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耐火砖 砖坯 抓取 机械手 结构设计

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耐火砖砖坯抓取机械手的结构设计,耐火砖,砖坯,抓取,机械手,结构设计

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摘要简述了耐火砖砖坯抓取机器人械手的发展现状及发展前景。通过资料搜集分析归纳，对比分析各种耐火砖砖坯抓取机器人械手结构功能原理特点，经计算对本设计坐标原点机器人进行整体结构设计和机械传动部分、机架、驱动部分方案选取及设计、电机选型。并重点对机械臂结构功能原理进行分析设计。使其能够适应16块耐火砖及底板等物料的抓取、抓取等功能。对重要部件进行强度校核和稳定性分析。对耐火砖砖坯抓取机器人械手控制部分设计。实现物料的输送定位、自动抓取、自动提升降落，整机易于操控。对各部分零件材质选取。满足抓取功能前提下实现结构紧凑，工作稳定，使用维护方便。对关键传动零部件强度刚度校核，满足工作负载。各部件材质选取考虑轻便经济，满足载荷要求下，体现批量制造经济性。并用计算机绘图软件绘制装配图及主要零部件零件图。利用三维制图软件进行三维建模制作爆炸图，对坐标原点系耐火砖砖坯抓取机器人械手及相关抓取设备的研究具有积极的意义。关键词：抓取机器人械手；伺服电机；机械手臂；solidworks2016AbstractThe development status and development prospects of small palletizing robots are briefly described. Through data collection, analysis and analysis, and comparative analysis of the structure and function of various palletizing robots, the overall structural design of the Cartesian coordinate robot and the selection and design of the mechanical transmission part, the frame and the drive part, and the motor selection are calculated. And focus on the analysis and design of the functional principle of the mechanical arm structure. To enable it to adapt to 5kg flour and other materials, such as grasping, palletizing and other functions. Strength check and stability analysis of important parts. The design of the control part of the palletizing robot.It realizes the positioning of materials, automatic grabbing, automatic lifting and landing, and the whole machine is easy to control. Select the material of each part. The compact structure, stable operation and convenient use and maintenance are realized under the premise of satisfying the palletizing function. Check the strength of the key transmission components to meet the workload.The selection of materials for each component takes light economy into consideration and meets load requirements, reflecting the economics of mass manufacturing. And use computer graphics software to draw assembly drawings and parts drawings of major components. The use of three-dimensional mapping software for three-dimensional modeling to produce explosion maps has positive significance for the research of rectangular coordinate system palletizing robots and related palletizing equipment.Key Words：Cartesian Coordinate Robots; Servo Motors; Mechanical Arms; solidworks2014III 耐火砖砖坯抓取机械手的结构设计与仿真耐火砖砖坯抓取机械手的结构设计与仿真目 录第1章 绪论51.1耐火砖加工现状51.2抓取机器人械手概述71.3抓取机器人械手发展现状及前景81.4设计任务及参数81.5本章小结8第2章 抓取机器人机械手总体设计82.1总体结构方案选取82.2传动方案选取82.3驱动方案设计82.4主要部件方案选取8第3章 动力驱动部分设计113.1驱动齿轮传动电机选取113.2驱动丝杠螺母传动电机选取133.3手爪上下移动驱动电机选型133.4不完全齿轮驱动电机选取13第4章 机械传动部分设计234.1驱动齿轮设计234.2升降螺杆设计及校核254.3升降螺母设计与校核264.4升降驱动齿轮设计264.5手爪上下移动齿轮齿条设计234.6不完全齿轮设计254.7轴的设计与校核25第5章 设备的安装与调试275.1设备的安装275.2设备的调试275.3设备的维护与保养27第6章 三维建模306.1三维软件概述306.2零件图绘制326.3装配体33参考文献 35附 录 35致谢 37-2 - 第1章 绪论1.1 耐火砖加工现状耐火材料是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。广发用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的50%60%。耐火材料的发展在国民工业生产的应用中有着与足轻重的地位。耐火材料智能制造方案设计的目的，在于通过数字化、自动化的设施引入或已有设备的智能化升级，分步骤逐步减少操作工的使用，从而实现标准化的生产，获取生产方式的变革带来的品质、节能、增效、降本、安全的最大收益。耐火材料智能制造的实施，推动了耐火材料传统生产方式的变革，推动了技术的进步，带动了区域耐火材料行业的升级。随着大量智能装备的应用，耐火材料的生产各环节及流转过程从开放式向封闭式发展，粉碎、搅拌、冲压、搬运等一系统过程中的粉尘污染将逐步得到控制，长期影响困扰行业的职业病“矽肺”也会降低。智能装备其执行效率和可持续性，有效地提高了生产效率，缩短了批量生活工时，可减少设备投入量，综合能耗降低。智能装备代替了人工，数字化生产过程控制的及时监控，生产过程的人身伤害、安全生产风险大大降低。在新农村建设中常用到的一种加工系统材料不再是曾经的免烧砖了，而是采用的是新型耐火砖机生产出的实心砖。为农村的建设起到了重要作用。很久以前，由于免烧砖抗压和抗拉强度较低而保温性能良好，主要是被用于结构性较强的围护墙，因而使其使用范围是被禁锢的。随着科学技术的发展，耐火砖采取某些有效的措施增强承重能力，因而被应用于多层墙体结构中，这样耐火砖良好的物理性能和承重能力合二为一，不仅满足了加工系统两步节能的标准，而且成为了是新粘土砖理想的替代品，现如今耐火砖已经产生了良好的经济效益和社会效益。在全国都在掀起环保生产热，当下砖厂是否符合标准，是否达到生产的标准。随着国内建设发展呈上升趋势，国内对加工系统产品的需求量也在不断增大，而对于加工系统行业来说很关键的建材就是砖，砖是房屋建设的基础。目前，市场上有一种新型的砖块，耐火砖是一种新型、环保、优质墙体材料。它已经完全取代了红砖作加工系统承重墙的历史。市场的增大，也促使了的发展。目前，我国耐火砖机行业上下都在开展转型升级，调整产品结构，自主创新，开发具有知识产权新的优势产品，以此适应市场的变化，各显神通，寻求突破，走出了一条成功发展之路，在变化多端市场中再创新优势，取得了一些成绩。不仅赢得了市场认可，而且摆脱了价格战竞争的泥潭。即使是在外围经济不景气的背景下，耐火砖机企业依然保持了稳健增长的好势头。耐火砖机节约了土地资源，免去了使用烧结红砖的二次污染对生态环境的保护有非常重要的作用，我国把可持续性发展战略当作经济发展的基本国策，实施新墙改就是对可持续发展的响应，这些政策的实施推动了我国耐火砖机的飞速发展。1.2 抓取机器人械手概述近年来，自动抓取机器人器人市场发展迅速。 随着科学技术的发展，抓取机器人械也经历了几年的快速发展。全球自动抓取行业形成了一定的产业规模，与抓取机器人行业相关的行业也逐步完善。然而，中国的抓取机器人市场还远未成熟，发展空间很大。与一些发达国家相比，中国在这方面还存在很大差距。 随着科学技术的进步，市场经济的快速发展，市场体制的不断成熟，抓取机器人技术的进步，产品质量的不断提高以及应用领域的不断扩大， 因此，中国抓取机器人市场将更加光明。现目前，大多数用户公司使用四种类型的抓取方法：一种是手工抓取;第二是使用传统的抓取机器人托盘;第三种是使用抓取机器人械手的抓取方法;四种类型使用全自动抓取设备来完成抓取工作。由于一些经济和技术条件，企业仍然有许多传统的抓取方法。但就长远发展趋势而言，自动抓取机器人械手的发展空间不容忽视。耐火砖底板袋抓取机器人是将袋装耐火砖底板按照托盘上的一定编码方式放入，自动抓取，堆放多层后可以上架。抓取机器人的使用可以大大减少劳动力的数量并降低劳动强度，并且可以最大限度地节省空间。在当今竞争激烈的社会中，耐火砖底板袋式抓取机器人是耐火砖底板生产线上不可缺少的一部分设备。1.3 抓取机器人械手发展现状及前景国外抓取机械手现状和发展趋势：外国高级的工业用机器使得抓取机械手进入到种种行业。使用23 KUKA机器人抓取，通过特殊的智能终端，酿酒厂，咖啡公司和食品制造商奥地利，瑞士和挪威实施减轻劳动者的负荷，提升生产能力，降低产品的损坏。或抽吸）纸箱，香蕉纸盒或托盘以完成处理和抓取。机器人可以同时处理多条线路的生产和各种类型的产品。在整个过程中，物体不会受到过度的夹紧力或吸力，而紧凑的方案使机器的地面空间和工作空间得以实现。理想的水平。美国JTM选择了Motoman Model UP 165型号机器人抓取和滚筒润滑油盘。他是一个6轴机器人，由交流伺服电机带动。为其设计的真空吸气末端执行器由多个真空吸头构成。每个真空头的控制阀由PLC控制，每次可以吸取2或3个桶。通过抓取机械手，一年可产20万桶和140,000箱抓取操作，这几乎是手动工作量的两倍。图1.1 抓取机械手IRB640抓取机械手在食品和饮料业上使用。它可以用于纸箱，箱子和包装，抓取和拆卸。其一大特点是弯曲的上臂。他的核心是使用CAN现场总线进行通信的微处理器的控制器。好时利用三台抓取机械手将各类糖果盒放置在一个托盘上的三条流水线，并将其送至运输中心。各种模式已经编入存储在程序中。各层的堆叠方式由箱子的大小决定。如果纸箱尺寸改变，技术人员需要从存储器中检索预先存储的抓取程序以便快速转换。每个机器人都配备了一个灵活的真空抽吸系统，控制需要引动的抽吸次数以满足需要拾取的纸箱数量。他们的主要优点是： （1）设计具有良好的灵活性和灵活性，并适应产品变化;（2）通用模拟设计技术已被采用，以实现成本和生产周期的更大节省（3）处理过程的自动化程度和智能化程度越来越高。国内抓取机械的现状和存在的问题：我国抓取机械手的开发和应用始于70年代。由于当时各种条件的制约，进步很慢，研究和应用水平相对较低。80年代以改革开放后，工业机器人技术已经到达一定的发展水平，抓取机械手技术飞速的发展。目前，中国的总体生产力低下，劳动力成本低，研究人员缺乏。企业的水平低，企业发展滞后，抓取设备和机器人没有应用。它们只能用于大型知名公司。应用。自90年代中期以后，一些卷烟厂利用开始使用机器人进行抓取，节约了大量人力，减少了卷烟包装的损坏。条形码阅读器的抓取机械手使用两个或更多产品的抓取;使用真空吸盘可实现成品的拆解;使用更高级的机器人来识别和抓取各种配件托盘。完成香烟配件的工作。碾米厂使用4方向运动的机器人从自动化仓库中取出5公斤或10公斤米袋，并将其放在托盘上。堆叠高度很高。机器人的水平行程可达1200mm，旋转角度大于360度。可满足抓取的要求。半自动化代码分裂机器和机器人，抓取效率大幅提高。现在，设备基本上可以完成每小时48,000到60,000瓶的抓取要求。尽管国内抓取机械手取得了长足的进步，但与国外先进的全自动抓取机械手相比，仍存在较大差距。其主要表现是：（1）堆叠容量不足。抓取机械手功能与其自身的机构设计，工作环境和灵敏度有关。机身笨重的结构将不可避免地影响抓取机械手的范围和灵敏度。（2）适用性需要改进。在现代生产中，一般都是小批量，多品种，频繁更换和分工的现象。抓取机械手需要面对具有多个产品的一台机器，具有多条线的一台机器以及具有多个盘的一台机器的情况。一旦产品发生变化，机器人不可能快速识别产品类型和参数并降低生产效率。（3）可靠性差，稳定性差。与其他复杂工艺相比，抓取机械手只需完成诸如抓取等任务，因此抓取机械手的可靠性较差，但由于生产速度快，抓取机械手的工作量增加，这就要求抓取机械手需要高。该任务在强度和高负荷状态下完成，以确保完成生产任务。（4）智能化程度程度有限。现有的国内机器人技术落后。（5）抓取机械手的生产成本高。各种设计风格导致抓取机械手的生产能力下降。）（6）抓取机械手的需求减少。1.4 设计任务及参数本次毕业设计的研究内容是耐火砖自动化生产线上的机器人抓取、摆放设计，包括以下内容：通过副线运输过来的4X4规格的耐火砖定位抓取在耐火砖运输主线上，实现耐火砖的抓取、定位。研究内容：本毕业设计目标是要求掌握工业抓取机械手的结构及工作原理，实现机械手的三个方向的移动，完成一个三个不同自由度的坐标原点型的抓取机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件（在具体设计时可以在题目中确定是何类形状的物体，并且手爪是气压驱动），完成抓取、搬运、码放功能，并且具更平稳和更有精度。主要内容是设计一具有三个自由度的坐标原点抓取机械手，3根轴相对应X轴、 Y 轴和 Z 轴, 各轴行程和手爪尺寸及抓取能力按需来设计。设计内容包括机器人总体设计方案的分析确定，包括机器人的运动学分析、主体部分结构设计及关键零件的校核和三维建模及仿真和手爪的设计。在设计过程中要考虑到很多问题，所涉及的关键问题有：1）机器人运动采用何种驱动电机；2）传动机构设计的合理和平稳；3）导轨布局的合理性等等。设计一种坐标原点机器人，在生产中执行工件的搬运的任务。主要特点是在较小的占地面积范围内建造高效节能的全自动砌块成型生产线。抓取机械手在抓取行业有着相当广泛的应用，可以大大节省劳动力，节省空间，运作灵活精准、快速高效、稳定性高，作业效率高。本课题研究的主要内容(1）了解抓取机械手的运动过程，查阅相关资料。(2）对抓取机械手进行合理的总体结构设计。(3）对抓取机械手的机械臂各个零部件进行设计。(4）对抓取机械手的机械臂关键零部件绘制零件图，装配图。(5）对抓取机械手进行三维建模。提交的成果（1）毕业设计（论文）正文；（2）装配图 一张（1#图、二维图）；（3）非标零件图4张（二维图）；（4）三维模型的爆炸图一张；（5）英文参考文献及其译文；（6）附不少于10篇主要参考文献。1.5 本章小结本章通过资料搜集归纳，初步掌握了国内外抓取机械手的结构原理，对各类型抓取机械手进行分析归纳，对本设计的抓取机械手结构合理性、新颖前沿性选取具有重要的作用。对抓取机械手进行整体结构设计，阐述各部分功能特点及各部分机构之间功能原理、机械传动原理，为后续的具体设计做铺垫。第2章 抓取机器人机械手总体设计2.1 总体结构方案选取本设计为抓取机械手设计。综合考虑各方面因素，想出了以下几种方案:方案一：图2.1 立柱式抓取机械手如上图所示，这种类型的手臂和机身配置为柱型，适用于旋转型，俯仰型和弯曲和伸展型操纵器，所以这是最常见的配置。手臂的这种配置可以在水平面上转动，占地面积小，功能范围广泛。该色谱柱可以安装在生产线的末端以便为机床提供服务，也可以将色谱柱添加到色谱柱中添加旅行设备以供多台机器使用。如图所示，它是一种可以实现多方向运动的单臂柱式机械手。垂直方向上的旋转既需要夹持机构的旋转，又需要臂围绕柱旋转。抓取机构安装在悬臂的前端，以便夹具可以围绕前臂旋转。由于钢板板材袋需要在托盘上交错排列，因此夹具通过间歇机构进行旋转。但是，立柱可以固定，垂直移动可以放在小臂上，可以通过蜗轮传动实现。水平运动通过主轴螺母传动完成。所有四个动作都由伺服电机驱动。方案二：柱式机器人用于完成钢板板材袋的堆叠。 垂直运动通过凸轮机构实现。 其他设计元素与上述相同。 但是，凸轮机构中的凸轮不能做得太大，所以不能保证柱的行程达到所需的长度。 另外，即使制造大型凸轮，也很难确保其机械特性，从而影响整个机器的使用寿命。方案三：图2.2 屈伸手臂式抓取机械手如上图所示，手臂和机身以屈伸方式排列。 小臂可以相对于大臂进行屈伸运动，大臂也可以相对于身体进行枢转运动和俯仰运动。 因此，手臂保持中心的轨迹是空间曲线。 这种配置可以有效地利用空间，并且可以绕过障碍物来夹紧和发送和移除工件。 但是，机器人的结构更复杂。 这实际上增加了机器人的设计，加工和制造成本，并且使其使用成本相对较高，超过了大多数公司的支付能力，并且不利于此类机器人的推广和利用。方案四：图2.3 坐标原点系抓取机械手如图所示，这是一种框架式抓取机，它可以实现沿三个方向的x，y和z轴的运动以及围绕z轴在空间坐标系中的旋转，以确保钢板板材在所有方向和位置。 袋子的抓地力和旋转的抓手可以将钢板板材袋交错放置在托盘上。 导轨实现x和y方向的运动，需要由伺服电机驱动。 Z轴方向的运动可以通过螺旋机构来实现。 图中显示了夹持机构的安装，因此夹具可以围绕数字柱旋转。 由于钢板板材袋需要在托盘上交错排列，所以夹具的旋转通过间歇机构实现。 这种抓取机的设计相对简单，结构相对稳定。方案五：将钢板板材袋放置在托盘上需要错开90度，并且可以使用间歇机制来实现。 间歇机构也可安装在托盘上，以便托盘能够在合适的时间旋转以满足抓取的要求，从而使机器人的设计和制造变得更简单，但托盘的设计和制造变得复杂，并且 必要时需要另一个控制系统。 与此同时，整个组织的占地面积增加，机械结构不能尽可能紧凑，以减少空间需求。方案六：水平运动通过框架结构在导轨上实现，并由伺服电机驱动。垂直运动由曲柄连杆机构驱动，并且手柄的旋转也通过间歇机构完成。上述抓取机的控制系统均由程序控制装置和位置检测装置组成。程序控制装置根据动作的顺序，移动时间，移动轨迹，移动速度等规定的顺序指示机械手进行移动。位置检测装置检测机械手的移动是否到达确定的位置。抓取机的主要由按钮开关、控制元件、接近开关、变频调速器、可编程控制器。高质量硬件和专用软件相结合，可达到自动化要求。触摸屏控制使抓取机的傻瓜式简单，故障诊断容易。同时，检查和维护都很方便。夹紧机构的旋转由马达驱动，并且刷子必须被刷过。长期运行所需的电缆必须使用移动电缆并用链条保护。电缆应尽可能用扣环固定。但考虑到各种因素，发现第二种方案中的大凸轮难以制造，难以保证其机械特性，从而影响整机的使用寿命;第三种方案中的机器人高度自动化，但机器人的机械结构相对复杂，几乎增加了设计和加工这类机器人的成本。在方案5中，间歇机构安装在托盘上，这降低了手柄的设计复杂性，但增加了托盘设计的复杂性并控制了系统。不可能仅使用一组;第六方案中的联动机构结构简单，但设计具有一定运动轨迹的联动机构并不是一件简单的事情，它占用了大量的空间。所以一个比较合适的方案，自动化程度比较高，而且面积比较小;方案一箱式抓取机设计比较简单，整体结构简单稳定，控制系统操作方便，所以选择程序坐标原点抓取机械手作为设计方案。2.2 传动方案对比坐标原点机器人的主要功能就是能够使得末端执行器到达空间指定位置。待实现的工作空间大都为矩形空间。由笛卡尔坐标系的知识可知空间中的任意一点可以分别由X、Y、Z方向三个点的集合来表示。因此为了研究问题方便，可以把空间任意两点的曲线运动简化为分别在三个自由度方向的直线运动。能够实现直线运动的原理有很多，在机械产品中得到应用的有以下几种，下表为它们之间传动性能的比较：表2.1 抓取机械手传动方案对比方案优 点缺 点丝 杠传动精度高，且速度平稳。摩擦阴力小，轴向冲击，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确传动速度较慢，且机构不能自锁，长度较大时承受径向载荷能力差齿轮齿 条传递的更大功率、速度可调、更高效、可靠、使用时间长、结构紧凑、不变的传动比制造及安装精度要求高，价格贵，中心距大的两轴不适合同步带传动传动准确，稳定，声音小，不变的传动比，大范围的速比，线速度大，传动结构紧凑对中心及其尺寸稳定性要求较高液压传 动可产生较大轴向力，传动速度快结构复杂，维护困难，整个装车质量大。工作介质对周围条件反映敏感，直接影响定位精度气压传 动瞬间产生很大轴向力，传动速度快对传动时间要求不易过长，密封困难坐标原点机器人的母体（即三个自由度部件）的传动方式大体有四种，分别是滚珠丝杠、同步带、液压、齿轮齿条传动方式。根据本设计坐标原点系抓取机械手结构特点，选取y轴丝杠传动；沿x轴及z轴机械传动为齿轮齿条传动型式。在设计中y轴机械传动方式选择了滚珠丝杠传动方式与同步带传动方式主要是因为滚珠丝杠具有精度高、摩擦阻力小、定位精度高，而齿轮齿条传动方式具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比的特点。2.3 动力驱动方案设计方案一电机系统驱动：它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但电机系统需进行能量转换(电能转 换成电机能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。电机系统的液体泄漏会对环境产生污染，工作噪声也较高，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。方案二气动驱动系统：具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。 方案三电动驱动系统：由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。 综合上述三种驱动方式的优缺点，结合本设计之工业机械手的要求，选用电动驱动系统作为本机械手的驱动系统，采用永磁同步型交流伺服电动机。在搬运机器人系统的总体规划与方案设计完成后，首先要进行机器人驱动与传动系统的设计计算。除了确定驱动方式外，还需要确定驱动系统的具体参数，例如各个电机的驱动力矩数值和功率等。电机驱动相对于气压和电机驱动方式，运动速度快，定位精度高，驱动效率高，对温度变化不敏感，噪声和污染都比较小。根据实际的需要，搬运机器人选用电机驱动方式。目前，工业机器人电机主要有以下几种：1) 直流伺服电机：直流伺服电机调速特性好，功率密度大和快速响应特性优异，具有较大的启动力矩，并且直流伺服电机的控制技术成熟，但结构复杂，成本比较高。在500W以内的功率范围，通常采用直流伺服电机，而本文的抓取机器人各个电机的功率明显要大于500W。 2) 步进电机：步进电机控制结构简单，控制性能强，可直接实现数字化控制与调节，具有自锁能力和保持转矩的能力，同时位置误差不会积累，适用于传动效率小和功率不大的小型机器人或关节机器人。3)交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，使用维修方便，成本较高，可靠性能好，快速响应能力优异，并且交流伺服电机的驱动力矩与电动机本身惯量之比大，可频繁进行正反向和加减速运行，在短时间内具有较好的承受过载能力。搬运机器人的关节驱动电机应该具有较大功率质量比、扭矩惯量比、调速范围宽和启动力矩高的特点。特别是搬运机器人的腕部关节，由于需要快速响应，应该选用体积小、质量小的驱动电机，并且需要有很高的可靠性、稳定性以及较大的短时间过载能力，交流伺服电机是最优的选择。机器人的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，主要生产厂商有博世(BOSCH)、德国西门子、力士乐公司、美国A.B(ALLEN.BRADLEY)公司、日本松下以及安川公司等。其中安川电机瞬时力矩大，可以过载350%，超低惯量，设定简单，维护简便，灵活性强，相配备的伺服驱动器速度响应达到1.6kHz，减少启动加速时的振动以及停止减速时机械前端的颤动。最终本文选用安川交流伺服电机。2.4 主要部件方案选取水平方向的移动方案手臂相对于立柱的运动采用齿轮传动，小齿轮为主动轮，由减速电机带动，大齿轮是一个齿圈，套在立柱上的一定位置，与小齿轮完成啮合，从而达到设计要求，满足设计需求。竖直方向的移动方案手爪在手臂上的水平移动采用丝杠螺母传动完成，丝杠的转动通过齿轮传动实现，大齿轮安装在丝杠的一端，小齿轮为主动轮，由减速电机带动，与大齿轮啮合，从而带动丝杠转动满足设计要求。绕竖直方向的转动方案手爪相对于手臂的上下移动通过齿轮齿条传动机构来实现，减速电动机带动齿轮转动，齿轮的转动引起齿条的上下移动，从而完成手抓的上下移动，以适应耐火砖高度的变化，更好的完成堆垛任务。实现交错放置的方案确定在托盘上的90度交叉放置，通过采用不完全齿轮间歇机构来实现，成井字形放置，不完全齿轮的示意图如下图2-4所示图2.4 不完全齿轮第3章 动力驱动部分设计3.1 驱动齿轮传动电机选取（1）电动机的类型的选择按照设计要求，抓取机的工作需求以及电动机的最佳安装位置，选用自带减速器的R系列的减速电机。因为需要法兰装置将减速电机固定，所以选用RF系列减速电机。 （2）电动机功率的确定 耐火砖抓取机手臂绕立柱转动所需的功率，式中;根据设计要求，；所以。 由减速电机到齿轮的传动的总效率，为齿轮传动的效率，为滚动轴承的传动效率，查表1-15（机械传动和摩擦副的效率概略值）得，则。那么减速电机的输出功率。根据机械设计手册选定减速电机的额定功率为.(3)电动机转速的确定根据设计要求，大齿轮的转动速度，由于单级齿轮的传动比为，则电动机的输出转速为，根据机械设计手册选定减速电机的输出转速为。综上所述所选的减速电机的型号为RF37-DR63M4。3.2 驱动丝杠螺母传动电机选取（1）电动机的类型的选择 按照设计要求，抓取机的工作需求以及电动机的最佳安装位置，选用自带减速器的S系列的减速电机。因为需要法兰装置将减速电机固定，所以选用SF系列减速电机。 （2）电动机功率的确定 耐火砖坯袋抓取机工作所需的功率，式中;根据设计要求，；所以。 由电动机到丝杠螺母副的传动的总效率，为齿轮传动的效率，为滚动轴承的传动效率，为滑动丝杠的传动效率，查表1-15（机械传动和摩擦副的效率概略值）得，则。那么减速电机的输出功率。根据机械设计手册选定减速电机的额定功率为.(3)电动机转速的确定根据设计要求，螺母在丝杠上的移动速度，则转速，由于单级齿轮的传动比为，则电动机的输出转速为，根据机械设计手册选定减速电机的输出转速为。综上所述所选的减速电机的型号为SF37-DR63L4。3.3 手爪上下移动驱动电机选型（1）电动机的类型的选择 按照设计要求，抓取机的工作需求以及电动机的最佳安装位置，选用自带减速器的S系列的减速电机。因为需要法兰装置将减速电机固定，所以选用SF系列减速电机。 （2）电动机功率的确定 耐火砖坯袋抓取机手抓的上下移动所需的功率， ，式中;根据设计要求，；所以。 由减速电机到齿轮的传动的总效率，为蜗轮蜗杆传动的效率，为滚动轴承的传动效率，查表1-15（机械传动和摩擦副的效率概略值）得，则。那么减速电机的输出功率。根据机械设计手册选定减速电机的额定功率为.(3)电动机转速的确定根据设计要求，齿条的上下移动的速度，根据机械设计手册选定减速电机的输出转速为。综上所述所选的减速电机的型号为SF37-DR63M4。3.4 不完全齿轮驱动电机选取（1）电动机的类型的选择 按照设计要求，抓取机的工作需求以及电动机的最佳安装位置，选用自带减速器的R系列的减速电机。因为需要法兰装置将减速电机固定，所以选用RF系列减速电机。 （2）电动机功率的确定 耐火砖坯袋抓取机手臂绕立柱转动所需的功率，式中;根据设计要求，；所以。 由减速电机到齿轮的传动的总效率，为齿轮传动的效率，为滚动轴承的传动效率，查表1-15（机械传动和摩擦副的效率概略值）得，则。那么减速电机的输出功率。根据机械设计手册选定减速电机的额定功率为.(3)电动机转速的确定根据设计要求，不完全齿轮是由大齿轮带动小齿轮的，小齿轮的转动速度，取不完全齿轮的传动比为，则大齿轮的转速为，则电动机的输出转速为，根据机械设计手册选定减速电机的输出转速为。综上所述所选的减速电机的型号为RF57R37-DR63S4。第4章 机械传动部分设计4.1 驱动齿轮设计1）根据耐火砖抓取机的运动需要，选用直齿圆柱齿轮传动；2）手臂相对于立柱的旋转速度并不高，故选用8级精度（GB1009588）;3）齿轮材料的选择，由表10-1选择大齿轮材料为45钢，调制处理，硬度达到240HBS,小齿轮的材料为40Cr，调制处理，硬度达到280HBS,两者材料硬度相差为40HBS，满足设计要求。5）取齿轮的传动比为,选小齿轮齿数=23，则大齿轮齿数=3.3*23=75.9,取；6）齿轮的使用寿命为15年，设每年工作300天，每天工作8小时。按齿根弯曲强度设计 设计公式为 （1）先试计算小齿轮的直径，其计算公式为 1）试选载荷系数=1.2;2）小齿轮传递的转矩 =3）由于小齿轮做悬臂布置，所以根据表10-7选齿宽系数为=0.6；4）根据表10-6查得所选材料的弹性影响系数=189.8；5）根据表10-21d按齿轮的齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限分别为=550Mpa ，=600Mpa;6）小齿轮和大齿轮的应力循环次数 =60=60*13*1*（2*8*300*15）=5.616*= 7）10-19取小齿轮和大齿轮的接触疲劳寿命系数分别为。 8）取齿轮安全系数S=1.1，则大小齿轮接触疲劳许用应力 9）将中较小的值代入计算公式得 10）小齿轮的圆周速度 11）小齿轮宽度 模数 齿高 则小齿轮齿宽与齿高比为 （2）.计算齿轮模数1）10-20c查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限，； 2）10-18取弯曲疲劳寿命系数; 3）取弯曲疲劳安全系数S=1.3，则由式10-12得弯曲疲劳许用应力 4)根据小齿轮的圆周速度v=0.06m/s,齿轮精度为8级精度，由图10-8查得动载系数对于直齿轮，;依据表10-2查得使用系数;根据表10-4用插值法查得精度为8级的齿轮传动，并且小齿轮悬臂布置时；由齿宽与齿高比，查图10-13得;可得载荷系数5)根据表10-5通过直接查或用插值法球的得齿形系数 ;应力校正系数。6)小齿轮的 大齿轮的 所以大齿轮的数值大7）代入设计计算公式得 将计算所得的模数就近圆整为标准值m=2. 5mm,根据以上计算所得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 则大齿轮齿数，取计算大小齿轮的几何尺寸参数（1）分度圆直径 （2）齿顶圆直径和齿根圆直径 （3）中心距 （4）齿轮宽度 取4.2 升降螺杆设计及校核螺杆和螺母材料的选择查表5-11选择螺杆的材料为40Cr,螺纹部分采用表面淬火处理；选择螺母的材料为ZCuSn5Pb5Zn5（铸锡青铜）。螺杆螺纹数据的初步设计与校核选用梯形螺纹，根据国家标准（GB5796.3-86），试选螺杆螺纹的公称直径，则其对应的其它参数为：螺距，中径,小径；（1）螺纹升角和当量摩擦角，及自锁性校核，则；梯形螺纹的牙型角；查表5-12知，螺杆-螺母材料为钢-青铜的摩擦系数为，则当量摩擦角；由知螺杆螺旋副满足自锁条件。 (2)螺杆上螺纹的轴向力的确定假设在手臂上移动的手爪及其辅助机构的质量为m=150kg，在设计中考虑留出预留量，则径向力，取，则；根据力的合成原理，知其轴向力；（3）螺纹副耐磨性计算如下图所示： 螺旋副传动螺纹工作面上的耐磨性条件是 根据螺杆螺母的材料和螺旋副的转动速度较低，查表5-12，取滑动螺旋副材料的许用压力p=14Mpa,摩擦系数f=0.09;对于整体螺母，磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不能过多，故取，则；对于梯形螺纹，h=0.5P=0.5*7=3.5mm; 则所以此设计的螺纹满足耐磨性要求。同时，螺纹工作圈数,显然合格。（4）驱动力矩T，传动效率的计算螺旋副的驱动力矩，即；传动效率；（5）螺杆的刚度校核由表查得螺杆材料40Cr的弹性模量；在长度为1m左右的螺纹上，因为转矩T和轴向载荷的作用而产生的螺距变化量的和，根据下表精度等级5678910153055110得知设计的螺杆满足精度要求。(6)螺杆强度的计算 根据第四强度理论求出危险截面的计算应力，其强度条件为 螺杆所受的轴向压力；螺纹杆的小径；螺杆螺纹段的危险截面面积A=；螺杆螺纹段的抗扭截面系数；查表5-8知材料为40Cr的螺杆的屈服极限；再由表5-13得螺杆的许用应力为；将以上所得数据代入上式得所以满足强度要求。(7)螺杆的稳定性校核螺杆的稳定性条件为；对于传导螺旋，螺杆稳定性安全系数；在这里取。临界载荷，式中E为材料的弹性模量，E=2.06*Mpa;I为螺杆危险界面的惯性矩，；由于螺杆的安装处于两端固定状态，根据表5-14知螺杆的长度系数；螺杆的长度;则临界载荷;,所以设计的螺杆满足稳定性要求。综上所述，本次毕业设计所设计的螺杆螺纹的最终参数为公称直径，螺距，中径,小径，螺纹升角，当量摩擦角。4.3 升降螺母设计与校核（1）根据螺杆选择螺母的螺纹参数为公称直径，中径，小径，螺距为。螺杆与螺母的螺纹精度配合为：。（2）螺母的材料强度一般都低于螺杆的材料强度，所以要对螺母的螺纹牙进行强度校核。如下图所示，是将螺母的一圈螺纹沿其大径展开，则可将这看成是宽度为的悬臂梁 螺母螺纹圈的受力螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条件为；弯曲强度条件为；螺纹牙根部的厚度；弯曲力臂；由表5-13查得螺母材料的许用切应力；许用弯曲应力；螺纹工作圈数；则螺母没全螺纹所受的平均压力；根据剪切强度条件；根据弯曲强度条件；所以设计的螺母满足剪切强度和弯曲强度。4.4 升降驱动齿轮设计1）根据丝杠螺母副的运动需要，选用直齿圆柱齿轮传动；2)丝杠转动的速度并不高，故选用8级精度（GB1009588）;3)齿轮材料的选择，由表10-1选择大齿轮材料为45钢（调质），硬度为230HBS，小齿轮的材料为40Cr（调质），硬度275HBS,两者材料硬度差为45HBS;4)选小齿轮齿数=20，则大齿轮齿数=3*20=60；5)齿轮的使用寿命为15年，设每年工作300天，每天工作8小时。 设计公式为 （1）先试计算小齿轮的直径，其计算公式为 1）试选载荷系数=1.4;2）小齿轮的转矩 =Nmm=1.88*Nmm3）由于小齿轮做悬臂布置，所以根据表10-7选齿宽系数为=0.6；4）根据表10-6查得所选择的齿轮材料的弹性影响系数=189.8；5）根据表10-21d按齿轮的齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳极限分别为=540Mpa， =580Mpa;。6）大小齿轮的应力循环次数 =60=60*127*1*（2*8*300*15）=5.49*= 7）10-19取大小齿轮的接触疲劳寿命系数分别为。 8）取齿轮安全系数S=1.1，则接触疲劳许用应力 9）将中较小的值代入计算公式得 10）小齿轮的圆周速度 11）小齿轮宽度 模数 齿高 则小齿轮齿宽与齿高比为 （2）.计算齿轮模数1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳极限为； 2）取弯曲疲劳寿命系数; 3）取弯曲疲劳安全系数S=1.3，则由式10-12得弯曲疲劳许用应力 4)根据小齿轮的圆周速度v=0.3312m/s,齿轮精度为8级精度，由图10-8查得动载系数对于直齿轮，;依据表10-2查得使用系数;用插值法查得精度为8级的齿轮传动，并且小齿轮悬臂布置时；由齿宽与齿高比，查图10-13得;可得载荷系数5)由表10-5查得齿形系数 ;应力校正系数。6)小齿轮的 大齿轮的 所以大齿轮的数值大7）代入设计计算公式得 将计算所得的模数就近圆整为标准值m=2.25mm,根据以上计算所得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 则大齿轮齿数计算大小齿轮的几何尺寸参数（1）分度圆直径 （2）齿顶圆直径和齿根圆直径 （3）中心距 （4）齿轮宽度 取4.5 手爪上下移动齿轮齿条设计1)根据耐火砖坯袋抓取机的运动需要，选用直齿圆柱齿轮传动；2）齿轮动速度并不高，故选用8级精度（GB1009588）;3）齿轮材料的选择，由表10-1选择齿轮材料为45钢（调质处理），硬度为240HBS；4）齿轮的使用寿命为15年，设每年工作300天，每天工作8小时；5）选取齿轮齿数为，模数为。校核齿轮的齿根弯曲强度 校核公式为公式为 1）小齿轮传递的转矩 =2）由于齿轮做悬臂布置，所以根据表10-7选齿宽系数为=0.6；3）齿轮的圆周速度 4）小齿轮宽度 齿高 则小齿轮齿宽与齿高比为 5）10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限； 6）10-18取弯曲疲劳寿命系数; 7）取弯曲疲劳安全系数S=1.3，则由式10-12得弯曲疲劳许用应力 ；8)根据小齿轮的圆周速度v=0.046m/s,齿轮精度为8级精度，由图10-8查得动载系数对于直齿轮，;依据表10-2查得使用系数;根据表10-4用插值法查得精度为8级的齿轮传动，并且小齿轮悬臂布置时；由齿宽与齿高比，查图10-13得;可得载荷系数9)根据表10-5通过直接查或用插值法球的得齿形系数 ;应力校正系数。10)齿轮的 所以大齿轮的数值大11）代入设计计算公式得 则所选齿轮的齿数模数满足齿根弯曲疲劳强度 计算齿轮的几何尺寸参数（1）分度圆直径 （2）齿顶圆直径和齿根圆直径 （3）齿轮宽度齿条的设计计算齿条的材料为40Cr（调质处理），硬度280HBS。齿条的分度线和齿轮的分度圆永远是相切的，所以齿条的模数，压力角。则齿条的齿根高；齿顶高。4.6 不完全齿轮设计1）根据间歇机构的运动需要，选用直齿圆柱不完全齿轮传动；2）齿轮的旋转速度并不高，故选用7级精度（GB1009588）;3）齿轮材料的选择，由表10-1选择大齿轮材料为35SiMn，调制处理,小齿轮的材料为40Cr，调制处理，使两者材料硬度差为30HBS，以满足设计要求。 4)先选假想布满齿后齿轮齿数。5）齿轮的使用寿命为15年，设每年工作300天，每天工作8小时。按齿根弯曲强度设计 设计公式为 （1）先试计算大齿轮的直径，其计算公式为 1）试选载荷系数=1.2;2）大齿轮传递的转矩 =3）由于小齿轮做悬臂布置，所以根据表10-7选齿宽系数为=0.6；4）查得所选材料的弹性影响系数=188.9；5）按齿轮的齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限分别为=510Mpa ，=560Mpa;6）小齿轮和大齿轮的应力循环次数 =60=60*2*1*（2*8*300*15）=8.64*= 7）取大齿轮和小齿轮的接触疲劳寿命系数分别为。 8）取齿轮安全系数S=1.1，则接触疲劳许用应力 9）将中较小的值代入计算公式得 10）大齿轮的圆周速度 11）齿轮宽度 模数 齿高 则小齿轮齿宽与齿高比为 （2）.计算齿轮模数1）查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限，； 2）取弯曲疲劳寿命系数; 3）取弯曲疲劳安全系数S=1.3，则由式10-12得弯曲疲劳许用应力 4)根据小齿轮的圆周速度v=0.01632m/s,齿轮精度为7级精度，查得动载系数对于直齿轮，;依据表10-2查得使用系数;根据表10-4用插值法查得精度为7级的齿轮传动，并且小齿轮悬臂布置时；由齿宽与齿高比，查图10-13得;可得载荷系数5)通过直接查或用插值法球的得齿形系数 ;应力校正系数。6)大齿轮的 小齿轮的 所以大齿轮的数值大7）代入设计计算公式得 将计算所得的模数就近圆整为标准值m=2mm,根据以上计算所得大齿轮的的分度圆直径，算出大齿轮齿数 则小齿轮齿数计算大小齿轮的几何尺寸参数（1）分度圆直径 （2）齿顶圆直径和齿根圆直径 （3）中心距 （4）齿轮宽度 取不完全齿轮的周节数值与首，末齿齿顶高系数的确定从动轮的齿顶压力角则 从动轮齿顶高系数时从动轮齿顶圆齿槽所对中心角 假定，得从动轮具有标准齿顶高，主动轮为修正齿顶高时，两齿顶圆交点所对从动轮中心角的一半为， 则可知从动轮转过的角度范围内包含的周节数 由于K为整数，所以取，由插值法得时，不产生齿顶干涉的主动轮末齿的齿顶高系数在理论上，可使，但实际上考虑加工精度的影响，为了保证进入啮合时不发生齿顶干涉，取因此取由于不完全齿轮的首齿齿顶高在设计中被修正，为避免产生二次冲击，需对其首齿与第二个齿的重合度进行校核。主动轮齿顶压力角由于，所以能够避免产生二次冲击。4.7 轴的设计与校核与丝杠平行安装的导轨的受力分析你及其强度的校核（1）受力分析的简化图如下图所示图中;与水平方向的夹角；,。列力平衡方程：;； ；解以上方程组得;负号表示与假设的受力方向相反。（2）做出弯矩图（如下图所示）在导轨的长度为处，是导轨的危险截面。则导轨的弯曲截面系数W应满足的条件为，式中，导轨的材料为Q235钢，；则。选取工字型钢，弯曲截面系数截面积。然后再在同时考虑轴力和弯矩的影响下对其进行强度校核，在危险截面发生的最大压应力为则可知最大压应力小于许用应力，所以无需再选择截面型号。第5章 设备的安装与调试5.1 设备的安装 a,先将立柱放在输送带后端合适的位置，用地胶螺栓将之固定，防止抓取机在工作中的移动。 b,组装小臂：将齿轮齿条安装在小臂的箱体的正确位置；安装手爪轴，将齿条轴的下端与手爪轴用剖分式套筒连接，用螺钉将剖分套筒固定在一起；在小臂箱体的轴承座孔中先安装定位轴承的套筒和套杯，然后将一个圆锥滚子轴承放入轴承座内，再安装不完全齿轮轴，与手爪轴用键连接，实现可以上下移动但不能相对转动；安装两一个轴承和轴承端盖，并用螺钉将轴承端盖和套杯固定在轴承座上，两个轴承按“面对面”安装；将从动不完全齿轮安装到不完全齿轮轴上，用键连接，其齿轮下端用双圆螺母定位，峰值齿轮下滑；安装不完全齿轮主动轮，其齿轮轴是固定在减速电机的输出轴上的，齿轮下端也用双圆螺母定位。 c,将丝杠和与丝杠平行的手臂导轨安装在小臂的相应位置，并将丝杠的末端安装在用螺钉固定在导轨末端的轴承座孔中，并安装上轴承端盖，用螺钉将之固定。d,将以上组装好的部分的手臂导轨的轴承座安装在固定在地面上的立柱上，中间加垫片，以减少磨损。e，在上步的轴承座中一次放入定位轴承的套筒，套杯，圆锥滚子轴承，套筒，另一个轴承和轴承端盖，两个轴承按“面对面”安装，然后用螺钉将轴承端盖和套杯固定在轴承座上。f,在手臂导轨的另一端安装轴承座，并使丝杠通过其中一个，然后再依次安装上轴承，套筒和轴承端盖，并用螺钉固定。g，在丝杠靠近立柱的这一端安装驱动丝杠转动的齿轮传动机构的从动轮，并用双圆螺母定位。h,在支承丝杠转动的轴承座的下端安装驱动齿轮转动的减速电机，并在减速电机的输出轴上安装齿轮传动机构的主动轮。i，在手臂导轨的轴承座的下端安装驱动手臂绕立柱转动的齿轮传动从动轮的齿圈，并用紧定螺钉固定。j，将与上一步的齿圈相啮合传动的齿轮机构的主动轮安装在减速电机的输出轴的末端。k,将控制系统安装在立柱上，方便调节和控制。4.2 设备的调试要确保运转前抓取机满足一下几个条件：（1）所有的轴承，齿轮，齿轮齿条及丝杠螺母传动，减速器都要有足够的润滑油；（2）检查和清理放在抓取机上的安装工具或其他的一些多余的零件等；（3）全面仔细检查耐火砖坯袋抓取机的个部分是否完整无损；（4）检查所有的连接件，普通螺钉，紧定螺钉等是否已经预紧。当确定以上条件都已完成时，可先点动进行简单操作，确定没有问题方可接通电源，通过控制系统来操作抓取机的运转。5.3 设备的维护与保养为了延长耐火砖坯袋抓取机的使用寿命，减少不必要的磨损和零件损坏，必须做好对机器的定期维修和保养工作，只有这样才能使耐火砖坯的生产得以更好，更快的进行。（1）每次启动抓取机后，不能立即进入工作状态，要先空载运行一段时间，袋及其稳定运转之后才能进入正常的工作状态。（2）在没有特殊情况的条件下，不能使机器带负载停止运行，以减少机器的损坏。（3）抓取机的操作人员，应经常检查机器的各个部位，一旦发现有零件出现损伤或严重变形，要及时更换或做维修处理，以免造成不必要的事故。（4）由于耐火砖坯袋抓取机的运行速度不高，所以齿轮的润滑用油脂润滑就能满足要求，这就需要当期的在齿轮上涂抹一定量的油脂，以保证齿轮传动得到很好的润滑。（5）对于轴承的润滑，用油杯来完成，所以要求操作人员要定期向油杯中添加润滑油，以保证轴承润滑良好。第6章 三维建模6.1 三维软件概述本设计主要采用SolidWorks2016软件对抓取机械手进行三维建模和工程绘图，并使用SolidWorks2016软件构建产品的3D模型。SolidWorks2016软件具有强大的功能和广泛的组件。SolidWorks2016是强大的，易于学习，易于使用和技术创新。这是SolidWorks2016的三个特点，使SolidWorks2016成为主流和主流的3d CAD解决方案。SolidWorks2016可以提供不同的设计，减少设计过程中的错误，提高产品质量。SolidWorks2016不仅提供了这样一个强大的功能，而且对于每个工程师和设计师来说，它都很容易操作，易于学习和使用。对于熟悉微软Windows系统的用户来说，他们基本上可以由SolidWorks2016设计。SolidWorks2016的独特的拖放功能使用户能够在较短的时间内完成大型的组装设计。SolidWorks2016资源管理器是与Windows资源管理器相同的CAD文件管理器，可以方便地管理CAD文件。通过SolidWorks2016，用户可以在较短的时间内完成更多的工作，并更快地向市场交付高质量的产品。在市场上看到的三维CAD解决方案中，SolidWorks