。四足机器人是一门集仿生学,机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学 科。不仅涉及到线性,非线性,基于多种传感器信息控制以及实施控制技术,而且还囊 括了复杂机电系统的建模,数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。其发展 往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。二、国内外发展现状 20 世纪 60 年代,四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人 控制技术的研究和应用,到了 20 世纪 80 年代,现代四足步行机器人的研制工作进入了 广泛开展阶段。世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性,但缺点是,该机器人的关节是由逻辑电路组成的 状态机控制的,因此机器人的运动受限制,只能呈现固定的运动形式。20 世纪 80,90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制 的 TITAN 系列。19811984 年 Hirose 教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的 TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成,可自动检测与地面接触的状态。姿态传 感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策,实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI 机器人采用新型的直动性腿机构,避免了上楼梯过程中两腿的干涉,并采用 两级变速驱动机构,对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。2000-2003 年,日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器 人 Tekken-IV,它的每个关节安装了一个光电码盘,陀螺仪,倾角计和触觉传感器。系统 控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实线不规则地面 的自适应动态步行,显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它 的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导航,可以辨别和避让前方存在的障碍,能够 在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。目前最具代表性的四组步行机器人是美国 Boston dynamics 实验室研制的 BigDog,它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬,可以负载高达 52KG 的重量,爬升斜坡可达 35。其腿关节类似动物腿关节,安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时,腿部连 有很多传感器,其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强,平衡能 力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱,故工作时受环境影响大,可靠性差。另外,当 机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。国内四足机器人研制工作从 20 世纪 80 年代起步,取得一定成果的有上海交通大 学、清华大学、哈尔滨工业大学等。上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列四足步行机器人的研究。1996 年该研究所研制成功了 JTUWM-III,该机器人采用开式链腿机构,每个腿有 3 个自 由度,具有结构简单,外形轻巧,体积小,质量轻等特点。它采用力和位置混合控制,脚底装有 PVDF 测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,实线了对角动态行 走。但行走速度极慢,极限步速仅为 1.7KM/h,另外其负重能力有限,故在实际作业时 实用性较差。清华大学所研制的一款四足步行机器人,它采用开环关节连杆机构作为步进机构,通过模拟动物的运动机理,实现比较稳定的节律运动,可以自主应付复杂的地形条件,完成上下坡行走,越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂,而且承载能 力较小。综上所述,美国,日本的研究最具代表性,其技术水平已经较为先进,实用化程度 也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚,在上个世纪 90 年代以后才逐渐 有了成果,但研究水平距世界先进水平还有差距。四足步行机器人的研究趋势:(1)实现腿机构的高能,高效性;(2)轮,足运动相结合;(3)步行机器人微型化;(4)增强四足步行机器人的负载能力;(5)机器人仿生的进一步深化;三、设计内容与要求 作为一种四足步行机器人的设计,我的主要任务就是设计四足步行机器人的结构,并完成四足机器人的步态规划与仿真,使它能够平稳行走并且具有一定的越障能力。具体工作主要有:(1)掌握计算机三维制图软件 Solidworks、Pro-E;(2)对四足步行机器人进行结构设计;(3)完成四足机器人的步态规划与仿真;(4)运用三维制图软件绘制四足步行机器人的装配图;(5)绘制四足步行机器人的主要零件图;(6)完成毕业设计说明书;四、设计思路与预期成果 通过对国内外机器人文献、期刊等资料的查阅分析其结构运动,开拓发散思维将 优点融入自己的设计中,最终完成毕业设计且达到以下预期成果:(1)绘制四足步行机器人的装配图;(2)实现四足步行机器人的运动仿真;(3)绘制四足步行机器人的主要零件图;(4)完成毕业设计说明 五、任务完成的阶段内容及时间安排(1)第 1 周:搜集整理并认真阅读课题相关的中文及外文文献;(2)第 2 周:对设计过程制定确切的计划,撰写开题报告,文件综述,外文翻 译;(3)第 3 周:学习计算机三维制图软件 Solidworks、Pro-E 软件和温习 Autocad 软件,熟悉机械零件的三维建模以及二维零件的绘制;(4)第 4 周第 6 周:确定四足步行机器人的运动方案,完成四足步行机器人 的结构设计,完成四足机器人的步态规划与仿真。;(5)第 7 周第 8 周:运用三维绘图软件绘制四足机器人的装配图及其主要零 件图;(6)第 9 周第 10 周:编写和整理毕业设计论文;(7)第 11 周:修改、完善并打印装配图、零件图及毕业设计论文,提交毕业设 计;(8)第 12 周:准备毕业答辩。指导教师签名:日期:内容来自:伤城文章网更多四足步行机器人的结构设计开题报告相关资料请点击这里毕业设计(论文)毕业设计(论文)平行四边形双足步行机器人的设计与研究学 号:学 号:姓 名:姓 名:专 业:专 业:机械设计制造及其自动化系 别:系 别:机械工程系指导教师:指导教师:XXX讲师XXX副教授二一五年五月二一五年五月摘 要摘 要机械工业是一个国家的重要产业,机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展,人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下,中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时,越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下,对平行四边形双足步行机器人进行改良和优化是当务之急,平行四边形双足步行机器人的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。国内平行四边形双足步行机构的研发及制造要与全球号召的高效经济、灵活、多样等主题保持一致。近期对机器人行业中平行四边形步行机构的使用情况进行了调查,发现在机械行业中,平行四边形连杆机构的使用非常普遍。自然而然在机械设备中它们的设计也非常频繁。传统的平行四边形连杆机构结构单一,实现的功能有限,所以设计一个专用的平行四边形双足步行机器人势在必行。本文运用大学所学的知识,提出了平行四边形双足步行机器人的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验,构建了平行四边形双足步行机器人总的指导思想,从而得出了该平行四边形双足步行机器人的优点是高效,经济,并且变化灵活,多样,运行平稳的结论。关键词:机械工业;结构;平行四边形双足步行机器人;结论iABSTRACTThe environment of global economic development,China industries affected by other countries advanced technology at the same time,foreign enterprises and brand spread to more and more Chinese has become an opportunity.Cap pressing machine in industry through a variety of ways have been working with the relevant technology,and constantly improve their own strength and core competitiveness,and narrow the gap with developed countries.In the new market demand,update the sleeve pressing machine is a pressing matter of the moment.The production of pipe pressing machine equipment manufacturing enterprises to fully tap the potential of the market,vigorously develop the sleeves of large low cost pressing special machinery and equipment,plays a positive role in the evolution of automatic assembly,the assembly of mechanical equipment.With the development of science and technology,interdisciplinary mutual infiltration,mutual exchanges between the various industry,extensive use of new structure,new materials,new technology,the sleeve pressing machine is large,efficient,Recently,the use of machinery industry,bearing and shaft sleeve shaft were investigated,found that the shaft,bearings and bushings in the machinery industry is one of the key parts.Come very naturally in the assembly of the installation is also very simple.In the installation if the use of artificial pressure with not only the labor intensity is too large and the size of each other is not easy to ensure the shaft,bearing and shaft sleeve,so the design of a special press be imperative.Graduation project this time is a tube axial compressive loading machine.This paper introduces the theoretical calculation to design sleeve pressing machine structure,working principle and main parts of the strength check and the advantages of the sleeve,pressing machine is efficient,economical,and high safety,stable operation.The overall plan is:the relative position of two axle sleeve on the plane,the motor reducer to provide power through belt drives the screw rod to rotate,and drives the head movement,a nut,a rotary motion of the linear motion of press.Block type safety clutch overload protection with teeth,pressure distribution in the corresponding position of the pipe after drilling through the drilling template.Key word:pneumatic manipulator;cylinder;pneumatic loop;Four degrees of iifreedom目 录目 录摘 要摘 要.iABSTRACT.ii目 录目 录.iii1 绪论.1 1.1 课题的来源与研究的目的和意义.1 1.2 平行四边形双足步行机器人的发展现状.2 1.3 双足步行机器人的研究趋势.3 1.4 Solidworks 设计基础.4 1.4.1 草图绘制.5 1.4.2 基准特征,参考几何体的创建.6 1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建.7 1.4.4 工程图的设计.10 1.4.5 装配设计.112 平行四边形双足步行机器人总体结构的设计.12 2.1 平行四边形双足步行机器人的总体方案图.12 2.2 平行四边形双足步行机器人的步态规划.133 机械传动部分的设计计算.13 3.1 电机的选型计算.13 3.2 转动轴的设计计算.13 3.3 轴承的选型计算.144 各主要零部件强度的校核.14 4.1 转动轴强度的校核与计算.15 4.2 轴承强度的校核计算.15结 论结 论.16致 谢致 谢.17参考文献参考文献.18附录 一附录 一.32iii附录 二附录 二.3501 绪论1 绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义1.1 课题的来源与研究的目的和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有,一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割,使视野狭隘,可以多多参加技术交流,和参加科研项目,缩小范围,提升新技术的进步和整个块的技术,提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘,考虑的问题太特殊,在工作中协调困难,不利于自我提高。因此,自上世纪第二十年代末,出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论,拓宽领域,对专业合并的分化。机械工程可以增加产量,提高劳动生产率,提高生产的经济效益为目标,并研制和发展新的机械产品。在未来,新产品的开发,降低资源消耗,清洁的可再生能源,成本的控制,减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚,耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂,很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙,潜入海洋,数十亿光年的密切观察,细胞和分子。电子计算机硬件和软件,人类的新兴科学已经开始加强,并部分代替人脑科学,这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用,但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果,而是要求越来越精致,手工制作,更复杂的工作,从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中,以及在每个人的成长过程中,大脑和手是互相促进和平行进化。大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系,唯一不同的是,智能硬件还需要使用机械制造。在过去,各种机械离不开人类的操作和控制,反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统,人工智能将消除这种限制。相互促进,计算机科学和机械工程进展之间的平行,将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪,机械工程的知识总量仍然是有限的,大学在欧洲,它与一般的土木工程是一门综合性的学科,称为土木工程,下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪,随1着机械工程和知识增长的发展开始分解,机械工程专业,有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解,在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有,一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割,视野狭隘,可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流,缩小范围,新技术的进步和整个块的技术,外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭,考虑的问题太特殊,在工作协调困难,不利于自我提高。因此,自上世纪第二十年代末,出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论,拓宽领域,对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成,是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家,也有综合的知识了解不够,看看其他学科和项目作为一个整体,从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突;在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识,包括社会科学,自然科学和工程技术,有一个更高的水平,更广泛的综合性和专业性的问题。1.2 平行四边形双足步行机器人的发展现状1.2 平行四边形双足步行机器人的发展现状 20 世纪 60 年代,四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人 控制技术的研究和应用,到了 20 世纪 80 年代,现代四足步行机器人的研制工作进入了 广泛开展阶段。世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性,但缺点是,该机器人的关节是由逻辑电路组成的 状态机控制的,因此机器人的运动受限制,只能呈现固定的运动形式。20 世纪 80,90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制 的 TITAN 系列。19811984 年 Hirose 教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的 TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成,可自动检测与地面接触的状态。姿态传 感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策,实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI 机器人采用新型的直动性腿机构,避免了上楼梯过程中两腿的干涉,并采用 两级变速驱动机构,对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。2000-2003 年,日本电气通信大学的木2村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器 人 Tekken-IV,它的每个关节安装了一个光电码盘,陀螺仪,倾角计和触觉传感器。系统 控制是由基于 CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV 能够实线不规则地面 的自适应动态步行,显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它 的另一特点是利用了激光和 CCD 摄像机导航,可以辨别和避让前方存在的障碍,能够 在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。目前最具代表性的四组步行机器人是美国 Boston dynamics 实验室研制的 BigDog,它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬,可以负载高达 52KG 的重量,爬升斜坡可达 35。其腿关节类似动物腿关节,安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时,腿部连 有很多传感器,其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强,平衡能 力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱,故工作时受环境影响大,可靠性差。另外,当 机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。国内四足机器人研制工作从 20 世纪 80 年代起步,取得一定成果的有上海交通大 学、清华大学、哈尔滨工业大学等。上海交通大学机器人研究所于 1991 年开展了 JTUWM 系列四足步行机器人的研究。1996 年该研究所研制成功了 JTUWM-III,该机器人采用开式链腿机构,每个腿有 3 个自 由度,具有结构简单,外形轻巧,体积小,质量轻等特点。它采用力和位置混合控制,脚底装有 PVDF 测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,实线了对角动态行 走。但行走速度极慢,极限步速仅为 1.7KM/h,另外其负重能力有限,故在实际作业时 实用性较差。清华大学所研制的一款四足步行机器人,它采用开环关节连杆机构作为步进机构,通过模拟动物的运动机理,实现比较稳定的节律运动,可以自主应付复杂的地形条件,完成上下坡行走,越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂,而且承载能 力较小。综上所述,美国,日本的研究最具代表性,其技术水平已经较为先进,实用化程度 也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚,在上个世纪 90 年代以后才逐渐 有了成果,但研究水平距世界先进水平还有差距。四足步行机器人的研究趋势:(1)实现腿机构的高能,高效性;(2)轮,足运动相结合;(3)步行机器人微型化;3(3)增强四足步行机器人的负载能力;(5)机器人仿生的进一步深化;1.3 双足步行机器人的研究趋势1.3 双足步行机器人的研究趋势 本论文主要研究运用 SolidWorks 对平行四边形双足步行机器人进行设计。在设计过程中,了解平行四边形步行机构的结构特征和三维软件的使用要领。当今社会,双足步行机器人的研究趋势主要分为以下几个方面:(1)实现腿机构的高能,高效性;(2)轮,足运动相结合;(3)步行机器人微型化;(4)增强双足步行机器人的负载能力;(5)机器人仿生的进一步深化;1.4 Solidworks 设计基础1.4 Solidworks 设计基础1.4.1 草图绘制1.4.1 草图绘制 掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法;掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法;理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束;熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具;能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。1.4.2 基准特征-参考几何体的创建1.4.2 基准特征-参考几何体的创建 清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念;灵活运用各种建立基准点的方法;灵活运用各种建立基准轴方法;灵活运用各种建立基准面的方法;灵活运用坐标系的建立方法;能根据建模需要综合应用各种参考几何体。1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建模1.4.3 拉伸、旋转、扫描和放样特征建模 灵活运用拉伸特征的概念与建立方法;灵活运用旋转特征的概念与建立方法;掌握扫描特征的概念与建立方法;灵活运用放样特征的概念与建立方法;通过实践能够准确分析零件的特征,灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。41.4.4 工程图设计1.4.4 工程图设计 灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法;灵活运用建立标准三视图,剖视图,断面图,局部图,辅助视图等方法;灵活运用各种注释的方法。1.4.5 装配设计1.4.5 装配设计 灵活运用自底向上的装配方法;灵活运用生成装配体爆炸图的方法;灵活运用 SolidWorks 智能装配技术;灵活运用装配体零部件的状态和属性控制,并能够在装配体中设计子装配体;灵活运用干涉检查;灵活运用自上向下的装配方法;灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号;灵活运用生成装配体材料明细表的方法。2 平行四边形双足步行机器人总体结构的设计2 平行四边形双足步行机器人总体结构的设计2.1 平行四边形双足步行机器人的总体方案图2.1 平行四边形双足步行机器人的总体方案图本次设计的平行四边形双足步行机器人采取的方案是:采用碳钢板通过螺纹连接的方式来制作主体,通过主体里面的直流电机带动 T 型腿的摆动从而来实现机器人的步行功能,该机器人为双足,通过连杆机构分别将两条 T 型腿相连,通过控制系统的控制从而来实现机器人的步行功能,该机器人控制灵活,运行平稳。其具体方案布局图如下:52.2 平行四边形双足步行机器人的步态规划2.2 平行四边形双足步行机器人的步态规划平行四边形双足步行机器人由两个“T”形足组成,通过电机带动足的旋转,从而实现两个足的轮流着地,其中该机器人的前进是靠底部的驱动电机通过驱动这个平行四边形连杆机构来实现的。根据两足的着地状态,一个周期可分为五个状态:1)、初始时:两足着地。2)、右足迈步,从初始时刻开始,电机带动右足压向地面,左足充当机架。在反作用力的情况下,左边部分被抬起。当电机转过最高点时,左边部分抬至最高点,电机带动下,向前迈步。3)、右足落地,两足同时着地。64)、左足迈步,和过程 2 一样。5)、左足落地,回到状态。3 机械传动的设计计算3 机械传动的设计计算3.1 电机的选型计算3.1 电机的选型计算 已知整个平行四边形双足步行机器人的总重量 150KG,其他重量 50KG,我们取总重量为 200Kg,移动速度为 12r/min。即:mm mms sG=mg=200 10=2000NV=1-2m/min=16.6-33.3/具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间01(t-t)60Vll Vl负载速度(m/min)有速度可知每秒上升 50mm,0.0331.2=1.2360ls电机转速 电机VlnPB2400/min0.005电机VlnrPB3.负载转矩0.3 10 200 0.0051.73.220.9BgMPTLN m式中:4.电机转矩7启动转矩12()2636.9(0.00032)1.25.6060 1.2SNM JMJLJMTN mt必须转矩2.36.TMTLTS SN mS 为安全系数,这里取 1.0。根据以上得出数据,我们选用电机型号为 160BL-A,此电机厂家为机电产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下:8 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表,我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B,电机额定功率为 0.2KW,额定转矩为 7.62N.m,最大转矩为9N.m,额定转速为 3000r/min。电机大致图如下:外形尺寸 110 x150,电机输出轴径为 12mm。3.2 转动轴的设计计算3.2 转动轴的设计计算 轴是组成精密机械的重要零件之一。一切作为回转运动的零件,都必须在轴上才能传递运动和动力。在本课题所使用的轴,承受的负荷比较小,尺寸也比较9小,制造精度高,要求材料具有足够高的机械强度和良好的加工性能。因此,选用材料 45#,传动轴最大外圆直径 15,热处理为对轴进行调质处理。此转轴大致图形如下:3.3 轴承的选型计算3.3 轴承的选型计算根据根据条件,轴承预计寿命 163658=48720 小时;(1)已知 n=458.2r/min 两轴承径向反力:FR1=FR2=500.2N;初先两轴承为深沟球轴承 6205 型。根 据 课 本P265(11-12)得 轴 承 内 部 轴 向 力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N;(2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端,现取 1 端为压紧端 FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N;(3)计算当量载荷P1、P2 根据课本 P263 表(11-9)取 f P=1.5;根据课本 P262(11-6)式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N;P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N;(4)轴承寿命计算P1=P2 故取 P=750.3N;深沟球轴承=3;104 各主要零部件强度的校核4 各主要零部件强度的校核4.1 转动轴强度的校核与计算4.1 转动轴强度的校核与计算1、轴的特点:轴是组成机械的主要零件之二。一切作回转运动的传动零件,都必须装在轴上刁能进行运动及.力的传递,同时它又通过轴承和机架联接,由此形成个以轴为基准的组合体一轴系部件。2、轴的种类1、根据承受载荷的不同分为:1)转轴:定义既能承受弯矩又承受扭矩的轴2)心轴:定义:只承受弯矩而不承受扭矩的轴3)传送轴:定义:只承受扭矩而不承受弯矩的轴 z、根据轴的外形,可以将直轴分为光轴和阶梯轴3、根据轴内部状况,又可以将直轴分为实心轴和空。4、轴的设计重点1、轴的设计W 轴的工作能力设计。主要进行轴的强度设计、刚度设计,对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。轴的结构设计。根据轴的功能,轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求,同时应具有良好的工艺性。一般的设计步骤为:选择材料,初估轴径,结构设计,强度校核,必要时要进行刚度校核和稳定性计算。2、轴的材料 轴是主要的支承件,常采用机械性能较好的材料。常用材料包括:碳素钢:该类材料对应力集中的敏感性较小,价格较低,是轴类零件最常用的材料常用牌号有:30、35、40、45、50。采用优质碳钢时,一般应进行热处理以改善其性能。.力较小或不重要的轴,也可以选用 X235,Q255 等普通碳钢。合金钢:对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴,可以选用合金纲合金钢具11有史好的机械性能和热处理性能,但对应力集中较敏感,价格也较高。设计中尤其要汁意从结构上减小应力集中,并提高其表面质量。铸铁:对于形状比较复杂的轴,可以选用球铸铁和高强度。铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性,经济性好且.力集中不敏感,但铸造质量不易保证。3、轴的结构设计 根据轴在工作中的作用,轴的结构取决于:轴在机器中的安装位置和形式,轴上零件的类型和尺寸,载荷的性质、大小、方向和分布状况,轴的加工工艺等多个因素。合理的结构设计应满足:轴上零件布置合理,从而轴受力合理有利于提高强度和刚度;轴和轴上零件必须有准确的工作位置;轴上零件装拆调整方便;轴具有良好的加工工。艺性;节省材料等。1).轴的组成 轴的毛坯一般采用圆钢、锻造或焊接获得,由于铸造品质不易保证,较少选用铸造毛坯。轴主要由三部分组成。轴上被支承,安装轴承的部分称为轴颈;支承轴上零件,安装轮毅的部分称为轴头;联结轴头和轴颈的部分称为轴身。轴颈上安装滚动轴承时,直径尺寸必须按滚动轴承的国标尺寸选择,尺寸公差和表面粗糙度须按规定选择;轴头的尺寸要参考轮毅的尺寸进行选择,轴身尺寸确定时应尽量使轴颈与轴头的过渡合理,避免截面尺寸变化过大,同时具有较好的工艺性。.结构一设计步骤设计中常采用以下的设计步骤:1、分析所设计轴的工作状况,拟定轴上零件的装配方案和轴在机器中的安装情况。2、根据已知的轴上近似载荷,初估轴的直径或根据经验确定轴的某径向尺寸。3、根据轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对轴的表面要求等确定轴的径向(直径)尺寸。4、根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式确定轴的轴向尺寸。5、考虑加工和装配的工艺性,使轴的结构更合理。3)零件在轴上的安保证轴上零件可靠工作,需要在工作过程中有准确的位置,12即零件在轴上必须有准确的定位和固定。零件在轴上的准确位置包括轴向和周向两个方面 W 零件在轴上的轴向定位和固定常见的轴向定位和固定的方法采用轴肩、各种挡圈、套筒、圆螺母、锥端轴头等的多种组合结构。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两种。利用轴肩定位结构简单、可靠,但轴的直径加大,轴肩处出现应力集中;轴肩过多也不利于加工。因此,定位轴肩多在不致过多地增加轴的阶梯数和轴向力较大的清况下使用,定位轴肩的高度一般取3-6mm,滚动轴承定位轴肩的高度需按照滚动轴承的安装尺寸确定。非定位轴肩多是为了装配合理方便和径向尺寸过度时采用,轴肩高度无严格限制,一般取为1-2r 套筒定位可以避免轴肩定位引起的轴径增大和应力集中,但受到套筒长度和与轴的配合因素的影响,不宜用在使套筒过长和高速旋转的场合。挡圈的种类较多,且多为标准件,设计中需按照各种挡圈的用途和 l 国标来选用。4.轴的结构工艺性(1)从装配来考虑:应合理的设计非定位轴肩,使轴上不同零件在安装过程中尽量减少不必要的配合;为了装配方便,轴端应设计 45。的倒角;在装键的轴段,应使键槽靠近轴与轮毅先接触的直径变化处,便于在安装时零件上的键槽与轴上的键容易对准采用过盈配合时,为了便于装配,直径变化可用锥面过渡等。(2)从加工来考虑:当轴的某段须磨削加工或有螺纹时,须设计砂轮越程槽或退刀槽根据表面安装零件的配合需要,合理确定表面粗糙度和加工方法为改善轴的抗疲劳强度,减小轴径变化处的应力集中,应适当增大其过渡圆角径,但同时要保证零件的可靠定位,过渡圆角半径又必须小于与之相配的零件的圆角半径或倒角尺寸。轴的设计时应考虑多方面因素和要求,其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。其中对于轴的强度校核尤为重要,通过校核来确定轴的设计是否能达到使用要求,最终实现产品的完整设计。由此看来合理的进行轴的强度校核成为轴设计的主要内容,同时也是评定轴的设计成败得先决条件。校核结果如不满足承载要求时,强度校核是对材料或设备的力学性能进行检测并调节的一种方式,并且这种方式以不破坏材料或设备性能为一前提。132.2 轴的强度校核计:进行轴的强度校核计算时,应根据轴的具体受载及应力情况,采取相应的计算方法,并恰当地选取其许用应力。对于传动轴应按扭转强度条件计算。4.2 轴承强度的校核计算4.2 轴承强度的校核计算(1)滚动轴承的选择滚动轴承为双列圆锥滚子轴承 350324B,由文献2表242.39得862rCKN,1490orCKN,83.0e,8.01Y。(2)寿命验算 轴承所受支反力合力 74.150502.136813.6292222BZBYBRRRN (4.1)对于双列圆锥滚子轴承,派生轴向力互相抵消。0BaF,57.712aCaFFN由文献2表242.39得,eRFBBa,74.150508.074.15051BaBBrFYRPN (4.2)按轴承 B 的受力大小验算 93103661078.474.15051086255660106010BrhPCnLh (4.3)91078.4hLh=51046.5年 经审核后,此轴承合格。14北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)15结论结论在最近的一段时间的毕业设计,使我们充分把握的设计方法和步骤,不仅复习所学的知识,而且还获得新的经验与启示,在各种软件的使用找到的资料或图纸设计,会遇到不清楚的作业,老师和学生都能给予及时的指导,确保设计进度,本文所设计的是平行四边形双足步行机器人的设计,通过初期的定题,查资料和开始正式做毕设,让我系统地了解到了所学知识的重要性,从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易,需要不断钻研,不断进取才可要做的好,总之,本设计完成了老师和同学的帮助下,在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学,是大家的帮助才使我的论文得以通过。北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)16致 谢致 谢 直到今天,论文总算完成了,我的心里感到特别高兴和激动,在这里,我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢!因为有了老师的谆谆教导,才让我学到了很多知识和做人的道理,由衷地感谢我亲爱的老师,您不仅在学术上对我精心指导,在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解,在我的生命中给予的灵感,所以我才能顺利地完成大学阶段的学业,也学到了很多有用的知识,同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么,不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度,创新的学术风格,认真负责,无私奉献,宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算,查找各类平行四边形双足步行机器人的相关资料,论文终于完成了,我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的,是不是最好的,但在我心中,它是我最珍惜的,因为我是怎么想的,这是我付出的汗水获得的成果,是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活,不仅丰富了我的知识,而且锻炼了我的个人能力,更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识,在这里,谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人,谢谢大家北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)17参考文献参考文献1 张华 机械设备设计 北京:科学出版社,2004.52 李念 平行四边形双足步行机器人概述 北京:机械工业出版社,2005.13 张栋 平行四边形双足步行机器人的创新设计.高等教育出版社,2004.34 姜继海,宋锦春,高常识.平行四边形双足步行机器人工作原理.高等教育出版社,2002.85 张春林,曲继方,张美麟.机械创新设计.机械工业出版社,2001.46 钱平.加工专机应用技术 机械工业出版社,2005.17 张辽远.平行四边形双足步行机器人的设计与实现.机械工业出版社,2002.88 基恩士传感器选择手册 2010 版本9 黄长艺,严普强.机械工程测试技术基础.机械工业出版社,2001.110 张桓,陈作模.机械原理.高等教育出版社,2000.811 王昆,何小柏,汪信远.平行四边形双足步行机器人原理.高等教育出版社,1995.1212 徐锦康.机械设计.高等教育出版社,2004.413 邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社,2001.314 刘延俊.液压与气压传动.机械工业出版社,2002.1215 章宏甲,黄谊,王积伟.平行四边形双足步行机器人的逆向设计.机械工业出版社,2000.516 胡泓,姚伯威.机电一体化原理及应用.北京:国防工业出版社,2000.617 陈铁鸣 平行四边形双足步行机器人的创新.高等教育出版社,2003.7北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)1818 孙靖民.机械优化设计.机械工业出版社,2005.119 黄俊.系统分析与设计.北京:清华大学出版社,1991.720Hirohiko Arai,Kazuo Tanie,and Susumu Tachi.Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)19附录 一附录 一机械工程的内容机械工程的内容机械工程的服务领域广阔而多面,凡是使用机械、工具,以至能源和材料生产的部门,都需要机械工程的服务。概括说来,现代机械工程有五大服务领域:研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。不论服务于哪一领域,机械工程的工作内容基本相同,主要有:建立和发展机械工程的工程理论基础。例如,研究力和运动的工程力学和流体力学;研究金属和非金属材料的性能,及其应用的工程材料学;研究热能的产生、传导和转换的热力学;研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学;研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。研究、设计和发展新的机械产品,不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品,以适应当前和将来的需要。机械产品的生产,包括:生产设施的规划和实现;生产计划的制订和生产调度;编制和贯彻制造工艺;设计和制造工具、模具;确定劳动定额和材料定额;组织加工、装配、试车和包装发运;对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。生产批量有单件和小批,也有中批、大批,直至大量生产。销售对象遍及全部产业和个人、家庭。而且销售量在社会经济状况的影响下,可能出现很大的波动。因此,机械制造企业的管理和经营特别复杂,企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备,以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)20机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备,以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。研究机械产品在制造过程中,尤其是在使用中所产生的环境污染,和自然资源过度耗费方面的问题,及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务,而且其重要性与日俱增。机械工程分类 机械的种类繁多,可以按几个不同方面分为各种类别,如:按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等;按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等;按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外,机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段,机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统,如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉,互相重叠,从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如,按功能分的动力机械,它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机,以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械,也是热力机械、流体机械和透平机械,它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置,可能也属于核动力装置等等。机械工程的发展历程人类成为“现代人”的标志就是制造工具。石器时代的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械,经历了漫长的过程。几千年前,人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨,用来提水的桔槔和辘轳,装有轮子的车,航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力,从人自身的体力,发展到利用畜力、水力和风力。所用材料从天然的石、木、土、皮革,北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)21发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷,制造陶瓷器皿的陶车,已是具有动力、传动和工作三个部分的完整机械。人类从石器时代进入青铜时代,再进而到铁器时代,用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。有足够强大的鼓风器,才能使冶金炉获得足够高的炉温,才能从矿石中炼得金属。在中国,公元前 1000前 900 年就已有了冶铸用的鼓风器,并逐渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。1516 世纪以前,机械工程发展缓慢。但在以千年计的实践中,在机械发展方面还是积累了相当多的经验和技术知识,成为后来机械工程发展的重要潜力。17世纪以后,资本主义在英、法和西欧诸国出现,商品生产开始成为社会的中心问题。18 世纪后期,蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉、冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改用更为坚韧,但难以用手工加工的金属。机械制造工业开始形成,并在几十年中成为一个重要产业。机械工程通过不断扩大的实践,从分散性的、主要依赖匠师们个人才智和手艺的一种技艺,逐渐发展成为一门有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成 1819 世纪的工业革命,以及资本主义机械大生产的主要技术因素。动力是发展生产的重要因素。17 世纪后期,随着各种机械的改进和发展,随着煤和金属矿石的需要量的逐年增加,人们感到依靠人力和畜力不能将生产提高到一个新的阶段。在英国,纺织、磨粉等产业越来越多地将工场设在河边,利用水轮来驱动工作机械。但当时的煤矿、锡矿、铜矿等矿井中的地下水,仍只能用大量畜力来提升和排除。在这样的生产需要下,18 世纪初出现了纽科门的大气式蒸汽机,用以驱动矿井排水泵。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高,基本上只应用于煤矿。1765 年,瓦特发明了有分开的冷凝器的蒸汽机,降低了燃料消耗率。1781 年瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机,扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展,使矿业和工业生产、铁路和航运都得以机械动力化。蒸汽机几乎是 19 世纪唯一的动力源,但蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重,应用很不方便。19 世纪末,电力供应系统和电动机开始发展和推广。20 世纪初,电动机已在北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)22工业生产中取代了蒸汽机,成为驱动各种工作机械的基本动力。生产的机械化已离不开电气化,而电气化则通过机械化才对生产发挥作用。发电站初期应用蒸汽机为原动力。20 世纪初期,出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机,也出现了适应各种水利资源的水轮机,促进了电力供应系统的蓬勃发展。19 世纪后期发明的内燃机经过逐年改进,成为轻而小、效率高、易于操纵、并可随时启动的原动机。它先被用以驱动没有电力供应的陆上工作机械,以后又用于汽车、移动机械和轮船,到 20 世纪中期开始用于铁路机车。蒸汽机在汽轮机和内燃机的排挤下,已不再是重要的动力机械。内燃机和以后发明的燃气轮机、喷气发动机的发展,是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。工业革命以前,机械大都是木结构的,由木工用手工制成。金属(主要是铜、铁)仅用以制造仪器、锁、钟表、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作,以达到需要的精度。蒸汽机动力装置的推广,以及随之出现的矿山、冶金、轮船、机车等大型机械的发展,需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多,越来越大,要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。机械加工包括锻造、锻压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备,以及切削加工技术和机床、刀具、量具等,得到迅速发展,保证了各产业发展生产所需的机械装备的供应。社会经济的发展,对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和精密加工技术的进展,促进了大量生产方法的形成,如零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等。简单的互换性零件和专业分工协作生产,在古代就已出现。在机械工程中,互换性最早体现在莫茨利于 1797 年利用其创制的螺纹车床所生产的螺栓和螺帽。同时期,美国工程师惠特尼用互换性生产方法生产火枪,显示了互换性的可行性和优越性。这种生产方法在美国逐渐推广,形成了所谓“美国生产方法”。20 世纪初期,福特在汽车制造上又创造了流水装配线。大量生产技术加上泰勒在 19 世纪末创立的科学管理方法,使汽车和其他大批量生产的机械产品的生产效率很快达到了过去无法想象的高度。北京交通大学海滨学院毕业设计(论文)2320 世纪中、后期,机械加工的主要特点是:不断提高机床的加工速度和精度,减少对手工技艺的依赖;提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度;利用数控机床、加工中心、成组技术等,发展柔性加工系统,使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平;研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。18 世纪以前,机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作,与科学几乎不发生联系。到 1819 世纪,在新兴的资本主义经济的促进下,掌握科学知识的人士开始注意生产,而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识,他们之间的交流和互相启发取得很大的成果。在这个过程中,逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人萨弗里、瓦特,应用了物理学家帕潘和布莱克的理论;在蒸汽机实践的基础上,物理学家卡诺、兰金和开尔文建立起一门新的科学热力学。内燃机的理论基础是法国的罗沙在1862 年创立的;1876 年奥托应用罗沙的理论,彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展,而理论也在实践中得到改进和提高。早在
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