精密机械设计课程说明书

精密机械课程设计说明书二自由度机械手
学院光电学院
班级测控1302
小组组长耿华婧2013010413
小组成员李庆龄2013010415
马文 2013010418
孙亚培 2013010420
指导老师闫光
课设日期2016.1
前言
机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新，机械手的研究、制造和应用水平，是一种机体独立，动作自由度较多，自动化程度高的自动操作机械。

机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。

通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。

从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。

因此为抓取和传送在空间不同位置和方位物件，传送机构也应具有6个自由度。

常用的机械手传送机构的自由度还多为少于6个的。

一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～6个自由度（这里所说的自由度数目，均不包括手指的抓取动作）。

我们小组选择设计一个二自由度机械手，通过齿轮和齿条的传动，以及电机旋转的带动作用，实现上下移动和绕轴旋转这两个自由度。

具体设计情况见后文。

目录
一、设计任务及小组分配 (5)
1.课程设计目的 (5)
2.主要任务 (6)
二、结构设计说明 (7)
1.初始方案草图 (7)
2.存在问题及解决方案 (8)
三、主要参数计算过程及结果 (10)
1.各部分材料选择说明 (10)
2.底座外形尺寸及质量初步估计 (11)
3.齿轮和直齿条的相关计算 (12)
4.电机的选择 (14)
5.联轴器的相关计算 (16)
6.电机处四个螺栓的计算 (17)
7.板材右侧及左侧配重的计算 (17)
四、其它技术说明 (18)
五、改进设想 (18)
六、设计小结 (19)
一、设计任务及小组分配
1.课程设计目的
“精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。

学生在这个环节中不仅是完成一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。

学生在课程设计中应该定位为设计者。

设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。

整个设计采用Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。

我们要求每人拿出至少一张可用于加工的图纸。

这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。

图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。

总之，通过课程设计要使学生知道，设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子。

其目的是：
（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础；
（2）掌握正确的设计思想。

通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。

机械产品设计，一般其主要过程为：接受）设计任务－（拟定）设计方案－设计计算－绘制装配图－绘
制零件图设计过程中需注意以下内容：1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求3）熟悉有关规范、标准、手册设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。

因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。

2.主要任务
在分析功能要求及参考图的基础上：
（1）进行方案设计与计算，并绘制方案草图和正式图。

包括示平移、升降、抓取等机构的设计、计算及其相互连接，零位设计及其误差估计；
（2）典型零件的设计计算，并绘制零件图；编写说明书。

总体装配模型如图所示：
二、结构设计说明
1.初始方案草图
简要说明：
（1）选用一个有一定高度小桌作为整体的底座，桌面上放一个低速旋转的电机，齿轮套在电机的轴上，电机转动带动齿轮转动。

（2）齿轮再带动直齿条的上下移动，从而实现沿上下方向移动的一个自由度。

（3）为了对直齿条起固定作用，我们制作一个箱体，并在箱体上开槽固定。

（4）直齿条上端和一块板A相固定，直齿条的上下移动带动板A的上下移动。

（5）板A上连接一根轴，该轴一端与电机轴用联轴器连接，另一端连接机械手。

电机转动带动轴和机械手的转动，从而实现另一个自由度——旋转。

（6）整个结构的材料使用Q235钢。

2.存在问题及解决方案
（1）电机的转速偏高，可能会在传动过程中由于转速太快导致整个装配结构不稳定，直齿条会飞出。

我们的解决方案是加一个减速机构，减速器的一般类型有：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、齿轮-蜗杆减速器、轴装式减速器、组装式减速器、轴装式减速器、联体式减速器。

我们选择一级圆柱齿轮减速器，即在原来的齿轮和齿条之间再加一个齿数为原齿轮二倍的大齿轮，使传动比为2，从而实现减速。

（2）装配的大部分零件位于偏右的位置，可能会由于重心不在中间使得整个装配体向右倾斜。

我们的解决方案是在底
座的左侧加一块与右侧质量相同的配重块。

配重块是用于增加自身重量来保持平衡的重物。

（3）直齿条和板A的固定问题在一开始没有确定。

我们的解决方案是在直齿条的上端部分用平面代替齿面，并将上端部分和板A用螺钉固定。

（4）右侧电机的固定问题。

右侧电机选用低速电机，并用螺钉将其固定在板A的右侧。

（5）右侧电机轴和机械手轴的联接问题。

我们的解决方案是使用联轴器。

联轴器用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。

联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。

一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。

三、主要参数计算过程及结果
1.各部分材料选择说明
底座、联轴器、螺栓、下方板材、配重材料选用Q235钢。

Q235是碳素结构钢，通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用，具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，
所有很多型材（如角钢、圆钢、工字钢、槽钢等材质很多为q235），并具有一定的强度，适合于桥梁、建筑等工程结构，实用性能好，价格相对也很便宜，性价比高。

密度为7.858g/cm³，许用应力16kg/cm²。

箱体、轴、轴肩、夹具选用的材料为40Cr。

40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。

调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。

钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。

这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。

切削性能较好，当硬度为174～229HB时，相对切削加工性为60%。

该钢适于制作中型塑料模具。

机械手部分的材料选择硬铝合金。

硬铝，是指铝合金中以Cu为主要合金元素的（含2.2—4.9%Cu、0.2—1.8%Mg、0.3—0.9%Mn、少量的硅，其余部分是铝）一类铝合金，代号2XXX，常用的有2Al1、2Al2等。

硬铝有良好的机械性能，强度大（如2Al2-T4抗拉强度可达469MPa以上）又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料。

硬铝成分：Al--Cu--Mg--Mn合金。

2.底座外形尺寸及质量初步估计
相关参数设定为：
材料：Q235钢材料密度：ρ=7.85g/cm³
桌面体积：400mm×300mm×30mm=40cm×30cm×3cm=3600cm³桌腿体积：50mm×50mm×100mm=5cm×5cm×10cm=250cm³
四条桌腿的体积：250×4=1000cm³
整体体积：3600+1000=4600cm³
整体质量：m=ρ×V≈4600cm³×7.8g/cm³≈35kg
3.齿轮和直齿条的相关计算
齿轮模数标准系列（摘录GB/T1357-1987)如下表
注：选用模数时，应优先选用第一系列；其次选用第二系列；括号内的模数尽可能不用。

标准直齿圆柱齿轮各部分的尺寸与模数有一定的关系，计算公式如下表：
（1）小齿轮
模数：m=2 齿数：z=17
因为m ≧1，所以取齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25
分度圆直径：d1=mz=2×17=34mm
齿顶圆直径：da=m(z+2)=2×19=38mm
齿根圆直径：df=m(z-2.5)=2×14.5=29mm
齿顶高：ha=m=2mm （正常齿）
齿根高：hf=1.25m=1.25×2=2.5mm （正常齿）
全齿高：h=ha+hf=2.5+2=4.5mm
齿距：p=πm=3.14×2=6.28mm
（2）大齿轮
模数：m=2 齿数：z=34
因为m ≧1，所以取齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25
分度圆直径：d2=mz=2×34=68mm
齿顶圆直径：da=m(z+2)=2×36=72mm
齿根圆直径：df=m(z-2.5)=2×31.5=63mm
齿顶高：ha=m=2mm
齿根高：hf=1.25m=1.25×2=2.5mm
全齿高：h=ha+hf=2+2.5=4.5mm
齿距：p=πm=3.14×2=6.28mm
大小齿轮中心距：a=2
1（d1+d2)=2
1(34+68)=51mm 大小齿轮传动比：i=1z 2z =1734=2 减速结果：电机转速20r/min 可以变成10r/min,即6
1r/s,也就是1s 转60度。

(3)直齿条
对直齿条上升、下降距离计算：
上升、下降距离：300-260=40mm
对直齿条上升40mm 所需时间进行计算：
齿轮2周长为C=2πr=2×3.14×34=213.52mm 时间为52.21340×60
360=1.124s 4.电机的选择
（1）箱体内的电机
选择的型号为灵浪品牌四口机电机
电压：110V
转速：20r/min 配有电容
质量：250g
材质：铜包铝线
优点：耐用、低噪音、低震动、发热小
（2）联接机械手的电机
选用标红框内型号的电机。

对电机轴进行应力计算:
当物体运动时，小圆柱（轴）的抗弯截面系数
Wz=0.1d ³=0.1×0.6×0.6×0.6=0.0216cm ³
小圆柱的应力=弯矩/抗弯截面系数=
0216.04.23=1083.333 N/cm ²
小于16kN/cm ²,设计符合条件。

5.联轴器的相关计算
采用凸缘联轴器，体积为17.53cm ³，选用Q235钢，密度为
7.8g/cm ³
质量：m=ρV=7.8×17.53≈136g
取重力加速度g=10m/s ²
重量：G=mg=136×10=1360N
每个螺栓上需要的预紧力：F ≧zf 1D D KT
4）（+
环形接合面外径：D=36mm=0.036m 内径：D1=24mm=0.024m
K---工作情况系数，可参考JB/ZQ4383-86 《联轴器的载荷
分类及工作情况系数》选用，取K=1.5
螺栓数目：z=4 摩擦系数：f=0.15
工作转矩：T=9550×Pw/n=7020×PH/n=0.06N ·m
Tc=KT 式中T=理论扭矩
F ≧zf 1D D KT 4）（+=15
.04024.0036.0406.05.1⨯⨯+⨯⨯）（=100N,F ≧10N 当联轴器的铰制孔与受剪螺栓的配合为6k 7H 或6
js 7H 时，两个半联轴器依靠螺栓的剪切和挤压来传递转矩。

联轴器在传递最
大转矩时，每个螺栓所受的剪力： F0=0zD KT 2=004
.0406.05.12⨯⨯⨯=11.25N 螺栓中心圆的直径D0=4mm=0.004m
6.电机处四个螺栓的计算
对4个螺栓进行应力计算：
抗弯截面系数：Wz=4×0.1×0.2×0.2×0.2=0.0032cm ³
应力=弯矩/抗弯截面系数=23.4/0.0162=7312.5N/cm ²
小于16KN/cm ²,设计符合条件。

7.板材右侧及左侧配重的计算
对下面的板材进行应力计算：
板材右侧的质量（近似计算）:m=160+136+400+156=852g
重心（2.5,3.5,1）
弯矩M=0.852×10×3.5×102-=0.2982N ·M;
抗弯截Wz=0.1×0.3×0.3×0.3=(2.7×103-)cm ³=(2.7×109-)m ³;
总的抗弯截面系数Wz=2×Wz=（5.4×109-）m ³
应力=弯矩/抗弯截面系数=109-4.545326
.0 =5.5222×107N ·m 小于许用
应力16KN/cm ²=16×107N/m ²,设计符合条件。

对左侧进行配重计算：
左侧配重近似为上方板材右侧的质量，其质量为0.852kg,为
了安全起见配重取2kg 左右，这样稳定性也有了保障。

质量
M=10×10×2.6×7.858=2043.08g 。

四、其它技术说明
齿轮传动的润滑:
润滑对齿轮传动的工作能力有很大的影响，许多类型的齿面损伤如点蚀、胶合、磨损、塑性变形等都可通过合理的润滑来防止或减轻。

轮齿啮合面加注润滑剂，可以避免金属直接接触，减少摩擦损失，还可以散热及防锈蚀。

因此对齿轮传动进行适当的润滑，可以大为改善齿轮的工作状况，且保持运转正常及预期的寿命。

可选用如下型号的润滑剂：
五、改进设想
1.直齿条固定处磨损较严重，改进设想采用弹簧固定，减小摩擦，提高稳定性。

2.机械手的开合问题。

用机械手的开合来实现一个自由度，代替直齿条升降。

六、设计小结
本次课程设计主要分为两个阶段，第一阶段是前期的准备阶段，第二阶段是为期两周的具体设计，让我收获颇丰。

经过大半个月的学习，我的精密机械课程设计总算是圆满结束。

这是大学以来的第一次课程设计，也是对大学以来所学知识的一次综合运用与实践，抱着这种心态，我将更多的时间和精力投入到课程设计中，充分利用好这个机会，让自己对所学知识有全面的提升。

在看过课程设计的要求与说明之后，由于理论知识的不足，再加上平时没什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，自己也不知从何处开始。

在经过老师的多次指导下，同时积极与同组的同学沟通交流，自己渐渐有了设计思路。

首先确定设计方案，然后列计划，按照计划进行。

之后，我去图书馆查阅了大量设计需要的相关资料，包括所需各个零件的材料，和一些计算的参数等等。

在设计的过程中培养了我的综合运用机械设计课程及其他课程理论知识和解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。

也让我学会了较为熟练地运用SolidWorks很为实用的软件。

这个在此期间我和其他同学之间互相帮助，一起研究讨论课程设计过程中遇到的困难，培养了我们的团队精神。

在这些过程当中，我充分的认识到自己在理解知识和接收应用方面的不足，特别是自己系统的自我学习能力的欠缺，将
来要进一步加强，今后的学习还要更加努力。

本次课程设计不仅对所学的课程知识有了更深入的理解和掌握，巩固了理论教学过程中所学到的理论知识，更多的是一些实际设计过程中的所有的经验。

总而言之，这次的课程设计让我学到了很多东西，相信对以后的学习也会有很大的帮助的。