高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手

高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手,高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手,高速公路,自動,發(fā)卡,機(jī)械手 XXX大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文） 題 目：高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手 指導(dǎo)教師__________________________ 輔導(dǎo)教師__________________________ 學(xué)生姓名__________________________ 學(xué)生學(xué)號__________________________ _______________________________院（部）____________________________專業(yè)________________班 2014 年_4_月 _25 日 摘要 本篇畢業(yè)設(shè)計的論文主要闡述的是高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的設(shè)計。該高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手該機(jī)械手從桌面拿取IC卡后，從收費亭窗戶遞出給司機(jī)，完成發(fā)卡過程。這種機(jī)械手應(yīng)有一定的柔性和適應(yīng)性，可以適應(yīng)高低不同的車輛，均能夠理想的傳遞IC卡。同時應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，體積小巧，成本較低的特性。首先通過分析該設(shè)備的工作原理，確定系統(tǒng)總體方案、確定高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的相關(guān)計算；其次就是高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制零件圖；最后整理資料，撰寫設(shè)計說明。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手、兩軸自動發(fā)卡、結(jié)構(gòu)設(shè)計 目錄 1 概述 6 1.1 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的目的和意義 6 1.2 國內(nèi)外研究概況 6 1.3 發(fā)展趨勢 7 2 課題研究的主要內(nèi)容及設(shè)計成果的應(yīng)用價值 7 2.1 本課題的主要研究內(nèi)容 7 2.2 設(shè)計成果的應(yīng)用價值 8 3 研究的方法與路線 8 3.1 研究的方法 8 3.2 研究的路線 8 4 高速公路兩軸自動發(fā)卡方案 9 4.1 兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手原理概述 9 4.2 電源 9 4.3 總體參數(shù) 10 4.4 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 10 4.4.1 絲杠 10 4.4.2 升降裝置 10 4.4.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 11 4.5 縱向平移機(jī)構(gòu)的設(shè)計 11 4.5.1 手部 11 4.5.2 傳動齒輪齒條 11 4.5.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 12 4.6 基座要求 12 4.7 總體方案圖繪制 13 5 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)計算 16 5.1 總體尺寸要求 16 5.2 動力參數(shù)的確定 16 5.3 絲杠的設(shè)計計算 20 5.3.1 絲杠材料的選擇 20 5.3.2 絲杠螺紋數(shù)據(jù)的初步設(shè)計與校核 20 5.3.3 絲杠配合螺母的參數(shù)選擇及校核 24 5.3.4 驅(qū)動絲杠的電動機(jī)的選擇 25 5.3.5 傳動軸材料 26 5.3.6 傳動軸轉(zhuǎn)速 27 5.3.7 傳動軸直徑 27 5.3.8 鍵的選擇 28 5.3.9 選定齒輪材料，類型，齒數(shù)及精度等級 29 5.3.10 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 29 5.3.11 計算大小齒輪的幾何尺寸參數(shù) 32 5.4 縱向平移裝置齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算 32 5.4.1 驅(qū)動縱向平移裝置傳動電動機(jī)的選擇 32 5.4.2 選定齒輪材料，類型，齒數(shù)及精度等級 35 5.4.3 齒條彎曲強(qiáng)度設(shè)計 35 5.4.4 計算齒輪及齒條的幾何尺寸參數(shù) 38 5.4.5 校核齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度 38 5.4.6 計算齒輪的幾何尺寸參數(shù) 40 5.4.7 齒條的設(shè)計計算 40 5.5 機(jī)械手夾尺寸計算 40 5.5.1 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計算 42 5.6 機(jī)架設(shè)計 43 5.6.1 地腳螺栓強(qiáng)度校核 43 6 設(shè)備的安裝 44 6.1 設(shè)備的安裝 44 6.2 設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng) 45 7 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 46 7.1 節(jié)能環(huán)保性分析 46 7.2 經(jīng)濟(jì)性分析 46 7.3 結(jié)束語 46 8 參考文獻(xiàn) 48 1 概述 1.1 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的目的和意義 目前大部分高速公路采用的是人工發(fā)卡的模式，每個車道24小時開通的話需要4名收費員輪班工作，人員成本較高，效率低下。因此通過本設(shè)計，很多公路業(yè)主寄希望于自助發(fā)卡方式解決人員問題。高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計是屬于交通系統(tǒng)的節(jié)省人力實現(xiàn)自動化的范疇，通過運(yùn)用機(jī)械和控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高速公路兩軸自動發(fā)卡。 1.2 國內(nèi)外研究概況 在一些地方已經(jīng)推廣普及一種無人值守的自助發(fā)卡機(jī)。發(fā)卡機(jī)由在司機(jī)按鍵后，發(fā)出一張IC卡。司機(jī)自行取卡后通行。該方式有效改善了人員緊缺或成本較高的問題，成為高速公路收費系統(tǒng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變的一個方向。但是經(jīng)過近幾年的發(fā)展，人們也發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備屬于被動式出卡，無法完全模擬原來人工主動遞出IC卡的動作。其缺點在于一方面不便于司機(jī)順利取卡，影響通行速度。另外，由于要兼顧高低不同的車輛順利取卡，發(fā)卡機(jī)不得不設(shè)置多套發(fā)卡裝置，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高。 目前，在國內(nèi)外高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀如下：A.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 B．控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．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、兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 總的來說，大體是兩個方向：其一是智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與高速路實際情況相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用控制器，市場化、模塊化的元件。 1.3 發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，焊煙凈化器技術(shù)呈快速發(fā)展之勢，焊煙凈化器呈以下發(fā)展趨勢： 1、可靈活移動于廠房的任意位置，不受發(fā)塵點和崗位不固定的約束。 2、設(shè)備配有萬向腳輪，方便設(shè)備的定位和移動。 3、無與倫比的處理效率，在額定處理風(fēng)量下，煙塵去除率≥99%，處理后排出的潔凈空氣可以直接在車間內(nèi)循環(huán)排放。 4、采用PTFE覆膜濾材，精度高，凈化效率高，耗材成本低，無需頻繁更換，節(jié)約環(huán)保。 5、設(shè)備內(nèi)置自動脈沖清灰裝置，保持設(shè)備恒定的吸風(fēng)量，和恒定的凈化能力。 6、設(shè)備特殊設(shè)計的控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定，配有高壓漏電保護(hù)。 7、使用柔性吸氣臂，可懸停于三維空間的任意位置，360度輕松靈活到達(dá)任意方位發(fā)塵點。 9、經(jīng)特殊減震降噪處理，保證了設(shè)備的噪音環(huán)保。 10、設(shè)備操作簡單，容易清理維護(hù)。 11、可將污染源進(jìn)行移動式單機(jī)處理或多工位系統(tǒng)式集中處理。 2 課題研究的主要內(nèi)容及設(shè)計成果的應(yīng)用價值 2.1 本課題的主要研究內(nèi)容 1. 分析當(dāng)前高速公路收費系統(tǒng)的具體模式及各自優(yōu)缺點； 2. 查閱文獻(xiàn)了解多軸機(jī)械手在相近行業(yè)的的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析機(jī)械手在高速公路收費系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。 3. 提出將機(jī)械手用于高速公路收費系統(tǒng)中發(fā)卡環(huán)節(jié)的總體思路和方案，畫出總體構(gòu)思圖。 4. 設(shè)計發(fā)卡用兩軸機(jī)械手，并能夠?qū)崿F(xiàn)折疊、取卡、伸出及上下延伸等動作； 5．完成設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性分析。 2.2 設(shè)計成果的應(yīng)用價值 本課題將設(shè)計一種新型發(fā)卡機(jī)械手，模擬人工發(fā)卡過程。該機(jī)械手從桌面拿取IC卡后，從收費亭窗戶遞出給司機(jī)，完成發(fā)卡過程。這種機(jī)械手應(yīng)有一定的柔性和適應(yīng)性，可以適應(yīng)高低不同的車輛，均能夠理想的傳遞IC卡。同時應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，體積小巧，成本較低的特性。 本課題擬采用兩軸機(jī)械手的形式實現(xiàn)，其功能上能夠?qū)崿F(xiàn)折疊、取卡、伸出以及上下延伸等動作，更好滿足各種車輛取卡需要。 3 研究的方法與路線 3.1 研究的方法 （1）文獻(xiàn)研究法，系統(tǒng)地查閱指定的物流搬運(yùn)技術(shù)方面相關(guān)的文獻(xiàn)，做出相應(yīng)的學(xué)習(xí)心得，得出一般性結(jié)論并發(fā)現(xiàn)問題，尋找新思路； （2）統(tǒng)計分析研究法，學(xué)習(xí)兩軸自動發(fā)卡和機(jī)電一體化技術(shù)方面的有關(guān)課程知識，通過處理、分析、研究，找出研究對象的特征； （3）實驗法研究，通過三維模擬研究來證明； （4）行動研究法，理論與實踐相結(jié)合，從實踐中獲得成功。 3.2 研究的路線 隨著無人值守發(fā)卡機(jī)以下簡稱發(fā)卡機(jī)在高速公路收費系統(tǒng)中運(yùn)用的逐漸增多,對發(fā)卡機(jī)功能的完善成為當(dāng)前最迫切需要解決的問題,本文介紹的帶廢卡回收功能的發(fā)卡機(jī)構(gòu)就是針對用戶的需要來設(shè)計的。由于目前全國的高速公路應(yīng)用無人守發(fā)卡機(jī)的業(yè)主寥若晨星且都是短區(qū)間內(nèi)使用并未全線鋪開,在線使用的無人值守發(fā)卡機(jī)也只是試用產(chǎn)品功能上不能完全滿足收費系統(tǒng)的需要帶廢卡回收功能的發(fā)卡機(jī)構(gòu)就是解決用戶在發(fā)卡機(jī)試用中出現(xiàn)廢卡無法處理, 只能人工干預(yù)取出廢卡這一問題的具體方案。高速公路收費系統(tǒng)在入口為上路司機(jī)發(fā)放記錄有入口信息的IC卡，出口交回并讀取信息后，系統(tǒng)根據(jù)出入口信息計算費額后收取通行費。目前大部分高速公路采用的是人工發(fā)卡的模式，每個車道24小時開通的話需要4名收費員輪班工作，人員成本較高，效率低下。因此很多公路業(yè)主寄希望于自助發(fā)卡方式解決人員問題。 在一些地方已經(jīng)推廣普及一種無人值守的自助發(fā)卡機(jī)。發(fā)卡機(jī)由在司機(jī)按鍵后，發(fā)出一張IC卡。司機(jī)自行取卡后通行。該方式有效改善了人員緊缺或成本較高的問題，成為高速公路收費系統(tǒng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變的一個方向。但是經(jīng)過近幾年的發(fā)展，人們也發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備屬于被動式出卡，無法完全模擬原來人工主動遞出IC卡的動作。其缺點在于一方面不便于司機(jī)順利取卡，影響通行速度。另外，由于要兼顧高低不同的車輛順利取卡，發(fā)卡機(jī)不得不設(shè)置多套發(fā)卡裝置，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高。 本課題擬采用兩軸機(jī)械手的形式實現(xiàn)，其功能上能夠?qū)崿F(xiàn)折疊、取卡、伸出以及上下延伸等動作，更好滿足各種車輛取卡需要。 4 高速公路兩軸自動發(fā)卡方案 4.1 兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手原理概述 本課題將設(shè)計一種新型發(fā)卡機(jī)械手，模擬人工發(fā)卡過程。該機(jī)械手從桌面拿取IC卡后，從收費亭窗戶遞出給司機(jī)，完成發(fā)卡過程。這種機(jī)械手應(yīng)有一定的柔性和適應(yīng)性，可以適應(yīng)高低不同的車輛，均能夠理想的傳遞IC卡。同時應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，體積小巧，成本較低的特性。 該高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)式，其臂部的運(yùn)動由一個直線運(yùn)動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即其功能上能夠?qū)崿F(xiàn)做一個能橫向平動，縱向平動兩個軸，然后縱向底端加上能轉(zhuǎn)動的手夾。這種形式的機(jī)械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，其結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，中心處的誤差也不大。 4.2 電源 電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響電機(jī)、控制元件和電腦等的工作性能和使用壽命。 電源涉及到電壓和頻率，各國的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，電頻率歐洲為60Hz，中國為50Hz；電壓的選取則要根據(jù)實際情況的需要，主要是電纜能承受的范圍內(nèi)選取，一般情況下，功率不大，都選取AC220V作為動力電源，根據(jù)機(jī)構(gòu)的特點，本篇中高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的電機(jī)采用常用的3相交流電壓AC220V，50Hz的電制。 4.3 總體參數(shù) 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手有幾大部件：1、電機(jī)，2、縱向移動架，3、手臂，4、橫向移動架，5、基座，本篇論文的高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手有如下參數(shù)： 工作范圍 0-2000mm 體積： 不大于2m×1.5m （直徑×高） 運(yùn)行噪音 低于35dB 重量 15kg 4.4 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 4.4.1 絲杠 絲杠是用來推動縱向平移的部件。由于橫向機(jī)構(gòu)的形狀、尺寸大小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，絲杠的結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和韌性來推動橫向機(jī)構(gòu)的平移，所以選用強(qiáng)度比較高的材料40Cr，而在橫向機(jī)構(gòu)的中心處鉆絲杠孔。 絲杠的基本要求：應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度及韌性；絲杠的表面光潔度姚高；絲杠應(yīng)和電機(jī)固定牢靠；應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 4.4.2 升降裝置 升降裝置的取卡機(jī)械手的主要部件之一，利用絲杠實現(xiàn)升降。作用是對取卡機(jī)械手進(jìn)行導(dǎo)向和承載縱向橫移機(jī)構(gòu)的重力，并帶動他們作空間運(yùn)動，直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)縱向等運(yùn)動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。 升降裝置設(shè)計的基本要求為：a承載能力大，剛度好，自重輕；運(yùn)動速度高，慣性小；運(yùn)動應(yīng)靈活；位置精度要高。 除上面提到的要求外，還要保證機(jī)械手的通用性要好，能適應(yīng)在不同環(huán)境作業(yè)的要求：工藝性要好，便于安裝和加工;用于高溫環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，還要考慮隔熱和冷卻。這方面的設(shè)計需要根據(jù)機(jī)械手工作環(huán)境條件進(jìn)行具體的設(shè)計。 綜上所述，本機(jī)械手的設(shè)計，其特點為橫移裝置的絲杠裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，導(dǎo)桿只受重力作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。 4.4.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機(jī)械傳動。根據(jù)課題特點。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 電動驅(qū)動主要是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動直接實現(xiàn)傳動。它利用電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)縱向移動裝置實現(xiàn)直線運(yùn)動。電動驅(qū)動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、傳動過程少，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是變速慢、穩(wěn)定性差。 現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，直接來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 綜合考慮，本設(shè)計選用電驅(qū)動，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、傳動過程少，自鎖方便。 4.5 縱向平移機(jī)構(gòu)的設(shè)計 4.5.1 手部 手部是用來取卡的部件。由于被卡的形狀、尺寸大小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)工件的要求而設(shè)計的。 在手部使用鎖緊裝置是手部設(shè)計的基本要求，同時也要保證手部可以旋轉(zhuǎn)：應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力；保證工件在手指內(nèi)的夾緊精度；要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高；應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 4.5.2 傳動齒輪齒條 這里采用齒輪齒條傳動，以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的電機(jī)轉(zhuǎn)化成激光取卡機(jī)械手的縱向平移。齒輪為有齒之輪：表示齒輪輪齒大小的一個指針，一對咬合的齒輪其模數(shù)必需一致，否則兩齒輪的輪齒規(guī)格不同，無法平順的運(yùn)轉(zhuǎn)。模數(shù)：m＝D／N 徑節(jié)：Pd＝N／D 節(jié)圓：是一個理論圓，一對咬合的齒輪中，其節(jié)圓必互切 節(jié)徑：就是節(jié)圓的直徑，D壓力線:兩齒輪在接觸時，垂直于接觸面的方向即是，通常正向負(fù)荷是沿壓力線的方向傳遞。齒輪傳動的特點和應(yīng)用及用途齒輪傳動是應(yīng)用極為廣泛的傳動形式之一。 特點：能夠傳遞任意兩軸間的運(yùn)動和動力，傳動平穩(wěn)、可靠，效率高，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動速度和功率范圍廣。但需要專門設(shè)備制造，加工精度和安裝精度較高，且不適宜遠(yuǎn)距離傳動。 平面齒輪傳動：齒輪齒條傳動（斜齒條）齒輪傳動要求準(zhǔn)確平穩(wěn)，即要求在傳動過程中，瞬時傳動比保持不變，以免產(chǎn)生沖擊、振動和噪音。 不論齒廓在任何點接觸，過接觸點所作兩齒廓的公法線必須與連心線交于一固定點，這就是齒廓嚙合基本定律。 4.5.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機(jī)械傳動。根據(jù)課題特點。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 電動驅(qū)動主要是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動直接實現(xiàn)傳動。它利用電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)縱向移動裝置實現(xiàn)直線運(yùn)動。電動驅(qū)動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、傳動過程少，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是變速慢、穩(wěn)定性差。 現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，直接來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 綜合考慮，本設(shè)計選用電驅(qū)動，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、傳動過程少，自鎖方便。 4.6 基座要求 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計后，就要針對機(jī)械手的基座、縱向平移機(jī)構(gòu)、橫向平移機(jī)構(gòu)等各個部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求： 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是機(jī)器人的基座。機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則： a. 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 b. 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 c. 機(jī)器人的腰座對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 d. 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 e. 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部部分的殼體是由Q235的制成，或者是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 4.7 總體方案圖繪制 總體布置是結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化需要具體確定零件之間的相對位置及聯(lián)系尺寸、運(yùn)動和動力傳遞方式及其主要技術(shù)參數(shù)，并繪制總體布置圖。 總體布置的基本要求如下： 1.保證工藝過程的連續(xù)和流暢 通常機(jī)械系統(tǒng)工作的工藝過程包含多項作業(yè)工序，從而，保證工藝過程的連續(xù)和流暢是總體布置的最基本要求。 2.降低質(zhì)心高度、減小偏置 任何機(jī)械都應(yīng)能平衡、穩(wěn)定地工作，如果機(jī)械的質(zhì)心過高或者偏置過大，則可能因擾力矩增大而造成傾倒或加劇振動。 保證精度、剛度，提高抗振性及熱穩(wěn)定性 對于加工設(shè)備來說，為了保證被加工工件的精度及所需的性能指標(biāo)，總體布置時必須充分考慮精度、剛度、抗振性及熱穩(wěn)定性。 4.充分考慮產(chǎn)品系列化和發(fā)展 設(shè)計機(jī)械產(chǎn)品時不僅要注意解決當(dāng)前存在的問題，還應(yīng)考慮今后進(jìn)行產(chǎn)品系列化設(shè)計的可能性及產(chǎn)品更新?lián)Q代的適應(yīng)性。 5.結(jié)構(gòu)緊湊，層次分明 緊湊的結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省空間，減少零部件，便于安裝調(diào)試，往往還會帶來良好的造型條件。 6.操作、維修、調(diào)整方便 為改善操作者的勞動條件，減少操作失誤，應(yīng)力求操作方便舒適。 7.外形美觀 機(jī)械產(chǎn)品投入市場后給人們的第一直覺印象式外觀造型和色彩，它是機(jī)械功能、結(jié)構(gòu)、工藝、材料和外觀形象的綜合表現(xiàn)，是科學(xué)性，藝術(shù)性與實用性的結(jié)合。 總體設(shè)計的尺寸參數(shù)主要是指影響機(jī)械性能的一些重要尺寸，如總輪廓尺寸（總長、總寬、總高）、特性尺寸（加工范圍、中心高度）、主要運(yùn)動零部件的工作行程，以及表示主要零部件之間位置關(guān)系的安裝連接尺寸等。尺寸參數(shù)常用聯(lián)系尺寸圖示出。 機(jī)械手的總裝圖如下： 確定的尺寸參數(shù)應(yīng)符合《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》GB321-80的規(guī)定，對有互換性和系列化要求的主要尺寸（如安裝、連接尺寸、配合尺寸，決定產(chǎn)品系列的公稱尺寸等）及其他結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)符合《標(biāo)準(zhǔn)尺寸》GB2822-81的規(guī)定，優(yōu)先按R10、R20、R40的順序選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如需將值圓整，應(yīng)按Ra5、Ra10、Ra20、Ra40的順序選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸。 總體輪廓尺寸的確定：總體輪廓尺寸如上直角坐標(biāo)取卡機(jī)械手的總裝圖所示（即圖中的總長、總高和總寬），是根據(jù)總體技術(shù)要求的工作范圍，此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的加工范圍為直徑長2m，高1.5m，同時它的最大體積有個要求：直徑×高小于等于2m×1.5m，根據(jù)以上要求，在滿足這臺直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的工作范圍的同時能滿足它最大體積的要求以及國標(biāo)中對于尺寸參數(shù)的規(guī)定的要求下，這臺直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的尺寸參數(shù)定為： 直徑定為2000mm 總高定為1500mm 特性尺寸的確定：根據(jù)總體技術(shù)要求的工作范圍，其加工范圍就是即是此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的特性尺寸： 直徑方向工作行程：2000mm Z軸方向工作行程：1500mm 因為這個直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手每個軸的運(yùn)動都是靠電機(jī)帶動絲杠運(yùn)動的，故為了滿足總體技術(shù)要求中的工作范圍，每個運(yùn)動軸的絲杠兩端都留有20到40的余量。此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的小臂在生出與收縮的時候會產(chǎn)生一定地偏心距，為了使其在運(yùn)動的過程中能夠平穩(wěn)。為了使機(jī)械能夠平穩(wěn)、可靠的運(yùn)動，整個機(jī)構(gòu)的質(zhì)心不能過高，但是此機(jī)構(gòu)的質(zhì)心會隨著大臂帶動小臂的上升和下降而又一定的改變，平均來說，此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手在一般狀態(tài)下的中心高度為1500mm，處于整機(jī)高度的一半位置一下，能保證機(jī)械的運(yùn)動平穩(wěn)和可靠。 安裝連接尺寸的確定:為了使此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，其各部分的安裝連接是相當(dāng)重要的，其安裝連接尺寸可以分為以下三部分：底座和地面的連接、底座和大臂的連接、大臂與小臂的連接。 首先，是底座與地面的連接部分，從上面直角坐標(biāo)取卡機(jī)械手的俯視圖可以很清晰地看見，在底座上，底座和地面的連接是通過底座上面四個角的4個M35的地腳螺栓與地面連接的，它確保了此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手能夠牢固地連接在地面上。 最后，是橫向平移架與縱向平移架的鏈接部分，從上面直角坐標(biāo)取卡機(jī)械手的左視圖可以很清晰地看見，左視圖中局部剖視的部分表示了橫向平移架與縱向平移架的連接，從圖上可以看出橫向平移架與縱向平移架是通過橫向平移軸鏈接的。 各大部分的零部件的連接安裝尺寸如上所述，各部分都可靠得進(jìn)行了連接，確保此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手能正常工作，另外，各部分相互之間的連接安裝的校核在后面會做一個詳盡的說明，此處不再贅述。 5 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)計算 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的計算主要分為驅(qū)動力計算、絲杠行程將計算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算、電機(jī)功率計算等等，下面我們就一一來進(jìn)行計算。 機(jī)械的運(yùn)動參數(shù)一般是指機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)速（或者移動速度）及調(diào)速范圍等，比如機(jī)床等加工機(jī)械主軸、工作臺、刀架的運(yùn)動速度，移動機(jī)械的行駛速度，連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍等。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度一般應(yīng)該根據(jù)作業(yè)對象的工藝過程要求、工作條件及生產(chǎn)率等因素確定。一般而言，執(zhí)行構(gòu)件的工作速度越高，則生產(chǎn)率越高，經(jīng)濟(jì)效益越好，但同時也會使工作機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的振動、噪聲、溫度、能耗等指標(biāo)上升，零部件的制造安裝精度及潤滑、密封等要求亦隨之提高。適宜的工作速度應(yīng)在綜合考慮上述影響因素后由分析計算或者經(jīng)驗確定，必要時由實驗確定。 5.1 總體尺寸要求 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手有幾大部件：1、電機(jī)，2、縱向移動架，3、手臂，4、橫向移動架，5、基座，本篇；論文的高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手有如下參數(shù)： 工作范圍 0-2000mm 體積： 不大于2m×1.5m （直徑×高） 運(yùn)行噪音 低于35dB 重量 15kg 5.2 動力參數(shù)的確定 動力參數(shù)一般是指機(jī)械系統(tǒng)的動力源參數(shù)，如電動機(jī)、液壓馬達(dá)、內(nèi)燃機(jī)的功率以及其機(jī)械的特性。動力參數(shù)是機(jī)械中各零部件進(jìn)行承載能力計算以確定其尺寸參數(shù)的依據(jù)。動力參數(shù)確定恰當(dāng)與否，既影響機(jī)械系統(tǒng)工作性能，也影響其經(jīng)濟(jì)型。 此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手徑向和高度兩個方向的運(yùn)動軸全是靠步進(jìn)電機(jī)帶動的，故確定動力源參數(shù)就是確定選擇步進(jìn)電機(jī)所需要的一些參數(shù)指標(biāo)，在確定和選擇系統(tǒng)的動力源時，了解系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩和等效轉(zhuǎn)動慣量是很有意義的，下面就系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩和等效轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行計算。 徑向的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩及等效轉(zhuǎn)動慣量: 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算： 所以這里計算的底座的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩是大臂與小臂的所引起的正壓力在滾珠絲杠副運(yùn)動時候的摩擦轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計算得等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式： 為絲杠與絲杠螺母之間的摩擦系數(shù) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手大臂與小臂質(zhì)量和，此處 為重力加速度 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 為滾珠絲杠副的傳動效率，取 為傳動比，此處是由于滾珠絲杠是直接由步進(jìn)電機(jī)拖動的，故取。 2.根據(jù)計算得等效轉(zhuǎn)動慣量公式組,計算等效轉(zhuǎn)動慣量: (1) 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： (3-2) 是滾珠絲杠的直徑 是絲杠的長度 是材料的密度 (2) 工作臺的轉(zhuǎn)動慣量： (3-3) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手大臂與小臂質(zhì)量和，此處 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 (3) 折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量： (3-4) Z軸方向的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩及等效轉(zhuǎn)動慣量： 1.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算,根據(jù)文獻(xiàn)[3]中等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式： (3-5) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手小臂所受的重力（由于大臂是在Z軸方向提升和下降小臂的，故大臂的滾珠絲杠受的軸向力小臂的重力），小臂的重力為。 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 為滾珠絲杠副的傳動效率，取 為傳動比，此處是由于滾珠絲杠是直接由步進(jìn)電機(jī)拖動的，故取。 2.根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的計算等效轉(zhuǎn)動慣量公式組,計算等效轉(zhuǎn)動慣量: (1) 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： (3-6) 是滾珠絲杠的直徑 是絲杠的長度 是材料的密度 (2) 小臂的轉(zhuǎn)動慣量： (3-7) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手小臂質(zhì)量，此處 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 (3) 折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量： (3-8) Y軸方向的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩及等效轉(zhuǎn)動慣量： 1.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算,根據(jù)文獻(xiàn)[3]中等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式： (3-9) 為絲杠與絲杠螺母之間的摩擦系數(shù) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手小臂伸出桿的質(zhì)量，此處 為重力加速度 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 為滾珠絲杠副的傳動效率，取 為傳動比，此處是由于滾珠絲杠是直接由步進(jìn)電機(jī)拖動的，故取。 根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的計算等效轉(zhuǎn)動慣量公式組,計算等效轉(zhuǎn)動慣量: (1) 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： (3-10) 是滾珠絲杠的直徑 是絲杠的長度 是材料的密度 (2) 小臂伸出桿的轉(zhuǎn)動慣量： (3-11) 為此直角坐標(biāo)兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手小臂伸出桿的質(zhì)量，此處 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，取 (3) 折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量： (3-12) 從計算結(jié)果可以看出，此直角坐標(biāo)取卡機(jī)械手各軸的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)底座偏中等、大臂最大、小臂最小，這是由于大臂是豎直的，小臂的重力全由絲杠承受而導(dǎo)致的，不過，上述計算出的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的值均適合現(xiàn)在市場上大部分步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，不會造成步進(jìn)電機(jī)選擇上的困難。此外，系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量較小，小的轉(zhuǎn)動慣量可提高驅(qū)動系統(tǒng)的固有頻率，減少動力消耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。 5.3 絲杠的設(shè)計計算 5.3.1 絲杠材料的選擇 查表5-11選擇螺桿的材料為40Cr,螺紋部分采用表面淬火處理；選擇螺母的材料為ZCuSn5Pb5Zn5（鑄錫青銅）。 5.3.2 絲杠螺紋數(shù)據(jù)的初步設(shè)計與校核 選用梯形螺紋，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB5796.3-86），試選絲杠螺紋的公稱直徑，則其對應(yīng)的其它參數(shù)為：螺距，中徑,小徑； （1）螺紋升角和當(dāng)量摩擦角，及自鎖性校核 ，則； 梯形螺紋的牙型角； 查表5-12知，螺桿-螺母材料為鋼-青銅的摩擦系數(shù)為，則當(dāng)量摩擦角； 由知螺桿螺旋副滿足自鎖條件。 (2)螺桿上螺紋的軸向力的確定 假設(shè)在手臂上移動的手爪及其輔助機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為m=150kg，在設(shè)計中考慮留出預(yù)留量，則徑向力，取，則；根據(jù)力的合成原理，知其軸向力； （3）螺紋副耐磨性計算 如下圖所示： 螺旋副傳動 螺紋工作面上的耐磨性條件是 根據(jù)螺桿螺母的材料和螺旋副的轉(zhuǎn)動速度較低，查表5-12，取滑動螺旋副材料的許用壓力[p]=14Mpa,摩擦系數(shù)f=0.09; 對于整體螺母，磨損后不能調(diào)整間隙，為使受力分布比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不能過多，故取，，則； 對于梯形螺紋，h=0.5P=0.5*7=3.5mm; 則 所以此設(shè)計的螺紋滿足耐磨性要求。 同時，螺紋工作圈數(shù),顯然合格。 （4）驅(qū)動力矩T，傳動效率的計算 螺旋副的驅(qū)動力矩，即 ； 傳動效率； （5）螺桿的剛度校核 由表查得螺桿材料40Cr的彈性模量； 在長度為1m左右的螺紋上，因為轉(zhuǎn)矩T和軸向載荷的作用而產(chǎn)生的螺距變化量的和， 根據(jù)下表 精度等級 5 6 7 8 9 10 15 30 55 110 得知設(shè)計的螺桿滿足精度要求。 (6)螺桿強(qiáng)度的計算 根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險截面的計算應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為 螺桿所受的軸向壓力； 螺紋桿的小徑； 螺桿螺紋段的危險截面面積A=； 螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)； 查表5-8知材料為40Cr的螺桿的屈服極限；再由表5-13得螺桿的許用應(yīng)力為； 將以上所得數(shù)據(jù)代入上式得 所以滿足強(qiáng)度要求。 (7)螺桿的穩(wěn)定性校核 螺桿的穩(wěn)定性條件為；對于傳導(dǎo)螺旋，螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)；在這里取。 臨界載荷，式中E為材料的彈性模量，E=2.06*Mpa;I為螺桿危險界面的慣性矩，；由于螺桿的安裝處于兩端固定狀態(tài)，根據(jù)表5-14知螺桿的長度系數(shù)；螺桿的長度; 則臨界載荷; ,所以設(shè)計的螺桿滿足穩(wěn)定性要求。 綜上所述，本次畢業(yè)設(shè)計所設(shè)計的螺桿螺紋的最終參數(shù)為公稱直徑，螺距，中徑,小徑，螺紋升角，當(dāng)量摩擦角。 5.3.3 絲杠配合螺母的參數(shù)選擇及校核 （1）根據(jù)螺桿選擇螺母的螺紋參數(shù)為公稱直徑，中徑，小徑，螺距為。螺桿與螺母的螺紋精度配合為：。 （2）螺母的材料強(qiáng)度一般都低于螺桿的材料強(qiáng)度，所以要對螺母的螺紋牙進(jìn)行強(qiáng)度校核。如下圖所示，是將螺母的一圈螺紋沿其大徑展開，則可將這看成是寬度為的懸臂梁 螺母螺紋圈的受力 螺紋牙危險截面a-a的剪切強(qiáng)度條件為； 彎曲強(qiáng)度條件為； 螺紋牙根部的厚度； 彎曲力臂； 由表5-13查得螺母材料的許用切應(yīng)力；許用彎曲應(yīng)力； 螺紋工作圈數(shù)； 則螺母沒全螺紋所受的平均壓力； 根據(jù)剪切強(qiáng)度條件； 根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件； 所以設(shè)計的螺母滿足剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。 5.3.4 驅(qū)動絲杠的電動機(jī)的選擇 （1）電動機(jī)的類型的選擇 按照設(shè)計要求，高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的工作需求以及電動機(jī)的最佳安裝位置，選用自帶減速器的S系列的減速電機(jī)。因為需要法蘭裝置將減速電機(jī)固定，所以選用SF系列減速電機(jī)。 （2）電動機(jī)功率的確定 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手工作所需的功率，式中;根據(jù)設(shè)計要求，，；所以。 由電動機(jī)到絲杠螺母副的傳動的總效率，為齒輪傳動的效率，為滾動軸承的傳動效率，為滑動絲杠的傳動效率，查表1-15（機(jī)械傳動和摩擦副的效率概略值）得，，則。那么減速電機(jī)的輸出功率。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選定減速電機(jī)的額定功率為. (3)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 根據(jù)設(shè)計要求，螺母在絲杠上的移動速度，則轉(zhuǎn)速，由于單級齒輪的傳動比為，則電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選定減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為。 綜上所述所選的減速電機(jī)的型號為SF37-DR63L4。 5.3.5 傳動軸材料 傳動軸是該機(jī)構(gòu)的最重要的零部件之一，其工作的可靠性和傳遞效率都對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的功率、減速比及軸系的材料來來確定傳動軸的直徑。如圖所示： 傳動軸示意圖 為了能保證整個機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性工作及減小機(jī)構(gòu)傳動軸直徑，提高效率，應(yīng)盡可能提高傳動軸的抗拉強(qiáng)度，從而達(dá)到減小軸系的橫截面積，但也要綜合考慮材料的成本，故本文采用鍛鋼作為傳動的材料，其抗拉強(qiáng)度為：800 N/mm2。 5.3.6 傳動軸轉(zhuǎn)速 由于傳動軸和高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手通過法蘭而相互連在一起的，所以它的轉(zhuǎn)速，實際就應(yīng)該等于高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手輸出的轉(zhuǎn)速，即0.24rpm。 5.3.7 傳動軸直徑 由電機(jī)的功率，傳動軸的轉(zhuǎn)速、軸系的材料性能可以計算出傳動軸的軸徑，具體算法如下： 軸的直徑應(yīng)不小于按下式計算的值 式中：F—驅(qū)動裝置型式系數(shù)； F=95，電機(jī)驅(qū)動； F=100，柴油機(jī)驅(qū)動。 C1—不同軸系的設(shè)計特性系數(shù)，取1.26； 傳動軸選取1.1； Ne—軸傳遞的額定功率，kW； re—電機(jī)輸出Ne的額定轉(zhuǎn)速，r/min； Ne—軸傳遞Ne的額定轉(zhuǎn)速，r/min； σb—軸材料的抗拉強(qiáng)度，N/mm2。 i—傳動比； 對于空心軸而言：（壁厚為修正后的外徑減去內(nèi)徑） dc—修正后的軸外徑，mm； d—計算的理論的軸外徑，mm； d0—實際的軸內(nèi)徑，mm； da—實際的軸外徑，mm； 表：傳動軸基本直徑計算 序號 名稱 代號 單位 計算公式 數(shù)值 1 軸傳遞的額定功率 Pe Kw 已知 0.18 2 電機(jī)額定功率Ne時的轉(zhuǎn)速 r r/min 　 30 3 傳動軸材料的抗拉強(qiáng)度 σb N/mm2 已知 800 4 推進(jìn)裝置型式系數(shù) F 　 已知 100 5 軸的設(shè)計特性系數(shù) C2 　 已知 1.1 6 傳動軸基本直徑規(guī)范計算 d2 mm 22 7 實取傳動軸基本直徑 d2' mm 　 25 根據(jù)以上計算理論及過程，算得聯(lián)軸節(jié)的壁厚應(yīng)不小于10mm，傳動軸的外徑不得小于12mm，實際電機(jī)皮帶輪和傳動軸皮帶輪均為12mm，比計算值大，符合要求。 5.3.8 鍵的選擇 鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計時需要先根據(jù)工作要求和軸徑上鍵的類型以及尺寸來選擇鍵，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用抗拉強(qiáng)度的鋼，常用45鋼。 本設(shè)計中的鍵均為減速器自帶的鍵，即普通圓頭A型。 驗證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取合適 在確定了轉(zhuǎn)動慣量之后，就要進(jìn)行軸的具體尺寸確定： 實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力[] = 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。 此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w =22mm 因此與電機(jī)相連的軸直徑必須大于22mm。 5.3.9 選定齒輪材料，類型，齒數(shù)及精度等級 1）根據(jù)絲杠螺母副的運(yùn)動需要，選用直齒圓柱齒輪傳動； 2)絲杠轉(zhuǎn)動的速度并不高，故選用8級精度（GB10095—88）; 3)齒輪材料的選擇，由表10-1選擇大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為230HBS，小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度275HBS,,兩者材料硬度差為45HBS; 4)選小齒輪齒數(shù)=20，則大齒輪齒數(shù)=3*20=60； 5)齒輪的使用壽命為15年，設(shè)每年工作300天，每天工作8小時。 5.3.10 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 設(shè)計公式為 （1）先試計算小齒輪的直徑， 其計算公式為 1）試選載荷系數(shù)=1.4; 2）小齒輪的轉(zhuǎn)矩 ==N·mm=1.88*N·mm 3）由于小齒輪做懸臂布置，所以根據(jù)表10-7選齒寬系數(shù)為=0.6； 4）根據(jù)表10-6查得所選擇的齒輪材料的彈性影響系數(shù)=189.8； 5）根據(jù)表10-21d按齒輪的齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲勞極限分別為=540Mpa， =580Mpa;。 6）大小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) =60=60*127*1*（2*8*300*15）=5.49* == 7）根據(jù)圖10-19取大小齒輪的接觸疲勞壽命系數(shù)分別為。 8）取齒輪安全系數(shù)S=1.1，則接觸疲勞許用應(yīng)力 9）將中較小的值代入計算公式得 10）小齒輪的圓周速度 11）小齒輪寬度 模數(shù) 齒高 則小齒輪齒寬與齒高比為 （2）.計算齒輪模數(shù) 1）根據(jù)圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限大齒輪的彎曲疲勞極限為； 2）根據(jù)圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù); 3）取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.3，則由式10-12得彎曲疲勞許用應(yīng)力 4)根據(jù)小齒輪的圓周速度v=0.3312m/s,齒輪精度為8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)對于直齒輪，;依據(jù)表10-2查得使用系數(shù);根據(jù)表10-4用插值法查得精度為8級的齒輪傳動，并且小齒輪懸臂布置時；由齒寬與齒高比，查圖10-13得; 可得載荷系數(shù) 5)由表10-5查得齒形系數(shù) ; 應(yīng)力校正系數(shù)。 6)小齒輪的 大齒輪的 所以大齒輪的數(shù)值大 7）代入設(shè)計計算公式得 將計算所得的模數(shù)就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.25mm,根據(jù)以上計算所得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 5.3.11 計算大小齒輪的幾何尺寸參數(shù) （1）分度圓直徑 （2）齒頂圓直徑和齒根圓直徑 （3）中心距 （4）齒輪寬度 取 5.4 縱向平移裝置齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算 5.4.1 驅(qū)動縱向平移裝置傳動電動機(jī)的選擇 電機(jī)的基本參數(shù)主要就是電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速，這是電機(jī)的核心參數(shù)，下面將對電機(jī)的功率按照電機(jī)的使用的21.5%來計算電機(jī)的功率，使用系數(shù)為21.5%，即使用轉(zhuǎn)速則根據(jù)電機(jī)自身的特性來選取，具體計算如下。 異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。還隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。 普通異步電機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源連接。因此，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點。異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動要求。異步電機(jī)還便于派生成各種防護(hù)型式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。異步電機(jī)運(yùn)行時，必須從電網(wǎng)吸取無功勵磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。因此，對驅(qū)動球磨機(jī)、壓縮機(jī)等大功率、低轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，常采用同步電機(jī)。由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速有一定的轉(zhuǎn)差關(guān)系，其調(diào)速性能較差(交流換向器電動機(jī)除外)。對要求較寬廣和平滑調(diào)速范圍的交通運(yùn)輸機(jī)械、軋機(jī)、大型機(jī)床、印染及造紙機(jī)械等，采用直流電機(jī)較經(jīng)濟(jì)、方便。但隨著大功率電子器件及交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，目前適用于寬調(diào)速的異步電機(jī)的調(diào)速性能及經(jīng)濟(jì)性已可與直流電機(jī)的相媲美。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速會影響到電機(jī)的產(chǎn)生的噪音的大小，同時也會伴隨震動，轉(zhuǎn)速過快其壽命也將縮短，但是轉(zhuǎn)速過慢，電機(jī)的極數(shù)又會增多，價格又會上漲，所以應(yīng)該根據(jù)實際的需要來選取電機(jī)的。選取電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm。 電機(jī)的極數(shù)反映出電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，2極同步轉(zhuǎn)速是3000r/min，4極同步轉(zhuǎn)速是1500r/min，6極同步轉(zhuǎn)速是1000r/min,8極同步轉(zhuǎn)速是750r/min。繞組的一來一去才能組成回路，也就是磁極對數(shù)，是成對出現(xiàn)的，極就是磁極的意思，這些繞組當(dāng)通過電流時會產(chǎn)生磁場，相應(yīng)的就會有磁極。 三相交流電機(jī)每組線圈都會產(chǎn)生N、S磁極，每個電機(jī)每相含有的磁極個數(shù)就是極數(shù)。由于磁極是成對出現(xiàn)的，所以電機(jī)有2、4、6、8……極之分。本篇的電機(jī)采用4級。 電機(jī)的材料主要指電機(jī)的外殼材料，由于電機(jī)所處的環(huán)境干燥，所以電機(jī)材料可以使用鑄鐵，同時其防護(hù)等級只需取B級即可滿足本片中高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的要求。 （1）電動機(jī)的類型的選擇 按照設(shè)計要求，高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的工作需求以及電動機(jī)的最佳安裝位置，選用自帶減速器的R系列的減速電機(jī)。因為需要法蘭裝置將減速電機(jī)固定，所以選用RF系列減速電機(jī)。 （1）電動機(jī)的類型的選擇 按照設(shè)計要求，高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的工作需求以及電動機(jī)的最佳安裝位置，選用自帶減速器的S系列的減速電機(jī)。因為需要法蘭裝置將減速電機(jī)固定，所以選用SF系列減速電機(jī)。 （2）電動機(jī)功率的確定 高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手手抓的上下移動所需的功率， ，式中;根據(jù)設(shè)計要求，，；所以。 由減速電機(jī)到齒輪的傳動的總效率，為蝸輪蝸桿傳動的效率，為滾動軸承的傳動效率，查表1-15（機(jī)械傳動和摩擦副的效率概略值）得，，則。那么減速電機(jī)的輸出功率。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選定減速電機(jī)的額定功率為. (3)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 根據(jù)設(shè)計要求，齒條的左右移動的速度，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選定減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為。 綜上所述所選的減速電機(jī)的型號為SF37-DR63M4。 電動機(jī)外形安裝尺寸如下表， 型號 尺 寸 （mm） H A B C D E G K b b1 b2 h AA BB HA L1 Y132M 132 216 178 89 38 80 33 12 280 210 135 315 60 238 18 515 5.4.2 選定齒輪材料，類型，齒數(shù)及精度等級 1）根據(jù)高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的運(yùn)動需要，選用直齒圓柱齒輪傳動； 2）手臂相對于立柱的旋轉(zhuǎn)速度并不高，故選用8級精度（GB10095—88）; 3）齒輪材料的選擇，由表10-1選擇大齒輪材料為45鋼，調(diào)制處理，硬度達(dá)到240HBS,齒條的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度達(dá)到280HBS,兩者材料硬度相差為40HBS，滿足設(shè)計要求。 5）取齒輪的傳動比為,選齒條齒數(shù)=23，則大齒輪齒數(shù)=3.3*23=75.9,??； 6）齒輪的使用壽命為15年，設(shè)每年工作300天，每天工作8小時。 5.4.3 齒條彎曲強(qiáng)度設(shè)計 設(shè)計公式為 （1）先試計算齒條的型號， 其計算公式為 1）試選載荷系數(shù)=1.2; 2）齒條傳遞的轉(zhuǎn)矩 == 3）由于齒條做懸臂布置，所以根據(jù)表10-7選齒寬系數(shù)為=0.6； 4）根據(jù)表10-6查得所選材料的彈性影響系數(shù)=189.8； 5）根據(jù)表10-21d按齒輪的齒面硬度查得大齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限分別為=550Mpa ，=600Mpa; 6）齒條和齒輪的應(yīng)力 =60=60*13*1*（2*8*300*15）=5.616* == 7）根據(jù)計算取齒條和齒輪的接觸疲勞壽命系數(shù)分別為。 8）取齒輪安全系數(shù)S=1.1，則齒輪齒條接觸疲勞許用應(yīng)力 9）將中較小的值代入計算公式得 10）齒條的圓速度 11）齒條的寬度 模數(shù) 齒高 則齒條的齒寬與齒高比為 （2）.計算齒輪模數(shù) 1）根據(jù)計算得齒輪齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，； 2）根據(jù)計算取彎曲疲勞壽命系數(shù); 3）取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.3，則得彎曲疲勞許用應(yīng)力 4)根據(jù)齒條的圓周速度v=0.06m/s,齒輪精度為8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)對于直齒輪，;依據(jù)計算得使用系數(shù);根據(jù)表10-4用插值法查得精度為8級的齒輪傳動，并且齒條懸臂布置時；由齒寬與齒高比，查圖10-13得; 可得載荷系數(shù) 5)根據(jù)計算通過直接查或用插值法球的得齒形系數(shù) ; 應(yīng)力校正系數(shù)。 6)齒條的 大齒輪的 所以大齒輪的數(shù)值大 7）代入設(shè)計計算公式得 將計算所得的模數(shù)就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2. 5mm,根據(jù)以上計算所得的分度圓直徑，算出齒條齒數(shù) 則齒輪齒數(shù)，取 5.4.4 計算齒輪及齒條的幾何尺寸參數(shù) （1）分度圓直徑 （2）齒頂圓直徑和齒根圓直徑 （3）中心距 （4）齒輪寬度 取 選定齒輪材料，類型，齒數(shù)及精度等級 1)根據(jù)高速公路兩軸自動發(fā)卡機(jī)械手的運(yùn)動需要，選用直齒圓柱齒輪傳動； 2）齒輪動速度并不高，故選用8級精度（GB10095—88）; 3）齒輪材料的選擇，由表10-1選擇齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)處理），硬度為240HBS； 4）齒輪的使用壽命為15年，設(shè)每年工作300天，每天工作8小時； 5）選取齒輪齒數(shù)為，模數(shù)為。 5.4.5 校核齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度 校核公式為公式為 1）齒條傳遞的轉(zhuǎn)矩 == 2）由于齒輪做懸臂布置，所以根據(jù)表10-7選齒寬系數(shù)為=0.6； 3）齒輪的圓周速度 4）齒條寬度 齒高 則齒條齒寬與齒高比為 5）根據(jù)計算得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限； 6）根據(jù)計算取彎曲疲勞壽命系數(shù); 7）取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.3，則得彎曲疲勞許用應(yīng)力 ； 8)根據(jù)齒條的圓周速度v=0.046m/s,齒輪精度為8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)對于直齒輪，;依據(jù)表10-2查得使用系數(shù);根據(jù)表10-4用插值法查得精度為8級的齒輪傳動，并且齒條懸臂布置時；由齒寬與齒高比，查圖10-13得; 可得載荷系數(shù) 9)根據(jù)表10-5通過直接查或用插值法球的得齒形系數(shù) ;應(yīng)力校正系數(shù)。 10)齒輪的 所以大齒輪的數(shù)值大 11）代入設(shè)計計算公式得 則所選齒輪的齒數(shù)模數(shù)滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 5.4.6 計算齒輪的幾何尺寸參數(shù) （1）分度圓直徑 （2）齒頂圓直徑和齒根圓直徑 （3）齒輪寬度 5.4.7 齒條的設(shè)計計算 齒條的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)處理），硬度280HBS。 齒條的分度線和齒輪的分度圓永遠(yuǎn)是相切的，所以齒條的模數(shù)，壓力角。 則齒條的齒根高； 齒頂高。 5.5 機(jī)械手夾尺寸計算 圖：機(jī)械手手夾 安全系數(shù)取1.2， 驅(qū)動缸輸出力驅(qū)動力 Fp=300 x1.2N=360N。 如上圖右半部分在拉桿的作用下銷軸向上的拉力為P,并通過銷軸中心，推桿對銷軸的反作用力為P1和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心線。 由∑Fx=0 得P1= P2 ∑Fy=0 得P1= ∑Mo1（F）=0 得P1h=Nb 因h= 所以P= 式中 a—手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（mm）； —工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增加，但角過大會導(dǎo)致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度，使之結(jié)構(gòu)增大，因此一般取=～，這里取為350。 此處設(shè)計的機(jī)械手是滑槽杠桿式的。夾緊力及驅(qū)動力的計算(1)由上知，驅(qū)動力 P= 加緊裝置與工件的位置：垂直位置夾水平平位置放置的工件，那么握力,其中,f為摩擦系數(shù)，鋼對鋼f=0.1。工件的重力G=300N,解得握力N=252N.取a=b則, 代入公式中解得 驅(qū)動力P=332N 實際驅(qū)動力： 式中P——計算