物流搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計含開題及8張CAD圖,物流,搬運,直角坐標(biāo),機械,設(shè)計,開題,cad XXXXX XX設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 任務(wù)下達日期： 年 月 日 設(shè)計開題日期： 年 月 日 設(shè)計開始日期： 年 月 日 中期檢查日期： 年 月 日 設(shè)計完成日期： 年 月 日 一、設(shè)計題目：物流搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計 二、設(shè)計的主要內(nèi)容： 在物流產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，機器人技術(shù)的應(yīng)用程度已經(jīng)成為決定企業(yè)間相互競爭和未來發(fā)展的重要衡量因素。目前，機器人技術(shù)在物流中的應(yīng)用主要集中在包裝碼垛、裝卸搬運兩個作業(yè)環(huán)節(jié)。隨著自動化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率和人工費用的提高，以及國內(nèi)外對直角坐標(biāo)機器人不斷研究，使其功能不斷完善，控制精度不斷提高，直角坐標(biāo)機器人必將在各行各業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 物流行業(yè)中機器人應(yīng)用越來越廣泛，為擴展機器人的工作空間，機械臂是必不可少的。而在械臂關(guān)節(jié)中，保證安全的設(shè)備主要是制動器，其功能是在機械臂失電或者失去控制時，保證機械臂自身與末端負載不出現(xiàn)不可預(yù)知的碰撞。在機械臂不工作時，制動器還能夠保持機械臂的位置與姿態(tài)。因此，在機械臂的設(shè)計工作中，制動器的設(shè)計成為至關(guān)重要的一個組成部分。 設(shè)計主要內(nèi)容包括：直角坐標(biāo)機械臂機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計；機械臂各關(guān)節(jié)設(shè)計及校核計算；機械臂制動方案設(shè)計；制動盤直徑的確定；摩擦盤設(shè)計；電磁線圈的設(shè)計。 主要技術(shù)指標(biāo)、要求：制動平均力矩：3Nm；供電電壓：28V；吸合功率：<10w；安裝要求：法蘭止口連接，均布m3螺釘孔。 三、設(shè)計目標(biāo)： 設(shè)計應(yīng)完成物流搬運直角坐標(biāo)機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件的計算分析、設(shè)計圖紙的繪制等。 1、設(shè)計說明書1套（1.5萬字）； 2、總裝配圖1張（A0）,零件圖折合A0圖紙零2張。 指 導(dǎo) 教 師： 院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 XXXXX 設(shè)計開題報告 學(xué)生姓名 分院 專業(yè)、班級 指導(dǎo)教師姓名 職稱 從事 專業(yè) 是否外聘 □是□否 題目名稱 物流搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義（可增頁） 1、選題目的及意義 現(xiàn)在的社會是自動化的機械代替人工工作的時代，機械工作效率高，成本比人工工作低，已經(jīng)在大部分領(lǐng)域廣泛應(yīng)用推廣。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高?，F(xiàn)在大部分的自動化機構(gòu)都運用到機械手結(jié)構(gòu)，比如摘果機械手，自動上料機等等。直角坐標(biāo)機械手，現(xiàn)在基本上是應(yīng)用在自動化設(shè)備上的，可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來重復(fù)搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當(dāng)然也可以。在制造方面，它制造成本相當(dāng)?shù)牡?，它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只有控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿?、速度快、精度高，可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便。 本設(shè)計根據(jù)所需的要求和實踐理論分析，設(shè)計了整個系統(tǒng)由電機驅(qū)動的三自由度機器人，使工件從一個位置運送至指定位置，機械手在規(guī)定時間內(nèi)把工件沿指定路線搬運到另一個位置。 目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)還有對它的工程應(yīng)用的水平和國外比較起來還是有相當(dāng)大的距離。我國對工業(yè)機械手的應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對很低，機械手的研究和開發(fā)從根本上會直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟上、技術(shù)都考慮要提高機械手的水平。因此，對機械手的研究設(shè)計是非常有現(xiàn)實意義和未來展望的。 2、課題研究現(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(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，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(chǔ)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(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)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，專門生產(chǎn)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(zhuǎn)、升降采用液壓驅(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-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(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)。 聯(lián)邦德國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。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(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，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(shè)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(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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應(yīng)用的機械手絕大部分為專用機械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 二、設(shè)計的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、設(shè)計的基本內(nèi)容 ① 各方向的直線運動模塊執(zhí)行元件的選型，即電機的選擇計算； ② 各方向傳動機構(gòu)的設(shè)計，包括：滾珠絲杠副設(shè)計選擇、導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計選擇、滾動軸承的選擇、軸承的安裝座座的設(shè)計、絲杠支承的選擇設(shè)計、聯(lián)軸器的選擇、兩軸連接處零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、電機安裝座的設(shè)計、機架與三個運動模塊的鏈接設(shè)計； ③ 零件的各項參數(shù)的校核。 2、擬解決的主要問題 如何選取直角坐標(biāo)機械臂各自由度動力匹配及運動范圍、速度參數(shù)，如何選擇滾珠絲杠副、以及如何校核機械臂強度等。 三、技術(shù)路線 1、技術(shù)路線 本次設(shè)計采用如下方式層次推進： （1）收集相關(guān)資料，并對現(xiàn)有的資料進行研究，進而分析自己完成本課題還存那方面的困難，除了現(xiàn)有的知識外還應(yīng)該具備哪些新的知識。 （2）對直角坐標(biāo)機械手進行仔細的研究，了解工作的原理。 （3）機械結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)要求設(shè)計出合理輕便的機械手。 （4）在相關(guān)的軟件中模擬機械手的工作狀態(tài)。 （5）在模擬調(diào)試后對整個機械手進行完善。 （6）撰寫設(shè)計說明書。 調(diào)研、資料收集、完成開題報告 AutoCAD軟件完成機械臂總體布置設(shè)計 各零件結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計與校核計算 AutoCAD軟件分析結(jié)合結(jié)構(gòu)、尺寸分析 是否合理 AutoCAD軟件模擬機械手的工作狀態(tài) 是否合理 N Y N Y 撰寫設(shè)計說明書 圖1 技術(shù)路線方案圖 2、設(shè)計方案 本次設(shè)計的直角坐標(biāo)機械臂，采用XYZ直角坐標(biāo)形式，即有三個自由度。機械臂的XYZ三個軸的結(jié)構(gòu)均設(shè)計為執(zhí)行元件直接帶動絲杠，并設(shè)計選擇合適的導(dǎo)向機構(gòu)導(dǎo)向，其結(jié)構(gòu)簡圖如下： X軸 Y軸 Z軸 圖2 直角坐標(biāo)機械臂方案簡圖 四、進度安排 1月1日～3月9日．畢業(yè)實習(xí)階段。 畢業(yè)實習(xí)，查閱資料，到多個公司實踐，撰寫實習(xí)報告。 1月1日～3月15日．開題階段。 提出總體設(shè)計方案及草圖，填寫開題報告，前期檢查。 3月15日～4月20日． 設(shè)計初稿階段。 完成總體設(shè)計圖、部件圖、零件圖，中期檢查。 4月21日～5月16日． 設(shè)計完善工作階段。 完善設(shè)計圖紙，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書。 5月17日～5月18日．畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯。 5月19日～5月28日．畢業(yè)設(shè)計整改。 圖紙修改、設(shè)計說明書修改、定稿，材料復(fù)查。 5月29日～5月30日．畢業(yè)設(shè)計材料評閱。 5月31日～6月1日．畢業(yè)答辯。 6月2日～6月15日．材料整理裝袋。 五、參考文獻 [1] 李超，氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā).陜西科技大學(xué)，2013 [2] 史國生.PLC在機械手步進控制中的應(yīng)用.中國工控信息網(wǎng),2015.1 [3] 李明.單臂回轉(zhuǎn)機械手設(shè)計.制造技術(shù)與機床，2014. [4] 張軍， 封志輝.多工步搬運機械手的設(shè)計.機械設(shè)計,2014.4：21 [5] 張黎驊，呂小榮機械工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書北京大學(xué)出版?2011 [6]張濤機器人引論機械工業(yè)出版社2010 [7] Everett?L.?Shostrom?Bantam?Books?ManTheManipulator?Bantam Books，2011 [8]?張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，2017 [9]?蔡自興.機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術(shù)，2018 [10]?金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術(shù)與應(yīng)用?，2015? [11]?機械設(shè)計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，2016 [12]?黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，2016 [13]?鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，2017 指導(dǎo)教師意見： 簽字： 年 月 日 物流搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計 摘 要 目前，由于勞動力成本和技術(shù)問題，國內(nèi)搬運仍然多采用人工，不僅效率低、，而且工人的勞動強度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患，因此，設(shè)計機械手以代替人工搬運的操作就變得十分重要。 本文講述了搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計。首先，通過對機械臂現(xiàn)狀進行全方位調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了機械臂方案；然后，設(shè)計計算了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)尺寸；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了搬運機械臂裝配圖、主要零件圖。 最終就是要實現(xiàn)設(shè)計一個能升降運動，左右移動，前后移動的XYZ直角坐標(biāo)機械手的機械結(jié)構(gòu)。機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要能滿足機械手的基本運動，還要能滿足機械手的高定位精度，高移動精度。且其外形還要體積小，外形美觀。 通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了起重機械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵字：搬運，直角坐標(biāo)，機械臂，絲杠螺母副 Abstract At present, due to the labor cost and technical problems, the domestic transportation is still mostly manual, not only low efficiency, but also the labor intensity of workers, there is a hidden danger of safety accidents for operators. Therefore, it is very important to design a manipulator to replace manual transportation. This paper describes the design of the manipulator with Cartesian coordinates. First of all, through the comprehensive investigation of the current situation of the manipulator, on this basis, the scheme of the manipulator is proposed; then, the structural dimensions of the main components are designed and calculated; finally, the assembly drawing and the main parts drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD drawing software. The final goal is to design a mechanical structure that can move up and down, left and right, back and forth. The design of the manipulator structure should not only meet the basic movement of the manipulator, but also meet the high positioning accuracy and moving accuracy of the manipulator. And its shape should be small and beautiful. Through this design, we have consolidated the professional knowledge learned by the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, etc.; we have mastered the design method of hoisting machinery products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance for the future work and life. Key words: Handling, Rectangular Coordinate, Mechanical Arm, Screw Nut Pair 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2機械臂概述 1 1.2.1機械臂的組成 1 1.2.2機械臂的分類 2 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4機械臂發(fā)展趨勢 3 第2章 總體方案設(shè)計 5 2.1設(shè)計要求 5 2.2方案擬定 5 2.2.1驅(qū)動方案的選擇 5 2.2.2傳動方案的選擇 5 2.3總體方案的確定 6 第3章 主要構(gòu)件的設(shè)計 8 3.1電動機的選擇 8 3.1.1參數(shù)計算 8 3.1.2電機型號的選擇 10 3.2絲桿螺母副的選型與計算 11 3.2.1受力分析 11 3.2.2設(shè)計計算及校核 12 3.3導(dǎo)軌的選型與計算 15 3.3.1導(dǎo)軌的選型 15 3.3.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 15 3.3.3導(dǎo)軌副精度分析 17 3.4電磁制動器的設(shè)計 18 3.4.1電磁制動器概述 18 3.4.2電磁制動器原理設(shè)計 19 3.4.3主要零件的分析與設(shè)計 20 3.4.4電磁線圈的設(shè)計 23 3.5橫梁的設(shè)計 24 3.6框架的設(shè)計 25 3.6.1結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 25 3.6.2框架的校核 25 3.6.3框架連接螺栓的校核 26 總 結(jié) 28 參考文獻 29 致 謝 30 IV 物流搬運直角坐標(biāo)機械臂設(shè)計 第1章 緒 論 1.1 研究背景及意義 現(xiàn)在的社會是自動化的機械代替人工工作的時代，機械工作效率高，成本比人工工作低，已經(jīng)在大部分領(lǐng)域廣泛應(yīng)用推廣。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高?，F(xiàn)在大部分的自動化機構(gòu)都運用到機械手結(jié)構(gòu)，比如摘果機械手，自動上料機等等。直角坐標(biāo)機械手，現(xiàn)在基本上是應(yīng)用在自動化設(shè)備上的，可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來重復(fù)搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當(dāng)然也可以。在制造方面，它制造成本相當(dāng)?shù)牡?，它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只有控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿?、速度快、精度高，可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便。 本設(shè)計根據(jù)所需的要求和實踐理論分析，設(shè)計了整個系統(tǒng)由電機驅(qū)動的三自由度機械臂，使工件從一個位置運送至指定位置，機械手在規(guī)定時間內(nèi)把工件沿指定路線搬運到另一個位置。 目前我國的工業(yè)機械臂技術(shù)還有對它的工程應(yīng)用的水平和國外比較起來還是有相當(dāng)大的距離。我國對工業(yè)機械手的應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對很低，機械手的研究和開發(fā)從根本上會直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟上、技術(shù)都考慮要提高機械手的水平。因此，對機械手的研究設(shè)計是非常有現(xiàn)實意義和未來展望的。 1.2機械臂概述 機械臂也被稱為自動手能模仿人手臂的某些動作功能，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(chǎn)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(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及液壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點，液壓機械臂已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 1.2.1機械臂的組成 機械臂主要由工件、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。工件是用來抓持工件（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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使工件完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)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(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械臂的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械臂設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械臂的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械臂有2～3個自由度。 1.2.2機械臂的分類 機械臂的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、液壓式、電動式、機械式機械臂；按適用范圍可分為專用機械臂和通用機械臂兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械臂等。機械臂一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械臂。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械臂，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床搬運和工件送。這種機械臂在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機械臂若以坐標(biāo)形式可分為下列四種： （1）直角坐標(biāo)式，手臂的運動是由三個直線運動組合而成。 （2）圓柱坐標(biāo)式，手臂的運動是由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組成。 （3）球坐標(biāo)式，手臂運動是由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動組成。 （4）關(guān)節(jié)式，手臂運動是由三個回轉(zhuǎn)運動組成。 1.3 國內(nèi)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(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，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(chǔ)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(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)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，專門生產(chǎn)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(zhuǎn)、升降采用液壓驅(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-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(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)。 聯(lián)邦德國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。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(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，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(shè)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(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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應(yīng)用的機械手絕大部分為專用機械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 1.4機械臂發(fā)展趨勢 國內(nèi)各行各業(yè)對機械臂的需求將越來越多，國內(nèi)市場將穩(wěn)步增長，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，我國機械臂近幾年發(fā)展的形式將會怎樣呢？根據(jù)我們的分析將會呈現(xiàn)如下幾個特點： （1）從國際市場來看，機械臂工業(yè)是一種高投入低贏利的產(chǎn)業(yè)，市場競爭極為激烈，機械臂工業(yè)必須上一定規(guī)模才有利潤可言，才有必需的開發(fā)投入，才能走上良性循環(huán)的發(fā)展道路。世界上機械臂產(chǎn)量最大的三家公司年產(chǎn)機械臂數(shù)均超千臺以上，其中ABB公司達到9000臺，安川電機公司近2500臺，KUKA公司近2000臺，從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，大公司、大企業(yè)通過與外國機械臂公司合資合作，引進技術(shù)和資金，逐步規(guī)?；a(chǎn)機械臂，把國內(nèi)機械臂產(chǎn)業(yè)推向一個新的階段，其中有代表性的，如首鋼集團公司與安川電機公司合資的首鋼莫托曼公司、唐山電子設(shè)備廠與松下電器公司合資的唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司、東風(fēng)汽車公司與德國KUKA公司合作、濟南二機床公司與美國ISI機械臂公司合作等等。這些合資合作的開展，將會有效地推動中國機械臂工業(yè)的進步，全面促進中國機械臂工業(yè)水平的提高，但是它也會和其他外國機械臂公司一樣，沖擊中國機械臂市場，影響具有自主開發(fā)能力的中國機械臂產(chǎn)業(yè)的形成，也會使國內(nèi)其他的機械臂生產(chǎn)廠家面臨一種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 （2）由注重機械臂單機開發(fā)過渡到成套開發(fā)機械臂應(yīng)用系統(tǒng) 生產(chǎn)機械臂多的大型公司，可以憑借規(guī)模優(yōu)勢，占據(jù)較大的市場份額，形成規(guī)模效益，而一些中小公司要想在激烈的市場競爭中求得生存，必須具有自己的特色。國外許多中小公司把自己的市場定位在機械臂系統(tǒng)集成或某些有特長領(lǐng)域，從而形成自己的局部優(yōu)勢，在市場中求得生存和發(fā)展，如奧地利IGM公司以向用戶提供大型機械臂焊接系統(tǒng)著稱，機械臂在系統(tǒng)中只占售價的1/3左右，賣單臺機械臂贏利甚微，而賣機械臂系統(tǒng)卻贏利可觀。意大利COMAU公司以承接壓機生產(chǎn)線見長，在這里，機械臂系統(tǒng)是促銷售的關(guān)鍵。我國國內(nèi)機械臂生產(chǎn)廠家規(guī)模大都較小，甚至談不上規(guī)模，而國內(nèi)一般企業(yè)又沒有能力將機械臂有效地集成到生產(chǎn)系統(tǒng)中去，因此，那些進行系統(tǒng)集成并向用戶提供一條龍服務(wù)的公司，在機械臂市場中將有較強的競爭力。國內(nèi)機械臂生產(chǎn)廠家中北京機械工業(yè)自動化研究所，以承接涂裝自動化生產(chǎn)線見長，累計產(chǎn)值近2000萬元，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所承接焊接生產(chǎn)線，累計產(chǎn)值近5000萬元，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械臂研究所的機械臂碼垛生產(chǎn)線正在產(chǎn)業(yè)化，累計產(chǎn)值超千萬元。 （3）機械臂開發(fā)走開放型科研之路 國內(nèi)通過“七五”機械臂技術(shù)攻關(guān)，已具備了生產(chǎn)國產(chǎn)機械臂的基礎(chǔ)，但國產(chǎn)機械臂無論在技術(shù)上，還是可靠性上，都與國外機械臂差相當(dāng)一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開放型的自主科研道路。 1）多方籌措開發(fā)資金，通過政府部門投資、用戶單位投資、自我積累、外商投資、銀行貸款等形式，籌措國產(chǎn)機械臂的開發(fā)資金。 2）消化和利用國外機械臂技術(shù)、資料、樣機和關(guān)鍵元器件，為我所用。 3）選擇引進國外質(zhì)量可靠的機械臂零部件和元器件。 4）大力開展國內(nèi)合作，利用國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)具有中國技術(shù)特色的國產(chǎn)機械臂產(chǎn)品。 5）注意機械臂產(chǎn)品的高可靠性，使國產(chǎn)機械臂的可靠性與國外機械臂具有可比性，同時要做到低成本、易操作。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計要求 在物流產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，機械臂技術(shù)的應(yīng)用程度已經(jīng)成為決定企業(yè)間相互競爭和未來發(fā)展的重要衡量因素。目前，機械臂技術(shù)在物流中的應(yīng)用主要集中在包裝碼垛、裝卸搬運兩個作業(yè)環(huán)節(jié)。隨著自動化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率和人工費用的提高，以及國內(nèi)外對直角坐標(biāo)機械臂不斷研究，使其功能不斷完善，控制精度不斷提高，直角坐標(biāo)機械臂必將在各行各業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 物流行業(yè)中機械臂應(yīng)用越來越廣泛，為擴展機械臂的工作空間，機械臂是必不可少的。而在械臂關(guān)節(jié)中，保證安全的設(shè)備主要是制動器，其功能是在機械臂失電或者失去控制時，保證機械臂自身與末端負載不出現(xiàn)不可預(yù)知的碰撞。在機械臂不工作時，制動器還能夠保持機械臂的位置與姿態(tài)。因此，在機械臂的設(shè)計工作中，制動器的設(shè)計成為至關(guān)重要的一個組成部分。 設(shè)計主要內(nèi)容為直角坐標(biāo)機械臂機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計；機械臂各關(guān)節(jié)設(shè)計及校核計算；機械臂制動方案設(shè)計；制動盤直徑的確定；摩擦盤設(shè)計；電磁線圈的設(shè)計。 主要技術(shù)指標(biāo)、要求為：制動平均力矩：3Nm；供電電壓：28V；吸合功率：<10w；安裝要求：法蘭止口連接，均布m3螺釘孔。 設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計應(yīng)完成物流搬運直角坐標(biāo)機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件的計算分析、設(shè)計圖紙的繪制等。 2.2方案擬定 2.2.1驅(qū)動方案的選擇 目前，這類機械手的主要驅(qū)動源有氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和液壓驅(qū)動。 （1）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 氣動壓是一種壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的運動，通常用空氣壓縮機作為動力源。氣動傳動有很多優(yōu)點，如過載安全，比較簡單，幾乎不會污染環(huán)境，花錢少，能夠變速，也有缺點，就是在大的設(shè)備上工作不是很穩(wěn)定，定位會有些誤差。 （2）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 它具有固有的效率高、響應(yīng)速度快、速度簡單的特點?？稍诖蠓秶鷥?nèi)無級調(diào)速。適應(yīng)性比較強，能夠在許多種環(huán)境下工作。它能吸收沖擊力，實現(xiàn)更頻繁、穩(wěn)定的換相，但對漏油、污染、成本高。定位精度比氣動低、電機高。流體溫度和粘度的變化影響傳動性能。 （3）電驅(qū)動系統(tǒng) 電驅(qū)動方式有很多種，有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機、力矩電機等驅(qū)動方式。伺服電機動態(tài)特性比較好，運行精度比較高，速度可以非常大，也可以非常小，非常穩(wěn)定，非?？煽?，控制方面也比較容易。 所以，我們這次選步進電機。 2.2.2傳動方案的選擇 坐標(biāo)機械臂各方向機械臂均做平移運動，常用的平移運動機構(gòu)有以下幾種： （1）齒輪齒條傳動 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞率可達到數(shù)十萬千瓦，圓周速度可達200m/s。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。 （2）渦輪渦桿傳動 優(yōu)點是傳動比大，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，但軸向力大、易發(fā)熱、效率低。 （3）曲柄滑塊機構(gòu) 常用于將曲柄的回轉(zhuǎn)運動變換為滑塊的往復(fù)直線運動；或者將滑塊的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運動。構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點，因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動送料機構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等。 （4）絲桿螺母副 梯形螺桿、螺母的滑動螺旋傳動：梯形螺紋具有牙根強度高，工藝性好，螺紋對中性好但主要缺點是效率低。 滾珠絲杠螺母副是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想產(chǎn)品。它是傳統(tǒng)滑動性絲杠的進一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠螺母副因優(yōu)良的摩擦特性，并且可以消除方向間隙并施加預(yù)載，高精度和高靈敏度使其廣泛的運用于各種工業(yè)設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對滾珠絲杠副的要求也越來越高，為了使機械產(chǎn)品能實現(xiàn)高的定位精度且能平穩(wěn)運行，要求滾珠絲杠副的運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 所以，我們這次選絲桿螺母副傳動。 2.3總體方案的確定 本次設(shè)計的直角坐標(biāo)機械臂，采用XYZ直角坐標(biāo)形式，即有三個自由度。機械臂的XYZ三個軸的結(jié)構(gòu)均設(shè)計為執(zhí)行元件直接帶動絲杠，并設(shè)計選擇合適的導(dǎo)向機構(gòu)導(dǎo)向，其結(jié)構(gòu)簡圖如下： X軸 Y軸 Z軸 圖2-1 直角坐標(biāo)機械臂方案簡圖 第3章 主要構(gòu)件的設(shè)計 3.1電動機的選擇 3.1.1參數(shù)計算 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機(vR)、永磁式步進電機(PM)等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.50或150；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 綜合考慮技術(shù)難度、精度和資金等因素，結(jié)合所改造機床的負載較小，負載變化不大又是經(jīng)濟簡易型的自動控制設(shè)備，故采用反應(yīng)式步進電機作為鋸片座磨削進給的驅(qū)動源。 (1)旋轉(zhuǎn)力的計算 旋臂式機械手夾持工件時，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻1查得旋轉(zhuǎn)力的計算公式為： 一旋轉(zhuǎn)阻抗力(N)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取其值為1989.9。 由文獻1查得： 取 ，則 (N) ，則(N) (2)步進電機的選用 步進電機總的位移量是嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率，因此能實現(xiàn)精確定位、精確位移。而且同時可在其工作頻段內(nèi)，從一種運動狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種運動狀態(tài)。步進電機有下列工作特點： ①變扭矩傳動，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉(zhuǎn)動，有適量的阻尼。 ②只要避開步進電機本身的低頻振蕩區(qū)，就可能獲得平穩(wěn)的低速進給。 ③改變指令脈沖頻率就能使步進電機變速，從而改變進給速度，可省去一部分機械變速機構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)簡單，壽命長。 ④進給速度變化范圍寬，從每秒幾個脈沖到幾千個脈沖。即能使進給系統(tǒng)正調(diào)整時實現(xiàn)快速運動，又能保證由粗加工到精加工的各項要求。 ⑤快速響應(yīng)性很強，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進電機就立即轉(zhuǎn)動或停轉(zhuǎn)。 ⑥不通電時無定位力矩，轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動，每步有振蕩和過沖，但在使用中失步和過沖完全在零件的尺寸誤差之內(nèi)，對加工精度影響甚小。 (3)脈沖當(dāng)量和步距角 脈沖當(dāng)量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復(fù)雜。一般加工精度的自動控制機床，脈沖當(dāng)量可選為0.01mm／step，初步確定步距角=0.75／step。 (4)步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算 由文獻9查得啟動力矩的計算公式為： 式中： 一電機啟動力矩 ——旋轉(zhuǎn)進給抗力(N)，= =1989.9(N) 一垂直分力，==795.9(N) ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，選用淬火鋼滾動導(dǎo)軌，取=0.01 G-機器重量(N)，按圖紙粗估G=480N ——總機械效率，取=0.85 則 (5)確定步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和最高工作頻率 為滿足最小步距要求，電機選用三相六拍工作方式，由文獻9查得： =0．866 (3—6) 則步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為： =180／0.866=207.8(Ncm) 最高工作頻率為： 3.1.2電機型號的選擇 （1）SL系列伺服電機 表3-1 SL系列交流伺服電動機型號和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 勵磁電壓V 控制電壓V 頻率 Hz 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩N·m 空載轉(zhuǎn)速r/min 輸出功率W 機電時間常數(shù)m·s 外形尺寸 mm 總長 機殼外徑 軸徑 36SL5E2 36 36/18 50 110 2700 1 8 62 36 4 90SL55 220 220 50 3000 2700 25 30 140 90 14 圖3.1 36SL5E2伺服電動機 圖3.2 90SL55伺服電動機 交流伺服電動機的機械特性是非線性的；不需要電刷和換向器，因此結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、沒有無線電干擾等優(yōu)點。 SL系列交流伺服電動機是由籠子轉(zhuǎn)子和隱極式定子兩部分組成。定子槽內(nèi)嵌以二相繞組，一相為勵磁繞組，一相為控制繞組，控制繞組分為兩半，分別引出四根線，可接成串聯(lián)或并聯(lián)，以適用于兩種電壓。 （2）70BF1-3步進電動機 表3-2 BF系列反應(yīng)式步進電動機型號和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號 相數(shù) 步距 （o） 電壓 V 靜態(tài) 電流 A 額定負載轉(zhuǎn)矩μN·m 靜態(tài)力矩μN·m 空載起動頻率步/s 額定負載起動頻率 步/s 外形尺寸 mm 總長 機殼外徑 軸徑 70BF1-3 3 3/1.5 27 3 1000 --- --- 1000 112 70 8 BF系列步進電動機系反應(yīng)式步進電動機，它是將脈沖指令轉(zhuǎn)換為角位移或轉(zhuǎn)速的控制電動機，其角位移與脈沖數(shù)量嚴(yán)格成正比，改變脈沖頻率實現(xiàn)調(diào)速。它具有定位精度高，同步運行特性好，調(diào)速范圍寬、能快速起動、反轉(zhuǎn)和制動等特點。廣泛用于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)作執(zhí)行元件和驅(qū)動元件。 圖3.3 70BF1-3步進電動機 查表選用110BF003型步進電機，其參數(shù)如下：步距角，選用三相六拍工作時取，最大靜轉(zhuǎn)距800N.cm，最高空載啟動頻率1500Step／s，運行頻率7000 Step／s，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。 3.2絲桿螺母副的選型與計算 3.2.1受力分析 由于導(dǎo)向輪的傳動機構(gòu)不需要高精度和高效率的傳動，因此本次設(shè)計采用一對梯形螺桿、螺母的滑動螺旋傳動。梯形螺紋具有牙根強度高，工藝性好，螺紋對中性好等優(yōu)點。主要缺點是效率低，但并不影響工作。螺桿采用45號鋼制造，，螺母采用35號鋼整體車制。 根據(jù)導(dǎo)向輪的使用情況，導(dǎo)向輪主要在兩種情況下受力：導(dǎo)向輪和輪胎同時工作時的受力；導(dǎo)向輪作為千斤頂時的受力。 B F A C G 根據(jù)力的平衡： 式1 根據(jù)力矩的平衡，對B點取矩： 式2 又 式3 由1、2、3式可得 F = 12743 N 3.2.2設(shè)計計算及校核 （1）螺紋副耐磨性計算 滑動螺旋的磨損多發(fā)生在螺母并且與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力[p]。 滑動螺旋傳動用梯形、矩形或鋸齒形螺紋，其失效形式多為螺紋磨損，而螺桿的直徑和螺母的高度也常由耐磨性要求決定。傳力較大時，應(yīng)驗算有螺紋部分的螺桿或其他危險部位以及螺母或螺桿螺紋牙強度。要求自鎖時，應(yīng)驗算螺紋副的自鎖條件。對于長徑比很大的受壓螺旋，應(yīng)驗算其穩(wěn)定性，其直徑也常由穩(wěn)定性要求決定。 螺母為整體式并且磨損后間隙不能調(diào)整，因此??；該螺旋機構(gòu)為人力驅(qū)動，因此[P]提高20%，[P]=13MPa。 取，因此選用的螺桿，其參數(shù)為： 公稱直徑 d 螺距 P 中徑 大徑 小徑 25 6 22 29 25 26 表：滑動螺旋副材料的許用壓力[ P] 螺桿—螺母的材料 滑動速度 許用壓力 鋼—青銅 低速 18~25 ≤3.0 11~18 6~12 7~10 >15 1~2 鋼—鋼 低速 10~13 鋼—鑄鐵 <2.4 13~18 6~12 4~7 注：當(dāng)ф＜2.5或人力驅(qū)動時，[p]值可提高20％；若為剖分螺母時則[p]值應(yīng)降低15～20％。 （2）螺紋牙強度計算 螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母。 螺紋牙底寬 許用壓應(yīng)力 許用切應(yīng)力 許用彎曲應(yīng)力 相旋合螺紋圈數(shù) 剪切強度條件 彎曲強度條件 滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力 螺旋副材料 許用應(yīng)力(MPa) [σ] [σ]b [τ] 螺桿 鋼 σs/(3~5) ? ? 螺母 青銅 ? 40~60 30~40 鑄鐵 ? 40~55 40 鋼 ? (1.0~1.2) [σ] 0..6[σ] （3）螺紋副自鎖條件 梯形螺紋的牙型斜角，其當(dāng)量摩擦角 對于螺旋傳動，為保證自鎖可靠，實際應(yīng)取。本設(shè)計滿足這一條件，因此能夠自鎖。 上式中：為螺紋升角；fV為螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)；f為摩擦系數(shù)．見下表。 表1滑動螺旋副的摩擦系數(shù)f 螺桿—螺母的材料 摩擦系數(shù)f 鋼—青銅 0.08~0.10 淬火鋼—青銅 0.06~0.08 鋼—鋼 0.11~0.17 鋼—鑄鐵 0.12~0.15 （4）螺桿穩(wěn)定性計算 對于長徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力Q大于某一臨界值時，螺桿就會突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Q。。則螺桿的穩(wěn)定性條件為 表:螺桿的長度系數(shù)： 端部支撐情況 長度系數(shù)μ 兩端固定 0.50 一端固定，一端不完全固定 0.60 一端鉸支，一端不完全固定 0.70 兩端不完全固定 0.75 兩端鉸支 1.00 一端固定，一端自由 2.00 所以，該螺桿是穩(wěn)定的。 3.3導(dǎo)軌的選型與計算 3.3.1導(dǎo)軌的選型 導(dǎo)軌主要分為滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種， 直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點： ①定位精度高 直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精度設(shè)定到超微米級。 ②降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導(dǎo)軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進行起動、停止的往復(fù)運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 ③可提高機床的運動速度 直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率20～30%。 ④可長期維持機床的高精度 對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于摩擦耗能?。疂L動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 3.3.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌: 選擇漢江機床廠BGX系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為: BGXH25BE 基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下: 導(dǎo)軌的額定動載荷N 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： 額定行程長度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： ：靜安全系數(shù)；：基本靜額定負載；：工作載荷 導(dǎo)軌壽命計算： 3.3.3導(dǎo)軌副精度分析 3.3.4導(dǎo)軌材料的選擇 用于導(dǎo)軌的材料，應(yīng)具有耐磨性好，摩擦因數(shù)小，并具有良好的加工和熱處理性質(zhì)。本設(shè)計導(dǎo)軌材料應(yīng)選用HT200，它具有較好的耐磨性，灰鑄鐵密度為ρ=7.0g/cm3。此灰鑄鐵導(dǎo)軌的硬度一般為180~200HBW。為了提高導(dǎo)軌表面硬度，采用表明淬火工藝，表面硬度可達55HRC，導(dǎo)軌的耐磨性可提高1~3倍。 3.4電磁制動器的設(shè)計 機械臂裝置要求該電磁制動器直徑小、制動轉(zhuǎn)矩大、制動靈敏而平穩(wěn)；并具備適應(yīng)高低溫、沖擊、振動、濕熱、雨淋等惡劣環(huán)境的能力。本電磁制動器就是基于上述性能和多種功能要求進行研究和設(shè)計制造。 3.4.1電磁制動器概述 最早的制動器為機械式，隨著自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了電磁式制動器，干式電磁制動器先是單片式，因為價格低，結(jié)構(gòu)簡單，在技術(shù)要求不搞的地方得到了廣泛應(yīng)用，不足之處是精度低，接通時間長，易磨損，在很大程度上限制了進一步的應(yīng)用。而干式多片式失電式電磁制動器以體積小，力矩值大，動作靈敏，壽命長等特點，迅速在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3.4 制動器的分類 電磁制動器是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動化執(zhí)行元件，在機械傳動系統(tǒng)中主要起傳遞動力和控制運動等作用。具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，響應(yīng)靈敏，壽命長久，使用可靠，易于實現(xiàn)遠距離控制等優(yōu)點。 利用電磁效應(yīng)實現(xiàn)制動的制動器，分為電磁粉末制動器和電磁渦流制動器，電磁摩擦式制動器等多種形式。 電磁制動器主要分為：①電磁粉末制動器：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化,形成磁粉鏈,并在固定的導(dǎo)磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實現(xiàn)制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕,激磁功率小,而且制動力矩與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關(guān)，可通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)制動扭矩，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機器的驅(qū)動系統(tǒng)。②電磁渦流制動器：激磁線圈通電時形成磁場。制動軸上的電樞旋轉(zhuǎn)切割磁力線而產(chǎn)生渦流。電樞內(nèi)的渦流與磁場相互作用形成制動力矩。電磁渦流制動器堅固耐用、維修方便、調(diào)速范圍大；但低速時效率低、溫升高，必須采取散熱措施。這種制動器常用于有垂直載荷的機械中。③電磁摩擦式制動器：激磁線圈通電產(chǎn)生磁場，通過磁軛吸合銜鐵，銜鐵通過聯(lián)結(jié)件實現(xiàn)制動。 電磁制動器是一種將主動側(cè)扭力傳達給被動側(cè)的連接器，可以據(jù)需要自由的結(jié)合，切離或制動，因使用電磁力來作動，稱之電磁制動器，具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 3.4.2電磁制動器原理設(shè)計 通過大量查閱資料后設(shè)計工作原理圖如下： 圖3.5 工作原理圖 1-外摩擦片 2-內(nèi)摩擦片 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧 該電磁制動器的工作原理：當(dāng)電磁制動器未通電時，在彈簧力的作用下銜鐵將內(nèi)外摩擦片加緊，產(chǎn)生摩擦力矩，在摩擦力矩的作用下，產(chǎn)生制動作用，旋轉(zhuǎn)負載立即停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)電磁制動器通電時，電磁制動器上的電磁線圈產(chǎn)生磁場，銜鐵受到電磁力作用向下運動，該力大于彈簧力并使銜鐵向下壓緊彈簧，使內(nèi)外摩擦片分離，從而解除限制。 3.4.3主要零件的分析與設(shè)計 電磁制動器的設(shè)計計算是根據(jù)有關(guān)資料并考慮到該電磁制動器本身的特點而編制的。主要零件包含內(nèi)、外摩擦片，電磁線圈以及彈簧。 （1）摩擦元件設(shè)計 摩擦元件為電磁制動器的制動零件，包含一個內(nèi)摩擦片和兩個外摩擦片，內(nèi)摩擦片含內(nèi)花鍵與電動機輸出軸的外花鍵連接，其性能直接影響制動能力和結(jié)合過程。主要分析設(shè)計其材料的選擇、花鍵連接以及主要尺寸計算。 （2）摩擦元件材料的選擇 選擇摩擦材料的時候，主要考慮一下幾點： 摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定，要求在一定的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的恢復(fù)性能； 具有良好的耐磨性能，以提供制動器的壽命； 有一定的機械強度，如許用壓強要大，這樣可增加彈簧壓力，從而增加制動轉(zhuǎn)矩。 查詢相關(guān)資料后選用QAl5，鋁青銅，為不含其它元素的鋁青銅。有較高的強度、彈性和耐磨性；在大氣、淡水、海水和某些酸中耐蝕性高，可電焊、氣焊，不易釬焊，能很好地承受在冷態(tài)或熱態(tài)下承受壓力加工，不能淬火回火強化。 （3）摩擦片主要尺寸設(shè)計 ① 摩擦片外徑D （3.1） 式中，-安全系數(shù)，其取值范圍在（1.2-2）之間，取 f-動摩擦系數(shù)，對銅基燒結(jié)合金鋼，其范圍在（0.2-0.3）之間，取f=0.3 摩擦表面的數(shù)目，i=m-1，m為內(nèi)、外摩擦片總數(shù)，i=3-1=2 p-單位面積壓強，范圍在，取 C-摩擦表面內(nèi)、外徑之比，即C=d/D，d為內(nèi)徑，一般C值在（0.84-0.90）之間，取C=0.84 k-系數(shù)，其表達式為 其中，速度系數(shù)，，v為摩擦外表面圓周速度（m/s） -考慮到摩擦表面數(shù)目的系數(shù)，其求取方法見下表 表3.1 系數(shù) 外摩擦片數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0.97 0.94 0.91 0.88 0.85 0.82 0.79 -考慮到接通次數(shù)的系數(shù)，其求取方法見下表 接通次數(shù)/小時 90 120 150 180 210 240 300 360 1 0.94 0.88 0.82 0.76 0.70 0.58 0.5 表3.2 系數(shù) 由v=0.1m/s可得，有條件取，，則 又，所以可求得 取 ② 摩擦片內(nèi)徑d ，取 ③ 摩擦片徑向?qū)挾萣 摩擦片厚度H、h 內(nèi)摩擦片厚度H取5mm 外摩擦片厚度h取4mm 圖3.6 摩擦片 （4）花鍵設(shè)計 ① 花鍵選擇 由于電動機輸出軸參數(shù)為24j6mm，查閱相關(guān)資料后選擇花鍵參數(shù)為和兩種花鍵，N為鍵數(shù)，工作長度取l=40mm。 圖3.7 矩形花鍵 ② 花鍵強度校核，校核內(nèi)摩擦片花鍵強度 （3.2） ——載荷分布不均系數(shù)，，取=0.8； z——花鍵的鍵齒數(shù)，z=6； l——齒的工作長度，l=40mm； h——花鍵齒側(cè)面的工作高度，mm，矩形花鍵，D為花鍵大徑，d為花鍵小徑，c為倒角尺寸而漸開線花鍵，m為模數(shù)，h=2mm； ——花鍵的平均直徑，mm，矩形花鍵，漸開線花鍵，為分度圓直徑，=28mm； ——許用擠壓應(yīng)力，MPa，見下表，取=80-120MPa； ——許用比壓，MPa，見下表； 表3.3 花鍵許用擠壓應(yīng)力和許用比壓 許用擠壓應(yīng)力、許用比壓 連接工 作方式 使用和 制造情況 齒面未經(jīng) 熱處理 齒面經(jīng) 熱處理 （Mpa） 靜連接 不良 中等 良好 35-50 60-100 80-120 40-70 100-140 120-200 （Mpa） 空載下移動的動連接 不良 中等 良好 15-20 20-30 25-40 20-35 30-60 40-70 在載荷作用下移動的動連接 不良 中等 良好 — — — 3-10 5-15 10-20 則 合適。 3.4.4電磁線圈的設(shè)計 考慮到制動器定子體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，為使勵磁線圈散熱效果好，線圈骨架用黃銅制造，同時也減少了動子鐵心與線圈骨架孔相對運動時的摩擦阻力。對勵磁線圈采用真空浸F級無溶劑漆，這樣不僅有利于導(dǎo)熱，還提高了線圈的絕緣性能、耐熱耐濕性能，增強了抗沖擊振動等機械性能。 （1）線圈匝數(shù)W （3.3） ——線圈額定電壓，24V； ——電阻率，按時電阻率計算，此時； ——線圈平均半徑近似值，、分別為窗口內(nèi)外徑，則； J——電流密度，一般J在之間，取 可求得，取匝。 （2）線規(guī)直徑 取。 （3）勵磁繞組尺寸確定 下圖為勵磁繞組示意圖，其中b、h分別為繞組寬度和高度； 圖3.8 勵磁繞組 繞組寬度：； 則繞組沿寬度方向排列層數(shù)； 繞組沿高度方向排列層數(shù)，??； 則繞組高度：。 工作氣隙： 3.5橫梁的設(shè)計 橫梁用于固定支撐鋸片箱對木板進行縱向切割，因此，橫梁兩端徐設(shè)置滑塊，且應(yīng)設(shè)置安裝絲杠螺母的位置，中間應(yīng)設(shè)置鋸片箱橫向移動的滑槽。詳解結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 圖3.9 橫梁 3.6框架的設(shè)計 在機器中支承或容納零部件稱為框架。如支承罐的塔架、容納傳動齒輪的減速器的殼體，機床的床身等等統(tǒng)稱為框架。 3.6.1結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計 經(jīng)過多方面的考慮后，決定選用焊接式的金屬框架?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮到軸的安裝，故機體壁的一邊從和軸中心上下分成兩半，軸裝上以后，用一個端蓋通過螺 栓連接再連接到一起。為減少機體的重量，故只在與軸配合的地方，增加厚度，其他的地方用薄壁 板進行加工。 框架安裝在分選機右側(cè)， 滾子處于懸起狀態(tài)。 框架尺寸為： 1000 mm×900mm×800mm。 框架材料的選擇，HT150進行制造，這樣也能保證機體有足夠的強度和硬度 3.6.2框架的校核 機架的剛度決定了機架在工作過程中變形的大小，其實對于機架的設(shè)計而言，剛度的研究比強度更有意義，因為機架由于壓力的作用而被破壞的情況是比較少的。但機架隨著工作時間的增加會慢慢的變形，這就要求機架有足夠的剛度，否則隨著機架的變形而導(dǎo)致傳動件位置的變動，機器的工作能力就會降低。根據(jù)壓桿保持平衡能力的最小臨界力公式 ——臨界力 單位N； E ——材料的彈性模量 單位Gpa，對槽鋼材料為205GPa； I ——慣性矩 單位，對18號槽鋼為1369.9； ——機架高度 單位m。 在實際工作機架只受到支撐力的作用，因此只要校核機架的支撐應(yīng)力即可。機架在連接處的面積最小，即屬于危險截面。 右端連接處最大應(yīng)力 左端連接處的最大應(yīng)力 根據(jù)機架一的設(shè)計高度為0.46m，再由公式（3-4）及已知數(shù)據(jù)得13.1，比較可知機架一受到的力遠遠小于，也就是機架具有足夠的強度，滿足要求。機架二、機架三所受的力較機架一而言要小，幾何尺寸也相差無幾，根據(jù)機架一校核所的數(shù)據(jù)知道，無論是強度還是剛度都遠遠滿足，所以據(jù)經(jīng)驗判斷肯定滿足。反而是機架一與二之間的連接螺栓由于皮帶對軸拉力作用產(chǎn)生彎矩，受拉一邊的螺栓受力比較大需要進行校核。 3.6.3框架連接螺栓的校核 在校核之前我們必須算出皮帶通過帶輪作用于軸上的力，因為這個力是直接通過機架傳遞給螺栓的。下面是求對軸作用力的公式： ——軸所受的拉力 單位N： z ——皮帶根數(shù)，從同組人員那得到的數(shù)據(jù)為5根； ——單根皮帶初拉力 單位N； ——小帶輪的包角； ——計算功率=，工況系數(shù)，P實際功率； ——帶輪的圓周速度 單位m/s； ——小帶輪的包角系數(shù)； q——每米帶長的質(zhì)量 單位kg/m。 根據(jù)機架的受力位置我們得到這樣一個力學(xué)模型如圖3-6： 圖3-6 機架的受力模型 ——螺栓對機架的作用力 單位 。 由于是四個螺栓作用我們根據(jù)關(guān)系可以得到： 由公式及已知的數(shù)據(jù)我們可以得到。再參照選粉機電機機架設(shè)計時螺栓連接處預(yù)緊力一般取以上，所以螺栓的總受力為安全起見下面就可以根據(jù)公式求拉應(yīng)力： ——螺栓受到的拉應(yīng)力 單位； S ——螺栓的截面積 單位。 由于我們選的是M16的螺栓，危險截面對應(yīng)螺紋小徑處的面積約為140，根據(jù)公式（3-8）得43，除拉應(yīng)力外，在螺栓受拉的過程中還受到螺紋副間摩擦阻矩的作用產(chǎn)生切應(yīng)力，對于M10～M64的螺栓=0.5，再根據(jù)第四強度理論：57Mpa 螺栓的抗拉伸強度極限為，動載情況下許用應(yīng)力安全系數(shù)為S=2.5～4，我們?nèi)?計算得到許用應(yīng)力[]==82.5Mpa，由于，所以滿足要求。 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，在這一階段的緊張學(xué)習(xí)中，使我的綜合能力得到了很大的提高。這次畢業(yè)設(shè)計幾乎用到了我們大學(xué)所學(xué)的所有專業(yè)課程，可以說是我們大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識的一次綜合考察和評定。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我們對以前所學(xué)的專業(yè)知識有了一個總體的認(rèn)識與融會貫通。例如我們在設(shè)計過程當(dāng)中需要用到所學(xué)的工程制圖、材料力學(xué)、機械工程材料、機械設(shè)計、極限配合與公差以及CAD計算機輔助制圖等基礎(chǔ)的專業(yè)知識。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，不僅使我們熟悉了舊的的知識點，還使我們發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的細節(jié)問題，而這些細節(jié)問題恰恰是決定我們是否能夠成為一名合格的機械技術(shù)人才的關(guān)鍵所在。 此外，我感覺兩個月的畢業(yè)設(shè)計極大的豐富了我們的知識面，使我學(xué)到了許多知識，不僅僅局限于多學(xué)的專業(yè)知識。在做設(shè)計的過程中，由于需要用到課本外的知識，這要求我們上網(wǎng)或者到圖書館等查閱資料。例如在設(shè)計方案時就需要我們對搬運機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析的工作環(huán)境和工作能力等由一定的了解才能選用合適的方案。由于以前沒有注意此方面的問題，所以必須通過實踐認(rèn)識和查閱資料才能做到更好。 踏踏實實做人，認(rèn)認(rèn)真真做事，在該原則的指導(dǎo)下，使得我的設(shè)計能夠得以順利地進行，在以后的工作與學(xué)習(xí)中，我會堅持這項原則，我深信：只有腳踏實地，才能步步成功！ 參考文獻 [1] 李超，氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā).陜西科技大學(xué)，2013 [2] 史國生.PLC在機械手步進控制中的應(yīng)用.中國工控信息網(wǎng),2015.1 [3] 李明.單臂回轉(zhuǎn)機械手設(shè)計.制造技術(shù)與機床，2014. 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Shostrom Bantam Books ManTheManipulator Bantam Books，2011 致 謝 大學(xué)生活即將結(jié)束，在這短短的幾年里，讓我結(jié)識了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠摯的感謝。 首先，向本設(shè)計的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導(dǎo)，時刻關(guān)心我們的進展?fàn)顩r，督促我們抓緊學(xué)習(xí)。老師給予的幫助貫穿于設(shè)計的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會書本中的知識，更學(xué)會了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設(shè)計過程中，她和我們在一起共同解決了設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。 其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠摯的謝意，在整個設(shè)計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關(guān)懷，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。 另外，也向給予我