畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真（全套圖紙三維）

搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真1緒論1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介幾千年前人類(lèi)就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類(lèi)從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘神話阿魯哥探險(xiǎn)船中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說(shuō)中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械偶人。到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類(lèi)之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。工業(yè)機(jī)器人1由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。全套圖紙加1538937061.2機(jī)械手的組成和分類(lèi)1.2.1機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有23個(gè)自由度。1.2.2機(jī)械手的分類(lèi)機(jī)械手的種類(lèi)，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手一般分為三類(lèi)：第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工才做的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是用專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類(lèi)通用機(jī)械手，國(guó)外稱(chēng)為機(jī)器人1.3世界機(jī)器人的發(fā)展國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：（1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的103萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。（2）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(cè)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)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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。（4）機(jī)器人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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.4我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)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(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、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)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)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。1.5我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手本課題涉及的機(jī)械手屬于仿生靈巧手，可完成一個(gè)繞豎軸的旋轉(zhuǎn)、一個(gè)橫軸方向的移動(dòng)、一個(gè)豎軸方向的移動(dòng)、一個(gè)手爪的抓取和放開(kāi)動(dòng)作。其相關(guān)參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)角度范圍為270°；豎軸移動(dòng)。豎軸移動(dòng)范圍0-750mm；橫軸移動(dòng)。橫軸移動(dòng)范圍0-750mm；末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)。氣動(dòng)的手爪，能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊和放松，能抓起2kg的重物。2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖2.1所示，有氣控機(jī)械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。其運(yùn)動(dòng)控制方式為：三自由度機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型。圖1為機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，(1)氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點(diǎn))；(2) 機(jī)械手手臂的左右運(yùn)動(dòng)（左右方向）由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件完成，上下運(yùn)動(dòng)(垂直方向)由升降步進(jìn)電機(jī)控制；(3) 逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動(dòng)部分由直流電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、接近開(kāi)關(guān)等組成)；(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分；(5) 機(jī)械手的夾緊裝置采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制(充氣時(shí)機(jī)械手抓緊，放氣時(shí)機(jī)械手松開(kāi))。機(jī)械手可以根據(jù)設(shè)定程序的動(dòng)作將工件從A處搬運(yùn)到B處。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6為水平和垂直方向上的限位開(kāi)關(guān)，SQ3，SQ4為原點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的光接近開(kāi)關(guān)。如圖2.2所示。2.2機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程其工作過(guò)程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開(kāi)始向前走；轉(zhuǎn)盤(pán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到貨物接收處；步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降，到達(dá)指定位置后氣閥放氣，機(jī)械手松開(kāi)貨物；系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。圖2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)2.3機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。下圖是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有3個(gè)自由度既：手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。圖2.2 機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1概述手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專(zhuān)用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)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(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(shè)計(jì)各種類(lèi)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(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)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，這里采用連桿推槽式。如圖3.13.2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指，以便自動(dòng)定心。應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。圖3.1 機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu) 3.3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算其工件重量G=2kg，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (3-1)(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: (3-2)所以 (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 式中 手部的機(jī)械效率，一般取0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度。取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則:所以 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1563N。3.4銷(xiāo)軸的選擇與校核銷(xiāo)軸的材料為45鋼，許用切應(yīng)力=80MPa，許用擠壓應(yīng)力=120MPa，選取銷(xiāo)軸的型號(hào)為GB/T 882 870銷(xiāo)軸的抗剪強(qiáng)度公式： (3-3) 銷(xiāo)軸的抗壓強(qiáng)度公式： (3-4) 抗剪強(qiáng)度=10.7MPa抗壓強(qiáng)度=1.3MPa ，因此銷(xiāo)軸合適。4氣缸的設(shè)計(jì)4.1氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: (4-1)式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N- 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: (4-2) (4-3)Gf = (4-4) 式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 彈簧平均直徑，.- 彈簧有效圈數(shù).- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，則:滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。4.2缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (4-5)式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:5齒輪的設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞的功率可達(dá)近十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s，直徑能做到10m以上，單級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)8或更大，因此在機(jī)器中應(yīng)用廣泛。和其他機(jī)械傳動(dòng)相比，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍廣等。主要缺點(diǎn)是：齒輪制造需要專(zhuān)用機(jī)床和設(shè)備，成本較高；精度較低時(shí)，振動(dòng)和噪聲較大；不適用于軸間距離較大的傳動(dòng)等。齒輪傳動(dòng)應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求：1）傳動(dòng)平穩(wěn)要求瞬時(shí)傳動(dòng)比不變，盡量減小沖擊、噪聲和振動(dòng)；2）承載能力高要求在尺寸小、重量輕的前提下，齒輪的強(qiáng)度高、耐磨性號(hào)，在預(yù)定的使用期限內(nèi)不出現(xiàn)斷齒等失效現(xiàn)象。在齒輪設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和科研中，有關(guān)齒廓曲線、齒輪強(qiáng)度、制造精度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞這兩個(gè)基本要求進(jìn)行的。4.1齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要有選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)等。1）齒輪類(lèi)型 由于齒輪傳動(dòng)是為帶動(dòng)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞的扭矩不太大，故可采用直齒圓柱齒輪傳遞動(dòng)力。2）精度選擇 齒輪精度等級(jí)的選擇是根據(jù)傳動(dòng)的用途、使用條件、傳動(dòng)功率、圓周速度等決定的。機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）。3）材料選擇 齒輪材料的選擇應(yīng)具備下列條件：1）齒面具有足夠的強(qiáng)度，以獲得較高的抗點(diǎn)蝕抗磨粒磨損抗膠合和抗塑性流動(dòng)的能力；2)在變載荷下有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4）價(jià)格較低。最常用的材料是鋼，鋼的品種很多，且可通過(guò)各種熱處理方式獲得適合工作要求的綜合性能。4）傳動(dòng)尺寸無(wú)嚴(yán)格限制，批量較小，故小齒輪材料用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為260HB，大齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)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。5.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算5.2.1初步計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)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(chēng)為齒寬系數(shù)（）為便于裝配和調(diào)整，根據(jù)和求出齒寬b后在將小齒輪寬度加大5mm10mm，但計(jì)算時(shí)按大齒輪寬度計(jì)算。接觸疲勞極限 由圖可得Hlim1=710Mpa，Hlim2=580MPa初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力 值由表可得，取=90初步計(jì)算小齒輪直徑 (5-1) 取=20mm初步齒寬120=20mm 5.2.2校核計(jì)算圓周速度 (5-2) 精度等級(jí) 由表12.6，選8級(jí)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(dòng)載系數(shù) 根據(jù)=0.489m/s，8級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.2；齒間載荷分配系數(shù) 由此得=齒向載荷分配系數(shù) 由表12.11 載荷系數(shù)K (5-3) 彈性系數(shù)由表12.12，鋼的彈性系數(shù)=189.8節(jié)點(diǎn)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(shí)間 預(yù)期使用年限十年，每年300個(gè)工作日，單班制，在使用年限內(nèi)，工作時(shí)間占20%。故總工作時(shí)間為=10=4800h應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （5-4）接觸壽命系數(shù) 由圖12.18，=1.22=1.35許用接觸應(yīng)力 （5-5） 驗(yàn)算 計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為適合，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整，否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗(yàn)算。5.2.3確定主要傳動(dòng)尺寸分度圓直徑d模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，齒輪齒數(shù)確定，且與初選齒數(shù)相同，無(wú)需進(jìn)行調(diào)整，故分度圓直徑不會(huì)改變，即 中心距 齒寬 取=25mm ， =20mm6滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)6.1滾珠絲杠特點(diǎn)滾珠絲桿是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行性的直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，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(dòng)效率高。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，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(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾珠絲杠在工作過(guò)程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)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(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱(chēng)為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。滾珠絲杠計(jì)算的內(nèi)容包括型號(hào)選擇，穩(wěn)定性校核，極限速度校核，精度計(jì)算，剛度與變形計(jì)算等。絲杠螺母副的特點(diǎn)：1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈的以縮短。3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),還可兼作測(cè)量元件，通過(guò)刻度盤(pán)讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率=0.920.96,而一般的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的=0.200.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲杠的傳動(dòng)效率提高了34倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/31/4。5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒(méi)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)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(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。8）制造工藝復(fù)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(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，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(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過(guò)程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)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(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱(chēng)為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。6.2滾珠絲杠型號(hào)的選擇根據(jù)使用要求和結(jié)構(gòu)要求，選定滾珠絲杠的型號(hào)為WCM1604-2.5，這是一種微型外循環(huán)插管式、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副，精度等級(jí)選3級(jí)，其主要參數(shù)有：公稱(chēng)直徑， 導(dǎo)程=4mm， 鋼球直徑=2.381mm， 絲杠外經(jīng)d=15.7mm, 螺紋底徑=13mm， 循環(huán)圈數(shù)2.51， 額定動(dòng)載荷=4763N， 額定靜載荷=10011N， 接觸剛度R=221N/。6.3滾珠絲杠的支承和支承方式滾珠絲杠的支承和支承方式將影響絲杠副的剛度，因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求高時(shí)應(yīng)審慎地加以選擇。絲杠一端安裝兩個(gè)深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐滾子軸承的稱(chēng)為固定支承；安裝一個(gè)深溝球軸承或角接觸軸承或圓錐軸承的稱(chēng)鉸支承；螺母相當(dāng)于固定支承。滾珠絲桿的支撐方式有三種，一是一端固定，另一端自由方式；通常用于段絲杠和豎直絲杠。二是一端固定，一端簡(jiǎn)支承方式，常用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。三是兩端固定，用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速，要求高拉壓剛度的場(chǎng)合。這種支承方式可以通過(guò)擰緊螺母來(lái)調(diào)整絲杠的預(yù)拉伸量。本文橫向絲杠采用第三種方式，即兩端固定的支承方式。因其所承受的軸向載荷不是很大，故可采用深溝球軸承的支撐方式。豎向的絲杠可采用一端固定，一端自由的方式。6.4滾珠絲杠剛度驗(yàn)算滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)載P的作用下，將伸長(zhǎng)或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算其滿載時(shí)的變形量。滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量,可按下式計(jì)算： (cm) (6-1) 其中：P工作負(fù)載；t滾珠絲杠螺距；E彈性模量，對(duì)鋼而言（E=）；F滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； 滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個(gè)螺距t的變化量，可以按下式計(jì)算： (cm) (6-2) 其中摩擦角，即在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長(zhǎng)度兩截面上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角； 其中，M扭矩（）, (6-3) 式中 傳動(dòng)效率，4級(jí)及4級(jí)以上精度取0.9，以下取0.85G扭轉(zhuǎn)彈性；對(duì)鋼而言，G=滾珠絲杠截面積的極慣性矩（其中滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm） =16.6= = cm（可忽略不計(jì)）已知滾珠絲杠的長(zhǎng)度為40cm,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差：=40/0.4=4.1×cm/m查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差=15um/m，故該滾珠絲杠滿足要求。6.5穩(wěn)定性驗(yàn)算機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)上的滾珠絲杠是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過(guò)大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，可用材料力學(xué)中的歐拉公式計(jì)算（N） (6-4) E絲杠材料的彈性模量，對(duì)鋼而言E=；J截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，；13