關節(jié)式鉆床設計
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關節(jié)式鉆床設計說明書 目錄 摘要 1 Abstract 2 第一章 緒論 3 1.1 課題的來源與研究的目的與意義.........................................................................4 1.2關節(jié)式鉆床的方案分析.............................................................................................. 5 1.2.1 結構分析............................................................................................................6 1.2.2 機械結構總體方案與布局.........................................................................7 1.2.3課題研究的內容....................................................................................8 1.2.3.1 Solidworks設計基礎....................................................................9 1.2.3.2 草圖繪制.......................................................................................10 1.2.3.3 基準特征，參考幾何體的創(chuàng)建.....................................................11 1.2.3.4 拉伸、旋轉、掃描和放樣特征建...................................................12 1.2.3.5 工程圖的設計...............................................................................13 1.2.3.6 裝配設計.......................................................................................14 第二章 機械結構的設計........................................... ..................................................15 2.1 氣缸的選型計算 16 2.2 關節(jié)式鉆床擺臂長度的設計 17 2.3 步進電機的選型計算 18 2.4 帶傳動的設計計算 19 第三章 關節(jié)式鉆床各部分強度的校核 20 3.1軸承強度的校核 21 3.2擺臂方管強度的校核 22 3.3傳動軸強度的校核 26 第四章 結構設計及三維建模......................................................................................27 4.1底部機架的三維建模...........................................................................................38 4.2擺動氣缸的三維建模............................................................................................29 4.3步進電機的三維建模.............................................................................................30 4.4V帶輪的三維建模...................................................................................................31 4.5關節(jié)式鉆床的三維建模........................................................................................32 第五章 零件加工工藝流程圖......................................................................................33 第6章 應用Solidworks軟件對關節(jié)式鉆床指定零件進行受力分析...................34 第7章 三維軟件設計總結...........................................................................................35 結論 36 致謝 37 參考文獻 38 摘 要 關節(jié)式鉆床是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按照擺臂旋轉的區(qū)域自行轉動鉆孔、攻牙的半自動化設備。它可代替普通臺式鉆床加工空間固定，不能靈活移動鉆孔、攻牙的缺陷，能在擺臂旋轉的360度的區(qū)域里面完成任意位置任意工件的鉆孔、攻牙，因而廣泛應用于機械制造、模具加工，鍛造，冶金等等領域，在加工領域占據(jù)了越來越重要的位置。 本文主要進行了關節(jié)式鉆床的總體結構設計和氣動設計。關節(jié)式鉆床的機械結構由氣缸、旋轉關節(jié)和鉆孔裝置組成，可按預定軌跡運動，在任意的有效區(qū)域內實現(xiàn)對工件的鉆孔，攻牙的操作。氣動部分的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節(jié)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。 本文詳細介紹了運用SolidWorks軟件（3D 機械設計軟件的標準）進行關節(jié)式鉆長的設計。由于SolidWorks軟件無論對零件設計，還是對整個機構設計都起了一個模擬仿真的作用，在SolidWorks軟件中，我們可以直觀，清楚地了解整個設計的外形，運作甚至是材料的分析。借助SolidWorks，將產(chǎn)品更快地投入市場。SolidWorks 提供無與倫比的性能和價值，它是技術創(chuàng)新的領先者，并且還擁有最大的用戶群。沒有其他CAD 系統(tǒng)可以幫助您快速準確地完成產(chǎn)品設計工作。 本文先對SolidWorks軟件作出簡介，對此三維軟件作出一系列的說明，而后對關節(jié)式鉆床設備進行介紹，并結合SolidWorks軟件，將二者融會貫通。通過SolidWorks軟件設計，從二維的AUTOCAD零件圖紙，到三維的SolidWorks整個設備，大大地提高了設計的效果和效率，避免了工程師們在現(xiàn)實中出現(xiàn)的錯誤，切切實實地展現(xiàn)出三維軟件的強大性能。 關鍵詞：關節(jié)式鉆床；氣缸；Silidworks；自由度。 absraote Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work. s. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced. The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger This paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis. Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required. Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom. 第一章 緒論 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。 機械工程的服務領域廣闊而多面，凡是使用機械、工具，以至能源和材料生產(chǎn)的部門，都需要機械工程的服務。概括說來，現(xiàn)代機械工程有五大服務領域：研制和提供能量轉換機械、研制和提供用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品的機械、研制和提供從事各種服務的機械、研制和提供家庭和個人生活中應用的機械、研制和提供各種機械武器。 不論服務于哪一領域，機械工程的工作內容基本相同，主要有： 建立和發(fā)展機械工程的工程理論基礎。例如，研究力和運動的工程力學和流體力學；研究金屬和非金屬材料的性能，及其應用的工程材料學；研究熱能的產(chǎn)生、傳導和轉換的熱力學；研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理、結構、設計和計算的機械原理和機械零件學；研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等等。 研究、設計和發(fā)展新的機械產(chǎn)品，不斷改進現(xiàn)有機械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機械產(chǎn)品，以適應當前和將來的需要。 機械產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括：生產(chǎn)設施的規(guī)劃和實現(xiàn)；生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調度；編制和貫徹制造工藝；設計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額；組織加工、裝配、試車和包裝發(fā)運；對產(chǎn)品質量進行有效的控制。機械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形、加工過程的精密零件組裝而成的復雜的制品。生產(chǎn)批量有單件和小批，也有中批、大批，直至大量生產(chǎn)。銷售對象遍及全部產(chǎn)業(yè)和個人、家庭。而且銷售量在社會經(jīng)濟狀況的影響下，可能出現(xiàn)很大的波動。因此，機械制造企業(yè)的管理和經(jīng)營特別復雜，企業(yè)的生產(chǎn)管理、規(guī)劃和經(jīng)營等的研究也多是肇始于機械工業(yè)。 機械產(chǎn)品的應用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 機械產(chǎn)品的應用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。 研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設計、機械制造、機械運用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內燃機、燃氣輪機，以及與按行業(yè)分的中心電站設備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等都有復雜的交叉和重疊關系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬于核動力裝置等等。 19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術整體的進步，對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論，拓寬專業(yè)領域，合并分化過細的專業(yè)。械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉矗卫?、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標任務。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好?，F(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關系近似于腦與手之間的關系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。 19世紀時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科，被稱為民用工程，19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。進入20世紀，隨著機械工程技術的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術整體的進步，對外界條件變化的適應能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調困難，也不利于繼續(xù)自學提高。因此自20世紀中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論，拓寬專業(yè)領域，合并分化過細的專業(yè)。 綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認識、理解其他學科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。 綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學、自然科學和工程技術，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 關節(jié)式鉆床是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技半自動化生產(chǎn)設備。關節(jié)式鉆床的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。關節(jié)式鉆床作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 關節(jié)式鉆床是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，關節(jié)式鉆床被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了關節(jié)式鉆床的發(fā)展，使得關節(jié)式鉆床能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。關節(jié)式鉆床雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，鉆孔的范圍比傳統(tǒng)的臺式鉆床大的特點，因此，關節(jié)式鉆床已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。 關節(jié)式鉆床技術涉及到力學、機械學、電氣氣技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。關節(jié)式鉆床是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來鉆孔、攻牙以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1課題的來源與研究的目的和意義 現(xiàn)代工業(yè)關節(jié)式鉆床起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。 關節(jié)式鉆床首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺關節(jié)式鉆床。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有工件鉆攻機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型關節(jié)式鉆床。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用氣驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用關節(jié)式鉆床就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)關節(jié)式鉆床。 1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran關節(jié)式鉆床，原意是靈活搬運。該關節(jié)式鉆床的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用氣驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種關節(jié)式鉆床出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)關節(jié)式鉆床發(fā)展的基礎。 1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)關節(jié)式鉆床，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分注意提高關節(jié)式鉆床的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年關節(jié)式鉆床試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用關節(jié)式鉆床，主要用于起重運輸、焊接和設備的鉆孔、攻牙等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種全自動關節(jié)式鉆床，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種全自動智能關節(jié)式鉆床，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用關節(jié)式鉆床鉆孔、攻牙等等。 日本是工業(yè)關節(jié)式鉆床發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型關節(jié)式鉆床后，大力研究關節(jié)式鉆床的研究。據(jù)報道，1976年從事關節(jié)式鉆床的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學和國家研究部門用在關節(jié)式鉆床的研究費用42%。1979年日本關節(jié)式鉆床的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的關節(jié)式鉆床產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能關節(jié)式鉆床約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，關節(jié)式鉆床累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用關節(jié)式鉆床最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代關節(jié)式鉆床正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使關節(jié)式鉆床具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺關節(jié)式鉆床。 第三代關節(jié)式鉆床則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著關節(jié)式鉆床的研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 隨著科學技術的發(fā)展，關節(jié)式鉆床也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。 在機械工業(yè)中，應用關節(jié)式鉆床的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應用關節(jié)式鉆床有利于實現(xiàn)工件的鉆孔、攻牙等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用關節(jié)式鉆床即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以關節(jié)式鉆床代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應用關節(jié)式鉆床代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用關節(jié)式鉆床可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有關節(jié)式鉆床，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應用關節(jié)式鉆床，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2 關節(jié)式鉆床的方案分析 為了使關節(jié)式鉆床的通用性更強，把關節(jié)式鉆床的手部結構設計成可更換結構，當工件所需要鉆的孔的大小有不同時，可以使用工裝來安裝鉆頭和絲錐，這樣在不同的孔徑的情況下，直接通過更換鉆頭或者絲錐就能夠很好地解決問題。 考慮到關節(jié)式鉆床的通用性，同時由于需要鉆孔、攻牙的工件的放置不固定，因此鉆孔攻牙裝置必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，鉆孔裝置設計成回轉結構，實現(xiàn)鉆孔裝置回轉運動的機構應為旋轉關節(jié)就能夠滿足要求。 按照需要鉆孔、攻牙的工件的位置的不同，本關節(jié)式鉆床的手臂有N個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本關節(jié)式鉆床采用氣壓傳動方式。 考慮到關節(jié)式鉆床的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對關節(jié)式鉆床進行控制。當關節(jié)式鉆床的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 1.2.1 結構分析 關節(jié)式鉆床的最大鉆孔攻牙直徑是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮吸取的物體不應該太重，查閱相關關節(jié)式鉆床的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計鉆攻的工件質量為5公斤。 基本參數(shù)運動速度是關節(jié)式鉆床主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對關節(jié)式鉆床速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響關節(jié)式鉆床動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該關節(jié)式鉆床最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。關節(jié)式鉆床動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分關節(jié)式鉆床設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該關節(jié)式鉆床手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該關節(jié)式鉆床的定位精度為。 設計技術參數(shù)如下： 1、鉆孔工件的重量：5Kg 2、自由度數(shù)：N個自由度 3、坐標型式：圓柱坐標 4、最大工作半徑：2000mm 5、機身最大中心高：2300mm 6、主要運動參數(shù)： 手臂伸縮行程：1200mm 手臂伸縮速度：200mm/s 機身升降行程：120mm 機身升降速度：100mm/s 機身回轉范圍：0- 180 機身回轉速度：90/s 1.2.2 機械結構總體方案與布局 關節(jié)式鉆床氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計出的方案布局圖如下圖所示。 關節(jié)式鉆床總體方案與布局圖 本設計的關節(jié)式鉆床完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設置一個單向節(jié)流閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用PLC控制關節(jié)式鉆床實現(xiàn)各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。 1.2.3 課題研究的內容 本論文主要研究運用SolidWorks對關節(jié)式鉆床進行設計。在設計過程中，了解SolidWorks的各種功能。 SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內。當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設計軟件至今已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國達索（Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名。從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎。其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 由于SolidWorks出色的技術和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質的專業(yè)化公司。SolidWorks三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術。SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構的近145，000名學生通過SolidWorks的培訓課程。 據(jù)世界上著名的人才招聘網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD軟件相比，SolidWorks相關的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這一事實說明了越來越多的工程師和設計者使用SolidWorks三維軟件，越來越多的企業(yè)需要SolidWorks人才。Solidworks軟件功能強大，易于操作，界面人性化，技術創(chuàng)新，組件繁多是SolidWorks的五大特點。使得SolidWorks三維軟件成為目前全球領先的三維CAD解決方案。SolidWorks在設計時能夠為用戶提供不同的設計方案，通過方案的篩選，工程師能從中選擇合適的方案，從而在設計過程中降低設計的錯誤以及提高產(chǎn)品質量。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便又通俗易懂的軟件之一。它不僅提供如此人性化的系統(tǒng)，同時對每個工程師和設計者，乃至整個機械行業(yè)提供了良好的發(fā)展基礎。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于SolidWorks出色的技術和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質的專業(yè)化公司，SolidWorks三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構的近145，000名學生通過SolidWorks的培訓課程。 據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關的招聘廣告比其它軟件的總和還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計，全世界用戶每年使用SolidWorks的時間已達5500萬小時。 在美國，包括麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等在內的著名大學已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內的一些大學（教育機構）如哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、浙江工業(yè)大學、浙江大學、華中科技大學、北京航空航天大學、大連理工大學、北京理工大學、武漢理工大學等也在應用SolidWorks進行教學。Solidworks軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，這使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。 SolidWorks在現(xiàn)今社會階段逐漸廣泛應用，并且SolidWorks公司對中國市場重點開發(fā)，日后SolidWorks應用將會更加完善，更加普遍。通過前文對SolidWorks的深入了解后，往后會對SolidWorks進行個別應用的分析，如建模，裝配，工程圖，力學分析等。 1.2.3.1 SolidWorks設計基礎 熟悉SolidWorks的工作環(huán)境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks工作環(huán)境中文件的打開、保存、導入等基本操作，掌握三維建模流程。 1.2.3.2 草圖繪制 掌握點、直線、矩形、弧度圓等基本圖形的繪制方法；掌握樣條、文字等高級幾何圖形的繪制方法；理解集合約束的概念并在草圖繪制中熟練應用幾何約束；熟練應用陣列、實體轉換等草圖繪制工具；能綜合應用各種草圖繪制實體和利用草圖繪制工具完成草圖繪。 1.2.3.3 基準特征-參考幾何體的創(chuàng)建 清楚明白基于特征的建模方式、參數(shù)化思想等概念；靈活運用各種建立基準點的方法；靈活運用各種建立基準軸方法；靈活運用各種建立基準面的方法；靈活運用坐標系的建立方法；能根據(jù)建模需要綜合應用各種參考幾何體。 1.2.3.4 拉伸、旋轉、掃描和放樣特征建模 靈活運用拉伸特征的概念與建立方法；靈活運用旋轉特征的概念與建立方法；掌握掃描特征的概念與建立方法；靈活運用放樣特征的概念與建立方法；通過實踐能夠準確分析零件的特征，靈活運用拉伸和旋轉也正建立三維模型。綜合應用掃描、放樣、彎曲、鏡向、陣列等特征建立各種實體。 1.2.3.5 工程圖設計 靈活運用用戶自定義工程圖格式文件的方法；靈活運用建立標準三視圖，剖視圖，斷面圖，局部圖，輔助視圖等方法；靈活運用各種注釋的方法。 1.2.3.6 裝配設計 靈活運用自底向上的裝配方法；靈活運用生成裝配體爆炸圖的方法；靈活運用SolidWorks智能裝配技術；靈活運用裝配體零部件的狀態(tài)和屬性控制，并能夠在裝配體中設計子裝配體；靈活運用干涉檢查；靈活運用自上向下的裝配方法；靈活運用在裝配模型工程圖中添加零件序號；靈活運用生成裝配體材料明細表的方法。 第二章 機械結構的設計 2.1 氣缸的選型計算 氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內徑為=110mm,半R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力 2、尺寸校核 （1）測定手腕質量為5kg,則重力 （2） 設計加速度，則慣性力 （3）考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)， 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。 由于實際設計中用到的鉆孔夾具的總重為5KG，我們根據(jù)杠桿原理可知：F1XL1=F2XL2，已知兩個力臂之間的長度的比值為1:5，即根據(jù)杠桿原理可得實際氣缸的出力為5X15=75N，然后根據(jù)F=PXS(這里假定大氣壓力為：0.6MPA)，那么就有F=1400N,查表可得，我們可以選擇缸徑150，行程400的無桿行標準氣缸，氣缸牌子我們選擇SMC. 2.2 關節(jié)鉆床擺臂長度的設計計算 通過杠桿原理可知，擺臂的長度直接和鉆孔裝置所能移動的最大區(qū)域有直接關系，由于氣缸的推理為150,那么根據(jù)杠桿原理，我們可以計算出擺臂的長度為短臂300，長臂1500，這樣就可以得出長短臂的比例剛好就是1:5，符合題目的要求。方管底架選擇根據(jù)物料以及其他零部件的重量來定，方管底架受力分析得出，由分析得出底座在平衡狀態(tài)下只受地面對其的支撐力和在其表面上物體所給的壓力。 即方管架給的壓力為G1+G（零部件重量）=2000N（200Kg）+(50x10)=2500N 根據(jù)方管承載力計算公式： M=Pac/L(M：彎矩，P集中力，a集中力距支座距離，c集中力距另一支座距離，L跨度，L=a+c‘； （僅用于矩形截面) f=M/W≤材料的許用應力（彈性抗拉強度/安全系數(shù)）。 M=Pac/L=11960xL，本次設計初定L為1000mm 則M=13456N.M ，初定方管為80x40x3的方管和40x40x3，計算W得出 折算后位12Mpa 查的普通碳素結構鋼Q235A的抗拉強度為375~500Mpa，由于12Mpa遠遠小于375Mpa，所以初定方管40x40x3和80x40x3的方管滿足要求。 由計算得出可以使用80x400x3的方管和40x40x3的方管，初定設計計算得出方管總體架尺寸為1000mmx910mm。 2.3 步進電機的選型計算 根據(jù)公式： N=＝4(KW) G－關節(jié)式鉆床的生產(chǎn)能力，1000kg/h W－切割1kg物料耗用能量，其值與孔眼直徑有關，d小則w大，當d＝3mm， 取w＝0.0030kw.h/kg。（查B5p） －傳動效率，取0.75 所以根據(jù)N＝4kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結構。 圖4-1 Y112M-4電動機的外觀圖 2.4帶傳動的設計計算 2.4.1設計功率 選定帶型 根據(jù)和查B1圖8－1－2選取普通V帶A型，－小帶輪轉速，為1440r/min 2.4.2 傳動比 1.76 ＝＝ 2.4.3 小帶輪基準直徑（mm） 由B1表8－1－12和表8－1－14選定 ＝100mm>＝75r/min 2.4.4 大帶輪基準直徑（mm） 由B3表8－7得=180mm 2.4.5 帶速驗算 2.4.6 初定軸間距（mm） 2.4.7 所需帶的基準長度（mm） ＝ ＝886mm 依B1表8－1－8?。?00mm，即帶型為A－900 2.4.9 實際軸間距 2.4.10 小帶輪包角 = = 2.4.11單根V帶的基本額定功率 根據(jù)帶型號、和普通V帶查B1表8－1－27（c） 取1.32kw 2.4.12 時單根V帶型額定功率增量 根據(jù)帶型號、和查B1表8－1－27（c） 取0.15kw 2.4.13 V帶的根數(shù)Z Z = －小帶輪包角修正系數(shù)查B1表8－1－23,取0.96 －帶長修正系數(shù)查B1表8－1－8，取0.87 2.4.14 單根V帶的預緊力 = =134（N） m－V帶每米長的質量（kg/m）查B1表8－1－24，取0.1k/gm 2.4.15作用在軸上的力 －考慮新帶初預緊力為正常預緊力的1.5倍 2.4.16帶輪的結構和尺寸 帶輪應既有足夠的強度，又應使其結構工藝性好，質量分布均勻，重量輕，并避免由于鑄造而產(chǎn)生過大的應力。 輪槽工作表面應光滑（表面粗糙度）以減輕帶的磨損。 帶輪的材料為HT200。查B1表8－1－10得基準寬度制V帶輪輪槽尺寸，根據(jù)帶輪的基準直徑查B1表8－1－16確定輪輻 第3章 關節(jié)式鉆床各部分強度的校核 3.1軸承強度的校核 滾動軸承的選擇及校核計算 根據(jù)根據(jù)條件，軸承預計壽命163658=48720小時； 1、計算輸入軸承 （1）已知nⅡ=458.2r/min兩軸承徑向反力：FR1=FR2=500.2N； 初先兩軸承為角接觸球軸承7206AC型。 根據(jù)課本P265（11-12）得軸承內部軸向力FS=0.63FR則FS1=FS2=0.63FR1=315.1N； (2)∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端為壓緊端，現(xiàn)取1端為壓緊端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N； (3)x、y FA1/FR1=315.1N/500.2N=0.63FA2/FR2=315.1N/500.2N=0.63根據(jù)課本P263表（11-8）得e=0.68FA1/FR1
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