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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?？梢哉f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
Abstract
Industrialmanipulatoriscomposedoftargetofmodernmechanicalbody,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 1
Abstract 2
目錄 3
第一章緒論 5
1.1機(jī)械手概念 5
1.2課題研究的背景和意義 6
1.3國內(nèi)外機(jī)械手的研究 7
1.4機(jī)械手的應(yīng)用 10
第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
2.1課題技術(shù)要求 12
2.2設(shè)計(jì)原理 12
第三章機(jī)架的設(shè)計(jì) 15
3.1機(jī)架的設(shè)計(jì)要求 15
3.2機(jī)架設(shè)計(jì)方案 16
3.3機(jī)架尺寸結(jié)構(gòu) 16
第四章電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器及直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 19
4.1電動(dòng)機(jī)的選型 19
4.2聯(lián)軸器設(shè)計(jì) 20
4.3直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 22
第五章傳動(dòng)設(shè)計(jì) 23
5.1 X軸方向 23
5.1.1 運(yùn)動(dòng)原理 23
5.1.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核 24
5.2 Y軸方向 27
5.2.1運(yùn)動(dòng)原理 27
5.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核 28
5.3 Z軸方向 30
5.3.1運(yùn)動(dòng)原理 30
5.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核 31
5.4 吸盤設(shè)計(jì) 33
參考文獻(xiàn) 34
第一章緒論
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?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。械手概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)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)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)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(zhǎng)時(shí)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)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。
生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
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。
機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
工業(yè)機(jī)械人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一部分。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的搬運(yùn)任務(wù)。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作，在長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響，只要跟據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常的高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。
（1）為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鋼造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中，推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。（2）由于機(jī)械手的動(dòng)作準(zhǔn)確，因?yàn)榭梢苑€(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可以避免人為的操作錯(cuò)誤。（3）機(jī)械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人得功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。（4）機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性，靈活性好，能較好的適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因?yàn)闄C(jī)械手動(dòng)作程序和運(yùn)動(dòng)位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能在中、小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。（5）采用機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。
本課題來源于金川集團(tuán)股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項(xiàng)目，本課題主要是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手將板材從一個(gè)堆垛上一塊塊移動(dòng)到另一個(gè)堆垛上。
1.3國內(nèi)外機(jī)械手的研究
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研13上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
圖1.1常見機(jī)械手
1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Uni
-maton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufac- turingsystem)和柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。
在現(xiàn)在工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計(jì)：美國偏重于毛坯的生產(chǎn)。日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對(duì)象還有所改變。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。
圖1.2碼垛機(jī)械手
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)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(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，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)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(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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9前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)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，6000m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(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)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。國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料。減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。。
國內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手，沒有“視覺”“觸覺”和反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機(jī)械手，使它能對(duì)所抓取的工件進(jìn)行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進(jìn)而精確地在機(jī)器中定位、定向。為使機(jī)械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和法、分辨形狀不同的零件，它有視覺傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工作。
1.4機(jī)械手的應(yīng)用
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?，F(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。國內(nèi)已建成的這類自動(dòng)線很多，如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)軸加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)齒輪廠的齒柸加工自動(dòng)線（盤類）等。簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣缸蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。
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。
圖1.3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。
第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本課題來源于金川集團(tuán)股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項(xiàng)目，本課題主要是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手將板材從一個(gè)堆垛上一塊塊移動(dòng)到另一個(gè)堆垛上。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
2.1課題技術(shù)要求
①需要移動(dòng)的板材尺寸：1000×1000mm；重量：≤60kg；
②機(jī)械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；
③時(shí)間要求：1分鐘移動(dòng)6塊以上的鎳板。
2.2設(shè)計(jì)原理
在鎳板生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)的需要，要求將一個(gè)堆垛上的板材一塊一塊地移位到另一個(gè)堆垛上，由于鎳板較薄（一般≤3mm），不適合采用夾持的方式，且由于多塊板材堆放在一起，采用夾持的方式也很難對(duì)板材進(jìn)行一塊塊分離，針對(duì)此問題，本課題擬設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)將板材從一個(gè)堆垛上一塊塊移動(dòng)到另一個(gè)堆垛上。
圖2.1能做三個(gè)方向自由移動(dòng)的機(jī)械手
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式.
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。
控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
為了實(shí)現(xiàn)上述機(jī)械手的工作要求，本課題采用吸盤的方式對(duì)堆垛上的板材進(jìn)行吸附，如何設(shè)計(jì)吸盤實(shí)現(xiàn)對(duì)需要移動(dòng)的板材進(jìn)行吸附，同時(shí)對(duì)吸附后的板材完成提升、移位和堆垛動(dòng)作是本課題需要完成的主要工作。
本機(jī)械手采用由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電力傳動(dòng)機(jī)械手相結(jié)合的方式，它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變，電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。
機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具只有升降、收縮，因此，采用直角座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，即X軸方向移動(dòng)、Y軸方向移動(dòng)、Z軸方向移動(dòng)，即左右上下前后。
主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，使用多個(gè)吸盤式手部完成對(duì)重物的吸附抓取。
機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程。手臂升降行程定為150mm。機(jī)械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；時(shí)間要求：1分鐘移動(dòng)6塊以上的鎳板。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5～±lmm。
圖2.2類似碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)樣例
第三章機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架零件往往是機(jī)器中最大的零件，在機(jī)器總重量中，一般情況下，機(jī)器零件占70%—90%。因此，設(shè)法減輕這類零件的重量具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。機(jī)架零件按構(gòu)造形式不同大體上可歸納成四類：1、機(jī)座類；2、板類；3、框架類。此外也有其他分類方法，如整體機(jī)架和部分機(jī)架、鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架、固定機(jī)架和移動(dòng)機(jī)架等。
3.1機(jī)架的設(shè)計(jì)要求
對(duì)于機(jī)架零件一般可提出下列基本要求：1、足夠的強(qiáng)度和剛度；2、形狀簡(jiǎn)單，便于制造；3、便于在機(jī)架上安裝附件等。對(duì)于帶有缸體、導(dǎo)軌等的機(jī)架零件，還應(yīng)有良好的耐磨性，以保證機(jī)器有足夠的使用壽命。高速機(jī)器的機(jī)架零件還應(yīng)滿足振動(dòng)穩(wěn)定性的要求。強(qiáng)度和剛度是評(píng)價(jià)機(jī)架零件工作能力的基本增長(zhǎng)準(zhǔn)則。
機(jī)架零件形狀比較復(fù)雜采用鑄件。鑄鐵的鑄造性能好、價(jià)廉、吸振能力較強(qiáng)，所以在機(jī)架零件中應(yīng)用最廣。受載情況嚴(yán)重的機(jī)架常用鑄鋼、如軋鋼機(jī)機(jī)架。要求質(zhì)量輕時(shí)可以采用輕合金，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體多用鋁合金鑄成。本設(shè)計(jì)選用鋼鐵作為機(jī)架材料。
機(jī)座是指設(shè)備的底架或部件，以便設(shè)備的使用或安裝附件。用鋼材焊接成機(jī)架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機(jī)架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機(jī)座約輕20%~50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡(jiǎn)單；焊接機(jī)架的缺點(diǎn)是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時(shí)成本較高。
機(jī)座材料的選擇簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)機(jī)座使用鋼，用鋼材焊接成機(jī)架。
鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機(jī)架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機(jī)座約輕20%~50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡(jiǎn)單；焊接機(jī)架的缺點(diǎn)是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時(shí)成本較高。
3.2機(jī)架設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)的機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用方形截面機(jī)座優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，箱體內(nèi)有較大的空間來安放其它部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場(chǎng)合。所以機(jī)座應(yīng)選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。
機(jī)座的鏈接剛度為提高結(jié)合表面的連接剛度，可采取如下措施：
（1）根據(jù)受力大小和方向，合理選擇緊固螺釘?shù)闹睆?、?shù)量及其位置。必要時(shí)，可使螺釘產(chǎn)生預(yù)緊力，來提高連接剛度。
（2）提高結(jié)合表面的光潔度和形狀精度，使結(jié)合表面上的接觸點(diǎn)增多，從而提高結(jié)合面的接觸剛度。
（3）增加局部剛度來提高連接剛度，在安裝螺釘處加厚凸緣；或用壁龕式螺釘孔；或用加強(qiáng)筋等辦法增加局部剛度，從而提高連接剛度。
圖3.1三維模型
3.3機(jī)架尺寸結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以便于制造和降低成本。一是因?yàn)檫@是直角坐標(biāo)，所以要保證驅(qū)動(dòng)器與連接板之間的重合度；還要保證驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)器之間的垂直度，而且在運(yùn)動(dòng)過程中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的極限位置是不能發(fā)生干涉的，另外它們和橫梁，機(jī)架，機(jī)座之間也不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。二是在控制方面，傳感裝置要有快速的檢測(cè)功能與急停功能，一個(gè)狀態(tài)到另外一個(gè)狀態(tài)的速度要快。三是連接部分的強(qiáng)度要高，不易松懈，還要承受的起它下部的所有重量。四是各個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的各個(gè)零部件之間的傳動(dòng)效率，安裝精度和配合誤差，旋轉(zhuǎn)精度都要適合于所有的靜連接（適當(dāng)?shù)拈g隙或過度配合）與動(dòng)連接（適當(dāng)?shù)倪^盈配合）；而且像工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)極限位置應(yīng)該不能與靜連接之間發(fā)生干涉；還有連接板與驅(qū)動(dòng)器的接觸面要有符合條件的表面粗糙度。五是橫梁要有足夠的剛度；機(jī)架要有足夠的抗彎強(qiáng)度與垂直度；機(jī)座要有適當(dāng)?shù)拇笮∫垣@得適當(dāng)?shù)闹匦?，不僅能滿足靜止時(shí)的平穩(wěn)更能滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)。
圖3.2二維模型主、俯視圖
圖3.3二維模型左視圖
1、 支腿強(qiáng)度校核
支腿長(zhǎng)度l=515cm,ix=8.62cm,λ=lix =5158.62 =59.74，λ×0.956=57.12，查表可知φ=0.745，則支腿最大承受壓力N=σ×A×φ=21.5×63.53×0.931= 1017.59KN，裝備靜載為2000KN，分布在16個(gè)支腿上，因此滿足強(qiáng)度要求，可以使用。
2、 斜撐強(qiáng)度校核
斜撐選用?89×4無縫鋼管，橫截面積A=10.68cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa,取安全系數(shù)為1.5，則σb=143MPa,σ=NA =518.19210.68 =24.26MPa<σb，滿足強(qiáng)度要求。
3、 橫撐強(qiáng)度校核
橫撐選用10#槽鋼，橫截面積為A=12.748cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa，取安全系數(shù)為1.5，則σb=143MPa，σ=NA =518.1912.748 =40.65MPa<σb，滿足強(qiáng)度要求。
第四章電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器及直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
4.1電動(dòng)機(jī)的選型
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。
本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實(shí)現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。
圖4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖型號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。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)速取決于輸入脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖型號(hào)，通過環(huán)行分配器按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組上。
步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率。
步進(jìn)電機(jī)的選用原則選擇步進(jìn)電機(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。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。
在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。
本設(shè)計(jì)的選用本設(shè)計(jì)選用東方電機(jī)PK26系列的3相步進(jìn)電機(jī)，3相PK系列為高轉(zhuǎn)矩·低振動(dòng)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。除了每轉(zhuǎn)200分割（1.8?/step）的標(biāo)準(zhǔn)型外，另外還備有每轉(zhuǎn)400分割的高分辨率型以及高轉(zhuǎn)矩、高分辨率的減速機(jī)型產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)本系列時(shí)需另購驅(qū)動(dòng)器。
本設(shè)計(jì)選用電機(jī)的基本參數(shù)名稱類型安裝尺寸軸型步距角勵(lì)磁最大靜止轉(zhuǎn)矩2相步高轉(zhuǎn)矩60mm單軸1.8度1.7N×m2A/相到2.2N×m0.75N×m額定電流保持轉(zhuǎn)矩進(jìn)電機(jī)。能夠使B轉(zhuǎn)動(dòng)起來的最小力矩為：Md=45*9,8*0.25=110.25（N*m） 忽略效率因素：電動(dòng)機(jī)需傳遞的最小轉(zhuǎn)矩T=110.25/40=2.76 (N*m) 由式：T=9550*P/n P=T*n/9550=2.76*1400/9550=0.40(KW) 選取標(biāo)準(zhǔn)系列：電機(jī)選擇0.75（Kw）交流異步電動(dòng)機(jī)
4.2聯(lián)軸器設(shè)計(jì)
聯(lián)軸器的選擇主要考慮所需傳遞軸轉(zhuǎn)速的高低、載荷的大小、被聯(lián)接兩部件的安裝精度等、回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、價(jià)格等，參考各類聯(lián)軸器的特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。
1) 所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減振功能的要求。
2)聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對(duì)于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。
3)兩軸相對(duì)位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對(duì)中，或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對(duì)位移時(shí)，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。
4)聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤滑的聯(lián)軸器此較可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對(duì)溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感，而且容易老化。
5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低的聯(lián)軸器。萬向聯(lián)軸器利用其機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，使兩軸不在同一軸線，存在軸線夾角的情況下能實(shí)現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。
本設(shè)計(jì)選用萬向聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。萬向聯(lián)軸器最大的特點(diǎn)是：其結(jié)構(gòu)有較大的角向補(bǔ)償能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高。不同結(jié)構(gòu)型式萬向聯(lián)軸器兩軸線夾角不相同，一般在5°-45°之間。
圖4.2萬向聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器適用于小力矩的軸聯(lián)接，如編碼器、步進(jìn)馬達(dá)等。彈性聯(lián)軸器通常由金屬圓棒線切割而成，常用的材質(zhì)有鋁合金、不銹鋼、工程塑料。彈性聯(lián)軸器運(yùn)用平行或螺旋切槽系統(tǒng)來適應(yīng)各種偏差和精確傳遞扭矩。彈性聯(lián)軸器通常具備良好的性能而且有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，在很多步進(jìn)、伺服系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，彈性聯(lián)軸器是首選的產(chǎn)品。一體成型的設(shè)計(jì)使彈性聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)了零間隙地傳遞扭矩和無須維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。
圖4.3三維設(shè)計(jì)中用到的萬向、彈性聯(lián)軸器
4.3直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌的作用導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動(dòng)部件能沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)向），并承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量和切削力（承載）。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方叫運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；不運(yùn)動(dòng)的一方叫支撐導(dǎo)軌。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支撐導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，通常是直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要求（1）導(dǎo)向精度高影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，裝配量。導(dǎo)軌及其支撐部件的剛度和熱變形，對(duì)靜壓導(dǎo)軌還有油膜的剛度等。（2）耐磨性能好主要是指使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度，應(yīng)該力求減少磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。因此可選用合適的耐磨涂料，潤滑方法和保護(hù)裝置，使導(dǎo)軌具有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。（3）足夠的剛度導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。（4）運(yùn)動(dòng)輕便和低速平穩(wěn)性簡(jiǎn)易小型直角坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì)要使導(dǎo)軌的阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)行時(shí)無爬行現(xiàn)象。（5）結(jié)構(gòu)工藝性好要加工和裝配方便，使用時(shí)便于調(diào)整和維修，成本低。
直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。在大陸稱直線導(dǎo)軌，臺(tái)灣一般稱線性導(dǎo)軌，線性滑軌。直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的作用是用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線軸承主要用在自動(dòng)化機(jī)械上比較多。
圖4.4三維設(shè)計(jì)中的直線導(dǎo)軌與實(shí)物對(duì)比
第五章傳動(dòng)設(shè)計(jì)
5.1 X軸方向
5.1.1 運(yùn)動(dòng)原理
該方向采用電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給從動(dòng)齒輪軸，從動(dòng)齒輪軸與萬向軸鏈接，將力矩傳遞給另一側(cè)的齒輪，齒輪與直線齒條嚙合，提供X方向前進(jìn)或者后退的動(dòng)力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿?dòng)。
圖5.1 X方向運(yùn)動(dòng)示意圖1
圖5.2 X方向運(yùn)動(dòng)示意圖2
圖5.2 X方向運(yùn)動(dòng)示意圖2
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式運(yùn)輸機(jī)的兩級(jí)減速器高速級(jí)的直齒圓柱齒輪傳動(dòng),傳遞的功率P1=5.5kW，小輪轉(zhuǎn)速n1=960r/min，齒數(shù)比u=4.45。
5.1.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核
① 選定材料、齒數(shù)、齒寬系數(shù)
由表10-7選擇常用的調(diào)質(zhì)鋼
小輪：45調(diào)質(zhì) HB1=210～230，
大輪：45正火 HB2=170～210，
取小輪齒數(shù)Z1=22，則大輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.45×22≈98，
對(duì)該兩級(jí)減速器，取fd=1。
②確定許用應(yīng)力：
許用接觸應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
式中 sHlim1=560MPa，sHlim2=520MPa（圖8-7（c）），
sFlim1=210MPa，sFlim2=200MPa（圖8-7（c））。
sFlim按圖8-26查取，應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，而最小安全系數(shù)sHlim=sFlim=1（表8-5），故
MPa
MPa
MPa
MPa
③ 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式
d1≥
計(jì)算小輪直徑。
載荷系數(shù)K=KAKVKβ
取KA=1（表8-2），KV=1.15，Kβ=1.09（表8-3），故
K=1×1.15×1.09=1.25
小輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=9.55×106p/n=9.55×106×5.5/960=54713.5Nmm
彈性變形系數(shù)ZE=189.8（表10-5）。
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。
將以上數(shù)據(jù)代入上式得
d1≥mm
④確定主要參數(shù)
求中心距a
a=(d1+d2)/2=d1(1+i/2)=51.86×(1+4.45)/2=141.32 mm
圓整后，取a=145mm，則d1的計(jì)算值變?yōu)?3.2mm。
計(jì)算模數(shù)
m=d1/z1=53.2/22=2.4mm
按表10-1取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2.5mm。
求z1、z2
總齒數(shù) zc=z1+z2=2a/m=2×145/2.5=116
若Zc不等于整數(shù)時(shí)，可改變模數(shù)值使之成為整數(shù)。因
zc=z1(1+i)
故 z1=zc/(1+i)=116/(1+4.45)=21.28
取z1=22（因最后d1必須大于接觸強(qiáng)度公式所求d值）。則
z2=zc-z1=116-22=94
實(shí)際 i=z2/z1=94/22=4.27
傳動(dòng)比的變動(dòng)量為
可用。
求小齒輪工作寬度
d1=z1m=22×2.5=55mm>51.86mm
計(jì)算齒輪的工作寬度
b=fdd=1×55=55mm
取b2=55mm，b1=60mm.
⑤ 校核彎曲強(qiáng)度
由式
，
分別驗(yàn)算兩輪齒根彎曲強(qiáng)度。
計(jì)算圓周力
N
齒形系數(shù)YFa、應(yīng)力修正系數(shù)Ysa
可由圖8-23、10-24查得，當(dāng)
z1=22，YFa1=2.78，Ysa1=1.61，
z2=94，YFa2=2.22，Ysa2=1.87，
則
MPa
MPa
⑥ 主要幾何尺寸
m=2.5mm，z1=22，z2=94，
d1=55mm，d2=z2m=94×2.5=235mm，
da1=m(z1+2)=2.5×(22+2)=60mm，
da2=m(z2+2)=2.5×(94+2)=240mm，
df1=m(z1-2.5)=2.5×(22-2.5)=48.75mm
df2=m(z2-2.5)=2.5×(94-2.5)=228.75mm
b=55，取b1=60mm，b2=55mm，
a=(d1+d2)/2=(55+235)/2=145mm
5.2 Y軸方向
5.2.1運(yùn)動(dòng)原理
該方向采用電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Y方向前進(jìn)或者后退的動(dòng)力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿?dòng)。
圖5.4 Y方向運(yùn)動(dòng)示意圖1
圖5.5 Y方向運(yùn)動(dòng)示意圖2
5.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn): (1) 齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時(shí)才與其 節(jié)圓相重合. (2) 齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角. 因此,齒條模數(shù)m=4，壓力角20=a
1.齒條斷面形狀選取圓形
選取齒數(shù)z＝60
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
齒頂高 ha=ham=1×4, ha=4 mm
齒根高 hf=( ha+ c)m， hf=（1+0.25）×4=5 mm
齒高 h=ha+hf =4+5， h=9 mm
最終確定齒條為650mm長(zhǎng)
2．確定許用彎曲應(yīng)力
sHlim1=710MPa，sHlim2=580MPa，
sFlim1=600MPa，sFlim2=450MPa，
安全系數(shù)取SHlim=1.1 SFlim=1.25
N1=60×1000×5×300×16=14.4×108
N2= N1/i=14.4×108/3=4.8×108
得：ZN1=0.975 ZN2=1.043
YN1=0.884 YN2=0.903
3．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）工作轉(zhuǎn)矩
（2）載荷系數(shù)
KA=1.5 KV=1.15 Kb=1.09
K= KAKV Kb=1×1.15×1.09=1.88
（3）計(jì)算齒面彎曲應(yīng)力
查的彈性變形系數(shù)：ZE=189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)： ZH=2.5。
則：
，取m=4mm
d1=mz1=4×27=108 mm
b=yd d1=108 mm
4．校核彎曲強(qiáng)度
查得：YFa1=2.58，YSa1=1.62，
YFa2=2.33，YSa2=1.75，
則：
滿足強(qiáng)度要求。
5.3 Z軸方向
5.3.1運(yùn)動(dòng)原理
該方向采用電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Z方向前進(jìn)或者后退的動(dòng)力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿?dòng)。該方向?yàn)樨Q直方向，為防止下滑，采用類似于鋼軌截面的導(dǎo)軌截面。
圖5.6 Y方向運(yùn)動(dòng)示意圖1
圖5.7 Y方向運(yùn)動(dòng)示意圖1
5.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計(jì)與校核
1、 嚙合齒輪的數(shù)據(jù)確定
設(shè)模數(shù)m=3，z=17，α=20o，其寬選擇20，計(jì)算如下：
d=m×z=3×17=51
da=d+2ha=51+2×1×3=57
df=d-2hf=51-2×1.25×3=43.5
2、 輸出齒輪的數(shù)據(jù)確定
設(shè)模數(shù)m=3，z=34，α=20o，其寬選擇15，計(jì)算如下：
d=m×z=3×34=102
da=d+2ha=102+2×1×3=108
df=d-2hf=102-2×1.25×3=94.5
3、 齒條的設(shè)計(jì)
設(shè)模數(shù)m=3，z=40，α=20o，其寬選擇20+10，即有齒部分為20，沒有齒部分為10，計(jì)算如下：
p=π×m=9.425
L=p×z=377
ha= m ×ha*=3
hf= m ×(ha*+c*)=3.75 \
齒輪強(qiáng)度校核
1．齒輪參數(shù) 傳遞功率：600KW
輸入轉(zhuǎn)速：25.68rpm
輸出轉(zhuǎn)速：6.0rpm
Z1=25 M=36 42CrMo Z2=107 M=36 ZG35CrMo 齒寬：600mm
熱處理：a)軟齒面 b)硬齒面（中頻表面淬火）
2． 強(qiáng)度校核
1) 按軟齒面校核
a) 系數(shù)選擇
使用系數(shù)Ka=1.25 動(dòng)載系數(shù)Kv=1.2
齒向載荷分布系數(shù)KH=1.025 KF=1.0
齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.2 Kf=1.2
應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8
彈性系數(shù)Ze=189.8
壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2
齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3
b) 確定疲勞極限
接觸疲勞極限 σh1=1180mpa σh2=650mpa
彎曲疲勞極限 σf1=380mpa σf2=300mpa
最小接觸安全系數(shù)SH=1.1 最小彎曲安全系數(shù)SH=1.3
c) 計(jì)算結(jié)果 向左轉(zhuǎn)|向右轉(zhuǎn)
2) 按硬齒面校核
a) 系數(shù)選擇
使用系數(shù)Ka=1.25 動(dòng)載系數(shù)Kv=1.2 齒向載荷分布系數(shù)KH=1.05 KF=1.01 齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.1 Kf=1.1 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 彈性系數(shù)Ze=189.8 壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3
b) 確定疲勞極限 接觸疲勞極限 σh1=1200mpa σh2=700mpa 彎曲疲勞極限 σf1=400mpa σf2=350mpa 最小接觸安全系數(shù)SH=1.2 最小彎曲安全系數(shù)SH=1.5
5.4 吸盤設(shè)計(jì)
平直型真空吸盤的工作原理:首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(如真空發(fā)生器等)接通,然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸,起動(dòng)真空設(shè)備抽吸,使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓,從而將待提升物吸牢,即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時(shí),平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤內(nèi),使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓,真空吸盤就脫離待提升物,從而完成了提升搬送重物的任務(wù) 。
采用吸盤的方式來提取物件，將目標(biāo)物放置在規(guī)定的地點(diǎn)。該吸盤共有9個(gè)吸嘴，對(duì)稱分布，吸盤基座位置開四個(gè)螺紋孔，通過螺紋與Z軸移動(dòng)架相連，實(shí)現(xiàn)吸盤的上下移動(dòng)。
圖5.8 吸盤設(shè)計(jì)示意圖1
圖5.9 吸盤設(shè)計(jì)示意圖2
通用真空吸盤選型計(jì)算公式就是：F=0.1PA
F：吸盤的理論吸吊力，單位N
P：吸盤的真空度，單位kpa
A：吸盤有效吸著面積，單位cm2通過上面的公式可得出我們常用的圓形吸盤直徑選型計(jì)算：
D：吸盤直徑，單位mm
W：吸吊物的重量，單位牛N
t：安全系統(tǒng)，水平t≥4，垂直t≥8
n：吸盤的個(gè)數(shù)
P：吸盤的真空度，單位為MPA（注意和上面P單位不同）
吸盤的真空度P一般為所選定的真空發(fā)生器（或真空泵）的最大真空度的60%至95%范圍內(nèi)選擇。
經(jīng)過實(shí)踐中使用真空吸盤,對(duì)真空吸盤的使用提出以下注意事項(xiàng):
1.用真空吸盤吸持及搬送重物時(shí),嚴(yán)禁超過理論吸持力的40%,以防止過載,造成重物脫落。
2.在使用過程中,必須保持真空壓力穩(wěn)定。
3.若發(fā)現(xiàn)吸盤老化等原因而失效時(shí),應(yīng)及時(shí)更換新的真空吸盤。
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