毕业设计-自动沾锡装置设计.doc

摘摘 要要 本次设计的自动沾锡装置可以抓取变压器，代替人工在高温的环境下完成沾锡过程， 避免烫伤等伤害。 本次设计的自动沾锡装置由多部分组成，机械手、竖臂、横臂、锡炉等。综合所学 理论知识与相关机械设计的专业知识，可完成对此自动沾锡装置设计，并且绘制所需装 配图和零件图。此沾锡装置其中的机械部分可采用伺服电动机、螺旋杆、导向光杆等相 关机械部件组成。 沾锡的装置控制系统的设计，绘制的机械臂的工作原理图，大大提高了工作效率和 图纸质量。 本文采用三维设计，三维效果绘制整个装置，然后再完成了二维图形的绘制，不仅 提高了效率，而且好的图纸质量高。 这次的机械设计，希望能对可改善工作环境和良好的改善，还可以为企业提高产业 效益和好的效果。 关键词：机械手； 伺服电机； ug； plc abstract automatic soldering device, this design can grab the transformer, instead of manual work is stained with tin process in high temperature environment, avoid scald injury. the design of the automatic soldering device is composed of many parts, mechanical hand, arm, arm, tin furnace etc integrated the theory of professional knowledge and related mechanical design, can finish the automatic soldering device design, and draw the assembly drawing and part drawing. this tin device which can be composed of the mechanical parts of servo motor, screw, guide rod and other related mechanical parts. design of control system with tin, working principle diagram of mechanical arm drawing, greatly improving the working efficiency and quality of the drawings. this paper uses 3d design, 3d rendering the entire device, and then in the two-dimensional graphics rendering, not only improve the efficiency, but also good drawings of high quality. mechanical design of this, in hopes of improving the working environment and good improvement, but also for enterprises to improve industrial efficiency and good effect. keywords: machine hand; servo motor; ug; plc 目目 录录 摘 要7 abstract.8 第 1 章 绪 论11 1.1 本论文的背景和意义.11 1.2 本论文的理论知识.13 1.3 本章小结.14 第 2 章 沾锡装置的总体设计15 2.1 执行机构的选择.15 2.2 驱动机构的选择.15 2.3 传动机构的选择.16 2.4 机械手的基本形式的选择.18 2.5 沾锡装置的主要部件及其运动.19 2.6 机械手的技术参数.21 2.7 本章小结.22 第 3 章 机械手部分的设计23 3.1 机械手设计的要求23 3.2 典型的手部结构23 3.3 机械手的设计计算23 3.4 手爪的夹持范围计算25 3.5 滑动丝杠的设计26 3.6 齿轮的设计.30 3.6.1 选择齿轮的材料，确定许用应力30 3.6.2 齿面接触疲劳强度的设计计算31 3.6.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算33 3.6.4 齿轮其他主要尺寸计算34 3.7 电机的选型37 3.8 辅助的三维图.38 3.9 本章小结39 第 4 章 直臂部分的设计40 4.1 手臂的结构的选择40 4.2 滚珠丝杠的设计.41 4.3 电机的选型.45 4.4 辅助的三维图.46 4.5 本章小结.47 第 5 章 横臂部分的设计48 5.1 手臂的结构的选择48 5.2 滚珠丝杠的设计.48 5.3 电机的选型52 5.4 辅助的三维图.53 5.5 本章小结54 第 6 章 吹锡装置55 6.1 辅助的三维图57 6.2 本章小结.57 第 7 章 总结58 致 谢60 参考文献61 附录 1 外文翻译.62 中文译文75 完85 中国矿业大学徐海学院 2013 届本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 本论文的背景和意义 在我国，沾锡机还没有被广泛应用，好多沾锡企业仍然在使用手工沾锡、波峰焊沾 锡。而沾锡机的生产研制厂家也很少，主要有广东烟台添翼电子有限公司的 ty-j01，深 圳市捷先达科技有限公司的 jxd-3300 等。但沾锡机在国内有广阔的市场，已经使不少厂 家开始自行研制性能更好的沾锡机。所以，在未来几年，随着沾锡机性能提高，必将会 被我国的沾锡企业普遍应用。 图 1.1 jxd-3300 沾锡机主要有以下特点： （1）操作简单，任何人员都可以熟练操作，而且还可以减少人员配备； （2）沾锡效率高，20 秒之内完成一次沾锡，一次可以沾锡多块电路板； （3）沾锡质量高，用 jxd-3300 沾锡，只需沾锡一次即可，焊点饱满，管脚沾锡少， 减少焊锡消耗，减少补焊工作量； （4）不易出现元件倾斜和脱落等情况； 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 2 （5）具有助焊剂预热功能，使焊点更加饱满，电路板不变形，板面更加干净，不炸 锡； （6）高温氧化产生的锡渣少，一天 10 小时产生的锡渣不超过 1kg，远远小于波峰焊； （7）耗电少，每小时耗电不超过两度电（2kw/h）； （8）具有定时开关机功能，延长工作时间； （9）可以沾锡任意管脚长短的电路板和任何形状的电路板，对于比较大和比较重的 电路板沾锡更具优势； (10）设备成本低，低于两万元； (11) 沾锡时间、沾锡角度、沾锡温度、刮除锡面氧化物时间任意可调； 目前，沾锡机的发展空间还很大。在激烈的社会竞争中，各个国家都在积极利用各 种方案把沾锡效率和能源节约加以改进，所以在沾锡机上的新技术不断应用，但是总的 趋势有以下几点： （1）提高沾锡机的自动化程度是未来发展的必然趋势。 传统的手工沾锡和波峰焊沾锡方式，在很大程度上影响了生产效率。传统沾锡方式 在能源上也造成了很大的浪费。现在的沾锡机在沾锡之后的清洗工序，还是手工操作， 这样做不仅浪费大量的人力物力，更严重的是，要是有毒的污物让人工清理，对人体有 严重的伤害。为此，从上料系统开始直至清洗完毕都应由机械工具自动完成，实现沾锡 机的自动化。 （2）高效率，高可靠性的发展。 在现有的沾锡机设备中，各工位的自动化得到了迅速的改进与提高。所以，以后沾 锡机设计改造的必然是基于提高产品质量，改善劳动条件，减轻劳动强度，不断提高机 械化水平的理论来进行研究与开发。在我国，随着机电一体化的高速发展，目前机械基 本满足了以上的要求，但是与发达中国家相比还是有一定的差距的，在各种方面都亟需 迅速的改进与提高。 由于我们起步较晚，目前国内沾锡机的研制并不很成熟，沾锡主要依靠手工作业， 生产效率低，工人劳动强度比较大，严重危害人类身体健康。本课题主要研究方向是使 国内的沾锡机朝自动化程度更高的方向发展。这对于提高我国机械制造和能源节约方面 有很大意义。所以本课题的研究对于国家，企业来讲是很必要的，有着重大的意义。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 3 1.2 本论文的理论知识 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发 展起来的一门新兴的多交叉学科。它是以设计产品为目标的一个知识群体的系统。换句 话说，它是为了适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期，以及推动计 算机在设计中的广泛应用，于 20 世纪 60 年代在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴 学科的集成。其种类繁多，内容广泛。目前它的内容主要包括优化设计、可靠性设计、 设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、人机工程、 并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、 三次设计等。在运用它们进行设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的 工具。这些内容汇集了一个设计学的新体系，即现代设计。 本次设计任务是沾锡机的设计。主要采用计算机辅助设计、优化设计和有限元法等 方法进行研究。通过系统化的设计方法，把设计对象看作一个完整的技术系统，然后用 系统工程方法对各要素进行分析和综合，使系统内部协调一致，并使系统与环境相互协 调，以获得整体最优设计。 1.3 本章小结 本章介绍了毕业设计的基本情况，发展前景和设计的目的，并介绍了沾锡装置的设 计思路和方法。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 4 第 2 章 沾锡装置的总体设计 2.1 执行机构的选择 （1）手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工 件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式， 如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要 是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是 别的一些比较复杂形状的工件或物料。传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑 槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。 （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。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 5 2.2 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 可分为以下四类： （1）气压传动机械手 气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、 易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的 稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。 （2）液压传动机械手 是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平 稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养 与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导 致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。 （3）机械驱动机械手 它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是 由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较 大，保养需求高。 （4）电气驱动机械手 它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定 位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成 本也较高。 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。按照各驱动特点以及机械手的工作环境经讨论我们采用电动驱动。 2.3 传动机构的选择 （1）齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗 轮蜗杆传动等。 （2）谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百） ，传动精度高、 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 6 回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人 系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性 齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一 般的齿轮传动具有本质上的差别。 （3）螺旋传动 螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换 为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为 主的，如机床工作台的进给丝杠。 丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦） ，前者结构简单、 加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%） 。 后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（ ） ，其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进92% 98% 给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚 珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向 传动时，须附加自锁机构或制动装置。 （4）同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面 及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的 同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不 变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达 98%） 、节能效果好；能吸振、噪声低、 不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达 40m/s） 、传动比可达 10，结构紧凑、维护方 便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格， 同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。 （5）钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动， 结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。 （6）链传动 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节 驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精 密套筒滚子链来传动。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 7 （7）钢丝绳轮传动 钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是 带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。 2.4 机械手的基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种：（1）直 角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标(极坐标)型机械手；（4）多关 节型机机械手。 图 2.1 机械手基本形式 按照机械手的工作环境采用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度 高，比较满足设计要求。 2.5 沾锡装置的主要部件及其运动 在直角坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，关于 机械手具有3个自由度 即：手爪张合；直臂升降；横臂平移3个主要运动。 机械手主要由2个大部件和3个电机组成：（1）手部，采用丝杆螺母结构，通过电机 带动实现手爪的张合。 （3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来 实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在竖臂上移动实现手臂升降。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 8 图 2.2 沾锡机总装三维图 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 9 图 2.3 二维示意图 2.6 机械手的技术参数 （1）用途：自动沾锡 （2）设计技术参数: 1、抓重:20g-100g 2、自由度数:3个自由度 3、坐标型式:直角坐标型 4、横臂手臂长度:400mm 5、直臂最大高度:200mm 6、手臂运动参数 升降行程：200mm 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 10 升降速度：167mm/s 2.7 本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体方案设计分析，从中选择了机械手的基本形式 以及自由度，确定了本设计采用电机驱动，并给出了设计中机械手的一些技术参数。下 面的设计计算将以此进行。 第 3 章 机械手部分的设计 3.1 机械手设计的要求 （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（手指从张开到闭合 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。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 11 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 机械手的设计计算 本设计是设计抓取方形物块的机械手。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。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,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, 适于夹持平板和圆柱类材 料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差为零。通过综合考虑， 本设计选择移动型手爪，采用丝杠螺母这种传动结构方式。 运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的 张合，当手爪抓到零件时，电机停止，手爪形成自锁，带动零件移动。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 12 图3.1 机械手 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 13 图3.2 机械手结构图 3.4 手爪的夹持范围计算 加工毛坯尺寸： 长度：30mm 左右 1030 变压器质量：约 10g-50g（按最大 50g 计算） 装夹的深度：约 20mm 纵向定位精度：0.1mm 横向定位精度：1mm 手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐 磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 14 图 3.3 机械手橡胶 3.5 滑动丝杠的设计 设计要求： 需自锁 丝杠长度 170mm 最大质量共计约110g 丝杠载荷：丝杠竖直时承受的最大轴向力， (g 取)。nfa 6 . 11 max gmg10/nkg 设计计算： （1）牙型、材料和许用应力 采用梯形单头螺纹 螺杆材料选 45 钢，调制处理，由机械手册查表可得 2 /360mmn s 许用拉应力 .（3.1） 2 72 120/ 3 5 s p n mm 机械手部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 15 许用弯曲应力， 取 ； 2 /6050mmn bp 2 /50mmn bp 许用剪应力 2 /40mmn p 由机械手册查表可得 许用压强，取 2 /86mmnpp 2 /6mmnpp （2）耐磨性计算螺杆中径 由表中公式， ， （3.2） p p f d 8 . 0 2 采用整体螺母式，取，2 . 1 2 11.6 0.80.81.02 1.2 6 p f dmm p 由 gb/t 5796.3-1986，可选，的10d5 . 1p9 22 dd5 .10 4 d5 . 7 3 d8 1 d 梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别为： ，。ehlhtr7/7210ehtr7/7210 （3）自锁性的验算 由于单头螺纹，导程，故螺纹升角为mmps5 . 1 .（3.3） 4 3 914. 3 5 . 1 arctanarctan 2 d s 由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得12. 010. 0f11 . 0 f （3.4）506 15cos 11. 0 arctan 2 cos arctan f ，故自锁可靠。 （4）螺杆强度的校核 由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩 ， .（3.5） 12 1 tan() 2 1 9 11.6 tan(3 4 6 50) 2 9.11 ta md f n mm 代入以下公式得 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 16 （3.6） 22 3 33 22 23 2 4 ()3() 0.2 4 11.69.11 ()3 () 3.14 7.50.2 7.5 0.322/ t ca p mf dd n mm （5）螺母螺纹的强度校核 因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。 由机械手册查表可得 牙根宽度，基本牙高mmpb975 . 0 5 . 165 . 0 65 . 0 mmph75. 05 . 15 . 05 . 0 1 代入以下中的公式得 （3.7） 4 2 11.6 3.14 10.5 0.975 6 0.060/ p f d bn n mm （3.8） 1 2 4 2 3 3 11.6 0.75 3.14 10.5 0.9756 0.139 b bp fh d b n （6）横向振动的校核 对于钢制螺杆 （3.9） 2 6 13 2 2 6 2 12.3 10 4.7307.5 12.3 10 170 71415 / min c c c d n l r 应满足转速min/571328 . 0rnn c （7）传动效率 由回转运动转化为直线运动时 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 17 （3.10） tan (0.95 0.99) tan() tan(3 4) (0.95 0.99) tan(3 4 6 50) 0.292 0.304 效率取为297 . 0 图 3.4 机械手部分丝杠设计 3.6 齿轮的设计齿轮的设计 3.6.1 选择齿轮的材料，确定许用应力选择齿轮的材料，确定许用应力 由表 6.2 选 小齿轮 40cr 调质 1 260hbshbs 大齿轮 45 正火 2 210hbshbs 许用接触应力 由式 h lim min h hh h z 2 lim1 700/ h n mm 2 lim2 550/ h n mm 接触疲劳极限 查图 6-4 limh 接触强度寿命系数 应力循环次数 由式 n zn 1 6060 3500 1 (10 300 8) ib nn jl 9 1 2.88 10n 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 18 21/ nni 9 2 1.65 10n 查图 6-5 得、 1n z 2n z 1 1 n z 2 1.05 n z 接触强度最小安全系数 minh s min 1 h s 则 1 700 1/1 h 2 1 700/ h n mm 2 550 1.05/1 h 2 2 577/ h n mm 2 577/ h n mm 许用弯曲应力 由式 f lim min f fnx s y y 2 lim1 378/ f n mm 弯曲疲劳极限 查图 6-7，双向传动乘 0.7 lim1f 2 lim2 294/ f n mm 弯曲强度寿命系数 查图 6-8 n y 12 1 nn yy 弯曲强度尺寸系数 查图 6-9 x y1 x y 弯曲强度最小安全系数 minf s min 1.4 f s 则 1 378 1 1/1.4 f 2 1 270/ f n mm 1 294 1 1/1.4 f 2 1 210/ f n mm 3.6.2 齿面接触疲劳强度的设计计算齿面接触疲劳强度的设计计算 确定齿轮传动精度等级，按估算圆周速度，参 3 111 (0.013 0.022)/vnp n 1 4/vm s 考表 6.7、表 6.8 选取 公差组 8 级 小轮分度圆直径，由式 6-5 得 1 d 2 1 3 2(1) () eh hd z z zktu d u 齿宽系数 查表 6.9，按齿轮相对轴承位非对称布置 d 0.8 d 小轮齿数 在推荐值中选 1 z20 40 1 20z 大轮齿数 2 z 21 1.75 2035ziz 2 35z 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 19 齿数比 u 21 /35/ 20uzz1.75u 传动比误差 合适/u ua/(1.75 1.75)/1.7500.05u u a 小轮转矩 1 t 66 11 9.55 10/9.55 109.93/3500tp n 1 2710tn mma 载荷系数 k av kk k k k 使用系数 查表 6.3 a k1 a k 动载系数 由推荐表 1.051.4 v k1.2 v k 齿间载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 k1.1k 齿间载荷分布系数 由推荐值 1.01.2 k1.1k 载荷系数 k1 1.2 1.1 1.1 av kk k k k 1.45k 材料弹性系数 查表 6.4 e z 2 189.8/ e zn mm 节点区域系数 查图 6-3 h z2.5 h z 重合度系数 由推荐 0.850.92 z0.87z 故 2 3 1 189.8 2.5 0.872 1.45 27101.75 1 () 5770.81.75 d 1 19.92dmm 齿轮模数 按表 6.6 圆整 m 12 /19.92/ 200.996mdzmm1.5mmm 小轮分度圆直径 1 d 11 1.5 20dmz 1 30dmm 圆周速度 v 1 1/60000 30 3500/60000vd n5.5/vm s 与估计值接近 标准中心距 a 12 ()/ 21.5 (2035)/ 2am zz41.2amm 齿宽 b 1 0.6 2012 d bd 大轮齿宽 2 b 2 bb 2 12bmm 小轮齿宽 1 b 12 (5 10)bb 1 18bmm 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 20 3.6.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算齿根弯曲疲劳强度校核计算 由式 1 1 2 ffasaf kt y y y bd m 齿形系数 查表 6.5 小轮 fa y 1fa y 1 2.57 fa y 大轮 2fa y 2 2.21 fa y 应力修改系数 查表 6.5 小轮 sa y 1sa y 1 1.6 sa y 大轮 2sa y 2 1.776 sa y 重合度 1122 1 (tantan)(tantan) 2 aa zz 00 00 11.5 20cos201.5 35cos20 20 (tan(arccos)tan20 )35 (tan(arccos)tan20 ) 21.5 202 1.51.5 352 1.5 重合度系数 故0.250.75/y 0.68y 1 2 1.45 27095 2.57 1.6/(12 30 1.5) f 2 1 59.8/ f n mm 2 2 1.45 27095 2.21 1.776/(12 52.5 1.5) f 2 2 32.6/ f n mm 齿根弯曲强度满足 3.6.4 齿轮其他主要尺寸计算齿轮其他主要尺寸计算 大轮分度圆直径 2 d 22 1.5 35dmz 2 52.5dmm 根圆直径 f d 11 2302 1.875 1.5 ff ddh 1 26.25 f dmm 22 252.52 2.25 1.5 ff ddh 2 50.34 f dmm 顶圆直径 a d 1 2302 1.452 aa ddh 1 33 a dmm 1 252.52 2.25 aa ddh 2 57 a dmm 表 2.1 直齿轮参数表 参数符号小齿轮大齿轮相同 齿数z2035 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 21 模数m1.5mm 压力角 0 20 齿顶高系数 a h 1 顶隙系数c0.25 标准中心距 0 a 41.2mm 中心距a42mm 分度圆直径d30mm52.5mm 基圆直径 b d 28.191mm49.33mm 顶圆直径 a d 33mm57mm 根圆直径 f d 26.25mm50.34mm 齿顶高 a h 1.452mm2.25mm 齿根高 f h 1.875mm1.077mm 全齿高 t h 3.33mm 材料40cr45 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 22 图 3.5 机械手部分小齿轮 图 3.6 机械手部分大齿轮 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 23 图 3.7 机械手齿轮箱 3.7 电机的选型电机的选型 计算条件：空行程最长，夹紧时间不超过 1s50lmm 设计计算： 螺母移动平均速度 ， .（3.11） 50 50/ 1 lmm vmm s ts 丝杠的平均转速srn/ 3 . 33 摩擦转矩 .（3.12） 112 1 tan() 2 1 9 11.6 tan(3 4 6 50) 2 9.11 ta tmd f n mm （3.13） 2 1 3 1 0.12 11.6 10 3 4.64 tfd n mm mmnt 0 3 故（3.14）mmnttttq75.13064 . 4 11. 9 321 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 24 13.75 1998 2.88 95509550 q q t n pw 选用转速为的直流电机，速比min/3500 0 rn 75. 1 0 n n i 齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率96 . 0 1 297 . 0 2 总效率29. 0297. 096. 0 21 电机轴驱动转矩： .（3.15）mmnitt ql 1 . 2729 . 0 /75 . 1 /75.13/ 电机轴输出功率： （3.16）w nt p l l 93 . 9 9550 3500 1 . 27 9550 0 电机选用 40zy-02 直流电动机 3.8 辅助的三维图辅助的三维图 图 3.6 机械手轴承座 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 25 图 3.7 机械手部分轴承 3.9 本章小结本章小结 本章对手爪的类型及夹紧装置的设计。先对丝杠螺母式的手部结构进行设计分析， 然后对滑动丝杠进行了设计计算，对电机和直齿轮进行了选型。 第 4 章 直臂部分的设计 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，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 26 本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种 传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件 的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到 机械手的工作性能。 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部（包括工件或工具） ，并带 动它们作空间运动。本次设计主要讲直臂的升降。 4.1 手臂的结构的选择 机械手的手臂升降运动为直线运动。直线运动的实现一般是电机传动，以及电动机 驱动滚珠丝杠来实现。 我们选用滚珠丝杠结构的手臂，螺母带动丝杠进行升降，采用电机驱动。结构如下 图：中间为丝杠，两边为光杆。 运行方式为电机带动丝杠螺母，丝杠螺母是固定点，相对的丝杠做上下移动。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 27 图 4.1 直臂部分 4.2 滚珠丝杠的设计 （1）选取的滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠(右旋) 设计后丝杠总长380 all lmm 最大行程 350lmm 支承方式为两端固定 定位精度： 由表得，有效行程内目标行程公差，行程变动量mep47mvup39 由表得，任意 300mm 行程内行程变动量，弧度内行程变动量mv p 23 300 2mv p 8 2 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 28 丝杠精度为 5 级，可靠性 90%。 （2）计算载荷 机械手重量5mkg （重力加速度取） 510/50gmgkgn kgn10/gn kg .（4.1） 轴向载荷50 ma fn （3）初算导程： 丝杠螺母转速，直臂移动速度min/2000rn smmv/167 min/2000rnnm 初算导程，所以取mmnvp mh 99 . 4 /mmph5 （4）选工作寿命：hlh20000 （5）由表得， ， .（4.2） 1/3 (60)/100892.6 amwmamhac cf fn lf fn 335 amema cf fn 式中， 查机械手册得，精度系数9 . 0 a f 查机械手册得，可靠性系数1 c f 查机械手册得，载荷性质系数2 . 1 w f 查机械手册得，预加载荷系数7 . 6 e f 所以，892.6 am cn （6）静载计算：由机械手册得，式中 max 100 sa f fn2 s f （4.3） （7）选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式 cdm 1605-3.5-p5 型， 。 其中，16 0 d 5 . 13 2 d5 0 h pknca 1 . 11kncoa6 .24 满足承载能力要求。 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 29 （8）计算预紧力：， max 1 16.7 3 pa ffn ama ff max .（4.4） （9）值校验 n d 由机械手册得，符合要求。7000032000200016 max0 nd （10）临界转速校核 （4.5）min/2507/10 2 22 7 rlfdn cc 式中，查机械手册得，9 .21f mmll downc 1086 2 min/2006min/25078 . 08 . 0rrnn c 满足转速要求 （11）螺杆强度： 螺杆材料为 45 钢，调质处理，其许用应力mpa p 60 螺杆当量应力： .（4.6） 2 1 23 22 22 23 4 ()3() 0.2 4 150420 ()3() 3.14 13.50.2 13.5 1.52 ca p tf dd mpa 式中， 1 1 9.55420 p tn mm n 符合强度要求 (12)系统刚度计算 b k 刚性为机械刚度的指标，滚珠丝杠的刚性取决于螺杆与螺母之间轴向负荷珠槽接触 刚性及螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽螺杆及 钢珠珠槽两者间的刚性合二为一，成为螺帽刚性，因此 n k 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 30 .（4.7） nsb kkk 111 32. 4 2450 75.17 8 .168 .16 2 0 2 2 l d ks6 .617) 6 . 251 . 0 7 . 11 (4428 . 0) 1 . 0 (8 . 0 3 1 3 1 c f rk p n mn kk k ns b /35 . 4 11 图 4.2 直臂部分滚珠丝杠 4.3 电机的选型 计算条件：丝杠轴向工作载荷约为，丝杠移动速度50 m fnsmmv/167 设计计算： 丝杠工作的功率： （4.8） 1 501678.35pfvnw 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 31 丝杠转矩 1 1 9.550.042 p tn mm n a 电机选用同步转速的三相异步电机 0 2000 / minnr 电机输出轴负载转矩： 0.042 0.042 1 l tn mma 电机输出轴功率 .（4.9） 0 8.80 9.55 l l n t pw 电机选用 ys5012 三相异步电动机 4.4 辅助的三维图 图 4.3 直臂部分轴承座 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 32 图 4.4 直臂部分连接件 4.5 本章小结 本章对机械手直臂的类型及升降装置进行了设计，对滚珠丝杆结构进行设计分析和 设计计算，对电机进行了选型。 第 5 章 横臂部分的设计 5.1 手臂的结构的选择 机械手的手臂升降伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是电机传动，以及 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 33 电动机驱动滚珠丝杠来实现。 我们选用滚珠丝杠结构的手臂，螺母带动丝杠进行平移，采用电机驱动。结构如下 图：中间为丝杠，两边为光杆。 运行方式为电机带动丝杠螺母，丝杠螺母是固定点，相对的丝杠做左右移动。 图 5.1 横臂部分 5.2 滚珠丝杠的设计 （1）选取的滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠(右旋) 设计后丝杠总长380 all lmm 最大行程 350lmm 支承方式为两端固定 定位精度： 由表得，有效行程内目标行程公差，行程变动量mep47mvup39 由表得，任意 300mm 行程内行程变动量，弧度内行程变动量mv p 23 300 2mv p 8 2 丝杠精度为 5 级，可靠性 90%。 （2）计算载荷 手腕手爪部分重量10mkg （重力加速度取） 1010/100gmgkgn kgn10/gn kg .（5.1） 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 34 轴向载荷100 ma fn （3）初算导程： 丝杠螺母转速，直臂移动速度3500 / minnr292/vmm s 3500 / minmnr 初算导程，所以取mmnvp mh 99 . 4 /mmph5 （5）选工作寿命：hlh20000 （5）由表得， ， 1/3 (60)/1001785.2 amwmamhac cf fn lf fn . .（5.2） 670 amema cf fn 式中， 查机械手册得，精度系数9 . 0 a f 查机械手册得，可靠性系数1 c f 查机械手册得，载荷性质系数2 . 1 w f 查机械手册得，预加载荷系数7 . 6 e f 所以，670 am cn （7）静载计算：由机械手册得，式中 max 200 sa f fn2 s f （5.3） （7）选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式 cdm 1605-3.5-p5 型， 。 其中，16 0 d 5 . 13 2 d5 0 h pknca 1 . 11kncoa6 .24 满足承载能力要求。 （8）计算预紧力：， max 1 33.3 3 pa ffn ama ff max （5.4） （9）值校验 n d 由机械手册得，符合要求。7000032000200016 max0 nd 中国矿业大学徐海学院 3013 届本科生毕业设计 35 （10）临界转速校核 （5.5） 72 22 10/4407 / min cc nfdlr 式中，查机械手册得，9 .21f 0.80.8 2507 / min3525.6 / min c nnrr 满足转速要求 （12）螺杆强度： 螺杆材料为 45 钢，调质处理，其许用应力mpa p 60 螺杆当量应力： .（5.6） 2 1 23 22 22 23 4 ()3() 0.2 4 150120 ()3() 3.14 13.50.2 13.5 2.90 ca p tf dd mpa 式中，mmn n p t12055 . 9 1 1 符合强度要求 (12)系统刚度计算 b k 刚性为机械刚度的指标，滚珠丝杠的刚性取决于螺杆与螺母之间轴向负荷珠槽接触 刚性及螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽螺杆及 钢