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

[σ] = 70 МПа

σ_max = ≤ [σ]

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).

σ_смятия ≤ [σ]

[σ] = (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 ××10-3, 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