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寧XX大學
畢業(yè)設計(論文)
龍門式機械手結(jié)構(gòu)設計
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學 號：
指導教師：
年 月
摘 要
近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設備。工業(yè)機械手對于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機械手技術(shù)結(jié)合了多們學科的知識。包含機構(gòu)學、計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領域。
機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機械手是工業(yè)進步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
本課題模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，課題將設計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。
本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設計要求和進行了總體方案設計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設計、計算。
關(guān)鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度
II
Abstract
Industrial manipulator is composed of target of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, operation, automatic control, a kind of imitation of human multiple programming, to complete the work of every kind of Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial machinery hand to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technique combined with multi discipline knowledge. Including mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and so on. It is the very active, very wide application areas.
The manipulator has many human beings do not have, including the rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of the progress of industry, it also plays a vital role in the modern industry. Nowadays, industrial robot has become the concern of the industry all over the world.
This subject comes from the Yalong YL-221 automation to flexible production system, the machine independent innovation training system to simulate the actual industrial production system, according to the different stages of production machine is provided with a plurality of workstation: automatic access overhead warehouse, handling robot station, line conveyor, conveyor station station 90 degree turn, mechanical processing station, station, the station code heap.
We design a robot will be used in Longmen, staff entry, disconnected to the conveyor belt parts are transported by mechanical hand, to the completion of the work of safety grip and release, and the parts from one end to the other end of the conveyor belt production line position specified on the conveyor belt.
This paper expounds the development history of the manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the design requirements of the manipulator specific and detail structure design, overall design and various degrees of freedom.
Key Words: robot; industrial; transmission; strength
30
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機械手概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國內(nèi)機械手的研究 1
1.4機械手的應用 2
第2章 總體方案機構(gòu)設計 3
2.1課題的技術(shù)要求 3
2.2設計原理 3
第3章 Z向結(jié)構(gòu)及傳動設計 4
3.1滾珠絲桿副的選擇 4
3.1.1導程確定 5
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 5
3.1.4確定絲桿的等效負載 5
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 5
3.1.6精度的選擇 7
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 7
3.2校核 7
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 7
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 8
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 9
3.3電機的選擇 9
3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 10
3.3.2電機扭矩計算 11
第4章 X軸水平移動傳動設計 13
4.1 滾珠絲杠計算、選擇 13
4.2 步進電機慣性負載的計算 15
4.3步進電機的選用 16
第5章 手指的相關(guān)設計與計算 19
5.1 手指的相關(guān)設計與計算 19
5.2 手爪結(jié)構(gòu)設計與校核 20
5.3 機械手手爪設計計算 21
5.3.1 手爪的力學分析 21
5.3.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算 22
5.4 夾緊氣缸的設計 23
5.4.1 主要尺寸的確定 23
5.5 手爪夾持范圍計算 24
5.6 機械手手爪夾持精度的分析計算 25
5.7 彈簧的設計計算 26
5.8 本章小結(jié) 28
總 結(jié) 29
參考文獻 30
致 謝 31
第1章 緒論
1.1 機械手概念
機械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。
機械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，機械手技術(shù)得到廣泛的應用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以說他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。
1.2 課題研究的背景和意義
本課題將設計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。通過本課題的研究，學生不僅可以了解自動生產(chǎn)線的工作過程，還可以深入了解其組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計。希望學生通過本課題設計，能充分運用已學習的基礎知識和專業(yè)知識，設計出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設計說明書中，選用合理的動力元件，計算設計零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設計思路，綜合應用機械原理和設計、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。
1.3 國內(nèi)機械手的研究
機械手在日本應用的歷史非常悠久。在七十年代時機械手首先得到應用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時候機械手已經(jīng)得到普及。相應的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達到了一萬八千五百億日元。可見機械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。
在國際方面，各個國家已經(jīng)意識到機械手的重要性。所以機械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后機械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達90000多臺。平均年增長為7%。
國際機械手的發(fā)展方向:
機械手涉及到非常多學科的知識和領域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學科的發(fā)展。正是由于各個學科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學技術(shù)的進步，機械手在應用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對機械手的研究都往小型化發(fā)展。機械手將會更多的進入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。
機械手的廣泛應用，對提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個十分重要的作用。機械手的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
1.4機械手的應用
機械手產(chǎn)業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)代，機械手產(chǎn)業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀起，世界機械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀九十年代，機械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，機械手應用到很多領域中去了。機械手在制造業(yè)中應用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。
第2章 總體方案機構(gòu)設計
2.1課題的技術(shù)要求
1．工作范圍：長度：800mm ；高度：500mm；高度200mm；
2．各軸工作速度進給速度：400mm /min ；
3. X、Z方向快速移動速度：1500mm/min ；
4. 夾持部件旋轉(zhuǎn)角度：180° ；
5. 送料重量：1000g
2.2設計原理
為了使工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)要去選擇合適的定位機構(gòu)。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構(gòu)的使用范圍。
Z軸采用絲杠傳動：電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
X軸采用絲杠傳動：電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
第3章 Z向結(jié)構(gòu)及傳動設計
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
3.1滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
設Z向最大行程為200mm,最快進給速度為1500mm/min, 送料重量：1000g
3.1.1導程確定
電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.4確定絲桿的等效負載
工作負載是指工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷
fw-------負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N
表3-1-1各類機械預期工作時間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對電氣的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導程誤差對定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=30mm 絲桿外徑d1=29.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=24.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證
絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm
代入上式計算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9
經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=29.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計算得
b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運動件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得
因此
3.3.2電機扭矩計算
a、折算至電機軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計算得
b、折算至電機軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經(jīng)計算得
c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
第4章 X軸水平移動傳動設計
4.1 滾珠絲杠計算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm
強度計算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表
名稱
計算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
（3） 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算
絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.2 步進電機慣性負載的計算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為：
式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：
4.3步進電機的選用
(１）步進電機啟動力矩的計算
設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的步進電機：
(２） 步進電機的最高工作頻率
為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.
電機有關(guān)參數(shù)如下:
型號
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動頻率
空載運行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第5章 手指的相關(guān)設計與計算
5.1 手指的相關(guān)設計與計算
設計手部時除了要滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求：
（1）、手指握力的大小要適宜
確定手指的握力（即夾緊力）時，應考慮工件的重量以及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，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。
（2）、應保證工件能順利地進入或脫開手指
開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。
（3）、應具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕
因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。
（4）、動作迅速、靈活、準確，通用機械手還要求更換手部方便
根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。
經(jīng)過分析和比較此設計采用夾持式手部。手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應依據(jù)作業(yè)任務要求來設計，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。
一 、夾持式手部
夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性，故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。
二 、結(jié)構(gòu)
夾持式手部是有驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動裝置多半用活塞缸。傳動機構(gòu)常用連桿機構(gòu)、滑槽機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動型等形式。經(jīng)分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。
5.2 手爪結(jié)構(gòu)設計與校核
手爪種類
1.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。
4.滑槽式手爪
當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構(gòu)，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多
結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。
a．有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。可用開閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個液壓機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
d．手指應有一定的強度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機械手，根據(jù)工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。
5.3 機械手手爪設計計算
5.3.1 手爪的力學分析
下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學分析：滑槽杠桿，如圖3-1為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
= （3-1）
式中： ——驅(qū)動力；
——夾緊力；
——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離；
——手指長度；
——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。
由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則夾緊力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=~。
5.3.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
（1）手指對工件的夾緊力可按公式計算：
（3-2）
式中: ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
——軸向力；
——V形手抓的開合角；
——工件和手抓間的摩擦系數(shù)；
計算：設a=10mm,b=30mm, =，求夾緊力和驅(qū)動力 。
設K=1.5，，0.3
根據(jù)公式，將已知條件帶入得：
（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
由于實際采用的氣壓缸驅(qū)動力大于計算，把手抓的機械效率考慮在內(nèi)，一般取。
（3）取
（3-3）
5.4 夾緊氣缸的設計
5.4.1 主要尺寸的確定
（1）氣缸工作壓力的確定
由表3-1取氣缸工作壓力
表3-1 氣壓負載常用的工作壓力
負載F/N
<5000
5000~ 10000
10000~
20000
20000~
30000
30000~
50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5~7
（2）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
可由下式推算出氣壓缸的內(nèi)徑D：
（3-4）
預設活塞桿直徑d=0.5D,氣缸工作壓力P=0.4MPa,根據(jù)機械設計手冊氣壓傳動分冊P22-125，選取氣壓缸內(nèi)徑為：D=32mm。
可以得出活塞桿內(nèi)徑為:
d=0.5D=320.5=16mm，選取d=14mm。
（3）缸筒壁厚和外徑的設計
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(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
（3-5）
式中，
—— 缸筒壁厚，(mm)；
—— 氣缸內(nèi)徑，(mm)；
—— 氣缸試驗壓力，一般?。≒a）；
——氣缸工作壓力 （Pa）；
——缸筒材料許用應力（Pa）。
本設計手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
（4）手部活塞桿行程長L計算
活塞桿的位移量S可推得：
S （3-6）
氣缸的活塞行程與其使用場合及工作機構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量[11]。
（3-7）
故氣壓傳動手冊圓整為。
（5）手爪部分總質(zhì)量估算：
（3-8）
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關(guān)手冊可得， 45號鋼密度為 ；
ZL1060的密度為 。
手爪部分總質(zhì)量約為 ：
5.5 手爪夾持范圍計算
為了保證手爪張開角為，活塞桿運動長度為27mm。
（a）手爪最小夾持半徑 （b）手爪最大夾持半徑
圖3-2 手爪張開示意圖
手爪夾持范圍的計算，手指長30mm，當手抓沒有張開角的時候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設計，它的最小夾持半徑=10，當張開時，如圖3-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計算如下：
機械手的夾持半徑從。
5.6 機械手手爪夾持精度的分析計算
機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進行機械手的夾持誤差計算。
圖3-3 手爪夾持誤差分析示意圖
該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。
機械手的夾持范圍為10mm~26mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑： （3-9）
手指長,取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
（3-10）
計算 ： （3-11）
當時帶入有：
所以夾持誤差滿足設計要求。
5.7 彈簧的設計計算
選擇彈簧按照壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3-4所示，計算過程[13]如下。
圖3-4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)
（1）選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力
（2）選擇旋繞比C=8，則
（3-12）
（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=22mm，估算彈簧絲直徑
（4）試算彈簧絲直徑
（3-13）
取3mm。
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：
（3-14）
選擇標準為，彈簧的總?cè)?shù)圈
（6） 最后確定：
，，，
（7） 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，。
彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
（8） 疲勞強度和應力強度的驗算。
對于循環(huán)次數(shù)多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）。
現(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式：
（3-15） 選取1.3~1.7（力學性精確能高）
（3-16）
經(jīng)過上式校核，彈簧滿足要求。
5.8 本章小結(jié)
本章對機械手的手部和手爪進行了設計，并且對夾緊氣缸進行了選取計算，對夾持范圍和夾持精度進行了計算，最后對彈簧強度進行了校核，符合使用要求。
總 結(jié)
本文完成了機械手的畢業(yè)設計，中間遇到很多困難，多謝老師指導。當我們不理解，不會做的時候，指導老師及時給予我們知識的補充；顯然那時的我們更像是一種知識的灌入狀態(tài)，而畢業(yè)設計的過程則更注重的是自我的鍛煉。我想倘若大學四年沒有多次課程設計打下的堅實基礎，可能我們要完成此次畢業(yè)設計就變成困難至極了。因此我在此對大學四年帶過我課程設計的所有指導老師誠摯的道聲謝謝！
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致 謝
寫到這，代表了我的論文也將來接近尾聲了。是的大學四年最后一個課程—畢業(yè)設計，在此將要接受老師們和同學們的檢閱，無論做得好與不好，這個過程也是必須要經(jīng)歷的。首先對所有評閱的老師們表示感謝，我誠意接受你們的教導，也希望能得到你們對我努力的肯定。
如果說課程設計是一種體驗，那畢業(yè)設計可以稱得上是一種鍛煉。記得課程設計的時候，指導老師們都是手把手的帶著我們，每天我們會在指導老師的指導下在課室里完成任務。當我們不理解，不會做的時候，指導老師及時給予我們知識的補充；顯然那時的我們更像是一種知識的灌入狀態(tài)，而畢業(yè)設計的過程則更注重的是自我的鍛煉。我想倘若大學四年沒有多次課程設計打下的堅實基礎，可能我們要完成此次畢業(yè)設計就變成困難至極了。因此我在此對大學四年帶過我課程設計的所有指導老師誠摯的道聲謝謝！
此次畢業(yè)設計，歷時半年有余，我翻閱了大量的文獻資料，查閱了大量的相關(guān)書籍；從沒有頭緒到漸漸發(fā)現(xiàn)思路，從不知如何下手到大膽嘗試，從請教指導老師到自己獨立思考，最終完成了我們這個課題的設計。
我能夠完成除了自身努力外，還得到了指導老師唐可洪老師的細心指導，劉國光老師總會在關(guān)鍵的時候出現(xiàn)，并會及時督促我們的工作，嚴格要求我們，對我們每段時期的工作任務都認真把關(guān)；我想真心感謝給予我指導的XX老師。