龍門式機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PAGEII寧XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)龍門式機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)：班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 年月摘要近代的工業(yè)機(jī)械手是由目標(biāo)機(jī)械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動(dòng)力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動(dòng)化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手對(duì)于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識(shí)。包含機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。機(jī)械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強(qiáng)，能長(zhǎng)時(shí)間工作和工作精度高。可以說機(jī)械手是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機(jī)械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。本課題模擬了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，課題將設(shè)計(jì)一個(gè)龍門機(jī)械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)輸，需完成對(duì)工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。本文闡述了機(jī)械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機(jī)械手設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度PAGE16AbstractIndustrialmanipulatoriscomposedoftargetofmodernmechanicalbody,controlsystem,sensorsystem,controlsystemandservoactuatorsystem,operation,automaticcontrol,akindofimitationofhumanmultipleprogramming,tocompletetheworkofeverykindofMechatronicsdeviceinthree-dimensionalspace.Industrialmachineryhandtoenhanceandensurethequalityofproducts,improveproductionefficiency,playsaveryimportantroleinimprovingtheworkingconditionsofworkersandtherapidupdatingofproduct.Industrialmachineryhandtechniquecombinedwithmultidisciplineknowledge.Includingmechanism,computer,controltheory,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandsoon.Itistheveryactive,verywideapplicationareas.Themanipulatorhasmanyhumanbeingsdonothave,includingtherapidanalysisofenvironmentalcapacity;stronganti-interferenceability,canworkforalongtimeandhighprecisionwork.Canbesaidthatthemanipulatorisaproductoftheprogressofindustry,italsoplaysavitalroleinthemodernindustry.Nowadays,industrialrobothasbecometheconcernoftheindustryallovertheworld.ThissubjectcomesfromtheYalongYL-221automationtoflexibleproductionsystem,themachineindependentinnovationtrainingsystemtosimulatetheactualindustrialproductionsystem,accordingtothedifferentstagesofproductionmachineisprovidedwithapluralityofworkstation:automaticaccessoverheadwarehouse,handlingrobotstation,lineconveyor,conveyorstationstation90degreeturn,mechanicalprocessingstation,station,thestationcodeheap.WedesignarobotwillbeusedinLongmen,staffentry,disconnectedtotheconveyorbeltpartsaretransportedbymechanicalhand,tothecompletionoftheworkofsafetygripandrelease,andthepartsfromoneendtotheotherendoftheconveyorbeltproductionlinepositionspecifiedontheconveyorbelt.Thispaperexpoundsthedevelopmenthistoryofthemanipulator,theapplicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,putsforwardthedesignrequirementsofthemanipulatorspecificanddetailstructuredesign,overalldesignandvariousdegreesoffreedom.KeyWords:robot;industrial;transmission;strength目錄摘要 IIAbstract III目錄 IV第1章緒論 11.1機(jī)械手概念 11.2課題研究的背景和意義 11.3國內(nèi)機(jī)械手的研究 11.4機(jī)械手的應(yīng)用 2第2章總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 32.1課題的技術(shù)要求 32.2設(shè)計(jì)原理 3第3章Z向結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 43.1滾珠絲桿副的選擇 53.1.1導(dǎo)程確定 53.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 53.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 63.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 63.1.6精度的選擇 73.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 73.2校核 83.2.1臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 83.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 93.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 93.3電機(jī)的選擇 103.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 103.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 11第4章X軸水平移動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 134.1同步帶計(jì)算選型 144.2同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 174.3同步帶的設(shè)計(jì) 194.4同步帶輪的設(shè)計(jì) 204.5軸的校核 204.6鍵的校核 214.7軸承的校核 22第5章手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 245.1手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 245.2手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 255.3機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)計(jì)算 265.3.1手爪的力學(xué)分析 265.3.2夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 275.4夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 285.4.1主要尺寸的確定 285.5手爪夾持范圍計(jì)算 295.6機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算 305.7彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 315.8本章小結(jié) 33總結(jié) 34參考文獻(xiàn) 35致謝 36

第1章緒論1.1機(jī)械手概念機(jī)械手（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。機(jī)械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機(jī)械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，機(jī)械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動(dòng)化程度高，對(duì)改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以說他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。1.2課題研究的背景和意義本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)龍門機(jī)械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)輸，需完成對(duì)工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。通過本課題的研究，學(xué)生不僅可以了解自動(dòng)生產(chǎn)線的工作過程，還可以深入了解其組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。希望學(xué)生通過本課題設(shè)計(jì)，能充分運(yùn)用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機(jī)械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中，選用合理的動(dòng)力元件，計(jì)算設(shè)計(jì)零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)思路，綜合應(yīng)用機(jī)械原理和設(shè)計(jì)、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。1.3國內(nèi)機(jī)械手的研究機(jī)械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)機(jī)械手首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候機(jī)械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬八千五百億日元?？梢姍C(jī)械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。在國際方面，各個(gè)國家已經(jīng)意識(shí)到機(jī)械手的重要性。所以機(jī)械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長(zhǎng)了百分之10。此后機(jī)械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長(zhǎng)多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長(zhǎng)為7%。國際機(jī)械手的發(fā)展方向:機(jī)械手涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。機(jī)械手的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大。現(xiàn)在很對(duì)機(jī)械手的研究都往小型化發(fā)展。機(jī)械手將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。1.4機(jī)械手的應(yīng)用機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，機(jī)械手產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界機(jī)械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。到了二十世紀(jì)九十年代，機(jī)械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達(dá)到百分之二十。在亞洲機(jī)械手需求量更多，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，機(jī)械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機(jī)械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工、裝配、檢測(cè)和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機(jī)械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。

第2章總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1課題的技術(shù)要求1．工作范圍：長(zhǎng)度：800mm；高度：500mm；高度200mm；2．各軸工作速度進(jìn)給速度：400mm/min；3.X、Z方向快速移動(dòng)速度：1500mm/min；4.夾持部件旋轉(zhuǎn)角度：180°；5.送料重量：1000g2.2設(shè)計(jì)原理為了使工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。Z軸采用絲杠傳動(dòng)：電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠X軸采用絲杠傳動(dòng)：電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠第3章Z向結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)表3-1滾珠絲桿副支承支承方式簡(jiǎn)圖特點(diǎn)一端固定一端自由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。一端固定一端游動(dòng)需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。兩端固定只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。3.1滾珠絲桿副的選擇滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。設(shè)Z向最大行程為200mm,最快進(jìn)給速度為1500mm/min,3.1.1導(dǎo)程確定電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1,選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為取Ph=123.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速絲桿的等效轉(zhuǎn)速式中取故3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷fw負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2）ft溫度系數(shù)（查表：取ft=1）fh硬度系數(shù)（查表：取fh=1）fa精度系數(shù)（查表：取fa=1）fk可靠性系數(shù)（（查表：取fk=1）Fm等效負(fù)載nz等效轉(zhuǎn)速Th工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h由上式計(jì)算得Car=17300N表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh表3-1-2精度系數(shù)fa表3-1-3可靠性系數(shù)fk表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw3.1.6精度的選擇滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào)計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN公稱直徑Ph=12mm則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。公稱直徑d0=30mm絲桿外徑d1=29.5mm鋼球直徑dw=7.144mm絲桿底徑d2=24.3mm圈數(shù)=3圈Ca=30KNCoa=66.3KN剛度kc=973N/μm3.2校核滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。3.2.1臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算：式中E材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）LO最大受壓長(zhǎng)度（m）K1安全系數(shù)，取K1=1.3Fmax最大軸向工作負(fù)荷（N）f1絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m4）式中do是絲桿公稱直徑（mm）dw滾珠直徑（mm），絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：式中：A絲桿最小截面：A=絲杠內(nèi)徑，單位；P材料密度p=7.85*103(Kg/m)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm安全系數(shù)，可取=0.8fZ絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9經(jīng)過計(jì)算，得出=6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式式中A——絲杠最小橫截面，；螺母座剛度KH=1000N/μm。當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。經(jīng)計(jì)算得：式中Ke——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000N/μmKc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。3.3電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上式中：d—直徑,絲桿外徑d=29.5mmL—長(zhǎng)度=1mP—鋼的密度=7800經(jīng)計(jì)算得b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量上式中：M—質(zhì)量X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kgP—絲桿螺距（m）P=0.001m經(jīng)計(jì)算得c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查表得因此3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta—加速時(shí)間KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s經(jīng)計(jì)算得b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32NP—絲桿螺距（m）P=0.001mη—傳動(dòng)效率，η=0.90I—傳動(dòng)比，I=1經(jīng)計(jì)算得c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500Nη0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。第4章X軸水平移動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)第4章Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)最大動(dòng)載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。查表得中等沖擊時(shí)則:根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為:CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。其基本參數(shù)如下:其額定動(dòng)載荷為14205N>足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表名稱計(jì)算公式結(jié)果公稱直徑――20mm螺距――５mm接觸角――鋼球直徑――3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內(nèi)徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：式中：φ=10’，為摩擦角；γ穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[Δ]=15μm/m。4.2步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。所以有：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：4.3步進(jìn)電機(jī)的選用(１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：取系數(shù)為０.３，則：對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：(２）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩(n.m)空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg.m外直徑長(zhǎng)度軸直徑9014594.51764第5章手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）、手指握力的大小要適宜確定手指的握力（即夾緊力）時(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。（2）、應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開手指開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。（3）、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且自身重量輕因受到被夾工件的反作用力和運(yùn)動(dòng)過程中的慣性力、振動(dòng)等的影響，要求機(jī)械手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。（4）、動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部方便根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。經(jīng)過分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。手部是機(jī)械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)作。一、夾持式手部夾持式手部對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。二、結(jié)構(gòu)夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。5.2手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核手爪種類1.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。2.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。3.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。4.滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。5.平行杠桿式手爪不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用的鋼絲繩直徑為50mm來設(shè)計(jì)。a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。b．有足夠的開閉范圍工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。5.3機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)計(jì)算5.3.1手爪的力學(xué)分析下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿，如圖3-1為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。圖3-1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1——手指2——銷軸3——杠桿=（3-1）式中：——驅(qū)動(dòng)力；——夾緊力；——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離；——手指長(zhǎng)度；——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則夾緊力也隨之增大，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=~。5.3.2夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。（1）手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：（3-2）式中:——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；——軸向力；——V形手抓的開合角；——工件和手抓間的摩擦系數(shù)；計(jì)算：設(shè)a=10mm,b=30mm,=，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力。設(shè)K=1.5，，0.3根據(jù)公式，將已知條件帶入得：（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：由于實(shí)際采用的氣壓缸驅(qū)動(dòng)力大于計(jì)算，把手抓的機(jī)械效率考慮在內(nèi)，一般取。（3）?。?-3）5.4夾緊氣缸的設(shè)計(jì)5.4.1主要尺寸的確定（1）氣缸工作壓力的確定由表3-1取氣缸工作壓力表3-1氣壓負(fù)載常用的工作壓力負(fù)載F/N<50005000~1000010000~2000020000~3000030000~50000>50000工作壓力p/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5>5~7（2）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定可由下式推算出氣壓缸的內(nèi)徑D：（3-4）預(yù)設(shè)活塞桿直徑d=0.5D,氣缸工作壓力P=0.4MPa,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)氣壓傳動(dòng)分冊(cè)P22-125，選取氣壓缸內(nèi)徑為：D=32mm?？梢缘贸龌钊麠U內(nèi)徑為:d=0.5D=320.5=16mm，選取d=14mm。（3）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:（3-5）式中，——缸筒壁厚，(mm)；——?dú)飧變?nèi)徑，(mm)；——?dú)飧自囼?yàn)壓力，一般?。≒a）；——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ≒a）；——缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）。本設(shè)計(jì)手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:（4）手部活塞桿行程長(zhǎng)L計(jì)算活塞桿的位移量S可推得：S（3-6）氣缸的活塞行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加的行程余量[11]。（3-7）故氣壓傳動(dòng)手冊(cè)圓整為。（5）手爪部分總質(zhì)量估算：（3-8）其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106查相關(guān)手冊(cè)可得，45號(hào)鋼密度為；ZL1060的密度為。手爪部分總質(zhì)量約為：5.5手爪夾持范圍計(jì)算為了保證手爪張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為27mm。（a）手爪最小夾持半徑（b）手爪最大夾持半徑圖3-2手爪張開示意圖手爪夾持范圍的計(jì)算，手指長(zhǎng)30mm，當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑=10，當(dāng)張開時(shí)，如圖3-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計(jì)算如下：機(jī)械手的夾持半徑從。5.6機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差計(jì)算。圖3-3手爪夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為10mm~26mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：（3-9）手指長(zhǎng),取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： （3-10）計(jì)算：（3-11）當(dāng)時(shí)帶入有： 所以夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。5.7彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧按照壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3-4所示，計(jì)算過程[13]如下。圖3-4圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)（1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力（2）選擇旋繞比C=8，則（3-12）（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=22mm，估算彈簧絲直徑 （4）試算彈簧絲直徑（3-13）取3mm。（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3-14）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈（6）最后確定：，，，（7）對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這