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任務書反面：
課題
來
源
企業(yè)項目
課
題
的
目
的
、
意
義
本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機械加工的不同階段設置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。
本課題將設計一個三軸龍門機械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產(chǎn)線的輸送帶上。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。
要
求
課題的技術要求：
工件形狀：φ50×50mm的鋁制圓柱體；或φ50×50mm的塑料圓柱體。
定位精度：±1mm ；
運動速度：>2m/min；
工作范圍：X:800mm, Y:1000mm, Z:240mm；
工作要求：X、Y軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動器則完成對工件提起或放下操作，機械手爪則完成對工件抓緊或釋放操作。
課題工作量要求：
設計計算說明書1.5萬字以上；完成總裝圖，A0圖紙1張；完成零、部件圖等合計A0圖紙1張。
課
題
主
要
內(nèi)
容
及
進
度
課題主要內(nèi)容：
收集、研讀國內(nèi)外柔性生產(chǎn)系統(tǒng)龍門機械手的設計技術資料，特別是結(jié)構(gòu)設計方面的資料；
根據(jù)技術要求擬定設計方案，包括整體結(jié)構(gòu)，機械傳動方案；
設計詳細結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應的設計計算；
挑選部分典型零件設計零件工作圖；
撰寫設計計算說明書。
工作進度：
2014.12 調(diào)研，查找相關資料
2015.01 開題，擬定課題總體方案
2015.02 修改、完善開題報告
2015.03-2015.04 設計計算，初步完成總裝圖、部件圖和零件圖
2015.05-2015.06 完善圖紙，撰寫設計說明書，準備答辯。
以上各項由指導教師填寫（請用鋼筆填寫）
摘 要
工業(yè)機器手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)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(zhì)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。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)機械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，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。
本課題將設計一個三軸龍門機械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產(chǎn)線的輸送帶上。
關鍵詞：機器人；效率；龍門；三軸
III
Abstract
Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)，controller，servo drive system and detection sensor，which is a kind of copy operation，automatic control，can repeat programming in 3 d space，can finish all kinds of assignments electromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties，change of flexible production batch. It to help stabilize，improve product quality，raise efficiency in production，improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level，can reduce labor intensity，ensure the quality of products，and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple，general manipulator can quickly change working procedures，good daptability，so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references.
Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 機器人概述 1
1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 2
1.3 機器人發(fā)展趨勢 3
第2章 機械手總體設計方案 4
2.1機械手基本形式的選擇 4
2.1.1直角坐標系機器人 4
2.1.2圓柱坐標系機器人 4
2.1.3極坐標系機器人 4
2.1.4多關節(jié)機器人 5
2.2驅(qū)動裝置的選擇 6
2.2.1液壓驅(qū)動 6
2.2.2氣壓驅(qū)動 7
2.2.3電動機驅(qū)動 7
第3章 三軸機械手的總體方案設計 8
3.1設計參數(shù) 8
3.2方案設計 8
3.2.1 X軸方案設計 9
3.2.2 Y軸方案設計 9
3.2.3 Z軸方案設計 10
3.2.4 機械手爪方案設計 11
第4章 三軸龍門機械手結(jié)構(gòu)設計 13
4.1 X軸設計 13
4.1.1 最大工作載荷的計算 13
4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設計計算 13
4.1.3 步進電機減速箱的選用 15
4.2 Y軸設計 15
4.3 Z軸設計 17
第5章 機械手結(jié)構(gòu)設計 23
5.1夾持器設計的基本要求 23
5.2 夾緊裝置設計 23
5.2.1 夾緊力計算 23
5.2.2 驅(qū)動力計算 24
5.2.3 氣缸驅(qū)動力計算 24
5.2.4 選用夾持器氣缸 25
5.2.5 手爪的夾持誤差及分析 25
5.2.6 材料及連接件選擇 28
結(jié)論 29
參考文獻 30
致 謝 31
第1章 緒論
1.1 機器人概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，機械化和自動化的生產(chǎn)過程中已成為一個突出的主題。生產(chǎn)過程的自動化化學連續(xù)性已基本得到解決。但在機械行業(yè)，加工，裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機是一種有效的方式來大規(guī)模生產(chǎn)自動化，程控機床，數(shù)控機床，加工中心等自動化機械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多裝卸，搬運，裝配作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。
“工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。
機器人是一種機體功能，程序自動固定裝置的上部。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易維護等優(yōu)勢，但功能較少，適應性差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。
總之，機器人是用機器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個位置，或按照以操縱工件加工用的工作要求。
機器人拿起東西，最簡單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動手腕的機構(gòu)，手臂，關節(jié)等部位 - 執(zhí)行機構(gòu)，如肌肉的驅(qū)動臂運動 - 傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動作。這些系統(tǒng)的性能將決定機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1所示。
圖1 機器人的一般組成
1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀
機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠手動控制；相比，開環(huán)控制模式，沒有承認；改善方向主要是降低成本，提高精度。
第二代機器人正在加緊制定。它有一個微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。
第三代機器人（機器人）能夠獨立工作，以完成該過程的任務。它保持與電腦和電視設備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC是一個重要的組成部分。
隨著工業(yè)機器人拓展國際學術交流活動的研究和應用都非?；钴S，歐洲和美國等國家進行學術交流很多。國際機器人產(chǎn)業(yè)ISIR會議決定召開一次年會，討論開發(fā)和應用問題和研究機器人。
目前，主要的工業(yè)機器人裝卸，搬運，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無論數(shù)量，品種和性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機器人，主要是在危險的操作（寬），多塵的手動操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間，例如手動操作。
在國外機械制造，工業(yè)機器人使用較多，發(fā)展較快。目前應用于機床，鍛壓機下料，以及點焊，噴漆等工作，也可以完成提前開發(fā)所需遵循的操作程序，但沒有感覺反饋能力，無法應付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時，機器人會損壞部件，甚至本身。
隨著科學技術和社會，研究應用在這些領域的現(xiàn)代進步的機器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā)展本身也提出了更多的要求。制造要求機器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強大的編程環(huán)境，以適應不同的應用和多品種，小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）的機器人系統(tǒng)需要能源等自動化設備在車間內(nèi)進行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能機器人系統(tǒng)，該機器人需要一個開放系統(tǒng)架構(gòu)和各種外部傳感器集成的能力。然而，多機器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專用控制器封閉結(jié)構(gòu)，通常使用專用的計算機作為上主計算機，使用專用的離線機器人編程語言作為一種工具，使用一個專用的微處理器和控制算法固化在EPROM這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系統(tǒng)改裝費用是非常昂貴的，如果不重新設計，在大多數(shù)情況下，它在技術上是不可能的。解決這些問題的根本途徑是學習和使用機器人系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)。
我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。
1.3 機器人發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人；
b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；
c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。
31
第2章 機械手總體設計方案
2.1機械手基本形式的選擇
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，如圖2所示：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）極坐標型機械手；(4)多關節(jié)型機械手。
2.1.1直角坐標系機器人
直角坐標型機器人，它在x，y，z軸上的運動是獨立的，3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是：
(1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。
(2)計算比較方便。
(3)由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。
(4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。
(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。
(6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。
2.1.2圓柱坐標系機器人
圓柱坐標型機器人，R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：
(1)容易想象和計算。
(2)能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。
(3)空間定位比較直觀。
(4)直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。
(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。
2.1.3極坐標系機器人
極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，R，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是：
(1)在中心支架附近的工作范圍較大。
(2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。
(3)覆蓋工作空間較大。
(4)坐標系較復雜，較難想象和控制。
(5)直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。
(6)存在工作死區(qū)。
2.1.4多關節(jié)機器人
多關節(jié)機器人，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：
(1)動作較靈活，工作空間大。
(2關節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵。
(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。
(4) 適合于電動機驅(qū)動。
(5)運動難以想象和控制，計算量較大。
(6)不適于液壓驅(qū)動。
直角坐標型 圓柱坐標型
極坐標型 多關節(jié)型
圖2 工業(yè)機械手基本結(jié)構(gòu)形式
本課題要求機械手為直角坐標型。
2.2驅(qū)動裝置的選擇
機器人關節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進行分析比較。
2.2.1液壓驅(qū)動
機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有幾個優(yōu)點：
（1）容易實現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會更好推力或扭矩；
（2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度；
（3）液壓傳動，功率，速度和方向是比較容易實現(xiàn)自動控制；
（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機械效率，使用壽命長。
不足的液壓系統(tǒng)有：
（1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險；
（2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高；
（3）需要相應的供應體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴格過濾的設備，否則故障。
液壓驅(qū)動模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個伺服機構(gòu)，大型機器人關節(jié)驅(qū)動器常用。
2.2.2氣壓驅(qū)動
與液壓傳動相比，氣壓傳動的特點是：
（1）壓縮空氣粘度小，容易實現(xiàn)高速；
（2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設備；
（3）空氣介質(zhì)對環(huán)境的污染，使用安全，可直接應用到高溫作業(yè)；
（4）氣動元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。
它的缺點是：
（1）空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個較大的力，就必須相對地增加的結(jié)構(gòu)；
（2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實現(xiàn)精確的位置控制難度大；
（3）壓縮空氣是一個非常重要的問題，處理不當級鋼鐵機件會生銹，造成機是人類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。
用于位置控制，采集，開關控制和順序控制機器人氣動驅(qū)動器。
2.2.3電動機驅(qū)動
電機驅(qū)動，可分為普通交流和直流馬達驅(qū)動，交流和直流伺服電機驅(qū)動器和步進電機驅(qū)動器。
通用的交，直流馬達驅(qū)動器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機器人。伺服和步進電機的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機器人。交流伺服電機一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進電機是主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。
第3章 三軸機械手的總體方案設計
本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機械加工的不同階段設置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。
本課題將設計一個三軸龍門機械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產(chǎn)線的輸送帶上。
3.1設計參數(shù)
機械手即為三軸。確定為X軸、Y軸、Z軸。X軸為水平方向有效行程為800mm，
Y軸為水平面上垂直于X軸的方向有單效行程為1000mm，Z軸為豎直方向垂直于XY軸，有效行程為240mm。
工件形狀：φ50×50mm的鋁制圓柱體；或φ50×50mm的塑料圓柱體。
定位精度：±1mm ；
運動速度：>2m/min；
工作要求：X、Y軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動器則完成對工件提起或放下操作，機械手爪則完成對工件抓緊或釋放操作。
3.2方案設計
本次設計的三軸龍門機械手總體方案結(jié)構(gòu)圖如下所示：該機械手采用直角坐標系，X軸采用齒輪齒條傳動方式，Y軸采用同步帶傳動方式，Z軸采用滾珠絲杠副傳動?，F(xiàn)將各軸的驅(qū)動方案詳細說明如下：
圖3-1 三軸龍門機械手總體結(jié)構(gòu)圖
3.2.1 X軸方案設計
X軸采用齒輪齒條傳動形式，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，傳遞率可達到數(shù)十萬千瓦，圓周速度可達200m/s。以漸開線齒輪傳動較為常用。
齒輪傳動主要有以下特點：1）.效率高2）.結(jié)構(gòu)緊湊3）.工作可靠4）.傳動比穩(wěn)定。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。
齒輪的失效形式有以下幾種：1.齒輪折斷。2.齒面磨損。3.齒面點蝕。4.齒面膠合。5.塑性變形。除此之外，還可能出現(xiàn)過熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與裂紋等等。根據(jù)上述失效形式可知，所設計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須有足夠的、相應的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對各種失效都應確立相應的設計準則。通常只按保證齒根彎曲疲勞強度既保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。
3.2.2 Y軸方案設計
由于Y軸的行程較長，又考慮到成本決定采用同步皮帶傳動。為了方便編程和控制系統(tǒng)的分辨率較高可用1：1的傳動比。Y軸傳動方案如圖3-1所示。
圖3-2 Y軸傳動示意圖圖
同步帶傳動通過傳動帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應齒槽的嚙合來傳遞運動。
與摩擦型帶傳動比較，同步帶傳動的帶輪和傳動帶之間沒有相對滑動，能夠保證嚴格的傳動比。但同步帶傳動對中心距及其尺寸穩(wěn)定性要求較高。
同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪之間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98%。傳動噪聲比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴格。所以同步帶廣泛應用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中。
3.2.3 Z軸方案設計
Z軸與XY軸不同，行程較短且精度要求更高，故結(jié)構(gòu)也完不一樣。傳動用高精度的研磨滾珠絲桿可達到精度。電機用彈性聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿裝配易出現(xiàn)蛇形擺動。做用寬度較寬的直線導軌或兩條直線滑軌來起導向和平穩(wěn)絲桿螺母的作用。傳動示意圖如下：
圖3-3 傳動示意圖
絲桿與滑軌之間的連接是絲杠是否移動順暢和是否達到精度要求的主要原因。因此他們之間的配合相當重要，連接塊的厚度必須保持在+0.02之內(nèi)。絲桿與滑塊之間的連接示意圖
圖3-4 連接示意簡圖
3.2.4 機械手爪方案設計
機械手抓取材料方式有很多，可以是電磁式的吸料，或真空式的吸料，可以直接用氣爪夾起，也可以有機械方式夾起。夾持工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體；此次設計主要是機械式的夾起。
根據(jù)設計要求設計出的手部結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖3-5手部結(jié)構(gòu)圖
圖中為手指對工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。
第4章 三軸龍門機械手結(jié)構(gòu)設計
4.1 X軸設計
4.1.1 最大工作載荷的計算
假設該三軸龍門機械手的總重量定為25kg，取安全系數(shù)2倍，則齒輪齒條副的最大工作載荷：
。
4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設計計算
1.齒輪齒條材料選擇：齒條材料的種類很多，在選擇過程中應考慮的因素也很多，主要以以下幾點作為參考原則：
a. 齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。
b. 應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。
c. 正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工
作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。
d. 金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持為30～50HBS或者更
多。
鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面硬度，故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大，應采用硬齒面（硬度≥350HBS），故選取合金鋼，以滿足強度要求，進行設計計算。
2.各系數(shù)的確定：
計算齒輪強度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分配系數(shù)，即
1）使用系數(shù)
是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機器為機床工作臺，所以使用系數(shù)取1.35。
2）動載系數(shù)
齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對于直齒輪傳動，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合，或是有單對吃嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間，由于嚙合齒對的剛度變化，也要引起動載荷。為了計及動載荷的影響，引入了動載系數(shù)，由于速度v很小，取1.0。
3）齒間載荷分配系數(shù)
一對相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對（或多對）齒同時工作時，則載荷應分配在這兩對（或多對）齒上。對于直齒輪及修形齒輪，取。
4）齒輪載荷分布系數(shù)
當軸承相對于齒輪做不對稱配置時，受載前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個節(jié)圓柱恰好相切；受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。
計算齒輪強度時，為了計及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù)來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強度的影響。
根據(jù)機械設計表10-4取。
綜上所述，最終確定齒輪系數(shù)=1.35111.37=1.8
3.齒輪傳動的設計計算：
我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為α=20°。為使齒輪免于根切，對于α=20°的標準直齒輪，應取z≥17，這里取z=20。由于齒輪做懸臂布置，取=0.6。
齒輪的設計計算公式：
—開式齒輪磨損系數(shù)，（機械設計手冊（3卷）14-134）
將1式、2式及各參數(shù)代入計算公式得：
解得：；取m=1
齒面接觸疲勞強度計算公式：
由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以，為彈性影響系數(shù)，單位，其數(shù)值查機械設計表，取=189.8。
計算，試求齒輪分度圓直徑：
=
通過模數(shù)計算得：m=1，z=17 所以分度圓直徑d=117=17mm
計算齒寬 =0.617=10mm
齒高 h=2.25m=2.251=2.25mm
最終確定齒輪數(shù)據(jù)：
模數(shù)m=1，齒數(shù)z=17，分度圓直徑d=17mm，齒高h=2.25mm，齒寬b=10mm。
根據(jù)齒輪齒條進給公式：，則小齒輪轉(zhuǎn)速
4.1.3 步進電機減速箱的選用
為了滿足脈沖當量的的設計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使齒輪和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，進給齒輪與大齒輪相連。
已知平移單元的脈沖當量=0.005mm/脈沖，小齒輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的進給距離，初選步進電動機的步距角=0.36°。根據(jù)式（3-12），算得減速比：
=（0.3653.38）/（3600.005）≈10
本設計選用深圳維科特電機有限公司生產(chǎn)的57PG1440-010型行星減速步進電機。齒數(shù)比為1：10，轉(zhuǎn)矩。
4.2 Y軸設計
同步輪選用傳動如下
圖4-1 傳動示意圖
由于同步皮帶需要張緊和為了裝配方便。故一個同步輪做成可以調(diào)節(jié)即可。固定方式可做成如下結(jié)構(gòu)。初步確定中心距為1222mm，為了平穩(wěn)可用兩條直線滑軌支持，同步帶位于兩條滑軌之間。兩條導軌中心距為100。滑軌選用示間圖如下：
圖4-2 示間圖
每臺機器都要整機復位，選用一個歐姆龍的槽形光電感應器和不銹鋼割制的1.5厚的感應片就可滿足復位要求
為了防止撞機和滑塊滑出滑軌故在導軌一端做一個用聚氨酯做成的那限位裝置。
由于Y軸要帶動整個Z軸移動，上邊所做的同步輪可調(diào)節(jié)機構(gòu)可能會出現(xiàn)同步輪移動，造成同步帶沒有張緊，影響操作精度?？捎寐菟勇菽竵矶ㄎ弧＝Y(jié)構(gòu)如圖下
圖4-3 定位結(jié)構(gòu)圖
4.3 Z軸設計
升降運動(Z軸方向)采用滾珠絲杠傳動。
（1）滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，精度高，經(jīng)久耐用，同步性好等特點，因此滿足設計要求。根據(jù)任務書要求，本次設計的三軸龍門機械手滾珠絲桿行程為240mm，最大速度V＞2m/min，加速時間t為0.5s，步進電機轉(zhuǎn)速1250r/min，導向面摩擦系數(shù)μ為0.003，步進電機轉(zhuǎn)動慣量Jm為0.8N.M，絲杠傳動精度±0.03mm，額定工作壽命時間Lh為10000h。
（2）絲杠導程精度的選擇
+ 0.3mm定位精度的C7，滾珠絲杠的精度水平，針對實驗室環(huán)境和經(jīng)濟的要求，對滾珠絲杠的選擇。
（3）滾珠絲杠的導程及長度選擇
由表2-3可知，電機轉(zhuǎn)速為1250r/min，將升降關節(jié)的直線運動速度定為3m/min時，滾珠絲杠的導程為，查《現(xiàn)代機床設計手冊》，因此必須選擇5mm。另外，行程長度（有效）為240mm，加上兩端末端長度15mm，螺母假定長度為60mm，加上其他結(jié)構(gòu)余量，所以可得絲杠長度為350mm。
（4）絲杠直徑的選擇
可知，由絲杠的長度及導程P=5mm，可選得絲杠直徑為20mm。
（5）最大軸向負荷的計算
加速度：
各狀態(tài)下的受力情況如表 3-1所示
表3-1 各個狀態(tài)的受力情況表
作用在滾珠絲桿上的最大軸向負載為：。
計算載荷求解：
根據(jù)表3-2所示：選取，，。
表3-2 求解載荷的參數(shù)表
（6）支撐方式的選擇
由于絲杠行程240mm，最高速度3m/min，所以絲杠軸的支撐方式選擇固定-支撐方式。
（7）額定動載荷計算計算
壽命：
￠ =
（8）滾珠絲杠副選擇
按滾珠絲杠副的額定動載荷等于或稍大于的原則，選THK軋制無預壓型滾珠絲杠BTK2005-2.6，Ca=6KN。
BTK2005-2.6的參數(shù)主要為：絲杠軸外徑d=20mm，導程P=5mm，鋼球中心直徑dp=20.5mm，溝槽谷徑d1=17.2mm，基本額定載荷Ca =6KN，C0a=16.5KN， 剛性K=150N/μm；螺旋升角為3.64o。
（9）滾珠絲杠的剛度驗算
導程的變形量，取決于工作載荷F和轉(zhuǎn)矩T，因為兩者的共同作用，使得導程發(fā)生一定程度上的偏移，因而在實際過程中，取，這樣能保證在最不利的情況下預測最大的導程變形量。所以有：
pp
式（2-23）中，A為絲杠截面積，；為絲杠的極慣性矩，；
G為絲杠切變模量，對鋼G=83.3GPa；
在式（2-24）中，為平均工作負載，表示摩擦系數(shù)，T表示轉(zhuǎn)矩，取摩擦系數(shù)為0.0025，則=8'40"；
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為
通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即：
[ ]，該絲杠滿足剛度要求。
（10）效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為:
要求在 90%~95%之間，所以所選的絲杠副合格。
（11）滾珠絲杠副的使用及注意事項
在本文中，總體上垂直放置在小臂螺母，荷載為徑向載荷，還要承受軸向載荷的一小部分（軸承深溝球軸承的選擇），但徑向力，重要時刻會產(chǎn)生在螺桿的接觸面應力集中，生活利用損傷造成的永久性，所以，在選擇中應避免較大的零件重量和慣性。滾珠絲杠應注意以下幾點：
絲杠軸的支撐方式選擇固定支撐，結(jié)合本設計的設計要求，在螺桿的兩端用以支撐的深溝球軸承，深溝球軸承主要承受徑向載荷，本設計中主要集中在徑向負荷，以滿足設計要求。在實際的生產(chǎn)制造，深溝球軸承成對安裝，軸承的過程中，一般采用反裝方式，具有軸承的優(yōu)點可以實現(xiàn)所需的間隙和預緊力水平；支承剛度較好；螺桿軸的熱膨脹有足夠的間隙可以調(diào)整，有效地防止軸向運動；動態(tài)?？紤]螺桿的設計是垂直放置的，較大，長度較長，工作負荷，對剛度的要求比較大，所以抗加載方式的選擇。
各自的承受極限軸的軸向運動兩端的自由度方向，對軸承預緊的處理，首先應考慮工作溫度，當工作溫度太高，由于軸承與端蓋之間的軸向間隙很小，所以除了受熱畸變，條件下的軸，還必須考慮預留的間隙的大小，如果太大，導線會影響下軸的軸向力。因此，對雙支點單向固定支架的選擇，基本結(jié)構(gòu)相似，如圖4-4所示。
圖4-4 采用深溝球軸承的雙支點各單向固定
軸承的選型：
根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型時，要注意軸向載荷和徑向載荷承受的主次關系，結(jié)合設計的軸承，主要承受徑向載荷，軸向載荷和較小，深溝球軸承可以滿足設計要求。當只承受徑向載荷時，接觸角為零。當深溝球軸承具有較大的徑向游隙時，具有角接觸軸承的性能，可以承受軸向負荷，深溝球軸承摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速也很高。從《機械設計手冊》，根據(jù)螺旋軸的直徑確定軸承的基本尺寸，由前表明，絲杠軸直徑為20mm，可以選擇6003型軸承的代碼（新代碼）的深溝球軸承，基本尺寸見表4-1。
滾動軸承的檢查：
由于滾動軸承應力引起的失效形式（坑），應做相應的維修和保護。潤滑能減少摩擦，熱，振動和防止銹蝕的作用，最大的作用是可以降低軸承壽命的接觸應力，這也是一個很大的安全。對于軸承的壽命，定義為一個軸承，環(huán)相對于革命的其他軸承的壽命?，F(xiàn)在檢查本設計采用深溝球軸承。首先確定徑向負荷和徑向負荷的軸承承受。
表4-1 6003深溝球軸承參數(shù)表
由表4-1可知，6003型的深溝球軸承的基本額定動載荷為；基本額定靜載荷為；
所以，軸承所承受的徑向載荷為=4×9.8=39.2N；軸承所承受的軸向負載為=16.2N。
考慮到在實際應用中的軸承，往往同時承受徑向載荷和軸向載荷，因此在生命的計算，必須有實際的負載和確定基本額定動載荷載荷條件相一致的當量動載荷，首先確定當量動載荷。
載荷系數(shù)的選擇，可由表4-2得到。
表4-2 當量動載荷P的載荷系數(shù)
查機械手冊得X=1，Y=1.65；查表 2-9 得=1.1。
所以當量動載荷為：
由基本額定動載荷與當量動載荷可確定滾動軸承的壽命，由前可知，軸承轉(zhuǎn)速n=500r/min，壽命系數(shù)取=3。
則根據(jù)壽命公式：
可見，選用的軸承能滿足絲杠軸的高精度運動要求。
滾珠絲杠的選型：
選擇絲杠軸直徑：20mm；導程：5mm的公稱型號為BTK2005-2.6的軋制滾珠絲杠。
第5章 機械手結(jié)構(gòu)設計
5.1夾持器設計的基本要求
圖（5-1）所示的是機械手的一般結(jié)構(gòu)：
圖5-1 滑槽杠桿式手部
1.液壓缸2.拉桿軸 3.手爪關節(jié)座 4. 手爪
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)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，這里采用滑槽杠桿式。
（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；
（2）手指應具有一定的開閉范圍；
（3）應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；
（5）應考慮通用性和特殊要求。
設計參數(shù)及要求
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為φ50×50mm的鋁制圓柱體，放松時的兩抓的最大距離為60-80mm/s ，1s抓緊，夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為鋁；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動力。
5.2 夾緊裝置設計
5.2.1 夾緊力計算
手指夾在工件夾緊力主要是根據(jù)手的設計，必須為它的大小，方向，作用點的計算分析。一般情況下，夾緊力必須在工作負載所產(chǎn)生的引力（慣性力和慣性力矩）加以克服，以保持可靠的工件夾緊狀態(tài)。
根據(jù)下面的公式手指工件的夾緊力計算：
（5-1）【4】
式中：
—安全系數(shù)，機器人工藝，并確定設計要求。通常取1.2—2.0，取1.5；
—系數(shù)工件的情況下，主要考慮慣性力的影響，計算最大加速度派生作品系數(shù)，，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；
—取向系數(shù)，根據(jù)手指的形狀和手指與工件和工件位置來選擇不同的手指和工件的位置是：手指垂直工件水平；
手指與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計算,
G—被抓取工件的重量
求得夾緊力，，取整為120N。
5.2.2 驅(qū)動力計算
根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關系式：
（5-2）【4】
式中：
c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得，得出F為理論計算值，實際采取的氣缸驅(qū)動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
，取
5.2.3 氣缸驅(qū)動力計算
設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：
（5-3）【4】
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動壓力，
，工作壓力
據(jù)公式計算可得氣缸內(nèi)徑：
根據(jù)氣動設計手冊，圓整后取D=16mm。
活塞行程，當抓取50mm工件時，即手爪從張開80mm減小到50mm，楔快向前移動大約30mm。取氣缸行程S=30mm。
5.2.4 選用夾持器氣缸
長沙華德液壓氣動有限公司所生產(chǎn)的QCG薄型氣缸QGD16-40剛好滿足條件，所以選取這個氣缸。
表5-1 QCG薄型氣缸安裝尺寸圖
缸徑
行程
Ф16
5mm
Ф16
10mm
Ф16
15mm
Ф16
20mm
Ф16
30mm
Ф16
40mm
5.2.5 手爪的夾持誤差及分析
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。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，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖5-1，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。
R1，R2---工件半徑 C1C2=
圖5-1 夾持誤差圖
工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。
本設計為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖5-2
圖5-2 楔塊杠桿式夾持器
若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關系有：
簡化為：
該方程為雙曲線方程，如圖5-3：
圖5-3 工件半徑與夾持誤差關系曲線
由上圖得，當工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出：
，通常取，
若工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。
在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當a值較大時），偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即下式：
其中，，型鉗的夾角
代入得出：
則
則，此時定位誤差為和中的最大值。
分別代入得：
，
所以，＜，夾持誤差滿足設計要求。
由以上各值可得：
取值為。
5.2.6 材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=6mm，需使用2個。
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=6mm，需使用2個。
滾子與手指連接選用圓柱銷，d=4mm，需使用2個。
以上材料均為鋼，無淬火和表面處理銷兩端均打直徑1.2mm的圓孔，用GB/T91
1.2x8的開口銷連接。
結(jié)論
機械行業(yè)為了提高自身競爭力，縮短產(chǎn)品的設計周期，提高設計效率，機械設計從傳統(tǒng)的人工測量、構(gòu)想、初步設計、人工繪圖進入了新的CAD技術時代[17]。本文設計具體完成了以下工作：
（1）對三軸龍門機械手進行分析，提出本設計的背景和意義。
（2）根據(jù)設計參數(shù)對機械手的初期設計進行了詳細的分析和計算，在完成各部件的設計的同時，對必要的零部件進行校核分析。
（3）為了滿足機械手的的工作要求，對機械手的各附件、潤滑和密封方式進行分析與選擇。
（5）運用AutoCAD繪制三軸龍門機械手裝置的總裝配圖和主要零件圖。
題目的綜合訓練比較強，涉及知識面廣，重點在于培養(yǎng)工程思想及意識，理論聯(lián)系實際，提高初步設計能力。設計要求在保證其原有性能的前提下，盡可能地提高其特色即性能價格比。并且要求該機械手具有較小的體積，簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的價格，和造型美觀的外形，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設計要方便人體接近方便工具的使用。其難點在于結(jié)合實際，進行結(jié)構(gòu)設計. 在設計過程中，我綜合運用了四年來所學到的專業(yè)知識，感覺到自己專業(yè)知識中某方面的欠缺，通過再次的復習，明顯感覺到了知識的增長，我們從中學到了很多的知識，也體會到了畢業(yè)設計的綜合性，結(jié)合輔導老師的指導與自己的專業(yè)知識和生產(chǎn)實踐，才能較為完整地完成此次設計任務。
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致 謝
在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了XX老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了XX老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想，嚴謹務實的治學態(tài)度，淵博的知識，精益求精的工作作風，育人不倦的精神，將永遠銘記在學生的心靈，使學生終生。在此我向XX老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時也感謝輔導員XX老師在這四年來對我們的虛心的教導!
感謝工學院的領導和老師對我的關心和幫助!
再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們!