畢業(yè)設計論文物流系統(tǒng)的機械手搬運系統(tǒng)的設計

1、目錄摘要iabstractii目錄iii第一章 緒論11.1引言11.2 機械手國內外研究現(xiàn)狀11.3 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢31.4 本課題的來源、目的意義及預期目標4第二章 傳送帶的設計計算62.1概述62.2永磁式低速同步電動機的選擇62.3同步帶傳動設計計算7第三章 移位轉盤機構的設計計算113.1直流電機的選擇113.2齒輪傳動的設計計算113.2.1齒輪傳動的設計計算內容123.2.2齒面接觸疲勞強度計算123.2.3彎曲疲勞強度驗算163.2.4齒輪結構的設計183.3滾動軸承的選擇計算183.3.1常用軸承的類型及特性183.3.2選擇滾動軸承的類型的方法203.3.3滾動軸承壽

2、命的計算20第四章 四軸聯(lián)動機械手設計計算224.1直流伺服電機的選擇224.2步進電機的選擇234.2.1應用中需要注意的幾點：234.2.2步進電機的具體選擇依據(jù)244.2.3混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點264.2.4 計算選擇274.3滾珠絲杠螺母副的設計計算284.3.1滾珠絲杠特點284.3.2滾珠絲杠型號的選擇294.3.3滾珠絲杠的支承和支承方式304.3.4滾珠絲杠的驗算304.3.5滾珠絲杠螺母副間隙消除和預緊334.3.6 防護、密封與潤滑及其他注意事項334.3.7聯(lián)軸器的選用34總結36參考文獻37致謝38第一章 緒論1.1引言機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些

3、動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由

4、度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手其實概念上有很多，一些自動化裝置上，以機械結構為主，實現(xiàn)手部分功能，但智能控制、關節(jié)數(shù)、傳感器都比較少，或干脆沒有，但往往也被叫做機械手。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能

5、部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。1.2 機械手國內外研究現(xiàn)狀 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(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)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能

6、自動公司,專門生產工業(yè)機械手。1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(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。1978年美國unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種unimate-vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國knka公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展

7、最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機械手從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機械手操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機械手關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機械手;其中有130多臺套噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站

8、)上獲得規(guī)模應用，弧焊機械手己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機械手約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械手產業(yè)，當前我國的機械手生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.

9、我國的智能機械手和特種機械手在“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械手，6000m水下無纜機械手的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機械手、雙臂協(xié)調控制機械手、爬壁機械手、管道機械手等機種:在機械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機械手、智能裝配機械手、機械手化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.3 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢目前

10、，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中的重要一環(huán)。未來發(fā)展具體方向為：1) 工業(yè)機械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。2) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)

11、模塊、連桿模塊用重組方式構造機械手整機;國外已有模塊化裝配機械手產品問市。 3) 工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于pc機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4) 機械手中的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、焊接機械手還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 5) 虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機械手操作者產生置

12、身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手。 6) 當代遙控機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機械手的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機械手走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機械手就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 1.4 本課題的來源、目的意義及預期目標本文重點對tvt-3000e中的機械手搬運系統(tǒng)進行設計。tvt-3000e物流系統(tǒng)是由機械手搬運系統(tǒng)單元、貨物自動識別緩沖系統(tǒng)單元、堆垛系統(tǒng)單元、自動化倉庫系統(tǒng)單元所組成。采用pc-link網(wǎng)絡或host-link或profibus總線構成的現(xiàn)代物流控制系統(tǒng)。主要完成貨

13、物的裝配與搬運，貨物的自動識別與緩沖傳輸，貨物的堆垛以及貨物的自動倉儲。于是我們提出了設計物流系統(tǒng)中機械手搬運系統(tǒng)的課題，根據(jù)機械手搬運系統(tǒng)實際狀況讓學生綜合運用所學的基礎理論,專業(yè)知識和基本技能來設計機械手搬運系統(tǒng)，從而進一步實現(xiàn)物流的自動化。tvt-3000e由機械手裝配搬運單元、貨料自動識別緩沖單元、堆垛單元、自動化倉庫單元共4個單元組成。其特點為每個單元自成系統(tǒng)，可分別單獨運行，用戶可根據(jù)實際需要自行選擇單元進行組合，可構成9種培訓系統(tǒng)，并具二次開發(fā)功能，標準接口可以直接與工控機i/o采集卡對接實現(xiàn)工控機控制系統(tǒng)。tvt-3000e模塊化現(xiàn)代生產物流培訓系統(tǒng)涵蓋了plc控制與網(wǎng)絡技術、

14、變頻調速技術、傳感器檢測技術、步進電機和伺服電機的控制技術、profibus總線技術、計算機監(jiān)控技術以及氣動技術等。作為物流培訓系統(tǒng)，為確保人身與設備安全，該系統(tǒng)的硬件設計中具有漏電保護功能，短路保護功能，急停保護功能，智能診斷功能，各種限位保護功能等。由于系統(tǒng)的電氣接線采用了具有邏輯的各種模塊式接口，這樣既簡化了接線，節(jié)省了空間，又給系統(tǒng)的調試與檢修帶來了方便，增加了硬件的隔離保護功能，測試功能和信號連接與轉換功能，便于各種故障的設置，完成各種排故的訓練，同時各模塊組成的單元具有硬件保護功能，如限位保護功能等。該系統(tǒng)還設有手動和自動轉換功能，在系統(tǒng)的自動運行過程中，若發(fā)現(xiàn)負載過載或接口出錯時

15、，可將其自動檔切換至手動檔，按動操作面板上的各種按鈕，檢查每一步的系統(tǒng)運行狀態(tài)，即可方便的排除故障完成系統(tǒng)的調整。系統(tǒng)的軟件設計，采用高速計數(shù)器，脈沖輸出定位等完成了系統(tǒng)的位控功能、pwm變頻調速功能、計算機監(jiān)控功能和網(wǎng)絡通信功能。該系統(tǒng)涵蓋了plc控制技術、變頻調速技術、傳感器檢測技術、步進電機和交流伺服電機控制技術、網(wǎng)絡技術、計算機監(jiān)控技術以及氣動技術，可實現(xiàn)上述工業(yè)控制各種高新技術的訓練與培訓。作為各類高等院校機電一體、電氣自動化、機械制造、物流等專業(yè)的教學實驗裝置與各種職業(yè)技術學院、中專、技校技能培訓的教學實習裝置。根據(jù)機械手搬運系統(tǒng)實際狀況讓學生綜合運用所學的基礎理論，專業(yè)知識和基本

16、技能來設計機械手搬運系統(tǒng)，完成機械手搬運系統(tǒng)的結構設計和控制系統(tǒng)的設計，從而進一步實現(xiàn)物流的自動化。本課題要完成的主要目標就是設計物流系統(tǒng)的機械手搬運系統(tǒng)。第一，機械手搬運系統(tǒng)的結構設計，首先掌握機械手搬運系統(tǒng)的工作原理；然后對其機械結構進行詳細設計，包括四軸聯(lián)動機械手機構、貨物傳送帶機構、貨箱推出機構、貨料平動機構、貨料推出機構和貨物移位轉盤機構的結構設計。 第二，機械手搬運控制系統(tǒng)的設計，首先分析在整個單元的運動形式，然后確定電控系統(tǒng)的主要組成部分并對其電控系統(tǒng)進行詳細設計，最后利用plc實現(xiàn)對機械手搬運系統(tǒng)的順序控制。第二章 傳送帶的設計計算2.1概述帶傳動是具有中間撓性件的一種傳動，能

17、夠緩和載荷沖擊，且運行平穩(wěn)、無噪聲，制造和安裝精度不想齒輪那樣嚴格，所以帶傳動得到了很廣泛的應用。本文的帶傳動包括兩個部分，即普通平帶傳動和同步帶傳動。在平帶中應用最多的是膠帆布平帶，其強度高且價格低廉，此外還有麻、絲或錦綸等材料編織而成的編織帶；承載層為滌綸繩，表面覆以耐磨耐油膠布或聚氨酯的高速帶；承載層為錦綸片的強力錦綸帶等。本文中的普通平帶所帶動的載荷不是很大，故可采用應用最多的膠帆布平帶，且無需進行強度校核。而帶動平帶運轉的傳送機構采用同步帶傳動，所受轉矩較大，需進行強度校核。故只進行同步帶傳動的設計與校核，包括永磁式低速同步電機的選擇和同步帶的設計計算。2.2永磁式低速同步電動機的選

18、擇本文中帶傳動是低速重復，短時工作的生產機械，應盡量選用低速電動機直接傳動，而不需要選用減速器，本文選用永磁式低速同步電動機。永磁式低速同步電機是一種無減速齒輪裝置由電機直接得到低轉速（60轉/分）的新型同步電動機，可簡化傳動機構，免除齒輪減速機構的噪聲。其特點為可靠性高，使用壽命長，運行時振動小、噪音低，轉速穩(wěn)定，啟動力矩大，啟動時電流無沖擊，負載變化時電流變化極小，具有一定的自鎖能力；且能瞬間啟動、倒轉和停機等。永磁式低速同步電機可作為低速驅動系統(tǒng)中的驅動元件。凡需要低速直接傳動的場合，均可采用這種電機，若配以變頻電源，則可變換電機轉速以適合各種需要。這里選用的電機型號為55tdy4，其主

19、要性能參數(shù)為：額定電壓 220v 額定頻率 50hz最大輸入電流0.075a 最大輸入功率16w同步轉速 60r/min 額定轉矩 300mmm絕緣 e級2.3同步帶傳動設計計算本文所選用的某些電機采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結構緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅動各個連桿的運動。為減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了同步帶傳動。同步帶可以用來傳遞平行軸間的運動或將回轉運動轉換成直線運動，同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也有相應的齒槽，帶與帶輪是靠嚙合進行傳動的，故傳動比恒定。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層，氯丁橡膠或聚氨酯為基體。這種帶薄而

20、且輕，故可用于輕高速度。同步齒形帶無相對滑動，傳動比準確，傳動精度高；采用伸縮率小、抗拉抗彎曲疲勞強度高的承載繩，因此強度高，可傳遞超過100kw以上的動力；厚度小、質量小、傳動平穩(wěn)、噪聲小、適用于高速傳動，傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98%；無需特別張緊，對軸和軸承壓力小，傳動效率高；不需要潤滑，耐水耐腐蝕，能在高溫下工作，維護保養(yǎng)方便，所以同步帶的應用日益廣泛。其主要缺點是工藝復雜，制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴格。在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的直線距離成為節(jié)距，以p表示，節(jié)距是同步帶傳動的主要參數(shù)。當同步帶垂直其底邊彎曲時，在帶中保持原長度不變的周線，

21、稱為節(jié)線。通常位于承載層的中線，節(jié)線以表示。同步帶型號分為最輕型mxl、超輕型xxl、特輕型xl、輕型l、重型h、特重型xh、超重型xxh七種。同步帶傳動原理如圖2-1所示。 圖2-1齒形帶傳動圖2-1 同步帶傳動原理示意圖設計計算如下：選取 載荷狀況平穩(wěn)，每天工作小時h，選=1.2計算功率 =p=1.2×16=19.2w （2-1）帶型和節(jié)距 查表選取帶型號為xl 節(jié)距p=5.08mm；基準寬度=9.5mm；需用工作拉力=50n； 質量q=0.022kg/m；小帶輪最小齒數(shù)=10齒數(shù) 選=14， =1×=14 （2-2）帶輪節(jié)圓直徑 （2-3）帶速 v= （2-4）初定中

22、心距 1.5（）a2() （2-5） 通常取a=（1.52）（），初選中心距a=80mm計算帶長 （2-6） （2-7）帶長 （2-8） 查表選取標準節(jié)線長度558.8mm， 節(jié)線長上的齒數(shù)z=110實際中心距： （2-9） 小帶輪嚙合齒數(shù) =7 （2-10）基本額定功率 3.5w （2-11） 同步帶基準寬度所能傳遞的功率 基準寬度的同步帶的需用工作拉力 q基準寬度的同步帶質量帶寬 =42.3mm （2-12） 嚙合齒數(shù)系數(shù)，根據(jù)小帶輪嚙合齒數(shù)選取；6時取=1軸上載荷 =274.3n （2-13）第三章 移位轉盤機構的設計計算貨物移位轉盤機構由帶有四個方型孔位的轉盤、定位氣缸、轉盤基座、型材

23、基體四部分組成。其中轉盤基座內含貨物到位檢測傳感器和2個定位傳感器。帶有四個方型孔位的轉盤由直流電機驅動。定位氣缸規(guī)格為10-35型，使帶有四個方型孔位的轉盤精確定位。移位轉盤機構的設計計算主要包括直流電機的選擇、齒輪傳動的設計計算以及校核計算，和滾動軸承的校核計算。3.1直流電機的選擇小齒輪傳動的功率和轉矩都較小，因此可由直流電機直接驅動，選擇直流電機的型號為37rg240，具體參數(shù)如下所示：電壓： dc12v額定轉速： 20r/min輸出扭矩： 20kg.cm 1nm=10.2kgcm重量： 0.2kg3.2齒輪傳動的設計計算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，傳遞的

24、功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達200m/s，直徑能做到10m以上，單級傳動比可達8或更大，因此在機器中應用廣泛。和其他機械傳動相比，齒輪傳動的主要優(yōu)點是：工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度適用范圍廣等。主要缺點是：齒輪制造需要專用機床和設備，成本較高；精度較低時，振動和噪聲較大；不適用于軸間距離較大的傳動等。齒輪傳動應滿足兩項基本要求：1）傳動平穩(wěn)要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、噪聲和振動；2）承載能力高要求在尺寸小、重量輕的前提下，齒輪的強度高、耐磨性號，在預定的使用期限內不出現(xiàn)斷齒等失效現(xiàn)象。在齒輪設計、生產和科研中，有關齒廓曲線、齒輪強度、制造精

25、度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞這兩個基本要求進行的。3.2.1齒輪傳動的設計計算內容齒輪傳動的設計計算主要有選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)等。1）齒輪類型 由于齒輪傳動是為帶動機械手的轉動，傳遞的扭矩不太大，故可采用直齒圓柱齒輪傳遞動力。2）精度選擇 齒輪精度等級的選擇是根據(jù)傳動的用途、使用條件、傳動功率、圓周速度等決定的。機械手的轉動速度不高，故選用7級精度（gb10095-88）。3）材料選擇 齒輪材料的選擇應具備下列條件：1）齒面具有足夠的強度，以獲得較高的抗點蝕抗磨粒磨損抗膠合和抗塑性流動的能力；2)在變載荷下有足夠的彎曲疲勞強度；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4

26、）價格較低。最常用的材料是鋼，鋼的品種很多，且可通過各種熱處理方式獲得適合工作要求的綜合性能。4）傳動尺寸無嚴格限制，批量較小，故小齒輪材料用40cr，調質處理，硬度為260hb，大齒輪材料為45鋼，調質處理，硬度為240hb。5）齒數(shù)選擇 選小齒輪齒數(shù)z1 =20，大齒輪齒數(shù)z2 =i×z1 =5×20=100。3.2.2齒面接觸疲勞強度計算1）初步計算小齒輪傳遞的轉矩 =20kg.cm=1960齒寬系數(shù) 查表可得 =1.0齒寬b 和小齒輪分度直徑的比值稱為齒寬系數(shù)（）為便于裝配和調整，根據(jù)和求出齒寬b后在將小齒輪寬度加大5mm10mm，但計算時按大齒輪寬度計算。接觸疲勞

27、極限 由圖可得hlim1=710mpa，hlim2=580mpa初步計算的許用接觸應力 （3-1） 值由表可得，取=90初步計算小齒輪直徑 （3-2） 取=20mm初步齒寬120=20mm （3-3）2）校核計算圓周速度 （3-4）精度等級 由表12.6，選8級精度齒數(shù)z和模數(shù)m 初取齒數(shù)=20z2 =i·z1 =5×20=100則選取z1 =20，z2 =100使用系數(shù) 由表10-2查得使用系數(shù)ka=1.5；動載系數(shù) 根據(jù)=0.489m/s，8級精度，由圖10-8查得動載荷系數(shù)kv=1.2；齒間載荷分配系數(shù) （3-5） （3-6）由此得=齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11

28、（3-7）載荷系數(shù)k （3-8） 彈性系數(shù)由表12.12，鋼的彈性系數(shù)=189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖12.16，取=2.5接觸最小安全系數(shù) 由表12.14，取=1.05總工作時間 預期使用年限十年，每年300個工作日，單班制，在使用年限內，工作時間占20%。故總工作時間為=10=4800h應力循環(huán)次數(shù) （3-9）接觸壽命系數(shù) 由圖12.18，=1.22=1.35許用接觸應力 （3-10）驗算（3-11）計算結果表明，接觸疲勞強度較為適合，齒輪尺寸無需調整，否則，尺寸調整后還應再進行驗算。3）確定主要傳動尺寸分度圓直徑d模數(shù)取標準值時，齒輪齒數(shù)確定，且與初選齒數(shù)相同，無需進行調整，故分度圓直徑不

29、會改變，即 （3-12）中心距 （3-13）齒寬 取=25mm ， =20mm3.2.3彎曲疲勞強度驗算重合度系數(shù) （3-14）齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10， （3-15）齒向載荷分配系數(shù) 由圖12.14，取=1.32載荷系數(shù)k齒形系數(shù)由圖12.21，=2.46=2.19應力修正系數(shù)由圖12.22，=1.65=1.8彎曲疲勞極限 由圖12.23c，=600mpa=450mpa彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14，取一般可靠度，可得=1.25尺寸系數(shù) 由圖12.14，=1.0 應力循環(huán)次數(shù)由表12.15，估計，則指數(shù) m=6.23 （3-16） 原應力估計次數(shù)正確 彎曲壽命系數(shù) 由圖12.24，

30、=1.15 =1.5許用彎曲應力 （3-17） 驗算 （3-18） 傳動無嚴重過載，故不作靜強度校核這樣設計出來的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。3.2.4齒輪結構的設計齒輪的結構主要由毛坯材料、幾何尺寸、加工工藝、生產批量、經濟等因素確定，各部分尺寸由經驗公式求得。對于小齒輪，齒輪直徑比軸的直徑大得多，則不論是從制造還是從節(jié)約貴重材料的觀點，應該把齒輪和軸分開。本文中的小齒輪因可轉速較低，故而設計時可將電機軸與小齒輪直接采用過盈連接，而不需要使用聯(lián)軸器，從而簡化了結構，節(jié)省了材料。對于尺寸較大的大齒輪，因小齒輪與大齒輪之間的嚙合關系是內

31、嚙合，因此需要固定大齒輪的外緣。齒圈用較好的鋼制造，大齒輪與轉盤之間用過盈連接，并且加裝4個緊定螺釘。3.3滾動軸承的選擇計算3.3.1常用軸承的類型及特性1）調心球軸承主要承受徑向載荷，同時也能承受少量的軸向載荷，因為外圈軌道表面是以軸承中點為中心的球面，故能調心允許偏轉角是在保證軸承正常工作條件下內、外圈軸線間的最大夾角。2）調心滾子軸承承受很大的徑向載荷和少量軸向載荷，承受能力較大，滾動體為鼓形，外圈滾道球面，因而具有調心性能。3）推力調心滾子軸承能同時承受很大的軸向載荷和不大的徑向載荷。滾子承腰鼓形，外圈滾道是球面，故能調心4）圓錐滾子軸承能同時承受較大的徑向、軸向聯(lián)合載荷，因系線接觸

32、，承載能力大于“7"類軸承。內、外圈可分離，裝拆方便，成對使用。5）推力球軸承只能承受軸向載荷，而且載荷作用線必須與軸線相重合，不允許有角偏差。高速時，因滾動體離心力大，球與保持架摩擦發(fā)熱嚴重，壽命降低，適用于軸向載荷大、轉速不高之處，緊圈內孔直徑小。6）深溝球軸承主要承受徑向載荷，同時也可承受一定量的軸向載荷。當轉速很高而軸向載荷不大時，可代替推力球軸承承受純軸向載荷。7）角接觸球軸承能同時承受徑向、軸向聯(lián)合載荷，公稱接觸角越大，軸向承載能力也越大。公稱接觸角有、 、三種，通常成對使用，可以分別裝于兩個支點或同裝于一個支點上。8）圓柱滾子軸承能承受較大的徑向載荷，不能承受軸向載荷。

33、因系線接觸，內、外圈只允許有極小的相對偏轉軸承內、外可分離。9）滾子軸承只能承受徑向載荷，承載能力大，徑向尺寸特小，一般無保持架，因而滾針間有摩擦，軸承極限轉速低，這類軸承不允許有角偏差。軸承內外圈可分離可以不帶內圈。 3.3.2選擇滾動軸承的類型的方法1）當載荷較大或有沖擊載荷時，宜用滾子軸承；當載荷較小時，宜用球軸承。2）當只受徑向載荷時，或雖同時受徑向和軸向載荷，但以徑向載荷為主時，應用向心軸承；當只受軸向載荷時，一般應用推力軸承，而當轉速很高時，可用角接觸球軸承或深溝球軸承；當徑向和軸向載荷都較大時，應采用角接觸軸承。3）當轉速較高時，宜用球軸承；當轉速較低時，可用滾子軸承，也可用球軸

34、承。4）當要求支承具有較大剛度時，應用滾子軸承。5）當軸的撓度變形大或軸承座孔不同、跨度大而對支承有調心要求時，應選用調心軸承。6）為便于軸承的裝拆，可選用內、外圈分離的軸承。7）從經濟角度看，球軸承比滾子軸承便宜，精度低的軸承比精度高的軸承便宜，普通結構軸承比特殊結構的軸承便宜。3.3.3滾動軸承壽命的計算主動軸處軸承的校核：選用的軸承型號為6203，由高等學校教材第四版機械設計 查得，1）徑向負荷：由以上軸承的計算可得：小齒輪處所受徑向力 雙片齒輪處所受的徑向力故該軸承所受總徑向力為2）當量動載荷： （3-19）查手冊，?。o沖擊或輕沖擊）3）確定軸承的壽命 （3-20）由計算可知選用62

35、03軸承能夠滿足使用要求。經校核，其余各處軸承均能夠滿足使用要求，但由于篇幅所限，加之計算過程多有重復，其余各軸承的校核從略。第四章 四軸聯(lián)動機械手設計計算四軸聯(lián)動機械手機構結構由伺服電機驅動可旋轉角度270°的氣控機械手（具有光電傳感器）、由步進電機驅動絲杠組件構成沿x、y軸移動裝置（含x、y軸限位開關）、可回旋270°的轉盤機構（其電氣部分由直流電動機、光電編碼器、接近開關等）以及型材基體四部分組成。四軸聯(lián)動機械手的作用是將傳送帶上的貨物搬運到指定的位置上。當貨物落入傳送帶上，由傳送帶將貨物傳送至機械手工作區(qū)，被傳感器檢測到后，機械手開始動作。機械手移至傳送帶上貨物的上

36、方，機械手張開，向下移動，機械手夾緊貨物，升起，四軸聯(lián)動機械手底盤旋轉，同時機械手在絲杠的作用下沿x、y軸直線運動，機械手將貨物放置在預定的位置上。此時進入3000e2貨料自動識別緩沖系統(tǒng)單元的自動分檢傳送帶的始端。四軸聯(lián)動機械手的設計計算涉及到步進電機的選擇、直流伺服電機的選擇、滾珠絲杠螺母副的設計計算及強度驗算以及軸承和聯(lián)軸器的選擇。對于齒輪的設計計算和校核已在帶傳動中詳細敘述，此處就不再贅述。4.1直流伺服電機的選擇直流伺服電機分為有刷和無刷電機，其各具特色，簡介如下：有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。

37、因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 選擇伺服電機也并沒有什么特定的規(guī)律可循，關鍵的是你所選擇的電機必須適應你負載運動的工作要求。比如在系統(tǒng)精度要求不高、運動速度在幾百轉以下（不超過500轉）但不至于過低（大于1轉），不需要頻繁起停的情況下，步進電機是一種很好的選擇。這是因為步進電機開環(huán)控制，控制精度低，速度太高，電機扭矩會下降的很快，將帶不動負載，速度過低會出現(xiàn)轉

38、動不連續(xù)的爬行現(xiàn)象，而且步進電機的響應也不快，不適合頻繁啟動的應用場合。當運動速度幾轉到3000多轉以下時，控制精度相對要求較高，可以選擇直流或者交流伺服電機。一般情況下，交流伺服電機低速特性不如直流伺服電機，如果負載工作于較低速，建議選擇直流伺服電機。本文中控制機械手的電機控制精度要求較高，且負載處于較低速運行，可選用直流伺服電機。經過考慮，選擇直流電機的型號為msma5aza1g，其基本參數(shù)為：額定電壓 12v額定電流 1.0a額定工作頻率 200hz額定輸出功率 0.05kw額定轉速 3000r/min4.2步進電機的選擇步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元

39、件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得所需的轉角轉速及轉向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。4.2.1應用中需要注意的幾點：步進電機應用于低速場合每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。由于歷史原因，只有標稱為12v電壓的電機使用

40、12v外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓（建議：57byg采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v），當然12伏的電壓除12v恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少。電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻

41、尼的解決。電機在600pps（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。應遵循先選電機后選驅動的原則。4.2.2步進電機的具體選擇依據(jù)步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。選用1.5度。靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很

42、難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）綜上所述選擇電機一般應遵循步驟如圖4-1所示： 圖4-1 選擇電機的步驟力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變

43、化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： p=m=2n/60 p=2nm/60其中p為功率，單位為瓦；為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉速；m為力矩，單位為牛頓·米。p=2fm/400(半步工作)其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱pps）。4.2.3混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點步進電機分三種：永磁式（pm） ，反應式（vr）和混合式（hb）。 永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)

44、點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。混合式步進電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點正是由混合式步進電機特殊的結構所帶來的，簡而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，以和最具有可比性的反應式步進電機系統(tǒng)相比為例。首先，混合式步進電機系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅動器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅動器的可靠性來決定的?；旌鲜诫姍C轉子上有永磁體，部分磁場已由轉子上的磁鋼產生，所以混合式電機繞組電流可以設計得比較小，而反應式電機磁場完全由繞組電流產生，故欲和混合式電機產生相同的轉矩，在電機體積相差不太大的情況

45、下，反應式電機所需電流就要大得多。在當前電力電子器件水平限制下，混合式電機的驅動器就比反應式電機的驅動器要可靠得多，同時由于大的繞組電流，反應式電機本體的發(fā)熱情況也要嚴重的多。實際上，為產生相同的轉矩，反應式電機不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應式驅動器必須要以高壓驅動才會有比較好的高頻性能，但這樣驅動器的可靠性會明顯變差；如果反應式驅動器取和混合式驅動器一樣的驅動電壓時，電機的高頻轉矩明顯要小，這也是反應式電機系統(tǒng)性能比混合式電機系統(tǒng)差的一個重要原因。混合式步進電機一般步距角較小，再加上混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進電機升降頻

46、規(guī)律一致的情況下，運行要比反應式步進電機穩(wěn)定?；旌鲜讲竭M電機系統(tǒng)的缺點在于混合式步進電機的制造比較復雜，電機的成本相對較高；其次是雖然混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。脈沖當量應根據(jù)系統(tǒng)精度要求來確定，一般取為0.010.02mm。如取得太大，無法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機械系統(tǒng)難以實現(xiàn)，或者對其精度和動態(tài)性能提出過高要求，使經濟性降低。所以根據(jù)滾珠絲杠的精度要求，步進電動機脈沖當量：，步角距。由于無減速裝置，所以由=/360×可知，滾珠絲杠螺距，即基本導程=4mm。一般來講，反應式步進電機步距角較小，運行頻率高，價格較低，但功耗較大，永磁式步進電機功耗

47、較小，斷電后仍有制動力矩，但步距角較大，啟動和運行頻率較低，混合式步進電機由上述兩種電機的優(yōu)點，但價格較高。考慮到滾珠絲杠的運行特點，本文采用混合式步進電機。4.2.4 計算選擇步進電機轉軸上啟動力矩的計算 （4-1）運行時：=1450n, =741n，分別取=0.03，g=300n,=1.8mm/step=36×0.01×1450+0.03×（300+741）/(2×1.8×0.7) =67.4由手冊可知：/=0.866，步進電機最大靜轉矩=/0.866=67.4/0.866=77.8 確定步進電機最高工作頻率，假定=0.025m/s=100

48、0×0.025/0.02=1250根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機。42byg250c采用兩相四拍的通電方式。相數(shù)，2；步距角，；電流，1.5a；靜力矩,110；轉動慣量，280；引線數(shù)，4。4.3滾珠絲杠螺母副的設計計算4.3.1滾珠絲杠特點滾珠絲桿是將旋轉運動轉換成執(zhí)行性的直線運動的運動轉換機構，如下圖所示，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。在數(shù)控機床的傳動中，經常用于代替滑動絲杠，以提高傳動精度。在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾珠絲杠在工作

49、過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑d和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。滾珠絲杠計算的內容包括型號選擇，穩(wěn)定性校核，極限速度校核，精度計算，剛度與變形計算等。絲杠螺母副的特點：1）用較小的扭矩轉動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。2）可達到很大的降速比

50、，使降速機構大為簡化，傳動鏈的以縮短。3）能達到較高的傳動精。用于進給機構時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達0.0001mm。4）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.920.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.200.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了34倍。因此功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/31/4。5）給予適當?shù)念A緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。6）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小

51、幾乎和運動速度完全無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動精度高。7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以由直線運動轉換為旋轉運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。8）制造工藝復雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關系，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定

52、滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑d和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。4.3.2滾珠絲杠型號的選擇根據(jù)使用要求和結構要求，選定滾珠絲杠的型號為wcm1604-2.5，這是一種微型外循環(huán)插管式、導珠管埋入式的滾珠絲杠副，精度等級選3級，其主要參數(shù)有：公稱直徑， 導程=4mm， 鋼球直徑=2.381mm， 絲杠外經d=15.7mm, 螺紋底徑=13mm， 循環(huán)圈數(shù)2.51， 額定動載荷=4763n， 額定靜載荷=10011n， 接觸剛度r=221n