海洋微生物原位采样与分析装置的机械手

1、装订线 毕业设计（论文）报告纸海洋微生物原位采样与分析装置的机械手专业 08机械设计制造及其自动化 姓名XXX学号 08020X指导老师 XXX【设计总说明】 目前,海水内含微生物的数量及种类检测的主要手段是利用采样船采集水样,然后将水样在实验室中由专门的检测人员处理,利用各种相互独立的检测仪器检测水样中的微生物成分。这样的检测手段劳动强度大、耗时长、效率低,达不到对海洋环境微生物实时快速分析、监测与预报的要求。因此,研制一种海洋微生物的原位采样与分析装置已成为提高海洋环境预报能力的迫切需求。通常需要在海上,收集样本归还给实验室设备齐全个人分析。减少时间和成本,环境样品处理器(ESP)原位采样

2、与分析装置是构建海洋环境微生物快速预警与监测网络的核心装备。本次机械手的设计本设计说明书主要对于夹持器，伸缩臂，步进电机控制系统的设计思想和设计过程。内容主要包括：夹持器与伸缩臂总体方案的确定，采用了电动驱动系统，电气方面有交流步进电机、变频器等电子器件组成，相应的涉及到电机的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。该装置涵盖了机械和电气方面的知识，是机电一体化的典型代表仪器之一。【关键词】 涡轮蜗杆机构；丝杆螺母机构；电机；轴；角接触球轴承；Marine microorganisms in situ sampling and analysis device of mechani

3、cal handMajor: mechanical design, manufacturing and automationName: Jun Wu Student Number: 080203Guiding teacher: Boming Xu【General Specification】At present, the number and variety of seawater with microorganism detection is the primary means of using the sampling vessel for collecting water samples

4、, and then the water in the laboratory detected by specialized personnel processing, using a variety of independent detection apparatus for detecting water samples in the microbial composition. Such a detection means great labor intensity, time consuming, low efficiency, not on marine environmental

5、microbial rapid and real-time analysis, monitoring and forecasting demand. Therefore, to develop a kind of marine microorganisms in situ sampling and analyzing device has become to improve marine environmental forecasting ability is the urgent demand. Usually required in the sea, collection of sampl

6、es returned to the laboratory equipment personal analysis. Reduce the time and cost, environment sample processor ( ESP ) in situ sampling and analyzing device is the construction of the marine environment of rapid microbial early warning andmonitoring of core network equipment. The design of mechan

7、ical hand the design specification for clamp, a telescopic arm, a stepping motor control system design thought and the design process. The content mainly includes: the holder and the telescopic arm of the whole scheme, using the electric drive system, there are electrical AC stepping motor, inverter

8、 and other electronic components, corresponding to the motor selection and calculation, the overall structural design, the main components of the stress analysis and strength check. The device covers the mechanical and electrical knowledge, is the typical electromechanical represents one of instrume

9、nts.【Keywords】A worm and gear mechanism; screw nut mechanism; motor; shaft; angular contact ball bearing;目 录1 绪论41.1 课题背景及意义41.2 ESP简介及其工艺51.2.1 ESP简介51.2.2 ESP工艺流程51.3 ESP装备构成91.3.1机械系统91.3.2液压系统101.3.3平台101.3.4成像系统112 ESP机械手的设计132.1 ESP机械手设计的目的及内容132.1.1 设计目的132.1.2 设计内容132.2 方案设计132.2.1 对机械手的工作要求

10、132.2.2 机械手工作区域及具体流程132.2.3 机械手总体方案设计142.2.4 机械手手爪方案设计152.2.5 总体方案的详细设计163 机械手详细设计183.1 肩关节设计（机架旋转）183.1.1 电机选取183.1.2 传动轴的设计与校核203.1.3 传动轴上轴承的选择与校核213.2 滑臂设计（机械臂伸缩）223.2.1 电机选取223.2.2 导轨形状设计253.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计与校核253.3 手爪设计（手爪抓握）343.3.1 电机选取343.3.2 蜗杆蜗轮副的设计和校核384 总结与展望424.1 总结424.2 展望425 致 谢43参考文献441

11、 绪论1.1 课题背景及意义海洋作为生命起源地，不仅占地球表面的近3/4，而且包含着地球大约80%的生物资源，海洋中高压、高盐、低温、低营养、无光照等一系列特殊的生态环境使得海洋环境具有多样性和特殊性，从表面到大约11000米深的海沟，都存在微生物,研究表明，在已探测到达的最深处马里亚纳海沟的深海沉积物样本中，发现其微生物含量可达到/g的水平。恶劣的环境为海洋生物研究带来了困难，海洋中已知的微生物种类约有100万种以上,仅存在于海底软泥中的海底深部原核微生物量估计会占地球总生物量的1/101/3，但目前海洋微生物中已经研究和鉴别过的还不到总量的5%。早在18世纪，海洋微生物学就开始发展，随着海

12、洋物理、化学、物理化学、生物学等邻近学科的需求，海洋微生物学的研究得意迅速发展。因此，水生物学、水化学、海洋地质学、水文学及相关学科在海洋研究中与海洋微生物学相辅相成，共同促进了对海洋的认识。1999年开始，欧洲海洋科学研究机构将海洋微生物的多样性作为研究重点，并提出了海洋生物多样性减少的问题。在海洋环境中，微生物的重要作用有：参与生态系统的物质循环。某些微生物能够分解已死亡的生物体，将有机体完全矿化，释放出、水、氨和一些无机元素。参与自然生物链。将不溶性物质转化为可溶性物质，作为生物细胞质成分或直接被吸收，成为动植物营养所需的物质；某些微生物本身可以直接作为水生动植物的食物。具有广阔的药物开

13、发前景。发现青霉素以来，已经寻找到具有药物作用的微生物代谢产物已达百种以上，绝大部分来源于陆栖微生物，寻找新种数的难度越来越大。海洋环境的特殊性，可能使微生物产生变异，存在大量新物种，并且必然有其特殊的代谢产物和调控机构。从海洋微生物种筛选具有药物活性的物质具有广阔前景。具有巨大的经济价值。海洋微生物除具有药物利用价值外，其生物活性物质，在保健品、食品添加剂、着色剂、化妆品、工业生产等方面也具有广阔的应用前景。海洋微生物的研究对于研究海洋生态环境具有重要意义。早期的海洋微生物研究主要根据培养法。脱离真实的自然环境，很多微生物种在实验室人工培养基条件下不能生存，因此，只能得到那些能够在人工培养基

14、上繁殖的微生物种，这种方法极大的限制了微生物研究的准确性。目前，海水内含微生物的数量及种类检测的主要手段是利用采样船采集水样，然后将水样在实验室中由专门的检测人员处理，利用各种相互独立的检测仪器检测水样中的微生物成分。这样的检测手段劳动强度大、耗时长、效率低，达不到对海洋环境微生物实时快速分析、监测与预报的要求。因此，研制一种海洋微生物的原位采样与分析装置已成为提高海洋环境预报能力的迫切需求。通常需要在海上,收集样本归还给实验室设备齐全个人分析。减少时间和成本，MBARI引发了发展的环境样品处理器(ESP)原位采样与分析装置是构建海洋环境微生物快速预警与监测网络的核心装备，具有广阔的应用领域与

15、市场前景。1.2 ESP简介及其工艺 1.2.1 ESP简介ESP压力舱内充满惰性气体，压力为1个大气压。ESP可收集水深为50 m范围内的海水样品。ESP的尺寸（不包括压力舱）为：直径410mm，高度760mm。在机械机构上，ESP分为8个组成部分：传送机构，机械手，样品收集平台和化学反应平台，三个泵和一个CCD摄像装置。传送机构可以存放150个Puck（也可能为132个），Puck起反应容器的作用。机械手前端有夹持器，将Puck从传送机构中夹起，输送到样品收集平台或者化学反应平台。样品收集平台或者化学反应平台处具有装夹式机构，可将Puck固定、夹紧并密封，然后使其与样品端口相连，或者/和试

16、剂多路阀的端口相连。样品收集平台和化学反应平台中都有电加热装置，可将Puck从周围环境温度（430）加热到85-100。传送机构中的升降装置除了将Puck提升或下降外，还可将Puck提升到CCD摄影装置处，对试验结果进行摄像。 1.2.2 ESP工艺流程1）旋转机构调整到指定位置，将过滤Puck运送到顶盘2）机械手将过滤Puck夹住，并运送到样品收集平台；3）样品收集平台夹紧并密封过滤Puck；4）采样泵用于吸取海水，使其通过滤膜；5）样品收集平台的上、下压力传感器检测滤膜的压力差，以判断滤膜是否堵塞；6）如果需破碎细胞材料，试剂分配泵可注入小量浓缩洗涤剂；7）样品收集平台对过滤Puck进行加

17、热和均匀化处理，加热温度85；8）收集泵提取处理后的样品（从过滤Puck中吸出）；9）旋转机构调整到指定位置，将阵列Puck运送到顶盘10）机械手将阵列Puck夹住，并运送到化学反应平台；11）化学反应平台夹紧并密封阵列Puck；12）试剂分配泵可注入程序规定的各种试剂和样品，以进行化学反应；13）机械手将阵列Puck移到到CCD摄像装置，对结果进行记录；14）机械手对过滤Puck和阵列Puck移如旋转机构。海水泵试剂泵裂解泵.时间历程机械手 1.2.3样品采集(2)抽水2001000ml后过滤尽快(1)拍摄位A取PUCK，放到收集位B小于20min 海水泵CPABB 图1-1 图1-21）机

18、械手构成：支撑架、转轴、长臂、前爪、同步带、电机等。2）转轴：可绕轴进行旋转，主要是三个工位（A/B/C）和一个泊位(P)。3）长臂：可带动前爪前后移动，移动时可避开障碍。前后移动非水平，有一小倾角。4）前爪：可夹紧、放松Puck。5）PA前伸取物：电机同步带长臂与前爪前伸前爪夹紧Puck；6）AP后缩归位：电机同步带长臂与前爪后缩；7）平台转动：电机转轴转动给定角度；8）PB前伸放物：电机同步带长臂与前爪前伸前爪放松Puck；9）BP后缩归位：动作同AP。10）电机丝杠转动海水泵活塞上移抽海水200-1000ml；11）水样通过内置直径为24mm、孔径为0.45-0.65m的亲水Durapo

19、re滤膜的Puck。压力100-150mmHg，过滤时间不超过20min。试剂泵裂解泵海水泵机械手.时间历程 1.2.4样品裂解尽快(4)Puck加热与冷却(3)加裂解液1 2ml10min裂解泵B 图1-3 图1-4B加热1）电机丝杠转动裂解泵活塞上移抽裂解液1-2ml。2）换向阀换向后，电机丝杠转动裂解泵活塞下移将裂解液加注到Puck中；3）加热Puck到85，时间：5min，再5min冷却到周边环境温度。4）加热方式：电阻丝。5）冷却方式：自然冷却；6）加热与冷却过程中，机械、液压系统无动作。 1.2.5裂解物过滤1）过滤: 滤膜就是步骤（2）中过滤海水样品的滤膜。2）过滤后：电机丝杠转

20、动裂解泵活塞上移抽B位置Puck中的过滤后的裂解液（含有微生物RNA ）到裂解泵柱塞腔；3）至此，B位置处的Puck已经无用，需移走。 1.2.5三明治杂交 图1-51）换向阀换向后，电机丝杠转动试剂泵活塞下移将1-2ml裂解液转移至C位处的Puck2）加热方式与温控。 1.2.6信号检测 图1-6拍照时，需提升控制A位Puck的垂直位置。1.3 ESP装备构成 1.3.1机械系统 机械手具有3自由度，手臂可旋转，用于将Puck从传送装置取走，运送到样品收集平台和化学反应平台。机械手具有两个叉子状末端夹持器。末端夹持器固定在精密的、线性的、球轴承的滑动轨道上。滑动轨道可以实现伸缩运动。滑动前臂

21、与一个旋转的轴关节相连，也与顶盘中心相连。 图1-7 由旋转机构和升降装置构成，存放有150个Puck（第一代ESP为100个，另一篇文献中第二代为132个）。旋转机构可在圆周方向上调整Puck的存放位置；升降机构可在纵向（或竖直方向）上提升或下降Puck。 1.3.2液压系统 ESP中配有三个泵，即采样泵、收集泵和试剂分配泵。采样泵用于吸取海水，其工作频率为2次/分钟，每次输送液体体积为25mL；过滤并处理的样品由收集泵提取，每次提取最大液体体积为10ml；试剂分配泵可将不同的试剂和样品提取物注入化学反应Puck中，每次最大输送液体体积为2.5ml。三种泵分别配有四路、六路和八路等旋转阀。旋

22、转阀的位置由磁性角度传感器定位。 图1-81.3.3平台 样品收集平台安装有两个压力传感器，检测进口和出口处的压力。根据压差可判断滤膜是否堵塞，还可调整海水样品的流速。图中蓝色部分表示压力传感器。样品收集平台和化学反应平台中都有电加热装置，可将Puck从周围环境温度(430)加热到85-100。 图1-91.3.4成像系统CCD型号：Starlight Xpress model SXVH9 England透镜：Fujinon model HF16HA-1B lens曝光时间为10秒。波长为450nm和波长为650nm的光照射下进行记录，结果存放在Flash存储器中。 1.3.5附件Puck起反

23、应容器的作用。Puck的直径为30 mm，高度为17 mm。有5种不同类型的Puck。图中，左上角是过滤Puck（包括大、小容积两种），用于样品收集和均匀化处理；右上角是归档Puck，用于显微镜观测的归档保存的样品；下面是摄像Puck，其中左下角是印制在12mm薄膜上的探针阵列Puck，右下角是印制在25mm薄膜上的探针阵列Puck。大容积(4 mL)的Puck可保持样品湿润，小容积(0.5mL)的Puck可存放试剂。 图1-10 左边是过滤Puck，中间是25mm阵列Puck，右边是归档Puck。 PUCK的结构由上结构体、下结构体、滤膜、滤膜支撑环、O型密封圈等构成。2 ESP机械手的设计

24、2.1 ESP机械手设计的目的及内容2.1.1 设计目的ESP机械手的设计，其目的在于通过对自动机械手的设计，使学生在拟定传动结构方案、结构设计和装配、制造工艺以及零件设计计算、机械制图和编写技术文件等方面得到综合训练；并对已经学过的基本知识、基本理论和基本技能进行综合运用。从而培养学生具有结构分析和结构设计的初步能力；使学生树立正确的设计思想、理论联系实际和实事求是的工作作风。2.1.2 设计内容本课题目标：通过对ESP的初步研究，完成ESP装置中的样品分析平台的初步设计（含图纸）为此，课题的研究内容为：1)调研国内外ESP的产品和研究现状。2)熟悉ESP整体工作原理与工作流程。3)整理出E

25、SP装置设计中的机械手系统技术要点和难点。4)提出满足机械手技术要求的技术方案和配件。5)完成实现机械手设计方案的配件调研和分析。6)完成实现机械手的机构和结构设计（含三维模型、图纸）与相关控制系统实现方案。2.2 方案设计ESP机械手作为ESP的一部分，不是几个零部件的简单拼凑，而是一个有机的整体。各个部件之间相互运动关系非常重要，必须在分析机械手所要求动作的基础上的做出机械手的工作原理，根据机械手工作的工序，设计出合理的机械手。2.2.1 对机械手的工作要求1)能够夹持和放开PUCK。2)能够带着PUCK前后伸缩。3)能够带着PUCK绕中心旋转。 2.2.2 机械手工作区域及具体流程ABC

26、P 图2-11) 机械手从PUCK罐（位置A）取采样PUCK到位置B，进行水样过滤与样品收集、样品裂解、裂解物质过滤流程。2) 机械手从PUCK储存罐（位置A）取阵列PUCK到位置C，进行sandwish杂交。3) 机械手将阵列PUCK从位置C移动位置A，进行信号检测与成像流程。2.2.3 机械手总体方案设计直线式机械手 图2-2旋转式机械手 图2-3经综合比较，直线式机械手有一下缺点：1) 与其他设备发生干涉。2) 所占空间过大。3) 仪器排列不便。4) 设备采购不变。所以舍弃直线式机械手，采用旋转式机械手。2.2.4 机械手手爪方案设计齿轮式手爪 图2-4涡轮蜗杆式手爪 图2-5由于电机与

27、驱动件同轴，便于排布在同一水平线上驱动可靠性高，所以采用涡轮蜗杆式手爪。2.2.5 总体方案的详细设计 图2-5改进后的方案 图2-63 机械手详细设计3.1 肩关节设计（机架旋转）3.1.1 电机选取 （1）等效转动惯量的计算图 3-1 肩关节电机等效转动惯量计算简图 根据以上等效转动惯量的计算简图，据下面式子进行计算：式中： 步进电机转子的转动惯量，初步选用常州宝来42BY48HJ25B型步进电机， 转动部件的转动惯量，所以有： 考虑步进电机与转动系统惯量的匹配问题，基本满足惯量匹配的要求。 （2）电机力矩计算 电机的力矩包括两个部分，以以下公式求得：式中： 电机的最大转速， 启动加速时间

28、，取所以得：折算到电机轴上的摩擦力矩为：上述两项合计，得： 初选的电机常州宝来42BY48HJ25B型步进电机的定位转矩为，符合要求 （3）电机的具体技术参数图 3-2 42BY48HJ25B型步进电机外形图表 3-1 42BY48HJ25B型步进电机技术参数 （4）电机的外部电路接线图图 3-3 42BY48HJ25B型步进电机外部接线图 （5）电机的外形尺寸图 3-4 42BY48HJ25B型步进电机外形尺寸 3.1.2 传动轴的设计与校核 （1）轴上的功率、转速和转矩 （2）初步确定轴的最小直径 按表15-3【3】初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，取于是得选取： （3）轴的结

29、构设计 图3-5 （4）轴的受力分析整根轴同时受到扭矩，弯矩，拉力的作用，用以下计算简图表示:图 3-6 肩关节轴受力计算简图其中： 拉力 扭矩 弯矩 （5）求轴上的载荷 根据上面的受力简图，可以看出C-D段间截面为轴的危险截面。查表12-6【2】，得到材料的许用应力为又由于轴受的载荷为脉动的，所以故安全。 3.1.3 传动轴上轴承的选择与校核初选轴承型号为7004角接触球轴承（1） 求轴承受到的径向载荷式中为轴承处弯矩和轴承半径的乘积。 （2）求轴承的计算轴向力 对于70000C的轴承，按表13-7【1】，派生轴向力，其中，e为表13-5【1】中的判断系数，其值由的大小来确定，但现在轴承轴向

30、力未知，故初选，因此可估算处以下结论：由表13-5【1】进行插值法计算，得，再计算两次计算的值相差不大，因此确定， （3）求轴承当量动载荷 由表13-5【1】分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为，。因轴承运转中有轻微冲击载荷，按表13-6【1】，取。则 （4）验算轴承寿命故所选轴承满足寿命要求。3.2 滑臂设计（机械臂伸缩） 3.2.1 电机选取 （1）等效转动惯量的计算图 3-7 丝杠电机等效转动惯量计算简图 可以根据下面式子进行计算：式中： 步进电机转子的转动惯量，初步选用常州宝来42BY48B01型步进电机， 滚珠丝杠的转动惯量， 移动部件的重量，所以有： 考虑步进电机与

31、转动系统惯量的匹配问题，基本满足惯量匹配的要求。 （2）电机力矩计算 电机的力矩包括三个部分，以以下公式求得：式中： 电机的最大转速，与丝杠的最大转速相同，所以 启动加速时间，取所以得：折算到电机轴上的摩擦力矩为：附加摩擦力矩为：上述三项合计，得： 初选的电机常州宝来42BY48B01型步进电机的定位转矩为，最大额定静转矩为符合要求。 （3）电机的具体参数图 3-8 42BY48B01型步进电机实物图表 3-2 42BY48B01型步进电机技术参数 （4）电机的外部电路接线图图 3-9 42BY48B01型步进电机外部电路接线图 （5）电机的外形尺寸图 3-10 42BY48B01型步进电机外

32、形尺寸图 3.2.2 导轨形状设计 机械臂伸缩时，机械臂悬挂在固连于机架的梯形导轨之上，梯形导轨固定，而滑块前后滑动。如下图所示，梯形导轨与上部机架相固结，套在其上值滑块与下部的机械手爪相固结，所以梯形导轨此时同时起到承受下面机械结构的重量，和引导滑块沿直线滑动这两个作用。 图 3-11 直线导轨与滑块的断面图 3.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计与校核 （1）滚珠丝杠螺母副品牌选择海洋原位采样系统的工作环境位于海中，工作周期较长，对系统有较高的稳定性与可靠性的要求，因此在选择滚珠丝杠螺母副这样的关键零部件时，必须慎之又慎，经过长期的背景分析和市场调研，最终决定使用NSK品牌的滚珠丝杠螺母副。日本

33、精工株式会社（NSK LTD.）成立于1916年，是日本国内第一家设计生产轴承的厂商。几十年来，NSK开发出无数新型轴承，满足世界各地用户的需求，并为产业发展和技术进步做出了极大的贡献。同时NSK凭借其在精密加工方面的技术优势，不断开发汽车零部件、精密机械组件等高、精、尖产品，在电子应用等领域积极开展多元化经营。 目前NSK在全球二十多个国家和地区建立了销售网络，并拥有五十多家工厂，行业排名位世界前列。NSK滚珠丝杠具有以下优点：1） 交货周期短：NSK备有标准库存系列，能够在短期内供货。2） 价格合理：对于标准滚珠丝杠，NSK通过采用大批量计划生产的方法，降低了成本。即使是订购的产品，NSK

34、也以居世界首位的产量为背景，通过采用将类似产品集中生产的方式，抑制了价格的上涨。3） 具有难以效仿的高精度：对于高精度的产品，通过采用NSK开发的研磨方式和测量仪器，实现了无以类比的精度水平。4） 具有优异的耐久性：通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理的方式，使产品具有优异的耐久性。5） 具有没有松动的高刚性：由于NSK滚珠丝杠采用了如下图的哥特式沟槽形状，容易控制预压力的大小，为此能够获得没有松动的适当的刚性值。即使不施加预压力，也能够使滚珠与沟槽之间保持极小的间隙，所以几乎不会产生松动。图 3-12 NSK滚珠丝杠螺母副剖面结构图6） 能通过平滑的运转获得很高的效率 如果是圆弧槽

35、，有时会出现滚珠像楔子那样嵌入螺母和螺杆槽的现象，但是，哥特式沟槽就不会出现类似的现象，再加上滚珠丝杠固有的低摩擦特性，从而能够获得如下图中所示的平滑运转和高效率的运动转换。 图 3-13 滚珠丝杠的机械效率图7）具有品种齐全的外围装置 作为标准库存件，NSK具有充分发挥了在滑块领域取得的经验，制成了高品质支撑单元，高重量滚珠丝杠专用支撑单元（用于轻负载的小型设备以及大负载的机床）。此外，NSK还可以提供品质有保证的用于锁紧滑块的锁紧螺母，防止超行程的制动器，以及中空滚珠丝杠所用的密封件。由于NSK滚珠丝杠螺母副具有以上优点，很适合MEIDI系统的各项工作要求，所以决定选用NSK品牌的滚珠丝杠

36、螺母副作为MEIDI系统中机械手的推进丝杠装置。 （2）使用条件有效最大行程 运行时间 运行速度 定位精度 /脉冲重复定位精度 寿命 滑动面摩擦系数 驱动电机 步进电机转速 （3）各项基本参数的选定 1）选择精度等级和轴向间隙根据NSK提供的产品目录及其选择规程，选择精度等级，根据下表选择：表 3-3 NSK滚珠丝杠精度等级表（图中标记表示使用例的精度等级范围，标记表示其中使用例最多的精度等级）根据MEIDI系统的用途，选用精度。根据上述设计条件，分辨率精度：，最小拆卸能力：0.005mm/脉冲，轴向间隙小于T间隙0.005mm以下。根据下表精度等级和间隙的组合，轴向间隙小于T间隙0.005m

37、m以下，选定精度等级为，轴向间隙为0mm（Z间隙：预压）表 3-4 精度等级和轴向间隙的组合表 2)导程的选定由电机的最高转速可得出导程： 从而能从1mm以上的数值中选定导程。 3)螺杆外径的选定根据下表标准库滚珠丝杠列的轴外径和导程的组合，作为导程在1mm以上的轴径为820mm，选定最小的8mm。 4)行程的选定根据下表标准库滚珠丝杠系列和最大行程范围，轴径为8mm，导程为1mm时，可以满足最大行程为30mm的要求。表 3-5 螺杆外径和导程行程的组合（由于选用的材料为不锈钢，所以用此表，其中圆点表示PSS型滚珠丝杠） 5）第一次选定的结果轴径 8mm导程 1mm行程 30mm精度等级 轴向

38、间隙Z （4）确认标准滚珠丝杠中是否有相应的产品从交货期和价格上考虑，从标准滚珠丝杠轴端成品中选用。 （5）可靠性校核 1）丝杠带动的移动部件的重力计算丝杠在工作时主要就是带动滑块、手抓电机和手爪前进和后退。丝杠的负载主要就是来自这些移动部件在其导轨上的摩擦力，所以现在先求出它们的重力，以便进行下一步关于丝杠选型的计算。以下是滑块、手抓电机和手爪的大致尺寸范围（为保证可靠性，已适当放大）： 滑块： 手爪电机： 手爪（包含Puck）：它们的总体积如下： 经查阅，一般不锈钢的密度约为。为了保证设备的可靠性，可以取，所以它们的总质量为：取重力加速度为，那么它们的总重力为： 2）计算进给率引力作用在滚

39、珠丝杠上的进给率引力主要是丝杠所牵引的移动部件（包括滑块、手爪电机和手爪）在导轨上的摩擦力，因其数值大小和导轨的形式有关，所以需要求出。（N）的计算公式如下： 矩形导轨： 燕尾型导轨： 三角型或综合导轨：式中： 三个方向上的外加载荷 移动部件的重量 导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 考虑颠覆力矩影响的实验系数在这里，丝杠主要的负载只有丝杠所牵引的移动部件（包括滑块、手爪电机和手爪）在导轨上的摩擦力，另外，此处采用了燕尾形的导轨，所以公式化为以下形式：在正常情况下，可取下列数值： 矩形导轨： 燕尾形导轨： 三角形或综合导轨：此处取燕尾形导轨，所以求得以下结果： 3）计算计算载荷 载荷系数，查简明机

40、械设计手册表6-4-22，取 硬度影响系数，查简明机械设计手册表6-4-23，取 短行程系数，查简明机械设计手册表6-4-24，取代入上式得到计算载荷： 4）计算最大动负载 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转(106转)后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，可用下式计算：式中： 丝杆寿命，以106转为一单位且 丝杠转速()， 设备的设计寿命(h) 运转系数，见下表：表 3-6 运转系数表运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5取设备寿命为，那么，丝杠寿命如下： 此处

41、取一般运转条件，取运转系数为，则丝杠最大动负载为： 的额定动载荷为，满足设计要求。 5）压曲负载根据以下表格选定安装间距离，下面探讨的安装间距，最大动负载。可以根据下面公式算出螺纹轴底槽直径：式中： 安全系数 纵向弹性系数，一般取 螺杆剖面最小转动惯量， 螺纹轴底槽直径（mm），待求 安装距离（mm） 根据滚珠丝杠轴安装方法而定的系数，按下表选择表 3-7 护罩屈负载的系数轴承支持构造为固定支持，因螺母部为固定支持，根据负载方向安装条件为固定固定，系数。所以有：的尺寸表中虽然没有，但在定制滚珠丝杠的尺寸表中有同样螺母规格的产品，据此，满足安全需求。 6）极限转速的确认尺寸表中的极限转速为300

42、0r/min。由于电机的最高转速为360r/min，为此，实际转速小于极限转速，符合要求。 7）寿命确认平均负载此处等于计算进给率引力，平均转速为。的额定动载荷为，根据满足寿命要求。 8）稳定性验算因螺杆属于细长杆，所以应对其稳定性进行验算，以防其失稳破坏，临界载荷为：式中：螺杆材料的弹性模量，取螺杆危险截面的惯性矩，此处长度系数，根据材料力学理论，按两端固定， 丝杠长度，所以，得： 因此，得：式中： 结构的安全系数 额定最低安全系数，此处为钢结构，取所以，设计满足稳定性要求。 9）刚度校核按最不利的情况考虑，即在导程内受轴向力引起的弹性形变与转矩引起的弹性形变方向一致，此时变形量最大，计算公

43、式如下：式中： 得： 剪切弹性模量 则： 每米螺杆长度上螺距的弹性变形为：所选滚珠丝杠为2级精度，所以，所以合格。 （6）计算效率 （7）选定的滚珠丝杠各项参数 型号表 3-8 滚珠丝杠副技术参数 选取螺母规格型号表3-9 滚珠丝杠规格 选取NSK自带的支撑单元，型号WBK08-01 3.3 手爪设计（手爪抓握） 3.3.1 电机选取 （1）等效转动惯量的计算图 3-14 蜗杆蜗轮等效转动惯量计算简图 根据以上蜗杆蜗轮等效转动惯量的计算简图，由下面式子进行计算：式中： 步进电机转子的转动惯量，初步选用常州宝来42BY48B01型步进电机， 蜗杆的转动惯量， 蜗轮与手爪的转动惯量，所以有： 考虑

44、步进电机与转动系统惯量的匹配问题，基本满足惯量匹配的要求。 （2）电机力矩计算 电机的力矩包括两个部分，以以下公式求得：式中： 电机的最大转速，与丝杠的最大转速相同，所以 启动加速时间，取所以得：附加摩擦力矩为：上述两项合计，得： 初选的电机常州宝来42BY48B01型步进电机的定位转矩为，最大额定静转矩为符合要求。 （3）电机的具体参数图 3-15 42BY48B01型步进电机实物图表 3-10 42BY48B01型步进电机技术参数 （4）电机的外部电路接线图图 3-16 42BY48B01型步进电机外部电路接线图 （5）电机的外形尺寸图 3-17 42BY48B01型步进电机外形尺寸图3.

45、3.2 蜗杆蜗轮副的设计和校核 （1）功率计算蜗轮与两根手爪爪指固连 。 为保证可靠性，把橡胶垫当成规则的的立方体求转动惯量，求出其转动惯量如下：图 3-21 手爪爪指转动惯量计算简图经查验，得一般钢材的密度为，橡胶的密度为，所以可以求得转动惯量如下：由于机械手的工作只是夹紧与放松PUCK，所需的摆动角度不大，约为，在1s内完成，所以其角速度为所以机械手爪单只功率为（2）蜗杆蜗轮传动形式和精度等级设计的传动比为，由于传递的功率很小，速度也不大，所以选用阿基米德蜗轮蜗杆传动，精度为8级。 （3）选用材料这里使用状况并不恶劣，很宽松，所以蜗杆可以选45钢，表面淬火，硬度45-55HRC，蜗轮选用锡

46、磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造。（4）蜗杆头数选择蜗杆头数选，蜗轮齿数为 （5）许用接触应力 查表6-5-118【3】，得 查图6-5-55【3】，采用喷油润滑，得根据图6-5-56【3】的计算公式 查图6-5-56【3】，得许用接触应力 （6）蜗轮输出转矩输出功率输出转矩 （7）载荷系数 查表6-5-117得 查表6-5-120【3】得， 查图6-5-58【3】得， 查表6-5-121【3】得， 查表6-5-122【3】得， 由于不带风扇， （8）模数与直径由表6-5-117【3】的公式如下：查表6-5-111【3】，选，取， （9）蜗轮蜗杆主要几何参数的计算 查表6-5-115【3】

47、，得：模数 传动比 蜗杆头数蜗轮齿数 蜗杆直径系数 变位系数 中心距 导程角 蜗杆轴面齿形角蜗杆，蜗轮法面齿形角径向间隙蜗杆，蜗轮齿顶高， 蜗杆，蜗轮齿根高，蜗杆，蜗轮分度圆直径，蜗杆，蜗轮节圆直径， 蜗杆，蜗轮齿顶圆直径， 蜗杆，蜗轮齿根圆直径，蜗杆轴向齿距蜗杆沿分度圆柱上的轴向齿厚蜗杆沿分度圆柱上的法向齿厚螺杆分度圆法向弦齿高蜗杆螺纹部分长度，取蜗轮最大外圆直径，取蜗轮轮缘宽度蜗轮齿顶圆弧半径蜗轮齿根圆弧半径 （10）齿面接触强度校核 由表6-5-117【3】 K与按设计好的几何参数重新计算 与原假设相差不多，故仍取=330MPa 由表6-5-146【3】，得 啮合效率为 轴承效率，所以有

48、 查表6-5-117【3】得 查表6-5-120【3】得， 查图6-5-58【3】得， 查表6-5-121【3】得， 查表6-5-122【3】得， 由于不带风扇，所以，故安全。4 总结与展望4.1 总结 通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。 毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份