Проектирование механической системы промышленного робота манипулятора

21

Факультет экономики и управления в машиностроении.

Кафедра инженерных наук и технологий.

Курсовая работа.

Тема: Проектирование механической системы промышленного робота манипулятора

Санкт - Петербург

2007 год.

Содержание

Введение

1) Часть №1: Проектный расчет вала редуктора

2) Часть №2: Конструирование вала

3) Часть №3: Приложения

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Список литературы

Введение

Редуктором называют механизм, состоящий из зубчатых или червячных передач, выполненный в виде отдельного агрегата, и служащий для передачи вращения от вала двигателя к валу рабочей машины. Кинематическая схема привода может включать, помимо редуктора, открытые зубчатые передачи, цепные или ременные передачи.

Назначение редуктора - понижение угловой скорости и соответствен но повышение вращающего момента ведомого вала по сравнению с ведущим. Механизмы для повышения угловой скорости, выполненные в виде отдельных агрегатов, называют ускорителями или мультипликаторами. Редуктор проектируют либо для привода определенной машины, либо по заданной нагрузке и передаточному числу без указания конкретного назначения.

Редукторы классифицируют по следующим признакам: типу передачи, (зубчатые, червячные или зубчато-червячные), числу ступеней (одноступенчатые, двухступенчатые), типу зубчатых колес (цилиндрические, конические, коническо-цилиндрические), относительному расположению валов редуктора в пространстве (горизонтальные, вертикальные), особенностями кинематической схемы (развернутая, соосная, с раздвоенной ступенью).

Возможности получения больших передаточных чисел при малых габаритах обеспечивают планетарные и волновые редукторы.

Сборку редуктора производят в соответствии со сборочным чертежом редуктора, начиная с узлов валов: на ведущий вал насаживают шпонку и напрессовывают зубчатое колесо до упора в бурт вала; затем надевают удерживающие кольца и устанавливают шарикоподшипники, предварительно нагретые в масле.

Собранные валы укладывают в основание корпуса редуктора и надевают крышку корпуса, покрывая предварительно поверхности стыка крышки и корпуса спиртовым лаком. Для центровки устанавливают крышку на корпус с помощью двух конических штифтоф; затягивают болты, крепящие крышку корпуса.

Таким образом мы видим, что одной из важнейших составляющих редуктора является вал. В этой курсовой работе нам как раз предстоит спроектировать и сконструировать вал редуктора.

Предварительная конструктивная проработка вала и подшипниковых узлов выполняется на стадии эскизного проекта редуктора. Окончательное конструктивное исполнение этих узлов определяется по результатам расчета вала и подшипников по критериям их работоспособности. При известных нагрузках на вал эти расчеты можно произвести, составив расчетную схему вала.

Рассчитаем необходимый нам вал в соответствии с требованиями, изложенными в задании к курсовой работе.

Часть №1: Проектный расчет вала редуктора

F_t = 2200H F_t - окружная сила

F_a = 770 H F_a - осевая сила

F_r = 836 H F_r - радиальное усилие

l = 0,16 м

D = 0,11 м

I. Силу Fa и Ft переносим к центру тяжести вала

Момент М_а вызывает изгиб в вертикальной плоскости XOY.

Сила F_a вызывает растяжение, и в расчетах мы ее учитывать не будем.

Момент M_t вызывает кручение вала относительно оси OX.

II. Изобразим пространственную схему вала

Схема представляет собой балку, лежащую на двух опорах.

Внешние силы лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, поэтому составляющие реакции определим в тех же плоскостях, а затем подсчитаем результирующие реакции.

А) Чертим расчетную схему в вертикальной плоскости XOY и определяем составляющие реакции.

R_ay > ?M_в = 0

-R_ay • 2l + F_r • l - M_a =0

R_ву > ?M_а = 0

R_вy • 2l - F_r • l - M_a =0

Проверка: ?Y = 0

R_ay - F_r + R_ву = 0

285,66H - 836H + 550,34H = 0H =>Решение верно!

Б) Чертим схему вала в горизонтальной плоскости XOZ и определим составляющие реакции в этой плоскости.

-R_az •2l + F_t •l = 0

R_вz > ?M_а = 0

R_вz •2l - F_t •l = 0

Проверка: ?Z = 0

Raz - Ft + Rвz = 0

1100H - 2200H + 1100H = 0H =>Решение верно!

В) Определим суммарную радиальную реакцию в опорах.

III. Строим эпюру изгибающих моментов

А) В вертикальной плоскости XOY.

1-й участок 0 ? X₁ ? 0,16 м

M_z = R_ay • X₁

При X₁ = 0 м M_z1 = 0 H •м

При X₁ = 0,16 м M_z1 = 45,71 H •м

2-й участок 0 ? X₂ ? 0,16 м

M_z = R_вy • X₂

При X₂ = 0 м M_z2 = 0 H •м

При X₂ = 0,16 м M_z2 = 88,06 H •м

Б) В горизонтальной плоскости XOZ.

1-й участок 0 ? X₁ ? 0,16 м

M_y = R_az • X₁

При X₁ = 0 м M_y1 = 0 H •м

При X₁ = 0,16 м M_y1 = 176 H •м

2-й участок 0 ? X₂ ? 0,16 м

M_y = R_вz • X₂

При X₂ = 0 м M_y2 = 0 H •м

При X₂ = 0,16 м M_y2 = 176 H •м

A)



Б)

IV. Определение суммарных изгибающих моментов в сечении С

- Слева:

- Справа:



V. Строим эпюру М_кр. М_кр = -121 Н*м

VI. Используя III и IV теории прочности, определяем эквивалентные (приведенные) моменты характерных сечений

VII. Определим опасное сечение и выпишем величину моментов в этом сечении

Опасное сечение в точке С.

М_изг = 196,8 Н •м

М_кр = 121 Н •м

VIII. Вычисляем диаметр вала d

[у] = 70 МПа

у_max = ? [у]

28 мм округляем до 30 мм.

Из таблицы нормальных линейных размеров выбираем d = 30 мм.

Ориентировочное значение диаметра вала редуктора определено из полного проектного расчета вала на статическую прочность с учетом работы вала на изгиб и кручение. d = 30 мм принимаем в качестве выходного диаметра вала.

Часть №2: Конструирование вала

При конструировании вала необходимо выполнять следующие основные требования:

Конструкция вала должна обеспечивать его легкое изготовление.

Необходимо обеспечить простоту сборки и разборки деталей, сидящих на валу. Необходимо помнить, что многие элементы и размеры являются стандартными и по возможности должны быть выбраны из ряда нормальных линейных размеров ГОСТ 6636-69 (Приложение 1).

I. Подбор подшипника для вала

В качестве опор валов используют подшипники - устройства, предназначенные для направления относительного движения вала, а так же для передачи нагрузок на корпус машины.

В современном машиностроении подшипники качения являются основными видами опор валов. Подшипники качения представляют собой наружные и внутренние кольца, с расположенными между ними телами качения (шарики и ролики).

Для предотвращения соприкосновения тел качения их отделяют друг от друга сепаратором.

Самый распространенный в машиностроении подшипник - шариковый радиальный однорядный подшипник ГОСТ 8338 - 78 (Приложение 2).

Диаметр вала под подшипник качения применяется на 5 - 8 мм больше чем d_вала.

d _{вала под подшипник} = 30 мм + 5 мм = 35 мм

d _{вала под подшипник} должен заканчиваться на 0 или 5 и должен быть целым числом.

По ГОСТ 8338-78 выбираем подшипник №207:

d = 35 мм

D = 72 мм

B = 17 мм

r = 2 мм

II. Определение d вала под колесо

d _{вала под колесо} = d_подшип +3r = 35 мм + 2 мм •3 = 41 мм

r - радиус фаски, применяемый при выборе подшипника.

Полученное значение округляем до ближайшего стандартного нормального значения.

d _{вала под колесо} = 42 мм

D_колеса ? d _{вала под колесо}

(110 мм ? 42 мм + 9 мм) => колесо надевается на вал и изготовляется отдельно.

III. Определение диаметра буртика вала

Буртик - участок вала (утолщение), который служит для ограничений перемещений колеса вдоль оси вала.

d_{буртика} ? d _{вала под колесо} + 8мм => d_{буртика} ? 50мм.

Полученное значение округляем до ближайшего стандартного нормального значения. => d_{буртика} = 50мм.

IV. Подбор шпонки

Для передачи крутящего момента от вала до ступицы колеса и фиксации детали на валу используется шпоночное соединение. Основная деталь соединения - шпонка, устанавливается в паз вала и соединяемой детали.

Размеры шпонок стандартизованы. Наиболее часто применяемые шпонки - призматические шпонки ГОСТ 22360-78 (Приложение №3). Размеры стандартной призматической шпонки (в, h, l) выбирают в зависимости от диаметра вала под колесо и длины ступицы под колесо.

l _{ступицы} = (0,8мм…1,5мм) от диаметра вала под колесо

l _шпонки = l _{ступицы} - (5мм…10мм)

в = 12мм

h = 8 мм

t₁ = 5мм (паз вала)

l _{ступицы} = 0,8 • d _{вала под колесо} = 0,8 • 42мм = 33,6мм ? 34мм

l _шпонки = 34мм • (5мм…10мм)= от 24мм до 29мм

Выбираем l _шпонки =28мм

l _{шпонки рабочая} = l _шпонки - в = 28мм - 12мм = 16мм

При действии на вал крутящего момента на шпонку действует напряжение смятия. После выбора размеров шпонки необходим проверочный расчет шпоночного соединения на прочность по напряжению смятия (сжатие в зоне контакта).

у_смятия ? [у]

[у] = (110Мпа … 190МПа)

120,04МПа ? 190МПа => Условия прочности на смятие шпонки выполняются.

V. Определение длины концевого участка вала

d = 30мм (из первой части расчета).

В соответствии с ГОСТ 12080 - 66 выбираем d = 30мм, l = 80 мм.

I. Приложение №1

Нормальные линейные размеры, мм (ГОСТ 6636-69)

3,2	5,6	10	18	32	56	100	180	320	560
3,4	6,0	10,5	19	34/35	60/62	105	190	190	600
3,6	6,3	11	20	36	63/65	110	200	360	630
3,8	6,7	11,5	21	38	67/70	120	210	380	670
4,0	7,1	12	22	40	71/72	125	220	400	710
4,2	7,5	13	24	42	75	130	240	420	750
4,5	8,0	14	25	45/47	80	140	250	450	800
4,8	8,5	15	26	48	85	150	260	480	850
5,0	9,0	16	28	50/52	90	160	280	500	900
5,3	9,5	17	30	53/55	95	170	300	530	950

II. Приложение №2

Шариковые радиальные однорядные подшипники (ГОСТ 8338 - 75) Размеры, мм

Обозначение подшипников	d	D	В	r	Шарики	Масса, кг	С, кН	С0, кН	nпред ЧЧ10-3, мин_1
					Dw	z
Легкая серия диаметров 2, узкая серия ширин 0
205	25	52	15	1,5	7,94	9	0,12	14,0	6,95	12,0
206	30	62	16	1,5	9,53	9	0,20	19,5	10,0	10,0
207	35	72	17	2,0	11,11	9	0,29	25,5	13,7	9,0
208	40	80	18	2,0	12,7	9	0,36	32,0	17,8	8,0
209	45	85	19	2,0	12,7	9	0,41	33,2	18,6	7,5
210	50	90	20	2,0	12,7	10	0,47	35,1	19,8	7,0
211	55	100	21	2,5	14,29	10	0,60	43,6	25,0	6,5
212	60	110	22	2,5	15,88	10	0,80	52,0	31,0	6,0
213	65	120	23	2,5	16,67	10	0,98	56,0	34,0	5,5
214	70	125	24	2,5	17,46	10	1,08	61,8	37,5	5,0
215	75	130	25	2,5	17,46	11	1,18	66,3	41,0	4,8
216	80	140	26	3,0	19,05	10	1,40	70,2	45,0	4,5
217	85	150	28	3,0	19,84	11	1,80	83,2	53,0	4,3
218	90	160	30	3,0	22,23	10	2,2	95,6	62,0	3,8
220	100	180	34	3,5	25,4	10	3,2	124,0	79,0	3,4
Средняя серия диаметров 3, узкая серия ширин 0
304	20	52	15	2,0	9,53	7	0,14	15,9	7,8	13
305	25	62	17	2,0	11,51	7	0,23	22,5	11,4	11
306	30	72	19	2,0	12,3	8	0,34	28,1	14,6	9
307	35	80	21	2,5	14,29	7	0,44	33,2	18,0	8,5
308	40	90	23	2,5	15,08	8	0,63	41,0	22,4	7,5
309	45	100	25	2,5	17,46	8	0,83	52,7	30,0	6,7
310	50	110	27	3,0	19,05	8	1,08	61,8	36,0	6,3
311	55	120	29	3,0	20,64	8	1,35	71,5	41,5	5,6
312	60	130	31	3,5	22,23	8	1,70	81,9	48,0	5,0
313	65	140	33	3,5	23,81	8	2,11	92,3	56,0	4,8
314	70	150	35	3,5	25,4	8	2,60	104,0	63,0	4,5
315	75	160	37	3,5	26,99	8	3,10	112,0	72,5	4,3
316	80	170	39	3,5	28,58	8	3,60	124,0	80,0	3,8
317	85	180	41	4,0	30,16	8	4,30	133,0	90,0	3,6
318	90	190	43	4,0	31,75	8	5,10	143,0	99,0	3,4
320	100	215	47	4,0	36,51	8	7,00	174,0	132,0	3,0
Тяжелая серия диаметров 4, узкая серия ширин 0
403	17	62	17	2,0	12,7	6	0,27	22,9	11,8	12
405	25	80	21	2,5	16,67	6	0,5	36,4	20,4	9
406	30	90	23	2,5	19,05	6	0,72	47,0	26,7	8,5
407	35	100	25	2,5	20,64	6	0,93	55,3	31,0	7,0
408	40	110	27	3,0	22,23	6	1,20	63,7	36,5	6,7
409	45	120	29	3,0	23,02	7	1,52	76,1	45,5	6,0
410	50	130	31	3,5	25,4	7	1,91	87,1	52,0	5,3
411	55	140	33	3,5	26,99	7	2,3	100,0	63,0	5,0
412	60	150	35	3,5	28,58	7	2,8	108,0	70,0	4,8
413	65	160	37	3,5	30,16	7	3,4	119,0	78,0	4,5
414	70	180	42	4,0	34,93	7	5,3	143,0	105,0	3,8
416	80	200	48	4,0	38,1	7	7,0	163,0	125,0	3,4
417	85	210	52	5,0	39,69	7	8,0	174,0	135,0	3,2
418	90	225	54	5,0	-	-	11,4	186,0	146,0	-

Пример обозначения шарикового радиального подшипника легкой серии с d=50 мм, D = 80 мм, 5=16 мм: Подшипник 210 ГОСТ 8338-75

III. Приложение №3

Призматические шпонки (ГОСТ 22360 - 78)

Размеры шпоночных пазов.

IV. Приложение №4

Концы валов цилиндрические (ГОСТ 12080 - 66).

Цилиндрические концы валов предусматриваются в двух исполнениях:

1 - длинные, 2 - короткие.

Список литературы

1. С.А. Чернавский «Курсовое проектирование деталей машин». М.: «Машиностроение» 1987 г.

2. С.А. Чернавский «Проектирование механических передач». М.: «Машиностроение» 1984 г.

3. Дунаев П.Ф. Леликов О.П. . «Курсовое проектирование детали машин». Высшая школа 1990 год.

4. Иванов В.Н. «Детали машин». Высшая школа 1991 год.

5. Федоренко В.А., Шошин А.И. «Справочник по машиностроительному черчению». Л.: Машиностроение, 1988 г.- 446с

6. Акушина А.И. «Техническая механика: теоретическая механика и сопротивление материалов». М.; Высшая школа, 2003.- 352с

7. Ицкович Г.М. «Сопротивление материалов». М.; Высшая школа, 2001.- 256с