毕业设计（论文）-自动串珠机设计

PAGEV摘要本文详细介绍一种自动串珠机的结构设计，旨在攻克传统手工串珠效率低、人力成本高的难题。该设计借助多机构协同作业，达成珠子的自动排序、穿引及串线，有力提升串珠作业自动化水准与生产效能。自动串珠机主要由入料机构、排序机构、传动系统、执行机构协同构成。入料机构含储珠料仓与电机，电机带动储珠料仓振动，配合落料口挡珠板及其驱动机构，实现珠子有序下落。排序机构依据珠子特性，经精密设计使珠子精准排列。传动系统整合多种传动方式，保障动力稳定传输至各部件。执行机构由特定机械结构组成，精准完成串珠动作。工作时，各机构有序联动，送针机构先送穿珠针，落珠机构使珠子穿入，穿满后活动座滑移，操作人员取走成品，新穿珠针继续作业。切刀与送针机构配合省却人工装针环节，多穿针孔设置实现装拆同步，提升效率、降低劳动强度。关键词：自动串珠机；入料机构；排序机构；传动系统；执行机构AbstractPaperpresentsadetailedstructuraldesignofanautomaticbead-stringingmachine,aimingtoovercometheproblemsoflowefficiencyandhighlaborcostsintraditionalmanualbead-stringing.throughthecoordinatedoperationofmultiplemechanisms,thisdesignenablestheautomaticsorting,threading,andstringingofbeads,effectivelyimprovingtheautomationlevelandproductionefficiencyofbead-stringingoperations.theautomaticbead-stringingmachineismainlycomposedofafeedingmechanism,asortingmechanism,atransmissionsystem,andanexecutionmechanism,whichworkincoordination.thefeedingmechanismincludesabead-storagebinandamotor.themotorvibratesthebead-storagebin,andinconjunctionwiththebead-blockingplateatthedischargeportanditsdrivingmechanism,itenablesthebeadstofallinanorderlymanner.thesortingmechanismpreciselyarrangesthebeadsaccordingtotheircharacteristicsthroughsophisticateddesign.thetransmissionsystemintegratesvarioustransmissionmethodstoensurethestabletransmissionofpowertoallcomponents.theexecutionmechanismiscomposedofspecificmechanicalstructures,whichaccuratelycompletethebead-stringingaction.duringoperation,allmechanismsoperateinanorderlyandcoordinatedmanner.theneedle-feedingmechanismfirstfeedsthebeadingneedles.thebead-fallingmechanismallowsthebeadstobethreadedontotheneedles.aftertheneedlesarefilledwithbeads,themovableseatslides,andtheoperatorremovesthefinishedproducts.then,newbeadingneedlescontinuetheoperation.thecooperationbetweenthecutterandtheneedle-feedingmechanismeliminatestheneedformanualneedle-installation.theprovisionofmultipleneedle-passingholesenablessimultaneousdisassemblyandassembly,improvingefficiencyandreducinglaborintensity.Keywords:automaticbead-stringingmachine;structuraldesign;feedingmechanism;sortingmechanism;transmissionsystem;executionmechanism

目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II1绪论 11.1研究背景与意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国内研究现状 11.2.2国外研究现状 21.2.3国内外研究对比 21.3主要研究内容 22总体设计方案与计算 42.1自动串珠机的结构 42.2设计要求 52.3入料机构的设计与选择 62.3.1振动入料机构的用途与功能 62.4电机的选择 62.4.1电机类型选择 62.4.2电机功率计算 62.4.3 电机相关参数 72.5物料对滚筒的压力 82.6滚筒强度计算 92.6.1弯曲应力计算 92.6.2接触应力计算 92.7扭矩计算 102.7.1驱动扭矩计算 103传动部件的设计 113.1传动系统动力参数计算 113.2传动轴的设计 143.2.1输出轴的设计 143.2.2强度校核 143.2.3轴承选型计算 153.2.4轴的设计计算 153.2.5键连接设计计算 163.2.6滚筒设计计算 174机械手结构设计 184.1总体设计方案 184.2气压传动机械手 194.3升降结构设计 194.4手爪处结构的设计 194.5伺服电机的选择 201.回旋力的计算 202.机械手步进电机设计 213.脉冲向量和步进角度 214.步进电机转轴上启动力矩 215确定步进电机最大静转矩和最高工作频率 216步进电机设计选型 224.6机械手的静应力分析 224.6.1静应力分析介绍 224.6.2模型建立 234.6.3材料定义 244.6.4网格划分 254.6.5边界条件与载荷 264.6.6结果分析 285结论与展望 295.1结论 295.2展望 30参考文献 31致谢 32厦门工学院毕业论文（设计)PAGEIIPAGE1绪论研究背景与意义在当今手工制作与饰品加工领域，串珠工艺以其独特的艺术魅力和丰富的文化内涵，占据着重要地位。传统的串珠工作主要依赖人工手动操作，这一方式存在诸多弊端。手工串珠效率极为低下，一位熟练工人一天可能仅能完成几百件成品，难以满足大规模生产需求[1]。这种方式对工人的视力和手部关节造成极大负担，长时间重复劳作易引发职业病，不利于工人的身体健康[2]。小型桌面型自动串珠机的出现，为这些问题提供了有效的解决方案，具有重要的研究意义。从提高生产效率角度来看，自动串珠机凭借其自动化的运作模式，能够实现高速、连续的串珠作业。据相关测试，一台性能优良的小型桌面型自动串珠机每小时可完成数千颗珠子的串连，相较人工效率提升数倍甚至数十倍[3]。这使得企业在面对大量订单时，能够缩短生产周期，及时交付产品，显著增强市场竞争力。在降低劳动强度方面，自动串珠机极大地减轻了工人的工作负担。工人无需再长时间专注于单调、重复的串珠动作，只需负责设备的监控、维护以及珠子的上料等简单工作，有效降低了因长时间劳作导致的身体疲劳和职业病风险，为工人创造了更为舒适的工作环境[4]。同时，这也有助于吸引更多年轻人投身饰品加工行业，为行业发展注入新的活力。小型桌面型自动串珠机还能保证产品质量的稳定性。人工串珠时，由于不同工人的熟练程度和操作习惯存在差异，产品质量参差不齐。而自动串珠机通过精确的机械控制和自动化流程，能够严格保证每一串产品的规格、珠子排列顺序和紧密度一致，显著提升产品的整体质量和合格率，减少次品率，为企业节约生产成本[5]。在饰品加工行业竞争日益激烈的今天，小型桌面型自动串珠机对于企业降低成本、提高生产效率、提升产品质量具有重要意义，是推动饰品加工行业向现代化、自动化发展的关键力量。其研发与应用迫在眉睫，对于解决行业现存问题、促进产业升级至关重要。国内外研究现状1.2.1国内研究现状在国外，小型桌面型自动串珠机的研究起步相对较早，技术也较为成熟。以欧美地区为例，部分知名企业如JÖRGMachines、Lucas等，在串珠机研发方面投入大量资源。JÖRGMachines生产的小型桌面型自动串珠机，采用高精度的机械传动系统和先进的电子控制系统，能够实现多种复杂的串珠模式，其串珠速度可达每分钟数百颗，并且在珠子的定位精度上达到了亚毫米级，极大地提高了串珠的效率和质量[6]。在材料选择上，多采用高强度、耐磨的合金材料，确保设备在长时间运行下的稳定性和耐用性。在智能化方面，配备了先进的人机交互界面，操作人员可以通过触摸屏轻松设置串珠参数，如珠子的排列顺序、串珠长度等，操作简便快捷。日本的相关企业则在精细化和自动化程度上具有独特优势。他们研发的串珠机注重细节处理，能够处理极小尺寸的珠子，最小可处理直径仅为1毫米的微珠，满足了高端饰品制作的需求。在自动化方面，引入了机器人技术，实现了珠子的自动上料、串连和下料全过程自动化[7]，减少了人工干预，进一步提高了生产效率和产品质量的稳定性。通过机器人手臂的精准操作，能够在复杂的串珠图案中准确无误地放置每一颗珠子，制作出精美的饰品。1.2.2国外研究现状在国内，随着饰品加工行业的快速发展，对小型桌面型自动串珠机的研究也逐渐增多。一些高校和科研机构积极开展相关研究，取得了一定的成果。例如，部分研究团队通过对传统串珠工艺的深入分析，结合现代机械设计和自动化控制技术，设计出了具有自主知识产权的自动串珠机。这些串珠机在结构设计上更加紧凑，体积小巧，适合放置在桌面上使用，方便小型饰品加工企业和个人工作室使用[8]。在功能上，能够实现基本的串珠功能，如直线串珠、简单图案串珠等，满足了市场的部分需求。国内企业也在不断加大研发投入，提升产品性能。一些企业生产的串珠机在价格上具有明显优势，适合中小企业和个人创业者使用。通过优化生产工艺和供应链管理，降低了生产成本，使得产品价格更加亲民。在技术创新方面，部分企业引入了人工智能技术，通过图像识别系统自动识别珠子的颜色、形状和大小，根据预设的图案自动选择合适的珠子进行串连，提高了串珠的智能化水平和生产效率[9]。然而，与国外先进技术相比，国内的小型桌面型自动串珠机仍存在一定差距。在精度方面，国内部分设备的珠子定位精度相对较低，导致串珠质量不够稳定，次品率较高。在功能多样性上，能够实现的串珠模式相对较少，难以满足复杂饰品设计的需求。在自动化程度上，部分设备仍需要较多的人工干预，如珠子的分类和上料等环节，影响了整体生产效率。1.2.3国内外研究对比国内外在小型桌面型自动串珠机的研究和发展上各有特点和优势。国外技术在精度、功能多样性和自动化程度等方面较为领先，而国内则在价格和部分本土化功能上具有一定竞争力。本研究将在借鉴国内外先进技术的基础上，针对现有技术的不足，开展深入研究，致力于研发出一款高精度、多功能、自动化程度高且价格合理的小型桌面型自动串珠机，以满足市场的需求。主要研究内容本研究旨在设计一款小型桌面型自动串珠机，以满足手工制作与饰品加工领域对高效、精准串珠设备的需求。通过深入研究和创新设计，解决传统手工串珠效率低下、劳动强度大以及产品质量不稳定等问题。具体目标包括：实现高速、精准的串珠操作，提高生产效率；优化设备结构，使其体积小巧、便于放置在桌面上使用，适应小型工作室和家庭作坊的需求；增强设备的自动化程度，减少人工干预，降低劳动强度；提升设备的稳定性和可靠性，确保长时间稳定运行，降低故障率。在研究过程中，将综合运用多种研究方法，确保研究的科学性和有效性。首先是文献研究法，通过广泛查阅国内外相关文献，包括学术期刊论文、专利文献、技术报告等，深入了解小型桌面型自动串珠机的研究现状、技术发展趋势以及存在的问题。对相关文献进行系统分析，总结现有技术的优缺点，为本研究提供理论基础和技术参考。例如，通过对国外先进串珠机的技术原理和结构设计的研究，汲取其精华，避免重复研究，同时结合国内市场需求和实际情况，进行创新设计。案例分析法也是重要的研究手段，对国内外成功的小型桌面型自动串珠机案例进行详细分析，包括其设计理念、功能特点、市场应用情况等。通过对比不同案例，找出其优势和不足之处，从中获取启示，为本次设计提供实践经验。对某知名品牌的串珠机案例进行分析，了解其在市场上受欢迎的原因，如高精度的串珠功能、人性化的操作界面等，同时分析其存在的问题，如价格过高、功能过于复杂等，以便在本研究中加以改进。设计实践法是本研究的核心方法，根据文献研究和案例分析的结果，结合实际需求，进行小型桌面型自动串珠机的设计实践。从机械结构设计到整体装配调试，每个环节都进行精心设计和严格测试。在机械结构设计方面，运用机械原理和工程力学知识，设计出合理的传动机构、珠子输送机构和串珠执行机构，确保设备的高效运行，实现设备的自动化操作和精准控制。在设计过程中，验证设计的可行性和有效性，最终制造出满足市场需求的小型桌面型自动串珠机样机。

总体设计方案与计算2.1自动串珠机的结构自动串珠机的研发制造是一个系统工程，需依次完成五个关键环节的设计与实施。(1)入料环节：入料环节需构建能够稳定输送珠子的入料系统，确保珠子能持续、有序地进入机器。入料机构主要包括入料口和排序机构。入料口可设计为漏斗形状，利用珠子自身重力，使其顺畅滑向排序机构。漏斗的倾斜角度经过精确计算，一般在30°-45°之间，既能保证珠子顺利下滑，又避免下滑速度过快导致珠子堆积混乱。漏斗材质选用光滑的不锈钢材质，减少珠子与内壁的摩擦力[10]。排序机构则根据珠子形状、尺寸等特性进行针对性设计。对于圆形珠子，采用带有螺旋轨道的滚筒式排序装置。滚筒内壁设置特定螺距的螺旋轨道，当滚筒旋转时，珠子在轨道引导下，从无序状态逐渐变为有序排列。滚筒转速可通过变频器进行调节，一般控制在10-20转/分钟，以保证珠子能充分且有序地进入后续环节。（2）动力源选定：动力源的选定需综合考量设备运行功率、能耗、稳定性等因素。自动串珠机虽非大型机器，但对速度控制要求严格，在穿串时输送机需停止输送，然后进行串珠。经综合评估，电动机作为动力源较为合适。可选用伺服电动机，其具有高精度的转速控制能力，能满足自动串珠机不同工作阶段对速度的精确要求。伺服电动机的响应速度快，可在短时间内实现启动、停止和速度切换，并且能耗相对较低，运行稳定性高，能有效保障自动串珠机的稳定运行。传动系统构建：传动系统需设计合理的传动方式，保障动力能稳定、准确地传输到各个执行部件。首先设置减速装置，选用蜗轮蜗杆减速机，其减速比可根据实际需求在5-50之间灵活调整，能将电动机的高转速转化为适合串珠机各部件运行的低转速，同时具备较大的扭矩输出，满足串珠机工作时的动力需求。齿轮传动部分采用模数为1-2的标准渐开线齿轮，通过精确计算齿轮齿数比，实现不同部件间的速度和扭矩匹配。例如，在将动力传递给排序机构的滚筒时，通过特定齿数比的齿轮传动，保证滚筒以合适的转速旋转。连续输送传动采用同步带传动方式，同步带具有传动比准确、传动效率高、噪音低等优点[11]。同步带的节距根据实际负载和速度要求进行选择，一般在5-10毫米之间，确保在输送珠子等部件时能保持稳定、连续的运动。执行机构设计与搭建：执行机构是实现串珠核心功能的部分，需通过精密的机械结构设计，让串珠动作精准无误地完成。执行机构由两个机械爪机构组成，设置在排序机构的两侧。机械爪采用气动驱动方式，通过气缸提供动力。气缸的缸径根据所需抓取力大小进行选择，一般在20-40毫米之间。机械爪的手指部分采用弹性材料制成，如硅胶，既能保证对铁丝和珠子有足够的摩擦力，防止抓取时滑落，又能避免对珠子表面造成损伤。在排序机构上的珠子都有序排列后，控制系统发出指令，两侧机械爪同时动作，精准夹住铁丝，然后依次抓取排序机构上的珠子，将其串到铁丝上，最后再将串好珠子的铁丝放到落料区。机械爪的运动轨迹通过编程进行精确控制，确保每次抓取和串珠动作的一致性和准确性。图2-SEQ图表\*ARABIC1自动串珠机2.2设计要求本课题旨在通过科学的设计方法，完成自动串珠机构的结构设计、参数计算及强度校核，提高的生产效率和可靠性，满足实际工况需求。根据设计输入，完成自动串珠机的总体计算分析工作[12]，包括参数设计、传动比分配及强度校核。完成自动串珠机的三维模型构建，确保模型符合规范化建模标准。2.3入料机构的设计与选择入料机构的选择很重要，它包括入料口和排序机构，排序机构在这里是个重点，因为珠子堆放在一起是无序且拥挤，因此，若依据其自重进行排序，不仅稳定性欠佳，而且输料效率低下，所以最终选择采用振动的方式。2.3.1振动入料机构的用途与功能振动筛是利用振动的大小孔工作面将光滑且颗粒大小相同的物料按粒度进行有序输送的机械。振动筛还常用于物料的脱水和清洗物料表面的污泥。目前已在工业中获得应用的筛分方法，有普通筛分法、薄层筛分法、概率筛分法、等厚筛分法和概率等厚筛分法等。本设计只要介绍普通筛分法。在工业部门中长期沿用的筛分法就是普通筛分法，这是一种中等料层厚度的筛分方法，在普通振动筛和共振筛中进行筛分就是利用这种筛分方法[12]。它的特点如下:(1)料层厚度一般为筛孔尺寸的3~6倍。(2)筛面层数位1~2层。(3)物料颗粒的透筛是在筛面连续振动的情况下按照筛孔的大小进行的。小于筛孔的物料颗粒在沿筛长方向运动的过程中，不断透过筛孔，最后从筛面下方排出。2.4电机的选择2.4.1电机类型选择在自动串珠机的设计中，电机类型的抉择至关重要。经综合考量串珠机的使用场景与性能需求，本设计将目光锁定于永磁直流电机，其包含有刷直流电机与无刷直流电机两个类别。无刷直流电机具备一系列显著优势。其一，以电子换相取代传统机械换相，这一革新使其性能表现更为卓越，且能有效降低故障率；其二，该电机传动效率相对较高，同时在空间占用上具有优势，体积小巧。然而，无刷直流电机也存在一定局限性。一方面，其市场价格普遍较高，与之适配的控制器结构复杂，导致整体成本居高不下；另一方面，在特定工况下，容易出现共振现象，影响设备运行稳定性[13]。有刷直流电机凭借其运行的平稳可靠性以及成本方面的优势，成为本串珠机电机选型的最终之选。在实际应用中，需重视对碳刷的维护保养工作，及时进行碳刷更换，以确保电机持续稳定运行，保障自动串珠机的整体性能与使用寿命。2.4.2电机功率计算已知有六个滚筒并联，转速n=100r/minT=10Nmn=100r/min，单个滚筒阻力矩T=10N⋅m，传动效率η=0.85，安全系数k=1.3单个滚筒功率：(式2-1)可得单个滚筒功率Pi总功率：六个滚筒所需的总功率为P总=6×Pi电机功率：考虑传动效率，电机所需的功率为P电机=P总η电机选型功率：考虑安全系数，最终电机的选型功率为：P选型=k×P电机=1.3×0.741≈0.963kW因此，可选择功率为3kW的电机来驱动这六个并联的滚筒。当然，实际应用中还需根据具体情况，如电机的安装空间、负载特性等因素，对电机的型号和规格进行进一步的优化选择。电机相关参数本次设计我选择了万里航空机电有限责任公司生产的专用电机，具体相关参数见下图及下表2-1。图SEQ图表\*ARABIC2-3电机三维模型表2-SEQ表格\*ARABIC1电机参数参数名称常见取值范围或说明额定功率3kW额定电压一般为380V，也有220V、440V等其他等级额定电流约10A（实际因极数、功率因数等因素而异）额定转速1000r/min至1500r/min功率因数0.8-0.9效率80%-90%绝缘等级B级（最高允许温度130℃）、F级（最高允许温度155℃）等防护等级常见如IP54（防尘等级5级，防水等级4级）、IP55等2.5物料对滚筒的压力假设在小型自动电珠机中，珠子为直径d=10mm的玻璃珠，堆积高度h=20mm，堆积密度ρ=2500kg/m3。滚筒半径R=30mm，珠子与滚筒接触弧长占圆周的l=110×2πR。首先计算接触面积A：物料对单个滚筒单位面积上的力p：则物料对单个滚筒的压力F已知珠子与经过抛光处理的滚筒表面摩擦系数μ=0.15，则摩擦力F滚筒间相互作用力Ff=0.00693N，设两滚筒中心距d=70mm，半径R=30mm，安装角度θ=5∘。将两滚筒间的相互作用力水平方向分力平衡：Fnsinθ=Fp则F结果分析：滚筒间相互作用力Fn=0.528N是维持对滚结构正常工作的关键参数之一。它反映了两滚筒在工作时相互挤压的程度，对滚筒的支撑结构设计提出了要求。如果该力过大，可能导致滚筒支撑部件过早损坏，影响设备寿命。若改变滚筒的安装角度θ或物料对滚筒的压力Fp，滚筒间相互作用力2.6滚筒强度计算2.6.1弯曲应力计算假设滚筒长度L=150mm，滚筒为实心圆柱体，半径R=30mm，材料为铝合金，其许用弯曲应力σ对于简支梁，最大弯矩Mmax=18式中，L表示滚筒长度；离中性轴最远的距离ymax实心圆柱体截面惯性矩I=πR4最大弯曲应力σ因为σmax结果分析：最大弯曲应力σmax=106MPa说明在当前的受力和结构参数下，滚筒所承受的最大弯曲应力处于材料许用范围内。这意味着所选的铝合金材料以及滚筒的尺寸设计能够保证在正常工作时，滚筒不会因弯曲而发生破坏。若实际工作中的均布载荷q增大，或者滚筒长度L增加，最大弯曲应力2.6.2接触应力计算相邻两滚筒材料相同，弹性模量E=70GPa，泊松比q0=Fn这里L为滚筒接触长度，假设等于滚筒长度150根据赫兹接触理论，最大接触应力：σ假设所选铝合金材料许用接触应力σH=50MPa,因为结果分析：最大接触应力σHmax=48.7MPa小于材料的许用接触应力σH=50MPa,表明两滚半圆柱在相互接触部位的强度满足工作要求。在实际运行中，如果滚间相互作用力Fn2.7扭矩计算2.7.1驱动扭矩计算已知滚筒质量m=2kg，启动时角加速度α=5rad/s2,稳定运行时的角加速度α=0。滚筒的转动惯量启动时，根据转动定律：T-Tf摩擦力矩Tf稳定运行时，扭矩T主要用于克服摩擦力矩，即T=Tf=2.08×10-4N⋅m。电机转速n=1000r/min,减速机传动比结果分析：启动时驱动扭矩T=4.708×10-3N⋅m,此值相对较大是因为需要克服滚筒的转动惯量以及摩擦力矩，使滚筒从静止状态加速到工作转速。稳定运行时，驱动扭矩T=2.08×10-4N⋅m,主要用于克服摩擦力矩维持恒定匀速转动。电机输出扭矩在启动时为传动部件的设计传动装置的作用是传递动力，并改变转速和转矩，以满足工作装置所需的工作要求。所以传动装置对整个串珠机的性能[15]、尺寸和造价都有很大的影响，因此应合理的制定传动方案。根据串珠机的要求，我们应该考虑到的功能、尺寸、工作环境条件、成本、工作寿命和性价比等等。自动串珠机传动方式的选择理由如下：（1）充分考虑提高传动效率，降低能耗，齿轮传动方式可保证齿轮比的恒定；而且其工作寿命长，结构紧凑，传动效率高。（2）在生产工作过程中，传动要求严格，轮椅结构要求紧凑，爬楼速度要求较低，所以最终选择齿轮传动。3.1传动系统动力参数计算以下是根据提供的功率P=3kW，输入转速n1=1000r/min，输出转速确定传动比根据传动比公式i=n1n2，将i=1000选择齿轮类型、材料及精度等级齿轮类型：选用直齿圆柱齿轮，结构简单，制造方便。材料：小齿轮选用40Cr钢，调质处理，齿面硬度280-320HBS，许用接触应力σH1=600MPa，许用弯曲应力σF1=300MPa；大齿轮选用45钢，调质处理，齿面硬度240-280HBS，许用接触应力精度等级：考虑到工作要求和经济性，选取8级精度（GB/T10095）。初步确定齿轮参数模数m：参考《机械设计手册》，对于传递较小功率的齿轮，初步选取模数m=2mm。齿数：设小齿轮齿数z1=10（为避免根切，直齿圆柱齿轮标准安装时最小齿数一般取17，这里取z2计算齿轮的几何尺寸分度圆直径：小齿轮d1大齿轮d2齿顶圆直径：小齿轮da1标准齿轮齿顶高系数ha*大齿轮da2标准齿轮齿顶高系数ha*齿根圆直径：小齿轮df1标准齿轮顶隙系数c*=0.25大齿轮df2标准齿轮顶隙系数c*=0.25齿宽：取齿宽系数φ则小齿轮齿宽b1=大齿轮齿宽b1齿轮强度计算计算转矩:小齿轮输入转矩T1=9.55×106将P=3kW,n1=1000r/minT载荷系数K:使用系数KA:因为载荷平稳,取KA动载系数KV:根据8v=πdn160×1000查机械手册得KV=1.1齿向载荷分布系数Kβ:取Kβ=1.2(齿间载荷分配系数Kα:对于8级精度直齿圆柱齿轮,取K则K=KAKVK齿面接触强度计算：弹性系数ZE：对于钢齿轮，ZE重合度系数Zρ：直齿圆柱齿轮εα12πz1tan标准安装时α'=α=20αa1=arccosdb1db1-d1cosα=40cos20同理db2-d2cosα=200cosαa2=arccos187.94204εα=12πZρ=4-ε齿面接触应力σH=ZE代入数据可得：σH=189.8×0.89因为σH<σ齿根弯曲强度计算：齿形系数YFa1和应力修正系数Y根据齿数z1YFa1=2.80，YSa1查手册得YFa2=2.18，齿根弯曲应力σF1=2KτσF2=σF1Y因为σF1<σF13.2传动轴的设计3.2.1输出轴的设计工作条件：保持不变，每天工作8小时，工作环境有轻微粉尘，要求设备使用寿命为5年（按每年250个工作日计算），总工作时长：Ltotal=8×滚筒参数：滚筒直径D=30mm，长度L=500mm，质量m（重新估算，假设材质不变，根据体积与质量关系估算），设滚筒材料密度ρ=滚筒体积V=πD2则质量m=ρV=7850所需转矩T(根据工作需求假设)T=50N3.2.2强度校核3.2.2.1面接触强度校核：σH=KTCdbdCdb=φddσ≈51.4σH3.2.2.2轴惯性弯曲强度校核：YFYSAYFYSAYZσP1=KTCd1许用弯曲应力JZσFP=300MPa3.2.3轴承选型计算计算轴承载荷：径向载荷：Fr=m假设除滚筒自重外无其他径向力，Fradial=0，则轴向载荷：假设为直齿圆柱齿轮传动，轴向力Fa确定轴承类型：由于主要承受径向载荷且轴向载荷为0，选用深沟球轴承。计算轴承寿命：查深沟球轴承样本，选6001L轴承，基本额定动载荷C=3.22kN。当动量载荷P=fpFr，取载荷系数fp=其中ε=L≈Lh3.2.4轴的设计计算初步确定轴的直径：轴传递的功率P=1.05kW根据公式dmin=39.55dd考虑键槽等因素，取d=轴的结构设计：根据齿轮、轴承等零件的安装要求确定轴各段尺寸和长度，此处略。轴的强度校核：假设轴的受力情况为简支梁，计算弯矩和转矩。轴所受转矩T=50N⋅m，弯曲应力σσe=σ2σ=MWW=πd3στ=TWiWt=πdτσ≈轴材料选用45钢，调质处理，许用应力σ-1=3.2.5键连接设计计算选择键的类型：选用普通平键。确定键的尺寸：轴径d=10mm，查手册得键宽b=4mm，键高h=键的强度校核：挤压强度校核：σp=2Tl=L-bσ≈键材料为45钢，许用挤压应力σp=120剪切强度校核：τ=Tdblττ许用剪切应力τ=80MPa3.2.6滚筒设计计算滚筒壁厚计算：假设滚筒内无压力，p=δ=D100+（D为滚筒外径），D=30mm，则δ滚筒轴颈设计：参考经验值公式dj=0.2取dj=0.25滚筒的稳定性计算：长径比LD=500对于长径比较大的滚筒需进行稳定性计算，根据欧拉公式Fcr=π2设E=2.06×10^{11}Pa，则：I=3.17×10μ=1F=≈需根据实际所受载荷与Fcr比较判断稳性。机械手结构设计在确定了机械臂的外形尺寸之后，对该机械臂的内部结构进行了设计。在具体的设计中，除了要满足这台机械手的技术指标之外，还要把各个部件的结构定位也要考虑进去，这些部件间的空间位置也要考虑到这个部件的加工与目前的工艺水平是否相适应[16]。在此基础上，对每一种内部结构进行组装的可能性进行了分析。4.1总体设计方案这次设计的串珠机械手，能够与同一自由度的工作平台一起工作，实现串珠的智能化；在结构上安装有可移动的输送装置，因此对作业环境的适应能力更强，该结构能够检测出不同情况下的工件，而且该结构还与关节臂相匹配，提高了机构的柔性，能够适应各种夹持需求[17]。本次设计的串珠机，下面的图4-1是它的运动结构图，它是通过底座固定在装置上的，工作时，它的手臂随着气动结构具备升降功能，可完成对不同高度的制品进行移动。图SEQ图表\*ARABIC4-1机械手三维与自由度示意图4.2气压传动机械手气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大[18]，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。4.3升降结构设计气动系统的气源通常是空气压缩机，它将空气压缩并储存到储气罐中，以提供具有一定压力的压缩空气。储气罐中的压缩空气经过过滤器去除杂质和水分，再通过减压阀将气压调整到适合机械手工作的压力值，为整个气动系统提供稳定的动力源。升降控制上升过程：当需要机械手上升时，控制系统会打开相应的电磁换向阀。压缩空气通过换向阀进入气缸的下腔，由于气体压力作用[19]，推动活塞向上运动，活塞通过活塞杆与机械手的升降部分相连，从而带动机械手上升。同时，气缸上腔的空气通过换向阀的排气口排出。下降过程：当需要机械手下降时，控制系统改变电磁换向阀的阀芯位置，压缩空气进入气缸的上腔，推动活塞向下运动，进而使机械手下降。此时，气缸下腔的空气则通过换向阀排出到大气中。4.4手爪处结构的设计考虑到手部的固定。操作手爪采用螺丝固定于操作手的手臂。因为手爪应该有更多的自由度，所以手爪的基点应该是上臂的中心轴。这一运动的动力来自于电机。操作时，电机将动力通过钥匙传给手爪轴，这时就有了手。因此，双手要达到手的干扰准确度，否则就会被夹住。在图4-3中显示了特定的设计手爪。图4-3图4-3机械手爪设计图为了保证安全，这次的手爪安装方法是：先用螺栓将手爪轴套与手爪轴结合，然后采用普通的销子定位、螺丝连接等方法将手爪轴套与手爪进行固定[20]。这种方法不仅可以解决手爪轴与轴罩的定位问题，而且还可以将马达的动力经由手爪轴与手爪轴套传递到手爪上。结构布局：机械手抓采用平行对夹式结构，主要由固定安装座、驱动单元、两组对称夹爪组件以及检测反馈装置构成。固定安装座用于连接机械手臂主体，为整个手抓提供稳固支撑；驱动单元安装在固定安装座内部，负责为夹爪的开合动作提供动力；夹爪组件通过高精度直线导轨与固定安装座相连[21]，保证夹爪运动的平稳性与精准度；检测反馈装置实时监测夹爪位置、抓握力度等关键参数，为控制系统提供数据支持，确保抓取动作的准确性与可靠性。夹爪本体：夹爪本体采用高强度钛合金（如Ti-6Al-4V）材质通过精密数控加工而成。钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好的特性，在减轻夹爪重量的同时保证其具备足够的强度与刚性，适应频繁的抓取作业。夹爪内表面设计有特殊的防滑纹理，并粘贴有高摩擦系数的软性硅胶垫，既能增大与工件间的摩擦力，防止工件滑落，又能避免对工件表面造成刮擦损伤。4.5伺服电机的选择这次设计中的关节臂用了1个驱动电机，下面的计算分析：1.回旋力的计算回旋扭矩：（4-1）（4-2）取，则（N）（4-3），则（N）（4-4）2.机械手步进电机设计这次设计中的机械手步进电机，不但要使步进动作准确，还要保证移动精准，另外还要保证在工作的时候的平稳性。3.脉冲向量和步进角度脉冲向量为0．01mm／step，步进角度=0．75／step4.步进电机转轴上启动力矩启动时的工作力矩：（4-5）上面的式中：轨道摩擦系数；取总功率因数，取G机械手质量(N)，取电机启动力矩回旋步进阻力(N)，=（4-6）垂直作用力，=（4-7）电机驱动力矩：5确定步进电机最大静转矩和最高工作频率最小步进距：=0．866；(4-9)电机最大转矩：=180／0.866=207．8(Ncm)最大调节频率：(4-11)6步进电机设计选型这次设计中用的是型步进电机，其步进角度，采用三相六拍工作系数，额定工作转距，空载时最大启动频率，步进频率，电源相数为3，电压，三相电流6A等。4.6机械手的静应力分析本章节中，详细讲解了并运用了静应力分析方法评估了末机械手结构设计的安全性和稳定性。本阶段试验，利用了辅助软件SolidWorksSimulation帮助我们透彻地了解静应力分析的方法以及分析步骤。包括模型建立、材料定义、网格划分、边界条件、最终分析结果解析等系列步骤，层层深入地显示了末机械手在真实环境下的力学性能[22]。通过分析末机械手在抓取对象时候产生的应力与变形大小，可知目前的设计是合理的、可靠的。4.6.1静应力分析介绍基于静应力技术进行计算分析，将整体性的连续物体划分为一系列有限元的组合，这些元件之间仅在个别点相连接，形成一个有限自由度的模型。只要对模型进行划分，使其转化为有限元块，这样组成的元素节点即相应的边也变得自动，而且划分的过程可以根据具体状况进行调整，使结构更加逼近几何整体。在对有限元进行划分的过程中，我们可以将模型所受作用看作相邻元件的接合点处所产生的力，即节点力，同时用位移函数刻画有限个元件的运动模式，构建力与位移之间的协调关系，更好地掌握模型的动力行为，获取单元节点力载荷与变形分布间的关系式[23]，将这些规则整合于数学平衡方程组中，配合边界条件，则可以计算出每一个单元节点的应变量。有限元计算法在解决问题的精确度更高、包容度更强，同时应用范围更为广泛。利用几何关系，可以由单元内应变来表征广义应变，其表达式如下所示：ε式中，B代表节点广义应变关于位移的广义变形模量，而δe代表节点广义位移。通σ物理学上，D是弹性矩阵。依照虚功原理，预设点处的外力所作的功与预设点处的应力所作的功相等，其关系为：v在计算单元平衡方程时联立求解，则单元平衡方程为：P式中：KePe可以通过求解各个构件的受力平衡方程得到整个结构的刚度矩阵来表征该结构的性质。K式中：K表示总体刚度矩阵；δ表示总体位移向量；P表示总体载荷总量。我们可以通过求解以上方程得到各节点的节点位移值，并将其代入广义应变与广义应力公式中，计算出各单元的应变与应力值。静应力分析复杂且精密，通常会包含多个主体环节，从而保证有限元的完整性和结果的可靠性，其中有几何建模、材料属性、网格划分、边界条件设定和施加载荷等，最后对有限元模型进行分析，进而根据结果进行相关研究探讨。有限元模拟经过一系列合理的分析后可以保证计算结果的精确性与稳定性，并为设计优化提供科学依据。4.6.2模型建立在该过程中几何模型是主要研究基础。本文以末机械手为研究目标，从SolidWorks的三维模型中截取它的几何模型进行分析。在模型建立过程中为了计算效率，忽略了细节，如忽略了螺丝钉、边角等次要结构，只选取了连接部分与受力的关键部件的几何形状简化模型的目的是在保证足够精度的前提下尽可能减小计算量。末机械手由夹持部分、传动部分、连接件及支承件等构成，通过对其进行几何简化和区域划分，最终形成适用于静应力分析的模型。如图4-3所示。图4-3模型建立4.6.3材料定义图4-3模型建立常见的末机械手材料有铝合金、碳钢、不锈钢、塑料等等。其中铝合金具有很好的减重性能以及加工性能，但其强度、刚度稍低，不能承受大量压力。但可在部分重量较轻的使用环境中发挥较强作用，在承压较大、需要承受较强压力的末机械手上，其冲击强度和耐磨性均存在不足，无法实现设计要求。不锈钢质量大，末机械手的质量也会随之增大，且其加工制作流程较为复杂，制作成本较高，因而不适合在本设计中选用。同样，塑料可以用于某些轻量、低负荷使用的部分器件，其强度、刚度以及耐磨性均无法满足高端任务要求。虽然塑料制造成本低廉，但因其没有足够的机械性能，不能满足持续多频次使用的要求，因而不是本设计的首选。综合分析各种材料的性能可知，碳钢有着明显的优势。首先碳钢具有良好的承压能力，钢度大，并可承受比较大的荷载，同时耐磨性良好，可以在承压耐磨工作时间长且高频次的工作环境中长期使用，尤其是用于生产金属产品的过程中，能够起到延长末机械手使用寿命的作用。其次碳钢有着良好的可加工性能，可采用通用的机械加工方式如切割、刨削、钻孔等方法完成加工并达到精密加工的要求，可以满足复杂形状和较小尺寸的要求。此外，碳钢价格低廉，且经济效益好，适合大批量生产。如图4-4所示图4-4图4-4材料特性的设定图4.3定义材料为普通碳钢4.6.4网格划分网格划分是对几何模型进行分割成一系列相关联的计算元素（如三角形、四边形单元、四面体单元等），这些元素被称为有限元计算的基本单元，它们的数量和质量会影响有限元计算的效率和精度[15]。本文研究中采用的末机械手网格划分方法是基于某特定曲线的弯曲度而设计的一种网格结构方式，为了确保网格划分的精度和效率，我们在进行所有零件的细节区域进行了深入分析，过程中删除了较多圆弧，并且将平面尺寸较小的网格通过与旁边部分网格结合起来，减小了网格结构。图4-5机械手网格的划分本文网格转换区采取平滑过渡法确保网格的光滑性与过渡性，并对所有部件的网格质量进行了严格的分析，连接部分、手指以及连杆部分都进行了密集化网格划分，以确保其网格密集化的必要性，以增强这些节点位置的计算精度以及稳定性。至此，模型网图4-5机械手网格的划分4.6.5边界条件与载荷边界条件是指模拟现实生活中物体与周围的物体相互接触的限定条件，如固定约束或者滑动约束等，该类条件对结果影响至关重要，该案例设定基座不发生移动。载荷应用代表工件所受的力，如工件的自重、工件承受的压力或热量变化等，是计算应力与变形分布的重要依据。但结合不同的工件质量，这里设工件的质量为1kg，即作用在手指上为100N。图4-7边界条件与载荷图4-7边界条件与载荷

4.6.6结果分析根据应力云图显示，最大应力位于定位销处，最大应力值为2.068e+08N图4-8应力云图

结论与展望5.1结论在饰品加工行业中，传统手工串珠一直面临着效率低下、人力成本居高不下以及产品质量不稳定等诸多困境。在这样的背景下，本文聚焦于小型桌面型自动串珠机展开深入的设计研究。通过对自动串珠机各部分结构与性能进行全面且细致的分析计算，取得了一系列具有重要价值的成果，这些成果有力地验证了设计方案的可行性与合理性，为自动串珠机的研发筑牢了坚实的理论与实践根基。具体内容如下：一、解决生产问题，提升生产效能**从自动串珠机的整体设计出发，通过严谨的结构设计、精确的参数计算以及严格的强度校核，顺利完成了总体的计算分析工作，并构建出符合规范要求的三维模型。在设计进程中，对入料、排序、动力源、传动系统以及执行机构等关键环节进行了全方位考量，精心确定了合理且高效的设计方案。该方案成功实现了珠子的自动排序、精准穿引以及流畅串线，极大程度地提升了串珠作业的自动化水平。与传统手工串珠方式相比，自动串珠机的生产效率得到了大幅提高，有效攻克了手工串珠长期存在的效率低、人力成本高的难题，能够充分满足大规模生产的迫切需求。二、关键部件可靠，保障稳定运行**对自动串珠机的关键部件——滚筒，开展了详尽的受力分析、强度计算以及扭矩计算。计算结果清晰表明，滚筒在弯曲应力、接触应力以及扭矩等方面均能完全满足设计要求。所选用的铝合金材料以及精心设计的滚筒尺寸，合理且科学，能够切实保障其在工作过程中不会因弯曲或接触应力而出现破坏情况，为排序环节的稳定性与可靠性提供了坚实保障。与此同时，对齿轮传动进行了系统的设计计算，充分验证了所选齿轮材料、参数以及传动尺寸的合理性，齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度均符合相关标准要求，使得传动系统能够稳定、精准地传输动力，为自动串珠机的稳定运行奠定了稳固基础。三、机械手设计优化，确保精准作业，机械手的结构设计充分契合各项技术指标，在设计过程中综合考虑了部件结构定位、空间位置以及加工工艺水平等多方面因素。通过对机械手进行静应力分析，选用合适的碳钢材料，并设定科学合理的边界条件和载荷，分析结果显示其最大应力低于碳钢的屈服强度，有力证明了设计的安全性与可靠性。机械手凭借其精准的设计，能够稳定且精确地完成珠子的抓取和串连动作，有效保证了串珠作业的精度与质量，进一步提升了自动串珠机的整体性能。综上所述，本研究设计的小型桌面型自动串珠机在解决传统手工串珠弊端、提升生产效率、保障部件性能和作业精度等方面成效显著，为饰品加工行业朝着现代化、自动化方向发展提供了强有力的支持，具备广阔的应用前景和极高的推广价值。5.2展望尽管小型桌面型自动串珠机在当前已经取得了一定的成果，但为了更好地适应饰品加工行业不断发展的需求，仍有诸多方面值得进一步探索与提升。在智能化升级方面，未来可着重对自动串珠机的控制系统进行深度优化。引入先进的传感器技术和智能算法，使其能够实时感知珠子的材质、尺寸等细微差异，并自动调整运行参数，实现更精准、更智能的操作。同时，通过与工业物联网的结合，实现设备的远程监控与故障预警，进一步提高生产效率和设备的可靠性。在拓展应用范围上，目前自动串珠机可能仅适用于部分常见珠子类型和规格。后续可积极开展研究，通过改进机械结构和优化工艺流程，使设备能够适应更多种类的珠子，包括形状不规则、质地特殊的珠子，满足市场上日益多样化的饰品生产需求。从行业协同发展角度来看，自动串珠机不应是孤立的个体。未来可加强与其他自动化生产设备，如饰品成型设备、表面处理设备等的集成与协同工作，构建起一套完整、高效的饰品自动化生产流水线。通过各设备之间的数据共享与无缝对接，实现饰品从原材料到成品的一站式、智能化生产，推动整个饰品加工行业向更高水平的智能制造迈进。此外，随着环保理念的日益深入人心，在自动串珠机的后续研发中，还应注重节能环保技术的应用。例如，采用更高效节能的动力系统，优化设备的散热和能源回收机制，降低设备运行过程中的能源消耗和环境污染，使自动串珠机在满足生产需求的同时，也能更好地符合可持续发展的要求。参考文献[1]濮良贵，纪名刚。机械设计（第九版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]刘鸿文。材料力学（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2017.

[3]孙桓，陈作模，葛文杰。机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]熊有伦。机器人学[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5]陈立德。机械制造技术基础（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]宋宝玉。机械设计课程设计（第五版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2012.

[7]王知行，刘廷荣。机械设计基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

[8]雷天觉。新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[9]杨黎明，黄凯，李恩奇。机械零件设计手册（第二版）[M].北京：国防工业出版社，2008.

[10]蔡自兴，徐光祐。人工智能及其应用（第五版）[M].北京：清华大学出版社，2016.

[11]李郝林。互换性与测量技术（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2014.

[12]陈婵娟，张立彬，胥芳，等。自动串珠机