河北工程大学机械手伸缩臂设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2 伸缩臂的设计方案2.1 设计方案论证以及确定2.1.1 设计参数1. 伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂前端安装机械手，用于夹持工件；伸缩臂直线伸缩，完成工件的工位转换；2. 单方向伸缩时间：1.52.5s；3. 定位误差要定位措施，定位误差小于2mm；4. 前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。2.1.2 设计方案的比较论证2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案经过本人的反复思考及论证，先做出运动简图。现如下图2-1所示，

2、该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。由步进电动机（1）驱动，带动一级齿轮减速器（2）。通过减速器输出轴与丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母的直线运动，推动导向杆运动，利用电机正反转动实现伸缩换向。法兰用于安装机械手，构成如图所示的结构。图2-1 步进电机伸缩机构示意图2.3 执行装置的设计方案2.3.1导向机构的选择与计算（这部分可以不做）2.3.2 滚珠丝杠的选择2.3.（1）由题可知：伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒 ，所以速度,初选螺距P=10mm （ 2.9 ） 则： （ 2.10 ）（2）计算载荷： （ 为载荷系数，为硬度系数，

3、为精度系数）。由题中条件，取 ，取 取D级精度，取 丝杠的最大工作载荷 : 导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷: max=F=120N （ 2.11 ）则： （3）计算额定动载荷的值：由式（2-4） （ 2.12 ） 所以 （4） 根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠丝杠 汉江机床厂FC1型滚珠丝杠 表2-1丝杠代号丝杠尺寸/mm螺旋角滚珠直径米制/mm螺母安装尺寸/mm额定载荷中径大径导程动载静载dpDEMLQh4006-34039.583.9695011875156448M691592137969825 FC1-5006-3， FC1-

4、52008-2.5 考虑各种因素选用FC1-5006-3。由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程p=8mm 螺旋角 滚珠直径 按表2-1中尺寸计算：滚道半径 （ 2.13 ）偏心距 （2.14 ）丝杠内径（ 2.15 ）（5）稳定性验算1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S（见表2-10）。丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷（N）按下式计算： （ 2.16 ）式中E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa; l 为丝杠工作长度（m）L=450mm；为丝杠危险截面的惯性矩；u为长度系数，见表2-10。依题

5、意： （ 2.17 ）取， 则 （ 2.18 ）安全系数。查表2-10，S=34。SS，丝杠是安全的，不会失稳。（6）刚度验算 :滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量: （ 2.19 ）其中 A丝杠截面积 丝杠极惯性矩 G丝杠的切变模量，对于钢 T转矩 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，为工作载荷，取摩擦系数，则=840 则T= （ 2.20 ）按最不利情况取（其中F=） （ 2.21 ）则 : 丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为： （ 2.22 ）通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度（）的1/2，即 （ 2.23 ）该丝杠的满足上式，所以其

6、刚度可满足要求。（7）效率验算： 滚珠丝杠副的传动效率 为 （ 2.24 ）要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。经上述计算： Fa50063 各项性能均符合题目要求，可选用。 2.3.2.2 2.3.根据结构的设计确定，要保证有300mm的伸缩长度，先对丝杠螺母进行选择。丝杠螺母选用外循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=61mm。根据其传动的特点，要保证螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠的有效传动长度为L=430mm。 2.3. 采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿

7、命较高，适用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。 由此可知：丝杠转速：Pn=L/2 所以 （ 2.25 ）2.3.2. 由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，所以丝杠的固定端（承重端）为左端，右端为游动端。 因此为了满足使用要求，左端的轴承选取双向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式。推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端的径向位移，同时又要限制向右的轴向位移，故选用角接触球轴承。此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。1)双向推力球轴承的选择2)初步选定为 51000型 代号为51306 d =30mm D =60mm T =21mm校核基

8、本额定载荷通过所要求轴承寿命（等于丝杠的寿命）算基本额定载荷在实际工程计算中，轴承寿命常用小时表示 （ 2.26 ） =2338N （ 2.27 ）其中， C基本额定动载荷（N ） P当量动载荷（N ） 寿命指数 球轴承 n轴承的转速（r/min）在使用寿命为15000小时的要求下，双向推力球轴承应承受的基本额定动载荷为2338N 。初步选用的轴承的额定载荷=27KN ，即C 所以满足使用要求。此类单向推力球轴承的数据如下表球轴承 表2-2基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D T min max max 脂油W51000型mmmmKNr/minkg30 60 2057 53

9、0.636.2 66.83200 45000.14513064)深沟球轴承的选择选用的轴承型号为6007c（）, 具体数据见下表深沟球轴承 表2-3基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D BA 脂油W70000C型mmMmKNr/minkg45 75 1616 51 69 125.8 20.57500 100000.287009C5)深沟球轴承的选择：下端的轴承只起游动和限制径向位移的作用，所以采用深沟球轴承。选择60000型，具体数据见下表球轴承数据 表2-4基本尺寸安装尺寸基本额定载荷极限转速重量轴承代号d D B min max max 脂油W60000型mmmmKNr/

10、minkg30 42 732.4 39.6 0.34.00 3.1512000 160000.026618062.3.3减速齿轮的有关计算 2.3.（1）确定传动比 i=1.25 故此次设计采用一级减速 （2）按照工作要求，此次设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮开式传动。轮齿的主要失效形式为齿面磨损，故此次设计采用硬齿面。 （3）选择齿轮材料及确定许用应力：由表10-1选小齿轮材料为40MnB（调质）、硬度260HBS；大齿轮材料35SiMn（调质）、硬度230HB，制造精度系数为8级。 （4）估计丝杆功率: 摩擦功率 P摩=QV/60000f 式中： Q摩擦力（N），Q=Fmax=120N； V直

11、线传动中的速度（m/min）；V=9m/min； （ 2.28 ） f直线传动机械效率f=螺母*导向杆=92%*75%=69%;故P摩=0.028KW （ 2.29 ）参考卧式车床Pf=（0.030.04）Pi，故取P摩=0.04P快 故P快=0.028KW/0.04=0.7KW故P丝杆=P快*齿轮=0.7KW*0.95=0.67KW (5) 选小齿轮齿数大齿轮齿数。2.3.由设计计算公式（10-9a）进行计算，即 （ 2.30 ） 1）确定公式内的各计算值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩 =0.67/1125=Nmm （ 2.31 ） （3）由表10-7选取齿宽系数 （4）由表1

12、0-6查得材料的弹性模量 （5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳大齿轮的接触疲劳强度极限； （6）由式10-13计算应力循环次数： （ 2.32 ） （7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数 （8）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 （ 2.33 ） 2）计算： （）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 （ 2.34 ） （2）计算圆周速度v （ 2.35 ） （3）计算齿宽b： （ 2.36 ） （4）计算齿宽与齿高之比b/h 模数 （ 2.37 ） 齿高 h=2.252.46mm=5.53mm b/h=49.132/5.53=8.89

13、 （ 2.38 ） （5）计算载荷系数 根据，8级精度，由图10-8查得动载系数 直齿轮，假设。由表10-3查得； 由表10-3查得使用系数 ； 由表10-4查得: （ 2.40 ）将数据代入（ 2.41 ）由b/h=34.87/3.92=8.89 查图10-13得；故载荷系数: （ 2.42 ） （6）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由（10-10a）得 （ 2.43 ） (7)计算模数m 取标准模数m=4 （ 2.44 ）2.3.3.3由式10-4得校核式为：计算圆周力：（ 2.45 ）齿形系数及应力校正系数：由表10-5得：齿形系数 应力校正系数 计算弯曲疲劳许用应力 （ 2.46

14、 ）（1）弯曲疲劳安全系数S=1.4（2）由图10-20c按齿面硬度查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限； （3）由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数；则： （ 2.47 ）校核计算: （1）由前知载荷系数 则： （ 2.48 ）校核： 满足要求。 则： 取 （ 2.49 ） 所以 取 （ 2.50 ）2.31）分度圆直径： （ 2.51 ） 2）中心距： （ 2.52 ） 3）齿轮宽度： （ 2.53 ）取 4）齿顶圆直径： （ 2.54 ） （ 2.55 ） 5）齿根圆直径： （ 2.56 ）（ 2.57 ） 2.3 （ 2.58 ） 对照表11-2可知选用8级精度是合宜的

15、。2.3.4.电动机的选择 根据设计任务书要求选用3相6拍步进电机。2.3.丝杆=1125r/min*2/60=117.75rad/s （ 2.59 ）2.3. J丝杆=*78*10*0.04*0.43/32=0.8*10Kgm（ 2.60 ）2.3. =m+m+m+m+m （ 2.61 ） 其中：m夹持器=20Kg，m导向杆=11Kg 取=50Kg2.3.4.4转化到 J= （Kgm） （ 2.62 ） 式中： Wk各旋转件的角速度；（rad/s ）,Jk各旋转件的转动惯量； （Kgm）,mi各直线运动件的质量；（Kg）, V-直线运动件的速度；（m/s）,W-电机角速度；（rad/s）故J= J丝杆+=0.8*10*+30*=17.7*10 （ 2.63 ）2.3.4=J（NM） （ 2.64 ） 式中： J电