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搬運機(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計及運動仿真 1緒論 1.1工業(yè)機(jī)器人簡介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械偶人。 到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機(jī)器人[1]由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 1.2機(jī)械手的組成和分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由手部、運動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。 1.2.2機(jī)械手的分類 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人 1.3世界機(jī)器人的發(fā)展 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 （2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （5）．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 （6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.4我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)器人；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.5我要設(shè)計的機(jī)械手 本課題涉及的機(jī)械手屬于仿生靈巧手，可完成一個繞豎軸的旋轉(zhuǎn)、一個橫軸方向的移動、一個豎軸方向的移動、一個手爪的抓取和放開動作。其相關(guān)參數(shù)如下： ①旋轉(zhuǎn)動作。旋轉(zhuǎn)角度范圍為270°； ②豎軸移動。豎軸移動范圍0-750mm； ③橫軸移動。橫軸移動范圍0-750mm； ④末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)。氣動的手爪，能實現(xiàn)對工件的夾緊和放松，能抓起2kg的重物。 2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動作過程 2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖2.1所示，有氣控機(jī)械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。 其運動控制方式為：三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，(1)氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2) 機(jī)械手手臂的左右運動（左右方向）由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠組件完成，上下運動(垂直方向)由升降步進(jìn)電機(jī)控制；(3) 逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)運動可由回旋360°的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能帶動機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動部分由直流電動機(jī)、光電編碼器、接近開關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；(5) 機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制壓驅(qū)動，并由電磁閥控制(充氣時機(jī)械手抓緊，放氣時機(jī)械手松開)。機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關(guān)，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關(guān)。如圖2.2所示。 2.2機(jī)械手的動作過程 其工作過程為：當(dāng)貨物到達(dá)時，機(jī)械手系統(tǒng)開始動作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動縱軸上升，另一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫軸開始向前走；轉(zhuǎn)盤直流電機(jī)轉(zhuǎn)動使機(jī)械手整體運動，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動縱軸下降，到達(dá)指定位置后氣閥放氣，機(jī)械手松開貨物；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動作。 圖2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu) 2.3機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。下圖是機(jī)械手搬運物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。 在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機(jī)械手具有3個自由度既：手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個主要運動。 圖2.2 機(jī)械手動作過程 3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.1概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用連桿推槽式。如圖3.1 3.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 ②手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。 ④應(yīng)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 ⑤應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。 圖3.1 機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu) 3.3驅(qū)動力的計算 其工件重量G=2kg， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (3-1) (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: (3-2) 所以 (3)實際驅(qū)動力: 式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2 K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。 取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N。 3.4銷軸的選擇與校核 銷軸的材料為45鋼，許用切應(yīng)力=80MPa，許用擠壓應(yīng)力=120MPa，選取銷軸的型號為GB/T 882 870 銷軸的抗剪強度公式： (3-3) 銷軸的抗壓強度公式： (3-4) 抗剪強度=10.7MPa 抗壓強度=1.3MPa ，因此銷軸合適。 4氣缸的設(shè)計 4.1氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (4-1) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: (4-2) (4-3) Gf = (4-4) 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預(yù)壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關(guān)手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足實際設(shè)計要求。 4.2缸筒壁厚的設(shè)計 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算: (4-5) 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 5齒輪的設(shè)計 齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞的功率可達(dá)近十萬千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s，直徑能做到10m以上，單級傳動比可達(dá)8或更大，因此在機(jī)器中應(yīng)用廣泛。 和其他機(jī)械傳動相比，齒輪傳動的主要優(yōu)點是：工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍廣等。主要缺點是：齒輪制造需要專用機(jī)床和設(shè)備，成本較高；精度較低時，振動和噪聲較大；不適用于軸間距離較大的傳動等。 齒輪傳動應(yīng)滿足兩項基本要求：1）傳動平穩(wěn)—要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、噪聲和振動；2）承載能力高—要求在尺寸小、重量輕的前提下，齒輪的強度高、耐磨性號，在預(yù)定的使用期限內(nèi)不出現(xiàn)斷齒等失效現(xiàn)象。在齒輪設(shè)計、生產(chǎn)和科研中，有關(guān)齒廓曲線、齒輪強度、制造精度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞這兩個基本要求進(jìn)行的。4.1齒輪傳動的設(shè)計計算內(nèi)容 齒輪傳動的設(shè)計計算主要有選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)等。 1）齒輪類型 由于齒輪傳動是為帶動機(jī)械手的轉(zhuǎn)動，傳遞的扭矩不太大，故可采用直齒圓柱齒輪傳遞動力。 2）精度選擇 齒輪精度等級的選擇是根據(jù)傳動的用途、使用條件、傳動功率、圓周速度等決定的。機(jī)械手的轉(zhuǎn)動速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。 3）材料選擇 齒輪材料的選擇應(yīng)具備下列條件：1）齒面具有足夠的強度，以獲得較高的抗點蝕抗磨粒磨損抗膠合和抗塑性流動的能力；2)在變載荷下有足夠的彎曲疲勞強度；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4）價格較低。最常用的材料是鋼，鋼的品種很多，且可通過各種熱處理方式獲得適合工作要求的綜合性能。 4）傳動尺寸無嚴(yán)格限制，批量較小，故小齒輪材料用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為260HB，大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為240HB。 5）齒數(shù)選擇 選小齒輪齒數(shù)z1 =20，大齒輪齒數(shù)z2 =i×z1 =5×20=100。 5.2齒面接觸疲勞強度計算 5.2.1初步計算 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 =20kg.cm=1960 齒寬系數(shù) 查表可得 =1.0 齒寬b 和小齒輪分度直徑的比值稱為齒寬系數(shù)（）為便于裝配和調(diào)整，根據(jù)和求出齒寬b后在將小齒輪寬度加大5mm10mm，但計算時按大齒輪寬度計算。 接觸疲勞極限 由圖可得σHlim1=710Mpa，σHlim2=580MPa 初步計算的許用 接觸應(yīng)力 值 由表可得，取=90 初步計算小齒輪 直徑 (5-1) 取=20mm 初步齒寬 120=20mm 5.2.2校核計算 圓周速度 (5-2) 精度等級 由表12.6，選8級精度 齒數(shù)z和模數(shù)m 初取齒數(shù)=20 z2 =i·z1 =5×20=100 則選取z1 =20，z2 =100 使用系數(shù) 由表10-2查得使用系數(shù)KA=1.5； 動載系數(shù) 根據(jù)υ=0.489m/s，8級精度，由圖10-8查得動載荷系數(shù)KV=1.2； 齒間載荷分配系數(shù) 由此得= 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù)K 　 (5-3) 彈性系數(shù) 由表12.12，鋼的彈性系數(shù)=189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖12.16，取=2.5 接觸最小安全系數(shù) 由表12.14，取=1.05 總工作時間 預(yù)期使用年限十年，每年300個工作日，單班制，在使用年限內(nèi)，工作時間占20%。故總工作時間為 =10=4800h 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （5-4） 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18，=1.22 =1.35 許用接觸應(yīng)力 （5-5） 驗算 計算結(jié)果表明，接觸疲勞強度較為適合，齒輪尺寸無需調(diào)整，否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗算。 5.2.3確定主要傳動尺寸 分度圓直徑d 模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時，齒輪齒數(shù)確定，且與初選齒數(shù)相同，無需進(jìn)行調(diào)整，故分度圓直徑不會改變，即 中心距 齒寬 取=25mm ， =20mm 6滾珠絲杠螺母副的設(shè)計 6.1滾珠絲杠特點 滾珠絲桿是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行性的直線運動的運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，如下圖所示，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。在數(shù)控機(jī)床的傳動中，經(jīng)常用于代替滑動絲杠，以提高傳動精度。 在設(shè)計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎(chǔ)上，即滾珠絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載。 滾珠絲杠計算的內(nèi)容包括型號選擇，穩(wěn)定性校核，極限速度校核，精度計算，剛度與變形計算等。 絲杠螺母副的特點： 1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。 2）可達(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡化，傳動鏈的以縮短。 3）能達(dá)到較高的傳動精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。 4）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/3~1/4。 5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 6）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關(guān)，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動精度高。 7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以由直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。 8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。 9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。 在設(shè)計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載。 6.2滾珠絲杠型號的選擇 根據(jù)使用要求和結(jié)構(gòu)要求，選定滾珠絲杠的型號為WCM1604-2.5，這是一種微型外循環(huán)插管式、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副，精度等級選3級，其主要參數(shù)有： 公稱直徑， 導(dǎo)程=4mm， 鋼球直徑=2.381mm， 絲杠外經(jīng)d=15.7mm, 螺紋底徑=13mm， 循環(huán)圈數(shù)2.51， 額定動載荷=4763N， 額定靜載荷=10011N， 接觸剛度R=221N/。 6.3滾珠絲杠的支承和支承方式 滾珠絲杠的支承和支承方式將影響絲杠副的剛度，因此，對運動精度要求高時應(yīng)審慎地加以選擇。絲杠一端安裝兩個深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐滾子軸承的稱為固定支承；安裝一個深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐軸承的稱鉸支承；螺母相當(dāng)于固定支承。 滾珠絲桿的支撐方式有三種，一是一端固定，另一端自由方式；通常用于段絲杠和豎直絲杠。二是一端固定，一端簡支承方式，常用于較長的臥式安裝絲杠。三是兩端固定，用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速，要求高拉壓剛度的場合。這種支承方式可以通過擰緊螺母來調(diào)整絲杠的預(yù)拉伸量。本文橫向絲杠采用第三種方式，即兩端固定的支承方式。因其所承受的軸向載荷不是很大，故可采用深溝球軸承的支撐方式。豎向的絲杠可采用一端固定，一端自由的方式。 6.4滾珠絲杠剛度驗算 滾珠絲杠是一種精密的傳動元件，它在工作負(fù)載P的作用下，將伸長或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗算其滿載時的變形量。 滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個螺距t的變化量,可按下式計算： (cm) (6-1) 其中：P—工作負(fù)載； t—滾珠絲杠螺距； E—彈性模量，對鋼而言（E=）； F—滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； 滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個螺距t的變化量，可以按下式計算： (cm) (6-2) 其中—摩擦角，即在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角； 其中，M—扭矩（）, (6-3) 式中 —傳動效率，4級及4級以上精度取0.9，以下取0.85 G—扭轉(zhuǎn)彈性；對鋼而言，G= —滾珠絲杠截面積的極慣性矩 （其中—滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm） =16.6 = = cm（可忽略不計） 已知滾珠絲杠的長度為40cm,則整個工作長度上的螺距變形總誤差： △=40/0.4=4.1×cm/m 查表得對E級絲杠，允許誤差△=15um/m，故該滾珠絲杠滿足要求。 6.5穩(wěn)定性驗算 機(jī)械手搬運系統(tǒng)上的滾珠絲杠是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)械手搬運系統(tǒng)上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負(fù)載，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計算 （N） (6-4) E—絲杠材料的彈性模量，對鋼而言E=； J—截面慣性矩，對實心圓桿而言，； l—絲杠的工作長度，l=40cm； u—絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計是兩端向心軸承，u=1 N 臨界負(fù)載與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。 >>[]=4 故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。 6.6滾珠絲桿的溫度變形計算 當(dāng)溫度變化大時，需計算絲杠全長的熱變形量 ?、基本導(dǎo)程修正量 δPh和熱變形力 (6-5) 式中α——材料線膨脹系數(shù)，鋼在 20~100℃時，α=12 ； l——兩軸承間絲杠的距離，（mm）； ?t——溫升（℃）； Ph——基本導(dǎo)程（mm）； E——彈性模量，取； A——絲杠小徑斷面積， ——絲杠螺紋底徑（mm）。 7電動機(jī)的選擇 機(jī)械手使用了四個電機(jī)，其一是帶動手臂的升降和左右移動運動；其二是帶動機(jī)身的回轉(zhuǎn)運動。其三是帶動手部的回轉(zhuǎn)運動 7.1帶動臂部升降和左右移動的電機(jī) 初選移動速度 V=100mm/s P=6KW 所以n=（100/6）×60=1000轉(zhuǎn)/分 選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動機(jī)。采用B級絕緣，外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表7-1 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 表7-1 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 電流A 轉(zhuǎn)速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 7.2帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī) 小齒輪傳動的功率和轉(zhuǎn)矩都較小，因此可由直流電機(jī)直接驅(qū)動，選擇直流電機(jī)的型號為37RG240，具體參數(shù)如下所示： 電壓： DC12V 額定轉(zhuǎn)速： 20r/min 輸出扭矩： 20kg.cm 1Nm=10.2kgcm 重量： 0.2kg 7.3帶動手部回轉(zhuǎn)的電機(jī) 選擇Y90L-6型籠型異步電動機(jī) 電動機(jī)采用B級絕緣。外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表7-2 Y90S-6電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 表7-2 Y90L-6電動機(jī)技術(shù) 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 電流A 轉(zhuǎn)速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y90S-4 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 致 謝 本文是在導(dǎo)師劉媛媛老師的指導(dǎo)下完成的，首先對老師能在百忙之中抽出時間給我們指導(dǎo)表示衷心的感謝！也感謝老師對我的關(guān)心與支持。 畢業(yè)設(shè)計這段時間，劉老師在學(xué)習(xí)和生活上都給了我極大的幫助，并幫我解決了很多學(xué)習(xí)和工作上的困難。沒有劉老師的幫助，我不可能順利的完成畢業(yè)設(shè)計。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度，廣博的實踐經(jīng)驗給我留下了深刻的印象，在此，我向劉老師表示崇高的敬意和衷心的感謝，并向所有關(guān)心我、指導(dǎo)我的老師們表示感謝。并在此一并感謝大學(xué)期間所有教育過我的老師，是你們的知識培養(yǎng)了我，豐富了我。同時也要感謝我所有的同學(xué)，我的畢業(yè)設(shè)計的完成也離不開你們無私的幫助。 同樣感謝與我一起做畢業(yè)設(shè)計的各位同學(xué)給我的關(guān)心和幫助！在這段時間內(nèi)，他們也讓我學(xué)到了不少東西。感謝所有關(guān)心和幫助過我的人們！ 參考文獻(xiàn) [1] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000:154~155. 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