搬運機械手機械部分設計及運動仿真【說明書+CAD+PROE+仿真】

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有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定 的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以 搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠 獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用 機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品 種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 目 錄 1.緒論 .1 1.1 工業(yè)機器人簡介 .1 1.2 機械手的組成和分類 .1 1.2.1 機械手的組成 .1 1.2.2 機械手的分類 .1 1.3 世界機器人的發(fā)展 .1 1.4 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 .2 1.5 我要設計的機械手 .2 2.機械手的機構及運動過程 .2 2.1 機械手的結構 .2 2.2 機械手的動作過程 .2 2.3 機械手的坐標形式及自由度 .3 3.手部結構的設計 .4 3.1 概述 .4 3.1 設計時應考慮的幾個問題 .4 3.3 驅動力的計算 .4 3.4 銷軸的選擇與校核 .5 4.氣缸的設計 .5 4.1 氣缸的直徑 .5 4.2 汽缸壁厚的設計 .7 5.齒輪的設計 .7 5.1 概述 .7 5.2 齒面接觸疲勞強度的計算 .8 5.2.1 初步計算 .8 5.2.2 校核計算 .8 5.2.3 確定主要傳動尺寸 .10 6.滾珠絲杠螺母副的設計 .10 6.1 滾珠絲杠的特點 .10 6.2 滾珠絲杠型號的選擇 .11 6.3 滾珠絲杠的支撐和支撐方式 .11 6.4 滾珠絲杠剛度驗算 .11 6.5 穩(wěn)定性驗算 .12 6.3 滾珠絲杠的溫度變形計算 .12 7.電動機的選擇 .13 7.1 帶動臂部升降和左右移動的電機 .13 7.2 帶動機身回轉的電機 .13 7.2 帶動手部回轉的電機 .13 致 謝 .14 參考文獻 .15 搬運機械手機械部分設計及運動仿真 1緒論 1.1工業(yè)機器人簡介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。 到了近代 ，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機器人[1]由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 1.2.2機械手的分類 機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人 1.3世界機器人的發(fā)展 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 （2）．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 （3）．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 （5）．虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 （6）．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 1.4我國工業(yè)機器人的發(fā)展 有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.5我要設計的機械手 本課題涉及的機械手屬于仿生靈巧手，可完成一個繞豎軸的旋轉、一個橫軸方向的移動、一個豎軸方向的移動、一個手爪的抓取和放開動作。其相關參數(shù)如下： ①旋轉動作。旋轉角度范圍為270°； ②豎軸移動。豎軸移動范圍0-750mm； ③橫軸移動。橫軸移動范圍0-750mm； ④末端執(zhí)行結構。氣動的手爪，能實現(xiàn)對工件的夾緊和放松，能抓起2kg的重物。 2機械手的結構及動作過程 2.1機械手的結構 機械手結構如下圖2.1所示，有氣控機械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉盤機構(3)、旋轉基座(4)等組成。 其運動控制方式為：三自由度機械手為圓柱坐標型。圖1為機械手結構示意圖，(1)氣控機械手(有光電傳感器確定起始0點)；(2) 機械手手臂的左右運動（左右方向）由步進電機驅動絲杠組件完成，上下運動(垂直方向)由升降步進電機控制；(3) 逆時針和順時針旋轉運動可由回旋360°的轉盤機構能帶動機械手及絲杠組自由旋轉(其電氣拖動部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關等組成)；(4)旋轉基座主要支撐以上3部分；(5) 機械手的夾緊裝置采用關節(jié)結構，氣控機械手的張合由氣壓控制壓驅動，并由電磁閥控制(充氣時機械手抓緊，放氣時機械手松開)。機械手可以根據(jù)設定程序的動作將工件從A處搬運到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開關，SQ3，SQ4為原點位置和終點位置的光接近開關。如圖2.2所示。 2.2機械手的動作過程 其工作過程為：當貨物到達時，機械手系統(tǒng)開始動作步進電機驅動縱軸上升，另一個步進電機驅動橫軸開始向前走；轉盤直流電機轉動使機械手整體運動，轉到貨物接收處；步進電機再次驅動縱軸下降，到達指定位置后氣閥放氣，機械手松開貨物；系統(tǒng)回位準備下一次動作。 圖2.1 機械手結構 2.3機械手的座標型式與自由度 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。下圖是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有3個自由度既：手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降3個主要運動。 圖2.2 機械手動作過程 3手部結構的設計 3.1概述 手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結構型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用連桿推槽式。如圖3.1 3.2設計時應考慮的幾個問題 ①應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 ②手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 ③應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。 ④應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 ⑤應考慮被抓取對象的要求 應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。 圖3.1 機械手手抓結構 3.3驅動力的計算 其工件重量G=2kg， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: (3-1) (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: (3-2) 所以 (3)實際驅動力: 式中 η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2 K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。 取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為1563N。 3.4銷軸的選擇與校核 銷軸的材料為45鋼，許用切應力=80MPa，許用擠壓應力=120MPa，選取銷軸的型號為GB/T 882 870 銷軸的抗剪強度公式： (3-3) 銷軸的抗壓強度公式： (3-4) 抗剪強度=10.7MPa 抗壓強度=1.3MPa ，因此銷軸合適。 4氣缸的設計 4.1氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (4-1) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: (4-2) (4-3) Gf = (4-4) 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足實際設計要求。 4.2缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (4-5) 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 5齒輪的設計 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達200m/s，直徑能做到10m以上，單級傳動比可達8或更大，因此在機器中應用廣泛。 和其他機械傳動相比，齒輪傳動的主要優(yōu)點是：工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度適用范圍廣等。主要缺點是：齒輪制造需要專用機床和設備，成本較高；精度較低時，振動和噪聲較大；不適用于軸間距離較大的傳動等。 齒輪傳動應滿足兩項基本要求：1）傳動平穩(wěn)—要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、噪聲和振動；2）承載能力高—要求在尺寸小、重量輕的前提下，齒輪的強度高、耐磨性號，在預定的使用期限內不出現(xiàn)斷齒等失效現(xiàn)象。在齒輪設計、生產(chǎn)和科研中，有關齒廓曲線、齒輪強度、制造精度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞這兩個基本要求進行的。4.1齒輪傳動的設計計算內容 齒輪傳動的設計計算主要有選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)等。 1）齒輪類型 由于齒輪傳動是為帶動機械手的轉動，傳遞的扭矩不太大，故可采用直齒圓柱齒輪傳遞動力。 2）精度選擇 齒輪精度等級的選擇是根據(jù)傳動的用途、使用條件、傳動功率、圓周速度等決定的。機械手的轉動速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。 3）材料選擇 齒輪材料的選擇應具備下列條件：1）齒面具有足夠的強度，以獲得較高的抗點蝕抗磨粒磨損抗膠合和抗塑性流動的能力；2)在變載荷下有足夠的彎曲疲勞強度；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4）價格較低。最常用的材料是鋼，鋼的品種很多，且可通過各種熱處理方式獲得適合工作要求的綜合性能。 4）傳動尺寸無嚴格限制，批量較小，故小齒輪材料用40Cr，調質處理，硬度為260HB，大齒輪材料為45鋼，調質處理，硬度為240HB。 5）齒數(shù)選擇 選小齒輪齒數(shù)z1 =20，大齒輪齒數(shù)z2 =i×z1 =5×20=100。 5.2齒面接觸疲勞強度計算 5.2.1初步計算 小齒輪傳遞的轉矩 =20kg.cm=1960 齒寬系數(shù) 查表可得 =1.0 齒寬b 和小齒輪分度直徑的比值稱為齒寬系數(shù)（）為便于裝配和調整，根據(jù)和求出齒寬b后在將小齒輪寬度加大5mm10mm，但計算時按大齒輪寬度計算。 接觸疲勞極限 由圖可得σHlim1=710Mpa，σHlim2=580MPa 初步計算的許用 接觸應力 值 由表可得，取=90 初步計算小齒輪 直徑 (5-1) 取=20mm 初步齒寬 120=20mm 5.2.2校核計算 圓周速度 (5-2) 精度等級 由表12.6，選8級精度 齒數(shù)z和模數(shù)m 初取齒數(shù)=20 z2 =i·z1 =5×20=100 則選取z1 =20，z2 =100 使用系數(shù) 由表10-2查得使用系數(shù)KA=1.5； 動載系數(shù) 根據(jù)υ=0.489m/s，8級精度，由圖10-8查得動載荷系數(shù)KV=1.2； 齒間載荷分配系數(shù) 由此得= 齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù)K 　 (5-3) 彈性系數(shù) 由表12.12，鋼的彈性系數(shù)=189.8 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖12.16，取=2.5 接觸最小安全系數(shù) 由表12.14，取=1.05 總工作時間 預期使用年限十年，每年300個工作日，單班制，在使用年限內，工作時間占20%。故總工作時間為 =10=4800h 應力循環(huán)次數(shù) （5-4） 接觸壽命系數(shù) 由圖12.18，=1.22 =1.35 許用接觸應力 （5-5） 驗算 計算結果表明，接觸疲勞強度較為適合，齒輪尺寸無需調整，否則，尺寸調整后還應再進行驗算。 5.2.3確定主要傳動尺寸 分度圓直徑d 模數(shù)取標準值時，齒輪齒數(shù)確定，且與初選齒數(shù)相同，無需進行調整，故分度圓直徑不會改變，即 中心距 齒寬 取=25mm ， =20mm 6滾珠絲杠螺母副的設計 6.1滾珠絲杠特點 滾珠絲桿是將旋轉運動轉換成執(zhí)行性的直線運動的運動轉換機構，如下圖所示，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。在數(shù)控機床的傳動中，經(jīng)常用于代替滑動絲杠，以提高傳動精度。 在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾珠絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。 滾珠絲杠計算的內容包括型號選擇，穩(wěn)定性校核，極限速度校核，精度計算，剛度與變形計算等。 絲杠螺母副的特點： 1）用較小的扭矩轉動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。 2）可達到很大的降速比，使降速機構大為簡化，傳動鏈的以縮短。 3）能達到較高的傳動精。用于進給機構時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達0.0001mm。 4）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/3~1/4。 5）給予適當?shù)念A緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 6）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動精度高。 7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以由直線運動轉換為旋轉運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。 8）制造工藝復雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。 9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關系，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。 在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。 6.2滾珠絲杠型號的選擇 根據(jù)使用要求和結構要求，選定滾珠絲杠的型號為WCM1604-2.5，這是一種微型外循環(huán)插管式、導珠管埋入式的滾珠絲杠副，精度等級選3級，其主要參數(shù)有： 公稱直徑， 導程=4mm， 鋼球直徑=2.381mm， 絲杠外經(jīng)d=15.7mm, 螺紋底徑=13mm， 循環(huán)圈數(shù)2.51， 額定動載荷=4763N， 額定靜載荷=10011N， 接觸剛度R=221N/。 6.3滾珠絲杠的支承和支承方式 滾珠絲杠的支承和支承方式將影響絲杠副的剛度，因此，對運動精度要求高時應審慎地加以選擇。絲杠一端安裝兩個深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐滾子軸承的稱為固定支承；安裝一個深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐軸承的稱鉸支承；螺母相當于固定支承。 滾珠絲桿的支撐方式有三種，一是一端固定，另一端自由方式；通常用于段絲杠和豎直絲杠。二是一端固定，一端簡支承方式，常用于較長的臥式安裝絲杠。三是兩端固定，用于長絲杠或高轉速，要求高拉壓剛度的場合。這種支承方式可以通過擰緊螺母來調整絲杠的預拉伸量。本文橫向絲杠采用第三種方式，即兩端固定的支承方式。因其所承受的軸向載荷不是很大，故可采用深溝球軸承的支撐方式。豎向的絲杠可采用一端固定，一端自由的方式。 6.4滾珠絲杠剛度驗算 滾珠絲杠是一種精密的傳動元件，它在工作負載P的作用下，將伸長或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應驗算其滿載時的變形量。 滾珠絲杠受工作負載（軸向力）P的作用而引起一個螺距t的變化量,可按下式計算： (cm) (6-1) 其中：P—工作負載； t—滾珠絲杠螺距； E—彈性模量，對鋼而言（E=）； F—滾珠絲杠的橫截面積（按內徑而定）； 滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個螺距t的變化量，可以按下式計算： (cm) (6-2) 其中—摩擦角，即在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉角； 其中，M—扭矩（）, (6-3) 式中 —傳動效率，4級及4級以上精度取0.9，以下取0.85 G—扭轉彈性；對鋼而言，G= —滾珠絲杠截面積的極慣性矩 （其中—滾珠絲杠的內徑，cm） =16.6 = = cm（可忽略不計） 已知滾珠絲杠的長度為40cm,則整個工作長度上的螺距變形總誤差： △=40/0.4=4.1×cm/m 查表得對E級絲杠，允許誤差△=15um/m，故該滾珠絲杠滿足要求。 6.5穩(wěn)定性驗算 機械手搬運系統(tǒng)上的滾珠絲杠是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機械手搬運系統(tǒng)上的進給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負載，可用《材料力學》中的歐拉公式計算 （N） (6-4) E—絲杠材料的彈性模量，對鋼而言E=； J—截面慣性矩，對實心圓桿而言，； l—絲杠的工作長度，l=40cm； u—絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設計是兩端向心軸承，u=1 N 臨界負載與工作負載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。 >>[]=4 故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。 6.6滾珠絲桿的溫度變形計算 當溫度變化大時，需計算絲杠全長的熱變形量 ?、基本導程修正量 δPh和熱變形力 (6-5) 式中α——材料線膨脹系數(shù)，鋼在 20~100℃時，α=12 ； l——兩軸承間絲杠的距離，（mm）； ?t——溫升（℃）； Ph——基本導程（mm）； E——彈性模量，??； A——絲杠小徑斷面積， ——絲杠螺紋底徑（mm）。 7電動機的選擇 機械手使用了四個電機，其一是帶動手臂的升降和左右移動運動；其二是帶動機身的回轉運動。其三是帶動手部的回轉運動 7.1帶動臂部升降和左右移動的電機 初選移動速度 V=100mm/s P=6KW 所以n=（100/6）×60=1000轉/分 選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表7-1 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)所示： 表7-1 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù) 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉電流 堵轉轉矩 最大轉矩 電流A 轉速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉矩 額定轉矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 7.2帶動機身回轉的電機 小齒輪傳動的功率和轉矩都較小，因此可由直流電機直接驅動，選擇直流電機的型號為37RG240，具體參數(shù)如下所示： 電壓： DC12V 額定轉速： 20r/min 輸出扭矩： 20kg.cm 1Nm=10.2kgcm 重量： 0.2kg 7.3帶動手部回轉的電機 選擇Y90L-6型籠型異步電動機 電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表7-2 Y90S-6電動機技術數(shù)據(jù)所示： 表7-2 Y90L-6電動機技術 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉電流 堵轉轉矩 最大轉矩 電流A 轉速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉矩 額定轉矩 Y90S-4 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 致 謝 本文是在導師劉媛媛老師的指導下完成的，首先對老師能在百忙之中抽出時間給我們指導表示衷心的感謝！也感謝老師對我的關心與支持。 畢業(yè)設計這段時間，劉老師在學習和生活上都給了我極大的幫助，并幫我解決了很多學習和工作上的困難。沒有劉老師的幫助，我不可能順利的完成畢業(yè)設計。劉老師嚴謹治學的態(tài)度，廣博的實踐經(jīng)驗給我留下了深刻的印象，在此，我向劉老師表示崇高的敬意和衷心的感謝，并向所有關心我、指導我的老師們表示感謝。并在此一并感謝大學期間所有教育過我的老師，是你們的知識培養(yǎng)了我，豐富了我。同時也要感謝我所有的同學，我的畢業(yè)設計的完成也離不開你們無私的幫助。 同樣感謝與我一起做畢業(yè)設計的各位同學給我的關心和幫助！在這段時間內，他們也讓我學到了不少東西。感謝所有關心和幫助過我的人們！ 參考文獻 [1] 蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000:154~155. 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