【機械手夾持設計與計算11000字（論文）】

第一章機械手發(fā)展現(xiàn)狀及其未來發(fā)展展望1.1選題背景自工業(yè)革命以后，隨著各行業(yè)的飛速發(fā)展，機器代替人工已經成為了一種新的發(fā)展趨勢，每一次的發(fā)展變革，在社會向前邁進一大步的同時，機器與人工之間的轉換程度也得到提高。觀察每次變革的發(fā)展方向，都圍繞著降低人工成本、提高生產效率、適應生產變化三個方向進行發(fā)展。對于那些動作簡單、重復性高的動作，現(xiàn)使用機器代替人工操作已成為一種新的發(fā)展趨勢。而且相對人工而言，機器生產的產品穩(wěn)定性高，質量好。特別是一些危險性較高的工種以及人力難以勝任的工作，使用機器作業(yè)已經成為一種必然現(xiàn)象。從經濟方面來講，機器的使用可以有效的減少人工操作成本以及人工管理成本。就目前而言，在工業(yè)生產中，人工雖仍占據著主要地位，但自動化生產已經成為一種趨勢，且這種趨勢會伴隨著社會的發(fā)展越來越明顯。在現(xiàn)如今的制造行業(yè)中，隨著對自動化生產的推廣，我們對機器人的需求也日益增多，綜合生產成本，目前且大多數自動化機器都是以機械手的形式存在。在科技高度發(fā)達的今天，伴隨著現(xiàn)如今人工成本的日益增長，隨著電商市場的發(fā)展，商品價格愈加透明化，提高產品競爭力已成為眾多企業(yè)的當務之急。而其產品競爭力的提高離不開產品的成本、質量，自動化生產也步入眾多企業(yè)的視野中，而機械手，作為自動化生產不可或缺的設備，需求量也日期增高。在一些發(fā)達國家、發(fā)達企業(yè)中，已初步組建了屬于自己的自動化產線，這不僅有著很高的科技水平，也是其擁有著雄厚資本的一個證明。但就整個工業(yè)群體中，其自動化的占比還是相對較小，但眾多中小型企業(yè)中，還不能實現(xiàn)完全的自動化，依靠人工生產，仍在眾多企業(yè)中占有大部分的比例。但我相信，自動化生產仍是日后發(fā)展的一種趨勢，隨著機械手的不斷發(fā)展、普及開來，終會實現(xiàn)高度的產線自動化。而我們這次的畢業(yè)設計課題是一種應用于車床上下料的機械手，該課題方向也是后期機械工業(yè)的一種發(fā)展趨勢，在機床上應用該機械手，可以提高產品的生產效率以及產品的生產質量，提升企業(yè)的經濟效益，同時也可以減少因人工操作帶來的安全風險，加強安全保障。1.2機械手簡介機械手和人們通常說的機器人還是有著很大的不同，它們是兩個不同的概念。機械手在大多數情況下是作為機器人的附屬裝備來進行使用的，多用于重復性高、單一的程序規(guī)定的動作；而機器人則不同，它更加的負責，相較于機械手的簡單操作，它的功能更加豐富，更加的智能化，可以適用于多種環(huán)境，進行比較復雜的操作。機械手和機器人之間的關系，就像人與人的手臂一般；在開始工作之前，我們通過相應的軟件以及程序代碼設定好想要實現(xiàn)的動作，啟動后它就可以依照已經規(guī)定好的方式去實現(xiàn)規(guī)定的動作，例如：對物料進行轉運、各種管路、材料的焊接等等。根據不同的工作場合及不同的生產需求，有著各種各樣的機械手，其所配備的程序也各不相同；通過對機械手的利用，可以最大程度上減少生產事故的發(fā)生，同時也提高了生產效率，減少了人工成本，僅需2-3人配備機械手臂就能達到以往上十人的生產效率；僅從物料搬運方面來講，涉及到那些體積龐大、沉重的零件，難以通過人力來解決，即使能夠通過人力相對來說成本也比較高昂，而使用機械手和機器人就可輕易的解決該問題，在龐大的基數上，使用機器設備的成本遠小于人工成本和管理成本?，F(xiàn)各行各業(yè)中，機械手的使用也日益廣泛，在建筑行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、航海以及航空等領域。特別是在流水作業(yè)方面，使用機械手等自動化設備可有效提高產品的生產效率以及合格率，有效的降低了產品的生產成本；同時，機械手目前應用更加廣泛的在重工業(yè)、輕工業(yè)等機械設備行業(yè)。例如就它可以應用在一些半自動設備的上下料方面；其所具有的自動運輸和自動夾緊功能加裝在現(xiàn)有生產設備上，可以實現(xiàn)我們目前意義上說的全自動化的模式?？偟膩碚f，機械手應用前景非常遠大，在這飛速發(fā)展的社會，應用越來越多。就現(xiàn)有制造行業(yè)而言，它可以提高產品的生產效率，同時也降低了人工成本以及安全風險，同時也解放了勞動力等等；從另一方面來講，它也為我們現(xiàn)有社會的發(fā)展進步添磚添瓦；與人力相比較，機械手的優(yōu)勢特點也非常明顯，有了它的出現(xiàn)，如有神助一般，解決了以前很多難以通過人力來解決的問題。例如：在一些人力難以長期停留或無法通過人力可及的場合，比如一些高溫高壓或者水下或存在有害物質的工作環(huán)境下，它能通過合適的、有針對化的設計不同的機械手來適應不同的場合進行工作，而單憑人力卻無法長期在在這種場所下進行工作，否則會對身體造成了不可挽回的傷害，相較于機械手來說就沒有那么多的局限性，它可以針對場合選擇合理的材料以及進行相應的結構設計；從另一個方面來講，人的力量是有限的，要想維持相應的產量，相應的人工投入以及管理投入必不可少，因為人不可能高強度的工作一直不休息，為了產量必須增加人工投入進行輪換，相應的管理成本也必不可少，而機械手就沒有這方面的顧慮，除了人工的操作及必要的維護，它可以保持不間斷的持續(xù)工作，而且工作的質量、準確度并不會如同人工一般存在波動；對于機械行業(yè)或者整個工業(yè)體系來講，質量以及成本是不可或缺的一環(huán)，它影響最終的經濟效益，就這一方面來講，機械手做的非常成功，它是不可多得的幫手，在產品精度以及生產連續(xù)性等方面遠遠超過人工；④伴隨著機械手局部配件的更換，它可以滿足各種類產品的柔性化生產。1.3機械手國內外發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會的發(fā)展，工業(yè)機械手的發(fā)展一共分為三個階段，第一代的機械手為傳統(tǒng)的機械手，它實現(xiàn)的功能較為簡單，其結構相對來說也較為簡單，簡單的來說分為臀部、手部兩個組成部分，現(xiàn)大多數作為示教的機械手出現(xiàn)在市面上。相對來說，其編程也較為簡單，一般是通過在線編程得到指定的動作。較第一代機械手而言，第二代機械手反饋能力非常的靈敏，是帶感應的機械手，它的控制方式比較復雜，具備著一定的觸覺，視覺等。在1990年第二代機械手就已經進入了使用階段，目前雖未鋪展開來，但它的前景非?？陀^，我相信用不了多久，這類機械手將會普遍應用于各行業(yè)中。而第三代工業(yè)機械手較第一代結構來說比較復雜，它不僅擁有第二代機械手的感應功能，同時，它也非常的智能化，可以根據所處的環(huán)境以及對所操作的物體進行掃描識別，做出相應要求的指令。并且它可以隨著識別目標的變化做出相應更改。目前第三代機械手尚處于研發(fā)試制階段，還存在一定的瓶頸，尚未能投入到市場中應用。我國的機械手的研發(fā)及應用較發(fā)達國家發(fā)展起步較慢，較歐美等國還存在一定的差距，但近些年來，隨著國家的大力發(fā)展，我國對于機械手的發(fā)展也予以極大的重視，目前我們國家的機械手行業(yè)發(fā)展十分迅猛。以德國為例，在二戰(zhàn)后他們通過大力發(fā)展工業(yè)，使得經濟發(fā)展十分迅速，其主要原因也得益于及大量使用設備代替人工，解放了大量的勞動力。在上世計70年代，在國內也開始了對機械行業(yè)的初步研究。隨著改革開放，我國的經濟得到了長足的發(fā)展，隨著國家資金雄厚，到了80年代，國家開始重視機械行業(yè)，加大了政策扶持力度，使得我國的機械手行業(yè)有了一個質的飛躍，完成了機械手的自我開發(fā)以及生產，擁有了自我研發(fā)以及自我生產的能力。并在此基礎上進行延申，結合著各行業(yè)的需求，開發(fā)出了適合各方面操作的機械手，如物流搬運機械手以及適合各種焊接機械手等等。在近些年，隨著科技發(fā)展的日新月異，我們已經發(fā)展到機器人行業(yè)，取得的豐碩的科研成果。現(xiàn)目前機械手各行業(yè)的改革與研發(fā)，日益偏向于滿足多環(huán)境、多功能性開發(fā)，越來越智能化。如圖1-1所示，其為我們國內某機械手公司所生產的機械手：圖1-1目前機械手行業(yè)在我國發(fā)展已將近50年了，這么多年以來，隨著經濟的發(fā)展，在各行各業(yè)中，機械手的身影隨處可見，已經全面在市場中鋪展開來。特別是近些年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)現(xiàn)，原有的傳統(tǒng)機械手以及難以跟隨市場發(fā)展的腳步，到了上世紀90年代，機械手行業(yè)圍繞市場需求進行了方向改革，開始向多功能化、智能化方向進行發(fā)展，目前在許多行業(yè)的特許工位已進行大量使用，它可以根據對周圍環(huán)境進行識別，可以針對環(huán)境的變化來判斷出下一步相應的動作?，F(xiàn)如今，國內外的機械手正朝著智能化的方向在不斷的發(fā)展。1.4機械手未來發(fā)展展望自上世紀70年代至今，我國機械手經過了四十多年的飛速發(fā)展，在越來越多的領域我國的工業(yè)機械手已得到了非常廣泛的應用。隨著現(xiàn)代制造行業(yè)產品的不斷更新?lián)Q代，以及隨著科學水平的提高和經濟的飛速發(fā)展，我們的機械手也不例外，也需要結合著創(chuàng)新新產品結構，根據行業(yè)內的使用狀況，用以設計不同種類的機械手來滿足各行各業(yè)的需求，這也是未來機械手研發(fā)前進的一個方向。同時，為了提高產品的競爭力，滿足各行業(yè)的需求，只有不斷改進、不斷創(chuàng)新才能永不落后，市場才不會出現(xiàn)飽和的情況，整個機械手行業(yè)才能保持活力，生機勃勃。綜上以上幾個方面，機械手的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:一、確保國內機器手企業(yè)間保持良性的競爭。以免大批量的相同的機器手項目涌入市場中，進行惡性競爭，浪費大量的研發(fā)資金和發(fā)展周期。二、加大對機械手的改進，不斷創(chuàng)新，與現(xiàn)有工業(yè)產品共同邁步前進，滿足供方市場需求，向多功能化、智能化的方向前進，只要能為企業(yè)帶來經濟效益，那么后續(xù)的引入到市場將勢在必行，這也將成為后續(xù)的一種趨勢。第二章夾持機械手計方案設定2.1機械設計的步驟介紹機械設計是一個耗費時間較長，任務較為繁雜的一個設計過程，要想做好設計，成功的完成此次機械設計，需要有一個詳細的計劃，現(xiàn)我們先按以下步驟類一個大綱，具體如下：1：解讀設計任務書的要求，將此次任務書的要求羅列出來，明確自己需要達到的目標，其次將任務書中所給的條件羅列清楚，對其中所需要使用的設備以及所設計的零件列一個需求計劃表，做好可行性分析；2：整體方案的設計，圍繞著任務書的目標，列出其核心任務，及其設計的功能目標。最后圍繞上述目標做出一個初步的方案設計，初步方案中需包含到功能的實現(xiàn)，結構的設計以及元器件的選型。一般來說，為了保證設計的可靠性，一般會設計2-3個方案來保證實施的可行性，再根據成本、周期以及投入等幾個方面來確定最終方案。3：技術設計，根據前期定好的方案，結合自身所學，開始相應的設計，開始選型設備并進行相應的結構設計，通過三維以及二維軟件對設計進行模擬，確定具體設計后整理相應的三維并制作出相應的二維裝配圖紙。4：施工設計，在技術設計的基礎上，將整體設計拆分為標準件以及非標件，對其中的非標件給出相應的加工工藝并給出具體的技術要求，最后匯總成一整套的加工資料后對整體產品進行施工制作。5：改進設計，是在設計匯總的基礎上按設計匯總進行打樣以及裝配，看其是否達到了方案設計的要求，對其不合理之處進行二次改進，用以滿足最終的需求。6：工藝設計，工藝設計的主要目的是結合現(xiàn)有設備，根據產品的設計的方案配備相應的生產條件，并針對其具體零件的生產以及裝配做出指導性的生產文件，用以滿足后續(xù)批量生產。7：定型設計，在對產品進行檢測后，確認其滿足方案以及生產要求后，將對其所有的產品設計以及設備、文件等進行鎖定。無特殊情況，后續(xù)將按現(xiàn)有狀態(tài)進行生產。2.2常見的機械手樣式介紹機械手的類型實際上非常的多，甚至可以說是五花八門，這么多種類的機械手，采用哪種類型能滿足上下料機械手的要求，我們進行一一的分析。搬運機械手它的結構基本上是龍門式結構，龍門式結構的機械手它的體積一般是比較大的，但在工業(yè)生產企業(yè)當中，如果使用這種類型的機械手的話，它是不能滿足我們的要求的，因為它并不符合對機械手要求結構小巧緊湊的特點。還有一種類型的機械手是坐標式的機械手，這種機械手跟龍門式機械手比較像，但是它的結構比龍門式機械手要小很多，它的自由度比較低，一般是三自由度，這就讓機械手的整體動作是顯得十分的僵硬，并不能夠靈活的完成多自由度的工作，因此在工業(yè)生產當中它的實用性也不大，所以要盡可能采用自由度比較多的機械手第一種為關節(jié)式機械手，是以人或者動物的關節(jié)作為靈感來設計的，它可以實現(xiàn)由單一角度、多個角度以及任意角度的運動，目前該類機械手已經在大多企業(yè)中進行應用，且后續(xù)應用將會愈加廣泛。第二種為圓柱式坐標機械手，其較第一種機械手來說，它的占地空間相對較小，且其工作范圍更廣，憑借這幾點它在市場上的占比更多，且目前各行業(yè)應用十分廣泛。目前多應用于制造行業(yè)產品的搬運以及成本制件測量等方面。第三種是直角式坐標機械手，它比較適合于現(xiàn)行業(yè)中流水線上成排成列，或者配合傳送的等功能上的應用，這類機械手一共有X軸、Y軸、Z軸三個軸，它可以根據功能的需要在單獨在每個軸的方向中進行運動，也可以根據需要三個軸同時運動。目前這類機械手多用于各企業(yè)的流水線上，用于成排成列的生產，對產品進行周轉。2.3夾持式機械手方案的設計根據此次所下達的任務書的要求，并結合自身所學，我此次畢業(yè)設計所設計的夾持機械手的方案設計圖如圖2-1所示：圖2-1我將此次的畢業(yè)設計分解為三個部分來進行設計，第一，根據設計任務書該機械手擁有三個自由度；第二，對其機械手的旋轉部分進行選型設計；第三，主要是對其升降部分進行設計；最后，是對其伸縮部分的一個設計描述；關于旋轉部分的設計為：通過伺服電機帶動5轉動軸旋轉，從而使得整個機械手得以旋轉。首先，我們將伺服電機通過鍵連接與小齒輪鏈接在一起，再將一個大齒輪與小齒輪進行嚙合，再將傳動軸通過鍵連接與大齒輪相連，再通過傳動軸安裝在圓錐滾子軸承上面，采用圓螺母將其鎖緊，達到旋轉效果。關于升降部分的設計為：首先，我們準備一個帶有絲桿螺母的絲桿，通過聯(lián)軸器將伺服電機與絲桿連接在一起，并在絲桿螺母上通過螺釘裝有一個絲桿螺母座，將連接板裝在螺母座上，并將滑塊與連接板的兩端相連，最后通過將滑塊放置在直線導軌上。當伺服電機進行正反旋工作時就可以帶動絲桿的旋轉，最終帶動整個連接板上下移動。關于伸縮部分的設計為：主要原理是通過伸縮油缸來實現(xiàn)整體機械手的運動，我們將導向裝置和一個伸縮油缸安裝在連接盤上面，再將伸縮油缸的前部鏈接一個連接盤2，從而通過控制伸縮油缸的移動來實現(xiàn)機械手的運動。本次設計的機械手結構參數具體如下：1、該機械手的臂力要求為10公斤；2、其機械手的前后行程為600mm(速度1000mm/s)；3、其機械手的最大旋轉角度為240°(角速度90*/s)；4、其機械手的上下移動行程為150mm(速度500mm/s)；5、其機械手小臂的移動行程為300mm(速度1000mm/s)

；6、其機械手小臂的最大旋轉轉動角度為180°(角速度150*/s)；7、其機械手臂的最大的工作半徑為1460mm；2.4夾持式機械手主要結構設計主動齒輪的設計主要如下所示：①材質：40Cr；②技術參數：齒數為75，模數為3，壓力角為20°，齒厚為45mm，其中間孔D為φ22H7，孔內鍵槽寬度為6mm,四周開有4-φ60減重孔；③二次處理：通過調質處理，然后滲碳；④技術要求：其滲碳層深度要求在0.3-0.5mm，其齒輪徑向跳動小于0.08mm，端面跳動小于0.1mm。從動齒輪的設計如下所示：①材質：40Cr；②技術參數：齒數為150，模數為3，壓力角為20°，齒厚為50mm，其中間孔D為φ75H7，孔內鍵槽共計2個，寬度為16mm,四周開有4-φ90減重孔；③二次處理：通過調質處理，然后滲碳；④技術要求：其滲碳層深度要求在0.3-0.5mm，其齒輪徑向跳動小于0.08mm，端面跳動小于0.1mm。絲桿螺母座的設計如下所示：①材質：45鋼；②技術參數：其尺寸為：φ100mm×60mm,中心孔的尺寸為φ40G7,底面需做磨平處理，中心孔距底面尺寸41±0.02mm，與絲桿螺母配合的螺紋孔為6-M6,與連接板的配合的螺紋孔為4-M8；③二次處理：通過調質處理，且其熱處理后硬度需達到HRC40°-45°；連接座的設計如下所示：①材質：HT200；②技術參數：其尺寸為：90mm×90mm×150mm,與平面軸承安裝套配合螺紋孔直徑尺寸為5-M8,其中間設計有與滑套配合的M40內螺紋。滑套的設計如下所示：①材質：45鋼；②技術參數：其尺寸為：φ40mm×80mm,外螺紋大小為M40，整體長度為50，內螺紋大小為M24,長度為30mm，通孔大小為φ27。③二次處理：進行調質處理；夾緊轉軸的設計如下所示：①材質：45鋼；②技術參數：零件尺寸為φ24×190mm,其頭部兩端有正反螺紋，大小為M24,長度為20mm，并在尾部設計φ6通孔，用于連接聯(lián)軸器；③二次處理：進行調質處理，且其熱處理后硬度需達到HRC35°-40°；傳動軸的設計如下所示：①材質：45鋼；②技術參數：零件尺寸為φ25×50mm,其頭部設計有螺紋，用于連接回轉油缸，尾部有φ6通孔，用于連接聯(lián)軸器；③二次處理：進行調質處理，且其熱處理后硬度需達到HRC35°-40°；

第三章夾持機械手部分零部件設計與計算3.1電機的的選擇因其以底部電機需要達到如下條件：①可以隨時正反轉；②可以進行調速；基于以上兩種條件，我們將底部電機類型選擇伺服電機。已知腰座連接板可進行360°旋轉,且其腰座連接板的直徑d為410mm,且其設計轉動一圈的時間t為2s,通過其底座的外徑的線速度來計算所消耗的最大功率，其可求得每圈的路程為s：S=π*d=3.14*0.41=1.29m則平均速度為V=S/t=1.29m/2s=0.645m/s通過設計階段的三維軟件進行測算，其機械手上部的重量T為200kg左右，由此可計算出重量F=T*g=200*9.8=1960N假設將其運動視為勻速運動，則計算出整個裝置消耗的功率為P則：P=F*V=1960N*0.645m/s=1264W≈1.26KW最大轉速QUOTEωs=180°s,QUOTEns=1450rmin。根據整體設計，其轉動重心距離轉軸約等于800mm,其轉動有效重量QUOTE35kg左右。根據扭矩公式可以得出：QUOTET=35?g?L=35×9.8×800=266000N?mm=266N.m伺服電機通過兩對深溝球軸承、中心軸的來驅動整個底座的轉動，電機轉矩為QUOTET電機Tη=此處ηTT考慮功率損耗，以及上述計算數據，我們選擇了安川伺服電機，其電機型號為：SGMGH-20A該電機的額定功率為：2Kw，額定轉速為：1500r/min；設其底座的轉速為n，可得出n=60/t=60/2=30r/min因其為減速齒輪設計，其傳動比為i=2，則可得出電機的轉速n2：n2=n1*i=30*2=60r/min以此可得出此時的扭矩為T1由扭矩計算公式：T1=9550*因伺服電機的轉速不同,其功率會發(fā)生變化,通過資料查詢，安川伺服電機在60r/min時額定功率大約為1.2kwT1=9550*=9550*=191N?m＞188.4N?m最終得出該伺服電機滿足設計要求。同上計算，我們選取的升降伺服電機的型號為SGMGH-15A；其伺服電機的額定功率為：1.5Kw，額定轉速為：3000r/min將電機處的扭矩設為T2=9950*p/n=9550*1/3000=3.18N*m；其安川伺服電機的實物圖片如圖4-1所示：圖4-13.2聯(lián)軸器的選型設計與計算聯(lián)軸器的主要作用為對其鏈接的兩根軸進行扭矩傳輸。其次，在某些情況下也可看作一種過載保護裝置，它可以保證其所連接的軸在運動過程中不會脫離。另外，在出現(xiàn)設計誤差時，它還可以起到部分誤差補償的作用。其按功能可分為剛性聯(lián)手器和柔性聯(lián)軸器。大多數聯(lián)軸器分為兩個部分，多采用平鍵連接或者用螺釘鎖緊。此次設計選用的為HL系列聯(lián)軸器，具體的參數請見圖4-2。聯(lián)軸器在此次設計中主要為伺服電機與絲桿進行鏈接。此次我們將升降伺服電機作為研究對象，此伺服電機軸徑為22mm,絲桿軸的軸徑為15mm，聯(lián)軸器型號選擇：HLI40-15-22，其額定扭矩15.5N.m,最大扭矩33N.m，15.5N.m＞3.18N*m因其額定扭矩大于電機的額定扭矩，符合設計要求。聯(lián)軸器選用如圖4-2所示：圖4-23.3傳動絲桿設計選型與強度校核傳動絲桿在精密機械設備的設計中很常見，它的特點體現(xiàn)為精度高、效率高等特點。將機械手上下看作勻速直線運動，設其行程為1mm，升降單面的時間為3s,可求出速度V=s/v=1m/3s=0.33m/s所選絲桿的導程P為5mm,其型號為SFU2510-4，根據等式V*t=p*n；v:工件上升速度由參數表可知V=0.33m/st:單位時間取1minn:絲桿轉速0.33*60=0.01*nn=1980r/min絲桿設計可類比軸類設計，其絲桿最小直徑的校核如下：幾種常用軸材料的τp及A值絲桿的材質一般為40Cr,且是實心軸，根據扭轉輕度的公式：d=17.2其中T代表扭矩其中c為常數（c=97-112）取c=112已知P=1.5kw,n=1980r/min絲桿的扭矩為：T=9550*P/n=9550*1.5/1980=7.23N*Md=Cd≥10.21這里選擇的絲桿直徑為25mm，直徑大小選取合理根據軸類校核公式：d=17.2d=17.2可得：τp=代入上式可得：τp=7.23τp=2.355遠遠小于35，該絲桿軸徑大小選型合理。選取絲桿的公稱直徑徑為：D=25mm，導程P=10mm總長：1396螺旋方式：右旋滾珠直徑：4.762mm絲桿軸的剛性Ks計算：由公式：Ks=式中：E楊氏模量2.06×105N/mm2d螺桿軸溝槽直徑d=25-4.762=20.238L安裝間距1300mm代入上式：Ks=KS=25.47＜33查圖4-3該絲桿的表可得：該絲桿的KS為33圖4-3該絲桿選型設計合理圖4-3為上銀絲桿實物圖片圖4-43.4直線導軌的選型設計與壽命計算因直線導軌的摩擦系數很小，其在現(xiàn)有機械設備中非常常見，且目前大多數的設備應用負載較低。1.類型選擇

目前國內市場導軌種類較雜較多，尚未形成行業(yè)標準化。根據性價比，參照市場我們將選用臺灣上銀直線導軌。2.精度選擇

圖4-5直線導軌的精度示意圖我們可以查閱PMI手冊，根據不同精度等級對應的容許誤差值進行選擇，可參照數控機床等級進行參考。如下表2所示。表2直線導軌精度等級適用數控機床類型參考機床類型機床坐標精度等級

機床類型機床坐標精度等級數控鏜銑床X/Y/ZSP/P/P數控磨床X/Y/ZSP/P/P電火花機床X/Y/ZSP/P/H數控車床X/ZP/P&H/H數控雕刻機X/Y/ZH/H/H&N/N/N普通機床X/Y/ZH/H/H&N/N/N數控十字臺X/YP/H線切割X/YP/P&H/H3.滑塊載荷計算

按設備工作臺我們這里選用4個滑塊來承載水平運動，其運動載荷受力情況如下圖所示。圖4-6滑塊工作臺水平運動載荷受力圖圖4-6設滑塊總承重為F1，已知整個機械臂的重量約為100kg左右，F(xiàn)=100*9.8=980N根據現(xiàn)有實際情況，設直線滑軌工作時間為16h,其滑軌行程為1000mm，其導軌按每分鐘往返3次，其滑塊壽命為10年。則可計算出每個滑塊的承重為：F1=980/4=245N已知滑塊壽命計算公式如下：L=(f已知壽命L單位km硬度系數fH溫度系數fT負荷系數fwC基本動額定負載P工作負荷N這里我們初選上銀直線導軌HGH-35CA-R1500該導軌的寬度為34mm,長度為1500mm圖4-7（1）硬度系數fH查詢資料可知直線導軌的滾動面硬度為HRC58～64，否則會降低其承重能力，故以額定動、靜負荷分別乘以硬度系數fH，目前上銀直線導軌硬度符合要求，為HRC58以上，故此fH=1.0。

圖4硬度系數fH（2）溫度系數fT直線導軌當其環(huán)境溫度高于100℃時會影響其使用壽命，此時基本額定動、靜負荷分別乘以相對的溫度系數fT。PMI直線導軌部份的配件為塑料制品，環(huán)境溫度不能高于100℃。故此fH=1.0。⑶負荷系數fw因直線導軌導軌使用中會受到一定的沖擊及振動，考慮到不同的運轉條件與使用速度，根據經驗得到負荷系數除以基本額定動負荷C。經驗取值如表4所示。故取fw=1.2沖擊及振動速度振動的測量值(G)fW沒有外部沖擊及振動低速時：V￡15m/min相當G值￡0.51.0～1.5沒有特別明顯的沖擊及振動中速時：15<V￡60m/min0.5<G￡1.01.5～2.0有外部沖擊及振動高速時：V>60m/min1.0<G￡202.0～3.5由圖4-10可知：C=49.52KNL=(fL=(1L=23892.96km已知每天滑軌工作16h,滑軌行程為1000mm，上銀導軌平均小時的往返次數為3次，每天工作則滑塊每天行走的公里數為：s=1m*3*2*16*60=5.76Km則每年行走的公里數為S1=5.76*365=2102.4Km總共壽命為n年，n=23892.96/2102.4=11.36年＞10年該直線導軌選型合理。3.5傳動齒輪的設計3.5.1傳動齒輪的設計及其強度校核此處設計的減速器采用兩個外齒輪相互嚙合，其小齒輪的齒數為Z1為75，傳動比為i為2,則大齒輪Z2=z1*i=75*2=150已知小齒輪的轉速為60r/min,大齒輪的轉速為30r/min由于伺服電機的特性，已知這里伺服電機在60r/min的功率為：1.2KW因齒輪材料為40Cr,，其齒面硬度為217-286HSB，相應的疲勞強度取均值，σHlim1=300Mpa,σFE1=350Mpa(查教材)，大齒輪用40Cr調質，齒面硬度為197-286HSB，σHlim2=400Mpa,σFE2=550Mpa(查教材)。由(查教材)，取SH=1.25，SF=1，則[σH1]=σHlim1/SH=240Mpa[σH2]=σHlim2/SH=320Mpa[σF1]=σFE1/SF=350Mpa[σF2]=σFE2/SF=550Mpa按齒根彎曲疲勞強度強度設計設齒輪按9級精度制造。取載荷系數K=1.5(查教材)，齒寬系數Φd=0.8(查教材),主軸上的轉矩為由扭矩公式：T=9550*p為輸入功率（功率以滿載計算），n為輸入轉速,以大齒輪為研究對象，已知p=1.2KW,n=30r/minT=9550*=382N.M取ZE=118.9√Mpa(查教材)，u=i=2M這里大齒輪轉速較低，所以我們帶入大齒輪的YFa2,Ysa2查表可得：；k=1.5Φd=0.8ZH=2.43σH=560Mpa，cosβ=1帶入公式：MMn≥1.22考慮到小齒輪強度實際運用的情況，我們這里選擇標準模數Mn=3根據彎曲強度校核公式：σF1=2*K*T1*Y帶入已知參數：σF1=2*1.5*382*1000*2.82*1.560.8*33*752QUOTE該齒輪強度設計合理同理可計算出大齒輪符合設計要求。3.5.2傳動齒輪的幾何參數計算已知Z1=75.Z2=150，齒頂高系數ha*=1，頂系系數c*=0.25，模數m=3取Z1齒厚T=45，取Z2=50分度圓直徑dd1=m*z1=3*75=225d2=m*z2=5*150=450齒頂高haha=ha*mha1=ha2=ha*1*m=1*3=3齒根高hfhf=（ha*+c*）*mhf1=hf2=（ha*+c*）*m=(1+0.25)*3=3.75齒高hh=ha+hfh1=h2=ha1+hf1=3+3.75=6.75齒頂圓直徑dada1=d1+2ha1=225+3*2=231da2=d2+2ha2=450+3*2=456齒根圓直徑dfdf1=d1-2hf=225-2×3.75=217.5df2=d2-2hf=450-7.5=442.5中心距aa=(225+450)/2=675/2=337.53.6液壓油缸的選型設計3.6.1液壓油缸缸筒內徑大小與壁厚的計算根據設計降油缸所承重約為110kg,F=110*9.8=1078N,液壓缸的機械效率:90%，設該液壓缸的工作壓力p=2MPa，液壓缸內徑D由以下公式計算：由公式D=將數值帶入上述公式D=解得D=27.62m。根據機械設計手冊第五章液壓設計部分可得出表4-1：表4-181012162025324050638090100110125140160180200220250280320360400450500考慮到強度，由以上的數據表格可知,我們該液壓缸選擇內徑為40mm缸筒壁厚計算。3.6.2液壓油缸活塞桿大小的計算液壓油缸活塞桿可根據其要求受力來進行選擇，當用作壓力時，其直徑d為0.5~0.7D根據液壓設計手冊，當其許用壓力＞5Mpa時其直徑為d=0.6D因此處受力比較大，故取：d=0.6*40=24取d=25因為實際使用壓力為2Mpa，所以根據下表，d=25mm，可滿足使用。表4-2活塞桿直徑系列4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003.6.3液壓油缸缸筒壁厚的校核由于我們設計的液壓缸內徑D=40mm，外徑D1=50mm,則根據公式/D=5/40=0.125＜0.25，可按照第一強度理論，即按照薄壁圓筒中經理論計算，則有式中=缸筒壁厚D=缸筒直徑=缸筒實驗壓力液壓缸的額定壓力≤16Mpa的時候，=1.5，額定壓力＞16Mpa的時候，=1.25=材料許用應力，為材料抗拉強度，n為安全系數，n=3.5-5，這里n取4，選用45鋼，并且調制HB245-265，查手冊得知，45鋼抗拉強度=530-598Mpa，取=560Mpa，故==140Mpa由于缸體工作壓力P=2Mpa≤16Mpa取=1.5=3Mpa所以=3*502*140=0.54，這里我們活塞缸厚度為5mm,5>0.54，所以該液壓缸缸體厚度足夠?；钊麠U連接處強度校核3.6.4活塞桿的強度校核按照強度條件校核由公式