螺栓裝配機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
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摘要
本次的設(shè)計是螺栓裝配機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，螺栓裝配機械手作為工業(yè)機械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了零部件的裝配，高精度電子產(chǎn)品及其部件的組裝，可以代替人類完成一些繁瑣的工作。
本次設(shè)計通過查閱互聯(lián)網(wǎng)，收集資料，根據(jù)任務(wù)書要求設(shè)計一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計中機械手的結(jié)構(gòu)確定了選用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，整個機械手確定為4自由度，機械手的驅(qū)動方式采用步進電機與同步帶驅(qū)動及絲杠機構(gòu)實現(xiàn)其移動及升降運動，采用回轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)機械手臂的回轉(zhuǎn)運行，采用旋轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)手腕對螺栓的擰緊。并對機械手的零部件等機構(gòu)進行了設(shè)計。
該設(shè)計最大的特點是能夠在短時間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率，減少生產(chǎn)時間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機械手可以實現(xiàn)對在惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強度，從而減少安全事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：螺栓裝配；機械手；步進電機；絲杠機構(gòu)
I
ABSTRACT
This design is the structural design of the bolt assembly manipulator. The bolt assembly manipulator, as an important research object in the hands of industrial machinery, has been widely used in the industrial assembly line, effectively completed the assembly of components, the assembly of high precision electronic products and their components, and can replace some of the tedious work in place of human beings.
This design is designed by consulting the Internet, collecting data, and designing a mechanical hand for automatic grasping and completing the bolt assembly according to the requirements of the task book. The structure of the manipulator in the design determines the combination of rectangular coordinates and cylindrical coordinates. The whole manipulator is determined to be 4 degrees of freedom. The driving mode of the manipulator adopts the step motor and the synchronous belt drive and the screw mechanism to realize its movement and lifting movement, and the rotary cylinder is used to realize the rotary operation of the mechanical arm.The rotary cylinder is used to realize the tightening of the wrist to the bolt.It also designs the parts and components of the manipulator.
The main feature of the design is that it can complete the assembly of bolts in a short time, improve the efficiency, reduce the production time, without rest, and can work continuously under the suitable conditions. The manipulator can replace human beings under severe working conditions and reduce labor intensity, thereby reducing safety accidents.
Key Words：Bolt Assemble;Manipulator ;Stepper Motor;Screw Mechanism
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 本課題研究的背景及意義 1
1.2 機械手的結(jié)構(gòu)組成及分類 1
1.3 裝配機械手的研究的概況和發(fā)展趨勢 2
1.4 本文主要研究內(nèi)容 3
2 螺栓裝配機械手的總體方案的設(shè)計 4
2.1 機械手的功能要求 4
2.2 機器手的總體運動過程 4
2.3 各運動的傳動方案設(shè)計 5
3 機械手的橫向（X軸）移動機構(gòu)設(shè)計 6
3.1 X軸運行機構(gòu)方案設(shè)計 6
3.2 電機功率計算與選型 6
3.3 同步帶的計算與選型 8
3.4 導(dǎo)軌的計算與選型 11
4 機械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機構(gòu)設(shè)計 16
4.1 立柱機構(gòu)方案設(shè)計 16
4.2 絲杠機構(gòu)的設(shè)計計算 17
4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計 22
5 手腕及手爪設(shè)計 26
5.1 腕部的設(shè)計要求 26
5.2 腕部的結(jié)構(gòu) 26
5.3 腕部的計算 27
5.4 手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求 30
6 結(jié) 論 33
參 考 文 獻 34
致 謝 44
II
螺栓裝配機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.緒論
1.1本課題研究的背景及意義
螺栓裝配機械手是工業(yè)機器人中的一種機械手，機械手是自動執(zhí)行設(shè)定好的程序工作的機器，它通過接受預(yù)先編寫的程序，或按照人工智能技術(shù)制定指令，完成相應(yīng)的動作。機械手任務(wù)是幫助或取代工人完成工作，如在工業(yè)制造、焊接、噴涂、建筑等工作。事實上，機械手是一種集成機械、電子、控制于一體的輔助系統(tǒng)，它通過機械傳動和現(xiàn)代微電子技術(shù)相結(jié)合來模仿人臂的技能。螺栓裝配機械手在工業(yè)、機械、航天航空和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，在各個領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其在工作環(huán)境惡劣，機械式重復(fù)性工作，機械手將逐漸取代人類。
它能夠在短時間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率。在惡劣環(huán)境中帶替人工作，避免危險的發(fā)生。與人相比起來，機械手具有的優(yōu)點是：減少生產(chǎn)時間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機械手可以實現(xiàn)對惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強度，從而減少安全事故的發(fā)生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓裝配機械手主要用于取代手動安裝螺栓，實現(xiàn)螺栓的自動拾取、自動定位以及自動旋緊。該機械手它按照編制的程序工作，具有高精度和高重復(fù)性。蘭州交通大學(xué)王世偉[1]提出鑒于螺栓裝配與拆卸動作是工業(yè)中使用頻繁、工作強度大的一項工作,所以有必要設(shè)計實現(xiàn)螺栓自動裝配的機械手。
1.2 機械手的結(jié)構(gòu)組成及分類
1.2.1機械手的結(jié)構(gòu)組成
機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機械等組成。
執(zhí)行機構(gòu)即機械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu)，其中的運動副常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機械手本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。
驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機械手進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機械手使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。
檢測裝置的作用是實時檢測機械手的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進行比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證機械手的動作符合預(yù)定的要求。
控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機來分擔(dān)機械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。
1.2.2 機械手的分類
（1）機械手按用途分：可分為通用機械手、專用機械手；如教學(xué)上使用的教學(xué)機械手、工廠里使用的焊接機械手、車間里使用的裝配機械手等。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌[2]等人指出專用機械手控制系統(tǒng)設(shè)計與分。
（2）機械手按坐標(biāo)系統(tǒng)來分：
直角坐標(biāo)型機械手：只具有移動自由度的機械手。如二自由度門式機械手、桁架式機械手、懸臂式機械手等；
圓柱坐標(biāo)型機械手：只具有一個轉(zhuǎn)動自由度，其余都為移動自由度的機械手，此機械手活動范圍大，并具有很高的定位精度；北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博[3]指出了圓柱坐標(biāo)型機械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計。
球坐標(biāo)型機械手：具有兩個轉(zhuǎn)動自由度、其余為移動自由度的機械手，這種機械手具有工作范圍大，動作靈活的特點，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會引起誤差；
關(guān)節(jié)型機械手：具有三個轉(zhuǎn)動自由度的機械手，動作靈活，但是定位精度較差。 杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院汪新中[4]設(shè)計了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機械夾持實現(xiàn)螺釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。
（3）按驅(qū)動方式分機械手：氣壓驅(qū)動機械手、液壓驅(qū)動機械手、電氣驅(qū)動機械手，也有采用多動驅(qū)動方式組合的機械手。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院楊育林等[5]提出針對不同重量車輪的裝配問題,提出了一種新型機械手氣動控制系統(tǒng),
1.3裝配機械手的研究的概況和發(fā)展趨勢
在工業(yè)流水線上，螺栓的裝配是一項繁瑣的工作。對于螺栓裝配的機械手，國內(nèi)外都有研究，研究成果顯著。這些機械手不僅節(jié)省人力，而且方便實用。國內(nèi)外許多學(xué)者對如何利用機械工具代替人工完成螺栓連接組裝進行了深入研究。
俄羅斯Geschke已經(jīng)完成了機械手中螺釘?shù)淖灾鞫ㄎ?，插入和擰緊操作。該系統(tǒng)通過鏡頭形成立體視覺。其特點是自動閾值調(diào)整，根據(jù)視覺采樣率調(diào)整位置環(huán)，實現(xiàn)機械手的精確定位。
2002年，日本工業(yè)技術(shù)綜合研究所等多家公司聯(lián)合開發(fā)了一款名為HRP-2P的施工機械手。該操縱器具有更精確的視覺系統(tǒng)，并可以按照說明使用螺栓來固定;在2010年，Pitipong等提出了使用視覺伺服系統(tǒng)的4自由度。
國內(nèi)對螺栓工具和機械手的研究也取得了相當(dāng)大的進展。早在1960年，沉陽高壓開關(guān)廠杰寶駿工人就設(shè)計制造了電動螺絲機，解決了裝配工作中各種螺母的緊固問題，提高了工作效率; 王新忠設(shè)計了一種螺旋多關(guān)節(jié)機械手，其手部采用復(fù)雜的機械夾具固定螺釘，確保螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性，并利用電力驅(qū)動機械手末端的螺絲刀在平面接合式螺絲，完成螺絲定位，壓緊和擰緊功能。對于不同類型的螺釘，可以更換相應(yīng)類型的螺絲刀。如上所述，各種螺桿組裝機械手只能實現(xiàn)單螺桿的定位和組裝任務(wù)。通過增加視覺等智能傳感器，機器人可以實現(xiàn)智能自主定位和組裝螺絲。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武[6]指出了機械手的定義,發(fā)展過程,以及機械手的研究動態(tài)。
近年世界機械手的應(yīng)用越來越廣泛，未來工業(yè)機械手具有如下的發(fā)展趨勢：
（1）感官功能
研究內(nèi)容包括各種傳感器信息采集與融合處理，傳感器與驅(qū)動集成技術(shù)，感知功能傳承模塊等。其實質(zhì)與人體的五感和身體的全面感官功能相似。
（2）控制智能化
智能控制是把計算機技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的多種綜合技術(shù)結(jié)合在一塊，隨著機械手控制的系統(tǒng)化，將開發(fā)機械手的智能化控制。
（3）移動功能的智能化
針對機械手的特定的功能需求，實現(xiàn)特點場合的應(yīng)用需求，需要機械手具有運動，例如滑動，滾動，沿設(shè)置程序軌跡行走，爬行，跳躍等。
（4）系統(tǒng)應(yīng)用和集成
為實現(xiàn)機械手的集中自動化控制，遠程化控制，解決遠距離的信息傳輸與控制，開發(fā)自主移動系統(tǒng)實現(xiàn)了機器協(xié)調(diào)功能，群體智能和多機通信協(xié)議。
（5）安全性和可靠性
為了實現(xiàn)智能可靠性，機械手必須能夠及時應(yīng)對各種事故，具有自動檢測、報警，包括硬件級別的自診斷和自修復(fù)故障的能力。
（6）小型化
機械手的功能實現(xiàn)智能化，也逐漸向小型化發(fā)展，針對小型化的機械手應(yīng)用主要在微加工，醫(yī)療設(shè)備，機械電子領(lǐng)域。
（7）多傳感器信息融合和配置技術(shù)
采用多傳感器配置與融合技術(shù)采用機械手各部件的信息，實現(xiàn)各個部件精確位置檢測與運動定位。新型傳感器的開發(fā)適應(yīng)于生產(chǎn)過程機械手的控制，反饋信息的處理，然后向機械手輸出執(zhí)行指令。
1.4本文主要研究內(nèi)容
首先收集螺栓裝配機械手的相關(guān)文獻資料，掌握裝配機械手的工作原理與各部件的功能。根據(jù)機械手的條件，確定機械手的總體方案，坐標(biāo)形式，自由度及運動空間的計算等。然后對機械手的驅(qū)動方式、移動機構(gòu)、動力機構(gòu)、手爪執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計。對機械手的腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、手腕、夾持手爪等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與計算，包括對電機的選型，軸承的選擇及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。
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2.螺栓裝配機械手的總體方案的設(shè)計
2.1 機械手的功能要求
根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計一種四自由度機械手實現(xiàn)對螺栓的抓取、定位、旋緊等一系列動作，以期替代人工作業(yè)，可有效提高自動化水平及生產(chǎn)效率。
機械手主要的參數(shù)：
（1）夾持力：250N；
（2）移動速度為5m/min；
（3）手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40；
（4）自由度：4;
（5）機械手選用類型：圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合。
2.2機器手的總體運動過程
螺栓裝配機械手的工作過程：
（1）手臂3繞立柱2轉(zhuǎn)動90度；
（2）手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)；
（3）手臂3繞著立柱2轉(zhuǎn)回90°，并保持；
（4）機械手整體沿著導(dǎo)軌水平運動，手臂3在沿著立柱2移動；通過水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對機械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位；
（5）手爪的旋轉(zhuǎn)帶動螺栓轉(zhuǎn)動，同時手臂 沿著軸線方向進給，將螺栓旋緊；
（6）手爪張開，手臂3回到初始位置，循環(huán)到下一個裝配動作。
1基座 2立柱 3手臂 4手腕及手爪
圖2.1螺栓轉(zhuǎn)配機械手的方案簡圖
2.3各運動的傳動方案設(shè)計
（1）X軸移動的傳動方案
X軸的移動采用步進電機通過同步帶驅(qū)動絲杠機構(gòu)，從而帶著整個機械手沿X軸往復(fù)運動。
（2）Z軸方向的升降與回轉(zhuǎn)運動的傳動方案
機械手臂沿Z軸方向的上下移動是采用同步電機經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅(qū)動絲杠與螺母機構(gòu)，實現(xiàn)其手臂的升降運動。機械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)氣缸作為回轉(zhuǎn)機構(gòu)來實現(xiàn)。
（3）機械手手腕的回轉(zhuǎn)運動及手爪夾緊運動的方案
機械臂上手爪夾緊、松開以及擰緊的動作過程是實現(xiàn)螺栓裝配的執(zhí)行動作，即機械手先夾緊需要裝配螺栓，機械臂經(jīng)過一系列運動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時，機械手爪在松開螺栓，機械臂在進行下一次螺栓裝配動作的循環(huán)。這一系列的工作過程中，機械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕采用伺服電機驅(qū)動。
3 機械手的橫向（X軸）移動機構(gòu)設(shè)計
3.1 X軸運行機構(gòu)方案設(shè)計
在驅(qū)動裝置設(shè)計中，盡量選擇重量輕和小尺寸的材料。為了實現(xiàn)直線運動，機械手主要可以分為由齒輪齒條傳動，滾珠絲杠傳動，同步帶齒形皮帶傳動，氣缸等驅(qū)動。由于具備效率高，傳動比精確，構(gòu)造緊湊，工作可靠，使用壽命長等，所以設(shè)計采用同步帶和絲杠機構(gòu)。
如圖3.1所示，X軸機架采用截面為矩形型材焊接而成，機架的作用是支承機械手本體，并將電機安裝在機架側(cè)面，各部件的聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。
傳動方式采用步進電機通過同步帶傳動將動力傳遞到絲杠機構(gòu)，絲杠帶動著螺母在直線導(dǎo)軌上運動。
圖3.1 X軸移動機構(gòu)方案
3.2 電機功率計算與選型
步進電機的選用時，參數(shù)有步角距、運行頻率、空載起動頻率和最大靜轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算公式為：
（3.1）
設(shè)計中同步帶輪的主動輪與從動輪節(jié)圓直徑相等，所以。
是機械效率，移動時有同步帶和導(dǎo)軌平摩擦兩種傳動，同步帶傳動的=0.95，導(dǎo)軌的摩擦傳動的，取，有。
—軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；
—軸的摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略）。
可以得到：
（3.2）
M—總負(fù)載質(zhì)量，g—重力加速度，—導(dǎo)軌動摩擦的系數(shù)。
表3-1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算的參數(shù)
M
i
帶入公式求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
電動機在啟動的時候需要具有一定的轉(zhuǎn)矩來帶動負(fù)載，電機的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩要大于，所以電機最大靜轉(zhuǎn)矩大于。
步進電機的選擇要參照脈沖當(dāng)量來確定電機的步距角的大小，精度要求?？扇∶}沖當(dāng)量，計算步距角：
（3.3）
依照實際情況選擇=的步進電機，對其進行細分析以達到控制精度的要求。為步距角，計算脈沖當(dāng)量：
（3.4）
根據(jù)以上設(shè)計中的計算選用兩相混合式步進電機。
表3-2 電機性能參數(shù)
電機型號
相數(shù)
步距角度
相電流
保持力矩
轉(zhuǎn)動慣量
重量
56BYG250D
2
1kg
3.3 同步帶的計算與選型
3.3.1同步帶的傳動特點
同步帶由與工作面上的齒和帶輪上嚙合的齒驅(qū)動。有較高的抗拉強度和非常小的伸長率，在傳遞基本過程中的分段線路的長度保持不變，傳輸過程中傳輸帶和傳輸帶滑動， 從而保證傳送過程中皮帶與皮帶之間的滑動。
選用同步帶傳動能夠確保較好的傳動比，具有恒定的傳動比，維修保養(yǎng)方便，費用低等。同步帶適用的溫度，運行的速度，運行時的傳動功率，傳動比。
圖3.2 同步帶
3.3.2同步帶的設(shè)計計算
（1）電機的額定輸出功率估算為：
7.16W （3.5）
（2）確定計算功率：機械手的工作制按8小時/天，查機械設(shè)計手冊表4-1得，使用系數(shù)參數(shù)=1.7，則計算功率為:
12.17W （3.6）
（3）小帶輪轉(zhuǎn)速：
上式中：f為頻率，T為固定步進角度，這里取1.8°；X為細分倍數(shù)；
即對步進電機進行控制時，可以通過輸入脈沖頻率對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)；本設(shè)計中f=3，
細分倍數(shù)X取0.02；計算小帶輪轉(zhuǎn)速n為90r/min；
（4）選定同步帶帶型和節(jié)距：設(shè)計中功率轉(zhuǎn)速比較小，帶的型號可以選取H型帶，節(jié)距
（5）主動輪齒數(shù)：查表選取小帶輪齒數(shù)為41。
（6）小帶輪節(jié)圓直徑確定：
= （3.7）
（7）大帶輪的計算
傳動比為，因此計算中的大帶輪與小帶輪的參數(shù)相同。齒數(shù)，節(jié)距
（8）帶速v計算
（3.8）
（9）初定周間間距
根據(jù)公式：
得：
現(xiàn)在選取軸間間距為250mm。
表3-3小帶輪最小齒數(shù)表
（10）同步帶帶長及其齒數(shù)確定
=()= （3.9）
（11）帶輪嚙合齒數(shù)計算
傳動比為，因此嚙合的齒數(shù)恰好是帶輪齒數(shù)的一半，即。
（12）額定功率的計算
（3.10）
查表可知同步帶的許用工作壓力，單位長度質(zhì)量。同步帶的額定功率為：
（13）計算作用在軸上力：
（3.11）
（14）同步帶的節(jié)線長度確定
在同步帶傳動中，兩個帶輪之間的中心距離需要選擇合適，如果帶輪中心距太小，
會直接造成齒和齒的正常嚙合。帶節(jié)線長度如表3-4所示。
帶接線長度表
如下所示節(jié)距Pb：帶齒齒廓線與齒根廓線之間的距離。
圖3.3 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表3-5梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
本設(shè)計中我們選用梯形帶。同步帶的尺寸如下：
表3-6同步帶尺寸
3.4導(dǎo)軌的計算與選型
3.4.1直線導(dǎo)軌的工作原理
導(dǎo)軌是滑塊運行時的軌道，滑塊安裝在導(dǎo)軌上作直線運動。直線導(dǎo)軌的應(yīng)用非常廣泛，例如在機床設(shè)備、精密自動化設(shè)備、各種動力傳輸、輸送線裝置、醫(yī)療和電子制造等領(lǐng)域。直線導(dǎo)軌的特性如下：
（1）直線導(dǎo)軌具有高的定位精度；
（2）裝配性能好，可互換，潤滑構(gòu)造簡單；
（3）摩擦小，降低了所需驅(qū)動力，且適用于高速運動；
（4）承載能力強，能承受多個方向帶來的負(fù)荷；
（5）滾動代替滑動；
（6）使用壽命長。
圖3.4導(dǎo)軌零件圖
3.4.2初選導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度
選型中：X方向運行機構(gòu)導(dǎo)軌型號為；
Y方向的運行機構(gòu)導(dǎo)軌型號為；
導(dǎo)軌長度受到加工及安裝因素影響，會影響到整個傳動機構(gòu)的運行精度。導(dǎo)軌長度其公式為：
L=H+S+△l-S1-S2 （3.12）
其中：
導(dǎo)軌的總長度；
滑塊滑動的行程；
滑塊的導(dǎo)向面上的長度；
封閉的高度調(diào)節(jié)量；
滑塊滑至最高點時導(dǎo)軌露出的長度；
滑塊滑至最低點時導(dǎo)軌露出的長度。
計算得軸上的導(dǎo)軌長度為：Lx=1530mm。
3.4.3導(dǎo)軌副距離額定壽命
X方向上選用的導(dǎo)軌型號是，所以導(dǎo)軌額定動載荷為，額定靜載荷為 ；
機械手最大重量為:
滑塊的載荷計算：
（1）導(dǎo)軌行程額定壽命為：
（3.13）
以上：
額定壽命；
硬度系數(shù)；導(dǎo)軌硬度不得低于，可取fh =1；
導(dǎo)軌硬度值；
—導(dǎo)軌額定動載荷；
當(dāng)量動載荷；
滑塊所受最大載荷；
滑塊數(shù)量，這里為Z=4；
指數(shù)，導(dǎo)軌體為滾珠時；為滾柱時；
額定壽命單位，滾珠時K=50KM；
硬度系數(shù)；
根究產(chǎn)品的要求規(guī)定，滾道的硬度不小于58HRC，故通常可取fh =1
溫度系數(shù)，查表,得
表3-7 溫度系數(shù)
工作溫度
接觸系數(shù)，查表；得
表3-8 接觸系數(shù)
精度系數(shù)，查表；取
表3-9 精度系數(shù)
載荷系數(shù)，查表；得
表3-10載荷系數(shù)
有：
（2）壽命時間的計算：
（3.14）
有： —壽命時間；
額定壽命。
行程長度；
—每分鐘往返次數(shù)。
則：
工作的情況：機械手的工作時間每天6小時，每年使用300天，則預(yù)計壽命年限為：
同樣可計算出Y方向滾動導(dǎo)軌副額定壽命為：
3.4.4導(dǎo)軌的技術(shù)要求
刮研導(dǎo)軌：為了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要對導(dǎo)軌的表面進行刮研，最終是為了提高導(dǎo)軌接觸性、存油等。如表3-11：
表3-11磨削導(dǎo)軌的表面粗糙度
4 機械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機構(gòu)設(shè)計
4.1 立柱機構(gòu)方案設(shè)計
在圖4.1中所示，機械手臂沿立柱（Z軸）方向的上下移動是采用同步電機經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅(qū)動絲杠與螺母機構(gòu)，實現(xiàn)其手臂的升降運動。機械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運動，利用回動氣缸實現(xiàn)。
圖4.1 立柱機構(gòu)三維
立柱下部通過四個支座安裝在X軸機架上的直線導(dǎo)軌上，通過絲杠的形式與螺母機構(gòu)相連接，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為機械臂的直線上下運動。本章對絲杠、螺母副機構(gòu)進行設(shè)計計算。
圖4.2 立柱機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖
4.2 絲杠機構(gòu)的設(shè)計計算
4.2.1絲桿機構(gòu)傳動特點
在設(shè)計中，絲杠機構(gòu)是機械手的重要部件，通過螺紋驅(qū)動，實現(xiàn)機械臂的升降功能。選用絲杠機構(gòu)，因為它具有結(jié)構(gòu)緊湊，高精度性等優(yōu)點。
根據(jù)螺釘和螺母的運動方式，絲杠傳動可分為以下幾種：
（1）螺母是活動的，螺母被絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動著在絲杠上移動，如圖（a）所示；
（2）螺母旋轉(zhuǎn)帶動著螺桿作直線運動，如圖（b）所示；
（3）螺母沿直線運動，由于絲杠固定，所以兩端支撐結(jié)構(gòu)較簡單，但精度不高。如圖（c）所示；
（4）螺桿旋轉(zhuǎn)把螺母帶著直線運動。適合長時間工作的絲杠。如圖（d）所示。
(a) (b)
（c） （d）
圖4.3 螺桿傳動的方式
本次設(shè)計的螺栓裝配機械手是采用了上圖（a）的運動方式，螺母固定不動。
4.2.2螺旋傳動的設(shè)計和選材
螺桿傳動時支撐的結(jié)構(gòu)會受剛度影響。當(dāng)螺桿的形狀短粗，且垂直布置時，力傳遞的提升和螺桿、螺母可作為支撐結(jié)構(gòu)用。當(dāng)螺桿的形狀細長且水平布置時，應(yīng)在螺桿的中間部位加上支撐點，這樣可以提高螺桿的剛性。絲杠和螺母的材料要求有高耐磨性、高強度性，也需要具有良好的切削性、便于制造。
表4.1 絲杠與螺母常用的材料
4.2.3絲杠的受力計算與尺寸確定
（1）直徑確定
保證螺母受到的力均勻，螺母螺紋通常的工作圈數(shù)取Φ=1.2~2.5，本文取Φ=2。螺桿材料用 45 鋼，螺母材料為青銅。
根據(jù)公式：
（4.1）
上式中：
；
許用應(yīng)力為，取。
代入計算得：;
梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)，所以螺紋公稱直徑為，螺距，升角y為3.87°，當(dāng)量摩擦角為5.91°。
（2）螺桿強度計算
運用第四強度理論公式計算危險截面的應(yīng)力：
（4.2）
扭矩：
（4.3）
y—螺紋中徑處升角；
—當(dāng)量摩擦角；
45鋼的屈服強度，安全系數(shù)，取3。
（4.4）
故有：
上述參數(shù)滿足要求。
（3）計算臨界載荷：
查手冊表1-6，E取200GP。
I== （4.5）
因此：
FC= （4.6）
（4）自鎖性驗算
自鎖條件是
式中：為螺紋中徑處升角；
為當(dāng)量摩擦系數(shù)： （4.7）
—螺紋工作面的牙形斜角；
—當(dāng)量摩擦角。
查表得（取起動時計算用最大值）
故
所以自鎖性可保證。
表4-2 螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fV
4.2.4絲杠螺母螺紋牙強度
絲杠傳動機構(gòu)中，螺母零件的強度較低，而螺紋牙的失效形式主要是剪切和擠壓破壞，只需要對螺母螺紋牙的強度進行校核。
圖4.4 絲桿螺母
螺紋牙的計算如下：
螺紋牙危險截面的剪切強度： ；
螺紋牙危險截面的彎曲強度： 。
牙根的厚度，且
螺紋大徑；
彎曲力,
梯形螺紋：，
4.2.5軸承的選型
選擇軸承需要考慮以下幾個因素：
（1）允許空間；
（2）載荷大小和方向；
（3）軸承工作時的轉(zhuǎn)速；
（4）軸承旋轉(zhuǎn)時精度；
（5）軸承的剛性；
（6）軸承的軸向游動。
本設(shè)計選用深溝球軸承，型號為。
查得軸承的額定動載荷是以、可靠度為為依據(jù)的。
軸承基本額定壽命L10為：
Cε×1=Pε×L10 L10=(C/P)ε??106r
軸承工作轉(zhuǎn)速為，可求出額定壽命：
（4.8）
應(yīng)取， 是軸承的預(yù)期使用壽命。
軸承的當(dāng)量動載荷 和預(yù)期使用壽命 ，可求出額定動載荷 ，它與所用的軸承型號的 值滿足：
（4.9）
故所選軸承滿足要求。
4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計
4.3.1 手臂機構(gòu)的方案設(shè)計
手臂是在具有負(fù)載和速度下移動的。在設(shè)計中，遵循以下原則：
（1）關(guān)節(jié)軸需要相互平行。
（2）機械臂選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合機械手運動空間的要求。
（3）機械臂結(jié)構(gòu)和材料的重量應(yīng)盡量最小，選擇輕質(zhì)的材料，這樣可以提高機械手的精度
（4）機械手的機械臂要盡量的平衡重量。
（5）機械臂需要具備具有緩沖能力的接頭限位開關(guān)和機械限位塊。結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。
圖4.5 手臂三維圖
回轉(zhuǎn)氣缸和導(dǎo)向頭的進排氣通道固定不動，但是缸體可以相對轉(zhuǎn)動。由氣缸蓋、缸體、活塞和活塞桿組成回轉(zhuǎn)氣缸。當(dāng)回轉(zhuǎn)氣缸運動時，外力驅(qū)動氣缸體、氣缸蓋和導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)動，而活塞和活塞桿只能用于往返直線運動。
圖4.6 回轉(zhuǎn)氣缸
機械臂上的手爪對螺栓進行裝配的動作，即機械手先夾緊需要裝配的螺栓，機械臂經(jīng)過一系列運動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時，機械手爪在把螺栓松開，然后機械臂在進行下一個循環(huán)動作。這一系列的工作過程中，機械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機驅(qū)動。
圖4.7 機械手臂結(jié)構(gòu)圖
4.3.2手臂旋轉(zhuǎn)氣缸的計算與選型
手臂繞立柱上部的銷軸轉(zhuǎn)動，這里考慮計算旋轉(zhuǎn)力矩與慣性力矩作用，需要保證力矩的平衡，按如下公式計算：
得 ； （4.10）
整理得： （4.11）
運動件的總重力；
重心到支撐點的距離
支撐點到重心的長度;
當(dāng)量摩擦系數(shù)。
導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算
手臂慣性力的計算：
本設(shè)計要求手臂平動是，設(shè)啟動時間，啟動速度V=V=，
氣壓缸的工作壓力小于，采用型密封圈，。
密封的摩擦阻力為：
計算出氣壓缸的驅(qū)動力：
5 手腕及手爪設(shè)計
5.1 腕部的設(shè)計要求
（1） 腕部的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；
（2） 結(jié)構(gòu)考慮合理布局；
（3） 必須考慮工作條件。
5.2 腕部的結(jié)構(gòu)
（1） 自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定。
（2） 齒條活塞驅(qū)動式的腕部結(jié)構(gòu)。
（3） 自由度為2的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計中手腕的回轉(zhuǎn)角度是，腕部結(jié)構(gòu)可以選擇為自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。
5.3 腕部的計算
機械手可抓取的重物最大為，手腕可以回轉(zhuǎn)。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。
5.3.1 腕部的驅(qū)動力矩計算
計算力矩：
（1） 液壓缸轉(zhuǎn)動件近似一個圓柱，它的高為，直徑
摩擦力矩。
當(dāng)電機啟動時腕部轉(zhuǎn)過的角度為，等于。
（5.1）
轉(zhuǎn)動慣量：
代入數(shù)值得：
5.3.2 腕部驅(qū)動力的計算
表液壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）
設(shè)定腕部部分尺寸：根據(jù)表設(shè)缸體內(nèi)空半徑，外徑依表選澤，這是液壓缸壁最小厚度，其外徑為；動片寬度,輸出軸
.如圖5-1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：
，選擇8Mpa
圖5.1 腕部液壓缸的剖截面圖
表 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）
5.3.3 液壓缸蓋的螺釘設(shè)計
表 t與P之間的關(guān)系
缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，在螺釘?shù)倪B接中，每個螺釘承受的拉力應(yīng)為：
（5.2）
因此：
液壓缸,所以螺釘,試選擇8個螺釘，，所以螺釘數(shù)目選擇合適 Z=8
危險截面
有：
(5.3)
所以
螺釘?shù)牟牧峡梢赃x擇，（）
直徑： （5.4）
因此直徑d=16mm.
設(shè)計中選擇了自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。對腕部回轉(zhuǎn)力與回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆竭M行了計算。
5.4手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求
目前，根據(jù)工件的形狀及要求，工業(yè)中選用的手部機構(gòu)有多種，最常用的有爪型和吸氣型。選用不同的手機構(gòu)，夾緊力的大小也是不同的。
通過立柱與懸臂之間銷軸的連接作用，手臂末端的手爪要求先夾緊螺栓，在繞手腕關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)，如圖5.3所示，腕關(guān)節(jié)通過獨立電機驅(qū)動，繞組自身軸線旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺栓的擰緊。
圖5.2 手結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計中機械手夾持的最大重量是250N,首先確定手爪夾取螺栓的尺寸是M10-M40，機械手爪可旋轉(zhuǎn)360度。
根據(jù)上述中對機械手的要求，選用的是四桿機構(gòu)，如圖5.3所示。
圖5.3 機械手的三維結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)本次設(shè)計要求，以下圖5.4是螺栓裝配機械手的三維圖。
圖5.4 螺栓裝配機械手三維
6.結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計可能是我們大學(xué)生活的最后一次作業(yè)，本著一絲不茍的精神態(tài)度來完成了此次的設(shè)計。
設(shè)計中首先對機械手的定義，發(fā)展及它的應(yīng)用，并對機械手的主要結(jié)構(gòu)組成及特點進行介紹。螺栓裝配機械手作為工業(yè)機械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了螺栓的裝配及其部件的組裝。根據(jù)任務(wù)書的要求我設(shè)計一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定了設(shè)計中機械手采用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，確定為4自由度，機械手的驅(qū)動方式采用步進電機與同步帶驅(qū)動，采用絲杠機構(gòu)實現(xiàn)其移動及升降運動，采用回轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)機械手臂的回轉(zhuǎn)運行，并對滑軌，機械手手爪執(zhí)行機構(gòu)等進行了設(shè)計選型。
本次設(shè)計過程中不僅僅是對螺栓裝配機械手的結(jié)構(gòu)進行了選型設(shè)計，還學(xué)到了很多新的知識，遇到了機械手其它方面的很多問題，在今后的工作學(xué)習(xí)中還得加以學(xué)習(xí)。通過平常在課堂中學(xué)到的CAD與SolidWorks的知識，讓我在這次的畢業(yè)設(shè)計畫圖模塊中得以應(yīng)用。還讓自己悟到了需要加強這些軟件的練習(xí)。在計算選型時，由于對公式的不熟悉造成了很大的困擾，我借助互聯(lián)網(wǎng)與圖書館的資源查閱了大量相關(guān)機械手的資料，并得到老師的指導(dǎo)與建議，再結(jié)合自己大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識和同學(xué)的幫助使自己完成了本次設(shè)計。
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致謝
時間過得飛快，隨著本次畢業(yè)設(shè)計的完成，大學(xué)生活即將畫下一個完整的句號。首先，感謝我的指導(dǎo)老師向我伸出援助之手，他是大連大學(xué)機械工程學(xué)院王建維老師，王建維老師在我遇到問題的時候總是耐心的為我講。，從這次畢業(yè)設(shè)計的選題到題目的確定，再到中期進度的逐步修改，最后到格式的調(diào)整及論文的完善，每個環(huán)節(jié)中王老師對我的監(jiān)督及指導(dǎo)都費盡心思。做出了指導(dǎo)性的意見和推薦。其次，感謝室友及同學(xué)，在老師忙于自己事情的時候總是同學(xué)及舍友第一時間給我?guī)椭?。給我提供素材及相關(guān)資料。是他們陪伴我度過了大學(xué)四年的美好生活，與他們相處的每時每刻都讓我印象深刻；是他們給予了我克服困難的勇氣和信心；最后，感謝父母對我生活的照顧及學(xué)業(yè)生涯的支持，感謝他們無私的奉獻成就了今天的我。
畢業(yè)設(shè)計是對我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)收獲的檢驗，也是一次給予我們獨立學(xué)習(xí)的機會，通過設(shè)計也能夠改變我們生活中的壞習(xí)慣。使我們能夠合理運用所學(xué)知識解決問題，合理安排時間進度等。從一開始的選題，開題報告，文獻的收集，到后來的說明書編寫等都經(jīng)過合理的安排。通過本次的畢業(yè)設(shè)計，強化了我獨立學(xué)習(xí)的能力與自主創(chuàng)新的意識，讓我在今后的工作和學(xué)習(xí)中對知識的渴望充滿熱情！
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