继电器弹片升降机械手臂的结构设计

继电器弹片升降机械手臂的结构设计及仿真分析继电器弹片升降机械手臂的结构设计及仿真分析摘要弹片升降机械手产业在现代工业中占据举足轻重的地位，一个国家的机械设备加工水平反应了制造业的精密水平。现在，弹片升降机械手几乎进入了国民生产的各个范畴。随着工业和只能技术的发展，对弹片升降机械手的需求量日益剧增，现代化工业产品更换周期越来越短，因为产品线、产量和材料质量都上交了更高的标准。在弹片升降机械手的设计工程上，弹片升降机械手的设计和生产指标必须越来越高。本文以这样的时代背景，按照最新的标准设计一套高效率、高质量的弹片升降机械手。在装配继电器的时候，讲弹片插进继电器外壳是非常重要的一道工序，本设计从，利用升降机械手臂抓取继电器弹片通过升降和伸缩运动直接插进继电器外壳当中，减轻了人工装配继电器的负担，从而实现自动化。主要研究内容如下：1.现场调研及分析。2.继电器弹片升降机械手臂总体设计。3.继电器弹片升降机械手臂结构设计。4.继电器弹片升降机械手臂模型建立。5.继电器弹片升降机械手臂动态仿真。关键词：搬运机械手、结构设计、仿真分析StructuredesignandsimulationanalysisoftherelayspringliftingmanipulatorAbstractShrapnelliftingmanipulatorindustryplaysanimportantroleinmodernindustry.Themachininglevelofmechanicalequipmentinacountryreflectstheprecisionlevelofmanufacturingindustry.Now,theliftingmanipulatorofshrapnelhasalmostenteredeverycategoryofnationalproduction.Withthedevelopmentofindustryandtechnology,thedemandforthespringliftingmanipulatorisincreasingrapidly,andthereplacementcycleofmodernindustrialproductsisbecomingshorterandshorter,becausetheproductline,outputandmaterialqualityhavehandedoverhigherstandards.Inthedesignengineeringofshrapnelliftingmanipulator,thedesignandproductionindexofshrapnelliftingmanipulatormustbehigherandhigher.Basedonthisbackground,thispaperdesignsasetofhigh-efficiencyandhigh-qualityshrapnelliftingmanipulatoraccordingtothelateststandards.Whenassemblingtherelay,itisaveryimportantprocesstoinserttheshrapnelintotherelayshell.Inthisdesign,theliftingmanipulatorisusedtograbtheshrapneloftherelayandinsertitdirectlyintotherelayshellthroughliftingandtelescopingmovement,whichreducestheburdenofmanualassemblyoftherelayandrealizesautomation.Themainresearchcontentsareasfollows:1.Onsiteinvestigationandanalysis.2.Overalldesignoftherelayspringliftingmanipulator.3.Structuredesignoftherelayspringliftingmanipulator.4.Establishthemodelofrelayspringliftingmanipulator.5.Dynamicsimulationofrelayspringliftingmanipulator.Keywords:Handlingmanipulator,structuraldesign,simulationanalysis目录目录1前言 61.1课题研究背景 61.2工业机器人研究现状 61.2.1国外机器人研究现状 61.2.2国内机器人研究现状 61.3弹片升降机械手发展方向 71.4本次设计的目的 71.5本次设计的任务 81.6本章小结 82生产现场调研 92.1调研情况 92.1.1宏达电力电器有限责任公司基本情况 92.1.2继电器弹片人工装配现场 92.1.3继电器弹片升降机械手臂动作设计 92.2弹片升降机械手设计原理与设计方案 102.2.1弹片升降机械手需求评估 102.2.2机械传动的设计基本要求 112.2.3机械手的设计要求 112.2.4继电器弹片机械手方案设计 112.2.4.1机械手手爪方案拟定………………….……...…...132.2.4.2机械手升降系统方案拟定…………………..…142.2.4.3机械手伸缩系统方案拟定……………..….……152.2.5方案评估与选择 152.3本章小结 153弹片升降机械手机械结构设计 163.1驱动电机的选择 163.2手部结构设计 163.2.1压片设计 163.2.2手指设计 173.2.3气缸选型 183.3伸缩运动装置结构设计 183.3.1伸缩驱动电机选择 183.3.2齿轮齿条传动机构设计计算 193.3.3十字连接板设计 243.3.4电机连接板设计 253.3.5滑块设计 263.3.6导轨设计 273.3.7基板设计 283.4升降装置结构设计 283.4.1升降驱动电机选择 283.4.2联轴器选取 293.4.3螺杆螺母设计计算 303.4.4轴承选用 333.4.5轴承座设计 333.4.6螺母座设计 343.4.7端盖设计 353.4.8滑块设计 363.3.9导轨设计 373.5弹片升降机械手机体结构设计 373.5.1立板设计 373.5.2支撑板设计 383.5.3底板设计 383.6本章小结 394继电器弹片升降机械手臂的动态分析 404.1手部结构 404.2升降装置 404.3伸缩装置 414.4机体结构 434.5继电器弹片升降机械手总装配图 434.6继电器弹片升降机械手臂动态仿真 454.6.1定义运动副参数 454.6.2添加驱动模块 464.6.3运行分析 464.6.4结果回放 474.7本章小结 48总结 49参考文献 50谢辞 51 1前言1.1课题研究背景机械臂是一种具有代表性的机电产品，而运输机械臂是机械手领域的研究热点。运输机械手的研究需要大量的课程知识，如力学、微电子、信息论、人工智能系统、生物学、计算机等。我国的机械工业发展历史悠久，最早可以追溯到洋务运动。但是弹片升降机械手的大量设计制造缺是在80年代末改革开放时进行的发展，人们对弹片升降机械手的需求不断增加。一些弹片升降机械手公司开始生弹片升降机械手。根据相关资料统计，目前弹片升降机械手高端零部件国产率为15%，进口率为85%。目前，日本是弹片升降机械手核心零部件的主要供应国。在高端弹片升降机械手领域我国与发达国际存在较大差异。

1.2工业机器人研究现状1.2.1国外机器人研究现状国外机械手在机械制造行业中应用多，发展快。目前主要用于机床、点焊、喷漆等作业，它可按照事先设置好的的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大举研制具有某种智能化的机械手。使其有一定的传感能力，能响应外界条件的变化，作出相应的动作。如果发生一点点偏差的时候，可以自动更正并自我检测，重点的是外国已经开始研究了视触觉功能，并有了相应的成绩。1.2.2国内机器人研究现状我国的工业机械手发展历史悠久，最早可以追溯到洋务运动。但是弹片升降机械手的大量设计制造却是在80年代末改革开放时进行的发展，人们对弹片升降机械手的需求不断增加。一些弹片升降机械手公司开始生弹片升降机械手。根据相关资料统计，目前弹片升降机械手高端零部件国产率为15%，进口率为85%。目前，日本是弹片升降机械手核心零部件的主要供应国。在高端弹片升降机械手领域我国与发达国际存在较大差异。据分析，我弹片升降机械手发展的主要因素如下。一、国内弹片升降机械手的关键零件主要采用国外进口零件。许多高端客户不接受我国生产的弹片升降机械手，因为效率和噪音方面的问题，并且还存在一定的安全问题。二、工作状态的差异：国产弹片升降机械手在质量上与进口弹片升降机械手有差异，主要表现在连续工作能力差、连接不牢固、零件之间容易断开、设计不当等。机器的外观有缺陷，容易引起审美疲劳。此外，弹片升降机械手品种少，其中大部分是低端机，缺乏性价比。三、生产成本高，科研不足。核心部件靠进口，技术和设备落后，进口价格成本高，大多数国内生产线还是成本较低的人工劳动力。高昂的成本不足以改善科研和设备。对我国弹片升降机械手发展的几点建议：我国需要在弹片升降机械手型号、数量和质量上进一步发展。在发展阶段，要从国情出发，发展重点是吸收国外先进经验，逐步发展，发展从大中小划所需的应用机型。1.3弹片升降机械手发展方向1.优化执行效率与噪声污染当传动功率相同时，直流电机的稳定性高于交流电机，从振动噪声的角度来看，直流电机的振动噪声也小于交流电机。在城市人口密集的地区，当振动噪声控制严重时，应选用噪声中等和较低的直流电机作为动力。但是若追求经济性应选择交流电机作为动力。2.加强弹片升降机械手材料的研究。在我国弹片升降机械手生产工艺以及，技术还需改进和提高。部分核心零件的工艺性能相对较差，但使用寿命一般较短，不理想。增加优质材料的应用，可以显著的提高弹片升降机械手使用经济性。3.发展弹片升降机械手的生产配套弹片升降机械手的供应链条很长，各行业合作是必要的，现代机械化工业和对外贸易发展相结合，老设施不适应，新设施要不断完善和更新。例如，新的智能装置必须由电子和工业材料等行业联合开发，不属于简单机械的范畴。毫无疑问，高科技现代化技术在未来的弹片升降机械手中有着广泛的应用。1.4本次设计的目的毕业设计是我们对所有课程的一次深入的综合性的总复习也是是锻炼自学能力的一次好机会。在完成大学几年的课程设计和学习、产品制造实践工作，我不断熟练地掌工程绘图、结构设计、机械体系、工程技术等专业理论课的基础知识。在基础课老师的辅助下和同学们的推荐下，通过查询宏达电力电器有限责任公司等公司网上的相关资料，我对弹片升降机械手设计的最新标准有了进一步的了解。我还通过查询图书馆研究了大量具有代表性的弹片升降机械手零件，在明晰了工业弹片升降机械手的通常运转机理、制造、加工处理工艺。同时在图书室阅览了相当多相关资料和教材。在设计期间，还与大学同学进行商讨，尽可能尽力弄好本次毕业设计。通过完成本次设计进一步锻炼分析问题的能力，加强了基本的创新能力，为机械制图工作的开展奠定了良好的基础。在本次设计中，难免会出现错误，但有指导老师的耐心辅导，坚信会顺利的完成毕业设计任务。通过本次设计掌握了从书本上学习的理论知识。因为我们学生经验不足，且缺乏实践经验，设计不好的地方难以避免，我会在今后的工作中不断修正错误成长成一名真正的弹片升降机械手设计工程师。1.5本次设计的任务1.毕业论文题目：继电器弹片的升降机械手臂的结构设计及仿真分析2.毕业论文内容：（1）进行弹片升降机械手的整体尺寸工艺预估，制订设计工艺方案，完成弹片升降机械手设计方案及总体结构的剖析和确定。（2）对其弹片升降机械手系统进行强度核算，完成标准弹片升降机械手各部份机构设计;（3）弹片升降机械手结构设计，绘出标准继电器弹片升降机械手装配图（A0幅面）和非标准弹片升降机械手零件图（A3以上幅面）。（4）编撰切合设计内容的毕业论文，毕业论文要求内容充实，字数达到1万五千字以上。1.6本章小结对本论文设计的来源和背景进行了论述，进一步说明了弹片机械手在国内外的发展状况，国内现状的不足和发展趋势，并阐述了本次设计的目的，提出了本文的主要研究内容2生产现场调研2.1调研情况2.1.1宏达电力电器有限责任公司基本情况宏发电力电器成立于1984年，公司秉承“不断进取，永不满足”的企业精神，建成了品类齐全、配套完整的产业体系。目前，宏发建立了三大区域研发生产基地。宏发产品主要有继电器、低压电器等多个类别，广泛应用于各大领域之中。2.1.2继电器弹片人工装配现场图2-1人工装配继电器弹片如图2-1所示：人工装配继电器弹片效率低下大量消耗人力金属弹片要达到无脏物异物要求2.1.3继电器弹片升降机械手臂动作设计为了降低工人装配时间，改善生产效率，现在设计机械手，完成搬运，转动，升降的3部分机械手。本设计主要负责升降的这一部分，机械手臂抓取弹片缩回来，然后上升到一定高度，最后在伸出去准确插入继电器外壳当中。因为弹片装配是一个精密的运动，所以不能成批量的装配，机械手只能逐个的装配，一次运动只能装配一个继电器。2.1.4继电器弹片分析继电器弹片参数为50x50x5mm，重量为0.02kg。图2-2继电器弹片2.2弹片升降机械手设计原理与设计方案2.2.1弹片升降机械手需求评估图:A图:B图:C图:D(1)图:A汽车变速器行业使用机械手(2)图:B建筑材料行业使用机械手(3)图:C玻璃生产行业使用机械手(4)图:D电子器件行业使用机械手2.2.2机械传动的设计基本要求每种机械系统都有大量的运动部件。运动部件本身具有传递、操纵和执行权力的功能。尽管运动部件的用途各不相同，但是这些运动部件可以统称为传动系统。通常传动系统包含，原始动力装置、操作装置、动力传输装置。传动系统是输出系统的中心，主要用来将动力和功率传输到终端。动力传动系统主要由停止装置、切换机构、传动装置、启动装置、制动装置和安全防护装置组成。动力传动系统的要求如下：（1）采用减速增扭原理降低原动机的输出速度，满足工作执行机构的需要。（2）利用传动功率实现机构连续传动的基本要求。（3）将发动机输出力矩改为工作执行机构所需的力矩或力。（4）一个或多个原动机驱动多个相同或不同速度的驱动操作机构。弹片升降机械手的传动系统要求，稳定、准确。因此，在进行计算机辅助设计时，对其制造精度、装配精度、机械刚度、稳定性、操作方便性和可控性等都需要进行严格的审查，以满足现代机械设计的更高的基本要求。2.2.3机械手的设计要求本设计项目为弹片升降机械手臂的设计，用于将继电器弹片插入继电器外壳当中。本机械手主要由手部，伸缩装置，升降装置来组成，其中手部是由压缩空气提供动力，其余靠伺服电机提供动力。本次采用的机械手一共有三个执行动作。1.弹片的抓取，2.机械手的升降动作，3.机械手的伸缩动作。2.2.4继电器弹片机械手方案设计2.2.4.1手爪方案拟定机械手手抓主要是抓取弹片的功能，现拟出三种可行的方案如下所示：（1）手指气缸驱动方案（2）齿轮连杆式手指方案（3）丝杆连杆手指方案图3-1手指气缸驱动方案图3-2齿轮连杆式手指方案图3-3丝杆连杆手指方案2.2.4.2机械手升降系统方案拟定机械手升降系统是提升机械手高度的功能，现拟出三种可行的方案如下所示：（1）直线电机方案（2）螺杆螺母运动方案（3）链条方案图3-4直线电机方案图3-5螺杆螺母运动方案图3-6链条提升方案2.2.4.3机械手伸缩系统方案拟定机械手伸缩系统是决定机械手前进形成的功能，现拟出三种可行的方案如下所示：（1）皮带直线运动方案（2）气缸导轨运动方案（3）齿轮齿条运动方案图3-7皮带直线运动方案图3-8气缸导轨运动方案图3-9齿轮齿条运动方案2.2.5方案评估与选择抓取动作方案拟定优点缺点1手指气缸抓取准确2齿轮连杆式手指抓取力大机构复杂3丝杆连杆手指抓取力大机构复杂升降动作方案拟定优点缺点1直线电机综合性能优良成本昂贵2螺杆螺母精度高可靠性高传动力中等3链条链轮成本便宜效率高精度比较低伸缩运动方案拟定优点缺点1皮带直线精度高传递力较小2气缸导轨精度中等传递力中等3齿轮齿条成本便宜性能好齿轮冲击噪音通过上述分析，本次设计抓取动作方案选择，手指气缸。本次设计升降动作方案选择螺杆螺母方案。本次设计伸缩运动方案选择齿轮齿条方案。2.3本章小结本章对宏达电力电器有限责任公司进行了调研，大概了解了继电器弹片的一些基本数据和情况，明确了机械手的设计要求，并对机械手的三个动作进行了方案设计及选取。3弹片升降机械手机械结构设计根据继电器弹片升降机械手臂的具体要求，主要对驱动电机进行了选择，并对机械手臂进行了手部结构设计，伸缩装置结构设计，升降装置结构设计和机体设计。3.1驱动电机的选择电动机经过长时间的使用与更新，现在已经有大量的电动机的类型面向市场。在选择电动机的时候需要优先根据使用要求选择电动机的型号以及功能参数。根据本文的设计要求，选择交流电动机作为本次设计的动力源，且交流电源易于获得，满足使用的经济性与环保性。因为本次设计的夹取工件重量较轻，经过考虑选取电机功率为0.55kw的Y80M1-4电机。3.2手部结构设计手部结构由压片，手指和气缸组成3.2.1压片设计根据机械设计手册并结合题意，对压片零件进行设计，压片主要是安装在手爪上并对工件进行夹紧，零件长度为25m，宽度为10mm，高度为5.75mm，选用材料Q235,压片与继电器弹片接触面积据计算得1250,（1）确定压片夹持工件所需力为使得加工时，继电器弹片能稳定不动。所需夹紧力FN≥K1K2K3GFN=1.5x1.02x0.5x0.02x10=0.153N1）K1—安全系数取1.52）K2—工况系数取1.023）K3—方位系数取0.54）G—工件所受重力（2）校核压片Q235屈服强度σs为235MPa，且Q235是塑性材料，取安全系数S=1.5故而压片许用应力为[σ]=σs/s=157MPa工作应力σ=F/A=0.153/1250=0.0001224MPa所以该材料满足使用要求。图3-1压片主视图图3-2压片左视图图3-3压片俯视图3.2.2手指设计根据机械设计手册和题意，对手指零件进行设计，材料选用45钢，在本设计中手爪主要是用来支撑压片并对工件进行夹紧，所以手爪所受得力即为它们的重量，据soilwork软件质量估算可得为0.05kg，手爪与压片接触面积为60，故F=mg=0.05N，45钢屈服强度为σs=355MPa，为塑性材料故选取安全系数为1.5，许用应力σ=σs/s=237MPa，工作应力σ=F/A=0.05/60=0.00083MPa，故选取材料符合要求。图3-4手指主视图图3-5手指左视图图3-6手指俯视图3.2.3气缸选型根据机械设计手册和题意可知，气缸所推动的物体为手指和压片，故所需推力F=mg=0.05N，空气压力P为0.6MPa，根据负载率选取原则负载率η=0.5.继电器弹片厚度为5mm，所以气缸所走行程能达到0-10mm即可，故可以选择CQ2-B-32-10D薄型气缸.3.3伸缩运动装置结构设计根据下图所示，弹片升降机械手中伸缩运动装置核心零件主要由电机、齿轮齿条传动机构、十字连接板、电机连接板、导轨、滑块、基板组成，这些零件经过装配在一起形成伸缩系统，为弹片升降机械手提供必要的工作支持。(1)电机作用：根据题意电机为弹片升降机械手提供驱动力，保证弹片升降机械手传动系统能有足够的动力工作。(2)齿轮齿条传动机构作用：根据题意齿轮齿条传动机构在弹片升降机械手传动系统中使用旋转运动转换为直线运动。(3)导轨作用：根据题意导轨的主要作用是提供弹片升降机械手引导作用。(4)基板作用：根据题意基体的主要作用是提供弹片升降机械手安装承载作用。(5)十字连接板作用：连接手爪机构和滑块(6)电机连接板作用：连接电机和齿轮3.3.1伸缩驱动电机选择1.重量估算：通过软件进行测量横向移动的重量为1.9kg。图3-7机械手伸缩系统质量分析2.速度估算：则计算平均速度取2米每秒。P=（1）K-工况系数，取1.5：（2）F=驱动力，取F=mgu=1.9×10×0.2=3.8N：（3）V-速度，取V=2m/s：（4）η-机械效率，取0.9：根据计算功率为0.013Kw，为了系统安全储备动力，取安全系数S=2，则最终功率为0.026Kw。本次设计选用电机为0.05kw。故选取的电机符合要求。图3-8伸缩运动驱动电机模型3.3.2齿轮齿条传动机构设计计算1.确定设计初始条件，包含类型、材料、传动初始参数等。（1）根据设计要求选择类型：通过对设计的要求分析，现选择直齿圆柱齿轮传动方式为本次设计的传动方式。（2）根据设计要求选择传动精度：通过对设计的要求分析，现选择8级传动精度。（3）根据设计要求选择材料：通过对设计的要求分析，并结合现有的参考资料，小齿轮材料为40Cr，大齿轮材料为45。齿轮采用调质热处理。表面硬度符合设计要求。。（4）根据设计要求拟定初始传动参数：通过题意选小齿轮齿数Z1=17，根据计算可得大齿轮齿数Z2=17×1=17得：Z2=17。2.根据机械设计齿面接触疲劳强度原理，估算小齿轮分度圆参数。d现分析上述公式具体参数的取值，查阅手册得：（1）载荷系数：Kt=1.3。（2）齿轮传动扭矩为：T=795.83N/mm。（3）齿轮齿宽系数：本次设计支撑状态对称布置，齿宽系数φd=1。（4）弹性影响系数ZE=189.8Mpa。（5）疲劳极限应力：齿轮Ⅰ接触疲劳强度数值σHlim1=600Mpa，齿轮Ⅱ接触疲劳强度数值σHlim2=540Mpa。（6）计算应力循环次数：N1=60n1jLh=60×600×1×15×16×300=2.592×109N2=2.592×109/1=2.592×109（7）计算寿命系数查表得齿轮Ⅰ寿命系数和齿轮Ⅱ寿命系数KHN1=KHN2=0.924。（8）计算接触疲劳许用应力现在拟定失效率为0.001％，并且设置较高安全参数S=1，得：[σH]1=KHN1[σH]2=K3.计算齿轮模数、齿宽、分度圆等核心参数。（1）确定齿轮Ⅰ分度圆参数d1，相关参数带入[σH]试计算分度圆参数：d1t=15.49mm（2）计算传动圆周速度：v=πd1tn（3）计算齿宽参数：bt=φd×d1t=1×15.49=15.49mm（4）计算齿宽与齿高比：计算齿轮Ⅰ模数可得：mt=d1t/z1=15.49/17=0.91mm；h=2.25×mt=2.25×0.91=2.05mm；b/h=15.49/2.05=7.56（5）计算载荷系数：K=KAKvKHαKHβ查表可得：KV=1.04；根据题意得直齿轮Hα=KFα=1；查表可得：KA=1；根据设计初始条件对称布置及8级精度传动系统，查表可得分布系数：Khβ=1.3；因此可得载荷系数：K=KAKvKHαKHβ=1×1.04×1×1.3=1.39；（6）现重新进行对分度圆直径验算：d1=d1t3K（7）计算模数：m=d1/z1=15.86/17=0.93mm。4.对齿根弯曲强度进行验算。由经典弯曲强度计算公式得：σF=2KTbmd1YF（a）查阅手册可得弯曲疲劳强度参数，齿轮ⅠσF1=500Mpa，齿轮ⅡσF2=380Mpa；（b）查手册得弯曲疲劳寿命系数：KFN1=0.831，KFN2=0.831；（c）计算齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ的弯曲疲劳许用应力：取安全系数S=1.4；[σF]1=KFN1σFE1[σF]2=KFN2σFE2（d）计算使用系数K：K=KAKVKFαKFβ=1×1.04×1×1.34=1.39查表可得分布系数：kfβ=1.34（e）查机械设计手册得齿形系数得：齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ齿形系数得：YFa1=2.97；YFa2=2.97；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ应力校正系数得：Ysa1=1.52；Ysa2=1.52；（f）计算齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ的弯曲应力：σF1=2KTbm=26.27Mpa≤[σF]1；σF2=σF1=26.27Mpa≤[σF]2（g）结论：根据上述严格计算可得，齿轮的设计的参数满足设计需要，稳定可靠。根据计算所得的结果同时满足接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度，并且保证传动高效性与紧凑性的统一。5.计算齿轮圆周力与径向力。（1）根据机械设计公式计算齿轮圆周力计算：Ft=2T/d1=（2×795.83）/34=46.81N；圆周力方向分析：齿轮受到的圆周力方向与齿轮啮合点速度反向。（2）根据机械设计公式计算径向力：Fr=Ftanα=46.81×tan（20o）=17.03N；径向力方向分析：齿轮受到的径向力方向指向齿轮Ⅰ中心。6.齿轮传动几何尺寸计算。（1）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ分度圆参数：齿轮Ⅰ：d1=m×z1=2×17=34mm；齿轮Ⅱ：d2=m×z2=2×17=34mm。（2）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿数参数：齿轮Ⅰ：z1=17；齿轮Ⅱ：z2=17。（3）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿宽参数：b=φdd1=1×15.49=15.49mm，圆整后取b=20。（4）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ中心距参数：a=（d1+d2）/2=（34+34）/2=34mm；（5）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿顶高参数：ha=ha*m=1×2=2mm；（6）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿根高参数：hf=（ha*+c*）m=（1+0.25）×2=2.5mm；（7）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ全齿高参数：h=ha+hf=2+2.5=4.5mm；（8）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿顶圆直径参数：齿轮Ⅰ：da1=d1+2ha=34+2×2=38mm；齿轮Ⅱ：da2=d2+2ha=34+2×2=38mm。（9）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿根圆直径参数：齿轮Ⅰ：df1=d1-2hf=34-2×2.5=29mm；齿轮Ⅱ：df2=d2-2hf=34-2×2.5=29mm。（10）：根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ基圆直径参数：齿轮Ⅰ：db1=d1cosα=34×0.94=31.95mm；齿轮Ⅱ：db2=d2cosα=34×0.94=31.95mm。（11）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿距参数：p=πm=3.14×2=6.28mm；（12）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿厚参数：s=πm/2=（3.14×2）/2=3.14mm；（13）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ槽宽参数：e=πm/2=（3.14×2）/2=3.14mm；（14）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ顶隙参数：c=c*m=1×2=2mm；（15）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ法相齿距参数：pn=πmcosα=3.14×2×0.94=5.9mm；（16）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿顶圆压力角参数：齿轮Ⅰ：αa1=arccos（31.95/38）=32.8o；齿轮Ⅱ：αa2=arccos（31.95/38）=32.8o。（17）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ重合度参数：ε=12π[z1（tanαa1-tanα′）+z2（tanαa2-tanα=16.28[17×（tan（32.8o）-tan（20o））+17×（geoin（32.8o）-tan（20o）=1.52；8.齿轮传动几何公差。（1）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ单个齿距偏差fq：齿轮Ⅰ：fq1=0.015mm；齿轮Ⅱ：fq2=0.015mm。（2）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿距积累偏差Fr：齿轮Ⅰ：Fr1=0.025mm；齿轮Ⅱ：Fr2=0.025mm。（3）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿距积累总偏差Fy：齿轮Ⅰ：Fy1=0.042mm；齿轮Ⅱ：Fy2=0.042mm。（4）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿廓总偏差Fx：齿轮Ⅰ：Fx1=0.018mm；齿轮Ⅱ：Fx2=0.018mm。（5）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿形公差fa：齿轮Ⅰ：fa1=0.02mm；齿轮Ⅱ：fa2=0.02mm。（6）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ齿廓形状偏差fz：齿轮Ⅰ：fz1=0.014mm；齿轮Ⅱ：fz2=0.014mm。（7）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ公法线长度变动公差Fi：齿轮Ⅰ：Fi1=0.04mm；齿轮Ⅱ：Fi2=0.04mm。（8）根据机械设计公式计算齿轮Ⅰ齿轮Ⅱ中心距极限偏差±fa：fa=0.0195mm。图3-9齿条零件图图3-10齿轮零件图3.3.3十字连接板设计按照题意并结合机械设计手册，对十字连接板零件进行设计。零件总体尺寸为长度79mm,宽度60mm,高度55mm。通过分析图样十字连接板采用板架结构的结构形式，选用材料Q235。十字连接板许用应力[σ]=σs/s=235/1.5=156.7MPa连接板所受作用力为手部结构的重力即F=mg=0.5x10=5N受力面积A=1500所受工作应力为σ=F/A=5/1500=0.003MPa.故所选材料符合要求。图3-11十字连接板零件图3.3.4电机连接板设计按照题意并结合机械设计手册，对电机连接板零件进行设计。零件总体尺寸为长度8mm,宽度24mm,高度135mm。选用材料Q235，电机连接板许用应力为[σ]=σs/s=235/1.5=156.7MPa，所受作用力为电机的重量F=mg=17x10=170和齿轮的径向力Fr=17.03，连接板的受力面积为A=3240，连接板的工作应力为σ=（F+Fr）/A=0.058MPa，故所选材料符合要求。图3-12电机连接板零件图3.3.5滑块设计按照题意并结合机械设计手册，对滑块进行设计，设计为直线滑块，零件总体尺寸为长度61mm，宽度33mm，高度26mm，选用材料Q235。许用应力为156.7Mpa，所受作用力主要为齿条、十字连接板、手部结构的重力，约莫为F=13N，受力面积为61x33=2013，工作应力F/A=0.0064MPa，故所选材料符合要求。图3-13滑块零件图3.3.6导轨设计按照题意并结合机械设计手册，对导轨进行设计，设计为直线导轨，零件总体尺寸为长度150，宽度14，高度15，选取材料为Q235，许用应力为156.7MPa，所受的力主要为滑块、齿条、十字连接板、手部结构重力，F约为19N，受力面积A为61x15=915，工作应力σ=F/A=0.02MPa，所选材料符合要求。图3-14导轨零件图3.3.7基板设计按照题意并结合机械设计手册，对基板进行设计，零件总体尺寸为长度为250，宽度为115，高度为15，选用材料Q235.基板许用应力为156.7Mpa，基板所受应力主要为主体伸缩系统的重力，约莫为100N，受力面积为4392，工作应力σ=F/A=100/4392=0.022MPa，故所选材料符合要求。图3-15基板零件图3.4升降装置结构设计弹片升降机械手中升降装置核心零件主要由电机、联轴器、螺杆螺母、轴承、轴承座、螺母座、端盖、滑块、导轨组成，这些零件经过装配在一起形成升降系统，为弹片升降机械手提供必要的工作支持。（1）电机作用：根据题意电机为弹片升降机械手提供驱动力，保证弹片升降机械手传动系统能有足够的动力工作。（2）轴承作用：根据题意轴承为弹片升降机械手传动系统中传动轴提供支持，保证轴在高速旋转中不会发生窜动。（3）联轴器作用：根据题意联轴器为弹片升降机械手传动系统中主要是连接动力的作用。（4）螺杆作用：根据题意螺杆的主要作用是以直线方式传送动力。3.4.1升降驱动电机选择1.重量估算：通过软件进行测量竖向移动的重量为11.5kg。图3-16机械手竖向移动质量分析2.速度估算：则计算平均速度取2米每秒。P=（1）K-工况系数，取1.5：（2）F=驱动力，取F=mgu=11.5×10×0.1=11.5N：（3）V-速度，取V=2m/s：（4）η-机械效率，取0.5：根据计算功率为0.069Kw，为了系统安全储备动力，取安全系数S=2，则最终功率为0.138Kw。本次设计选用电机功率为0.15kw。故选取的电机符合要求。图3-17升降装置驱动电机模型3.4.2联轴器选取许多常用的联轴器具有是通用或模块化的特点，一般只选择联轴器的种类，确定连接器的规格和结构尺寸。必要时，对问题的薄弱部分进行承载力计算，当转速较高时，计算外侧的径向应力和弹性部分的变形，并使之平衡。综合考虑联轴器的使用尺寸和安装尺寸，以便于装配、改造和维护所需的操作物理空间。对于大型联接器，可以在不需要水平移动轴的情况下进行组装和拆卸。另外，注意传动情况、使用时间、润滑、防渗漏、成本效益等。本次设计选择十字滑块型联轴器，其型号为CPOC30-12-14-LK4-RK5，联轴器三维图如下所示：图3-18联轴器3.4.3螺杆螺母设计计算1.螺旋传动方式选择螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。查阅机械设计手册，选取本设计传动类型为传力螺旋副，螺杆螺母移动方式为螺杆固定，螺母移动。螺母结构为梯形螺母，螺杆材料为45钢，螺母材料为35cr。表3-1滑动螺旋副材料的许用应力2.螺旋传动耐磨性计算p=由(1)式得：d1）d2——螺纹中径；2）h——螺纹工作高度，梯形和矩形螺纹h＝0.5P；锯齿形螺纹h＝0.75P；3）[p]——许用压强；对于剖分式螺母,Φ=H/d2,Φ取2.5；由上式计算得到最小中径d2=1.13mm，考虑螺杆的实际结构选取中径d2=16mm,并根据GB/T5796.3-1986标准,选取螺旋副参数为Tr20×8-8,公称直径即外螺纹大径20mm，螺距p=8mm。根据螺距8mm,《查机械设计手册第二卷》，设计牙型表得牙型参数αcc=0.5。大径d1=d2+p×αcc=16+8×0.5=20mm；小径d3=d1-2(2×0.5p+αcc)=20-2×(2×0.5×8+0.5)=16mm；螺母最小高度H=d2×Φ=16×2.5=16mm；最少旋合圈数u=H/p=40/8=5mm；牙根宽度b=0.65×p=0.65×8=5.2mm；3.验算螺纹副自锁能力Ψ式中：A.ψ——螺纹升角；B.ΦV——螺纹副的当量摩擦角；C.f——螺纹副的摩擦系数；D.fv——螺纹副的当量摩擦系数；E.β——螺纹牙形的牙侧角；1）计算螺旋升角：

Ψ=arctan2）计算当量摩擦角：φ计算得：Ψ≥φ，故结构可靠不自锁。4.螺杆强度计算螺杆工作时承受轴向压力、拉力和扭矩的作用。螺杆危险截面上既有压缩、拉伸应力，又有切应力。根据第四强度理论求出危险截面的计算应力σca:δ式中：(1)F——螺杆所受轴向压力；(2)A——螺杆螺纹段的危险截面面积；；(3)WT——螺杆螺纹段的抗扭截面系数，；(4)d1——螺杆螺纹小径；(5)T——螺杆所受转矩；(6)[σ]——螺杆材料的许用应力；带入数据得：δ故螺杆满足强度条件8.螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙危险截面的剪切强度条件为：螺纹牙剪切强度校核，带入数据得：τ=螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：(2)螺纹牙弯曲强度校核，带入数据得：σ式中：1）B—螺纹牙根部的厚度；2）H1—基本牙型高度；3）[τ]—螺母材料的许用切应力；4）[σb]—螺母材料的许用弯曲应力；结论：通过计算得：τ≤[τ],σ≤[σ],满足设计要求。螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆．故只需校核螺母螺纹牙的强度。5.螺杆螺母动力特性确定（1）运动速度计算：v=（2）计算扭矩：T（3）计算传动效率：η=0.98图3-22丝杠零件图3.4.4轴承选用根据丝杠所受的力，分别在丝杠的前端和末端选用角接触球轴承s7002GB276-94和深沟球轴承16002GB276-94。3.4.5轴承座设计按照题意并结合机械设计手册，对轴承座零件进行设计。零件总体尺寸为长度81mm,宽度50mm,高度25mm，中间孔大小为28mm。通过分析图样轴承座采用箱体类零件的结构形式,选取材料为Q235。轴承座主要承受拉循环动载荷，需要一定的刚度与强度。Q235屈服强度σs为235MPa，许用应力[σ]=σs/s=235/1.5=156.7MPa=（3.14x28x28）/4=615.44轴承座所受工作应力为σ=F/A=100/615.44=0.162Mpa该材料满足使用要求。图3-23轴承座零件图3.4.6螺母座设计按照题意并结合机械设计手册，对螺母座零件进行设计。零件总体尺寸为长度77mm,宽度55mm,高度52mm。通过分析图样螺母座采用盘类零件的结构形式，选用材料为Q235。螺母座主要承受扭矩载荷，需要一定的刚度与强度。螺母座相互之间接触频繁，需要控制表面硬度以提高寿命。螺母座许用应力[σ]=σs/s=235/1.5=156.7MPa受力面积为A=1256，螺母座所受工作应力为σ=F/A=100/1256=0.079MPa故选取材料符合要求图3-24螺母座零件图3.4.7端盖设计按照题意并结合机械设计手册，对端盖零件进行设计。零件总体尺寸为长度8mm,宽度37mm,高度37mm。通过分析图样端盖采用箱体类零件的结构形式。选取材料为Q235。端盖所受到的力为升降系统上升所需推理，即升降系统的重力F=mg=11.5x10=115N，受力面积A=37x37=1369。端盖许用应力[σ]=σs/s=235/1.5=156.7MPa端盖所受工作应力为σ=F/A=115/1369=0.084MPa，所选材料符合要求。图3-25端盖零件图3.4.8滑块设计按照题意并结合机械设计手册，对滑块进行设计，设计为直线滑块，零件总体尺寸为长度61mm，宽度33mm，高度26mm，选用材料Q235。许用应力σ为156.7Mpa，所受作用力主要为伸缩装置的重力，约莫119N，受力面积为61x33=2013，工作应力为F/A=0.059MPa，故所选材料符合要求。图3-26滑块零件图3.3.9导轨设计按照题意并结合机械设计手册，对滑块进行设计，设计为直线滑轨，零件总体尺寸为长度510mm，宽度14mm，高度15mm，选用材料Q235。许用应力σ为156.7MPa，所受作用力主要为伸缩系统和滑块的重力，约为125N，受力面积为61x15=915，工作应力为F/A=125/915=0.137MPa，故所选材料符合要求。图3-27导轨零件图3.5弹片升降机械手机体结构设计机体是弹片升降机械手的关键支托组件，它自己是承受一切来源于轴及电动马达、凹板的物理冲击和应力，基体的稳定是弹片升降机械手的工作平稳、运转平顺的基础，故而基体不论是从2D尺寸上同样是从材料上，都应当使用稳定的可靠的材料和样式制作成。就此弹片升降机械手而言，它的撞击力和内部的应力较低，电动马达实现动力较小，和选取的机种非常轻便，通过查询《机械设计手册》，查到的整体设计材料可用作45号钢，屈服强度σ为355Mpa，45钢为塑性材料，安全系数取1.5。机体结构设计主要由立板、支撑板、底板组成。3.5.1立板设计按照题意并结合机械设计手册，对立板进行结构设计，零件总体尺寸为长度280mm，宽度15mm，高度700mm，立板许用应力[σ]=355/1.5=237MPa，所受到的作用力为升降系统和伸缩系统和手部结构的重力，约为200N，受力面积A为和导轨连接部分，经计算得A=14280，立板工作应力σ=F/A=0.014MPa，故所选材料符合要求。图3-28立板零件图3.5.2支撑板设计按照题意并结合机械设计手册，对支撑板进行结构设计，零件总尺寸长度为长度110，宽度15，高度650，支撑板许用应力为237MPa，所受作用力为升降系统、伸缩系统、手部结构和立板的重力，约为350N，受力面积为与支撑板连接部分，经计算得A=19500，支撑板工作应力σ=F/A=0.0179MPa，故所选材料符合要求。图3-29支撑板零件图3.5.3底板设计按照题意并结合机械设计手册，对底板进行结构设计，零件总尺寸长度为长度为220，宽度为220，高度为20，底板许用应力为237MPa，所受作用力为所受作用力为升降系统、伸缩系统、手部结构、立板和支撑板得重力，约为500N，受力面积为与支撑板和立板得接触部分，经计算得A为7500，底板工作应力σ=F/A=0.06MPa，故所选材料符合要求。图3-30底板零件图3.6本章小结本章主要对继电器弹片升降机械手臂的各组成部分进行了相应的零件选用，具体的设计计算和强度校核。图3-31继电器弹片装配图4继电器弹片升降机械手臂的动态分析本设计中利用SOILWORKS对手部结构，伸缩装置，升降装置，机体结构进行了三维造型。4.1手部结构根据第三章得设计，手部结构由压片，手指，和气缸组成。气缸通过压缩空气，进而带动手指，平行夹指间隙较大，故而将手指与压片连接在一起，两片压片把继电器弹片夹起。图4-1手部结构示意图4.2升降装置根据第三章的设计，升降装置由电机、联轴器、螺杆螺母、轴承、轴承座、螺母座、端盖、滑块、导轨组成。电机给予驱动力，带动螺杆螺母机构运动，图4-2升降装置示意图4.3伸缩装置根据第三章的设计，伸缩运动装置主要由电机、齿轮齿条传动机构、十字连接板、电机连接板、导轨、滑块、基板组成。通过电机，带动齿轮转动，由齿轮齿条机构控制机械手臂的伸缩运动，十字连接板连接着齿条，滑块和手部结构，滑块连接着滑轨，电机连接板则把电机与基板连接在一起，基板承载着滑轨，并连接着升降装置中的滑块与轴承座。图4-3伸缩装置示意图4.4机体结构根据第三章的设计机体结构设计主要由立板、支撑板、底板组成。图4-4机体结构设计示意图4.5继电器弹片升降机械手总装配图根据本文设计，继电器弹片升降机械手由手部，伸缩装置，升降装置和机体组成。图4-5继电器弹片升降机械手左视图图4-6继电器弹片升降机械手主视图图4-7继电器弹片升降机械手俯视图图4-8继电器弹片升降机械手立体图4.6继电器弹片升降机械手臂动态仿真用UG软件打开从SOILWORKS转换过来的文件进行动态仿真在系统菜单窗口中选择文件-重新建立指令。系统将打开“重建”对话框窗口。选择对话框窗口中的组件单选按钮，然后详细绘制文件名。系统的默认扩展名为装配体。完成具体设置后，点击鼠标确认按钮，系统自动进入组装模式。在系统菜单窗口中选择“插入零件部件”命令，系统将打开对话框窗口，其中显示当前工作地址下的某些零部件和部件。选择要装配的零部件后，系统将在装配区域中显示该零部件，并打开用于零件放置的对话框窗口。在对话框窗口中单击鼠标链接，然后在显示的链接对话框窗口中选择框架的链接类别作为防变形索引。合理选择和固定。然后，根据上述过程，将每个元件依次连接并组装成升降装置。图4-9部装后的升降装置4.6.1定义运动副参数点击鼠标“机构-控制电机”，出现齿轮齿条定义对话框，接受系统默认名称，选中“自动选择”复选框，选择齿轮齿条左端1的接触区域，点击鼠标选择对话框中的定键，系统将自动选择所有齿轮齿条表面，并接受系统设置自动的默认深度显示。点击伸缩装置的选项菜单，打开齿轮齿条定义对话框，接受系统默认名称，选择齿轮齿条后倾角作为伸缩装置的接触面积，点击对话框窗口中的确定按钮，系统自动选择所有伸缩装置面，并接受系统的默认深度显示设置。单击“确定”。如下图所示。图4-10定义伸缩装置4.6.2添加驱动模块单击鼠标快捷菜单中的“电机”按钮打开“控制电机”对话框窗口。单击鼠标重新建立按钮，显示“控制电机”对话框窗口，将系统的默认名称更改为驱动1，选择螺杆作为连接轴，如果驱动模块的运动方向与所需方向相反，则可以单击鼠标相反方向的按钮。单击鼠标表面轮廓选项菜单，打开特定驱动模块移动表面轮廓的对话框窗口。单击鼠标位置旁边的确定按钮，选择速度规则，接受当前轴的特定位置为零，并接受系统的默认模块为常量。输入值10并单击“确定”。如下图所示：图4-11添加驱动电机过程4.6.3运行分析单击鼠标机构分析按钮，显示控制电机对话框窗口，接受系统默认评估名称为运行1，接受系统默认评估类别和开始时间，将运动结束时间设置为10，帧速率为10。根据此图，点击鼠标电动选项菜单，接收系统默认电机驱动器，并按下图显示。图4-12设置分析参数点击鼠标操作按钮查看齿轮齿条的运动情况，同时将操作结果保存到结果集中，点击鼠标关闭按钮关闭对话框窗口。4.6.4结果回放单击鼠标快捷菜单中的“播放”按钮打开“播放”对话框窗口，如图所示。然后单击鼠标对话框窗口中的“播放”按钮，再单击鼠标动画对话框窗口中的“运行”按钮以检测运行状况。根据下图所示：图4-13回放弹片升降机械手动画过程4.7本章小结本章主要对第三章的设计，运用SOILWORKS对各部分机构进行了三维建造，再用UG软件对继电器弹片机械手进行了动态仿真。总结毕业设计是一个非常繁芜的工作，毕业设计是是大学人才培养过程中的重要教学实践环节也是是对学生学习成果的一项综合性考核和阶段性验收。毕业设计波及的基础知识比较广泛，特别多的是教科书上没有的部分东西，这就需要我去图书室、网上查找相关的数据资料，同时毕业设计还会有特别多分析与计算，这部分要靠我强大的执行力与思想力去处理可以说，没有坚定的精神意志和强大的理解力是非常难完成如此繁杂的毕业设计工作。在大学学习中，我主要学的就是基础性的基础知识，主要是缺乏实践经验。毕业设计就相当于实战开始前的总练习。毕业设计不只使我过去学的综合知识系统的相连起来，也予我在再次学习经典知识的同时能够学习特别多新的基础知识；这不只增强了学生解决相关问题的本事，还打开了学生的视界，在一定水平上补偿学生综合经验的不及，为日后