机电一体化课程设计：机械手伸缩臂设计.doc
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机电一体化课程设计说明书
机电工程学院
课程设计（项目设计）说明书
（2014/2015学年第一学期）
课程名称：
机电一体化课程设计
题目：
机械手伸缩臂设计
专业班级：
学生姓名：
学号：
110200408
指导教师：
设计周数：
2周
设计成绩：
目录
第1章概论
1.1我国机器人的发展状况...................................................................................................3
1.2工业机械手的组成及原理..................................................................................................4
1.3机械手的应用......................................................................................................................5
第2章机械手伸缩臂机械部分设计计算
2.1设计方案论证以及确定.....................................................................................................6
2.1.1设计参数......................................................................................................................6
2.2机械手伸缩臂总体结构设计方案.....................................................................................6
2.3执行装置的设计方案........................................................................................................7
2.3.1滚珠丝杠的选择......................................................................................................7
2.3.2减速齿轮的有关计算.................................................................................................13
2.3.3电动机的选择............................................................................................................18
第3章液压控制系统的设计与计算
3.1设计方案........................................................................................................................20
3.2液压回路设计................................................................................................................20
3.3油泵的选择设计............................................................................................................21
3.3.1油泵的选择设计........................................................................................................21
3.3.2泵驱动电机的选择设计............................................................................................22
第一章概论
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
业机器人机械手是模仿人的手部动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操纵的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
工业机械手可以在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣的环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，代替人的工作，具有重要的意义。
在机械加工中，冲压、铸造、锻造、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
1.1我国机器人的发展状况
我国工业机器人发展于20世纪70年代，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：
70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的适用化期。
20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：
人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。
我国也发射了人造卫星，世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。
在这种情况下，我国于1972开始研究制造自己的机器人。
进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。
“七五”期间，国家投入资金，对工业机械人及其零部件进行攻关，完成了工业机械人的成套技术的开发，研制出了喷漆取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步的热潮。
我国的工业机器人又在实践中迈出了一大步，先后研制出一批点焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
目前我国机器人的研究主要内容如下：
①示教再现型工业机器人的产业化技术的研究
这些研究主要包括：
关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人的开发；焊接机器人的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发；焊接机器人的离线示教编程以及工作站系统动态仿真；电子行业用装配机器人产品标注化、通用化、模块化、系列化设计；批量生产机器人所用的专用制造、装配、测试设备和工具的研究的开发。
②智能机器人的开发
这些研究主要包括：
遥控加局部自主系统构成和控制策略研究；智能移动机器人的导航很定位技术研究；面向遥控机器人的虚拟现实系统；人机交互环境建模系统；基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。
③机器人化机械研究开发
这些研究开发主要包括：
并联机构机床与机器人化加工中心开发研究；机器人化无人职守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备
④以机器人为基础的重组装配系统
这些系统主要包括；开放式模块化装配机器人；面向机器人装配的设计技术；机器人柔性化装配系统设计技术，可重构机器人柔性装配系统设计技术；装配力觉、视觉技术；智能装配策略以及控制技术
⑤多传感信息融合与配制技术
该技术主要包括：
机器人的传感器配制和融合技术在水泥生产过程配制和污水处理自动控制系统中的应用；机电一体化智能传感器的设计应用。
1.2工业机械手的组成及原理
工业机械手是将圆柱形零件从传送带上股夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手（见示意图）。
机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：
PC电控系统与液压控制系统设计。
夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。
连接方式均为法兰盘螺栓连接。
机械手的动作要求分为16步。
从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退（回转）——底座慢退——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。
圆柱形零件的尺寸为直径100—140毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度。
图1-1机械手立体机构示意图
1.3工业机械手的应用
工业机械手最早应用于汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。
工业机械手与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）,实现生产自动化。
随着工业机器人技术的发展，其应用已扩展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗
福利领域。
火星探测器就是一种遥控的太空作业机器人。
工业机械手也可用于海底采矿、深海打捞和大陆架开发等。
在核科学研究中，机器人就常用于核工厂设备的检验和维修。
在军事上则可用来排雷和装填炮弹。
机械手在医疗福利和生活服务领域中的应用更为广泛，如护理、导盲、擦窗户等。
第二章机械手伸缩臂机械部分设计计算
2.1设计方案论证以及确定
2.1.1设计参数
1.伸缩长度：
300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂前端安装机械手，用于夹持工件；伸缩臂直线伸缩，完成工件的工位转换；
2.单方向伸缩时间：
1.5—2.5s；
3.定位误差要定位措施，定位误差小于2mm；
4.前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。
2.2机械手伸缩臂总体结构设计方案
经过本人的反复思考及论证，先做出运动简图。
现如下图2-1所示，该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。
由步进电动机
（1）驱动，带动一级齿轮减速器
（2）。
通过减速器输出轴与丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母的直线运动，推动导向杆运动，利用电机正反转动实现伸缩换向。
法兰用于安装机械手，构成如图所示的结构。
图2-1步进电机伸缩机构示意图
2.3执行装置的设计方案
2.3.1滚珠丝杠的选择
2.3.1.1滚珠丝杠副的选择：
（1）由题可知：
伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒，所以速度,初选螺距P=10mm（2.1）则：
（2.2）
（2）计算载荷：
（为载荷系数，为硬度系数，为精度系数）。
由题中条件，取，取取D级精度，取
丝杠的最大工作载荷:
导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:
Ｆmax=F==300N（2.3）
则：
（3）计算额定动载荷的值：
由式（2-4）
（2.4）
所以
（4）根据选择滚珠丝杠副：
按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，选用汉江机床厂HJG-S系列
汉江机床厂HJG-S型滚珠丝杠
规格型号
公称直径
基本导程
丝杠外径
滚珠直径
螺旋升角
循环圈数
螺母安装尺寸
额定载荷
接触刚度
D
D1
D2
B
M
d1
d2
h
dm
L
动载
静载
2004-3
20
4
19.5
2.318
3º39ˊ
3
36
60
48
11
4
10
5.8
6
M6
40
5295
11474
660
表2-1
HJS-S2004-3
此时
所以＜5295N
考虑各种因素选用FC1-5006-3。
由表2-1得丝杠副数据：
公称直径导程p=4mm螺旋角
滚珠直径
按表2-1中尺寸计算：
滚道半径（2.5）
偏心距（2.6）
丝杠内径（2.7）
（5）稳定性验算
1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）。
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷（N）按下式计算：
（2.8）
式中E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa;l为丝杠工作长度（m）L=450mm；为丝杠危险截面的惯性矩；u为长度系数，见表2-10。
依题意：
（2.9）
取，则
（2.10）
安全系数。
查表2-10，[S]=3～4。
S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。
（6）刚度验算:
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（N·m）共同作用下引起每个导程的变形量:
（2.11）
其中A——丝杠截面积
——丝杠极惯性矩
G——丝杠的切变模量，对于钢
T——转矩
式中：
ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，为工作载荷，取摩擦系数，则ρ=8′40″则
T=（2.12）
按最不利情况取（其中F=）
（2.13）
则:
丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为：
（2.14）
通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度（）的1/2，即
（2.15）
该丝杠的满足上式，所以其刚度可满足要求。
（7）效率验算：
滚珠丝杠副的传动效率为
（2.16）
要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。
经上述计算：
Fa—5006—3各项性能均符合题目要求，可选用。
2.3.1.2滚珠丝杠螺距的选择：
P=4mm
2.3.1.3滚珠丝杠的有效长度：
根据结构的设计确定，要保证有300mm的伸缩长度，先对丝杠螺母进行选择。
丝杠螺母选用内循环螺旋槽式：
滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=40mm。
根据其传动的特点，要保证螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠的有效传动长度为L=380mm。
2.3.1.4滚珠丝杠的安装结构：
采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。
由此可知：
丝杠转速：
Pn=L/2所以（2.17）
2.3.1.5丝杠安装轴承的选择
由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，所以丝杠的固定端（承重端）为左端，右端为游动端。
因此为了满足使用要求，左端的轴承选取单向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式。
推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。
为了限制左端的径向位移，同时又要限制向右的轴向位移，故选用角接触球轴承。
此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。
1）单向推力球轴承的选择
2）初步选定为51000型代号为51406d=30mmD=70mmT=28mm
校核基本额定载荷
通过所要求轴承寿命（等于丝杠的寿命）算基本额定载荷
在实际工程计算中，轴承寿命常用小时表示
（2.18）
=63332.7N（2.19）
其中，C——基本额定动载荷（N）
P——当量动载荷（N）
——寿命指数球轴承
n——轴承的转速（r/min）
在使用寿命为15000小时的要求下，推力球轴承应承受的基本额定动载荷为63332.7N。
初步选用的轴承的额定载荷=72.5KN，即＞C所以满足使用要求。
此类单向推力球轴承的数据如下表
推力球轴承
基本尺寸
基本额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
dDT
脂油
W
≈
51000型
mm
KN
r/min
kg
——
307028
72.5125
19003000
0.14
51406
表2-2
4）角接触球轴承的选择
选用的轴承型号为70000c（）,具体数据见下表
角接触球轴承
基本尺寸
基本额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
dDT
脂油
W
≈
70000C型
mm
KN
r/min
kg
——
457516
25.820.5
750010000
0.28
7009C
表2-3
5）深沟球轴承的选择：
下端的轴承只起游动和限制径向位移的作用，所以采用深沟球轴承。
选择60000型，具体数据见下表
深沟球轴承
基本尺寸
基本额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
dDT
脂油
W
≈
60000型
mm
KN
r/min
kg
——
30427
4.703.60
1300017000
0.026
61806
表2-4
2.3.2减速齿轮的有关计算
2.3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数：
（1）确定传动比i==1.78故此次设计采用一级减速
（2）按照工作要求，此次设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮开式传动。
轮齿的主要失效形式为齿面磨损，故此次设计采用硬齿面。
（3）选择齿轮材料及确定许用应力：
由表10-1选小齿轮材料为40MnB（调质）、硬度260HBS；大齿轮材料35SiMn（调质）、硬度230HB，制造精度系数为8级。
（4）估计丝杆功率:
摩擦功率P摩=QV/60000f
式中：
Q—摩擦力（N），Q=Fmax=300N；
V—直线传动中的速度（m/min）；
V==9m/min；（2.20）
f—直线传动机械效率f=螺母*导向杆=92%*75%=69%;
故P摩==0.065KW（2.21）
参考卧式车床Pf=（0.03~0.04）Pi，
故取P摩=0.04P快故P快=0.065KW/0.04=1.625KW
故P丝杆=P快*齿轮=1.625KW*0.95=1.54KW
（5）选小齿轮齿数大齿轮齿数。
2.3.2.2按齿面接触强度设计
由设计计算公式（10-9a）进行计算，即
（2.22）
1）确定公式内的各计算值
（1）试选载荷系数
（2）计算大齿轮传递的转矩
=1.54/2250=N·mm（2.23）
=N·mm
（3）由表10-7选取齿宽系数
（4）由表10-6查得材料的弹性模量
（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳
大齿轮的接触疲劳强度极限；
（6）由式10-13计算应力循环次数：
（2.24）
（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数
（8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得
（2.25）
2）计算：
（１）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值
（2.34）
（2）计算圆周速度v
（2.26）
（3）计算齿宽b：
（2.27）
（4）计算齿宽与齿高之比b/h
模数（2.28）
齿高h=2.25×1.15mm=2.59mm
b/h=23.0/2.59=8.89（2.29）
（5）计算载荷系数
根据，8级精度，由图10-8查得动
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