板材吸盘式机械手设计【龙门机械手】

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1、 摘要 近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。 机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至

2、关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。 本课题模拟了实际工业生产系统，课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。 本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。 关键词：机械手；工业；传动；强度 Abstract Industrialmanipulatoriscomposedoftargetofmodernmech

3、anicalbody,controlsystem,sensorsystem,controlsystemandservoactuatorsystem,operation,automaticcontrol,akindofimitationofhumanmultipleprogramming,tocompletetheworkofeverykindofMechatronicsdeviceinthree-dimensionalspace.Industrialmachineryhandtoenhanceandensurethequalityofproducts,improveproductioneffi

4、ciency,playsaveryimportantroleinimprovingtheworkingconditionsofworkersandtherapidupdatingofproduct.Industrialmachineryhandtechniquecombinedwithmultidisciplineknowledge.Includingmechanism,computer,controltheory,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandsoon.Itistheveryactive,ver

5、ywideapplicationareas. Themanipulatorhasmanyhumanbeingsdonothave,includingtherapidanalysisofenvironmentalcapacity;stronganti-interferenceability,canworkforalongtimeandhighprecisionwork.Canbesaidthatthemanipulatorisaproductoftheprogressofindustry,italsoplaysavitalroleinthemodernindustry.Nowadays,ind

6、ustrialrobothasbecometheconcernoftheindustryallovertheworld. ThissubjectcomesfromtheYalongYL-221automationtoflexibleproductionsystem,themachineindependentinnovationtrainingsystemtosimulatetheactualindustrialproductionsystem,accordingtothedifferentstagesofproductionmachineisprovidedwithapluralityofw

7、orkstation:automaticaccessoverheadwarehouse,handlingrobotstation,lineconveyor,conveyorstationstation90degreeturn,mechanicalprocessingstation,station,thestationcodeheap. WedesignarobotwillbeusedinLongmen,staffentry,disconnectedtotheconveyorbeltpartsaretransportedbymechanicalhand,tothecompletionofthe

8、workofsafetygripandrelease,andthepartsfromoneendtotheotherendoftheconveyorbeltproductionlinepositionspecifiedontheconveyorbelt. Thispaperexpoundsthedevelopmenthistoryofthemanipulator,theapplicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,putsforwardthedesignrequirementsofthemanipulatorspecifica

9、nddetailstructuredesign,overalldesignandvariousdegreesoffreedom. KeyWords:robot;industrial;transmission;strength 目录 摘要 1 Abstract 2 目录 3 第一章绪论 5 1.1机械手概念 5 1.2课题研究的背景和意义 6 1.3国内外机械手的研究 7 1.4机械手的应用 10 第二章总体方案结构设计 12 2.1课题技术要求 12 2.2设计原理 12 第三章机架的设计 15 3.1机架的设计要求 15 3.2机架设计方案 16 3.3机架

10、尺寸结构 16 第四章电动机联轴器及直线导轨设计 19 4.1电动机的选型 19 4.2联轴器设计 20 4.3直线导轨设计 22 第五章传动设计 23 5.1 X轴方向 23 5.1.1 运动原理 23 5.1.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 24 5.2 Y轴方向 27 5.2.1运动原理 27 5.2.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 28 5.3 Z轴方向 30 5.3.1运动原理 30 5.3.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 31 5.4 吸盘设计 33 参考文献 34 全套图纸+Q 11970985或197216396 第

11、一章绪论 1.1机械手概念 机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一

12、体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重

13、要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附

14、属于该机床的专用机械手。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2课题研究的背景和意义 本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础

15、知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械人是近几十年

16、发展起来的一种高科技自动化生产设备。转运机械手是工业机器人的一部分。它的特点是可通过编程来完成各种预期的搬运任务。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，

17、在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要跟据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常的高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。 （1）为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、钢造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中，推广工业机械手或机器人。（2）由于机械手的动作准确，因为可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（3）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人得功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护

18、、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。（4）机械手特别是通用工业机械手的通用性，灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，简易小型直角坐标机械手设计而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。（5）采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。 本课题来源于金川集团股份有限公司镍板生产过程过程中镍板剪切项目，本课题主要是设计一个机械手将板材从一个堆垛上一块块移动到另一个堆垛上。 1.3国内外机械手的研究 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示

19、教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有自由度动作功能的柔性自动化产品。 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研13上海工程技术大学毕业设计（论文）简易小型直角坐标机械手设计制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 图1.1常见机械手 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁

20、曼公司合并成立万能自动公司（Uni -maton）,专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验

21、台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。 德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。简易小型直角坐标机械手设计瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979

22、年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算

23、机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufac- turingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。 在现在工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械

24、手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯的生产。日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 图1.2码垛机械手 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧

25、焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。 以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化9前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器

26、人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。国内机械手工业，铁路工业中首先在单机、专机上

27、采用机械手上下料。减轻工人的劳动强度。。 国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”“触觉”和反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和法、分辨形状不同的零件，它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工作。 1.4机械手的应用 机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各

28、个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线（盘类）等。简易小型直角坐标机械手设计加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。 机械手的广泛应

29、用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。 图1.3机械手的应用 机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手

30、在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。 第二章总体方案结构设计 本课题来源于金川集团股份有限公司镍板生产过程过程中镍板剪切项目，本课题主要是设计一个机械手将板材从一个堆垛上一块块移动到另一个堆垛上。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。 2.1课题技术要求 ①需要移动的板材尺寸：1000×1000mm；重量：≤60kg； ②机械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm； ③时间要求：1分钟移动6块以上的镍

31、板。 2.2设计原理 在镍板生产过程中，根据生产的需要，要求将一个堆垛上的板材一块一块地移位到另一个堆垛上，由于镍板较薄（一般≤3mm），不适合采用夹持的方式，且由于多块板材堆放在一起，采用夹持的方式也很难对板材进行一块块分离，针对此问题，本课题拟设计一个机械手，实现将板材从一个堆垛上一块块移动到另一个堆垛上。 图2.1能做三个方向自由移动的机械手 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和

32、带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式. 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系

33、统组成。 控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 为了实现上述机械手的工作要求，本课题采用吸盘的方式对堆垛上的板材进行吸附，如何设计吸盘实现对需要移动的板材进行吸附，同时对吸附后的板材完成提升、移位和堆垛

34、动作是本课题需要完成的主要工作。 本机械手采用由机械传动机构与电力传动机械手相结合的方式，它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变，电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具只有升降、收缩，因此，采用直角座标型式。相应的机械手具有三个自由度，即X轴方向移动、Y轴方向移动

35、、Z轴方向移动，即左右上下前后。 主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，使用多个吸盘式手部完成对重物的吸附抓取。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程。手臂升降行程定为150mm。机械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；时间要求：1分钟移动6块以上的镍板。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm。 图2.2类似码垛机械手设计样例 第三章机架的设计 机架零件往往是机器中最

36、大的零件，在机器总重量中，一般情况下，机器零件占70%—90%。因此，设法减轻这类零件的重量具有一定的经济意义。机架零件按构造形式不同大体上可归纳成四类：1、机座类；2、板类；3、框架类。此外也有其他分类方法，如整体机架和部分机架、铸造机架和焊接机架、固定机架和移动机架等。 3.1机架的设计要求 对于机架零件一般可提出下列基本要求：1、足够的强度和刚度；2、形状简单，便于制造；3、便于在机架上安装附件等。对于带有缸体、导轨等的机架零件，还应有良好的耐磨性，以保证机器有足够的使用寿命。高速机器的机架零件还应满足振动稳定性的要求。强度和刚度是评价机架零件工作能力的基本增长准则。 机架零件形状

37、比较复杂采用铸件。铸铁的铸造性能好、价廉、吸振能力较强，所以在机架零件中应用最广。受载情况严重的机架常用铸钢、如轧钢机机架。要求质量轻时可以采用轻合金，如飞机发动机的缸体多用铝合金铸成。本设计选用钢铁作为机架材料。 机座是指设备的底架或部件，以便设备的使用或安装附件。用钢材焊接成机架。钢的弹性模量比铸铁大，焊接机架的壁厚较薄，其重量比同样刚度的机座约轻20%~50%；在单件小批量生产情况下，生产周期较短，所需设备简单；焊接机架的缺点是钢的抗振性能较差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量较大；成批生产时成本较高。 机座材料的选择简易小型直角坐标机械手设计本设计机座使用钢，用钢材焊接成机架。

38、 钢的弹性模量比铸铁大，焊接机架的壁厚较薄，其重量比同样刚度的机座约轻20%~50%；在单件小批量生产情况下，生产周期较短，所需设备简单；焊接机架的缺点是钢的抗振性能较差，在结构上需采取防振措施；钳工工作量较大；成批生产时成本较高。 3.2机架设计方案 本设计的机座的结构设计采用方形截面机座优点在于：结构简单，制造方便，箱体内有较大的空间来安放其它部件；但刚度稍差，宜用于载荷较小的场合。所以机座应选择合适的壁厚、筋板和形状，以保证在重力、惯性力和外力的作用下，有足够的刚度。 机座的链接刚度为提高结合表面的连接刚度，可采取如下措施： （1）根据受力大小和方向，合理选择紧固螺钉的直径、数量

39、及其位置。必要时，可使螺钉产生预紧力，来提高连接刚度。 （2）提高结合表面的光洁度和形状精度，使结合表面上的接触点增多，从而提高结合面的接触刚度。 （3）增加局部刚度来提高连接刚度，在安装螺钉处加厚凸缘；或用壁龛式螺钉孔；或用加强筋等办法增加局部刚度，从而提高连接刚度。 图3.1三维模型 3.3机架尺寸结构 设计时，应使其具有良好的结构工艺性，以便于制造和降低成本。一是因为这是直角坐标，所以要保证驱动器与连接板之间的重合度；还要保证驱动器与驱动器之间的垂直度，而且在运动过程中两个驱动器的极限位置是不能发生干涉的，另外它们和横梁，机架，机座之间也不能发生运动干涉。二是在控制方面，传

40、感装置要有快速的检测功能与急停功能，一个状态到另外一个状态的速度要快。三是连接部分的强度要高，不易松懈，还要承受的起它下部的所有重量。四是各个驱动器内部的各个零部件之间的传动效率，安装精度和配合误差，旋转精度都要适合于所有的静连接（适当的间隙或过度配合）与动连接（适当的过盈配合）；而且像工作台的运动极限位置应该不能与静连接之间发生干涉；还有连接板与驱动器的接触面要有符合条件的表面粗糙度。五是横梁要有足够的刚度；机架要有足够的抗弯强度与垂直度；机座要有适当的大小以获得适当的重心，不仅能满足静止时的平稳更能满足运动时的平稳。 图3.2二维模型主、俯视图 图3.3二维模型左视图 1、

41、支腿强度校核 支腿长度l=515cm,ix=8.62cm,λ=lix =5158.62 =59.74，λ×0.956=57.12，查表可知φ=0.745，则支腿最大承受压力N=σ×A×φ=21.5×63.53×0.931= 1017.59KN，装备静载为2000KN，分布在16个支腿上，因此满足强度要求，可以使用。 2、 斜撑强度校核 斜撑选用∅89×4无缝钢管，横截面积A=10.68cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服极限为215MPa,取安全系数为1.5，则σb=143MPa,σ=NA =518.19210.68 =24.26MPa<σb，满足强度要求。 3、 横

42、撑强度校核 横撑选用10#槽钢，横截面积为A=12.748cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服极限为215MPa，取安全系数为1.5，则σb=143MPa，σ=NA =518.1912.748 =40.65MPa<σb，满足强度要求。 第四章电动机联轴器及直线导轨设计 4.1电动机的选型 步进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。 本机械手系统所要求的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较准确且控制易于实现。故本机械手选用的驱动电机都是步进电机。 图4.1步进电动机 步进电机的原理步进电机是一种利用电磁感应

43、原理，将电脉冲型号转换成直线或角位移的执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机的运动是由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲型号，通过环行分配器按一定的顺序加到电动机的各个绕组上。 步进电机的特点简易小型直角坐标机械手设计主要特点是能实现精确定位、精确位移，且无积累误差。这是因为步进电机运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲的频率。 步进电机的选用原则选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步

44、进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。 在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。简易小型直角坐标机械手设计选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有

45、一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 本设计的选用本设计选用东方电机PK26系列的3相步进电机，3相PK系列为高转矩·低振动型步进电动机。除了每转200分割（1.8?/step）的标准型外，另外还备有每转400分割的高分辨率型以及高转矩、高分辨率的减速机型产品。驱动本系列时需另购驱动器。 本设计选用电机的基本参数名称类型安装尺寸轴型步距角励磁最大静止转矩2相步高转矩60mm单轴1.8度1.7N×m2A/相到2.2N×m0.75N×m额定电流保持转矩进电机。能够使B转动起来的最小力矩为：Md=45*9,8*0.25=110.25（N*m） 忽略效率因素：电动机需传递的

46、最小转矩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) 选取标准系列：电机选择0.75（Kw）交流异步电动机 4.2联轴器设计 联轴器的选择主要考虑所需传递轴转速的高低、载荷的大小、被联接两部件的安装精度等、回转的平稳性、价格等，参考各类联轴器的特性，选择一种合用的联轴器类型。 1) 所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。 2)联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。 3)两轴相对位移

47、的大小和方向。当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。 4)联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器此较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。 　5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足便用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。万向联轴器利用其机构的特点，使两轴不在同一轴线，存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。 本设计选用万向联轴器和弹性联轴

48、器。万向联轴器最大的特点是：其结构有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。不同结构型式万向联轴器两轴线夹角不相同，一般在5°-45°之间。 图4.2万向联轴器 弹性联轴器适用于小力矩的轴联接，如编码器、步进马达等。弹性联轴器通常由金属圆棒线切割而成，常用的材质有铝合金、不锈钢、工程塑料。弹性联轴器运用平行或螺旋切槽系统来适应各种偏差和精确传递扭矩。弹性联轴器通常具备良好的性能而且有价格上的优势，在很多步进、伺服系统实际应用中，弹性联轴器是首选的产品。一体成型的设计使弹性联轴器实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。 图4.3三维设计中用到的万向、弹性联轴器 4.3直

49、线导轨设计 导轨的作用导轨的作用是使运动部件能沿一定的轨迹运动（导向），并承受运动部件及工件的重量和切削力（承载）。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨；不运动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动。 导轨的设计要求（1）导向精度高影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式，装配量。导轨及其支撑部件的刚度和热变形，对静压导轨还有油膜的刚度等。（2）耐磨性能好主要是指使用过程中能否保持一定的导向精度，应该力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。因此可选用合适的耐磨涂料，润滑方法和保护装置，使导轨具有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损。（3）足够

50、的刚度导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求导轨有足够的刚度。（4）运动轻便和低速平稳性简易小型直角坐标机械手设计要使导轨的阻力小，运动轻便，低速运行时无爬行现象。（5）结构工艺性好要加工和装配方便，使用时便于调整和维修，成本低。 直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。在大陆称直线导轨，台湾一般称线性导轨，线性滑轨。直线导轨运动的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹

51、性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线轴承主要用在自动化机械上比较多。 图4.4三维设计中的直线导轨与实物对比 第五章传动设计 5.1 X轴方向 5.1.1 运动原理 该方向采用电动机通过联轴器带动主动齿轮旋转，通过齿轮接触啮合，将力矩传递给从动齿轮轴，从动齿轮轴与万向轴链接，将力矩传递给另一侧的齿轮，齿轮与直线齿条啮合，提供X方向前进或者后退的动力，从而使得完成在该方向导轨上的自由移动。 图5.1 X方向运动示意图1 图5.2 X方向运动示意图2 图5.2 X方向运动示意图2 电动机驱动的带式运输机的两级减速器高速级的直齿圆柱齿轮传动,传递的功率P1=5.

52、5kW，小轮转速n1=960r/min，齿数比u=4.45。 5.1.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 ① 选定材料、齿数、齿宽系数 由表10-7选择常用的调质钢 小轮：45调质 HB1=210～230， 大轮：45正火 HB2=170～210， 取小轮齿数Z1=22，则大轮齿数Z2=uZ1=4.45×22≈98， 对该两级减速器，取fd=1。 ②确定许用应力： 许用接触应力 许用弯曲应力 式中 sHlim1=560MPa，sHlim2=520MPa（图8-7（c））， sFlim1=210MPa，sFlim2=200MPa（图8-7（c））。

53、 sFlim按图8-26查取，应力修正系数YST=2，而最小安全系数sHlim=sFlim=1（表8-5），故 MPa MPa MPa MPa ③ 按齿面接触强度设计 由式 d1≥ 计算小轮直径。 载荷系数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 小轮传递的转矩 T1=9.55×106p/n=9.55×106×5.5/960=54713.5Nmm 弹性变形系数ZE=189.8（表10-5）。 节点区域系数ZH=2.5。 将以上数据代入上式得 d1≥mm ④

54、确定主要参数 求中心距a a=(d1+d2)/2=d1(1+i/2)=51.86×(1+4.45)/2=141.32 mm 圆整后，取a=145mm，则d1的计算值变为53.2mm。 计算模数 m=d1/z1=53.2/22=2.4mm 按表10-1取标准模数m=2.5mm。 求z1、z2 总齿数 zc=z1+z2=2a/m=2×145/2.5=116 若Zc不等于整数时，可改变模数值使之成为整数。因 zc=z1(1+i) 故 z1=zc/(1+i)=116/(1+4.45)=21.28 取z1=22（因最后d1必须大于接触强

55、度公式所求d值）。则 z2=zc-z1=116-22=94 实际 i=z2/z1=94/22=4.27 传动比的变动量为 可用。 求小齿轮工作宽度 d1=z1m=22×2.5=55mm>51.86mm 计算齿轮的工作宽度 b=fdd=1×55=55mm 取b2=55mm，b1=60mm. ⑤ 校核弯曲强度 由式 ， 分别验算两轮齿根弯曲强度。 计算圆周力 N 齿形系数YFa、应力修正系数Ysa 可由图8-23、10-24查得，当 z1=22，YFa1=2.78，Ysa1=1.61， z2=94，YFa2

56、=2.22，Ysa2=1.87， 则 MPa MPa ⑥ 主要几何尺寸 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轴方向 5.2.1运动

57、原理 该方向采用电动机通过联轴器带动主动齿轮旋转，通过齿轮接触啮合，将力矩传递给直线齿条啮合，提供Y方向前进或者后退的动力，从而使得完成在该方向导轨上的自由移动。 图5.4 Y方向运动示意图1 图5.5 Y方向运动示意图2 5.2.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 根据齿轮齿条的啮合特点: (1) 齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其 节圆相重合. (2) 齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角. 因此,齿条模数m=4，压力角20=a 1.齿条断面形状选取圆形 选取齿数z＝60 齿顶高系数 顶隙系数 齿顶高 ha=h

58、am=1×4, ha=4 mm 齿根高 hf=( ha+ c)m， hf=（1+0.25）×4=5 mm 齿高 h=ha+hf =4+5， h=9 mm 最终确定齿条为650mm长 2．确定许用弯曲应力 sHlim1=710MPa，sHlim2=580MPa， sFlim1=600MPa，sFlim2=450MPa， 安全系数取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

59、 YN2=0.903 3．按齿面接触强度设计 （1）工作转矩 （2）载荷系数 KA=1.5 KV=1.15 Kb=1.09 K= KAKV Kb=1×1.15×1.09=1.88 （3）计算齿面弯曲应力 查的弹性变形系数：ZE=189.8 节点区域系数： ZH=2.5。 则： ，取m=4mm d1=mz1=4×27=108 mm b=yd d1=108 mm 4．校核弯曲强度 查得：YFa1=2.58，YSa1=1.62， YFa2=2.33，YSa2=1.75， 则： 满足强度要求。 5.3 Z轴方向 5

60、.3.1运动原理 该方向采用电动机通过联轴器带动主动齿轮旋转，通过齿轮接触啮合，将力矩传递给直线齿条啮合，提供Z方向前进或者后退的动力，从而使得完成在该方向导轨上的自由移动。该方向为竖直方向，为防止下滑，采用类似于钢轨截面的导轨截面。 图5.6 Y方向运动示意图1 图5.7 Y方向运动示意图1 5.3.2 轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 1、 啮合齿轮的数据确定 设模数m=3，z=17，α=20º，其宽选择20，计算如下： 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、 输出

61、齿轮的数据确定 设模数m=3，z=34，α=20º，其宽选择15，计算如下： 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、 齿条的设计 设模数m=3，z=40，α=20º，其宽选择20+10，即有齿部分为20，没有齿部分为10，计算如下： p=π×m=9.425 L=p×z=377 ha= m ×ha*=3 hf= m ×(ha*+c*)=3.75 \ 齿轮强度校核 1．齿轮参数 传递功率：600KW 输入转速：25.68rpm 输出转速：6.0rpm

62、 Z1=25 M=36 42CrMo Z2=107 M=36 ZG35CrMo 齿宽：600mm 热处理：a)软齿面 b)硬齿面（中频表面淬火） 2． 强度校核 1) 按软齿面校核 a) 系数选择 使用系数Ka=1.25 动载系数Kv=1.2 齿向载荷分布系数KH=1.025 KF=1.0 齿间载荷分布系数Kh=1.2 Kf=1.2 应力修正系数Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 弹性系数Ze=189.8 寿命系数ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齿形系数Yfa1=2.75 Yfa2=2.3 b) 确定疲劳极限

63、 接触疲劳极限 σh1=1180mpa σh2=650mpa 弯曲疲劳极限 σf1=380mpa σf2=300mpa 最小接触安全系数SH=1.1 最小弯曲安全系数SH=1.3 c) 计算结果 向左转|向右转 2) 按硬齿面校核 a) 系数选择 使用系数Ka=1.25 动载系数Kv=1.2 齿向载荷分布系数KH=1.05 KF=1.01 齿间载荷分布系数Kh=1.1 Kf=1.1 应力修正系数Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 弹性系数Ze=189.8 寿命系数ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齿形系数Yfa1=2.75 Yfa2=

64、2.3 b) 确定疲劳极限 接触疲劳极限 σh1=1200mpa σh2=700mpa 弯曲疲劳极限 σf1=400mpa σf2=350mpa 最小接触安全系数SH=1.2 最小弯曲安全系数SH=1.5 5.4 吸盘设计 平直型真空吸盘的工作原理:首先将真空吸盘通过接管与真空设备(如真空发生器等)接通,然后与待提升物如玻璃、纸张等接触,起动真空设备抽吸,使吸盘内产生负气压,从而将待提升物吸牢,即可开始搬送待提升物。当待提升物搬送到目的地时,平稳地充气进真空吸盘内,使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压,真空吸盘就脱离待提升物,从而完成了提升搬送重物的任务 。 采用吸盘的方式来

65、提取物件，将目标物放置在规定的地点。该吸盘共有9个吸嘴，对称分布，吸盘基座位置开四个螺纹孔，通过螺纹与Z轴移动架相连，实现吸盘的上下移动。 图5.8 吸盘设计示意图1 图5.9 吸盘设计示意图2 通用真空吸盘选型计算公式就是：F=0.1PA F：吸盘的理论吸吊力，单位N P：吸盘的真空度，单位kpa A：吸盘有效吸着面积，单位cm2通过上面的公式可得出我们常用的圆形吸盘直径选型计算： D：吸盘直径，单位mm W：吸吊物的重量，单位牛N t：安全系统，水平t≥4，垂直t≥8 n：吸盘的个数 P：吸盘的真空度，单位为MPA（注意和上面P单位不同） 吸盘的真空度P一般

66、为所选定的真空发生器（或真空泵）的最大真空度的60%至95%范围内选择。 经过实践中使用真空吸盘,对真空吸盘的使用提出以下注意事项: 1.用真空吸盘吸持及搬送重物时,严禁超过理论吸持力的40%,以防止过载,造成重物脱落。 2.在使用过程中,必须保持真空压力稳定。 3.若发现吸盘老化等原因而失效时,应及时更换新的真空吸盘。 参考文献 1． 李允文.工业机械手设计[M].北京:机械工业出版社,1996. 2． 张健民.工业机器人[M].北京:北京理工大学出版社,1988. 3． 施海锋,吴江柳.机械自动化系统设计指导书[M].北京：清华大学出版社，2008. 4． 郑洪生.气压传动及控制[M].北京:机械工业出版社,2002. 5． 周伯英.工业机器人设计[M].北京:机械工业出版社,1995. 6． 周开勤.机械设计手册(第五版)[M].北京：高等教育出版社,2001. 7． 华大年.机械原理(第二版)[M].北京：高等教育出版社,1994. 8． 王永华,宋寅卯,陈玉国,郑安平.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003. 9