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通用机械手结构设计与虚拟装配设计说明书.doc

程控通用机械手的结构设计【圆柱坐标式】【原创含全套CAD图纸和论文】

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关键词：: 原稿通用机械手结构设计

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摘要………………………………………………………………………………………2

Abstract…………………………………………………………………………………3

第1章绪论………………………………...………………………………………….4

1.1 本文研究目的及意义………………………………...………………………….5

1.2 通用机械手组成及特点………………………………...……………………..5

1.3 通用机械手国内外现状………………………………………………………8

1.4 本次课题提出及主要任务………………………………...……………………10

第2章通用机械手方案设计………………………………...……………………11

2.1通用机械手组成及各部分关系………………………………...……………….11

2.2通用机械手方案分析………………………………...…………………………12

第3章通用机械手机械系统设计………………………………...………………15

3.1步进电机的选择………………………………...………………………………15

3.2行走机构齿轮传动设计………………………………...………………………17

3.3导向光杆设计………………………………...…………………………………22

3.4联轴器的设计与选择…………………………...………………………………26

3.5主轴的设计………………………………...……………………………………27

3.6推动油缸的设计………………………………...………………………………30

3.7手爪装置的设计………………………………...………………………………34

第4章通用机械手液压系统设计………………………………...…………………..35

4.1 液压系统简介………………………………...…………………………………36

4.2 液压系统的组成………………………………...……………………………….39

4.3机械手液压系统控制回路………………………………...…………………….39

4.4机械手液压传动系统………………………………...………………………….41

4.5机械手液压系统传动过程………………………………...…………………….41

4.6 系统工况分析图………………………………...………………………………42

4.7液压系统工作原理图………………………………...…………………………43

结论………………………………...…………………………………………46

参考文献………………………………...………………………………………………..47致谢………………………………...………………………………………………........48

摘要

在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压驱动和手臂回转用液压缓冲器。

关键词：通用机械手坐标式液压驱动

Abstract

Industrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, such as mechanical hand. While the manipulator is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the appearance of modern industry. This paper designs the overall program of mechanical hand, determine the coordinates of the manipulator types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, are designed to hold type hand structure and the adsorption of hand clamping manipulator; design of manipulator wrist structure, calculated the driving torque and the driving torque of the rotary cylinder wrist rotation required; design of manipulator arm structure, design driven by hydraulic telescopic arm, lifting and the rotary hydraulic shock absorber arm.

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Keywords: Universal manipulator coordinate type hydraulic driving

通用机械手结构设计与虚拟装配

第1章绪论

机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。

目前，机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对机械手作如下定义：

机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

机械手的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：

第一代机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。

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内容简介：: 目录摘要 2 ABSTRACT 3 第 1章绪论 . .4 1.1 本文研究目的及意义 . .5 1.2 通用机械手组成及特点 . .5 1.3 通用机械手国内外现状 8 1.4 本次课题提出及主要任务 . 10 第 2章通用机械手方案设计 . 11 2.1通用机械手组成及各部分关系 . 11 2.2通用机械手方案分析 . 12 第 3章通用机械手机械系统设计 . 15 3.1步进电机的选择 . 15 3.2行走机构齿轮传动设计 . 17 3.3导向光杆设计 . 22 3.4联轴器的设计与选择 . 26 3.5主轴的设计 . 27 3.6推动油缸的设计 . 30 3.7手爪装置的设计 . 34 第 4章通用机械手液压系统设计 . .35 4.1 液压系统简介 . 36 4.2 液压系统的组成 . .39 4.3机械手液压系统控制回路 . .39 4.4机械手液压传动系统 . .41 4.5机械手液压系统传动过程 . .41 4.6 系统工况分析图 . 42 4.7液压系统工作原理图 . 43 结论 . 46 参考文献 . .47致谢 . .48nts 2 / 48 摘要在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构 ;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩 ;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压驱动和手臂回转用液压缓冲器。关键词：通用机械手坐标式液压驱动 nts 3 / 48 Abstract Industrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, such as mechanical hand. While the manipulator is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the appearance of modern industry. This paper designs the overall program of mechanical hand, determine the coordinates of the manipulator types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, are designed to hold type hand structure and the adsorption of hand clamping manipulator; design of manipulator wrist structure, calculated the driving torque and the driving torque of the rotary cylinder wrist rotation required; design of manipulator arm structure, design driven by hydraulic telescopic arm, lifting and the rotary hydraulic shock absorber arm. Keywords: Universal manipulator coordinate type hydraulic driving nts 4 / 48 通用机械手结构设计与虚拟装配第 1 章绪论机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对机械手作如下定义：机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。机械手的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机械手是带感觉的机械手。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代机械手要复杂得多，这种机械手从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代机械手即智能机械手。这种机械手除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根nts 5 / 48 据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机械手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 1.1 本文研究的目的及意义随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由通用机械手所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把本次通用型液压机械手作为我们研究的课题。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下特点 : (1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 (摩擦损失、泄露损失等 )；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 (2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 (4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高 ;且使用维护需要较高技术水平。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制 : 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 1.2 通用机械手组成及特点通用机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 1-1所示。 nts 6 / 48 图 1-1机械手的组成方框图 (一 )执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电磁力 )吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 nts 7 / 48 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式 (如浇铸机械手的浇包部分 )、托式 (如冷齿轮机床上下料机械手的手部 )等型式 . 2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 )。 3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 . 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下 : 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。 4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 nts 8 / 48 5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。 (三 )控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 1.3 通用机械手国内外研究现状国外通用机械手领域发展近几年有如下几个趋势 : (1)工业通用机械手性能不断提高 (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65万美元。 (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nts 9 / 48 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通用机械手整机 ;国外已有模块化装配通用机械手产品问市。 (3)工业通用机械手控制系统向基于 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)通用机械手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、焊接通用机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控通用机械手则采用视觉、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)虚拟现实技术在通用机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控通用机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵通用机械手。 (6)当代遥控通用机械手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通用机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能通用机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳” 通用机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)通用机械手化机械开始兴起。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。我国的工业通用机械手从 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，目前己基本掌握了通用机械手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，生产了部分通用机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等通用机械手 ;其中有 130多台套喷漆通用机械手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，弧焊通用机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业通用机械手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；通用机械手应用工程起步较晚，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，我国己安装的国产工业通用机械手约 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通用机械手产业，当前我国的通用机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新nts 10 / 48 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、模块化设计，积极推进产业化进程 .我国的智能通用机械手和特种通用机械手在“ 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通用机械手， 6000m 水下无缆通用机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控通用机械手、双臂协调控制通用机械手、爬壁通用机械手、管道通用机械手等机种 :在通用机械手视觉、力觉、触觉、声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通用机械手、智能装配通用机械手、通用机械手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 本次设计的提出及主要任务随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把通用机械手作为我们研究的课题。本课题将要完成的主要任务如下 : (1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面必须更广 . (2)选取机械手的座标型式和自由度 (3)设计出机械手的各执行机构，包括 :手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计。 nts 11 / 48 第 2 章通用机械手的总体设计 2.1 通用机械手的组成及各部分关系概述图 2-1 通用机械手的组成图它主要由机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。 A、执行机构：执行机构是机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括上升下降装置、主轴旋转装置、伸缩装置、手爪旋转装置、手爪装置等。（ 1）手爪：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（ 2）主轴旋转：为主机械臂的旋转装置。（ 3）上升下降装置：机械手的主臂上升下降装置。（ 4）伸缩装置：可以使得机械手主臂能够伸缩一定的距离。 B、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 nts 12 / 48 C、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 D、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给机械手下的定义：机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。图 2-2 各部分关系图 2.2 通用机械手的设计分析 2.2.1 设计要求综合运用所学知识 ,搜集有关资料独立完成该通用机械手，其实是设计一个圆柱坐标型机械手操作机和驱动单元的设计工作。该机械手可以完成水平臂的摆动和伸缩，垂直臂的伸缩，手爪的旋转、摆动和抓取物料等动作，准确地把物料送到指定位置。 2.2.2 总体方案拟定在机械手的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型机械手，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机械手的旋转运动；利用另一台步进电机驱动齿轮传动旋转，从而与大齿轮连接的主轴转动；主轴连接着机械手的上升下降装置，伸缩装置连接在上升下降装置。考虑到本设计中的机械手工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩和升降运动；末端夹持器则采nts 13 / 48 用液压驱动手爪，用小型液压驱动夹紧。图 2-3 通用机械手外形图 2.2.3 机械手主要技术性能参数机械手的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： A、抓取重量：抓取重量是用来表明机械手负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机械手的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 B、抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机械手抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。 C、坐标形式和自由度： nts 14 / 48 说明机械手的主臂、升降臂、伸缩臂、手爪等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 D、运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机械手的工作范围。 E、运动速度：是反映机械手性能的重要参数。通常所指的运动速度是机械手的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机械手的最大直线移动速度为 1000mm/s左右，一般为 200400mm/s；回转速度最大为 180/s，一般为 50/s。 F、定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标。 G、编程方式和存储容量。本设计中的圆柱坐标型机械手的有关技术参数见表 1-1。表 1-1 机械手类型圆柱坐标型抓取重量大致为 30公斤以上自由度 4 个（ X、 Y轴移动和 Z轴旋转、 X轴旋转）机座回转运动，回转角 180 ，步进电机驱动齿轮传动升降装置机械手摆臂的升降，行程 450mm，液压油缸驱动，导向光杆及直线轴承伸缩装置机械手摆臂的伸缩，行程 450mm，液压油缸驱动，导向光杆及直线轴承夹爪装置夹爪的抓取和旋转，可旋转 180度，液压驱动回转手爪装置 nts 15 / 48 第 3 章通用机械手的机械系统设计 3.1 步进电机的选择设计 1、已知步进电机速度曲线本次设计加速时间01(t -t )60 VllVl负载速度（ m/min）有速度可知每秒上升 50mm， 0 . 0 51 . 2 = 1 . 23 6 0 ls2.电机转速电机 VlnPBPB 原为丝杆导程，本次设计为齿轮传动，实际为齿轮的齿距我们本次设计采用齿条模数 3 ，则齿条齿距为 9.42PB=9.42mm3 6 3 6 . 9 / m i n0 . 0 0 9 4 2VlnrPB 电机3.负载转矩 0 . 3 1 0 2 0 0 0 . 0 0 9 4 2 1 . 6 3 .2 2 0 . 9Bg M PT L N m 式中： nts 16 / 48 : 0 . 32 0 g0 . 0 0 9 4 2 m0 . 9MKPB摩擦系数，取：负载重量，：齿轮齿距，：传动效率，取4.负载惯量上下垂直运动 22 20 . 0 0 4 7 1( ) 2 0 0 0 . 0 0 0 1 2 3 8 5 ( . )22 PBJ L M M k g m齿轮 4 3 4 5 27 . 8 7 1 0 0 . 6 0 . 2 7 . 4 4 1 0 ( . )3 2 3 2 BBJ B L D k g m 式中 : 7 . 8 70 . 6 m0 . 0 2 mBBLD 密度，取：齿轮长度，取：齿轮直径，取总惯量 20 . 0 0 0 3 4 3 ( . ) L L M BJ J J k g m5.电机转矩启动转矩 12 ( ) 2 6 3 6 . 9 ( 0 . 0 0 0 3 4 3 ) 2 . 0 5 4 5 .6 0 6 0 1 . 2 SN M J M J L J MT N mt 必须转矩 7 . 3 7 . T M T L T S S N m S为安全系数，这里取 2.0 根据以上得出数据，我们选用步进电机型号为 ACH-11120D，此步进电机厂家为深圳步科电机，电机基本参数如下：电机额定功率为 1.2KW，额定转矩为 4.0N.m，最大转矩为 12N.m，额定转速为 3000r/min 转子惯量为 425 .4 1 0 . K g m ，选用法兰规格型号为 110。电机大致图如下： nts 17 / 48 3.2 行走机构齿轮传动的设计计算 3.2.1 选择齿轮传动的类型与材料 1）选用直齿圆柱齿轮传动； 2）选用 7 级精度； 3）选择小齿轮材料为 40Gr（调质），硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢（调质）； 4）选小齿轮齿数 Z=25，大齿轮齿数取 Z=110 3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计 2131 12 . 3 2 ( )EtHK T Zuddu gg (3-4) (1) 确定公式内的各计算数值。 1）试选载荷系数 1.3tK ； 2）计算小齿轮传递的转矩 5 41119 5 . 5 1 0 1 . 8 1 1 0pT N m mn g 3）由文献 1,205205表 10-7，齿宽系数 1d 4）由文献 1,201201表 10-6 查的材料的弹性影响系数 1201 8 9 .9EZ M P5）由文献 1,209209图 10-21d 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限lim 1 600H M P a ；大齿轮的接触疲劳强度lim 2 550H M P a ； 6）由文献 1， 206206式 10-13 计算应力循环次数 nts 18 / 48 9119123 0 6 0 1 9 8 0 ( 2 8 2 5 0 8 ) 3 . 8 1 01 . 2 7 1 03bN n j LNN 7) 由文献 1， 206206图 10-19 取接触疲劳寿命系数120 . 9 0 ; 0 . 9 5H N H NKK8) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（ 10-12）得 1 l i m 112 l i m 22 0 . 9 6 0 0 5 4 0 0 . 9 5 5 5 0 5 2 2 . 5HNHHNHK M P aSK M P aS （ 2）计算 1）试算小齿轮的分度圆直径1td，代入 H中较小的值 4221331 1 1 . 3 1 . 8 1 1 0 4 1 8 9 . 82 . 3 2 ( ) 2 . 3 2 ( ) 7 5 . 2 8 1 3 5 2 2 . 5EtHK T Zud m mdu g g g2）计算周转速度 v 11 7 5 . 2 8 1 9 8 0 6 . 7 6 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0tdnv m s 3）计算齿宽 b 1 1 7 5 . 2 8 7 5 . 2 8tb d d m m g4)计算齿宽与齿高之比 bh模数 117 5 . 2 8 3 . 1 124ttdm m mZ 齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 3 6 . 7 5th m m m 7 5 .2 8 9 .7 76 .7 5bh 5）计算载荷系数根据 6.76 /v m s ， 7 级精度，由文献 1， 206206图 10-8 查的动载荷系数1.17VK ; 直齿轮 1HFKK; 由文献 1， 193193表 10-2 查得使用系数 1AK ; nts 19 / 48 由文献 1， 196197表 10-4 用插值法查的 7 级精度，小齿轮相对支承非对称布置时； 1.423HK ,由 9.77bh 、 1.423HK ,。由文献 1， 210210查图 10-23得 1.35FK ;故载荷系数 1 . 6 6HHK K K K K6)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由文献 1,204204式（ 10-10a）得 3311 1 . 6 67 5 . 2 8 8 2 . 81 . 3ttKd d m mK 7）计算模数 m 118 2 . 8 3 . 1 125dm Z 3.2.3 按齿根弯曲强度设计由文献 1， 201201式（ 10-5）得弯曲强度的设计公式为 a13 212 ()F a SdFYYKTmZ(3-5) （ 1）确定公式内的各计算数值 1）由文献 1， 207208图 10-20 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1 500FE M P a ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限2 380FE M Pa 2）由文献 1， 206206图 10-18，取弯曲疲劳寿命系数1 0.85FNK 2 0.88FNK 3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 1.4S ,由式（ 10-12）得 1112220 . 8 5 5 0 0 3 0 3 . 5 71 . 40 . 8 8 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F N F EFF N F EFK M P a M P aSK M P a M P aS 4）计算载荷系数 K 1 1 . 1 7 1 1 . 3 5 1 . 5 8A V F FK K K K F 5)查取齿形系数由文献 1， 200200表 10-5 查的1 2.72FaY 2 2.24FaY 6）查取应力校正系数由文献 1， 200200表 10-5 查得1 1.57saY 2 1.75saY nts 20 / 48 7）计算大小齿轮的Fa saYYF并加以比较 11 0 .0 1 4F a saYY F122 0 .0 1 6F a saYY F2（ 2）设计计算 43 22 1 . 5 8 1 . 8 1 1 0 0 . 0 1 4 2 . 9 81 2 2m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 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，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得到模数 m=3,并就近圆整为标准值 m=2mm,按接触强度算的的分度圆直径1 75d mm，算出小齿轮齿数11 2 4 .6dZ m,取1 25Z 。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。 3.2.4 几何尺寸计算 (1)分度圆直径 d1 d1=m*z1=3*25=75mm (2)分度圆直径 d2 d2=m*z2=3*110=330mm (3)齿顶高 ha1 ha1=ha*m=1*3=3mm (4)齿顶高 ha2 ha2=ha*m=1*3=3mm (5)齿根高 hf1 hf1=(ha+c)*m=(1+0.2)*3=3.6mm (6)齿根高 hf2 hf2=(ha+c)*m=(1+0.2)*3=3.6mm (7)齿高 h1 h1=ha1+hf1=3+3.6=6.6mm (8)齿高 h2 nts 21 / 48 h2=ha2+hf2=3+3.6=6.6mm (9)齿顶圆直径 da1 da1=d1+2*ha1=75+2*3=81mm (10)齿顶圆直径 da2 da2=d2+2*ha2=330+2*3=336mm (11)齿根圆直径 df1 df1=d1-2*hf1=75-2*3.6=67.8mm (12)齿根圆直径 df2 df2=d2-2*hf2=330-2*3.6=322.8mm (13)中心距 a=m/2*(z1+z2)=3/2*(135)=202.5mm (14)基圆直径 db1 db1=d1*cos()=75*0.939693=70.48mm (15)基圆直径 db2 db2=d2*cos()=330*0.939693=310.1mm (16)齿顶圆压力角 a1=arcos(db1/da1)=arcos(70.4769/81)=29.53 (17)齿顶圆压力角 a2=arcos(db2/da2)=arcos(310.099/336)=22.64 (18)端面重合度 =1/2/*(z1*(tan(a1) -tan()+z2*(tan(a2) -tan() =1/2/*(25*(0.566496 -0.36397)+110*(0.417169-0.36397)=1.74 (19)纵向重合度 =0 (20)总重合度 =1.74 nts 22 / 48 3.3 导向光杆的选择与设计整个机械手的升降装置和伸缩装置需要用导向装置，这样以便运行平稳，本次设计这两种装置均采用了导向光杆的机构。 3.3.1直线轴承的选择 POM工程式塑料保持器适用于 2 0 8 0 CC工作测试；钢保持器适用于为4 0 8 0 CC工作温度；不锈钢轴承适合于水、蒸气、硝酸等腐蚀介质及真空工作场合，轴承型号按下述计算公式确定。硬度系数 FH：硬度 HRC58以上， FH=1.0；硬度 HRC52-58， FH=0.6-1.0。温度系数 FT：工作温度小于 100oC， FT=1.0，工作温度 100oC-125oC， FT=1.0-0.95。接触系数 FC：每根轴装一套轴承， FC=1.0 每根轴装二套轴承， FC=0.81 每根轴装三套轴承， FC=0.72 每根轴装四套轴承， FC=0.66 载荷系数 FW：运行速度小于 15米 /分钟，无冲击、无振动， FW=1.0-1.5；运行速度小于 60米 /分钟，微小冲或振动， FW=1.5-2.0；运行速度大于 60米 /分钟，或有较大冲击、振动， FW=2.0-5.0。时间寿命 Lh=(10000*L) /2 *L(S*n1*60) (位单： h小时 ) L：长度寿命 (万米 )， LS：工作行程 (米 )， N1：每分钟往复次数已知机械手行程 L=0.45米，工作温度 60oC，每分钟往复次数 n1=20，微小冲击，轴承工作载荷 PC=200Kg，硬度大于 HRC60，期望寿命 Lh=5000小时，试选择nts 23 / 48 轴承型号。按以上工作条件： 1 . 0 , 1 . 0 , 0 . 8 1= 1 0 . 2 1 0 = 2 m / m i n=运行速度，属于一般冲击，选取 F W 2 . 0 F H F T F CV 根据本次载荷重量为 2000N，我们选用四个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下四个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，两边轴承座为固定式的，中间四个为可以随着丝杆螺母上下滑动。四个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为 166N。本次设计中所选择的滑动轴承为带法兰形状的。 nts 24 / 48 根据每个滑动轴承的负载承受 166N，我们选用滑动轴承为 LMF30，轴承中间孔径为 30mm，这样导向光杆的直径也为 30mm。 2.直线轴承安装：轴承座孔公差推荐采用 H7、 J7级，直线轴公差推荐采用 g6、 h6级，轴承安装必须用台阶芯轴压入；直线轴安装必须对准轴承孔插入，动作轻缓，轴倾斜插入会导至保持器变型和钢球脱落，轴承安装方向应按照表 1所示，可以提高轴承承载能力，延长寿命。轴承座孔有可能压缩轴承，引志游隙变小，此时用手转动直线轴，如果轴能接触钢球且能轻松转动，配合游隙为 0 +0.01mm；如果稍加力才能转动，配合游隙为 -0.01 0mm（已过盈）；如果加力也不能转动，配合游隙已多于 0.01mm，这种情况钢球滚动时可能同时作滑动，会降低轴承和轴的作用寿命，只有在轻载、低速且定心要求高的情况下才可采用。调整型、开口型轴承内、外径在割口前测量，割口后会有一些弹性变形，配合游隙应装入轴承座内测量（钢保持器轴承、KH轴承情况类似）。游隙可调节的轴承座调节方向应和轴承割口方向垂直以保证游隙均匀，直线轴承结构特点不能作旋转运动，同时要求有良好的导向性，所以直线轴承一般以二根轴 +四套轴承或二根轴 +二套加长型轴承为一个组合使用，nts 25 / 48 二根轴安装要平直，整个组合装配后，用手推拉必须灵活无阻滞才可安装传动机构，传动动力要足够克服轴承磨擦阻力，直线轴承磨擦阻力近似为千分之一工作载荷。 3.直线轴承润滑和防尘：轴承出厂涂有防锈油，使用时需加润滑剂。油脂润滑噪音较低，常用的有 2号锂基脂和低噪音轴承润滑脂，填脂量为保持器空隙的三分之一。油润滑不需清除防锈油，根据工作测试采用 15# 100#润滑油，工作温度低采用低粘度油，工作测试高采用高粘度油，常用的有透平油，机械油和锭子油，无密封轴承把油滴在轴上即可，带密封轴承需把油加到轴承内，本公司为用户准备了带油孔的轴承和轴承座。对于一些不允许有油（脂）的工作场所，先清除防锈油，干燥后在每列钢球上喷一些市售的二硫化钼喷剂，再次干燥后即可使用，带密封轴承应避免密封圈和轴干磨擦引起密封唇口挤入轴承内，造成轴承的非预期损坏。铁屑会极大地降低轴承寿命，粉尘和脏物会阻塞保持器球道，使钢球不能回转，引起保持器损坏、钢球挤胶。带密封轴承可用于一般带粉尘工场所，像木工机械、铸造机械等多粉尘场合，请在轴承两端另加密封，防止粉尘进入并可减少油脂损耗。 4.轴承的载荷和寿命：轴承运动和换向时承受过大的冲击负荷，或当轴承静止时，由于机器振动等因素都会使接触处形成凹坑。外界硬粒进入轴承内，也可在接触表面形成压痕，这种永久变形量超过一定限度，就会防碍直线运动平稳性，引起振动和噪音，振动会进一步冲击凹坑周围材料，造成恶性循环，使凹坑面积扩大，这种永久变形量用基本额定静载荷限定。钢球和套圈接触点两者永久变形量之和等于钢球直径的万分之一时的静载荷，定义为基本额定静载荷 C0。轴承使用时，冲击力很难测定，常用选取适当的静载荷安全系统来保证轴承静载nts 26 / 48 荷不超过基本额定静载荷。选型时使轴承承受的静载荷 P0 C0/FS，不受振动和冲击场合 FS取 1.0 1.5，受振动和冲击工作场合 FS取 2.07.0。轴承由于反复承受工作载荷，首先在表面下一定深度处，强度较弱部分形成裂纹，继而发展到接触表面，使金属成片状剥落下来，这种剥落称为疲劳剥落。在安装、润滑、密封正常的情况下，绝大多数轴承的破坏是疲劳破坏，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。直线轴承额定寿命规定为 5万米，通过限定基本额定动载荷 C来保证。由于轴承寿命具有分散性，即同一批材料、相同工艺生产、相同使用条件下的轴承寿命不相同，所以轴承基本额定动载荷 C定义为一批相同的轴承在相同条件下运行 5万米，轴承不生任何疲劳剥落现象所能承受的动载荷。 3.4 联轴器的选择与设计由于整个装置载荷平稳，速度不高，无特殊要求，考虑装拆方便及经济问题，我们选用弹性套柱销联轴器，取工作情况系数 1.3k 。由于电机输出轴径为16mm，选择联轴器类型为 HLA16-14，联轴器承受转矩 001 . 3 0 . 39 5 5 0 9 5 5 0 8 2 . 2 . 1 2 5 .3000 cKPT N m T N mn故：合适 nts 27 / 48 3.5 主轴的设计 3.5.1 主轴的设计校核 1、主轴上的1P，转速和转矩 T 取轴承2=0.99联轴

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