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機(jī)械手手臂前后伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 工作內(nèi)容與基本要求 目標(biāo) 任務(wù) 途徑 方法 應(yīng)掌握的 原始資料 數(shù)據(jù) 參考資料 文獻(xiàn) 以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求 注意事項(xiàng)等 紙張 不夠可加頁 一 設(shè)計(jì)技術(shù)要求 原始資料 數(shù)據(jù) 參考資料 文獻(xiàn) 通過實(shí)習(xí)調(diào)研搜集資料 運(yùn)用所學(xué)知識(shí) 借助 AutoCAD 軟件 對(duì)整機(jī)主體 結(jié)構(gòu) 傳動(dòng)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算 要求設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊 主要參數(shù) 臂力 10 公斤 手臂前后伸縮行程 600mm 速度 1000mm s 手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度 240 角速度 90 s 手臂上下升降行程 150mm 速度 500mm s 小臂伸縮行程 300mm 速度 1000mm s 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度 180 角速度 150 s 手臂最大工作半徑 1460mm 二 設(shè)計(jì)目標(biāo)與任務(wù) 1 查閱文獻(xiàn)資料 12 種以上 外文資料不少于兩種 寫出 3000 字以上文獻(xiàn)綜 述 單獨(dú)裝訂成冊(cè) 2 完成總體方案設(shè)計(jì) 3 選擇并論證設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案 整機(jī)結(jié)構(gòu)草圖 完成主要零部件的強(qiáng)度校核計(jì) 算等 4 用 AutoCAD 等軟件繪制裝配圖 部裝圖 主要零部件圖 5 編寫摘要 英中文完全對(duì)照 中文不少于 300 字 6 編寫設(shè)計(jì)說明書 不少于 8000 字符 備注 用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 不要用液壓或者氣壓設(shè)計(jì) 上邊參 數(shù)中可能有些沒用 只設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂前后伸縮部分就行 完成時(shí)間 2016 年 3 月 15 日之前 I 摘 要 機(jī)械手 Mechanical Hand 多數(shù)是指附屬于主機(jī) 程序固定的自動(dòng)抓取 操作裝置 如自動(dòng)線 自動(dòng)線的上 下料 加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置 實(shí) 現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)方式 達(dá)到了減少勞動(dòng)力 節(jié)約費(fèi)用 提高工作效率 增加企業(yè)經(jīng) 濟(jì)效益之目的 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手手臂前后伸縮機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī) 絲杠螺母副 導(dǎo)桿 手臂 連 接板等構(gòu)成 設(shè)計(jì)過程中 首先 調(diào)查了機(jī)械手研究現(xiàn)況 在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)技 術(shù)要求選定了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及伸縮機(jī)構(gòu)方案 接著 根據(jù)選定的結(jié)構(gòu)方案對(duì)各主要零部 件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核 最后 通過 AutoCAD 繪圖軟件繪制了該機(jī)械手手臂前后伸縮 機(jī)構(gòu)的裝配圖及主要零部件圖 通過本次設(shè)計(jì) 鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí) 如 機(jī)械原理 機(jī)械設(shè)計(jì) 材料力 學(xué) 公差與互換性理論 機(jī)械制圖等 掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練 使用 AutoCAD 軟件 本次機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)代表了設(shè)計(jì)的一般過程 對(duì)今后的設(shè)計(jì)工 作有一定的參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 機(jī)械手 手臂 伸縮 設(shè)計(jì) II Abstract Robot mechanical hand most of the refers to attach belongs to the host program fixed automatic crawl operation device such as automatic assembly line automatic line cutting machining center automatically change knife automatic device The realization of automatic production to reduce labor save costs improve work efficiency increase the economic efficiency of the purpose of the enterprise In this paper the manipulator and the front and back telescopic mechanism of the manipulator is composed of a motor a lead screw nut pair a guide rod an arm a connecting plate and the like In the design process firstly to investigate the status of the research of manipulator based on the driving mechanism and the telescopic mechanism scheme is selected according to design requirements then based on the selected structure of the main parts were designed and checked Finally through the AutoCAD drawing software drawn before and after the manipulator arm telescopic mechanism assembly and major parts of the map Through the design the consolidation of the University of the professional knowledge such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerance and interchangeability theories mechanical drawing and master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD software the design of the mechanical arm represents the general process of design have certain reference value for the design work in the future Key words manipulator arm expansion design III 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 3 2 1 設(shè)計(jì)要求 3 2 2 方案設(shè)計(jì) 3 2 2 1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 2 2 2 伸縮機(jī)構(gòu) 3 2 2 3 總體方案 4 第 3 章 設(shè)計(jì)計(jì)算 5 3 1 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 5 3 1 1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 5 3 1 2 手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算 6 3 1 3 手臂慣性力的計(jì)算 6 3 2 電機(jī)的選擇 7 3 2 1 扭矩的計(jì)算 7 3 2 2 啟動(dòng)矩頻特性校核 8 3 3 絲杠螺母的選擇與計(jì)算 8 3 3 1 絲杠螺母副支承方式選擇 8 3 3 2 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 9 3 3 3 強(qiáng)度計(jì)算 10 3 3 4 螺母選擇 12 3 4 聯(lián)軸器的選用 12 3 5 軸承及鍵的選用與校核 13 3 5 1 軸承 13 IV 3 5 2 鍵 13 3 6 手臂設(shè)計(jì)與校核 14 3 6 1 導(dǎo)向裝置 14 3 6 2 平衡裝置 14 3 6 3 尺寸設(shè)計(jì) 14 3 6 4 尺寸校核 15 結(jié) 論 16 參考文獻(xiàn) 17 致 謝 18 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 1 1 研究背景及意義 機(jī)械手具有許多人類無法比擬的優(yōu)點(diǎn) 滿足了社會(huì)化大生產(chǎn)的需要 其主要優(yōu) 點(diǎn)如下 1 能代替人從事危險(xiǎn) 有害的操作 只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì) 選擇 適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu) 機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫 異常壓力和有害氣體 粉塵 放射線作用下 以及沖壓 滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作 2 能長時(shí)間工作 不怕疲勞 可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來 并能 擴(kuò)大和延伸人的功能 3 動(dòng)作準(zhǔn)確 因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量 同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò) 誤 4 機(jī)械手特別是通用機(jī)械手的通用性 靈活性好 能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的 不斷變化 以滿足柔性生產(chǎn)的需要 5 機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本 由于機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用 世界各國都很重 視機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展 機(jī)械手的應(yīng)用在我過還屬于起步階段 就顯示出了許多的 無法替代的優(yōu)點(diǎn) 展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景 近十幾年來 機(jī)械手的開發(fā)不僅越來越 優(yōu)化 而且涵蓋了許多領(lǐng)域 應(yīng)用的范疇十分廣闊 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械手 Industral Robot 簡稱 IR 是 1960 年由 美國金屬市場(chǎng) 報(bào)首先使用的 但這個(gè)概念是由美國 George C Pevol 在 1954 年申請(qǐng)的專利 程序控制物料傳送裝 置 時(shí)提出來的 在這專利中所記述的機(jī)械手 以現(xiàn)在的眼光來看 就是示教再現(xiàn) 機(jī)器人 根據(jù)這一專利 Devol 與美國 Consolide Control Corp 合作 于 1959 年研制 成功采用數(shù)字控制程序自動(dòng)化裝置的原型機(jī) 隨后 美國的 Unimation 公司和美國的機(jī)械鑄造 AMF 公司于 1962 年分別制造 了實(shí)用的一號(hào)機(jī) 并分別取名為 Unimate 和 Ver satran Unimate 機(jī)器人外形類似坦 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 克炮塔 采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 而 Versatran 機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 在歐洲第一臺(tái)機(jī)械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司發(fā)表的第一臺(tái)操作機(jī) 日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機(jī)器手 并從其他各國引進(jìn)了 用于不同生產(chǎn)過程的機(jī)器人 并獲得迅速 很快研制出日本國產(chǎn)華的機(jī)械手 技術(shù) 水平很快趕上了美國并超過了其它國家 目前機(jī)械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快 得到普及 我國雖然開始研制機(jī)械手僅比日本晚 5 6 年 但由于種種原因 機(jī)械手的技術(shù) 發(fā)展比較慢 但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注 除了引進(jìn) 消化 仿制外 已 經(jīng)具備了一定的獨(dú)立設(shè)計(jì)和研制能力 在 1958 年維吾爾自治區(qū)成立 30 年大慶 站展覽館展出了由機(jī)械局研制的跳舞機(jī)器人 阿依古麗 在 1986 年地十六屆 廣交會(huì)上 成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人機(jī)器人 成蓉小姐 已經(jīng)用漢語或 英語向來賓問好 并能簡要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡單問話 西北電訊工程學(xué)院 研制的微機(jī)控制示教再現(xiàn)式機(jī)器人 西電 I 號(hào) 也于 1985 年 9 月在陜西省科技貿(mào) 易大會(huì)上進(jìn)行了表演 此外 清華大學(xué)自動(dòng)化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng) 北京鋼 鐵學(xué)院研制的焊接機(jī)器人 均已達(dá)到了較高的水平 近幾年來的成就表明 我國機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步 相信在不久的 將來 我們一定回趕上世界各國前進(jìn)的步伐 2 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂前后伸縮機(jī)構(gòu) 其中機(jī)械手參數(shù)要求如下 1 臂力 10 公斤 2 手臂前后伸縮行程 600mm 速度 1000mm s 3 手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度 240 角速度 90 s 4 手臂上下升降行程 150mm 速度 500mm s 5 小臂伸縮行程 300mm 速度 1000mm s 6 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度 180 角速度 150 s 7 手臂最大工作半徑 1460mm 2 2 方案設(shè)計(jì) 2 2 1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng) 液動(dòng) 電動(dòng)和機(jī)械式四種形式 氣動(dòng)式速度快 結(jié)構(gòu)簡單 成本低 采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí) 有較高的重復(fù)定位精度 但臂力一般在 300N 以 下 液動(dòng)式的出力大 臂力可達(dá) 1000N 以上 且可用電液伺服機(jī)構(gòu) 可實(shí)現(xiàn)連續(xù) 控制 使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣 定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi) 目前常 用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)式用于小型 機(jī)械式只用于動(dòng)作簡單的場(chǎng)合 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 本次采用電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2 2 2 伸縮機(jī)構(gòu) 常用的平移伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種 1 齒輪齒條傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一 形式很多 應(yīng)用廣泛 傳遞率可達(dá) 到數(shù)十萬千瓦 圓周速度可達(dá) 200m s 有以下特點(diǎn) 1 效率高 2 結(jié)構(gòu)緊湊 3 工作可靠 4 傳動(dòng)比穩(wěn)定 但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高 價(jià)格較貴 且 不宜用于傳動(dòng)距離過大的場(chǎng)合 2 渦輪渦桿傳動(dòng) 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比大 結(jié)構(gòu)尺寸緊湊 但軸向力大 易發(fā)熱 效率低 3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 或者將滑塊的往復(fù)直線 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單 加工方便 易 于得到較高的制造精度等優(yōu)點(diǎn) 因而在包括煤礦機(jī)械在內(nèi)的各類機(jī)械中得到了廣泛 的應(yīng)用 如自動(dòng)送料機(jī)構(gòu) 沖床 內(nèi)燃機(jī)空氣壓縮機(jī)等 4 絲桿螺母副 梯形螺桿 螺母的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng) 梯形螺紋具有牙根強(qiáng)度高 工藝性好 螺紋 對(duì)中性好但主要缺點(diǎn)是效率低 滾珠絲杠螺母副是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng) 或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 的理想產(chǎn)品 它是傳統(tǒng)滑動(dòng)性絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展 滾珠絲杠螺母副因優(yōu)良的摩 擦特性 并且可以消除方向間隙并施加預(yù)載 高精度和高靈敏度使其廣泛的運(yùn)用于 各種工業(yè)設(shè)備 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 人們對(duì)滾珠絲杠副的要求也越來越高 為了使機(jī)械產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)高的定位精度且能平穩(wěn)運(yùn)行 要求滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 無爬行現(xiàn)象 傳動(dòng)精度高 綜上述分析 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手手臂前后伸縮機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠螺母副 2 2 3 總體方案 結(jié)合上述選定的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)方案得出本次機(jī)械手手臂前后伸縮機(jī)構(gòu)方 案如下 圖 2 1 手臂前后伸縮機(jī)構(gòu)方案 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 第 3 章 設(shè)計(jì)計(jì)算 3 1 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算 或類比同類結(jié)構(gòu) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要 尺寸 再進(jìn)行校核計(jì)算 修正設(shè)計(jì) 如此反復(fù) 繪出最終的結(jié)構(gòu) 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的絲桿螺母副的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)克服的摩擦 慣性等幾個(gè)方面 的阻力 來確定來確定絲桿螺母副所需要的驅(qū)動(dòng)力 絲桿螺母副的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為 FF 回摩 密 慣 3 1 1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置 兩導(dǎo)向桿受力均衡 可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算 0AM bGLaF總 得 b 總 0YbaGF 總 得 aL 總 ababFF 摩 摩摩 2LG 總摩 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力 含工件 N 總 L 手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離 m 參考上一節(jié)的計(jì)算 a 導(dǎo)向支撐的長度 m 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 當(dāng)量摩擦系數(shù) 其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān) 對(duì)于圓柱面 57 1 2 4 摩擦系數(shù) 對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí) 鋼對(duì)青銅 取 5 01 鋼對(duì)鑄鐵 取 3 8 計(jì)算 油缸桿的材料選擇鋼 導(dǎo)向套支撐選擇鋼 預(yù)估 3051 2 已知 L 800mm 導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計(jì)為 200mmN60 總G 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 600 1260N aLF2 總摩 206 3 3 1 2 手臂密封處的摩擦阻力的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同 在手臂設(shè)計(jì)中 采用 O 型密封圈 當(dāng)液壓缸工 作壓力小于 10Mpa 液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為 0 03F 封F 3 1 3 手臂慣性力的計(jì)算 0 1慣Ft vG 總 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零件的總重力 包括工件 N 總 從靜止加速到工作速度的變化量 m s v 啟動(dòng)時(shí)間 s 一般取 0 01 0 5 t 設(shè)啟動(dòng)時(shí)間為 0 2s 最大為 0 233m s 則 v 0 1 69 9N慣F 20 36 由于背壓阻力較小 可取 0 05回F 所以 1260 69 9 0 03F 0 05F摩 慣 封 回 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 求得 1446NF 所以手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力為 1446N 3 2 電機(jī)的選擇 根據(jù)該機(jī)械臂的參數(shù) 其動(dòng)力系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)定位精度高 速度調(diào)節(jié)方便快速 受環(huán)境影響小 且功率小 并且可用于開環(huán)系統(tǒng) 而 BF 系列伺服電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式 伺服電動(dòng)機(jī) 具備以上的所有條件 我們選用的型號(hào) 90BF004 的電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng) 的動(dòng)力源 選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟 3 2 1 扭矩的計(jì)算 伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩 伺服電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩maxjM 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系是 mpMajmxj 伺服電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng) 伺服電機(jī)所需空載 啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算 0Mkfakq 式中 空載啟動(dòng)力矩 kq 空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上a 的加速力矩 空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 kfM 由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 0 而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí) 應(yīng)滿足伺服電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于伺服電動(dòng)機(jī)名 義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 即 maxjpkqM 計(jì)算 的各項(xiàng)力矩如下 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 加速力矩 1 8 10 J2521 08 iMR 55108 256 mKg mrvnpb4036 1436maxax 0 519N m 2112ax 10642 8 0 tnJMkq 空載摩擦力矩 0 648 02 796 130 iLGfkf mN 附加摩擦力矩 1 2200 iFMYJ 92 01 48 mN 0 519 0 6 1 222 2 3410kfakq 0 951 25 23 775mxj mN 3 2 2 啟動(dòng)矩頻特性校核 伺服電機(jī)有三種工況 啟動(dòng) 快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 工進(jìn)運(yùn)行 前面提出的 僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是maxjqkM 否滿足要求 但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步 因此 還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校 核 伺服電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng) 突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大 啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的 因此很少見 而升速啟 動(dòng)過程中只要升速時(shí)間足夠長 啟動(dòng)過程緩慢 空載力矩 中的加速力矩 不kqMka 會(huì)很大 一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象 3 3 絲杠螺母的選擇與計(jì)算 3 3 1 絲杠螺母副支承方式選擇 絲杠螺母副就是由絲桿 螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu) 他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn) 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 設(shè)最大行程為 800mm 移動(dòng)部件大概質(zhì)量為 720Kg 表 3 1 絲杠螺母副支承 支承方式 簡圖 特點(diǎn) 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(shè)計(jì)時(shí)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(dòng) 需保證螺母與兩端支承同軸 故結(jié)構(gòu)較復(fù)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(chǎng)合 在受力較大時(shí)還得 增加角接觸球軸承的數(shù)量 轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用 更經(jīng)濟(jì)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(huì)受壓 不 存在壓桿穩(wěn)定問題 固有頻率比一端固定要 高 可以預(yù)拉伸 預(yù)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(duì)剛度和位移精度要 求較高的場(chǎng)合 3 3 2 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 滾珠絲杠副的導(dǎo)程按下式計(jì)算 maxnVPh 式中 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 hP Vmax 工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 i 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 maxnin r 由進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求知 Vmax 2 5 in 查閱 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 13 得 步進(jìn)電機(jī) 110BF003 的最高轉(zhuǎn)速 nmax 6000 min r 將數(shù)值代入上式 5 1 可得 Ph 10 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 故取 Ph S 10 m 3 3 3 強(qiáng)度計(jì)算 1 對(duì)于圓柱導(dǎo)桿的牽引力計(jì)算 Fm KFX f Fz 2FY G 取 K 1 4 f 0 2 考慮工作臺(tái)在移動(dòng)過程中只受 G 影響 故 F fG 0 2 30 9 8 58 8 1mN 考慮工作臺(tái)在加工時(shí)靜止只受 FX 影響 故 F KF 1 4 9 8 130 1783 6 2mX 故 Fm F F 58 8 1783 6 1842 412mNN 2 計(jì)算最大動(dòng)載荷 C 當(dāng)轉(zhuǎn)速 時(shí) 滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲 in0 r 勞點(diǎn)蝕 因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 其計(jì)算動(dòng)載荷 應(yīng)小于或等于滾珠絲杠螺母 NcC 副的額定動(dòng)載荷 即 reqHdcFfTC 3 式中 動(dòng)載荷系數(shù) df 硬度影響系數(shù) H 當(dāng)量動(dòng)載荷 eqFN 滾珠絲杠螺母副的額定動(dòng)載荷 r N 壽命 以 為一個(gè)單位 Tr610Tneq6610 式中 T 使用壽命 h N 循環(huán)次數(shù) 滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 eqnmin r 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 取 T 15000hmin67 4105 2max rsvneq 代入數(shù)據(jù)可得 351067 4 T 取 2 df 取 f 1 0H 當(dāng)工作載荷單調(diào)連續(xù)或周期性單調(diào)連續(xù)變化時(shí) 則 NFFmeq 67 12083 5617823322minax 式中 最大和最小工作載荷 i 所以 計(jì)算可得 KNCc 5 1067 280 1375 查閱 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 7 選取 GD3210 4 型滾珠絲杠副 所以剛度滿足要求 caKN 8 1 3 靜載強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速 時(shí) 滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大min0 r 塑性變形 影響正常工作 為此進(jìn)行靜載強(qiáng)度計(jì)算 最大計(jì)算靜載荷為 NFfHdoc 32 1406 78 12 ax 式中 硬度影響系數(shù) 查 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 7 可得 GD3210 4 型滾珠絲杠副額定靜載荷 所以滿足要求 滾珠絲杠螺母的主要參數(shù)如表 3 2 所示 ocoaFNC 60958 表 3 2 滾珠絲杠螺母副的主要參數(shù) 滾珠絲杠副型號(hào) GD3210 4 公稱直徑 320 dm 導(dǎo)程 1hP 鋼球直徑 95 wD 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 絲杠外徑 31 dm 螺紋底徑 9 24 額定動(dòng)載荷 NCa857 額定靜載荷 60 接觸剛度 mR34 3 3 4 螺母選擇 由于數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲杠副的剛度有較高要求 故選擇螺母時(shí)要注重其剛度的 保證 推薦按高剛度要求選擇預(yù)載的螺母型式 其中插管式外循環(huán)的端法蘭雙螺母 應(yīng)用最為廣泛 它適用重載荷傳動(dòng) 高速驅(qū)動(dòng)及精密定位系統(tǒng) 并在大導(dǎo)程 小導(dǎo) 程和多頭螺紋中具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) 且較為經(jīng)濟(jì) 滾珠的工作圈數(shù) i 和列數(shù) j 根據(jù)所要求性能 工作壽命 推薦按表 3 3 選取 表 3 3 要求特性 插管式 i j 滾珠循環(huán)流暢 1 5 2 1 5 3 2 5 1 剛性 2 5 2 2 5 3 法蘭形狀 按安裝空間由標(biāo)準(zhǔn)形狀選擇 亦可根據(jù)需要制成特殊法蘭形狀 導(dǎo)程精度選擇 根據(jù)機(jī)床定位精度 確定滾珠絲杠副導(dǎo)程的精度等級(jí) 一般情況下 推薦按下 式估算 E 0 25 0 6 TD 式中 E 累計(jì)代表導(dǎo)程偏差 m TD 機(jī)床有效行程的定位精度 m 3 4 聯(lián)軸器的選用 根據(jù)前面計(jì)算 軸最小直徑 取md9 14in d15 查機(jī)械手冊(cè) 根據(jù)軸徑和計(jì)算轉(zhuǎn)矩選用彈性柱銷聯(lián)軸器 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩計(jì)算 KTc 查表課本 14 1 K 1 3 則 mNTKAca 431 1024 5 啟動(dòng)載荷為名義載荷的 1 25 倍 則 TC 250 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件 查手冊(cè)選擇聯(lián)軸器型號(hào)為選用 HL1 J1 型 彈性柱銷聯(lián)軸器 其允許最大扭矩 T 63 許用最高轉(zhuǎn)速 n 5000 半聯(lián)軸器的孔徑 d 15 孔長度 l 30mm 半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度min r L1 32 3 5 軸承及鍵的選用與校核 3 5 1 軸承 1 按承載較大的滾動(dòng)軸承選擇其型號(hào) 因支承跨距不大 故采用兩端固定式軸 承組合方式 軸承類型選為深溝球軸承 軸承的預(yù)期壽命取為 L h 29200h 由上面的計(jì)算結(jié)果有軸承受的徑向力為 Fr1 340 43N 軸向力為 Fa1 159 90N 2 初步選擇深溝球軸承 6204 其基本額定動(dòng)載荷為 Cr 51 8KN 基本額定靜 載荷為 C0r 63 8KN 3 徑向當(dāng)量動(dòng)載荷 NFNVHr 43 06 187 543 2221211 r 8 5 9222 動(dòng)載荷為 查得 則有arYFP4 06 Nr 0139 156 3 由 式 13 5 得 a hrh LPCnL 104 53012 3985760601 6 滿足要求 3 5 2 鍵 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 1 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 選用單圓頭平鍵 尺寸為 mlhb286 2 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 鍵 軸材料都是鋼 由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 MPaP120 鍵的工作長度 bl25681 合適 PP MadlkT 165 0722131 3 6 手臂設(shè)計(jì)與校核 3 6 1 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí) 為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 以保證手 指的正確方向 并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用 以增加手臂的剛性 在設(shè)計(jì) 手臂結(jié)構(gòu)時(shí) 應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置 具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓 取物體重量等因素來確定 同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量 和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿 雙導(dǎo)向桿 四導(dǎo)向桿等 在本設(shè)計(jì)中才 用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 3 6 2 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中 為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài) 減少手抓一側(cè) 重力矩對(duì)性能的影響 故在手臂伸縮一側(cè)加裝平衡裝置 裝置內(nèi)加放砝碼 砝碼塊 的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié) 務(wù)求使兩端盡量接近 平衡 3 6 3 尺寸設(shè)計(jì) 長度設(shè)計(jì)為 內(nèi)徑為 半徑 R 105mm 軸徑 半徑mb120 mD210 mD402 運(yùn)行角速度 加速度時(shí)間 0 5s 壓強(qiáng) R20 s 9 t MPa 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 則力矩 2 rRpbM 5 02 15 04 6mN 3 6 4 尺寸校核 1 測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 分析部件的質(zhì)量分布情況 kg120 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上 那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 r21rmJ 2 10 6 mkg t JM 慣 108 596mN 考慮軸承 油封之間的摩擦力 設(shè)定一摩擦系數(shù) 2 0 k 慣摩 Mk mN 45 1082 總驅(qū)動(dòng)力矩 摩慣驅(qū) mN 413 508 M 驅(qū) 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 結(jié) 論 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)幾乎用到了我們大學(xué)所學(xué)的所有專業(yè)課程 可以說是我們大學(xué)所 學(xué)專業(yè)知識(shí)的一次綜合考察和評(píng)定 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 使我們對(duì)以前所學(xué)的專業(yè) 知識(shí)有了一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)與融會(huì)貫通 例如我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程當(dāng)中需要用到所學(xué)的工 程制圖 材料力學(xué) 機(jī)械工程材料 機(jī)械設(shè)計(jì) 極限配合與公差以及 CAD 計(jì)算機(jī)輔 助制圖等基礎(chǔ)的專業(yè)知識(shí) 在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中 不僅使我們熟悉了舊的的知識(shí) 點(diǎn) 還使我們發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的細(xì)節(jié)問題 而這些細(xì)節(jié)問題恰恰是決定我 們是否能夠成為一名合格的機(jī)械技術(shù)人才的關(guān)鍵所在 此外 我感覺兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)極大的豐富了我們的知識(shí)面 使我學(xué)到了許多 知識(shí) 不僅僅局限于多學(xué)的專業(yè)知識(shí) 在做設(shè)計(jì)的過程中 由于需要用到課本外的知 識(shí) 這要求我們上網(wǎng)或者到圖書館等查閱資料 例如在設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案時(shí)就需要我們 對(duì)提升裝置的工作環(huán)境和工作能力等由一定的了解才能選擇合適的傳動(dòng)方式 由于 以前沒有注意此方面的問題 所以必須通過實(shí)踐認(rèn)識(shí)和查閱資料才能做到更好 機(jī)械手手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 參考文獻(xiàn) 1 喬?hào)|凱 黃崇林 移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)分析 J 茂名學(xué)院學(xué)報(bào) 2003 13 3 2 張廣鵬 方英武 田忠強(qiáng) 工業(yè)機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)方案的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià) J 西安理工大 3 徐灝 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) M 第 5 卷 機(jī)械工業(yè)出版社 1992 4 吳宗澤 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) M 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 5 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè) M 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 年 6 羅洪量 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 M 第二版 高等教育出版社 1986 7 JJ 杰克 美 機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理 M 第一版 機(jī)械工業(yè)出版社 1985 8 王玉新 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué) M 第一版 天津大學(xué)出版社 1996 9 張建民 工業(yè)機(jī)器人 B M 北京理工大學(xué)出版社 1992 10 馬香峰 機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué) B M 機(jī)械工業(yè)出版社 1991 11 俄 IO M 索羅門采夫 工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè) B M 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我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于作完了 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中我尊敬 的老師們和我的同學(xué)給予了我很大的幫助 在此我深表感謝 沒有他們的幫助我很 難將這次畢業(yè)設(shè)計(jì)做好 我更加感謝的我的指導(dǎo) 在我的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都給予了 我很大的支持和幫助 在此 我對(duì)老師衷心的說一聲謝謝 我還要感謝院里的領(lǐng)導(dǎo) 因?yàn)槭撬麄優(yōu)槲姨峁┝诉@次機(jī)會(huì) 謝謝