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摘要
近代的工業(yè)機械手是由目標(biāo)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(shè)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(xué)科的知識。包含機構(gòu)學(xué)、計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)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。可以說機械手是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)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(shè)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(jìn)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(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設(shè)計要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算。
關(guān)鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度
Abstract
Industrialmanipulatoriscomposedoftargetofmodernmechanicalbody,controlsystem,sensorsystem,controlsystemandservoactuatorsystem,operation,automaticcontrol,akindofimitationofhumanmultipleprogramming,tocompletetheworkofeverykindofMechatronicsdeviceinthree-dimensionalspace.Industrialmachineryhandtoenhanceandensurethequalityofproducts,improveproductionefficiency,playsaveryimportantroleinimprovingtheworkingconditionsofworkersandtherapidupdatingofproduct.Industrialmachineryhandtechniquecombinedwithmultidisciplineknowledge.Includingmechanism,computer,controltheory,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandsoon.Itistheveryactive,verywideapplicationareas.
Themanipulatorhasmanyhumanbeingsdonothave,includingtherapidanalysisofenvironmentalcapacity;stronganti-interferenceability,canworkforalongtimeandhighprecisionwork.Canbesaidthatthemanipulatorisaproductoftheprogressofindustry,italsoplaysavitalroleinthemodernindustry.Nowadays,industrialrobothasbecometheconcernoftheindustryallovertheworld.
ThissubjectcomesfromtheYalongYL-221automationtoflexibleproductionsystem,themachineindependentinnovationtrainingsystemtosimulatetheactualindustrialproductionsystem,accordingtothedifferentstagesofproductionmachineisprovidedwithapluralityofworkstation:automaticaccessoverheadwarehouse,handlingrobotstation,lineconveyor,conveyorstationstation90degreeturn,mechanicalprocessingstation,station,thestationcodeheap.
WedesignarobotwillbeusedinLongmen,staffentry,disconnectedtotheconveyorbeltpartsaretransportedbymechanicalhand,tothecompletionoftheworkofsafetygripandrelease,andthepartsfromoneendtotheotherendoftheconveyorbeltproductionlinepositionspecifiedontheconveyorbelt.
Thispaperexpoundsthedevelopmenthistoryofthemanipulator,theapplicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,putsforwardthedesignrequirementsofthemanipulatorspecificanddetailstructuredesign,overalldesignandvariousdegreesoffreedom.
KeyWords:robot;industrial;transmission;strength
目錄
摘要 1
Abstract 2
目錄 3
第一章緒論 5
1.1機械手概念 5
1.2課題研究的背景和意義 6
1.3國內(nèi)外機械手的研究 7
1.4機械手的應(yīng)用 10
第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
2.1課題技術(shù)要求 12
2.2設(shè)計原理 12
第三章機架的設(shè)計 15
3.1機架的設(shè)計要求 15
3.2機架設(shè)計方案 16
3.3機架尺寸結(jié)構(gòu) 16
第四章電動機聯(lián)軸器及直線導(dǎo)軌設(shè)計 19
4.1電動機的選型 19
4.2聯(lián)軸器設(shè)計 20
4.3直線導(dǎo)軌設(shè)計 22
第五章傳動設(shè)計 23
5.1 X軸方向 23
5.1.1 運動原理 23
5.1.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核 24
5.2 Y軸方向 27
5.2.1運動原理 27
5.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核 28
5.3 Z軸方向 30
5.3.1運動原理 30
5.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核 31
5.4 吸盤設(shè)計 33
參考文獻(xiàn) 34
第一章緒論
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(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)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(yīng)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?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。械手概述工業(yè)機器人由操作機(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(fù)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(shè)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。
機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。
生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)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。
1.2課題研究的背景和意義
本課題將設(shè)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(jìn)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(xué)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(shè)計。希望學(xué)生通過本課題設(shè)計，能充分運用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，設(shè)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(shè)計說明書中，選用合理的動力元件，計算設(shè)計零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設(shè)計思路，綜合應(yīng)用機械原理和設(shè)計、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。
工業(yè)機械人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。轉(zhuǎn)運機械手是工業(yè)機器人的一部分。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的搬運任務(wù)。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要跟據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常的高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。
（1）為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鋼造、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手或機器人。（2）由于機械手的動作準(zhǔn)確，因為可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。（3）機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人得功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長時間的單調(diào)重復(fù)勞動。（4）機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能較好的適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能在中、小批量的自動化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。（5）采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。
本課題來源于金川集團(tuán)股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項目，本課題主要是設(shè)計一個機械手將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。
1.3國內(nèi)外機械手的研究
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研13上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)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。
圖1.1常見機械手
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Uni
-maton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進(jìn)行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufac- turingsystem)和柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。
在現(xiàn)在工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯的生產(chǎn)。日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。
圖1.2碼垛機械手
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。
以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化9前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。國內(nèi)機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料。減輕工人的勞動強度。。
國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺”“觸覺”和反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能對所抓取的工件進(jìn)行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進(jìn)而精確地在機器中定位、定向。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和法、分辨形狀不同的零件，它有視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進(jìn)行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工作。
1.4機械手的應(yīng)用
機械手涉及到非常多學(xué)科的知識和領(lǐng)域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個學(xué)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(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機械手在應(yīng)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(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。國內(nèi)已建成的這類自動線很多，如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機軸加工自動線（軸類），上海拖拉機齒輪廠的齒柸加工自動線（盤類）等。簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣缸蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。
機械手的廣泛應(yīng)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(yīng)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。
圖1.3機械手的應(yīng)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)?，F(xiàn)代，機械手產(chǎn)業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界機械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀(jì)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(dá)到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，機械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機械手在制造業(yè)中應(yīng)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。
第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計
本課題來源于金川集團(tuán)股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項目，本課題主要是設(shè)計一個機械手將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。
2.1課題技術(shù)要求
①需要移動的板材尺寸：1000×1000mm；重量：≤60kg；
②機械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；
③時間要求：1分鐘移動6塊以上的鎳板。
2.2設(shè)計原理
在鎳板生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)的需要，要求將一個堆垛上的板材一塊一塊地移位到另一個堆垛上，由于鎳板較薄（一般≤3mm），不適合采用夾持的方式，且由于多塊板材堆放在一起，采用夾持的方式也很難對板材進(jìn)行一塊塊分離，針對此問題，本課題擬設(shè)計一個機械手，實現(xiàn)將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。
圖2.1能做三個方向自由移動的機械手
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.
驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。
控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
為了實現(xiàn)上述機械手的工作要求，本課題采用吸盤的方式對堆垛上的板材進(jìn)行吸附，如何設(shè)計吸盤實現(xiàn)對需要移動的板材進(jìn)行吸附，同時對吸附后的板材完成提升、移位和堆垛動作是本課題需要完成的主要工作。
本機械手采用由機械傳動機構(gòu)與電力傳動機械手相結(jié)合的方式，它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變，電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進(jìn)電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。
機械手的座標(biāo)型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具只有升降、收縮，因此，采用直角座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，即X軸方向移動、Y軸方向移動、Z軸方向移動，即左右上下前后。
主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，使用多個吸盤式手部完成對重物的吸附抓取。
機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程。手臂升降行程定為150mm。機械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；時間要求：1分鐘移動6塊以上的鎳板。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5～±lmm。
圖2.2類似碼垛機械手設(shè)計樣例
第三章機架的設(shè)計
機架零件往往是機器中最大的零件，在機器總重量中，一般情況下，機器零件占70%—90%。因此，設(shè)法減輕這類零件的重量具有一定的經(jīng)濟意義。機架零件按構(gòu)造形式不同大體上可歸納成四類：1、機座類；2、板類；3、框架類。此外也有其他分類方法，如整體機架和部分機架、鑄造機架和焊接機架、固定機架和移動機架等。
3.1機架的設(shè)計要求
對于機架零件一般可提出下列基本要求：1、足夠的強度和剛度；2、形狀簡單，便于制造；3、便于在機架上安裝附件等。對于帶有缸體、導(dǎo)軌等的機架零件，還應(yīng)有良好的耐磨性，以保證機器有足夠的使用壽命。高速機器的機架零件還應(yīng)滿足振動穩(wěn)定性的要求。強度和剛度是評價機架零件工作能力的基本增長準(zhǔn)則。
機架零件形狀比較復(fù)雜采用鑄件。鑄鐵的鑄造性能好、價廉、吸振能力較強，所以在機架零件中應(yīng)用最廣。受載情況嚴(yán)重的機架常用鑄鋼、如軋鋼機機架。要求質(zhì)量輕時可以采用輕合金，如飛機發(fā)動機的缸體多用鋁合金鑄成。本設(shè)計選用鋼鐵作為機架材料。
機座是指設(shè)備的底架或部件，以便設(shè)備的使用或安裝附件。用鋼材焊接成機架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機座約輕20%~50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時成本較高。
機座材料的選擇簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計本設(shè)計機座使用鋼，用鋼材焊接成機架。
鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機座約輕20%~50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時成本較高。
3.2機架設(shè)計方案
本設(shè)計的機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用方形截面機座優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，箱體內(nèi)有較大的空間來安放其它部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場合。所以機座應(yīng)選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。
機座的鏈接剛度為提高結(jié)合表面的連接剛度，可采取如下措施：
（1）根據(jù)受力大小和方向，合理選擇緊固螺釘?shù)闹睆?、?shù)量及其位置。必要時，可使螺釘產(chǎn)生預(yù)緊力，來提高連接剛度。
（2）提高結(jié)合表面的光潔度和形狀精度，使結(jié)合表面上的接觸點增多，從而提高結(jié)合面的接觸剛度。
（3）增加局部剛度來提高連接剛度，在安裝螺釘處加厚凸緣；或用壁龕式螺釘孔；或用加強筋等辦法增加局部剛度，從而提高連接剛度。
圖3.1三維模型
3.3機架尺寸結(jié)構(gòu)
設(shè)計時，應(yīng)使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以便于制造和降低成本。一是因為這是直角坐標(biāo)，所以要保證驅(qū)動器與連接板之間的重合度；還要保證驅(qū)動器與驅(qū)動器之間的垂直度，而且在運動過程中兩個驅(qū)動器的極限位置是不能發(fā)生干涉的，另外它們和橫梁，機架，機座之間也不能發(fā)生運動干涉。二是在控制方面，傳感裝置要有快速的檢測功能與急停功能，一個狀態(tài)到另外一個狀態(tài)的速度要快。三是連接部分的強度要高，不易松懈，還要承受的起它下部的所有重量。四是各個驅(qū)動器內(nèi)部的各個零部件之間的傳動效率，安裝精度和配合誤差，旋轉(zhuǎn)精度都要適合于所有的靜連接（適當(dāng)?shù)拈g隙或過度配合）與動連接（適當(dāng)?shù)倪^盈配合）；而且像工作臺的運動極限位置應(yīng)該不能與靜連接之間發(fā)生干涉；還有連接板與驅(qū)動器的接觸面要有符合條件的表面粗糙度。五是橫梁要有足夠的剛度；機架要有足夠的抗彎強度與垂直度；機座要有適當(dāng)?shù)拇笮∫垣@得適當(dāng)?shù)闹匦模粌H能滿足靜止時的平穩(wěn)更能滿足運動時的平穩(wěn)。
圖3.2二維模型主、俯視圖
圖3.3二維模型左視圖
1、 支腿強度校核
支腿長度l=515cm,ix=8.62cm,λ=lix =5158.62 =59.74，λ×0.956=57.12，查表可知φ=0.745，則支腿最大承受壓力N=σ×A×φ=21.5×63.53×0.931= 1017.59KN，裝備靜載為2000KN，分布在16個支腿上，因此滿足強度要求，可以使用。
2、 斜撐強度校核
斜撐選用?89×4無縫鋼管，橫截面積A=10.68cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa,取安全系數(shù)為1.5，則σb=143MPa,σ=NA =518.19210.68 =24.26MPa<σb，滿足強度要求。
3、 橫撐強度校核
橫撐選用10#槽鋼，橫截面積為A=12.748cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa，取安全系數(shù)為1.5，則σb=143MPa，σ=NA =518.1912.748 =40.65MPa<σb，滿足強度要求。
第四章電動機聯(lián)軸器及直線導(dǎo)軌設(shè)計
4.1電動機的選型
步進(jìn)電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機。
本機械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實現(xiàn)。故本機械手選用的驅(qū)動電機都是步進(jìn)電機。
圖4.1步進(jìn)電動機
步進(jìn)電機的原理步進(jìn)電機是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖型號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進(jìn)電機的運動是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖型號，通過環(huán)行分配器按一定的順序加到電動機的各個繞組上。
步進(jìn)電機的特點簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計主要特點是能實現(xiàn)精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因為步進(jìn)電機運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率。
步進(jìn)電機的選用原則選擇步進(jìn)電機時，首先要保證步進(jìn)電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負(fù)載并有一定的余量保證其運行可靠。
在實際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計選擇功率步進(jìn)電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負(fù)載的負(fù)載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。
本設(shè)計的選用本設(shè)計選用東方電機PK26系列的3相步進(jìn)電機，3相PK系列為高轉(zhuǎn)矩·低振動型步進(jìn)電動機。除了每轉(zhuǎn)200分割（1.8?/step）的標(biāo)準(zhǔn)型外，另外還備有每轉(zhuǎn)400分割的高分辨率型以及高轉(zhuǎn)矩、高分辨率的減速機型產(chǎn)品。驅(qū)動本系列時需另購驅(qū)動器。
本設(shè)計選用電機的基本參數(shù)名稱類型安裝尺寸軸型步距角勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩2相步高轉(zhuǎn)矩60mm單軸1.8度1.7N×m2A/相到2.2N×m0.75N×m額定電流保持轉(zhuǎn)矩進(jìn)電機。能夠使B轉(zhuǎn)動起來的最小力矩為：Md=45*9,8*0.25=110.25（N*m） 忽略效率因素：電動機需傳遞的最小轉(zhuǎn)矩T=110.25/40=2.76 (N*m) 由式：T=9550*P/n P=T*n/9550=2.76*1400/9550=0.40(KW) 選取標(biāo)準(zhǔn)系列：電機選擇0.75（Kw）交流異步電動機
4.2聯(lián)軸器設(shè)計
聯(lián)軸器的選擇主要考慮所需傳遞軸轉(zhuǎn)速的高低、載荷的大小、被聯(lián)接兩部件的安裝精度等、回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、價格等，參考各類聯(lián)軸器的特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。
1) 所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求。
2)聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對于高速傳動軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。
3)兩軸相對位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對中，或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對位移時，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。
4)聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤滑的聯(lián)軸器此較可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對溫度、腐蝕性介質(zhì)及強光等比較敏感，而且容易老化。
5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆方便、維護(hù)簡單、成本低的聯(lián)軸器。萬向聯(lián)軸器利用其機構(gòu)的特點，使兩軸不在同一軸線，存在軸線夾角的情況下能實現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。
本設(shè)計選用萬向聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。萬向聯(lián)軸器最大的特點是：其結(jié)構(gòu)有較大的角向補償能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。不同結(jié)構(gòu)型式萬向聯(lián)軸器兩軸線夾角不相同，一般在5°-45°之間。
圖4.2萬向聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器適用于小力矩的軸聯(lián)接，如編碼器、步進(jìn)馬達(dá)等。彈性聯(lián)軸器通常由金屬圓棒線切割而成，常用的材質(zhì)有鋁合金、不銹鋼、工程塑料。彈性聯(lián)軸器運用平行或螺旋切槽系統(tǒng)來適應(yīng)各種偏差和精確傳遞扭矩。彈性聯(lián)軸器通常具備良好的性能而且有價格上的優(yōu)勢，在很多步進(jìn)、伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用中，彈性聯(lián)軸器是首選的產(chǎn)品。一體成型的設(shè)計使彈性聯(lián)軸器實現(xiàn)了零間隙地傳遞扭矩和無須維護(hù)的優(yōu)勢。
圖4.3三維設(shè)計中用到的萬向、彈性聯(lián)軸器
4.3直線導(dǎo)軌設(shè)計
導(dǎo)軌的作用導(dǎo)軌的作用是使運動部件能沿一定的軌跡運動（導(dǎo)向），并承受運動部件及工件的重量和切削力（承載）。在導(dǎo)軌副中，運動的一方叫運動導(dǎo)軌；不運動的一方叫支撐導(dǎo)軌。運動導(dǎo)軌相對于支撐導(dǎo)軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。
導(dǎo)軌的設(shè)計要求（1）導(dǎo)向精度高影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，裝配量。導(dǎo)軌及其支撐部件的剛度和熱變形，對靜壓導(dǎo)軌還有油膜的剛度等。（2）耐磨性能好主要是指使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度，應(yīng)該力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。因此可選用合適的耐磨涂料，潤滑方法和保護(hù)裝置，使導(dǎo)軌具有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。（3）足夠的剛度導(dǎo)軌受力變形會影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。（4）運動輕便和低速平穩(wěn)性簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計要使導(dǎo)軌的阻力小，運動輕便，低速運行時無爬行現(xiàn)象。（5）結(jié)構(gòu)工藝性好要加工和裝配方便，使用時便于調(diào)整和維修，成本低。
直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。在大陸稱直線導(dǎo)軌，臺灣一般稱線性導(dǎo)軌，線性滑軌。直線導(dǎo)軌運動的作用是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線軸承主要用在自動化機械上比較多。
圖4.4三維設(shè)計中的直線導(dǎo)軌與實物對比
第五章傳動設(shè)計
5.1 X軸方向
5.1.1 運動原理
該方向采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給從動齒輪軸，從動齒輪軸與萬向軸鏈接，將力矩傳遞給另一側(cè)的齒輪，齒輪與直線齒條嚙合，提供X方向前進(jìn)或者后退的動力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿印?
圖5.1 X方向運動示意圖1
圖5.2 X方向運動示意圖2
圖5.2 X方向運動示意圖2
電動機驅(qū)動的帶式運輸機的兩級減速器高速級的直齒圓柱齒輪傳動,傳遞的功率P1=5.5kW，小輪轉(zhuǎn)速n1=960r/min，齒數(shù)比u=4.45。
5.1.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核
① 選定材料、齒數(shù)、齒寬系數(shù)
由表10-7選擇常用的調(diào)質(zhì)鋼
小輪：45調(diào)質(zhì) HB1=210～230，
大輪：45正火 HB2=170～210，
取小輪齒數(shù)Z1=22，則大輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.45×22≈98，
對該兩級減速器，取fd=1。
②確定許用應(yīng)力：
許用接觸應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
式中 sHlim1=560MPa，sHlim2=520MPa（圖8-7（c）），
sFlim1=210MPa，sFlim2=200MPa（圖8-7（c））。
sFlim按圖8-26查取，應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，而最小安全系數(shù)sHlim=sFlim=1（表8-5），故
MPa
MPa
MPa
MPa
③ 按齒面接觸強度設(shè)計
由式
d1≥
計算小輪直徑。
載荷系數(shù)K=KAKVKβ
取KA=1（表8-2），KV=1.15，Kβ=1.09（表8-3），故
K=1×1.15×1.09=1.25
小輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=9.55×106p/n=9.55×106×5.5/960=54713.5Nmm
彈性變形系數(shù)ZE=189.8（表10-5）。
節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。
將以上數(shù)據(jù)代入上式得
d1≥mm
④確定主要參數(shù)
求中心距a
a=(d1+d2)/2=d1(1+i/2)=51.86×(1+4.45)/2=141.32 mm
圓整后，取a=145mm，則d1的計算值變?yōu)?3.2mm。
計算模數(shù)
m=d1/z1=53.2/22=2.4mm
按表10-1取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2.5mm。
求z1、z2
總齒數(shù) zc=z1+z2=2a/m=2×145/2.5=116
若Zc不等于整數(shù)時，可改變模數(shù)值使之成為整數(shù)。因
zc=z1(1+i)
故 z1=zc/(1+i)=116/(1+4.45)=21.28
取z1=22（因最后d1必須大于接觸強度公式所求d值）。則
z2=zc-z1=116-22=94
實際 i=z2/z1=94/22=4.27
傳動比的變動量為
可用。
求小齒輪工作寬度
d1=z1m=22×2.5=55mm>51.86mm
計算齒輪的工作寬度
b=fdd=1×55=55mm
取b2=55mm，b1=60mm.
⑤ 校核彎曲強度
由式
，
分別驗算兩輪齒根彎曲強度。
計算圓周力
N
齒形系數(shù)YFa、應(yīng)力修正系數(shù)Ysa
可由圖8-23、10-24查得，當(dāng)
z1=22，YFa1=2.78，Ysa1=1.61，
z2=94，YFa2=2.22，Ysa2=1.87，
則
MPa
MPa
⑥ 主要幾何尺寸
m=2.5mm，z1=22，z2=94，
d1=55mm，d2=z2m=94×2.5=235mm，
da1=m(z1+2)=2.5×(22+2)=60mm，
da2=m(z2+2)=2.5×(94+2)=240mm，
df1=m(z1-2.5)=2.5×(22-2.5)=48.75mm
df2=m(z2-2.5)=2.5×(94-2.5)=228.75mm
b=55，取b1=60mm，b2=55mm，
a=(d1+d2)/2=(55+235)/2=145mm
5.2 Y軸方向
5.2.1運動原理
該方向采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Y方向前進(jìn)或者后退的動力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿印?
圖5.4 Y方向運動示意圖1
圖5.5 Y方向運動示意圖2
5.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點: (1) 齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時才與其 節(jié)圓相重合. (2) 齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角. 因此,齒條模數(shù)m=4，壓力角20=a
1.齒條斷面形狀選取圓形
選取齒數(shù)z＝60
齒頂高系數(shù)
頂隙系數(shù)
齒頂高 ha=ham=1×4, ha=4 mm
齒根高 hf=( ha+ c)m， hf=（1+0.25）×4=5 mm
齒高 h=ha+hf =4+5， h=9 mm
最終確定齒條為650mm長
2．確定許用彎曲應(yīng)力
sHlim1=710MPa，sHlim2=580MPa，
sFlim1=600MPa，sFlim2=450MPa，
安全系數(shù)取SHlim=1.1 SFlim=1.25
N1=60×1000×5×300×16=14.4×108
N2= N1/i=14.4×108/3=4.8×108
得：ZN1=0.975 ZN2=1.043
YN1=0.884 YN2=0.903
3．按齒面接觸強度設(shè)計
（1）工作轉(zhuǎn)矩
（2）載荷系數(shù)
KA=1.5 KV=1.15 Kb=1.09
K= KAKV Kb=1×1.15×1.09=1.88
（3）計算齒面彎曲應(yīng)力
查的彈性變形系數(shù)：ZE=189.8
節(jié)點區(qū)域系數(shù)： ZH=2.5。
則：
，取m=4mm
d1=mz1=4×27=108 mm
b=yd d1=108 mm
4．校核彎曲強度
查得：YFa1=2.58，YSa1=1.62，
YFa2=2.33，YSa2=1.75，
則：
滿足強度要求。
5.3 Z軸方向
5.3.1運動原理
該方向采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Z方向前進(jìn)或者后退的動力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿?。該方向為豎直方向，為防止下滑，采用類似于鋼軌截面的導(dǎo)軌截面。
圖5.6 Y方向運動示意圖1
圖5.7 Y方向運動示意圖1
5.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核
1、 嚙合齒輪的數(shù)據(jù)確定
設(shè)模數(shù)m=3，z=17，α=20o，其寬選擇20，計算如下：
d=m×z=3×17=51
da=d+2ha=51+2×1×3=57
df=d-2hf=51-2×1.25×3=43.5
2、 輸出齒輪的數(shù)據(jù)確定
設(shè)模數(shù)m=3，z=34，α=20o，其寬選擇15，計算如下：
d=m×z=3×34=102
da=d+2ha=102+2×1×3=108
df=d-2hf=102-2×1.25×3=94.5
3、 齒條的設(shè)計
設(shè)模數(shù)m=3，z=40，α=20o，其寬選擇20+10，即有齒部分為20，沒有齒部分為10，計算如下：
p=π×m=9.425
L=p×z=377
ha= m ×ha*=3
hf= m ×(ha*+c*)=3.75 \
齒輪強度校核
1．齒輪參數(shù) 傳遞功率：600KW
輸入轉(zhuǎn)速：25.68rpm
輸出轉(zhuǎn)速：6.0rpm
Z1=25 M=36 42CrMo Z2=107 M=36 ZG35CrMo 齒寬：600mm
熱處理：a)軟齒面 b)硬齒面（中頻表面淬火）
2． 強度校核
1) 按軟齒面校核
a) 系數(shù)選擇
使用系數(shù)Ka=1.25 動載系數(shù)Kv=1.2
齒向載荷分布系數(shù)KH=1.025 KF=1.0
齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.2 Kf=1.2
應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8
彈性系數(shù)Ze=189.8
壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2
齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3
b) 確定疲勞極限
接觸疲勞極限 σh1=1180mpa σh2=650mpa
彎曲疲勞極限 σf1=380mpa σf2=300mpa
最小接觸安全系數(shù)SH=1.1 最小彎曲安全系數(shù)SH=1.3
c) 計算結(jié)果 向左轉(zhuǎn)|向右轉(zhuǎn)
2) 按硬齒面校核
a) 系數(shù)選擇
使用系數(shù)Ka=1.25 動載系數(shù)Kv=1.2 齒向載荷分布系數(shù)KH=1.05 KF=1.01 齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.1 Kf=1.1 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 彈性系數(shù)Ze=189.8 壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3
b) 確定疲勞極限 接觸疲勞極限 σh1=1200mpa σh2=700mpa 彎曲疲勞極限 σf1=400mpa σf2=350mpa 最小接觸安全系數(shù)SH=1.2 最小彎曲安全系數(shù)SH=1.5
5.4 吸盤設(shè)計
平直型真空吸盤的工作原理:首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(如真空發(fā)生器等)接通,然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸,起動真空設(shè)備抽吸,使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓,從而將待提升物吸牢,即可開始搬送待提升物。當(dāng)待提升物搬送到目的地時,平穩(wěn)地充氣進(jìn)真空吸盤內(nèi),使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓,真空吸盤就脫離待提升物,從而完成了提升搬送重物的任務(wù) 。
采用吸盤的方式來提取物件，將目標(biāo)物放置在規(guī)定的地點。該吸盤共有9個吸嘴，對稱分布，吸盤基座位置開四個螺紋孔，通過螺紋與Z軸移動架相連，實現(xiàn)吸盤的上下移動。
圖5.8 吸盤設(shè)計示意圖1
圖5.9 吸盤設(shè)計示意圖2
通用真空吸盤選型計算公式就是：F=0.1PA
F：吸盤的理論吸吊力，單位N
P：吸盤的真空度，單位kpa
A：吸盤有效吸著面積，單位cm2通過上面的公式可得出我們常用的圓形吸盤直徑選型計算：
D：吸盤直徑，單位mm
W：吸吊物的重量，單位牛N
t：安全系統(tǒng)，水平t≥4，垂直t≥8
n：吸盤的個數(shù)
P：吸盤的真空度，單位為MPA（注意和上面P單位不同）
吸盤的真空度P一般為所選定的真空發(fā)生器（或真空泵）的最大真空度的60%至95%范圍內(nèi)選擇。
經(jīng)過實踐中使用真空吸盤,對真空吸盤的使用提出以下注意事項:
1.用真空吸盤吸持及搬送重物時,嚴(yán)禁超過理論吸持力的40%,以防止過載,造成重物脫落。
2.在使用過程中,必須保持真空壓力穩(wěn)定。
3.若發(fā)現(xiàn)吸盤老化等原因而失效時,應(yīng)及時更換新的真空吸盤。
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