毕业设计（论文）-重型轴类形状零件双Z轴桁架自动化系统设计（全套图纸）

摘要摘要 凸轮轴桁架自动化系统是工业制造上不可缺少的一部分，作灵活、 运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作 机械之间的障碍物进行工作，这些优点就是桁架机械手能够快速良好发 展的根本，机械手能够代替人力，更能够准确的去完成工作。在现代工 业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生 产过程的自动化已基本得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效 的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多 品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的 装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为 实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够模仿人体上肢的部分功 能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行 生产操作的自动化生产设备。通过对加工中心生产线的加工布局的分析， 确定了桁架机械手输送的方案，即桁架机械手输送缸体的输送程序，输 送方法和桁架机械手的结构；实现了桁架机械手在专机输送上的应用， 达到了快速，柔性输送缸体的目的，提高了机床的性能、可靠性和自动 化程度；从根本上解决加工中心生产线的生产节拍长的难题。 关键词：关键词：加工中心生产线；桁架自动化系统机械手；伺服驱动；生产节 拍； Abstract Truss automation system of mechanical hand is part of the manufacturing industry is indispensable, flexible, motion inertia small, general strong, can grab near the base of the workpiece, and can work around obstacles between the body and the mechanical work, these advantages is the mechanical hand can quickly speed and good development of the fundamental, the mechanical hand to replace human, can be more accurate to complete the work. In the modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Automatic continuity of the chemical production process has been basically resolved. Special machine is an effective method for mass production automation; control of machine tools, CNC machine tools, machining centers, automated machinery is an important way to effectively solve the many varieties of small batch production automation. But in addition to cutting itself, there are a large number of loading and unloading, handling, assembly operations, further realizes mechanization, the industry manipulator is to realize the automation of these processes and production. Mechanical hand is able to mimic the part of the human upper limb function can carries on the automatic control of the scheduled in accordance with the requirements of transportation products or tools to maintain the operation of automated production equipment. Truss manipulator delivery scheme is determined through analysis of processing production line processing layout, namely truss manipulator conveying cylinder transportation procedure, conveying method and truss manipulator structure; to realize application in the conveying plane truss manipulator, achieves the quick speed, flexible conveying cylinder and improve the machine performance, reliability and degree of automation; fundamentally solve problems of long production cycle of processing production line. Keyword: processing production line ； automation system; truss manipulator; servo drive; production cycle； 全套图纸，加 153893706 目 录 引言 . 1 第一章前言 . 2 1.1 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统概述件的功用 . 2 1.2 凸重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的组成及作用 . 2 1.2.1 各重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的组成 2 1.2.2 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的作用 2 第二章重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 4 2.1 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的设计关键技术参数要求 . 4 2.1.1 X 轴横梁的相关计算 . 4 2.1.2 导轨滑块承载能力计算 . 6 2.1.3 移动速度计算 8 2.2 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动方案设计 . 9 2.3 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机选择 . 10 2.3.1 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机额定转速选择 10 2.3.2 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机额定功率选择 10 2.4 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的导轨选择 . 12 2.5 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的齿轮齿条选择 . 14 第三章重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的主体部分结构设计 24 3.1 夹手部分基座的结构设计结构 24 3.1.1 概述 . 24 3.1.2 手部的结构和手指形状的确定 . 24 3.2 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的走线系统结构设计 . 24 3.2.1 拖链选择的技术条件 . 24 3.2.2 根据拖链选择设计拖链槽结构 . 26 第四章基于 solidworks 双 Z 轴桁架系统的建模及装配 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1 solidworks 软件建模与装配概述 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 运用 SolidWorks 软件进行零件设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 运用 SolidWorks 软件进行零件装配 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章 CAD 绘图简单说明 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 引言 1 引言引言 毕业设计的关键是结束的大学生在学校期间,这是一个综合考试的知识,也是我们 的实际设计过程,模拟真实的环境,这使得本专业设计工作我们有一个更深刻的理解, 因此,为未来的工作奠定了坚实的基础。 为了有效地完成毕业设计,我们把之前的生产现场的实际情况,并通过查找大量的 资料和其他教科书和参考书,写这个夹具设计规范。它通过程序的设计,进一步机车阀 导块的过程。通过编写夹具、测量工具、刀具设计规范,进一步说明了设计理念,巩固 学到各种各样的知识。这个设计编译一组批生产过程规划。简单实用的夹具设计更多 的反映了经济技术指标在设计中的重要地位。 设计工作是一个细致、困难、复杂,涵盖非常广泛,它不仅巩固了所学的知识,更多 的提高和锻炼我们的综合能力,如计算能力、图形功能。但是因为我的学校和水平有 限,难免有缺点和错误的设计,请在这里老师评论。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 前言 2 第一章前言 1.1 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统概述件的功用轴桁架系统概述件的功用 凸桁架式机器人是一种综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工 智能等多学科而形成的高新技术产品。是一种能进行自动控制、可重复编程的、多功 能的、多自由度的、多用途的操作设备。随着国内企业用人成本的不断增加，桁架式 工业机器人在制造业中实现规模化生产、摆脱单调重复的体力劳动、提高产品质量方 面具有明显的优势，在高温、有毒场合具有人工无法替代的作用，在机械加工业具有 广泛的运用，了解和掌握桁架式机器人的特点、结构和设计，对推动我国机器人的运 用具有现实指导意义。重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统是一种建立在直角 X，Y， Z 三坐标系统基础上，对工件进行工位调整，或实现工件的轨迹运动等功能的全自动 工业设备。 1.2 凸重型轴类形状零件双凸重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的组成及作用轴桁架系统的组成及作用 1.2.1 各重型轴类形状零件双各重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的组成轴桁架系统的组成 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统由结构框架、 X 轴组件、 Y 轴组件、 Z 轴组件、 工装夹具以及控制柜，六部分组成。 1.2.2 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的作用轴桁架系统的作用 系统可以实现多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。自动控制 的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。一般由控制系统、驱动系统、机械系统、 操作工具等组成。 灵活， 多功能， 因操作工具的不同功能也不同。 可用于恶劣的环境， 可长期工作，便于操作维修。各个机器人行走轴，均可采用滚轮导轨，具有可高速运 行，安装调试方便，适合长行程应用，可用于恶劣环境等优点。并且高效，其各轴以 极高的速度直线运行，可用伺服电机快速响应；结构稳定，极小的重复性误差，最高 可达 0.05mm；高强度，7x24 小时工作，不需要吃饭、睡觉、抽烟等；高精度定位精 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 前言 3 度可达 0.02mm（基于制作成本原因，可根据使用工况适当放大定位精度） ；性价比高 相比关节机器人，其负载重量大，制作成本低，适合于“中国智造”基本国情； 操作简单，基于直角坐标体系，其运动参数较为简单。重型轴类形状零件双 Z 轴桁架自动化系统可以对重量大的工件进行操作， 最大限度的提高了桁架自动化系统 的应用，对于设计加工具有重大意义。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 4 第二章重第二章重型轴类形状零件双轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计轴桁架系统的传动系统设计 根据书籍的设计思想的原始数据,以确定生产的类型。根据设计规范给出根据车 间的工作情况和工件的重量,根据生产可分为单位生产、小批量生产、批量生产和批 量生产。金属机械加工工艺人员手册检查表 15 - 5 部分体重 48 公斤 100 公斤,年产 量 3000 件,属于批量生产。 2.1 双双 Z 轴桁架系统的设计关键技术参数要求轴桁架系统的设计关键技术参数要求 2.1.1 X 轴横梁的相关计算：轴横梁的相关计算： 根据 X 轴横梁的布局形式可将横梁按两点支承结构计算横梁的相关参数，包括： 剪切力 Q、弯矩 M。 1.初始条件： (1) 横梁及导轨自身质量 W1； (2) 托板及其上的包含 Z 轴部件的总重量 W2； (3) 抓手自身质量 W3； (4) 工件自身质量 W4； (5) 重力加速度：g； 2 .横梁所受外力： F=W2+W3+W4,方向垂直向下。横梁不考自重时计算示意图见图 2.1 所示: 图 2.1 横梁不考自重时计算示意图 图中 l 为横梁的总有效跨度； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 5 l1: 托板左侧导向滑块距横梁左端尺寸； l2：托板右侧导向滑块距横梁右端尺寸； l3： Z 轴托板上两导向滑块之间距离； q 外：除横梁自重之外所有外力所产生的均布载荷， 3.桁架机器人在外力作用下的设计计算公示表 表 2.1 桁架机器人在外力作用下的设计计算公示 名称 计算条件 计算公式 剪力 0xl1 Q外=q外l3/l(l2+l3/2) l1x(l1+l2) Q外=q外l3/l(l2+l3/2)- q(x- l1) (l1+l3) xl Q外=- q外l3/l(l1+l3/2) 弯矩 x=l1+l3/l(l2+l3/2) Mmax外=ql3/l(l2+l3/2)(l1+(2l2l3+l32)/4l 4.横梁只考虑自重时的计算示意图 图 2.2 横梁只考虑自重时的计算示意图 当 X 轴横梁只考虑自重时，由横梁自身质量产生的载荷 q 自沿横梁全长作用，q 自= w1/l，且均匀分布。 表 2.2 桁架机器人在自重作用下的设计计算公式 名称 计算条件 计算公式 剪力 Q自=q自l/2- q自x 弯矩 x=l/2 Mmax=q自l2/8 横梁实际工作中所受作用力是自重和外力共同作用的结果， 是上述两种状态计算 参数的矢量叠加，见表 2.3。 表 2.3 横梁实际工作中所受作用力是自重和外力共同作用的结果 名称 计算公式 剪力 Q总=Q外+Q自 弯矩 M总Max=M外Max+M自Max 6、横梁弯矩强度校核、横梁弯矩强度校核 （1）横梁可以等效为一个等截面中心对称的杆件结构，对整个横梁截面来说， 最大应力发生在弯矩最大的截面上。其值为： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 6 /maxMmax Wz=总 式中：Wz 为抗弯截面系数。 （2）强度条件：产生最大弯矩的截面称为危险截面，危险截面上产生最大应力 的点称为危险点。即： / maxMmax Wz=总 式中： 为材料的许用应力。 = 0/n 0 为材料的极限应力。对于脆性材料：0=b;对于塑性材料：0=s。n 为安全 系数。对于脆性材料：n=2.53.0；对于塑性材料：n=1.52.0。 （3）横梁剪切强度校核：最大弯曲剪切应力通常发生在截面中性轴处，该处的 正应力为零，最大剪切应力作用点处于纯剪切应力状态。横梁是一个等截面直梁，最 大弯曲剪切应力发生在剪力最大的截面上。 最大弯曲剪切应力不得超过材料在纯剪切 时许用剪应力。 即： max max zmzx z QS I b = 总 式中： Q 总 max 是发生在截面上的最大剪切力：Smax 是所求应力点外的面积到中性轴 的静面矩，静面矩 S=应力点面积 A应力点面积形心对某轴的标矩； Iz 是横梁截面对中性轴 Z 的惯性矩；b 是横梁截面的宽度； 是材料的剪切许应力，它与材料的许用用力之间，存在如下关系： 对于塑性材料：=0.60.8;对于脆性材料：=0.81.0 2.1.2 导轨滑块承载能力计算：导轨滑块承载能力计算： 导轨滑块是 X 轴运动时的导向机构，它由两根导轨和四只滑块组成。两导轨固 定在横梁侧面的安装面上，四只滑块与托板固定联接，托板上装有 X 轴驱动部件、Z 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 7 轴驱动部件、整个 Z 轴部件、轨道润滑装置等。 1. 初始条件： 工件质量 m1； 托板自身质量 m2； 托板上负载的质量 ms：包括 X 轴驱动部件、Z 轴驱动部件、整个 Z 轴部件、 轨道润滑装置等； 重力加速的：g； 2 .计算模型 见图 2.3 所示： 图 2.3 计算模式 图中：mg=（m1m2m3）g：滑块所受总负载； L0：两滑块水平方向中心线之间的距离； L1: 两导轨垂直方向中心线之间的距离； L2: 滑块所受负载几何中心与托板水平几何中心线水平方向的距离； L3：滑块所受总负载几何中心与导轨几何中心线前后水平方向的距离； P1、P2、P3、P4：滑块 1、滑块 2、滑块 3、滑块 4 分别所受径向力见图 2.4 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 8 图 2.4 P1T、P2T、P3T、P4T：滑块 1、滑块 2、滑块 3、滑块分别所受侧向力 表 4 计算公式计算公式 名称 计算公式 径向力 P1=P2=- mg.l3/(2.l2) P3=P4=mg.l3/2l2 侧向力 P1T=P4T=mg/4+mg.l2/(2l0) P2T=P3T=mg/4- mg.l2/(2l0) 2.1.3 移动速度计算移动速度计算 “移动速度”是桁架机器人的主要参数之一，桁架机器人运动速度的快慢直接影 响机器人工作的节拍，从而决定机器人的工作效率。 1.工作方式及运动特点 桁架机器人的工作方式： 机器人在某一位置处于静止状态； 当电气控制系统接受到某一控制信号后桁架带动机械手由静止状态开始加速启 动； 机械手按某一运动轨迹运动到特定位置执行特定的运动。 运动特点：上述运动过程可分解三个部阶段 机械手由静止到匀速运动中的加速度阶段； 机械手匀速运动阶段； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 9 机械手匀速运动到特定位置停止的减速阶段； 2 .初始条件 （1）机械手开始处于静止状态，初始运动速度 V0=0； （2）机械手由静止到匀速运动过程中的加速度 a 加； （3）机械手由静止到匀速运动过程中的加速度时间 t 加； （4）机械手匀速运动时的速度 V, （5）机械手由匀速运动到静止过程中的加速度 a 减， （6）机械手由匀速运动到静止过程中的减速度 t 减， 3.计算公式： 加速过程： v=v0+a加t加 减速过程： v=v0- a减t减 2.2 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动方案设计轴桁架系统的传动方案设计 在机器人驱动系统中，电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过 减速机构去驱动机器人的关节，来获取动力。电气驱动主要有步进电机、直流伺服电 机、交流电机、直线电动机以及最近几年出现的超声波电机和 HD 电动机【10】等几 种。 步进电机是一种用脉冲信号控制，每输入一个脉冲，步进电机就进行回转一定的 角度，脉冲数与角度数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽 的范围内， 通过脉冲频率同步， 能够按照脉冲要求进行启动、 停止、 反转和制动变速， 有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中位置控制系统中得到了极大的应用。主要 有永磁式、反应式、永磁感应子式三种。 直流伺服电机是用直流电供电的电动机。其功能是将输入的受控电压/电流能量 转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。 直流伺服电机的工作原理和基本结构均与普 通动力用直流电机相同。特点是稳定性好、可控性好、响应迅速、转矩大。一般有永 磁式和电磁式，在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。 交流伺服电机的使用情况与直流伺服电机相同， 但交流伺服电机与直流伺服电机 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 10 相比，结构简单、工作可靠、功率大、过载度能力强、无电刷、维修方便，因而交流 伺服电机是今后机器人用电流的主流。 低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率效率比，伺服电机制 成高转速， 经齿轮减速后带动机械负载。 由于齿轮传动存在间隙， 系统精度不易提高， 若对功率效率比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮， 采用大力矩的低速电机，配以高分辨力的光电编码器及高灵敏度的测速发动机，实现 直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需 齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递 信息。HD 电动机是一种小型大转矩（大推力）的电动机，电动机可直接与负载连接， 可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。 通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较， 综合考虑本文桁架机器人臂并不 要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用 较为广泛的步进电机作为驱动电机。 2.3 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机选择轴桁架系统的驱动电机选择 2.3.1 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机额定转速选择轴桁架系统的驱动电机额定转速选择 对于机械手的抓取操作及其在上料和卸料的时候，考虑对其工件的精准性，所以 提供的动力源也要运行精确， 保证加工的产品在规定时间内， 在保证其质量的情况下， 快速的完成，为人工师傅们节约更多的时间， 根据本次设计要求 电机的转移量为 1/PPbZ= 电机的最大转速 N /NVP= 根据设计要求的电机品牌，按照计算的参数，选择合适的驱动电机额定转速，再 结合转矩等参数要求，确定具体电机。 2.3.2 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的驱动电机额定功率选择轴桁架系统的驱动电机额定功率选择 1、驱动电机扭矩计算： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 11 驱动电机是驱动横梁上运动部件的动力源， 由于桁架机器人对运动部件的运动 速度和重复定位精度有相应的要求，驱动电机均采用伺服电机，伺服电机驱动力的大 小一般由电机的额定扭矩来决定。因此，设计时需要计算驱动电机的扭矩。 2、 初始条件 （1）电机驱动的总载荷量 G（托板上所有零件及 Z 轴自重 W2、手爪质量 W3、 工件质量 W4） 。 （2）G=W2 +W3 +W4, （3）驱动齿轮的直径 D， （4）电机中心到上轨道中心距离 L1； （5）电机中心到轨道中心距离 L2； （6）轨道运动式的摩擦系数 u 3、 计算模型 图 2.5 计算模型 在总载荷 G 的作用下运动部件在上下轨道上所受的力可以分解为径向力和侧 向力，运动时所受的滑动摩擦力是上述两种力共同作用的结果，上轨道所受摩擦力 F1= u(P1T+P2T+P1+P2),下导轨上所受的摩擦力 F2=u(P3T+P4T+P3+P4)。上下轨道 上所受滑动摩擦力的合力与电机转动时作用在齿轮齿侧面分度圆上的传动力大小 FRZ 相等，方向相反，即：FRZ=F1+F2,运动部件启动和停止时由于加速度的存在， 运动部件存在惯性力，加速度时惯性力与运动方向相同为正，减少时惯性力与运动方 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 12 向相反为负 234FMaWWWa=+惯（） 在运动部件启动时， 运动部件加速度 F 总=F 惯+FRZ,此时电机需输出最大的驱 动力才能驱动运动部件运动。 电机输出功率计算： /1000PFv=总 式中： P：电机的输出功率； v:运动部件匀速运动时的速度； ：运动时的机械效率 伺服电机扭矩的计算： 9550/TP n= 式中： P：电机的输出效率； v: 电机运动时的转速； T：电机的输出扭矩； 电机型号的确定：根据计算电机的输出扭矩，选择所需的电机。 /TT inTn i=额 式中： T 额：电机的额定输出扭矩； i：与电机相连的减速器的减速比； T：电机的输出扭矩； n：电机运行时的安全系数； 2.4 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的导轨选择轴桁架系统的导轨选择 根据给定的工作载荷 Fz 和估算的 WX 和 Wy 计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P, 式中：C0 为导轨的基本静额定载荷，KN；工作载荷 P=0.5(Fz+W);fSL=1.03.0(一般 运行状况)，3.05.0（运行时受冲击、振动） 。根据计算结果查有关资料初选导轨： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 13 选 BR 直线滚动导轨，E 级精度。查得，fh=1,ft=1,fc=0.81,fa=1,fw=1. 工作寿命每天 8 小时，连续工作 5 年，250/年，额定寿命为： ()()() 5 250 810000 ,8 260/ 1032 0.31 8 60 38400 / 10311428 Lhhnz LlsnZLhkm = = = = 每分钟往复次数 （） 计算四滑块的载荷，工作台及其重物约为 4000N 计算需要的动载荷 Ca () () 110/ 427.5 /50 1/3208 PN CafWPfhftfcfaLN = =（） 由机械电子工程专业课程设计指导书表 3- 20 中选用 LY15AL 直线滚动导轨 副，其 Ca=606N,C0a=745N 基本参数如下： 导轨的额定动载荷 Ca=17500N 依据使用速度 V （m/min） 和初选导轨的基本动额定载荷 Ca(KN)验算导轨的工作 寿命 Ln: 额定行程长度寿命： ()()/ /2000/ 4500 TsKfHfTfCfwCa F FFMM = = 1,2,0.81,1fTfwfCfH= , ()() /050 /350/ 1 1 0.81 17500 / 2 500 3142409.58() () KR d TSKfHfTfCCafWFkm = = = 导轨的额定工作时间寿命： () () 0 0 103/ 2 103/ 249447715000 THTSl n THTSl nh Th = = 导轨的工作寿命足够 滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度，预紧采用过盈配合，装配时，滚动体、滚道 及导轨之间有一定的过盈量。 润滑与防护 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 14 润滑：采用脂润滑，使用方便，但应注意防尘。 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨，以提高导轨寿命。防 护方式用盖板式。 2.5 重型轴类形状零件双重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的齿轮齿条选择轴桁架系统的齿轮齿条选择 1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 a.选直齿圆柱齿轮 b货叉为一般工作机械，速度不高，故选用 7 级精度（GB/0095- 88） ； c材料选择。选择齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS,齿条材料为 45 钢 （调质） ，硬度为 240HBS; d初选齿轮齿数为 Z=20。 2.按齿面接触强度计算 计算公式为 2 3 2 1 ZE1 2.32 H kT dt d a.确定公式内各参数的值。 . 试选载荷系数 Kt=1.2 . 计算齿轮传递的转矩 5 3 4 95.5 10 40 10 26 / min 1.47 10. T r N mm = = . 选齿宽系数 d=0.45 . 查得材料的弹性影响系数 ZE=189.8MPa1/2 . 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim=600MPa,齿条的接触疲劳强 度极限 Hlim=550MPa . 取齿轮接触疲劳寿命系数 kH=0.90，齿条接触疲劳寿命系数 KH=0.95 . 计算接触疲劳许用应力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 15 取失效概率为 1%,安全系数 S=1，由公式/HkHNlim S=求得：齿轮的接触 疲劳许用应力540HMPa=,齿条的接触疲劳许用应力522.5.HMPa= a.按齿面接触强度计算 （1） 计算齿轮的分度圆直径 2 3 2 24 3 2 11 2.32 1+1 189.81.47 10 2.32 1522.51 36.5 ZEkT dt d H mm = = （2） 计算圆周速度 d V0.05/ 60 1000 tn m s = （3） 齿宽 0.45 36.516.425bd dtmm=g （4） 计算齿宽与齿高之比/b h 模数 /36.5/ 201.825mtdt zmm= 齿高 h2.252.25 1.8254.11mtmm= /16.425/ 4.113.996b h = (5)计算载荷系数 根据 v=0.05m/s,7 级精度，由图可查得动载荷系数 Kv=1.002 直齿轮，KH=KF=1 由表查得使用系数 KA=1.25 由表查得 7 级精度，齿轮悬架布置时，KH=1.189 由 b/h=3.996,KH=1.189,查得 KF=1.14；故载荷系数 1.002 1 1.25 1 1.18969.222KKAKvKHKHmm= = (6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式得： 33 1.489 36.539.222 1.2 K dtmm Kt = （7）计算模数 /39.222/ 201.96mmdzmm= 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 16 3.按齿根弯曲强度计算 弯曲强度的实际公式为 3 2 2YFaYSaKT m FdZ a. 确定公式内各参数的值 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1=500MPa；齿条的弯曲疲劳强度极限 FE2=380MPa 查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.83;齿条的弯曲疲劳寿命系数 KFN2=0.88； 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由公式得： 齿轮的许用应力() 110.83 500 296.43 1.4 KFNFE FMpa S = 齿条的许用应力() 220.88 380 238.86 1.4 KFNFE FMpa S = 计算载荷系数 K 1.002 1.25 1.141.428KKAKvKFKF= 查取齿形系数 查得齿轮的齿形系数 YFa=2.80 查取应力校正系数 查得 YSa=1.55 计算 () 2.80 1.55 0.01464 303.57 YFaYSa F = b. 设计计算 () 4 3 3 22 22 1.428 1.47 10 m0.014641.51 0.45 20 YFaYSaKT mm FdZ = 对比计算结果， 由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 17 模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳 强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数成积）有关，可取由弯曲强度 算得的模数 1.51 并就近圆整为标准值 m=2mm,按接触强度算得的分度圆直径 d=39.222mm，算出齿轮齿数 z=d/m=39.222/2=20 这样设计出的齿轮传动， 既满足了齿面接触疲劳强度， 又满足齿根弯曲疲劳强度， 并做到结构紧凑，避免浪费。 4.几何尺寸的计算 a.计算分度圆直径 2 2040dmzmm= b 计算齿轮齿条宽度 0.45 4018,bd dmm= 取齿轮宽度 B=17mm,齿条宽度为 B=16mm, c 计算齿顶圆直径 2402 244D adha mmm=+ = d 计算齿根圆直径 ()2402 1.25 235d fdh ac mmm=+= = e 计算齿轮齿条的节距 2Pm= f 计算齿顶高 1 22h aha m= = g.计算齿根高 ()()1 0.2522.5h fch a m=+=+= 竖直方向运动机械部件的计算 步进电机的选型 计算所需的转矩： 式中： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 18 () ()() () ()() 222 0.1 1 12 l t l MMMN m MJJJtN m MMN m Jm bhkg m M F l =+ =+ = =+ = g g g g 惯摩 启惯手腕臂负载 摩 Ml臂转动所需的转矩（N.m）; M 惯臂转动产生的惯性转矩（N.m）; M 摩摩擦所产生的转矩（N.m）; l臂的长度（mm）,l=200mm； 臂材料的密度（kg/m3） ，=2.7103kg/m3; B臂的外宽（mm） ，B=180mm; H臂的外长（mm）,H=180mm; b臂的内宽(mm),b=150mm; h臂的内高（mm）,h=150mm; d旋转中心的偏移量（mm）,d=400mm; 臂摆动的角速度（rad/s）; v工作速度（m/s）,v=0.6m/s; t 启启动时间（s） ，t 启=0.5s; ll电机安装位置，ll=200mm. 设臂为实心时的质量为 m 外，对应的转动惯量为 J 外，用臂材料填充臂空心部 分所需的质量为 m 内；对应的转动惯量为 J 内。 代入数据得： 2.7 103 0.18 0.18 0.869.98mBHlkg=外 2.7 103 0.15 0.15 0.848.6 69.9848.621.38 mbhlkg mmkg = = 内 外内 同理有： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 19 /14.18 1.1155/0.532.756 0.9. /0.936.4 /36.4/0.2182 MJtN m MMlN m MlMN m FM llN = = = = 惯总 惯 惯 所以根据计算所得数据选择 110BYG350DH- SAKRMA 型号的电机， 3.选的齿轮类型、精度等级、材料及齿数 e选直齿圆柱齿轮； f货叉为一般工作机械，速度不高，故选用 7 级精度（GB/0095- 88） ； g.材料选择，材料齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，齿条材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS; h.初选齿轮齿数为 Z=20. 4.按齿面接触强度计算 设计公式为 () 2 3 2 11 2.32 ZEkT dt d H c.确定公式内各参数的值。 试选载荷系数 Kt=1.2 计算齿轮传递的转矩 选齿宽系数d=0.45 查得材料的弹性影响系数 ZE=189.8MPa1/2 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim=600MPa，齿条的接触疲劳强 度极限 Hlim=550MPa 取齿轮接触疲劳寿命系数 KH=0.90,齿条接触疲劳寿命系数 KH=0.95 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%,安全系数 S=1，由公式H=kHN/S*lim 求得：齿轮的接触疲 劳许用应力H=540MPa，齿条的接触疲劳许用应力H=522.5MPa。 d.按齿面接触强度计算 (1)计算齿轮的分度圆直径 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 20 224 3 3 22 111 1 189.81.47 10 2.322.3236.5 1522.51 ZEkT dtmm d H + = (2)计算圆周速度 36.5 26 0.05/ 60 100060 1000 dtn vm s = (3)齿宽 0.45 36.516.425bd dtmm=g （4）计算齿宽与齿高之比 b/h 模数 /36.5/ 201.825mtdt zmm= 齿高 2.252.25 1.8254.11hmtmm= (5)计算载荷系数 根据 v=0.05m/s，7 级精度，由图可查得动载荷系数 Kv=1.002 直齿轮，KH=KF=1 由表查得使用系数 KA=1.25 由表查得 7 级精度，齿轮悬臂布置时，KH=1.189 /3.996,1.189,1.14;b hKHKF=由查得故载荷系数 1.002 1 1.25 1 1.1891.489KKAKvKHKH= = (6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由公式的： 33 1.489 36.539.222 1.2 K ddtmm Kt = (7) 计算模数 /39.222/ 201.96mmdz= 3.按齿根弯曲强度计算 a 确定公式内各参数的值 (1)查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE1=0.83MPa；齿条的弯曲疲劳强度极限 FE2=0.88MPa; (2)查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.83；齿条的弯曲疲劳寿命系数 KFN2=0.88; (3)计算弯曲疲劳许用应力 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 21 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由公式得： 齿轮的许用应力 110.83 500 296.43 1.4 KFNFE FMpa S = 齿条的许用应力 220.88 380 238.86 1.4 KFNFE FMpa S = (4)计算载荷系数 K 1.002 1.25 28KKAKvK KF= (5)查得齿形系数 查得齿轮的齿形系数 YFa=2.80 (6)查取应力校正系数 查得 YSa=1.55 (7)计算 () 2.80 1.55 0.01464 303.57 YFaYSa F = b.设计计算 () 4 3 3 22 22 1.428 1.47 10 0.014641.51 0.45 20 YFaYSaKT mmm FdZ = 对于计算结果， 由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的 模数，由于齿根模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳 强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强 度算得的模数 1.51 并就近圆整为标准值 m=2mm，按接触强度算得的分度圆直径 d=39.222mm,算出齿轮齿数/39.222/ 220Zd m= 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强 度，并做到结构紧凑，避免浪费。 4.几何尺寸的计算 a.计算分度圆直径 2 2040dmzmm= 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 22 b.计算齿轮齿条宽度 0.45 4018,bddmm= = 取齿轮宽度 B =17mm,齿条宽度为 B=16mm. a. 计算齿顶圆直径 2402 244Dadha mmm=+=+ = b. 计算齿根圆直径 ()2402 1.25 235dfdhacmm=+= = c. 计算齿轮齿条的节距 2Pm= d. 计算齿顶高 1 22haha m= = e. 计算齿根高 ()()10.2522.5Hfcha m=+=+= 齿条齿部弯曲强度的计算 齿条牙齿的单吃弯曲应力： 0 61/2FFxt hb s= 式中：Fxt齿条齿面切向力 b危险截面处齿长方向齿宽 h1齿条计算齿高 S危险截面齿厚 从上面条件计算出齿条牙齿弯曲应力： 2 0 6 2669.67 5.625 20 3.162451.16/FN mm= 上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿 轮齿条的总重系数是 2.63 （理论计算值） ,在啮合 过程中至少有 2 个齿同时参加啮合， 因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。 2 010 2182.2/FFN mm= 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的传动系统设计 23 齿条的材料我选择是 45 钢制造，因此：抗拉强度 b=690N/mm2(没有考虑热处 理对强度的影响)。 齿部弯曲安全系数 01 3.8SbF= 因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次 设计的具体要求。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的主体部分结构设计 24 第三章重型轴类形状零件双 Z 轴桁架系统的主体部分结构设计 3.1 夹手部分基座的结构设计结构夹手部分基座的结构设计结构 3.1.1 概述概述 做零件时, 机器人的手部是最重要的部件。从其功能和形态上看，分为工业机器 人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，比较成熟，后者正在发展中。 工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工作或工具的部件，由于 被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同，其手部结构也是多种多样 的， 大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计