伸缩式机械臂的机构设计【字数：11284】
本次课题所设计的是伸缩式机械臂，要求结构合理，总体布置符合实际，完成运动部件的运动分析和校核，完成相应零部件的结构设计。通过CATIA三维软件绘制伸缩式机械臂总体结构，并导出二维工程图，利用AutoCAD对其进行绘制和标注。伸缩式机械臂主要用于执行机构，臂架根据工作端的需要进行适当地伸缩，工作时需承受一定的载荷，它能代替人力完成重复枯燥的劳动，对提高劳动效率有着显著的作用。设计过程主要针对驱动机构、传动机构和臂部进行结构分析与设计，按照设计要求各零部件选择合理，强度可靠，采用合适的设计方案，在保证伸缩式机械臂能正常伸缩运动的前提下，尽量减少材料的使用，以节约经济成本。
目录
1.绪论 1
1.1伸缩式机械臂的概述 1
1.2课题研究的背景意义及发展现状 1
1.3伸缩式机械臂机构设计的主要内容 2
2.伸缩式机械臂的总体设计 3
2.1伸缩式机械臂的结构与类别 3
2.2伸缩式机械臂设计要求与原则 3
2.3伸缩式机械臂驱动形式的选择 4
2.3.1驱动形式的分类 4
2.3.2电动机的选择 4
2.3.3电动机参数的选择与计算 4
2.3.4电动机的安装 5
3.伸缩式机械臂传动形式的选择与设计 6
3.1传动方式的选择 6
3.2齿轮齿条的设计 6
3.2.1齿轮参数的选择 6
3.2.2齿轮几何尺寸的计算 7
3.2.3齿条参数的选择 7
3.2.4齿条几何尺寸的计算 8
3.2.5齿面接触疲劳强度校核 8
3.2.6齿轮弯曲疲劳强度校核 12
3.3齿轮轴的设计 13
3.3.1齿轮轴的设计要求 13
3.3.2齿轮轴材料的选择 14
3.3.3齿轮轴的设计与计算 14
3.3.5轴上零件的选择 17
3.4导轨的选择与设计 19
3.4.1导轨的类型及特点 19
3.4.2导轨的总体设计 19
4.臂部的设计与校核 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.1伸缩式机械臂臂部截面形式的分类与选择 21
4.2伸缩式机械臂臂部材料的选择 22
4.3臂部尺寸参数设计 22
4.4伸缩式机械臂臂部校核 22
5.结论 24
参考文献 27
致谢 28
1.绪论
1.1伸缩式机械臂的概述
机械臂一般来说是通过自身运动来抓取目标物体、搬运物件或者操作工具的机械设备。其特点是可以通过计算机编程控制来完成各种预期的作业，实现操作过程的准确无误，因而不仅在娱乐服务、空间探测、事故救援、家庭服务等领域有着重要的应用价值和广阔的发展前景，并且在工业生产、医疗等领域也有着很大的市场潜力[1]。机械臂常见的运动形式有伸缩、旋转和升降，设计者根据需要实现的特定的功能来确定它的运动形式。机械臂伸缩机构的作用是改变臂架的长度，使末端工作装置达到合适的工位，以满足作业要求。与一般机械臂相比它具有工作范围灵活可变，承载力较大的特点。
1.2课题研究的背景意义及发展现状
随着社会的发展与时代的进步，现代社会中各行各业的工作效率都不断提高，依靠计算机、互联网、物联网技术的飞速发展，一些智能自动化机械设备为人们的工作生活提供了极大的便利，它们不仅能取代人们完成危险、重复枯燥的工作，降低劳动者的劳动强度，还能提高社会劳动生产力，有利于实现工作效率的最大化，为企业和个人创造更多的收益，此外这些机械装置还具有操作精准、可靠性高的特点，这一优势也是人类劳动无法与之相比的。
近年来，随着机器人技术的发展，应用高速、高精度、高载荷自重比的机械臂结构在到航空航天领域得到广泛应用。空间机械臂的概念最早是在上世纪 70 年代被提出，它主要被应用于空间站以及航天飞机上。可伸缩空间机械臂属于当前航天最火热的项目之一，目前只有加拿大航天局正在研制的下一代Canadarm大型机械臂 NGLC（Next Generation Large Canadarm）针对这方面展开了研究，国内目前还没有针对该方向上展开研究[2]。
伸缩式臂架是轮式起重机最重要的构件之一[3]，其重量一般占整机的13%~20%，目前我国生产的轮式起重机以中、小吨位为主，普遍采用伸缩油缸加绳排的伸缩机构的形式，该伸缩机构的特点是最末一、二节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂用油缸伸缩，因而最末节伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重机在大幅度下的起重性能。西方发达国家生产50吨以上的中、大吨位轮式起重机时,普遍采用单缸插销形式的伸缩机构。该形式伸缩机构的采用大幅度提高了起重机的起重性能。
在民用方面，随着我国城市化步伐的加快，人口密度的迅速增长， 车辆密度快速增加，居民小区普遍存在停车位不足的现象，停车难是个老问题，而且越发严重[4]。此时伸缩式机械臂安全、灵活配置等特点显示出极大的优势，它能承载一定的负荷，移动灵活准确，是车辆存取、运输的有效解决手段。南京夫子庙停车场、五棵松地下停车场已利用AGV小车配合伸缩式机械臂实现停车场的智能化与无人化运作，随着技术的不断成熟，这套智能停车系统会被越来越广泛地应用，更加方便人们的生活。
结合以上特点本次课题对伸缩式机械臂进行机构设计，设计要求使之结构合理，在规定的工作场景下能够完成伸缩运动，以扩大机构的工作范围，并具有一定的强度与刚度，能承受一定的载荷。
1.3伸缩式机械臂机构设计的主要内容
1）对伸缩式机械臂的运动方式进行分析，确定其驱动形式；
2）确定伸缩式机械臂的总体结构组成，设计各零部件；
3）使用CATIA软件对机构进行三维建模，并将其装配；
4）导出机构零件图和总装图，并利用CAD软件进行绘制；
5）撰写毕业论文。 2.伸缩式机械臂的总体设计
2.1伸缩式机械臂的结构与类别
伸缩式机械臂的结构通常是第一级为固定的节臂，其余均为能运动的节臂，在其不工作时所有节臂均装在固定体内。其工作过程为第一级运动臂通过驱动机构从固定体中伸出或缩回，随之第二级运动臂由第一级运动臂中伸出或缩回，通过这种方式扩大或缩小机械设备工作范围。按伸缩式机械臂节臂数目分类，其可分为两节式、三节式和四节式伸缩臂。目前由于三节式伸缩臂结构简单，工作可靠性高而被广泛应用。
目录
1.绪论 1
1.1伸缩式机械臂的概述 1
1.2课题研究的背景意义及发展现状 1
1.3伸缩式机械臂机构设计的主要内容 2
2.伸缩式机械臂的总体设计 3
2.1伸缩式机械臂的结构与类别 3
2.2伸缩式机械臂设计要求与原则 3
2.3伸缩式机械臂驱动形式的选择 4
2.3.1驱动形式的分类 4
2.3.2电动机的选择 4
2.3.3电动机参数的选择与计算 4
2.3.4电动机的安装 5
3.伸缩式机械臂传动形式的选择与设计 6
3.1传动方式的选择 6
3.2齿轮齿条的设计 6
3.2.1齿轮参数的选择 6
3.2.2齿轮几何尺寸的计算 7
3.2.3齿条参数的选择 7
3.2.4齿条几何尺寸的计算 8
3.2.5齿面接触疲劳强度校核 8
3.2.6齿轮弯曲疲劳强度校核 12
3.3齿轮轴的设计 13
3.3.1齿轮轴的设计要求 13
3.3.2齿轮轴材料的选择 14
3.3.3齿轮轴的设计与计算 14
3.3.5轴上零件的选择 17
3.4导轨的选择与设计 19
3.4.1导轨的类型及特点 19
3.4.2导轨的总体设计 19
4.臂部的设计与校核 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.1伸缩式机械臂臂部截面形式的分类与选择 21
4.2伸缩式机械臂臂部材料的选择 22
4.3臂部尺寸参数设计 22
4.4伸缩式机械臂臂部校核 22
5.结论 24
参考文献 27
致谢 28
1.绪论
1.1伸缩式机械臂的概述
机械臂一般来说是通过自身运动来抓取目标物体、搬运物件或者操作工具的机械设备。其特点是可以通过计算机编程控制来完成各种预期的作业，实现操作过程的准确无误，因而不仅在娱乐服务、空间探测、事故救援、家庭服务等领域有着重要的应用价值和广阔的发展前景，并且在工业生产、医疗等领域也有着很大的市场潜力[1]。机械臂常见的运动形式有伸缩、旋转和升降，设计者根据需要实现的特定的功能来确定它的运动形式。机械臂伸缩机构的作用是改变臂架的长度，使末端工作装置达到合适的工位，以满足作业要求。与一般机械臂相比它具有工作范围灵活可变，承载力较大的特点。
1.2课题研究的背景意义及发展现状
随着社会的发展与时代的进步，现代社会中各行各业的工作效率都不断提高，依靠计算机、互联网、物联网技术的飞速发展，一些智能自动化机械设备为人们的工作生活提供了极大的便利，它们不仅能取代人们完成危险、重复枯燥的工作，降低劳动者的劳动强度，还能提高社会劳动生产力，有利于实现工作效率的最大化，为企业和个人创造更多的收益，此外这些机械装置还具有操作精准、可靠性高的特点，这一优势也是人类劳动无法与之相比的。
近年来，随着机器人技术的发展，应用高速、高精度、高载荷自重比的机械臂结构在到航空航天领域得到广泛应用。空间机械臂的概念最早是在上世纪 70 年代被提出，它主要被应用于空间站以及航天飞机上。可伸缩空间机械臂属于当前航天最火热的项目之一，目前只有加拿大航天局正在研制的下一代Canadarm大型机械臂 NGLC（Next Generation Large Canadarm）针对这方面展开了研究，国内目前还没有针对该方向上展开研究[2]。
伸缩式臂架是轮式起重机最重要的构件之一[3]，其重量一般占整机的13%~20%，目前我国生产的轮式起重机以中、小吨位为主，普遍采用伸缩油缸加绳排的伸缩机构的形式，该伸缩机构的特点是最末一、二节伸缩臂采用钢丝绳伸缩，其它伸缩臂用油缸伸缩，因而最末节伸缩臂的截面变化较大，大大降低了起重机在大幅度下的起重性能。西方发达国家生产50吨以上的中、大吨位轮式起重机时,普遍采用单缸插销形式的伸缩机构。该形式伸缩机构的采用大幅度提高了起重机的起重性能。
在民用方面，随着我国城市化步伐的加快，人口密度的迅速增长， 车辆密度快速增加，居民小区普遍存在停车位不足的现象，停车难是个老问题，而且越发严重[4]。此时伸缩式机械臂安全、灵活配置等特点显示出极大的优势，它能承载一定的负荷，移动灵活准确，是车辆存取、运输的有效解决手段。南京夫子庙停车场、五棵松地下停车场已利用AGV小车配合伸缩式机械臂实现停车场的智能化与无人化运作，随着技术的不断成熟，这套智能停车系统会被越来越广泛地应用，更加方便人们的生活。
结合以上特点本次课题对伸缩式机械臂进行机构设计，设计要求使之结构合理，在规定的工作场景下能够完成伸缩运动，以扩大机构的工作范围，并具有一定的强度与刚度，能承受一定的载荷。
1.3伸缩式机械臂机构设计的主要内容
1）对伸缩式机械臂的运动方式进行分析，确定其驱动形式；
2）确定伸缩式机械臂的总体结构组成，设计各零部件；
3）使用CATIA软件对机构进行三维建模，并将其装配；
4）导出机构零件图和总装图，并利用CAD软件进行绘制；
5）撰写毕业论文。 2.伸缩式机械臂的总体设计
2.1伸缩式机械臂的结构与类别
伸缩式机械臂的结构通常是第一级为固定的节臂，其余均为能运动的节臂，在其不工作时所有节臂均装在固定体内。其工作过程为第一级运动臂通过驱动机构从固定体中伸出或缩回，随之第二级运动臂由第一级运动臂中伸出或缩回，通过这种方式扩大或缩小机械设备工作范围。按伸缩式机械臂节臂数目分类，其可分为两节式、三节式和四节式伸缩臂。目前由于三节式伸缩臂结构简单，工作可靠性高而被广泛应用。
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