齒輪齒條機械手設計【三維模型建?！俊綣S系列】,三維模型建模,JS系列,齒輪,齒條,機械手,設計,三維,模型,建模,js,系列 哈 爾 濱 理 工 大 學 數字化設計與仿真 題 目： 院、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 哈爾濱理工大學《數字化設計與仿真》技能訓練說明書 摘要 機械手采用一系列桿和齒輪齒條運動副構建空間多邊形，桿和齒輪相應的就是多邊形的邊和偏距。大多數機械手均有特殊的幾何關系。由桿和齒輪副構成的封閉空間多邊形可能是能動的，也可能是結構。本說明書將根據能動度條件，并把單環(huán)單自由度的空間機構依照其運動副順序列表。這些機構有一個與機架（固定桿）相連的輸入桿（驅動桿）及一個與機架另一端相連的輸出桿（被動桿）。此外，將單環(huán)單自由度機構根據其等價球面機構的能動度來分組是合乎邏輯的，因為這構成了它們的唯一分析的基礎。 機械手的結構形式比較簡單，專用性較強，僅為某機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重讀操作，使用范圍較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，實用性較強，所以它不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的應用。 本說明書通過對平行四桿式機械手運動進行分析計算并對其進行校核，并設計零件圖及裝配圖并進行運動仿真。 目錄 摘要 I 一、技能訓練的目的 - 4 - 二、主要技術參數與要求 - 5 - 三、原理分析與設計計算 - 6 - 1、工作原理分析 - 6 - 1.1設計時應考慮的幾個問題 - 6 - 2、運動與動力的計算 - 6 - 3、零件的選擇及尺寸確定 - 7 - 3.1傳動齒扇的的選擇及尺寸確定 - 7 - 3.2墊塊的選擇及尺寸確定 - 8 - 3.3墊片的選擇及尺寸確定 - 8 - 3.4底座的選擇及尺寸確定 - 8 - 3.5連桿的選擇及尺寸確定 - 9 - 3.6螺栓的選擇及尺寸確定 - 9 - 3.7手部的選擇及尺寸確定 - 10 - 3.8手腕的選擇及尺寸確定 - 10 - 3.9外殼的選擇及尺寸確定 - 11 - 四、參數化建模與仿真 - 11 - 1、零件建模 - 11 - 1.1傳動齒扇的建模 - 11 - 1.2墊塊的建模 - 12 - 1.3墊片的建模 - 13 - 1.4底座的建模 - 13 - 1.5連桿的建模 - 14 - 1.6螺栓的建模 - 15 - 1.7手部的建模 - 16 - 1.8手腕的建模 - 16 - 1.9外殼的建模 - 17 - 2、虛擬裝配 - 18 - 2.1為全部建模完成的零件進行裝配 - 18 - 3、運動仿真 - 18 - 3.1連桿和運動副的創(chuàng)建 - 19 - 3.2仿真動畫輸出 - 19 - 五、 快速成型與分析 - 19 - 1、 快速成型簡介 - 19 - 2、快速成型的特點 - 20 - 3、 快速成型的過程 - 20 - 六、工程圖圖樣設計 - 20 - 1、裝配圖設計 - 20 - 1.1裝配圖的轉換 - 20 - 1.2裝配圖的標注 - 21 - 2、零件圖的設計 - 21 - 2.1零件圖的轉換 - 21 - 2.2零件圖的標注 - 21 - 七、 技術經濟評價 - 22 - 結束語 - 23 - 參考文獻 - 24 - 一、技能訓練的目的 《數字化設計與仿真》技能訓練是在學習相關專業(yè)方向課和專業(yè)選修課程后，進行的一次綜合性設計技能訓練。通過綜合技能訓練，使學生能夠運用所學過的基礎課、學科基礎課、專業(yè)平臺課和專業(yè)方向課的有關理論知識，以及實習、實驗等實踐技能，達到鞏固、加深和拓展所學知識的目的。 通過對機械系統(tǒng)中的典型機構的分析、三維設計、快速成型和工程設計等現代設計技術的訓練，使學生們加深對機械產品的現代設計方法、設計過程和設計技巧的理解；通過對典型機構的三維設計、仿真設計和快速成型的綜合性訓練，使學生們鞏固并加強對三維設計、三維高級應用技術等知識的認知；通過對典型機構的工程設計、設計計算和技術文件的編寫，使學生們掌握查閱相關工程設計手冊、設計標準和設計資料的方法，鞏固并加深對實用設計技術知識的認知。通過對典型機構的設計，使學生們能夠獲得機電產品現代設計技術的綜合性技能訓練，提高工程技術設計的能力，加強三維技術設計與仿真的能力，提高分析和解決工程技術問題的能力及創(chuàng)新意識，為培養(yǎng)具有高素質的應用型卓越機械工程技術人才奠定良好的基礎。 二、主要技術參數與要求 課程設計題目： 平行四桿式機械手數字化設計與仿真 技術參數與要求： 手指運動速度25mm/s，手指捏緊力95N。要求水平握持工件，工件為圓柱形物體，直徑100mm 要求： 1.齒輪齒條運動副 2.采用滑桿和連桿 3.手指夾緊工件，確保不滑落 1—扇形齒輪；2—齒條；3—滑桿； 4—支座；5，6—連桿；7—手指 平行四桿式機械手 三、原理分析和仿真計算 1、 工作原理分析 1.1設計時應考慮的幾個問題 1.1.1應具有足夠的夾緊力 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 1.1.2手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 1.1.3應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。 1.1.4應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 1.1.5應考慮被抓取對象的要求 應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定手指的形狀。 2、動力與運動計算 平面平行移動型，驅動力為 P ，兩連桿對拉桿的反作用力，由拉桿力的平衡條件，即： 因 則 由于桿為二力桿，故、，ABCD為平行四邊形機構，則與方向平行，根據手指受力平衡，可列向量方程式 及，因而可求得： 因 將上式帶入得： 3、主要零部件選擇 3.1傳動齒扇的選擇及參數確定 根據夾緊力、手指運動速度及連桿長度等，確定齒扇參數，如圖3-1所示 圖3-1 接連桿處直線距離32mm，外圓直徑45mm，螺栓孔直徑13.5mm，齒扇120°，齒扇與外圓夾角82.23°，齒扇厚10mm，外圓處厚16mm 3.2墊塊的選擇及參數確定 墊圈按用途可分為一般襯墊用的、防止松動及特殊用的幾種。一半的圓平墊圈襯墊在緊固件下用以增加支撐面、遮蓋較大的孔眼以及防止損傷零件表面。圓墊圈和小圓墊圈多用于金屬，大圓墊圈多用于木質零件。本次設計中我們選擇小圓墊圈。小圓墊圈的尺寸主要有所襯墊位置的圓柱銷和工件與墊圈的接觸表面來確定。其三維視圖如圖3-2所示 圖3-2 外圓直徑35mm，內圓直徑13mm，厚8mm 3-3墊片的選擇及參數確定 墊片主要用來在軸上或孔中將零件定位、鎖緊或止退。而所選的墊片在螺栓與端面接觸中有有效的的止退作用。墊片的確定由螺栓的直徑來確定，防止螺母松動。墊片的形狀如圖3-3所示 圖3-3 本機械手選擇的墊圈是標準件：墊圈16GB848-66 3-4 底座的選擇及參數確定 對于機械手來說有機架作用的底座是必不可少的零件之一。底座既可以約束運動副的自由度，又可以確定齒條的運動軌跡，還可以有效的防止灰塵或其他物質落入機構，避免潤滑油收到污染。 其主要尺寸由四連桿運動的極限位置及連桿本體尺寸、齒扇和齒條的參數進行最終確定，三維視圖如圖3-4所示。 圖3-4 底座長300mm，寬240mm，四個螺紋孔均為標準的M12，上層螺紋孔左右間距212.5mm，下層螺紋孔左右間距220mm，上下間距136mm，底座厚10mm，導軌深4mm 3-5 連桿的選擇及參數 連桿的主要作用是連接動力裝置，從而拉動手臂，使整個機械手進行工作。連桿所受應力主要和手指有關，所以通過手部相關計算就可以的到相應的數據。其三維視圖如圖3-5所示。 圖3-5 連桿的相關尺寸為：連桿總長240mm，通孔直徑13.5mm，端面半徑15mm 3-6 螺栓的選擇及參數確定 螺栓作用通常為連接、緊固和特殊三種，在此僅選擇連接用螺栓。常用的連接螺栓有圓柱頭、半圓頭、沉頭、半沉頭等，在此選擇圓柱頭。其三維視圖如圖3-6所示。 圖3-6 整個設計過程中選擇了三個不同尺寸的國標零件。圓柱頭螺栓的選擇：M10×45GB68-66；M10×58GB68-66；M8×35GB68-66 3-7 手的選擇及參數確定 作為整個機械手中唯一直接接觸工件的部件，它用來夾緊工件并進行相關的移動和操作，可以算是所有機械手中最重要的部分。本機械手選擇了V型手部設計，以減小相關的應力，盡量避免磨損工件。其三維視圖如圖3-7所示。 圖3-7 手指間夾角124.67°，孔直徑為M12，與手腕連接處寬60mm，長25mm，厚8mm，指尖外端距離138mm，手厚16mm。 3-8 手腕的選擇及參數確定 手腕是手與傳遞動力的連桿之間的聯系，固定了手部，運動范圍由連桿與輔助桿的運動范圍確定。其三維視圖如圖3-8所示。 圖3-8 手腕的參數：矩形部分長50mm，寬60mm，厚16mm，半圓端面半徑30mm，兩孔中心距41mm，與手結合處長25mm，厚8mm。 3-9 外殼的選擇與參數確定 外殼的作用是防止異物落入運動機構，破壞齒輪齒條間的潤滑，保證部件不會因脫落而迸濺傷人，起到雙重保護的作用。其三維視圖如圖3-9所示。 圖3-9 外殼的主要參數：總長300mm，總寬239.87mm，兩孔中心距220mm，兩孔間齒條運動通道寬140mm，高度45mm，殼體厚4mm，孔距端面57.32mm。 四、參數化建模與仿真 1、 零件建模 1.1傳動齒扇的建模 打開UG選擇【起始】-【建?！棵钸M入建模界面。 單擊【草繪】進行傳動齒扇的基本草繪，輸入相關尺寸后，完成草繪圖形，如圖4-1所示。 圖4-1 完成草繪后，點擊【拉伸】功能按鈕，選擇草繪完成的齒扇平面圖形，對其進行拉伸。在拉伸長度中輸入10mm，點擊確定，完成齒扇的基本建模。緊接著要對傳動齒扇連接連桿的部分進行修剪操作。點擊【草繪】按鈕，選擇齒扇為草繪平面，進入草繪。繪制一個尺寸符合標準的圖形來對齒扇進行修改，圖形不宜過大，以能覆蓋需要修改的齒扇為最佳，繪制后點擊完成草繪按鈕。 單擊【拉伸】功能按鈕，選擇修改圖形進行反向拉伸，并選擇求差，輸入8mm后完成修改，如圖4-2所示。 圖4-2 在與連桿連接處位置處利用【拉伸】命令打一個通孔，并建立兩個基準平面使用完成后單擊保存，完成傳動齒扇的建模。 1.2墊塊的建模 新建文件，進入建模界面后，單擊草繪進行墊塊的基本草繪，如圖4-3所示。 圖4-3 點擊【拉伸】功能按鈕對外殼進行拉伸操作，在拉伸長度中輸入8mm，完成拉伸。使用【打孔】命令在外殼中心開一個直徑13mm，深8mm的通孔，此通孔用來給連接連杠的螺栓足夠的運動范圍，如圖4-4所示。 圖4-4 1.3墊片的建模 墊片與墊圈的建模過程一致，只是拉伸的高度不同，墊圈只拉伸2mm 1.4底座的建模 新建文件，進入建模界面后，單擊草繪進行外殼的基本草繪，如圖4-5所示。 圖4-5 點擊【拉伸】功能按鈕對外殼進行拉伸操作，在拉伸長度中輸入10mm，完成拉伸。使用【打孔】命令在外殼四角開四個M12螺紋孔，分別用來給連接兩連桿和固定外殼，如圖4-6所示。 圖4-6 1.5連桿的建模 新建UG文件，進入建模界面。單擊【草繪】按鈕在草繪界面中畫長210mm，寬30mm的矩形，完成草繪。點擊【拉伸】功能按鈕，選擇剛剛完成的草繪圖形，輸入10mm后單擊確定，完成拉伸。 在拉伸完成的兩端中心分別建立兩個直徑30mm的半圓，并拉伸至同樣高度，而后利用【打孔】功能按鈕，打兩個直徑13.5的通孔，此通孔用來插入螺栓，并定位連桿。建模完成后如圖4-7所示，點擊保存按鈕。 圖4-7 1.6螺釘的建模 螺釘共有3種，以其中螺釘M10×58 GB 68-66為例進行建模。新建文件，并進入建模界面。用草繪和拉伸完成螺釘的基本建模。 利用拉伸求差法對螺釘頭倒斜角后的大圓面進行修剪，從而得出深度為2.5mm，寬度為3mm的擰口。以倒斜角后所剩小圓面為基準面草繪一個直徑為10mm的圓。使用【拉伸】功能按鈕對新畫圓拉伸，拉伸長度為53.2mm。點擊【倒斜角】功能按鈕對新拉伸圓柱末端倒角，輸入偏置1mm，角度45°。最后點擊【螺紋】功能按鈕為螺釘添加長度為35mm的螺紋，如圖4-8所示。完成建模后，單擊保存。 圖4-8 1.7手的建模 新建UG文件，并進入建模界面。點擊【草繪】按鈕，繪制手的基本草圖，進行拉伸，選擇端面為基準，繪制與手腕結合的部分，進行打孔，完成后如圖4-9所示。 圖4-9 1.8手腕的建模 新建UG文件，并進入建模界面。點擊【草繪】按鈕，繪制手的基本草圖，進行拉伸，打孔。選擇端面為基準，繪制與手結合的部分，進行拉伸，打孔，完成后如圖4-10所示。 圖4-10 1.9外殼的建模 新建UG文件，進入建模界面。單擊【草繪】，繪制一個矩形，完成草繪，進行拔模，在拔模處應用圓角，并進行打孔操作。如圖4-11所示。 圖4-11 2、虛擬裝配 2.1為全部建模完成的零件進行裝配 裝配的必要約束共有8種，分別為：配對、對齊、角度、平行、垂直、中心對齊、距離和相切。例如：面與面的匹配需要用到匹配和對其；銷與孔的匹配需要用到中心對齊和距離等。裝配的順序沒有固定要求，但盡量依照從內到外，從繁到簡的的順序。 點擊【起始】-【裝配】，進入裝配界面，以下方外殼為接地固定零件進行裝配。裝配時，各個零件必須添加相應約束，合理的約束是運動仿真的必要前提。裝配的必要約束如圖4-12所示。 圖4-12 3、運動仿真 由于運動仿真為播放動畫，故沒有插圖解說，只做簡單操作介紹。具體的仿真內容為通過添加運動副和經過輸出后形成的可動的三維模型，詳細內容請參見說明書配套光盤。 3.1連桿和運動副的創(chuàng)建 3.1.1連桿的創(chuàng)建 打開裝配完成圖，依次點擊【起始】-【運動仿真】，進入運動仿真界面。點擊【連桿】功能按鈕： 將外殼、支撐塊、兩個長圓柱銷及與其連接的擋圈和墊圈設置為連桿1； 將左手臂杠桿、左圓弧夾塊和與其相連接的沉頭螺釘設置為連桿2； 將右手臂杠桿、右圓弧夾塊和與其相連接的沉頭螺釘設置為連桿3； 將拉桿、短圓柱銷及與其相連接的擋圈和墊圈設置為連桿4。 3.1.2運動副的創(chuàng)建 在運動仿真界面內點擊【運動副】功能按鈕： 點擊拉桿，設置為滑動副，選擇諧波運動方式，輸入數值：幅值60；頻率1.3；相位角30。 點擊短圓柱銷和與其接觸的兩手臂杠桿滑槽，設置為滑動副，并添加3D接觸。 點擊兩場圓柱銷和與其接觸的兩手臂杠桿，設置為旋轉副。 3.2仿真動畫輸出 完成連桿和運動副的設置，點擊【動畫】功能按鈕，輸入【時間】和【步數】，等待系統(tǒng)自動分析運算后，可以輸出仿真動畫。選擇【諧波】播放方式，點擊播放，運動仿真動畫自動運行。 5、 快速成型與分析 1、 快速成型簡介 快速成型工藝也稱光造型或立體光刻，是基于粉末被照射后凝固的原理工作的。這種粉末材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從粉末轉變成固態(tài)。機器中盛滿粉末材料，激光束在偏轉鏡作用下，能在粉末表面上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均有計算機控制，光點打到的地方，粉末就固化。 成型開始時，工作平臺在一個確定的深度，聚焦后的激光在粉末上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是粉末形態(tài)。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層粉末，然后進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。 快速成型將原來制造一個模型所需的1年時間減少到1周左右時間，將成型效率提高了足足50多倍。 2、快速成型的特點 ①可以制造任意復雜的三維幾何實體；②高效快速；③高度柔性；④快速成型技術實現了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標，即材料的提取過程與制造過程一體化和設計與制造一體化；⑤與反求工程、CAD技術、網絡技術、虛擬現實等相結合，成為產品快速開發(fā)的有力工具。 3、 快速成型的過程 ①產品的三維模型的構建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅動，因此首先要構建所加工工件的三維CAD模型。 ②激光快速成型。利用計算機分析，用激光將粉末一層一層的灼燒定型，直至整個模型完成 　　③成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件，將其放入高溫燒化的蠟中，直至液蠟完全沁入零件，取出待干。 六、工程圖樣設計 由于UG軟件中不提供國家制圖標準（GB），所以進行設計前，點擊主菜單【文件】，依次選擇【實用工具】-【用戶自定義設置】，進入后對UG文件內圖紙、線條、注釋等進行國標（GB）設置。設置完成后，重新啟動UG軟件，設置生效。[6] 1、裝配圖設計 1.1裝配圖的轉換 打開UG軟件，新建文件，并點選【非主模型板塊】前面的“√”。此時出現對話框，選擇裝配圖模型點擊確定進入。 點擊【起始】-【制圖】，進入制圖界面，選擇圖紙尺寸為A1[7]，設置投影面方向為“左”，點擊確定進入制圖界面。點擊【基本視圖】按鈕，按照主視圖、左視圖和俯視圖的順序放置圖形。右鍵點擊其中一圖形邊界，點擊【擴展】按鈕，利用【曲線】工具中的【藝術線條】勾勒出需要進行剖面的區(qū)域，然后郵件單擊圖外區(qū)域取消【擴展】命令。點擊【局部剖】功能按鈕，利用剛剛所做的藝術線條對視圖進行局部剖。 1.2裝配圖的標注 點擊【自動判斷尺寸】功能按鈕對二維視圖的長度、寬度、直徑等基本尺寸進行標注。 點擊【插入】-【符號】-【表面粗糙度符號】對特殊部位進行表面粗糙度標注。 點擊【注釋構造器】功能按鈕，為二維視圖添加技術要求等文本。完成二維視圖后，將UG文件導出成為Auto CAD使用的DWG文件，進行出圖。 2、零件圖的設計 2.1零件圖的轉換 打開UG軟件，新建文件，并點選【非主模型板塊】前面的“√”。此時出現對話框，選擇裝配圖模型點擊確定進入。 點擊【起始】-【制圖】，進入制圖界面，選擇圖紙尺寸為A3[7]，設置投影面方向為“左”，點擊確定進入制圖界面。點擊【基本視圖】按鈕，按照主視圖、左視圖和俯視圖的順序放置圖形。右鍵點擊其中一圖形邊界，點擊【擴展】按鈕，利用【曲線】工具中的【藝術線條】勾勒出需要進行剖面的區(qū)域，然后右鍵單擊圖外區(qū)域取消【擴展】命令。點擊【局部剖】功能按鈕，利用剛剛所做的藝術線條對視圖進行局部剖。 2.2零件圖的標注 點擊【自動判斷尺寸】功能按鈕對二維視圖的長度、寬度、直徑等基本尺寸進行標注。 點擊【插入】-【符號】-【表面粗糙度符號】對特殊部位進行表面粗糙度標注。[6] 點擊【注釋構造器】功能按鈕，為二維視圖添加技術要求等文本。完成二維視圖后，將UG文件導出成為Auto CAD使用的DWG文件，進行出圖。 七、技術經濟評價 結束語 不知不覺中，三周的技能訓練接近尾聲，回想三周來的點點滴滴可謂是受益匪淺。 本次技能訓練中，通過與隊友的配合和相互之間的幫助，我們順利的完成了這次技能訓練的任務。技能訓練中的每一個環(huán)節(jié)都給我們帶來了很多收獲，不論是對機械設計的更深入的了解，還是對UG軟件的操作更加得心應手，不論是大收獲還是小收獲，當它們累積到一起以后，對我們而言都是一次個人能力的巨大升華。 在設計過程中，很多資料都需要自己去查閱，每天都要奔波圖書館好多次，或者百度一遍又一遍，但是掌握的新知識卻是一筆不小的財富。 這次技能訓練的順利完成離不開我的隊友和老師。隊友的配合和鼓勵，明確的分工，按時完成各自的任務，都是順利完成最后任務的前提條件。老師幫助糾正了很多設計上的錯誤，也提出了很多更加合理的意見和建議，為我的設計鋪墊了一條更加合理化的道路。在此，我要特別感謝段老師、劉老師和唐老師三位老師，感謝他們讓我學到了更多的知識。 本次技能訓練對我以后的工作和學習增添了更多的知識力量，真心的感謝所有幫助過我的人，不論是老師、隊友還是圖書館的阿姨，謝謝你們對我的幫助！ 最后，由于學習面的狹窄和個人能力的不足，本次技能訓練中可能會出現很多不足和錯誤之處，懇請答辯老師給與指正和教導。 參考資料 [1] 天津大學編寫組 《工業(yè)機械手設計基礎》 天津科學技術出版社 [2] 王健石 《機械通用零部件優(yōu)選手冊》 中國電力出版社，2008年 [3] 東北工學院 《機械零件設計手冊》 冶金工業(yè)出版社 第三版，1977年 [4] [美]J.達菲 《機構和機械手分析》 北京郵電學院出版社 [5] 王樹勛 《UG NX4.0三維建模教程》 華南理工大學出版社，2006年 [6] 張麗萍 《UG NX5.0基礎教程與指導》 清華大學出版社，2010年 [7] 張景田 《畫法幾何及機械制圖》 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005年 24