模型自动拾取机的设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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模型
自动
拾取
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摘 要
根据学校制图模型室的建设规划，模型室中对模型的取用急需自动化。本文主要论述了适用于模型室中模型自动拾取装置的机械结构设计，具有一定的实际应用意义。
本文在对现有机械手结构优缺点对比的基础上，确定了符合设计要求的设计方案。本套装置由三个部分组成，一是外围框架结构。实现XYZ三轴运动的轨道框架。二是水平XY轴移动装置及其齿轮齿条传动方式，实现机械手水平方向的运动和定位。 三是由垂直升降结构，以丝杠螺母为主体，包括吸盘式机械手爪及气缸等。
设计出的装置可以实现沿模型架XYZ三轴移动、定位、取模型并送到指定传送带上的功能。论文详细阐述了各部分原理方案选择，设计计算过程，部分零件选用以及对关键零件进行了强度校核等。
关键词： 模型室； 自动拾取； 机械手
- 内容简介：
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本科毕业设计任务书 论文（设计） 题目 模型自动拾取机的设计 院（系、中心） 工程学院机电 工程系 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011 级 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（ ） 应用基础研究（ ） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（ ） 设计的基本构思和基本任务： 本设计题目来源于模型室建设的实际需求，根据模型室的建设规划，拟将模型放置在教室后方墙壁上。受到教室空间的限制，模型放置的位置靠近顶棚。为方便模 型拿取，故提出本产品的设计需求。 本产品设计要求：搭建一个能存放 50 个模型的高架立体模型架，其上安装三轴运动的机械手和带启停按钮的操作面板，形成模型自动搬运系统。相关设计要求如下： 教室； 5平均移动速度为 50mm/s，平均回转速度为 60/s； 水平移动行程为 5 米，升降行程 ，最大工作半径约为 ，安装前后可调 100 1 10 完成的任务要求： 完成机械结构设计、绘制毕业设计要求指定的图纸数量；完成 电气控制线路设计，编写控制程序一套。 论文（设计）进度安排 2015 年 3 月，检索资料、撰写文献综述，完成总体方案设计，通过开题答辩 2015 年 4 月， 零件受力分析及 设计计算，绘制图纸，通过中期检查 2015 年 5 月，编写控制程序，调试程序，撰写论文，准备参加答辩 论文起止时间：自 2015 年 3 月 8 日起 2015 年 5 月 21 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 1 本科毕业论文（设计） 开题报告 题 目 模型自动拾取机的设计 2 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 一课题来源背景 目前，实验室模具给学生学习提供了良好的实验器材条件。但是在管理过程中，存在着模具的存放、取用、清点、整理、查找等需要人工完成的大量基础性工作。尤其是同学在取用模具的时候，经常随意取放，造成找模具难，管理混乱的情况。面向模具使用者和管理者的模具管理全过程的自动化仍是纸上谈兵。 本课题就是要求设计一种小型实验室模具机械手的总体 机械结构，将带自动仓储式模具架与自动存取技术的移动机器人系统有机结合，实现模具存储，取用，摆放管理全过程自动化的需求。设计要求的工作环境是教室，实验室等需要模具使用的场所。 针对模具自动存取操作的特殊场合，模型自动拾取机作为实验室机器人的一个组成部分，其功能包括从自动仓储式模具架上取出及放入模具，并将所需模具送至指定地点，研制适合模具操作的机械手是本设计的重点。 本设计题目来源于模型室建设的实际需求，根据模型室的建设规划，拟将模型放置在教室后方墙壁上。受到教室空间的限制，模型放置的位置靠近顶 棚。为方便模型拿取，故提出本产品的设计需求。为了轻松准确的抓取模型，设计机械手模型架。实现对模型的自动化管理与取用存放。 二。研究目的 课题目的是研制一种适用于模具全程自动化管理、取用的装置，即移动式实验室模具自动存取机器人。在电动模具架的配合工作下，模具机械手可以自动到达同学所需或所还模具位置，自动完成模具的存、取动作，并可以自动将模具送到指定位置或从指定位置取回模具。模具的上、下架完全由机器人来完成，可以解放人力、提高工作效率。 目前，大多数实验室对模具的管理仅仅停留在人工摆放，随意存储，查找困 难，等简单的管理方式。实验室模具大部分管理取用操作由人工完成，自动化模具管理在实验室中缺少应用。实验室模具作业的自动化和智能化，能够从根本上减轻模具管理者的劳动强度、提高工作效率，更方便师生使用。尤其适用于釆用闭架模具存放的实验室。模具需要在恒温、恒湿环境下保存，利用机器人实现各类大小模具的归类、自动存取操作，能减少师生频繁使用过程中给模具造成的损坏，提高模具的使用寿命。因此，自动化技术和信息技术的有效融合，是未来实验室管理的重要发展趋势。 技术成熟以后，模型自动拾取机将不再拘泥于模型的自动化管理，有可能推 广到各种物品的自动化管理。 二 、文献综述 3 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 近年来，在我国，随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已经越来越多的应用于机械手中，构成了气动机械手。气动机械手的最大优势就是低成本，模块化和集成化 4。气动机械手包含感知部分，控制部分和主机部分三方面。采集感应信号及控制信号均由智能阀岛处理；气动伺服定位系统代替伺服电机，步进马达或液压伺服系统；汽缸，摆动马达完成原来由液压缸或机械部分所做的执行动作。主机部分采用了标准型辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化和标准化的产品。在国外，像日本，美国，德国等国家，以微型内置伺服电机作为控制系统主动力的精密机械手，则是世界自动化领域中更深高次的发展。相对一般的工业领域机械手，这种精密型的机械手具有动作精度高，体积相对小巧，高度智能化的特点 5，被广泛应用于水下精密作业，人体内部手术作业，农业果实采摘等领域。由于这种类型的机械手更突出的要求是精密型，故其整体结构为多关节、多驱动型，每个关节都有独立伺服电机作为驱动源，这些伺服电机则由躯干内部的 核心处理器做统一控制管理 ，以达到灵活多变的控制要求。 现今使用的机械手主要可分为极坐标型机械手和关节型机械手，这两种机械手可以提供较大的工作空间 6，恰好可以满足一般的机械手在工作空间上的要求。韩国最早开发的用于果实采摘的极坐标机械手臂，旋转关节可以自由移动，丝杠关节可以上下移动，从而使作业空间达到 3m 7。日本东都大学也在 20 世纪 80 年代研制出了 5 自由度关节型机械手 8。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极坐标机械手到位，且末端执行器的可操作能力较低，但结构相对简单，工作更加灵活，在不需要较复杂操作的工作环境下，体 现出一定优势 9 10。京都大学在此基础上又开发出了 7 个自由度的机械手 11，解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足的缺点，在关节型机械手领域达到了一个更高的高度。 机械手可以模仿人手的某些动作和功能，用固定的程序和轨迹完成抓取、搬运物件等操作。特别是在当前劳工紧缺，劳动力成本日益提高的社会背景下，机械手的使用可以替代人的繁重劳动，实现工业自动化的同时也大大减少了企业的生产成本，提高企业效益。同时，由于它可在高温、高压、多粉尘、易燃易爆、放射性等恶劣或危险环境下，替代人类作业保护工人的人身安全， 因而被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能工业等部门 12。 2 研究方向 机械手的工作环境是非结构的开放系统 13，涉及到多门学科知识，不同的工作场合和不同的工作对象给机械手的研制特别是末端执行机构的研制带来了无限的空间和全新的挑战。机械手在某种程度和场合上代替了人类的大量工作，但是它的使用却并没有达到广泛普及的程度，这主要是由于存在 2 个关键的问题 14：一方面，机械手的智能化程度没有达到工业生产的要求。工业生产的特点需要机械手具有相当高的智能和柔性作业的能力以适应复杂的非结构环境；另一 方面，购买和研制机械手成本高，会加重企业的生产成本，而且其工作范围较局限，机械手的使用效率并不高。 现今机械手使用效率低的原因是其工作通用性不强，在使用上不够灵活，更换工作场合甚至更换工作对象都需要对机械手的结构和控制系统做出较大的改进，加大了研发技术人员的工作量，也加大了研发成本 15。当机械手的操作动作比较复杂的时候，由于机器人的自由度较多，虽然运动灵活，但是对其的控制也愈困难，增加了研发的难度，对技术人员的要求较高 因此机械手必须具有以下的特征 16：一方面要能够准确的定位和并抓牢物件，另 一 4 方面要能够使机械手特别是手臂部分移动自如而不和物件或其他设备碰撞，使其结构紧凑，容易转弯；再者，其通用性要强，可以使其应用于不同场合和不同工作对。 械手的驱动方式 驱动装置是带动机械手达到指定位置的动力源。目前使用的主要有 4 种驱动方式：液压驱动，气压驱动，直流电机驱动和步进电机驱动。考虑到提高效率的需要，机械手的动作一般都需要快速、精确且平稳，因此液压或气压传动在这之中的应用比较广。相对而言，气压传动可避免油液泄露和减小压力损失，节能，高效且对环境污染小 17，故选用气压传动的方式最为常见 。 械手手臂结构 目 前 ， 应 用 最 多 的 机 械 手 的 手 臂 结 构 总 体 可 分 为 三 大 类 ， 连 杆 机 构的关 节型机械手臂结构，气动式积木机械手臂结构和纯关节型机械手臂结构。 如图 1 所示为滑块连杆机构的关节型机械手臂，其应用最广，如铲车、吊车手臂都采用此类机构 18。其手臂采用平面内 3 自由度滑块连杆机构，主要由 1 机座， 2 上臂气缸， 3下臂气缸， 4 手腕气缸和 5 末端执行机构组成。其中 B、 C、 D 3 个关节组成平面内的 3 个自由度， A 为腰关节，构成空间内的第 4 个自由度。机械手的 3 个气缸分别用液压系统驱动，通过气缸内活塞的运动来驱动相应的 滑块连杆机构，带动相应的臂部做往复运动。这种手臂结构的控制均由相应手臂部分的液压缸的活塞来完成，设计控制部分时只需相应设置相应液压缸的动作即可，但机械手臂的动作相对显得有些束缚，不是很灵活 19。 如图 2 所示为气动积木式机械手臂结构，这种结构以升降缸作为手臂的支撑主干，以伸摆式汽缸作为执行部分的手臂结构，具有水平无杠杆沿 X 方向移动，垂直升降缸沿 Y 方向移动，伸缩缸沿 Z 轴方向伸缩和伸摆式气缸绕 Z 轴旋转四个自由度。由于手臂采用悬臂方式，活塞杆所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，一般选用具有良好导 向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸 20。这种手臂结构动作原理比较简单， X 方向的移动主要靠机械手工作台的移动来实现， Y 和 Z 方向的移动则通过气功的伸缩运动来实现，满足自由度要求的同时，简化了手臂结构。 5 如图 3 所示为纯关节型机械手臂结构，由 1 机身、 2 肩关节、 3 肘关节、 4 腕摆动关节、 5臂旋转关节和 6 腕弯曲关节组成，每个关节内部都有一台步进电机控制其关节的动作。 机械手整机可分为机身、大臂、小臂 (含手腕 ) 3 部分 21。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作 空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一个法兰，以连接末端操作器，这是一个通用性接口，以供用户配置多个手部装置或工具 22。这种手臂结构和滑块连杆机构的关节型手臂类似，但缺少了连杆，动作直接由内部的步进电机控制，机动性和灵活性更强，但内部控制结构相对复杂。 械手基座的设计 机座除了对机械手起到固定和支撑作用外，还要确保其腰部的回转运动。目前应用最多 6 的几座分为固定式机座和移动式机座两种。固定式机座通常作为关节型机械手臂等空间自由度 较多且动作相对灵活的机械手底座，通常只提供一个腰部的旋转自由度。移动式机座则通常作为积木式机械手臂等要求结构简化且不需要太多自由度的机械手的底座，通常需要提供水平面上的两个移动自由度和绕的腰部旋转一个自由度，这种结构可以将本该设置在机械手臂上的结构转移到机座中，有效简化机械手的整体设计结构，使控制和设计都更加简单。 如图 4 所示的腰部回转传动机构为典型的固定式机座结构 23，其机身可做 360 度回转运动，动力靠步进电机供给。步进电机的输出轴接至涡轮蜗杆减速器的输入端，可根据实际需要选择涡轮蜗杆的减速比。 涡轮蜗杆一方面提供减速功能，其准确的传动比可保证机身回转运动的灵活性和准确性；另一方面改变旋转轴的方向，使之由水平方向改为垂直方向，最终通过十字联轴器将动力传递到顶端的机械手臂部分 24，实现在空间内旋转的第 4 个自由度。这种座机结构把主要的控制结构都设在了机械手臂上，设计思路简单，但结构较繁琐，在装吊场合如吊车机械臂等场合应用较多。 如图 5 所示的移动式车体机座是典型的移动式机座，和固定式机座相似，机 身可做360 度回转运动，动力靠电机室里的电机通过十字联轴器供给，但动力的过度部分是普通的减速器 结构，同样通过传动比来设置转速，保证机身回转运动的准确性和灵活性。在基础平台上它多了滑轮和滑槽，分别为机械手提供水平面里 X、 Y 方向的 X 向移动和 Y 向移动。采用这种机座的机械手把许多控制结构都设置在了小车的内部，大大简化了手臂部分的设计，在室内仓库和生产流水线上应用较多 25 7 械手末端执行结构 机械手的末端执行机构是机械手能否完成抓取或其他作业动作的关键部分，控制最为复杂，结构也最为精细紧凑，其基本机构取决于工作对象的特性及工作方式 26。选用或设计末端执行器之前都需要预先考虑和分析操作对象的生物特性，机械特性或者理化特性，到目前为止，末端执行器都是专用的 27，以避免碰伤或损坏操作对象。目前使用最多的末端执行器结构有卡盘式结构和仿真型手指式结构。 如图 6 所示的滑块胀紧式末端执行机构是典型的卡盘式结构，其结构和弹性心， 形块，滑块活塞和复位弹簧组成 。 此类末端执行机构适合于抓取环类或带内 孔的工件，主要靠气压推动滑块活塞向下运动，滑块的斜面和楔形快的楔形面接触，并使楔形块向两边运动，发生胀紧，从而抓起工件。放料时气缸退回，为防止活塞和楔形快卡死，在活塞底部采用一个复位弹簧，使活塞在放气后能自行退回。此类机构的功能主要由腕臂末端的滑块活塞和楔形块完成，其设计可以和手臂部分的设计保持相对独立，这样就可以针对不同的工作对象设计不同的末端执行机构，增强了机械手的通用性。 如图 7 所示的三只机械手末端执行机构是典型的仿真型手指式结构，其结构有九个自由度，为关节式，各关节均为转动式，并在每个关节处配有相 应的驱动装置，结构精细而复杂 28。在进行抓取等操作动作时，是靠三个指的协调运动来完成操作，对控制系统的要求较高。 8 和它类似的还有五指机械手末端执行机构。这种仿真型手指式结构所提供的动作都比较精细，通常应用在手术等复杂作业场合 29，其设计对技术的要求也较高，是高科技领域的新型产品。一般而言，手指的形状和数量的设计要与具体的操作对象和作业任务有关，手指数量越多，操作动作的精密性越好，但控制也越复杂。 机械手充分利用结构优化设计和自动化技术，结构愈加简单，功能更加强大，可根据实际应用要求选择相应功能、参数和机构模块，像搭积木一样进行组合，灵活多变 30。这是一种先进的设计思想，反应了自动化技术在工业生产中的一个发展方向。另外，气动技术在自动化技术中的广泛应用，也将逐渐贯彻于机械手的开发及应用中。实践证明，随着自动化水平的日益提高和普及，机械手在现代工业大生产的使用已经逐渐占据举足轻重的地位。但就目前而言，机械手的应用主要停留在粗放型作业的环境中，这主要是由于世界各国对机械手精密操作这种高科技领域的研究与开发还很不成熟，在机械手的具体机构设计，各部位的驱动，控制系统，甚至更高要求的 传感器选择方面有待更深层次的研究 9 参考文献 1 江鹏 . 无人车间的发展趋势 D. 山西 . 山西电子科技大学 , 2007. 2 李飞，王方建 . 先进制造技术的研究 D. 天津 . 南开大学滨海学院 , 2003. 3 张建民 . 工业机器人 M. 北京 : 北京理工大学出版社 , 1996. 4 陆鑫盛 . 气动自动化系统的优化设计 M . 上海 : 上海科学技术出版社 , 2000. 5 李洪剑 . 西方机器人技术 D. 哈尔滨 . 哈尔滨工业大学 , 2008. 6 何存兴 . 液压传动与气压传动 M. 武汉 :华中科技大学出版社 , 2000. 7 . . of a a J. 30: 209 226, 2001. 8 C. 1998. 9 1991. on a J. 1994. L. 10 , L, R. of J 1998, 25(5): 337 11 , , et J. 1996. 18(1/2): 185 12 蔡自兴 . 机器人学 M . 北京 : 清华大学出版社 , 2000. 13 龚振帮 M子工业出版社， 1995. 14 陆祥生 , 杨秀莲 . 机械手理论及应用 M. 北京 中国铁道出版社 , 1985. 15 王天然 . 机器人技术改良 M . 北京 :化学工业出版社 , 2002. 16 李寿刚 . 关节型机械手 M 北京理工大学出版社 , 2002. 17 左键民 . 液压与气压传动 M. 北京 : 机械工业出版社 , 1996. 18 朱春波 . 气动关节型机械手 J 液压气动与密封 , 1999, 78(6): 2119 何广平 . 连杆型机械臂的线性分析 M. 北京 :机械工业出版社 ,2004. 20 国 ) 有限公司 . 现代实用气动技术 M. 北京 : 机械工业出版社 , 1998. 21 刘双全 . 基于飞利浦 线节点扩展 J . 电子设计应用 , 2003 (3) :77 - 80. 22 孙靖 . 机器人执行机构分析 D. 北京 . 北京邮电大学 , 2002. 10 23 孙靖民 M. 北京 : 机械工业出版社 , 2000 年 . 24 邱宣怀 , 郭可谦 . 机械设计 M. 北京 : 高等教育出版社 , 1989. 25 申永胜 . 机械原理 M . 北京 : 清华大学出版社 , 2007. 26 刘团辉 . 机器人末端执行器的研究综述 D 河北大学 , 2002. 27 姜丽萍 . 果实采摘机器人的研究综述 D. 江苏 . 江苏大学农业工程研究院 , 2004. 28 王殿君 , 刘淑晶 . 三指机械手可达空间的仿真技术研究 D. 北京 . 北京石油化工 学院 , 2007. 29 李平 . 三指灵巧手指及抓取动作规划的研究 D. 哈尔滨 . 哈尔滨工业大学2003. 30 马香峰 . 机器人机构学 M. 北京 . 机械工业出版社， 1991. 11 三、研究内容 1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 将模型装入统一尺寸的模具盒，建立 2 层模型架。 模具盒尺寸构造。 模具架设计计算 机械手爪的自由度与模型。 机械臂动力设计 术对机械手的控制。 建立模具的管理取用的自动 化。 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 方案 1 轨道 机械手在上层架子上设立轨道 可上下翻转来分别拾取上下两层模具盒 需要气缸吸盘式机械手 4 自由度 方案 2 建立纵向轨道，是机械手臂只在水平面内工作。 设定操作人手臂高度为纵向远点。 12 机械手不工作时 90 度折叠 紧贴墙壁节约空间 方案三。 模具架 机械手纵向轨道 13 建立立体化模具架 机械手建立在模具架中 方案选取 由于模具架需要在地面上铺设轨道，为避免轨道交叉，机械手拟采用框架式移动方案，可以横向移动、纵向移动和垂直移动，构成三自由度的 支撑座，其结构示意图如图所示 考虑抓取运动过程比较简单，需要的力不大，可以使用气压传动。气压传动有很多优点，气源方便、无污染，结构、保养简单，成本低等。但由于整个装置要在一定空间内运行，管路的铺设、气泵安装等很难解决。采用步进电机驱动可以满足设计要求，定位控制也相对比较容易。 采用气压吸盘式机械手抓 14 停留在固定位置接收取用模具盒指令（获得坐标）按预设路线沿轨道运行到指定坐标点实施吸取模具盒运动将模具盒送到指定地点放好返回固定位 置。 15 四、论文（设计）进度安排 起止时间 主要内容 预期目标 第 1 第 3 第 7 第 9 第 11 周 第 12 周 1. 实习调研、收集整理资料，学习相关知识、软件操作等。 2. 总体设计，分析确定设计方案，并进行 详细的分析和结构设计。 3. 最终设计图纸的绘制和修改 4. 编写设计说明书 5. 审阅、修改 6. 评阅及答辩 步定出方案 动分析 5检错 五、审核意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 注： 1、表格不够可加附页。 2、 审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。 16 根据工作参数，工作环境以及方 案完成难易度，故，本设计选用方案 3。 以下凭借 一套自动存取装置，介绍其设计的总体方案，如图 2示： 图 2- 2 自动存取机械手机械结构总体方案 功能要求： （ 1）水平移动机构，可定位到模型盒位置，可运行到模型架外侧不影响其他模型盒。 （ 2）抓取机构，以吸取型机械手吸取模型盒侧面 （ 3）垂直升降机构，可定位的模型架的不同层即可。 在此方案中，抓取机构为机械手的主体结构；水平移动机构和垂直升降机构为移动装置。规定水平移动机构沿模型架架的移动方向为 y 轴，垂直方向为 z 轴，面对模型架架 的方向为x 轴。 A A of is of of of a of to of of is of to It be of of a of on is of 1 of at of To of of it a of to of of of of in in as of on an ad of of of In to of of it to to of is of R ( ( Ma a of to of an In a of is in of is of is of is of is 2 of he of of is in . to of an a a a of an a of to as in . of of a a a In of to to s of is to of is to to of on of a of is to of of it is on So of of no to of of of is by 一种三自由度并联机械手 摘要：一种新型三自由度并联机械手的运转方式已经出现了。这种三自由度的并联机 械手是由两个六自由度的肢体和一个被限制在移动平台上只能平移的复合肢体组成。并联机械手封闭形势的解决方式为机械手正向、逆向运动的开发。并联机械人的雅克比矩阵也同样衍生而出。并联机械手具有具有沿致动线性滑轨为彼此平行的方向上的相同的性能。它可以从平行移动的机械手的雅可比矩阵的元素表达进行说明。最后一个三 自由 度的基础上，并联机械手自由度 与 并联机床也提出了它的应用。 关键词：并联机械手，运动学，性能相同，并联机构 1 引言 与串联机械手相比，自由并联机械手的六自由度有更高的灵活性， 提出了一种可实现三自由度平 动的实用、新型并联机床机构，无需采用附加的屏东机构，减少了干涉的可能。对其基础的运动学设计进行了研究，可用于指导实际的样机操作。 在较小的工作空间，要求更困难的机械设计，更复杂的运动学原理，更低的成本以及更好的动态特性。 在技术上， 为了克服 以上众多 缺点，六自由度 的 并联机械手脱颖而出，尤其是空间平行移动 的六自由度并联 机械手。 究 出了 著名的三自由度高速机械手 三角洲 机械手具有 全的 封闭形式， 解决了机械手正向移动的运动学难题。 同时也收录了十二 个 球形关节 的机械结构 。 出三度类似 于三角洲机械手自由度并联机械手概念。并联机械手有三个复合四肢，拥有二十多个旋转接头。无论是并联机械手 的 三个复合四肢 中的任何一个机构 。 他的 拓扑结构也呈现的 现 与控制 器不同的架构与纯平移运动，并且是在自动组装和在机床作为刀具和工件定位替代结构的 前提下 。大多数这些机械手被上特设的基础上开发的。自由平行移动机械手三度由开环运动四肢也研究了广泛。 论的 3用棱柱通用）并联机械手运动学。为了保持从改变其方向的移动平台，两个万向节的四个旋转关节轴必须满足一些特殊的几何条件。里提 出的 3联机械手概念。棱镜对它是正常的，彼此的致动器被布置成根据笛卡尔坐标系。 研究了 3 柱回转，回转，回转）并联机械手。操纵器的运动解耦为关节的特别安排。代入4R（回转）为 P（棱镜）， 提出了新的三自由度并联机械手翻译一个类似出 究的运动过度约束 3转，回转圆筒）机械手。 本文提出了一种新型三自由度并联机械手翻译提出。并联机械手拥有一种化合物肢体和两个开环运动四肢。操纵器 系统 已经在下面的章节中讨论。首先并联机械手的结构进行说明。则的运动学进行了 研究。机械手的雅可比也进行了讨论。最后，并联机械手的应用提出了三个轴并联机床。 2 关于 并联机械手的结构 说明 三个自由度并联机械手翻译所考虑的结构如图 1 所示。三肢动平台连接到固定的平台。二肢由一个驱动的线性滑动，无源空间接头，一个固定长度支柱和一个被动万向接头的，分别。而第三分支包括一个驱动的线性滑轨和双平行四边形机制。致动线性滑动的运动是彼此平行。双平行四边形机构具有三肢如图 2 他们每个人都包括一个被动万向接头，一个定长支柱和一个被动万向接头。在各侧翼的两个无源万向接头的外卷接头轴线彼此平行，并且两个中 间旋转关节轴也彼此平行。更重要的是，固定长度支柱的长度是彼此相等和其上的平台的尺寸也等于下平台。当这些几何条件满足， 经 得到了 了 3联机械手有两个自由度的结论，这些都 可以通过在 球的表面上的转换 来完成 。 机械手的移动平台被固定在双平行四边形机构的上平台和它的下平台固定在直线滑动。因此，该 机构 肢体有三个自由度。其他两个四肢六自由度，并没有约束到操纵器的移动平台。因此，并联机械手的动平台的运动是由复合肢体，即三 坐标 确定。 本 科 毕 业 设 计 模型自动拾取机的设计 I 摘 要 根据学校制图模型室的建设规划，模型室中对模型的取用急需自动化。 本文主要论述了适用于模型室中模型自动拾取装置的机械结构设计，具有一定的实际应用意义。 本文在对现有机械手结构优缺点对比的基础上，确定了符合设计要求的设计方案。本套装置由三个部分组成，一是外围框架结构。实现 是水平 动装置及其齿轮齿条传动方式，实现机械手水平方向的运动和定位。 三是由垂直升降结构，以丝杠螺母为主体，包括吸盘式机械手爪及气缸等。 设计出的装置可以实现沿模型架 位、取模型并送到指定传送带上的功能。论文详细阐述了各部分原理方案选择，设计计算过程，部分零件选用以及对关键零件进行了强度校核等。 关键词： 模型室； 自动拾取； 机械手 to of to of In of of on of to of of of YZ to of in as be to YZ to on a on of of of of of ; ; 录 1 绪论 . 1 究的背景和意义 . 1 械手的发展现状 . 1 械手结构发展现状 . 1 机械手常见的驱动方式 . 2 课题研究的主要内 容及任务 . 2 . 2 . 2 章小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 体布局及工作流程 . 案原理 .取机构设计方案 . 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 平移动机构设计方案 . 9 案选取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 抓取机构设计与部件选型 . 12 械手爪的设计选用 . 12 空发生器的选用 . 14 章小结 . 14 4 垂直升降机构设计与部件选型 . 17 直丝杠螺母副的计算选型 . 17 动轴承设计与选型 . 19 直导杆设计与零件校核 . 20 进电机与联轴器的选型 . 20 他零件的设计 . 21 5 水平移动机构的设计与零部件选型 . 22 进电机的计算选型 . 24 轮支撑轴承的设 计选型 . 25 它零件的设计 . 25 参考文献 . 28 致谢 . 29 1 绪论 1 1 绪论 究的背景和意义 实验室对模型的管理仅仅停留在人工摆放，随意存储，查找困难这种简单的管理方式 。实验室模型大部分管理取用操作由人工完成，自动化技术在实验室中缺少应用。实验室模型作业的自动化和智能化，能够从根本上减轻模型管理者的劳动强度、提高工作效率，更方便师生使用。尤其适用于釆用开架模型存放的实验室。利用机器人实现各类大小模型的归类、自动存取操作，能减少使用者频繁使用过程中给模型造成的损坏，提高模型的使用寿命。因此，机器人在实验室中的应用，是未来实验室管理的重要发展趋势。 但是在管理过程中，存在着模型的存放、取用、清点、整理、查找等需要人工完成的大量基础性工作。尤其是使用者在取用模型的时候，经常随意 取放，造成找模型难，管理混乱的情况。面向模型使用者和管理者的模型管理全过程的自动化仍是纸上谈兵。 所以，研制一种适用于模型全程自动化管理、取用的装置，即移动式实验室模型自动存取机器人。在电动模型架的配合工作下，模型机械手可以自动到达模型位置，自动完成模型的存、取动作，并可以自动将模型送到指定位置或从指定位置取回模型。模型的上、下架完全由机器人来完成，就可以解放人力、提高工作效率。 械手的发展现状 械手结构发展现状 机械手能够模仿人类手臂的某些功能和动作，将抓取、搬运物件等操作 用固定的轨迹和程序来完成。尤其是在当前劳动力紧缺，劳工成本日益升高的社会背景下，机械手的使用可以提供大量劳动力，大大减少企业的成本同时也实现的工业自动化，提高企业效益 1。同时，由于它可在高压、高温、易燃易爆、多粉尘、放射性等恶劣或危险环境下，替代人类作业保护工人的人身安全，因而被广泛应用于机械制造、电子、冶金、轻工和原子能工业等部门 2。 关节型机械手和极坐标型机械手是现如今广泛被运用的两种机械手，这两种机械手均能较大的工作空间，恰好可以满足一般的机械手在工作空间上的要求 3。韩国最早开发的用 于果实采摘的极坐标机械手臂，旋转关节可以自由移动，丝杠关节可以上下移动，从而使作业空间达到 3 米 4。日本东都大学也在 20世纪 80年代研制出了 5自由度关节型机械手。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极坐标机械手到位，且末端执行毕业设计 2 器的可操作能力较低，但结构相对简单，工作更加灵活，在不需要较复杂操作的工作环境下，体现出一定优势 6。京都大学在此基础上又开发出了 7 个自由度的机械手，解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足的缺点，在关节型机械手领域达到了一个更高的高度 7。 机械手常见的驱动方式 驱动装置是带动机械手达到指定位置的动力源。目前使用的主要有 4种驱动方式：液压驱动，气压驱动，直流电机驱动和步进电机驱动。考虑到提高效率的需要，机械手的动作一般都需要快速、精确且平稳，因此液压或气压传动在这之中的应用比较广。相对而言，气压传动可避免油液泄露和减小压力损失，节能，高效且对环境污染小，故选用气压传动的方式最为常见 89。 课题研究的主要内容及任务 型自动拾取机械结构设计主要内容 针对本课题所要求的开式模型架及小型实验室的环境要求，在有限的空间下，要设计出能自动存取模型 盒并可以送达指定位置的机械手，其实设计难点有两个，即抓取机构设计和移动机构设计。 （ 1）抓取机构设计 抓取机构要完成的功能是将模型从模型架上夹取出来以及把模型还回模型架上。它是自动存取模型的关键，其动作可分为定位、吸取、取出及送到指定地点后放下，放模型的动作主要分为定位、松开吸盘。本结构的设计难点是如何将模型从架上取出或者放入，而不影响其他位置的模型。本部分需要设计出一种简单灵巧的抓取机构。 （ 2）移动机构设计 移动机构主要功能是移动到目标模型所在的精确位置，待抓取机构完成取用动作后再移动到所指定的位置。它 是自动取、还模型的前提。移动装置要考虑的主要是空间问题，尽量做到不影响其他模型的存放空间，还要做到能够精确移动到每层、每个模型所在的位置。 课题要完成的主要任务 (1)通过深入分析模型存取的操作过程，确定自动存取机械手的总体设计方案和各部分的具体方案。 1 绪论 3 (2)具体的零部件件设计选型，并选取主要部件进行相应的计算校核。 (3)利用 动学仿真，验证设计方案的可行性和最终设计参数。 (4)绘制二维工程图 。 本章小结 本章主要说明了本设 计的选题背景及依据，简单介绍了机械手技术的发展情况。并以此对本课题难点进行了分析，最终给出本课题的主要任务。 毕业设计 4 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 在对实验室机器人自动存取装置进行机械结构设计时，工作环境为第一要素。本课题是要求设计一模型自动拾取机机械结构，分成三个大的部分，一是自动仓储式模型架的机械结构设计，二是自动存取装置的机械结构设计，三是传送装置及自动借、还模型窗口的机械结构设计。 体布局及工作流程 以自动仓储式模型架为例，本设计要求为两层模型架，模型按不同规 格放置在特殊设计的模型盒中，按固定位置放在模型架上；自动存取装置能够在模型架与传送装置间移动，与模型架和传送装置相互配合完成模型存取，其总体工作环境示意图如图 2 图 2型自动模型仓库布局示意图 其中，自动存取装置的工作流程为： 停留在固定位置接收取模型指令（获得坐标）沿轨道运行到指定坐标点 实施取模型运动将模型送到指定地点放好返回固定位置 每个模型架上都有一套自动存取装置。这是因为，自动仓储式模型架为开式模型架，为了方便模型架开合，在其底端铺设了运动轨道，所 以自动存取机械手的移动轨道只能选择铺设在模型架架上。而模型架与模型架之间铺设轨道非常困难，还会对模型架开合造成影响，所以最终采取了在每个模型架上都安装这样一套装置。2 自动存取装置机械结构设计总体方案 5 装置的使用频率，延长寿命；而且每套装置可以同时工作，提高模型仓库的工作效率。 理方案的比较 方案 1 轨道 图 2理方案 1 机械手在上层架子上设立轨道 可上下翻转来分别拾取上下两层模具盒 ,需要气缸吸盘式机械手 4 自由度 方案 2 建立 纵向轨道，是机械手臂只在水平面内工作。设定操作人手臂高度为纵向远点。 图 2理方案 2 机械手不工作时 , 90 度折叠 ,紧贴墙壁节约空间 方案 3 模具架 机械手纵向轨道 毕业设计 6 图 2理方案 3 建立立体化模具架 ,机械手建立在模具架，建立 轴移动坐标，解决机械手定位问题，采用侧吸吸盘式机 械手爪。 取机构设计方案 抓取机构是整个装置的核心部分，以取模型过程为例，就涉及到三个主要功能的实现：将机械手爪定位到模型盒；吸取模型盒；将模型放置在指定位置。考虑到上述设计要求，本设计拟采用存取机械手和完成以上功能。 （ 1）存取机械手机构的方案选择 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典型的机械手机构9如图 2 1 水平移动机构 2 抓取机构 3 垂直升降机构 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 7 图 2典型的机械手结构 直角坐标机械手如图 2a)所示，是各个运动自由度之间成直角关系的机械手，可以为机器人提供 X、 Y、 机器人末端可以按照需要安装末端执行机构，完成工作任务。目前，直角坐标机器人作为工业机器人被广泛的应用在焊接、装配、上下料、码探、包装等制造业中。直角坐标机械手结构简单、易于空间轨迹求解，但机械手体积较大，工作空间局限在一个长方体内。柱面坐标机械手如图 2b)所示，它由一个旋转关节和两个平移关节组成，可提供 X、 Z 两轴方向上的平移运动和 Z 轴方向上的旋转运动。这种机械手的工作空间是一个圆柱面，所以称为圆柱坐标型机械 手。这种机械手被用于工件的装卸和搬运。 球面坐标机械手如图 2)所示，它由两个旋转关节和一个平移关节组成，其运动模式与坦克炮塔类似。机械手可以完成 X、 Z 轴的旋转运动和 X 轴的平移运动。这种机械手的结构紧凑，工作空间为球面的一部分，因此被称为球面坐标型机械手。 关节型球面坐标机械手如图 2-5(d)所示，它由三个旋转关节组成，可以完成 X、 Y、Z 三轴上的旋转运动。其结构紧凑，工作时类似于人类的手臂。这种机械工作空间大、应用广泛，常用于喷漆、装配、媒接等作业。由于其工作组空间为球面的大部分，因此被称为关节型球面 坐标机械手 10。 毕业设计 8 表 2类型 工作空间 特点 缺点 应用 直角坐标型 长方体 运动直观性强、控制简单 占地面积达、动作灵活性较差 寒假、装配、上下料、码垛、包装 柱面坐标型 圆柱体 占地面积小、活动范围大、结构紧凑、定位精度高 负载能力差 装卸、搬运、装配 球面坐标型 球体 占地面积小、活动范围大、动作较灵活 运动控制较复杂 机器人电焊、搬运 关节型 近似球体 通用性强、动作灵活、活动范围大 运动直观性差、运动控制较复杂 喷漆、装配、焊接 由设计要求可知，为了 可以将从模型架上取出的模型放到侧面的传送装置上，存取机械手需要沿模型架 轴移动，所以选择直角坐标型机械手结构比较合适，其运动直观性强的特点对完成自动存取图书的动作也是有利的。该坐标型机械手沿 X、 Y 轴的运动由电机带动齿轮齿条的方式完成，沿 在此次设计中，模型盒平放；而吸盘采用侧吸的方式故从 图 2空吸盘 直升降机构设计方案 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 9 垂直升降机构是自动存取装置的重要组成部分，要带动存取机械手完成沿模 型架垂直升降运动。垂直升降机构的设计考虑到空间定位问题，采用丝杠螺母副传动机构，由步进电机来驱动，可以达到精确定位的目的。 本课题中，滚珠丝杠副垂直升降机构工作原理 如图 2 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向 反复 作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 。滚珠丝杠副的特性： （ 1)驱动力矩小 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与 螺母 之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3 以下 ,即达到同样 运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。 （ 2） 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来 的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度 、 湿度进行了严格的控制 ,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 （ 3） 可实现 微进给 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微 进给。 （ 4） 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加 预压 ,由于 预 压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加 预 压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使 螺 母部的刚性增强 )。 （ 5） 高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进 给运动 。 平移动机构设计方案 水平移动机构是自动存取装置的基础部分，带动整个装置沿模型架做水平运动。由于水平方向移动行程比较大，滚珠丝杠副不够稳定，且由于承重与自重容易发生弯曲变形，甚至断裂，所以滚珠丝杠副不适合本机构。 图 2毕业设计 10 相比滚珠丝杠副 ，齿轮齿条传动承载力大，可无限长度对接延续，而且其定位精度也很高，能达到 以此处采用齿轮齿条传动更加合理。 案选取 根据工作参数，工作环境以及方案完成难易度，故，本设计选用方案 3。 以下凭借 一套自动存取装置，介绍其设计的总体方案，如图 2 图 2功能要求： （ 1）水平移动机构，可定位到模型盒位置，可运行到模型架外侧不影响其他模型盒。 （ 2）抓取机构，以吸取型机械手吸取模型盒侧面 （ 3）垂直升降机构，可定位的模型架的不同层 即可。 在此方案中，抓取机构为机械手的主体结构；水平移动机构和垂直升降机构为移动装置。规定水平移动机构沿模型架架的移动方向为 X 轴，垂直方向为 z 轴，面对模型架架的方向为 Y 轴。 本章小结 本章以一套自动仓库为例，列举出了本设计可以选用的三种方案，通过对抓取机构、2 自动存取装置机械结构设计总体方案 11 垂直升降机构、水平移动机构的方案对比，最终确定了原理方案。 毕业设计 12 3 抓取机构设计与部件选型 设计要求：搭建一个能存放 50 个模型的高架立体模型架，其上安装三轴运动的机械手和带启停按钮的操作面板，形成模型自动搬运系统。相关设计要求 如下： （ 1）工作环境 ： 教室； （ 2）模型重量 ( 5 （ 3）速度：平均移动速度为 50mm/s； （ 4）行程：水平移动行程为 5 米，升降行程 ，最大工作半径约为 ，安装前后可调 100 （ 5）定位精度： 1 10 械手爪的设计选用 真空吸盘的选取条件： （ 1）被移送物体的质量 决定吸盘的大小和数量 （ 2）被移送物体的形状和表面状态 选定吸盘的种类； （ 3）工作环境（温度） 选择吸盘的材质 （ 4）连接方式 吸盘、接头、缓冲连接器 （ 5）被移送物体的高低 （ 6）缓冲距 离。 为了确保真空吸盘能完成给定的任务 ,需考虑一定的安全系数 ,根据理论和实践经验 ,真空吸盘的安全系数 12 表 3盘直径、面积、垂直提升力参数表 被搬运物体的重量决定吸盘的大小和数量，根据生产线作业要求，吸盘工作时为水平吊状态，吸盘直径参数的计算公式如下： 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 13 （ 3 式中： D - 吸盘的理论直径， m - 需吸工件质量， t - 安全系数 (水平吊 t 4，垂直吊 t 8)； p - 吸盘内的真空度 n - 吸盘数量。 根据设计要求最大模型为 59 取整为 50N 需搬运模型重约 50N，吸盘工作时为侧方吸取 t 取 4， p 取 单个吸盘吸附 ，计算： 0 吸力 （ 3 根据表 3取值 表 3程用塑料摩擦因数 代入公式（ 3 D 为实际可选择的直径尺寸范围在 50内，考虑实际工件的形状，在满足需要的条件下，吸盘尺寸应尽可能小，所以增加吸盘数量 n，取 n=4，代入式（ 3计算，得： D 据数据选择 毕业设计 14 图 3用真空吸盘参数 空发生器的设计选型 根据真空吸盘选择对应配套的真空发生器 图 3空发生器 以下为真空发生器参数 图 3用真空发生器参数 动平台的设计 移动平台是机械手机构的支撑平台，平台上安装丝杠螺母传动副，螺母带动圆柱导杆上的法兰滑块运动，滑块上安装机械手机构，实现将模型盒从架上吸取并取出的功能。移动平台通过移动装置，可以运行到书架任意位置，停留做取书还书的动作；也可以运行到传送带旁，完 成取放的动作。丝杠螺母副的设计选型是其重点部分。 撑连接零件的设计 抓取机构的支撑连接零件主要包括平台板、螺母滑块连接件、滑块座、夹持器固定件以及支撑连接板。 （ 1）平台板是主要支撑平台，轴承座、电机、导杆等等都是由它来支撑的，其尺寸2 自动存取装置机械结构设计总体方案 15 根据支撑条件计算出来，材料采用铝合金，牌号为 5052铝合金 密度 低，但强度比较高，接近或超过优质 钢 ， 塑性 好，可加工成各种 型材 ，具有优良的 导电性 、 导热性和抗蚀性， 工业 上广泛使用，使用量仅次于钢。选用该牌号的铝合金，在满足强度的同时，还具有较好的伸展率，容易加工成型。 （ 2）螺母滑块连接件是将螺母与直线法兰连接，尺寸根据螺母滑块计算，材料也选用牌号为 5052 3）滑块座连接直线法兰，用来固定机械手夹持器，材料采用铝。 4）夹持器固定件作用是将机械手夹持器与滑块座连接在一起，材料使用牌号为5052 5）支撑连接板是作用是将整个抓取装置安装固定在垂直升降机构上，承受的力比较大，所以用 件对该零件进行有限元分析，以确定它能满足强度要求。经分析，其变形结果和应力结果分别如图 33 图 3撑连接板应变分析图毕业设计 16 图 3撑连接板应力分析图 由以上分析的显示结果可知，零件的最大变形量约为最大应力约为 1以该零件满足强度要求。 章小结 本章中根据设计要求计算了对真空吸盘以及真空发生器的要求数据。并对真空吸盘和真空发生器进行外购件选型。完成机械手爪部分设计。总重约为 1 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 17 第四章 垂直升降机构设计与部件选型 垂直升降机构主要构件包括丝杠螺母副、直线导杆、轴承、电机等。其中丝杠螺母副是整个机构的核心部分，需要着重计算校核，以保证机构的强度和稳定性。另外，与机 械手抓取机构相连接的部分，由于螺栓承重较大，也可能会发生强度不足的问题，需要对其做有限元分析。 直丝杠螺母副的计算选型 丝杠螺母带动抓取机构沿导杆做垂直升降运动，轴向载荷为抓取机构的重力，其最大载荷计算如下： 0 气泵及吸盘模具 由于丝杠螺母的轴向载荷来自导杆滑块一个方向，会产生较小的弯矩，但在此不会对丝杠 传 递运动产生影响，可忽略不计。丝杠螺母副的选型方法为通过计算选择台湾珠丝杠系列某一型号，然后再对其进行校核。 已知条件： 最大工作载荷 F=60N； 使用寿命，按每日工作 8小时，每年工作 365 天，使用 3年，则 *365*3=8760h； 丝杠的工作长度 L=杠导程 L=5 最大运行速度 1m/大转速为 n=200r/ 丝杠材料： 滚道硬度： 5862 运转情况：无冲击平稳运转。 ， 由已知条件选取各项系数 表 4荷系数表 表 4度系数表 毕业设计 18 表 4度系数表 带入上式得 （ 2）根据寿命计算额定动载荷 。 （ 3）查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷，直径 d=12 的滚珠丝杠额定动载荷完全满足该设计要求。考虑各种因素，选择型号为 滚珠丝杆副，其参数如图4示。 图 4珠丝杠螺母参数 （ 4）稳定性校核 由于一端轴向固定的丝杆在工作时可能会失稳，所以再设计时应对其安全系数 值应大于丝杆副传动结构允许安全系数 S。 滚珠丝杆临界载荷： 22(a (4式中， E 为滚珠丝杆材料的弹性模量，查 珠丝杠资料可知 E=21l 为丝杆工作长度 （ m） ， 错误 !未找到引用源。 为丝杆危险截面的轴惯性矩 （ 错误 !未找到引用源。 ）； 错误 !未找到引用源。 为长度系数。 又知， 410441 (42 自动存取装置机械结构设计总体方案 19 查表可知，取 错误 !未找到引用源。 ，则有： ( 1041021)( 2 109222 进而，有滚珠丝杆安全系数： (4经查手册知， SS（ S在 ,滚珠丝杠副是安全的，不会失稳。 临界转速的验证：需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。 9910 (4所以 该滚珠丝杆副工作稳定。 （ 5）滚珠丝杆副的刚度校核 滚珠丝杆的刚度 错误 !未找到引用源。 由丝杆的拉压刚度 错误 !未找到引用源。 、螺母支承刚度 错误 !未找到引用源。 和螺纹滚道接触刚度 R 组成。其关系如下： 1111 (4丝杆支承为一端固定、一端自由，则丝杆的拉压刚度： 错误 !未找到引用源。 (4螺母的支承刚度： 错误 !未找到引用源。 (4式 A 为螺母横截面 错误 !未找到引用源。 ，查手册可算出； 错误 !未找到引用源。 为螺母支承面有效滚道间长度，单位为 螺纹滚道接触刚度 R，查机械零件手册表 18表 18得到。 经验算，滚珠丝杆满足刚度要求。 动轴承设计与选型 由于滚珠丝杠是垂直放置的，除轴向载荷外，还受到自身重力， 所以该滚珠丝杠底端需要选用带座轴承固定端来支撑；其上端基本不受力，只需要用带座轴承支撑端支撑，对其径向约束即可。 参考台湾 珠丝杆资料，可以选用该厂家生产的带座轴承。考虑安装固定方式及尺寸等因素，选择固定端带座轴承型号为 撑端带座轴承型号为 毕业设计 20 直导杆设计与零件校核 垂直导杆与滚珠丝杠平行安装，上下两端各由直线光轴支座固定，起导向作用，同时增加机构的稳定性。导杆上安装直线轴承，在滚珠丝杠螺母的带动下做升降运动；直线轴承上安装一个底座，用来连接固定抓取机构和配重件。考虑整个升降 机构行程较大，选择直径为 d=12直线导杆。该直线导杆轴向载荷为自身重力，径向由于有配重件，所受弯矩也可以不予考虑，因此其载荷可以忽略，也无需对该零件进行强度校核。 因为连接板上承载着整个抓取机构的重力，它所受载荷还是比较大的，上一章已对该零件做了有限元分析，校核结果满足强度要求。此处需要对该部分连接的螺栓进行分析校核，以保证连接安全有效。 用 件高级仿真模块，模拟施加载荷及约束分析螺栓应变及应力结果分别如图44示。 根据图示的分析结果可知，螺栓最大变形量，最大应力为 机械设计手册可知，该应力小于碳钢材料的螺栓所允许的需用应力 ，符合强度要求。 进电机与联轴器的选型 1. 步进电机的选型 （ 1）步进电机的驱动转矩计算由前面已知条件可知 （ 2）步进电机所需功率计算 （ 3）选择电机型号 图 4栓应力分析结果图 图 4- 2 螺栓应变分析结果图 2 自动存取装置机械结构设计总体方案 21 根据所需要的转矩和功率，可以选定智枫 57 系列混合式步进电机，型号为57转矩功率完全满足设计要求。 2. 联轴器的选型 根据前面算出的电机驱动力矩，可以选择与滚珠丝杠同意品牌的联轴器，台湾 号为 结构尺寸如图 3 图 4轴器结构尺寸图 其中一般扭力为 T=5N m，最大扭力为，完全满足设计要求。 他零件的设计 此部分非标连接件主要包括直线轴承座、螺母滑块连接件及支撑端垫片。 直线轴承座的作用前面已介绍过，其材料选用铝合金，尺寸参考二维零件图。 螺母滑块连接件的作用是将螺母与直线轴承连接在一起，以实现螺母带动抓取机构升降运动的目的，其材料采用铝合金，尺寸参考零件图。 由于尺寸设计的需要，在带座轴承支撑端部分需添加一个厚度为 2垫片，采用铝合金材料，尺寸与带座轴承配合即可。 毕业设计 22 5 水平移动机构的设计与零部件选型 水平移动机构是本套装置的基础部分，需要支撑并带动整套装置做水平运动。水平运动由步进电机驱动齿轮齿条传动实现，书架上、下端分别安装直线导轨，导轨滑块上分别安装上、下支撑板，垂直升降机构正是固定在支撑板之间的。驱动齿轮的步进电机也安装在上支撑板上，电机输出轴直接与齿轮轴相连，电机驱动齿轮沿齿条滚动，从而带动电机及整个装置水平运动。通过对步进电机控制，可以达到水平方向精确定位的目的。其结构三维模型如图 5示。 设计参数：由 前面部分的设计可计算出水平方向载荷不超过 60N，要求运动速度为1m/用寿命与机械手抓取机构部分相同。 齿轮齿条的设计 当 Y 轴移动平台紧靠一侧时，齿轮承受最大载荷，为最大模型质量加上 轴移动系统。 设计要求 最大载荷 F=70N 速度 V=50mm/s=为此装置为一般工作机器，速度不高，选用 7级精度。 预选齿轮模数 m=齿数 z=22则分度圆直径 d=5轮选用 40 调质 硬度 280条选用 45钢 调 质 硬度 240 硬度差为 40力分析 112F F （ 5 图
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