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三自由度直角坐標機械手設計 作 者 姓 名 汪增帥 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師姓名 付秀琢 專業(yè)技術職務 目 錄 摘 要 ……………………………………………………………1 第一章 概述…………………………………………………2 1.1機械手概述 ………………………………………………………2 1.2機械手歷史和現(xiàn)狀 ………………………………………………4 1.3機械手發(fā)展趨勢……………………………………………………6 第二章 總體設計………………………………………… 8 2.1機械手組成及各部分關系…………………………………………8 2.2總體方案擬定………………………………………………………9 2.3 驅動方式的選擇……………………………………………………11 第三章 機械系統(tǒng)設計………………………………………13 3.1機械手的結構設計………………………………………………13 3.2傳動結構的設計…………………………………………………15 3.3導軌的設計………………………………………………………20 3.4軸承的選擇………………………………………………………21 3.5電機的選擇………………………………………………………22 第四章 總結………………………………………………25 致謝…………………………………………………………………25 參考文獻………………………………………………………………26 摘 要 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機械手等。而工業(yè)機械手是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設計為三自由度直角坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為三個直線方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個地方搬到另一個地方這一簡單的動作,本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結。 關鍵詞：三自由度 直角坐標 工業(yè)機械手 ABSTRACT It is starting to change the modern industrial landscape. The design for the industrial robot of three degrees of freedom Cartesian coordinate its work direction for the three linear directions. The role of the controller, which performs the workpiece moved from one place to another place of this simple action, This is the entire design more comprehensive introduction and summary. Keywords：three degrees of freedom； rectangular coordinates； industrial robot 第一章 概述 1.1機械手概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機械手的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機械手”（Industrial Robot）多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機械手或通用機械手）。 機械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機械手具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機械手稱為專用機械手，而把工業(yè)機械人稱為通用機械手。 簡而言之，機械手就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。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械手來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機械手，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機械手按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機械手以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機械手中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機械手的本體部分都采用這種機構形式的機械手。 要機械手像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機械手的性能。一般而言，機械手通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機械手的一般組成 機械手的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅動－傳動系統(tǒng)主要包括驅動機構和傳動系統(tǒng)。驅動機構提供機械手各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅動力轉換為滿足機械手各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又稱操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。 1.2 機械手的歷史和現(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。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機械手后，大力從事機械手的研究。 目前工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；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機控制系統(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，把感覺到的信息進行反饋，使機械手具有感覺機能。 第三代機械手（機械手）則能獨立地完成工作過程中的任務。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(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機械手研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機械手會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機械手的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機械手主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。使用工業(yè)機械手代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機械手系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機械手系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機械手系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機械手系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機械手系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機械手系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機械手語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機械手系統(tǒng)。 美國工業(yè)機械手技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段： （1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機械手供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機械手定型為1900型。 （2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機械手在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機械手；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機械手，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機械手傳遞工件。 （3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機械手處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機械手會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機械手，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機械手，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機械手的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機械手組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機械手。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機械手為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產化機械手，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機械手僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機械手技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機械手技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機械手將會獲得快速的發(fā)展。 1.3機械手發(fā)展趨勢 國內各行各業(yè)對機械手的需求將越來越多，國內市場將穩(wěn)步增長，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，我國機械手近幾年發(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，機械手工業(yè)是一種高投入低贏利的產業(yè)，市場競爭極為激烈，機械手工業(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。世界上機械手產量最大的三家公司年產機械手數(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，從國內現(xiàn)狀來看，大公司、大企業(yè)通過與外國機械手公司合資合作，引進技術和資金，逐步規(guī)?；a機械手，把國內機械手產業(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、唐山電子設備廠與松下電器公司合資的唐山松下產業(yè)機器有限公司、東風汽車公司與德國KUKA公司合作、濟南二機床公司與美國ISI機械手公司合作等等。這些合資合作的開展，將會有效地推動中國機械手工業(yè)的進步，全面促進中國機械手工業(yè)水平的提高，但是它也會和其他外國機械手公司一樣，沖擊中國機械手市場，影響具有自主開發(fā)能力的中國機械手產業(yè)的形成，也會使國內其他的機械手生產廠家面臨一種嚴峻的挑戰(zhàn)。 2．由注重機械手單機開發(fā)過渡到成套開發(fā)機械手應用系統(tǒng) 生產機械手多的大型公司，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手系統(tǒng)集成或某些有特長領域，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手焊接系統(tǒng)著稱，機械手在系統(tǒng)中只占售價的1/3左右，賣單臺機械手贏利甚微，而賣機械手系統(tǒng)卻贏利可觀。意大利COMAU公司以承接壓機生產線見長，在這里，機械手系統(tǒng)是促銷售的關鍵。我國國內機械手生產廠家規(guī)模大都較小，甚至談不上規(guī)模，而國內一般企業(yè)又沒有能力將機械手有效地集成到生產系統(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的公司，在機械手市場中將有較強的競爭力。國內機械手生產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線見長，累計產值近2000萬元，中國科學院沈陽自動化研究所承接焊接生產線，累計產值近5000萬元，哈爾濱工業(yè)大學機械手研究所的機械手碼垛生產線正在產業(yè)化，累計產值超千萬元。 3．機械手開發(fā)走開放型科研之路 國內通過“七五”機械手技術攻關，已具備了生產國產機械手的基礎，但國產機械手無論在技術上，還是可靠性上，都與國外機械手差相當一段距離，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，籌措國產機械手的開發(fā)資金。 2）消化和利用國外機械手技術、資料、樣機和關鍵元器件，為我所用。 3）選擇引進國外質量可靠的機械手零部件和元器件。 4）大力開展國內合作，利用國內技術優(yōu)勢，開發(fā)具有中國技術特色的國產機械手產品。 5）注意機械手產品的高可靠性，使國產機械手的可靠性與國外機械手具有可比性，同時要做到低成本、易操作。 第二章 總體設計 2.1機械手的組成及各部分關系概述 機械手的組成圖 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)和驅動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機械手完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 （1） 手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。 （3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，并把它傳遞到預定的位置。 （4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部升降或俯仰運動。 B、 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。本設計使用的是電傳動。 C、 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 各部分關系圖 2.2 總體方案擬定 本設計喂三自由度機械手，其工作方向為X,Y,Z三個直線方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個位置放到另一個位置，以實現(xiàn)自動化，減少人力勞動。本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結。 工件搬運圖 除去機械手的總體框架 2.3驅動方式的選擇 機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表2-1 表2-1三種驅動方式的特點對照 內容 驅動方式 液壓驅動 氣動驅動 電機驅動 輸出功率 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應速度 很高 較高 很高 結構性能及體積 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 續(xù)表2-1三種驅動方式的特點對照 在工業(yè)機械手中應用范圍 適用于重載、低速驅動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手 適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手，如沖壓機械手本體的氣動平衡及裝配機械手氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機械手驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅動系統(tǒng)的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換； 3）．驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要小； 7）．經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 經上述分析此三自由度機械手X,Y,Z方向驅動及機械手的驅動采用電機驅動。 第3章 機械系統(tǒng)設計 3.1機械手的結構設計 搬運機械手能夠模仿人手部的部分動作，按照設定的程序、軌跡和要求，代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調持久的作業(yè)，實現(xiàn)一些人工不可能完成的工作，這不僅可以使人手避免出現(xiàn)可能的危險情況，保障生產安全，還能促進工作線的流水化，提高了工作效率，降低了勞動強度，改善了勞動環(huán)境，已經成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一種自動化裝置。 根據(jù)對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖所示： 原點 下降 抓緊 X,Y,Z方向的運動 放松 以下是機械手的視圖表示： 三視圖 3.2傳動機構的設計 表4-1 工業(yè)機器人常用傳動方式的比較 工業(yè)機器人常用傳動方式的比較 傳動方式 特點 運動方式 距離 應用部件 圓柱齒輪 用于手臂第一轉動軸提供大扭矩 轉轉 近 臀部 錐齒輪 轉動軸反向垂直相交 轉轉 近 臀部、腕部 渦輪蝸桿 大傳動比，重量大，有發(fā)熱問題 轉轉 近 臀部、腕部 行星傳動 大傳動比，價格高，重量大 轉轉 近 臀部、腕部 諧波傳動 很大的傳動比，尺寸小，重量輕 轉轉 近 臀部、腕部 鏈傳動 無間隙，重量大 轉轉、轉移 遠 移動部分、腕部 同步齒形帶 有間隙和振動，重量輕 轉轉、轉移 遠 腕部、手抓 鋼絲傳動 遠距離傳動力性能很好 轉轉 遠 腕部、手抓 齒輪齒條 精度高，價格低 轉移、移轉 遠 腕部、手抓、臀部 傳動機構是指向各軸傳遞運動和動力，以實現(xiàn)軸間的相對移動，在三自由度直角坐標機器人中，其主要傳動機構為平移型傳動機構。從上表一中我們可以看到各種傳動方式的對比。 機械傳動機構，可以將動力所提供的運動的方式、方向或速度加以改變，被人們有目的地加以利用。我國古代傳動機構類型很多，應用很廣，除了上面介紹的以外，像地動儀、鼓風機等等，都是機械傳動機構的產物。我國古代傳動機構，主要有齒輪傳動、繩帶傳動和鏈傳動。 齒輪傳動：齒輪只用來傳遞運動，強度要求不高。至于生產上所采用的齒輪，要傳遞較大的動力，受力一般較大，強度要求較高。古代在利用畜力、水力和風力進行提水、糧食加工等工作時，都要應用此類齒輪。例如在翻車上，須應用一級齒輪傳動機構，以改變運動的方位和傳遞，適應翻車的工作要求。其工作示意圖如下圖4-2。 齒輪傳動式由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構。它不但可以傳遞運動角位移和角速度，而且還可以傳遞力和力矩。 圖4-2 鏈傳動 鏈，在我國古代出現(xiàn)很早，商代的馬具上已有青銅鏈條，其他青銅器和玉器上也有用鏈條作為裝飾的。西安出土的秦代銅車馬上，有十分精美的金屬鏈條。但這都不能算是鏈傳動。作為動力傳動的鏈條，出現(xiàn)在東漢時期。東漢時畢嵐率先發(fā)明翻車，用以引水。根據(jù)其工作原理和運動關系，可以看作是一種鏈傳動。翻車的上、下鏈輪，一主動，一從動，繞在輪上的翻板就是傳動鏈，這個傳動鏈兼做提水的工作件，因此，翻車是鏈傳動的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運儀象臺上，出現(xiàn)了一種“天梯”，實際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過“天梯”帶動上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動。 繩帶傳動 這是一種利用摩擦力的傳動方式。在西漢時，四川出產井鹽，在鑿井、提水時，都是用牛帶動大繩輪，收卷繞過滑輪上的繩索，來提升鑿井工具、鹵水等。西漢時出現(xiàn)的手搖紡車，是一種典型的繩帶傳動。在西漢時期的畫像石上，有幾幅手搖紡車圖，可以清楚地看到：大繩輪主動，通過繩索帶動紗錠，用手搖大繩輪旋轉一周，紗錠旋轉幾十周，效率很高。以后出現(xiàn)的三錠、五錠的紡車，效率就更高了。元代的水運大紡車，也是用繩帶傳動的。東漢時，冶金手工業(yè)有一項重要發(fā)明“水排”，用于鼓風。這種繩帶傳動的工作原理是：水力推動臥式水輪旋轉，水輪軸上裝有大繩輪，通過繩帶帶動小繩輪，小繩輪軸上端曲柄隨之旋轉，通過連桿推動鼓風器鼓風。這種水排鼓風效力很高，可以抵得上幾百匹馬鼓風。它的出現(xiàn)，標志著東漢時發(fā)達的機械已經在我國出現(xiàn)了，因而意義十分重大。 在經過了以上論證后，我決定采用齒輪鏈傳動機構。 現(xiàn)在我以圖4-3為例來說明齒輪鏈傳動的轉換關系。 圖4-3 在設計這個齒輪鏈傳動機構的時候我主要考慮到兩個問題：一是齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉動慣量，從而使驅動電機的響應時間減少，這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉動慣量轉換到驅動電機上，等效轉動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。二是在引入齒輪鏈的同時，由于齒輪間隙誤差，將會導致機器人手臂的定位誤差增加；而且，假如不采取一些補救措施，齒隙誤差還會引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 滑動螺旋的特點：①結構簡單，加工方便；②易于實現(xiàn)逆行程自鎖，工作安全可靠；③摩擦阻力大，傳動效率低；④容易磨損，軸向剛度較差。 滾珠螺旋的特點：①摩擦阻力小，傳動效率高；②磨損小、壽命長、工作可靠性好；③具有運動的可逆性，應設防逆動裝置；④軸向剛度較高，抗沖擊性能較差；⑤結構復雜，加工制造較難；⑥預緊后得到很高的定位精度（約達5um/300㎜）和重復定位精度（可達1~2um）。 參照設計要求發(fā)現(xiàn)，滑動螺旋和滾動螺旋均可滿足要求，擬選定滑動螺旋傳動方式。 1.滑動螺旋傳動特點 （1）螺桿轉動一周，螺母移動一個螺距（彈頭螺紋）。因為螺距一般很小，所以在轉角很大的情況下，能獲得很小的直線位移量，可大大縮短機構的傳動鏈，故裝置結構緊湊。 （2）具有較好的增力作用。只要給主動件一個較小的轉矩，從動件即能獲得較大的轉矩。 （3）由于工作臺采用滑動螺旋設計，存在較大的滑動摩擦，致使其效率偏低，磨損較快。 2.螺桿材料、熱處理及精度 所有軸的制造材料均為45號鋼。螺紋部分采用表面淬火處理，保證硬度達到45HRC，使螺紋具有較好的強度和韌性。考慮傳動工作臺的技術要求和安裝限制，選取公差等級為h7級的基軸制配合。 3.螺紋數(shù)據(jù)的初步設計與校核 考慮到實際中軸向力的影響較大，選取梯形螺紋作為基本齒形。根據(jù)GB/T 5796.3-2005，。試?。ㄍ饴菁y）公稱直徑，對應的中徑，小徑，螺距。由GB/T5796.4-2005，對于h7的梯形外螺紋，中徑的極限尺寸，。 現(xiàn)實中，滑動螺旋傳動的失效性是主要是螺紋的磨損、螺桿的變形或螺紋的斷裂等。因此，滑動螺旋傳動的校核通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性及強度等方面。根據(jù)使用需要，還需進行驅動力矩、效率與自鎖等其他方面的計算。 （1）螺旋升角及誘導摩擦角 ，得 查表【1】，鋼的摩擦系數(shù)，因而 其中，梯形螺紋的牙型半角 （2）軸向力的確定 根據(jù)要求，載重。設計中留出預留量，即考慮徑向力，取，則 。根據(jù)力的合成原理，得 （3）耐磨性校核 因為磨損的速度與螺紋工作表面大小有直接關系，所以為了提高螺旋傳動壽命，必須限制螺紋工作表面壓強，即： 這里，取梯形螺紋螺紋工作高度。試選用整體式螺母()，因而。 這里初步確定螺紋材料為45號鋼，為兼顧螺紋的硬度和韌性要求，進行比表面淬火處理，保證HRC在40～50。 查表【1】得45號鋼的許用壓強 。顯然，有成立，合格。 又螺母螺紋扣數(shù)，合格。 （4）驅動力矩、傳動效率及自鎖性校核 對于單線螺桿，。視螺旋副克服摩擦力的力矩為其驅動力矩，即 傳動效率 顯然，，故當驅動力矩去除后，螺旋將會自鎖，實現(xiàn)“穩(wěn)定剎車”。 （5）剛度校核 在長度為1m的螺紋上，因軸向載荷和轉矩作用而產生的螺距累計變化量 查表1【1】可知，，精度等級合格。 表1 精度等級 5 6 7 8 9 10 15 30 55 110 （6）穩(wěn)定性校核 螺桿在受軸向載荷時，應防止螺桿長度與直徑比過大而造成側向彎曲。 顯然，有螺桿最大工作長度>螺紋部分長度>工作行程+螺母高度>工作行程+旋合長度， 即 螺桿失穩(wěn)時的臨界軸向載荷。其中，支撐狀況選定為兩端固定（即軸向和徑向均存在載荷作用），取支撐系數(shù) 綜上，有（安全系數(shù)），合格 （7）強度校核 按第四強度理論校核螺桿強度，即 桿所受應力 查表【1】得45號鋼得許用應力 顯然，，合格 （8）重復精度校核 由GC-101-60，查得在h7精度等級下每一螺距的螺距誤差為，螺距的累積誤差為：0.009/25，0.012/100，0.018/300；牙型半角允差為20’。 因此，由螺桿傳動造成的重復精度，合格 至此，所選外螺紋的所有技術指標均已校驗完畢，結果在合格范圍之內。因而，最終確定所選外螺紋各技術數(shù)據(jù)如下： 公稱直徑，中徑(，)，小徑，螺距，螺旋升角 內外螺紋精度及配合： 材料及熱處理：45#鋼表面淬火處理（HRC=45） 誤差分析： 螺距累計誤差：0.009/20，0.012/100，0.018/300,工作距離751-1220mm。重復精度被控制在在內，完全滿足設計要求。 3.3導軌的設計 滑動摩擦導軌的運動件與承導件直接接觸，優(yōu)點：結構簡單、接觸剛度大，缺點：摩擦阻力大、磨損快、低速時易產生爬行現(xiàn)象。在此我們選擇滑動圓柱形導軌。 材料： 用于導軌的材料，應具有耐磨性好，摩擦因數(shù)小，并具有良好的加工和熱處理性質。本設計導軌材料應選用HT200，它具有較好的耐磨性，灰鑄鐵密度為ρ=7.0g/cm3。此灰鑄鐵導軌的硬度一般為180~200HBW。為了提高導軌表面硬度，采用表明淬火工藝，表面硬度可達55HRC，導軌的耐磨性可提高1~3倍。 3.4軸承的選擇 選擇軸承的類型與多種因素有關，通常根據(jù)下列幾個因素： ①允許空間；②載荷大小和方向。例如既有徑向又有軸向聯(lián)合載荷一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，如徑向載荷大，軸向載荷小，可選深溝球和外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承，如同時還存在軸或殼體變形大及安裝對中性差，可選用推力調心滾子軸承；③軸承工作轉速；④旋轉精度；⑤軸承的剛性；⑥軸向游動。 由上綜合：本設計選用深溝球軸承。 根據(jù)與絲桿的裝配關系及尺寸，對照下表查找是合適軸承大?。? 由以上對照表，我選擇 軸承代號6002的深溝球軸承 基本數(shù)據(jù)如下： 基本參數(shù)（尺寸）：d=15mm D=32mm B=9 a=7.5mm 安裝尺寸(mm)： da=17.4 Da=29.6 ras=0.3 3.5電機的選擇 機械手驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅動系統(tǒng)的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換； 3）．驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7）．經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 本設計選定為伺服電機，選定一款80CB系列交流伺服電機，數(shù)據(jù)如下： 絕緣電阻——500VDC 100MW Min 絕緣強度——1500VAC 1Minute 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃ 絕緣等級——B級 技術參數(shù)： 技術參數(shù) 單位 80CB050C-010000 80CB075C -010000 80CB100C -010000 貨物編碼 031398 031400 031410 額定輸出功率 W 500 750 1000 額定轉矩 Nm 1.59 2.39 3.18 瞬間最大轉矩 Nm 4.78 7.16 9.55 額定轉速 rpm 3000 最高轉速 rpm 3600 電機轉子慣量 kgcm2 0.71 1.03 1.36 轉矩系數(shù) Nm/A 0.4 0.4 0.4 額定相電流 A 3.23 4.78 6.34 瞬間最大相電流 A 9.69 14.4 19.0 電樞繞組相電阻 Ω 3.6 1.6 1.2 電樞繞組相電感 mH 6.45 4.0 2.89 機械時間常數(shù) ms 1.46 1.16 1.06 電氣時間常數(shù) ms 2.06 2.30 2.34 重量 kg 2.4 2.9 3.3 編碼器 P/R 2500 負載慣量 負載慣量≤電機轉子慣量10（倍） 適配驅動器 GS0075A GS0075A GS0100A 外形尺寸 單位：mm 80CB050C-010000 80CB075C-010000 80CB100C-010000 L 114 131 150 通過計算對比選定型號為80CB050C-010000 第4章 總結 總結 本次設計所做的主要工作有： 1．總體方案的確定。 經綜合考慮，確定采用電力驅動形式，具有手部的上下左右前后三個自由度的運動，級夾子的松放，使整體的結構小型化， 2．機械結構設計研制。 機械結構比較復雜，從整體布局來看，實現(xiàn)了模塊化，大量采用標準化通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術經濟性。各自由度自成體系，又能協(xié)調的組織在一起，其各個部分連接處線條分明、直觀性好，其各個部件可以分別拆卸，快速更換，方便維修。 綜上，通過近三個月的畢業(yè)設計，經過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學三年所學的知識有了一個深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。 使我真正感受到儀器設計在各業(yè)中的廣泛應用。同時，也使我深深體會到：要真正完成一個零部件的設計，不但要掌握儀器設計、互換性、誤差理論等多學科的知識，而且還要有繼而不舍的鉆研精神，要善于學習新的知識，只有將這兩方面的知識融會貫通和有機結合，才能設計出合格的裝置來。 同時，我對于AutoCAD軟件的使用，也在這段時間里有了質的飛躍。越是熟悉AutoCAD的使用，我越是驚訝于這款軟件的強大和實用，同時也感慨于自己所學還遠遠不夠，我想，只有不斷的汲取知識、向他人學習，才能做到更加靈活、熟練的掌握這款機械設計人員的“必修軟件”。 設計開始時，由于缺乏設計經驗，加之對各方面技術標準的不甚了解，我的設計曾一度停滯不前。但是，通過自己不斷的分析，大量查找閱讀相關資料，和同學們積極討論，并經常尋求老師的指導，終于使自己的設計思路愈發(fā)清晰、明朗，最終完成了包括裝配圖、零件圖和設計計算說明書在內的所有實驗任務。這一切，使我真正體會到：端正的設計態(tài)度和良好的合作意識是所有設計人員所必須具備的素質。同時，經過這段時間的不斷摸索和設計，令我對儀器設計有了更加深刻的了解，也大大提高了我的動手實踐能力，培養(yǎng)了濃厚的科研興趣，使我在學習的過程中深受其益。誠然，我的設計中可能還存在種種問題，但我相信：我已經傾盡了自己的最大努力，而這次的實驗設計就像是里程碑一樣，必將見證我今后的不斷成長和進步！ 在計算校核時，為了弄清一個陌生的知識點，上網搜索、查詢手冊、求助老師，真是做到了多管齊下。在AutoCAD做圖中，更是一次次的重復著查詢、討論、糾錯、復查的繁瑣步驟?？梢哉f，最后的成果里傾注了我的精力與心血。在這段時間里，我真正將我在大學所學和所用結合了起來，做到學以致用，收獲是難以估價的。 古人說，千里之行始于足下，一分耕耘一分收獲，我堅信，付出的努力總會有回報，以后我會做的更好！ 致 謝 本次畢業(yè)設計工作是在付秀琢老師的耐心指導和悉心關懷下完成的。她那豐富的專業(yè)知識和經驗以及對專業(yè)孜孜不倦的敬業(yè)態(tài)度讓我感觸很深。她給予了我們充分的指導，并且還培養(yǎng)了我們獨立思考問題的能力。從她身上,我不僅學到了很多專業(yè)方面的知識,還學到了一種嚴謹?shù)那笾?。所有這些都將成為我們以后繼續(xù)學習的榜樣。為此，學生對您表示衷心的感謝和深深的敬意！ 同時在設計的過程中，很多的同學和老師給予了我很大大的幫助。在這難忘的三個多月中，沒有他們的支持，我的設計不可能這樣順利的完成。在此，對這些同學和老師也表示衷心的感謝！ 在我查找資料的過程中，得到了學校圖書館有關人員的大力支持，給我們提供了必要的資料，使我的設計工作得到了順利進行，并最終按時完成了畢業(yè)設計任務。在此，也一并對他們的熱心幫助表示感謝！ 參考文獻 ［1］王曉莉，機械制圖 北京，科學出版社 2006 ［2］邱士安，機電一體化技術 西安，西安電子科技大學出版社 2004.8 ［3］李華，機械制造技術 北京，高等教育出版社 2009.2 ［4］倪兆榮，張?；I，機械工程材料 北京，科學出版社 2007 ［5］唐劍兵，機械基礎與結構設計 重慶，重慶大學出版社 2006.2 ［6］鄭向華，唐劍兵，機械基礎與結構設計課程設計手冊重慶，重慶大學出版社 2008.10 ［7］楊好學，互換性與技術測量 西安，西安電子科技大學出版社 2006.2 ［8］王淑英，電氣控制與PLC應用 北京，機械工業(yè)出版社 2009.1 ［9］張繼和等，電機控制與供電基礎 成都，西南交通大學