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印刷业直角坐标型码垛机器人手臂及抓取部分设计【带SolidWorks三维】【7张图纸】【优秀】

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机械手之四挡板.dwg---(点击预览)

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关键词：: 印刷业直角坐标码垛机器人手臂抓取部分部份设计 solidworks 三维图纸优秀优良

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印刷业直角坐标型码垛机器人手臂及抓取部分设计

43页 17000字数+说明书+任务书+SolidWorks机械手三维图+7张CAD图纸【详情如下】

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摘要

　　　工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的机械加工作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手有着加工的准确性和在恶劣环境中完成作业的能力,因此机械手在国民经济领域有着广泛的发展空间。

　　　本次码垛机器人手臂及抓取部分的设计，是根据给定的要求，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成搬运机械手的理论方案的设计，并绘制必要的零部件图，其中包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；solidworks三维建模设计，对其力学分析与结构分析

关键词：机械手直角坐标码垛 solidworks

第一章绪论5

1.1工业机器人简介5

1.2世界机器人的发展6

1.3我国工业机器人的发展8

1.4 工业机械手在生产中的应用9

1.5 本课题的研究意义：10

1.6本课题的内容11

第二章系统方案及功能原理设计12

2.1 设计任务分析12

2.1.1 产品功能分析12

2.1.2 码垛机的技术要求12

2.1.3 运动要求分析13

2.2机械手的夹持装置的选择13

2.3 驱动机构的选择13

2.4 机械手参数列表13

2.5 机械手的总功能14

2.6 机械手的功能分析14

2.6.1 动力装置选择16

2.6.2 传动装置设计16

2.7 传动系统方案及评价16

2.8 本章小结18

第三章机械手手部的设计计算19

3.1手部设计基本要求19

3.2 典型的手部结构19

3.3 机械手手爪的设计计算19

3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置19

3.3.2 手爪的力学分析20

3.3.3 夹紧力及驱动力的计算21

3.3.4 手爪夹持范围计算22

3.3.5夹持手指设计23

3.3.6 齿轮及齿条设计25

3.4 轴的设计26

3.5 液压缸的设计26

3.6 solidworks建模简介28

3.7 本章小结30

第四章机械手机械系统主要零部件强度校核计算31

4.1 齿条的计算与校核31

4.2 齿轮的校核与计算34

4.2.1.设计对象与已知参数：34

4.2.2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数35

4.2.3.齿轮受力分析35

4.2.4. 几何尺寸计算39

4.3推杆的强度校核40

第五章设计总结41

参考文献42

致谢43

附录A译文.44

附录B 原文48

4.3推杆的强度校核40

第五章设计总结41

参考文献42

致谢43　　　臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了机械手的运动机理。在此基础上，确定了纸垛夹持机械手的基本系统结构，运用solidworks软件对其进行三维建模，对纸垛夹持机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行部分的设计工作。

第二章系统方案及功能原理设计

2.1 设计任务分析

2.1.1 产品功能分析

　　　码垛机用于各种包装线末端将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘（木质）上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。

　　　码垛机应具有一定智能，可根据不同的工艺流程要求，将不同规格的纸质或木质包装箱按预先设定的位置（可编程），整齐地堆放在托盘上。

　　　本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）设计印刷行业用直角坐标码垛机器人机器人手臂及抓取部分设计，包括系统设计、包括方案设计、机构选择、自由度设计、强度、刚度计算。

2.1.2 码垛机的技术要求

　　　码垛机器人具体参数要求：

　　　1、搬运工件要求：纸箱类包装品;

　　　2、工件尺寸：可按用户的工件大小设计,最大1.2*0.9m;

　　　3、工件重量：最大100kg;

　　　4、工件移动范围：x、y、z方向的运动行程分别为3m、1.5m、1.5m,可按用户要求设计;

　　　5、机器人自由度：1-4个;

　　　6、机器人重复精度：±0.1mm;

　　　7、抓手形式：机械式。

2.1.3 运动要求分析

　　　根据上述任务要求，需要码垛机的机械手能够实现空间的三维运动，并且有一定的运动精度和重复定位精度。同时要求机械手抓取纸箱，经运动到指定位置后放开纸箱。

2.2机械手的夹持装置的选择

　　　典型的物体夹持装置分为机械式夹紧的夹持装置和真空及磁性夹持装置。

　　　在选择工业机器人的夹持装置类型时，必须考虑以下原始数据：

　　　1）工业机器人所服务的基本和辅助工艺装备的类型和结构；

　　　2）操作物体的特征；

　　　3）工业机器人自身结构和形式；

　　　4）机器人技术综合装置所完成的工艺过程特点；

　　　由于本设计要求的精度机械式夹紧夹持装置可以满足，并且真空及磁性夹持装置的造价较高，不便于广泛生产，所以本设计采用机械式夹紧夹持装置。机械式夹紧夹持装置备有钳口，凸轮，V形铁等形式的夹持工作元件，本次设计拟定选用钳口夹持，此类夹持元件结构简单，价格便宜，适宜于此类码垛机械手。

QQ截图20131120110000.gif

三维截图.gif

内容简介：: 附件2：毕业设计（论文）任务书课题名称：印刷业直角坐标型码垛机器人手臂及抓取部分设计专业班级：机械工程及自动化 09-2 学生姓名：李翔学生学号： 090110219 起迄日期： 2012 年 12 月 15 日 2013年 6 月 15 日指导教师：职称：副教授发任务书日期： 2012 年 12月 24 日任务书填写要求 1、毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经教研室主任审查签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前两周内（不含寒假）填好发给学生，要求指导教师、学生签字确认。2、任务书的内容必须用黑墨水笔工整填写或用计算机打印，不得随意涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴。3、“二级学院”、“专业班级”等名称，应写中文全称，不能用数字代码。学生的“学号”应写完整。4、有关年月日等日期的填写，应按照GB/T7408-94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书，如“2007年11月16日”或“2007-11-16”。5、任务书要求统一用A4纸打印。一、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）设计印刷行业用直角坐标码垛机器人机器人手臂及抓取部分设计，包括系统设计、包括方案设计、机构选择、自由度设计、强度、刚度计算。码垛机器人具体参数要求：1、搬运工件要求：纸类包装品;2、工件尺寸：可按用户的工件大小设计,最大1.2*0.9m3、工件重量：最大100kg4、工件移动范围：x、y、z方向的运动行程分别为3m、1.5m、1.5m,可按用户要求设计5、机器人自由度：1-4个6、机器人重复精度：0.1mm 说明：“原始数据”及“技术要求”除定性要求外，还必须有定量要求。二、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业论文或毕业设计说明书、外文翻译、图表、作品、实物样品等）撰写设计说明书折合2.5万汉字（包括图，表，有相关的设计计算）；翻译英文相关科技资料2500汉字。要求设计图纸折合零号图纸不少于2张。三、主要参考资料或完成毕业设计（论文）应具备的条件1李金泉等.码垛机器人机械结构与控制系统设计M.北京理工大学出版社,2011,第一版.2叶辉等.工业机器人实操与应用技巧M.机械工业出版社，2011,第一版.3余晓明.四自由度码垛机器人设计及其控制系统性能研究D.西南交通大学4李成伟等.码垛机器人机构设计与控制系统研究J. 机电工程2008-12-205李晓刚等. 刘晋浩码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策J.包装工程,2011-02-10四、本毕业设计（论文）课题工作进度安排序号毕业设计（论文）各阶段内容起迄日期备注1明确设计任务，撰写开题报告2012年12月17日2012年12月31日2查阅资料，工厂参观考察2013年1月 1 日 2013 年1月31 日3设计意图汇总，可行方案讨论，选择最优的方案2013年2月1 日 2013 年2月 28 日4对手臂及抓取部分自由度和受力进行计算分析2013年3月1 日2013 年 3月 31 日5对手臂及抓取部分进行soildworks绘图2013年4 月1日 2013年 4月 30 日6对手臂及抓取部分整体进行完善2013年 5月1日2013 年5月 10日7完成毕业论文初稿及英文翻译2013年5月 11日2013 年 5月20日8根据修改意见修改论文、图纸，定稿2013年 5月21 日 2013年6月 5 日9装订论文、送审、准备答辩材料2013年 6 月 6日 2013年6月10 日10答辩2013年6月11日 2013年 6月15日所在专业审查意见：教研室主任签字：年月日指导教师签字：年月日学生签字：年月日5摘要工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的机械加工作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手有着加工的准确性和在恶劣环境中完成作业的能力,因此机械手在国民经济领域有着广泛的发展空间。本次码垛机器人手臂及抓取部分的设计，是根据给定的要求，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成搬运机械手的理论方案的设计，并绘制必要的零部件图，其中包括机器装置的原理方案构思和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；solidworks三维建模设计，对其力学分析与结构分析关键词：机械手直角坐标码垛 solidworksABSTRACTIndustrial manipulator is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment, it is also an important branch of industrial robots. They are the characteristics that can be programmed to accomplish various desired machining operations, both in structure and performance advantages of their own people and machines, especially embodied in the persons intelligence and adaptability. Manipulator has a processing accuracy and operation in harsh environments the ability to complete, so the field of mechanical hand in the national economy has a broad development space.The project of arm and capture part of the palletizing robot is according to the requirements of a given, composite use the basictheory . basic knowledge and correability and train of thought of arm, according to regulation actions ordlated machinery project subject knowledge, complete the design of rectangular coordinates of palletizing robot arm and capture part, and protract necessary spare part drawing ,consist of principle scheme design and draw up; realize of principle scheme、 project of pass on a message scheme; analyze and realize of hinge skill、 project gap of main structure; project account explain.Key Words: manipulator；Cartesian coordinates；Palletizing solidworks 目录第一章绪论51.1工业机器人简介51.2世界机器人的发展61.3我国工业机器人的发展81.4 工业机械手在生产中的应用91.5 本课题的研究意义：101.6本课题的内容11第二章系统方案及功能原理设计122.1 设计任务分析122.1.1 产品功能分析122.1.2 码垛机的技术要求122.1.3 运动要求分析132.2机械手的夹持装置的选择132.3 驱动机构的选择132.4 机械手参数列表132.5 机械手的总功能142.6 机械手的功能分析142.6.1 动力装置选择162.6.2 传动装置设计162.7 传动系统方案及评价162.8 本章小结18第三章机械手手部的设计计算193.1手部设计基本要求193.2 典型的手部结构193.3 机械手手爪的设计计算193.3.1选择手爪的类型及夹紧装置193.3.2 手爪的力学分析203.3.3 夹紧力及驱动力的计算213.3.4 手爪夹持范围计算223.3.5夹持手指设计233.3.6 齿轮及齿条设计253.4 轴的设计263.5 液压缸的设计263.6 solidworks建模简介283.7 本章小结30第四章机械手机械系统主要零部件强度校核计算314.1 齿条的计算与校核314.2 齿轮的校核与计算344.2.1.设计对象与已知参数：344.2.2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数354.2.3.齿轮受力分析354.2.4. 几何尺寸计算394.3推杆的强度校核40第五章设计总结41参考文献42致谢43附录A译文.44附录B 原文484.3推杆的强度校核40第五章设计总结41参考文献42致谢43第一章绪论1.1工业机器人简介几千年前人类就希望能够制造出一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来，以及高工作效率。早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手,机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的机械加工作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手有着加工的准确性和在恶劣环境中完成作业的能力,因此机械手在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的广泛应用。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用【1】。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而足综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2世界机器人的发展现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一个回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手,商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔,臂回转,俯仰,用液压驱动；控制系统用磁鼓存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台,进行各种性能的试验,准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度,它给出在第一次故障前的平均运行时间）,由400小时提高到1500小时,精度可提高到0.1mm。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后,大力研究机械手的研究。据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年200个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半,达222亿日元,是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元,比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业,其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。 2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用酌最著名实例。 7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.3我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、卢觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。1.5 本课题的研究意义：由于我国人口结构的变化，导致劳动力市场每年新增劳动力绝对数逐年减少，今后我国劳动力短缺的趋势不可避免；从当前务工人数来看，能够到大城市从事制造业和服务业的基本都是年轻人，而农村人口日益老龄化很难为以后提供更多的劳动力；制造业工人工资不断增长，这就意味着企业要支付更高的劳动工资。而对于印刷业这样流水线作业、产量巨大的行业来说，劳动力更是影响巨大。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。码垛机器人的产生缓解了印刷业对于人员数量的要求，码垛机器人具有、效率高、性能稳定、节省劳动力、可连续工作等特点被广泛应用。随着机器人技术的发展，直角坐标机器人技术在码垛机上的使用越来越多。直角坐标机器人作为执行机构，具用控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的空间轨迹控制。机械臂和抓取部分是码垛机最重要的组成部分，一组合理的机械臂和机械手，不仅可以替代人工进行码垛，还可以使工作效率得到数倍的提高，本课题通过对印刷业生产状况的调查，利用直角坐标设计一种码垛机的机械臂及抓取部分，在保证码垛机稳定性的前提下，能够高效快速的完成码垛任务。1.6本课题的内容工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。本课题主要研究印刷业直角坐标型码垛机器人的手臂及抓取部分，即执行机构。执行机构通常主要由三部分组成：（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜拉杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了机械手的运动机理。在此基础上，确定了纸垛夹持机械手的基本系统结构，运用solidworks软件对其进行三维建模，对纸垛夹持机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行部分的设计工作。第二章系统方案及功能原理设计2.1 设计任务分析2.1.1 产品功能分析码垛机用于各种包装线末端将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘（木质）上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。码垛机应具有一定智能，可根据不同的工艺流程要求，将不同规格的纸质或木质包装箱按预先设定的位置（可编程），整齐地堆放在托盘上。本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）设计印刷行业用直角坐标码垛机器人机器人手臂及抓取部分设计，包括系统设计、包括方案设计、机构选择、自由度设计、强度、刚度计算。2.1.2 码垛机的技术要求码垛机器人具体参数要求：1、搬运工件要求：纸箱类包装品;2、工件尺寸：可按用户的工件大小设计,最大1.2*0.9m;3、工件重量：最大100kg;4、工件移动范围：x、y、z方向的运动行程分别为3m、1.5m、1.5m,可按用户要求设计;5、机器人自由度：1-4个;6、机器人重复精度：0.1mm;7、抓手形式：机械式。2.1.3 运动要求分析根据上述任务要求，需要码垛机的机械手能够实现空间的三维运动，并且有一定的运动精度和重复定位精度。同时要求机械手抓取纸箱，经运动到指定位置后放开纸箱。2.2机械手的夹持装置的选择典型的物体夹持装置分为机械式夹紧的夹持装置和真空及磁性夹持装置。【3】在选择工业机器人的夹持装置类型时，必须考虑以下原始数据：【3】1）工业机器人所服务的基本和辅助工艺装备的类型和结构；2）操作物体的特征；3）工业机器人自身结构和形式；4）机器人技术综合装置所完成的工艺过程特点；由于本设计要求的精度机械式夹紧夹持装置可以满足，并且真空及磁性夹持装置的造价较高，不便于广泛生产，所以本设计采用机械式夹紧夹持装置。机械式夹紧夹持装置备有钳口，凸轮，V形铁等形式的夹持工作元件，本次设计拟定选用钳口夹持，此类夹持元件结构简单，价格便宜，适宜于此类码垛机械手。2.3 驱动机构的选择夹持装置的结构由执行机构驱动装置的马达所决定，它将驱动装置的运动转变为夹持器工作元件所必须的位移。在夹持装置中，通过各种执行机构将驱动装置输出杆件的直线和回转运动以固定的比例变为工作元件的直线移动或转动。驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2.4 机械手参数列表一、用途：夹持纸箱类包装品二、设计技术参数：1、夹持纸垛外形尺寸为1.2*0.9m；2、夹持纸垛最大重量100kg；三、对研究方法和研究手段的要求：1、运用大学所学基础理论及专业知识，进行正确计算分析；2、结构方案论证及设计计算；3、运用solidworks软件进行编建模分析。2.5 机械手的总功能对于本次设计的机械手来说，其总功能为：实现纸垛的夹持功能。不同的功能原理所需要的工艺动作，以及所设计的机械在工作性能、工作品质和和使用场合等方面会有很大差异。功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解以便比较和选优。对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑。由此可见，功能原理设计的特点如下【4】：1）功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本变化的设计。2）功能原理设计中往往要引入某种新技术，新材料和新工艺，特别是计算机和信息技术的应用。但首先要求设计人员要有新的构思，否则即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去。3）功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如，机械表不论在技术上如何改进，其精确性不可能与石英电子表比美。2.6 机械手的功能分析夹持纸垛机械手的基本工作方式是通过液压系统的稳定工作，提供给系统稳定的动力，液压缸的推杆将动力给传动装置，传动装置通过传动机构把运动的形式和能量传递给执行机构，执行机构实现机械手对纸箱类工件的夹持功能。机械手的正常工作受多方面的影响。首先，动力驱动装置是否能够正常工作是机械手能够完成正常工作的前提。当开机指令发出后，液压伺服器必须先进行必要的预热，以求工作时能够达到最佳的工作状态。开始工作后，机械手必须首先回到坐标的起始位置，再按照预定的程序进行。机械手爪是否到达指定位置，需要一个位置传感器进行检测，并且将信号传输给控制机构。当控制机构得到复位完成指令后，发出工作指令，机械手开始正常运行。运行结束后，控制装置发出停机指令，机械手停止工作。工作得以正常运行的另一个关键，就是PLC程序控制装置的编制是否完善，当接收到正常信号的时候，发出正常指令，当收到异常工作信号的时候，发出终止命令，以保证工作正常，有序的进行。机械手工作流程分为几个步骤。首先，当开机命令发出后，伺服液压油电机启动，进入预热阶段，当预热完成后，机械手爪在液压缸提供的液压推力作用下复位到初始位置。当传感器检测到手爪完成初始位置移动后，发送复位结束信号给PLC，PLC发出开始工作指令，机械手开始正常工作，开始夹持纸垛，并移动到所需位置，放下工件，传感器获得工件已经放下时，发送到达信号给PLC，PLC发出返回指令，机械手返回到上一个夹持位置，一个工作循环结束。当一个工作循环结束后，PLC自动发出重复工作指令，机械手继续从初始位置工作。当工作结束后，PLC发送结束指令给机械手，机械手复位到初始位置，然后执行关机命令。当发出意外情况时，传感器发出信号给PLC，PLC发出立即停机命令，机械手立刻停止运转，等待故障的解除。当故障解除后，通过装配机构的调整，工人复位机械手。当PLC收到复位命令后，重新执行开机命令，进行机械手的复位动作，然后进行正常的工作，这一系列的动作由PLC的程序编制。图2.1 机械手工作流程图2.6.1 动力装置选择本设计采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大方便使用，连接管路时较为简单。液压装置可以直接将动力通过推杆作用传递给传动机构。2.6.2 传动装置设计本设计根据已有的机械手设计，本人在原有基础上进行了新的改进，力求将新的技术应用到纸垛夹持机械手上，使结构更加简单，使用时间更加长久，传递准确性更高。设计中我采用了齿轮-齿条式的传动机构，并考虑到机械手的寿命问题，采用可拆卸互换齿轮-齿条的结构，如此可使得机械手的寿命成倍增长，这样既能满足准确性的要求，也能满足工艺上和经济上的条件。2.7 传动系统方案及评价根据前述的功能的分析，本设计可以采用许多种不同的传动系统方案方案一：齿轮齿条式传动图2.2 齿轮齿条式机械手示意图齿轮齿条式传动方案，计划采用双面齿条带动两侧齿轮，齿轮上面固定机械手的手爪，当液压缸带动推杆推动齿条运动时，两侧的齿轮随之转动，从而带动手爪的开合，达到夹持纸垛的功能。这种结构形式的特点是具有被夹持工件的最大外形尺寸，通过齿轮齿条的传动来实现钳口的开合，实现不同规格的纸垛。两个杠杆与夹紧钳口作成一体，自由地装在轴上。在杠杆上做出扇形齿。与齿条成对地啮合，齿条与杠杆相连，以形成铰链平行四边形。铰链平行四边形能保证每一对夹紧杠杆独立工作，而且能保证夹紧纸垛。此种设计能够满足功能要求，并且实现起来要求精度水平能够达到，是较为理想的方案，我的设计采用了这种方式。方案二：滑槽杠杆式手部结构在这种方案中，液压缸推动推杆，推杆推动两个杠杆的交点，杠杆在推杆的作用下运动，杠杆的另外两端连接机械手的手爪，由于杠杆的运动，引起手爪的开合运动，从而实现机械手爪的夹持功能。图2.3 滑槽杠杆式手部结构1 机械手爪 2.杠杆连接点 3.液压缸作用的推杆此设计方案的优点在于方便实现，结构简单，但缺点是摩擦阻力较大，如果长时间使用的话磨损较为严重，对于经济性方面有一定的缺陷。2.8 本章小结本章对机械手机械系统方案和功能原理方面进行了设计，主要进行了夹持装置、驱动机构的选择和总体的功能原理分析，各部件的组成和基本传动方案的设计。对后面的具体传动方案的选定和设计工作提供了必要的依据。第三章机械手手部的设计计算3.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3 机械手手爪的设计计算 3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计轴类零件夹持机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式结构简单,但造价较高，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。在选择工业机械人夹持装置类型时，必须考虑以下原始数据：1）工业机器人所服务的基本和辅助工艺装备的类型和结构2）操作物体的特征3）工业机器人自身结构和形式4）机器人技术综合装置所完成的工艺过程特点通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用齿轮齿条这种结构方式。夹紧装置选择闭合式夹紧装置，机械手手指完全受齿条控制张开或者闭合。这种结构可以保证在较大尺寸范围内可靠的夹持操作物体，能保证工件的定心而与直径无关。它是靠夹持器钳口轮廓来达到较高的安装稳定性。驱动装置采用液压缸驱动，液压推杆直接作用于齿条，减少了中间传递的能量损耗。3.3.2 手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：齿轮齿条式为常见的夹持工件机械手手部结构。在推杆的作用下，齿条向上的拉力为F，并通过齿轮齿条接触点OO1,OO2点，两手指1的2齿轮对齿条的反作用力为F1和F2，由于F1和F2力大小相等，方向与竖直线之间夹角相等，故作用点简化为中心点O，因此F1、F2、F的作用点等效为为O点。图3.2机械手受力示意图由=0 可得： F1=F2 (3-1)由可得： (3-2) 式中齿轮齿条啮合时齿轮上的力受力方向与竖直方向的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则F1和F2随之增大，水平方向上的力也变大，即加持力增大。但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此，通过查取齿轮啮合传动标准压力角，取=200。3.3.3 夹紧力及驱动力的计算钳口加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算，通过查取参考文献查得：（3-3）式中 K1安全系数，通常1.2-2.0； K2工作情况系数 K3方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G被抓取工件所受重力（N）。计算：设=200;机械手夹持的纸垛质量为100Kg，求夹紧力FN和驱动力F。通过查表可得：K1=1.5，K2=1.02, K3=0.5 G=mg=1009.8=980N （3-4）根据公式，将已知条件带入： FN=1.51.020.5980=749.7N （3-5）（2）根据驱动力公式得： (3-6) （3）取=0.85, (3-7)3.3.4 手爪夹持范围计算为了保证手爪夹持范围达到设计要求，预设手抓张开角为1600，由设计要求手爪夹持范围为900-1200mm，根据是手爪的设计形式，假设设手爪的末端到转动轴的距离为手指长度，预设手指长480mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.3所示，根据机构设计，它的最小夹持半径L=900mm，满足手爪夹持的最小直径要求。当手爪张开1600时，如图4.3(b)所示，最大夹持宽度L计算如下： L=2*480*cos20+ 120=1210mm (3-8)所以机械手的夹持宽度为从900-1200mm。图3.3 手抓张开示意图3.3.5夹持手指设计为了能够稳定的夹持工件，设计的手爪必须保持一定的精度，而且同步性一定要好。夹持手爪必须适合范围内的各种尺寸，不能有特殊情况发生。针对本设计，由于工件长度为1200mm，工件较大，所以要保证夹持的稳定性，我准备才有两对机械手爪，每对手爪夹持一个位置，两个不同位置可以稳定的夹持工件。两对机械手爪同步，保证稳定性。通过以上计算，我设计了以下的手爪结构。图3.4 手抓示意图如上图所示，手爪上5为夹持器的顶部夹紧板，便面不满横向条纹，增加工件表面粗糙程度，防止工件脱落。1为定位孔，可以防止手爪张开过度，无法收回。4为传动不完全齿齿轮，用于动力的传动，从而使机械手爪转动，其与手爪为分离式的，磨损后可以更换一对齿轮-齿条的运动副，可增加机械手的整体寿命。经过以上的夹持范围计算，a为预设的480mm，由此计算b值。b值的选定必须以能够满足夹持工件尺寸才基础，在最小夹持直径时，双爪闭合，力求节省空间；当夹持最大工件直径时，两爪达到最大张开位置，四指用夹紧力和摩擦力稳定工件。图3.5 手抓加持最小工件示意图由上图可以看出，当夹持最小工件时，手爪上顶块下端与方形工件的平面接触，此时夹持的工件宽度为850mm，预设下底板的角度为与水平成450，由此可以计算b值。由上图，根据勾股定理，可计算b值为: (3-9)上挡板在夹持工件时始终与工件相切，才能保证工件的稳定。所以设计时只需要设计最大夹持位置和最小夹持位置，中间以光滑圆弧连接即可。但确定圆弧的半径无疑成为本设计内容的重点。从上图可以看出，基本尺寸a，b值均已确定，定位孔R1的尺寸可以根据实际情况确定，并不是十分重要。因此，预设R3=30mm。接下来就差最后一个顶部的安装齿轮的圆设计了。图3.5 手抓顶圆示意图根据前面所设计的数据，预设齿顶圆的有效齿轮距离占总圆周长的1/3,即旋转角度为1200，根据角度和夹持直径的范围，可以计算出顶圆的半径：图3.6 顶圆设计 R1=（198-200sin30）+200cos600=198mm3.3.6 齿轮及齿条设计由以上计算，齿轮转动角度为推杆带动齿条运动的行程，根据齿轮上顶圆的半径以及转动角度，可以计算出推杆运动的行程 (3-11)齿轮转动的角度，l齿条运动的行程初步选择齿轮基本尺寸查文献1,表11-2，根据前面机械手手爪的设计，齿顶圆的半径为25mm，选取模数m=2 ，根据齿轮计算公式齿数: Z=d/m=12 (3-12) 模数m=2为预先设定，达到整齿数的要求。选定齿轮基本参数：齿轮齿数: Z1=12；齿轮分度圆: d2=198mm；模数: m=2按照齿轮的有效转动角度=1200，实际齿轮转动的有效距离为齿距: p=m=3.14 2=6.28mm (3-13) 齿条上的齿数最小为Z2，为了防止意外卡住，齿条齿数应大于齿轮上的有效齿数，取 Z2=14 条理论长度: l2=6.2814=87.92mm (3-14) 取的实际距离应大于最小有效距离，故取齿条上的有效长度为90mm3.4 轴的设计图 3.10 竖轴设计图本设计共有三根轴，分为两个机械手抓安装轴和一根竖直方向的推拉力轴。推拉力轴所受的力为沿着轴线方向力，所以只要满足拉压杆件的力学要求即可。最小工作直径 dmin=F/ (3-15) F-轴向所受最大力；许用应力强度；根据经济性原则,选择轴的材料为45钢，调质处理,查表得=60Mpa , 根据前面计算，F=1621N d=F/ =162160=27mm (3-16)机械手安装轴所受力不如推拉力轴大，为增大安全系数，取30mm也选用相同直径的轴。3.5 液压缸的设计根据前面的设计，拉杆的行程为50mm，拉杆的最大拉力为1621N，预设的拉杆直径为27mm，根据以上三个数据，选取液压缸的基本参数。图 3.12 液压缸的内外径尺寸系列根据图3.12中所列的内外径系列，根据已经设计的参数，选取内径为25mm，外径为32mm的液压推力轴。表3-1 液压缸行程参数表根据实际需求，从图3.13中选取第二系列的液压缸，有效行程为63mm。由于实际的工作需要，液压拉杆需要来回往复运动，从液压缸的类型图中，根据实际需求，选取双作用气缸的单活塞杆类型的可调缓冲式液压缸。这种液压缸双向运动产生推拉力，活塞行程终了时减速制动，减速值可以调节，满足使用的要求。表3-2 液压缸的类型3.6 solidworks建模简介本次设计在以上精确计算的情况下，首先在solidworks三维软件环境下进行建模，并在建模过程中对相关零部件不合理的部位给予改进，下面简述其建模过程。首先是对基本结构机械手拉杆和外壁轴套建模，这是关系整个机械手的动力输出的稳定性和可靠性，建模过程中需注意两者配合，并在保证其功能的情况下尽量减少自重，所见模型如下：图3.11 轴套图3.12 拉杆其次是传动部分，本此设计采用齿轮齿条传动来实现手爪随着拉杆的伸缩而开合，齿轮齿条需要承受手爪在开合过程中的力的传递，在上面计算过程中已经给出了计算结果。齿条的上端需要和拉杆的底端配合，此处采用螺纹连接和销钉紧固的方式来实现，建模结果如下图。采用可拆卸方式建模，在齿条磨损厉害的情况下，可更换齿条来实现成倍增加机械手的使用寿命。3.13 齿条部装图建模齿轮齿条配合是建模过程中一个重要的环节，由于齿条采用可拆卸方式，本次建模也将齿轮设计成可拆卸模式，如此才可通过更换零件的模式增机械手的使用寿命。整个齿轮和手爪的建模模型如下：图3.14 手爪部装图模型两只同步运动的手爪利用连接板连接起来，以实现其在开合过程中的同步进行，避免出现一快一慢的情况，从而避免在加紧时只有三只或者两只手爪接触工件表面，以此方式来增加机械手的可靠性。3.7 本章小结通过本章的设计计算，先对夹持机械手的手部结构进行力学分析，然后分别对手部结构的夹紧力、驱动力进行计算，在满足基本要求后，通过三维模型的运动，分析加持工件过程中的运动情况。第四章机械手机械系统主要零部件强度校核计算4.1 齿条的计算与校核设计对象与已知参数：（1）设计对象：设计传动系统中推杆带动的齿条传动。（2）机械手为循环夹持，双向运动，工作载荷较稳定，无大的冲击。选择齿条类型：根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线直线式齿条（ZI）。选择材料:考虑齿条传动的功率，速度不快，故齿条材料采用45钢；因希望效率高，耐磨性好，故齿条上面的齿面要求淬火，硬度为4555HRC。齿面附着物用铸锡磷青铜ZCuSnP1,金属模铸造。为了尽量节约贵重有色金属，仅外层用青铜制造，而中部采用灰铸铁HT100制造。齿条受力分析：在进行齿条传动的受力分析时，由于机构实施润滑，通常不考虑摩擦力的影响。图4.1所示是齿条主动件，并沿图示方向运动时，齿条面上的受力情况。设Fn为集中作用于点P处的法向载荷，可分解为三个互相垂直的分力，即圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。显然，在齿条与齿轮间，相互作用着Ft1与Fa2、Fr1与Fr2和Fa1与Fr2这三对大小相等、方向相反的力。不计摩擦力影响，各力的大小可按下列各式计算，各力的单位均为N。 (4-1) (4-2) (4-3) （4-4）式中：、分别为齿条及齿轮上的公称转矩，；、分别为齿条及齿轮的理论分度圆直径，。按齿面接触疲劳强度进行设计图4.1 齿条受力分析和齿轮传动一样，齿条传动的失效形式也有点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损等。由于材料和结构上的原因，齿条上齿部分的强度总是高于齿轮轮齿的强度，所以失效经常发生在齿轮轮齿上。根据闭式齿轮传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。查文献1,254计算公式，传动中心距（4-5）确定作用在齿条上的弯矩 T2 ；按z1=2，估取效率=0.8，则T2=9.55=733440N/mm (4-6) 确定载荷系数K因工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数K=1；由文献中表1,11-5选取使用系数KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.05；则 (4-7) 确定弹性影响系数ZE因选用的是铸锡磷青铜齿面和钢杆相配，故ZE=160MPa确定接触系数Zr：先假设齿条有效距离与中心距的比值d1/a=0.5，从参考文献1,图11-18中可查得Zr=2.9。确定许用接触应力根据齿面材料为铸锡磷青铜ZCuSnP1，金属模铸造，齿面硬度45HRC，可从文献1，表11-7中查得齿轮的基本许用应力=268MPa。应力循环次数 (4-8)寿命系数 (4-9)则= (4-10) 计算中心距 (4-11)取中心距a=66mm，因i=2，故从参考文献1,表11-2中取模数m=2mm，推杆有效距离d1=25mm。这时d1/a=0.4，从参考文献1，图11-18中可查得接触系数Zr=2.74，因为Zr Zr，因此以上计算结果可用。齿条与齿轮的主要参数与几何尺寸齿条:齿条模数为2，轴向齿距pa=6.28；直径系数q=d1/m=17.75；齿条轴向齿厚 (4-12) 齿轮: 齿轮齿数Z1=12；取变位系数；齿轮分度圆直径d1=24mm校核齿根弯曲疲劳强度 (4-13)当量齿数 (4-14)根据，从文献1,图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 (4-15)许用弯曲应力从文献1,表11-8中查得由ZCuSnP1制造的齿条的基本许用弯曲应力sF =56MPa。寿命系数 (4-16) (4-17) (4-18)弯曲强度在允许范围之内。验算效率 (4-19)已知=1101836”；jV=arctanfv；fV与相对滑动速度有关。（4-20）从文献1,表11-18中用插值法差得fv=0.0204、jv=1.1687；代入式中得=0.86，大于原估计值，因此可采用。4.2 齿轮的校核与计算 4.2.1.设计对象与已知参数：（1）设计对象：带动机械手爪圆柱直齿不完全齿齿轮传动。（2）由液压杆直接驱动，齿条参数以确定。4.2.2.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）选用直齿圆柱齿轮传动（2）机械手夹持工件速度不高，但对时间精度有较高要求，故选用4级精度。（GB 100095-88) (3)材料选择。由1,表10-1选择齿条材料为40C（调质），硬度为280HBS，齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。4.2.3.齿轮受力分析进行齿轮强度计算之前，首先应明确轮齿上所受到的力，作出受力分析，对齿轮传动进行受力分析也是计算安装齿轮的轴及轴承时所必须的。齿轮传动一般加以润滑，啮合轮齿间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷Fn（单位为N）在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fr（单位均为N）如图4-2所示。由此得（4-21）（4-22）（4-23）式中：齿轮传递的转矩，；齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，；啮合角，对标准齿轮，。图4.2齿轮受力分析以上分析的是主动轮轮齿上的力，从动轮轮齿上的力分别与其大小相等，方向相反。按齿面接触强度设计由文献1,10-9a计算公式进行试算，即（4-24）（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数Kt=1.32）计算小齿轮传递的扭矩。（4-25）由文献1,表10-7选取齿宽系数d=1由文献1,表10-6查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa。由文献1,图10-21d按齿面硬度查得齿条的接触疲劳强度极限sHlim1=600MPa；齿轮的接触疲劳强度极限。由文献1,式10-13计算应力循环次数。（4-26）（4-27）取接触疲劳寿命系数，。计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1 ，由文献1,式10-12得（4-28）（4-29）计算试算齿轮分度圆直径，代入sH 中较小的值。 (4-30)2)计算圆周速度 (4-31)计算齿宽 (4-32)计算齿宽与齿高之比模数 (4-33) 齿高 (4-34) (4-35)计算载荷系数。根据已有的设计，齿轮4级精度，由文献1,图10-8查得动载荷系数Kv=1

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