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哈爾濱理工大學學士學位論文
桁架機械手的設(shè)計
摘 要
現(xiàn)代工業(yè)不管是加工還是制造都存在著多種多樣的方式，有人力手動的也有機械加工的，然而在這其中，桁架機械手機無疑是一種十分方便快捷而且簡單易懂的型鋼抓取的高效率產(chǎn)品。
本次設(shè)計的桁架機械手與同類其它產(chǎn)品相比可以抓取各種形狀的型鋼，比如槽鋼，工字鋼，方鋼等等。除此以外，它還具有裝卸快速、使用安全、一機多用、操作方便、結(jié)構(gòu)合理、便于安裝等眾多優(yōu)點，在國內(nèi)桁架機械手的機市揚占據(jù)了很大份額，我們知道的桁架機械手所用于工廠、碼頭、鐵路、建筑等安裝生產(chǎn)和制造。
隨著工業(yè)及制造業(yè)的發(fā)展，各類型鋼在工業(yè)、農(nóng)業(yè)上的廣泛運用，推動了桁架機械手機的不斷發(fā)展，桁架機械手的發(fā)展到現(xiàn)在已取得了很大的進步，它是從最早期的手動抓取發(fā)展到現(xiàn)在的全自動抓取。本次研究主要在于熟悉桁架機械手的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計并計算桁架機械手，增加桁架機械手的精度，更好解決一些生產(chǎn)工藝上以及零件規(guī)格合格率的生產(chǎn)實際問題。
關(guān)鍵詞 型鋼 機械手 結(jié)構(gòu)設(shè)計
-31-
Design of type steel stacker
Abstract
Modern industry, there are various ways of processing or manufacturing, including manual labor and mechanical processing. However, the stacker crane is a very convenient, fast and simple high-efficiency product for steel stacking.
The design of this type of steel, steel and other products compared to the stacker stacker can be of various shapes such as steel, steel, steel and so on. In addition, it also has a fast, safe use, multifunction, the stacker crane is a very convenient, convenient operation, reasonable structure, convenient installation and handling many advantages, the stacker crane is a very convenient,occupy a large share in the domestic steel market stacker machine, steel stacking machine we know are used in factories, docks, railways, construction and installation of production and manufacturing.
With the rapid development of industry and manufacturing industry, various types of steel are widely used in industry, agriculture, and promote the continuous development of steel stacking machine, development of steel stacking machine now has made great progress, it is from the early development of manual palletizing automatic stacking now. This research is mainly focused on the structural scheme of familiar steel stacker, designing and calculating the steel stacker, increasing the accuracy of steel stacker, and better solving some practical problems of production process and parts qualification rate.
Keywords Section steel Stacker Structural design
目 錄
摘要 I
Abstract II
桁架機械手的設(shè)計 I
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題設(shè)計的目的和意義 2
1.3 本課題研究的內(nèi)容 2
第2章 工作原理簡介 4
2.1 整體方案 4
2.2 工作原理 4
2.3 本章小結(jié) 5
第3章 各機構(gòu)的設(shè)計計算 6
3.1 抓取機構(gòu)設(shè)計 6
3.1.1 工作原理 6
3.1.2 機械手載荷計算 6
3.1.3 液壓缸的計算 7
3.1.4 強度和穩(wěn)定性計算 9
3.2 龍門機架的設(shè)計計算 12
3.2.1 主梁危險載面的強度驗算 12
3.2.2 支腿危險載面的強度驗算 14
3.2.3 受力分析 15
3.2.4 截面強度計算 16
3.2.5 截面剪切強度計算 17
3.3 移動機構(gòu)的設(shè)計計算 17
3.3.1 滾珠絲杠計算和選型 17
3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型 18
3.3.3 滾珠絲杠副的支承方式 18
3.3.4 傳動效率的計算 19
3.3.5 剛度的驗算 19
3.3.6 穩(wěn)定性校核 20
3.3.7 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 20
3.3.8 步進直線電機的計算和選用 21
3.4 小齒輪的強度計算 23
3.4.1 齒面接觸疲勞強度計算 23
3.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強度計算 27
3.5 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻 31
第1章 緒論
1.1 課題研究背景
研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進性的機械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進性的機械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進性的機械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進性的機械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性可以、質(zhì)量和成本。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，它們都將會使國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益發(fā)生翻天覆地的變化和促進作用。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，機械工業(yè)的綜合實力和技術(shù)雄厚水平始終會為國家經(jīng)濟能力和科學技術(shù)指標的關(guān)鍵要素。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)。所以說，全球普遍看來都會不遺余力的去開拓機械工業(yè)行業(yè)看成發(fā)展自己國家經(jīng)濟水平能力的發(fā)展戰(zhàn)略關(guān)鍵。研發(fā)、制造和生產(chǎn)具有先進性的機械設(shè)備，不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是非常關(guān)鍵的。始終加強目前的機械設(shè)備和制造新一代機械設(shè)備，取應付目前和將來的需求。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，都是很重要的事情。
機械設(shè)備的制造，其中涵蓋了很多東西，有生產(chǎn)設(shè)施制定方案和結(jié)果；不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)方案的指定與生產(chǎn)統(tǒng)籌管理；不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，或者說實施生產(chǎn)工藝編寫；設(shè)計和制造工具、模具；確定勞動定額和材料定額不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，；進行加工、整合、驗收與打包送貨；對產(chǎn)品質(zhì)量實施具有目的性的管理。機械通?？赡苁侵T多個不同尋常的成形、經(jīng)過加工的高質(zhì)量零件配合起來的高難度的東西。不管是提到的一般產(chǎn)業(yè)，或者說是新發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，通常來說機械生產(chǎn)制造中批量，會分類成單件小批的，或者中批量的，但大部分都為大批量的制造來節(jié)約成本提高效率。
1.2 課題設(shè)計的目的和意義
目前，世界上機械手的發(fā)展已經(jīng)很成熟了。已發(fā)展形成了各種類型的小型車間用的標準機械手主要有兩大類，磁性和非磁性機械手[1]。一類是磁性機械手。軋件由裝有可調(diào)磁性的翻轉(zhuǎn)臂和輸送小車進行一車抓取，并且層與層之間是面對面或背對背交替放置的。該系統(tǒng)主要運用于中型型鋼抓取。全部由計算機自動操作。鋼材抓取后，由平立輥道輸送到打捆區(qū)，平立輥道的寬度是可調(diào)的，以避免料垛散落[2]。
機械設(shè)備的應用，這方面包括機械設(shè)備的選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、振動與噪聲是人們?nèi)粘Ｉ钆c工業(yè)生產(chǎn)中極其常見的物理現(xiàn)象[2]，其對于一般工業(yè)系統(tǒng)來說是極其有害的。在機械加工領(lǐng)域，過大的振動會使機構(gòu)磨損加劇，降低使用壽命，影響零部件的加工精度；而在土木建筑、交通運輸以及航空航天等領(lǐng)域，振動不僅可能造成橋梁坍塌，火箭發(fā)射失利，人員的舒適度與安全度降低等，嚴重時甚至可能造成人員的傷亡。因此，振動所帶來的危害不容小覷。振動控制技術(shù)作為改善系統(tǒng)振動與噪聲的有效手段，是時下熱門的研究方向之一。當前，振動控制的方法可概括為：被動控制、主動控制和軌跡規(guī)劃法[22]。被動控制法主要通過各種儲能或耗能材料以及機械結(jié)構(gòu)的阻尼實現(xiàn)振動能量的吸收與耗散。
維護、修理和改造以及各行業(yè)使用的成套機械設(shè)備和機械產(chǎn)品的應用，來確保機械設(shè)備長期使用的可靠性和經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的應用。這包括機械的工業(yè)使用和成套機械設(shè)備、機械產(chǎn)品、機械產(chǎn)品的選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和翻新，以確保機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的應用是研究機械產(chǎn)品制造過程中的環(huán)境污染、機械產(chǎn)品的應用和自然資源的過度消耗，特別是自然資源的利用，以及解決這些問題的措施。機械產(chǎn)品的應用是現(xiàn)代機械工程的一項重要任務(wù)，其重要性日益提高。
1.3 本課題研究的內(nèi)容
本論文主要研究運用所學大學課程知識對桁架機械手進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，了解CAD的各種功可以，及所學知識的應用，達到學以致用的目的。本次設(shè)計的其主要內(nèi)容為：
1、桁架機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
2、根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行計算；
3、對相關(guān)重要零件進行強度校核；
4、運用AutoCAD軟件繪制機械手的裝配圖及重要零件圖；
4、最后完成設(shè)計說明書的編寫。
第2章 工作原理簡介
2.1 整體方案
本次設(shè)計的桁架機械手是機械生產(chǎn)制造中很常見的一種設(shè)備，它的工作流程是根據(jù)現(xiàn)場需求，把型鋼抓取成型，合理安排擺放空間位置，完成生產(chǎn)制造的統(tǒng)一管理。
桁架機械手的工作原理圖如圖2-1所示：X方向的移動梁在龍門架的導軌上運行，由電動機驅(qū)動完成X方向的移動，Y方向移動梁在X移動梁上運動，也是由電動機驅(qū)動完成Y方向的移動。
上升機構(gòu)的動作同理也是電動機驅(qū)動完成上下運動。抓取機構(gòu)采用液壓驅(qū)動的方式，這樣夾緊力可以保證很大。抓取的穩(wěn)固。
在抓取型鋼時，首先把抓取機構(gòu)通過各梁的移動，到達指定位置，然后抓取，上升后，再把型鋼移動到所需要抓取的地方，抓取機構(gòu)松開。完成一次抓取。
圖2-1 方案圖
2.2 工作原理
桁架機械手的工作原理為：通過控制信號控制各個驅(qū)動部件，完成堆通過抓取機構(gòu)到指定的型鋼堆積的地方夾住型鋼完成指定位置的抓取。整個機械手的動作前提都是靠光電傳感器檢測信號，通過它們的反饋信號給控制系統(tǒng)，然后經(jīng)過中控系統(tǒng)來對機械手的各個執(zhí)行機構(gòu)進行有序地操作，從而完成整個抓取的工藝流程。
2.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了本次設(shè)計的機械手的結(jié)構(gòu)方案，了解了其工作的工作原理，從而更清楚各個機構(gòu)的關(guān)聯(lián)及工作內(nèi)容，來更好的完成下面的設(shè)計計算。
第3章 各機構(gòu)的設(shè)計計算
3.1 抓取機構(gòu)設(shè)計
3.1.1 工作原理
該機械手抓取機構(gòu)的工作原理，類似一個機械手的動作過程，是利用液壓缸驅(qū)動夾板的夾持力將型鋼的兩側(cè)夾緊，由于力是液壓缸驅(qū)動的，因此保證了一定的夾緊力。抓取機構(gòu)上側(cè)也設(shè)有一個液壓缸，可以使型鋼定位，定位后保證了夾緊的位置，可以更好的完成夾緊動作。夾緊機構(gòu)上側(cè)有主推油缸，與連桿連接，通過連桿的作用可以微調(diào)抓取結(jié)構(gòu)的方向，保證抓取機構(gòu)對型鋼的抓取位置，不影響力的跑偏。
3.1.2 機械手載荷計算
本次設(shè)計機械手橫向行程為5000mm，型鋼選擇常見的，估取重量為，各導軌均為直線導軌。參考相關(guān)文獻資料[3]中，查表3-1可知，最大工作載荷的計算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)，取1.4；
—為滑動導軌摩擦系數(shù)，取0.2。
最大動載荷的計算：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導程，初選為。
—橫向最大工進速度，該設(shè)計值為；
—橫向最大工進速度對應絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計算得出得 ：=12278.8。
3.1.3 液壓缸的計算
1. 初步確系統(tǒng)壓力
表3.1 按負載選擇工作壓力[4]
負載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[4]
機械類型
機 床
農(nóng)業(yè)機械
小型工程機械
建筑機械
液壓鑿巖機
液壓機
大中型挖掘機
重型機械
起重運輸機械
磨床
組合
機床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表2-1和表2-2可知，初選液壓缸的設(shè)計壓力P1=0.4MPa
為了滿足快速進退速度相等，并減小液壓泵的流量，則液壓缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止工件突然前沖，液壓缸需保持一定的回油背壓，并取液壓缸機械效率。則液壓缸上的平衡方程
故液壓缸無桿腔的有效面積：
液壓缸直徑：
表3.3 液壓缸內(nèi)徑系列GB/T2348-1980mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
參考表3.3，這里取標準值D=40mm；
參考相關(guān)文獻資料可知，根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。
前面分析了采取A1=2A，故活塞桿直徑d=0.71D=28.4mm ，因此根據(jù)表3.4，取d=28（標準直徑）
表3.4 液壓缸活塞桿直徑系列GB/T2348-1980mm
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
2.液壓缸缸體厚度計算
缸體是液壓缸中最重要的零件，參考相關(guān)文獻《液壓設(shè)計手冊》可知，選用常見的45號鋼作為缸體的材料。
式中：——實驗壓力，MPa。
當液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應力，N/mm。
[]=，為材料的抗拉強度。
注：1.額定壓力Pn
額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa
2.最高允許壓力Pmax
Pmax1.5Pn=1.251=1.25MPa
液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa
安全系數(shù)n：參考相關(guān)文獻《液壓設(shè)計手冊》可知，表2—10，取n=5。
因為我們可以計算出許用應力[]==120MPa
=
=0.2mm
=200,符合設(shè)計要求中的。
但考慮到制造工藝以及按照的需求，這里液壓缸厚度取2.5mm。
因此液壓缸缸體外徑為45mm。
3.1.4 強度和穩(wěn)定性計算
1.對活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性進行計算
（1）活塞桿強度計算
校核活塞桿的直徑d
式中，F(xiàn)為活塞桿上的作用力；為活塞桿材料的許用應力，1.4。
=12.36
（2）液壓缸穩(wěn)定性計算
為了能夠保持其能穩(wěn)定運行活塞桿進行壓縮負載時，所承受的壓力不能超過臨界負載。不然的話會發(fā)生軸向彎曲，導致液壓缸無法正常工作?；钊麠U的截面形狀、直徑與長度以及其所用材料性質(zhì)；液壓缸的安裝方式等等因素來決定的值?；钊麠U穩(wěn)定性的計算公式為，
式中為安全系數(shù)，一般取=2-4.
當活塞桿的細長比時
式中，l為安裝長度，其值為320mm；活塞桿橫截面慣性矩為J；最小回轉(zhuǎn)半徑為，；
—為柔性系數(shù)，其值為85；
—為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，使用一端自由一端固定為支承的選擇方式，值為0.25；
—對鋼取活塞桿使用的材料的彈性模量為E=2.06x
—A為活塞桿橫截面積；材料強度決定的實驗值是f，其值為4.9x，系數(shù)的值為1/5000.
（8.4）
=0.019
=85x=42.5
=6.1xN
=1.5xN
2.連接零件的強度計算
液壓缸在液壓元器件中最重要，因此要對它的各部分連接零件進行強度計算。
(1)焊縫強度的計算（鋼桶與缸蓋）
如圖所示，其焊縫的應力為：
式中F——液壓缸最大推力（N）；
——焊接效率，取0.7
——焊縫的許用應力（Pa）
=4200x，取安全系數(shù)n=3.3-4
=11.23MPa≤[δ]==105Mpa
(2)缸蓋連接螺栓的強度計算
缸蓋與缸筒用法蘭環(huán)時；
螺栓螺紋處的拉應力： (MPa)
螺栓螺紋處的剪應力： (MPa)
其合成應力和強度驗算公式為
≤[σ](MPa)
式中——螺紋外徑；
——螺紋內(nèi)徑。
——螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)（0.07~0.2），一般取=0.12；
——螺紋預緊力系數(shù)，取K=1.25~1.5；
——缸筒材料的許用應力（MPa）；
——液壓缸最大推力（N）；
——缸筒內(nèi)徑（m）。
——螺栓數(shù)量。
K=1.25，=0.12，F(xiàn)=12000，=6，=4.917，Z=6
=131.65Mpa
=37.85MPa
=147MPa≤600MPa
通過以上的強度計算保證液壓缸的各部件可以滿足工況要求。
3.2 龍門機架的設(shè)計計算
主梁材料的選擇：選用Q235，其力學性能好。橋式主梁結(jié)構(gòu)形式及截面尺寸的確定：根據(jù)標準選用后，驗算是否符合要求。
3.2.1 主梁危險載面的強度驗算
1）正應力的驗算
參考相關(guān)文獻[5]中的可知，根據(jù)公式計算的垂直彎矩同時作用在主梁上，并考慮約束彎曲和約束扭轉(zhuǎn)的影響，主梁再面上的正應力可按下式疊加：
主梁跨中：
主梁支承載面：
式中：
、——主梁跨中的最大垂直彎矩和水平彎矩；
、——主梁支承載面的最大垂直彎矩和水平彎矩；
、——主梁跨中和支承載面對軸的載面摸數(shù)；
——主梁對軸的載面摸數(shù)。
參考相關(guān)文獻[5]中的可知，強度許用應力為：
1）確定應力循環(huán)特性
參考相關(guān)文獻[5]中的可知，鋼的強度許用應力為：
式中：參考相關(guān)文獻[5]中的可知，為載荷組合的安全系數(shù)。
2）剪應力的驗算
參考相關(guān)文獻[5]中的可知，箱形載面主梁支承載面處的剪力在腹板上引起的剪應力按下式計算：
式中——主梁載面的一部分對中性軸的靜矩；
——主梁載面對軸的慣性矩；
、——主梁的主、副腹板的厚度。
在水平載荷作用下，蓋板上的剪應力：
式中——支承處的水平剪力；
——主梁載面的一部分對軸的靜矩；
——主梁載面對軸的慣性矩；
——上、下蓋板厚度。
主梁受扭的影響。則按純扭轉(zhuǎn)計算，計算式為：
主腹板上=
副腹板上=
蓋板上=
式中——作用與主梁支承載面的扭矩；
——主梁封閉載面的輪廓面積，。
在主梁載面上，各種載荷在同一點引起的剪應力予疊加。
3.2.2 支腿危險載面的強度驗算
對于單主梁箱形結(jié)構(gòu)門架的支腿應分別選取幾個載面進行強度計算。
強度驗算式為：
式中——門架平面，支腿驗算載面的最大彎矩；
——支腿平面，支腿驗算載面的最大彎矩；
——支腿平面，支腿驗算載面的軸向力；
、——驗算載面對軸和軸的載面模數(shù)；
——驗算載面的面積。
根據(jù)靜強度和疲勞強度條件計算截面需要的面積：
由計算結(jié)構(gòu)知，桿件應根據(jù)疲勞強度條件確定截面積。桿件需要的最小截面積為20732.55。
3.2.3 受力分析
參考相關(guān)文獻[5]中的可知，所受到的載荷為均布載荷
圖3-1 橫梁受力圖
在I-I截面上彎矩為：
截面(Ⅱ-Ⅱ)剪力：
3.2.4 截面強度計算
截面寬度
截面高度
截面積
面積重心至x軸距離
截面對x軸的靜面矩
靜面矩S與面積重心至x軸距離乘積
各截面積的慣性矩
重心至x軸的慣性矩
截面對x軸的慣性矩
截面對x軸的慣性矩
受壓截面和受拉截面彎曲應力相等為
由此可得，在截面上彎曲應力小于許用應力，安全。
3.2.5 截面剪切強度計算
由分析得，最大應力在中心橫斷面。
式中：
Q—截面剪切力
B—簡化截面寬度
H—簡化截面高度
代入得：
根據(jù)上面計算可知，在截面上剪切強度小于許用剪切強度，因此設(shè)計
為安全。
3.3 移動機構(gòu)的設(shè)計計算
本次設(shè)計的機械手各方向的移動機構(gòu)均勻有減速電機驅(qū)動滾珠絲杠完成的各個方向的動作。
3.3.1 滾珠絲杠計算和選型
1.最大工作載荷的計算
本次設(shè)計機械手橫向行程為5000mm，型鋼選擇常見的，估取重量為，各導軌均為直線導軌。參考相關(guān)文獻資料[3]中，查表3-1可知，最大工作載荷的計算如下：
= (3.1)
式中： —為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)，取1.4；
—為滑動導軌摩擦系數(shù)，取0.2。
最大動載荷的計算：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—橫向滾珠絲杠導程，初選為。
—橫向最大工進速度，該設(shè)計值為；
—橫向最大工進速度對應絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計算得出得 ：=12278.8。
3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計算出的最大動載荷,采用雙螺母方式預緊，精度等級為5級，其參數(shù)如表3.3所示。
表3.3相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
32
5
3.5
19
16.5
32.8
14
3.3.3 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長度、精度與負載的大小以及改造成本，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，采用雙推-單推支承方式，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，其方式軸向剛度高，位移精度好，可以進行預拉伸。
3.3.4 傳動效率的計算
=
式中：—螺距升角，
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，
一般取=10′。
算得： ==95.67%
3.3.5 剛度的驗算
=
（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
前面已經(jīng)計算了：
為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047
=±4.7
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，，,所以剛度足夠。
3.3.6 穩(wěn)定性校核
=
式中：
—絲杠支承系數(shù)，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，單推-單推時，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，
（，單位為）
把代入算出=87080。
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，由以上數(shù)據(jù)可以算出：== (3.9)
臨界載荷遠大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會失穩(wěn)。
3.3.7 臨界轉(zhuǎn)速的驗證
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過計算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.3.8 步進直線電機的計算和選用
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，軸、絲杠等圓柱體慣量計算（）
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，對于鋼材：
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長度（）
—鋼材的密度
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，具體計算如下：
電機力矩的計算
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，快速空載起動時所需力矩
式中：
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，快速進給時所需力矩
因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，最大切削負載時所需力矩
式中：
在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算
式中：
摩擦力矩
式中：
附加摩擦力矩
式中：
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，折算到電機軸上的切削負載力矩
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，具體計算：
橫向：
可查出，90BAGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為50N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。
3.4 小齒輪的強度計算
3.4.1 齒面接觸疲勞強度計算
計算斜齒圓柱齒輪傳動的接觸應力時，推導計算公式的出發(fā)點和直齒圓柱齒輪相似，但要考慮其以下特點：嚙合的接觸線是傾斜的，有利于提高接觸強度 ；重合度大，傳動平穩(wěn)。
齒輪的計算載荷
為了便于分析計算，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進行計算。沿齒面接觸線單位長度上的平均載荷P（單位為N/mm）為
P =
Fn ——作用在齒面接觸線上的法向載荷
L ——沿齒面的接觸線長，單位mm
法向載荷Fn 為公稱載荷，在實際傳動中，由于齒輪的制造誤差，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會使法面載荷增大。因此在計算載荷的強度時，應按接觸線單位長度上的最大載荷，即計算Pca （單位N/mmm）進行計算。即
Pca = KP =K
K——載荷系數(shù)
載荷系數(shù)K包括 ：
使用系數(shù)，
動載系數(shù)，
齒間載荷分配系數(shù)
齒向載荷分布數(shù)，即
K =
使用系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，動載荷影響的系數(shù)：
= 1.0
動載系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒輪傳動制造和裝配誤差是不可避免的， 參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動載系數(shù)。
= 1.0
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒間載荷系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒輪的制造精度7級精度[2]
= 1.2
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒向荷分配系數(shù)：
齒寬系數(shù) φd = b/d = 18.14/12.13 = 1.5
= 1.12+0.18(1+0.6φd) + 0.23*10b = 1.5
所以載荷系數(shù)：
K= = 1*1*1.2*1.5 = 1.8
斜齒輪傳動的端面重合度：
= bsin = 0.318φd*ztan = 1.65
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，在斜齒輪傳動中齒輪的單位長度受力和接觸長度如下：
P ca = KP =K
因為
Fn = Ft/(cos*cosβ1)
所以
=1.8*3297.6/18.14/1.65/0.67= 296N/mm
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，利用赫茲公式，代入當量直齒輪的有關(guān)參數(shù)后，得到斜齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強度校核公式[2] ：
=
式中：
Z －彈性系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，主動小齒輪選用材料20CrMo制造， 參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，根據(jù)材料選取，均為0.3， E，E都為合金鋼 ， 取189.8 MPa
求得 Z = 5.7
－節(jié)點區(qū)域系數(shù)
Z = 2.24
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，齒輪與齒條的傳動比 u , u趨近于無窮
則
所以 = 51.6 MPa
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，小齒輪接觸疲勞強度極限
= 1000 MPa
應力循環(huán)次數(shù)
N = 2*10
所以 = 1.1
計算接觸疲勞許用應力
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，取失效概率為1%，安全系數(shù)S = 1，可得
= 1.1*1000MPa = 1100MPa
K ——接觸疲勞壽命系數(shù)
由此可得 <
因此疲勞強度要求。
3.4.2 齒輪齒跟彎曲疲勞強度計算
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，彎曲疲勞強度計算校核公式：
齒間載荷分配系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，= 1.2
齒向載荷分配系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知， = 1.33
載荷系數(shù)
K= = 1*1*1.2*1.3 =1.56
齒形系數(shù)
校正系數(shù)
= 1.4
螺旋角系數(shù)
校核齒根彎曲強度
σ=
= = 323.8MPa
彎曲強度最小安全系數(shù)：
=1.5
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知，計算彎曲疲勞許用應力為：
——彎曲疲勞壽命系數(shù)
參考相關(guān)文獻資料[5]中可知， = 1.5
可得， = 1.5*1000/1.5 = 1000 MPa
所以： σ <
所以經(jīng)過以上計算，符合設(shè)計要求。
3.5 本章小結(jié)
本章內(nèi)容主要包括計算了機械手各部件的參數(shù)計算，完成零件的校核。
結(jié)論
本文在這幾個月的畢業(yè)設(shè)計的過程中，我認真分析了指導老師提供的基本設(shè)計數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書和期刊資料；對現(xiàn)在我國的桁架機械手的結(jié)構(gòu)總體趨勢進行分析，在網(wǎng)上和圖書館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設(shè)計的基本方案，然后設(shè)計出了具體的方案。
本次設(shè)計的桁架機械手為了達到一定的精度要求，通過選用最佳降速比來降低慣量；采用預緊的辦法提高傳動剛度；用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等，其中最重要的是提高傳動剛度和降低慣量。采用預緊消除間隙提高傳動剛度，不僅不需要增大尺寸和慣量，而且也是傳動剛度接近常數(shù)，這是機械傳動的特點，保證了一定的精度。
本次傳動系統(tǒng)采用了步進減速電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，這是本次設(shè)計的突出亮點，也是難度的所在，為了圓滿完成本次設(shè)計，在指導老師不厭其煩的耐心指導下，查閱參考了大量的相關(guān)資料，才完成了本次設(shè)計，學到了很多相關(guān)知識。為今后走向工作崗位提前做準備。
致謝
本文隨著設(shè)計的逐步接近尾聲，意味著我在哈理工大學四年的大學生學習生活即將結(jié)束。站在畢業(yè)的門檻前，回首往昔，有太多的感慨，也有太多需要感謝的人。
大學生生活是我在求學生涯中收獲最大、改變最大的四年，我的導師對我的影響無疑是最大的。本文是在導師的悉心指導下完成的，謹在此向恩師表示衷心的感謝。在大學生四年的求學期間，老師廣博的學識，嚴謹?shù)目茖W作風以及自信樂觀的生活態(tài)度對我的成長和進步起到了深遠的影響。在科研上您是良師，對我的課題進展付出了大量心血；在生活上您更是朋友，給予了我父母般的關(guān)懷。在此大學論文完成之際，我對您表示深深的敬意。
論文的完成也離不開機械制造及自動化設(shè)計其他幾位老師的指導和幫助。在此要特別感謝課題組的老師在科研和生活上的指導和建議，給予了我很大啟發(fā)和幫助。感謝課題組教授的關(guān)心和支持，以及在學習生活中為提供的良好環(huán)境。同時，也要感謝其他老師的鼓勵和幫助。
感謝課題組的同屆同門很多同學，四年的實驗室生活因為有你們而變得更加充實和開心，這一路上你們給我的幫助、鼓勵讓我走的每一步變得更加堅定。感謝上一屆等師兄，謝謝你們給我的指導。特別感謝師弟在課題上給我的幫助，感謝我的研究生室友，謝謝你們對我生活上的幫助。
感謝我的母校哈理工大學給了我一個寬闊的學習平臺和一個良好的學習環(huán)境，為我的人生前進道路奠定了堅實的基礎(chǔ)。
最后，要特別感謝我的家人，感謝父母在求學生涯中給予我無微不至的關(guān)懷和照顧，謝謝你們一如既往對我地支持和鼓勵。家永遠是我內(nèi)心深處最溫暖的港灣，你們對我二十幾年的付出，我將用一生去回報。
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