机械毕业设计（论文）-海水有机锡测定机械手设计【全套图纸】 .doc

本 科 毕 业 设 计 第 31 页 共 31 页1引言随着人类社会工业化的不断发展,海洋污染问题日益严重,而有机锡作为人为因素引入海洋环境的极毒化学品之一, 已经引起各国政府和环保组织的高度重视1。在海洋领域, 有机锡主要用于海洋船体的防污涂料中,其中氯化三丁基锡( tbt )是对人体和生物有巨毒的物质, 极低质量浓度的tbt 就能引起海洋生物累积性中毒或引起可怕的生殖逆向性变化, 引起生物性畸变。有机锡化合物对于海洋生态系统的不同层次、不同侧面、各个子系统都会造成严重的污染,甚至是不可逆转的破坏,最终将影响到人类的生活和生存。全套图纸，加153893706由于海水中有机锡的质量浓度很低, 因此研制开发具有高灵敏度的有机锡的测定方法具有重要的实际意义。采用机械手进行测定便是大家普遍认同的方向。机械手是一种模仿人手动作并按设定的程序、轨迹和要求替代人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置，不仅可以提高生产过程中的自动化程度，而且还可以改善劳动条件，减轻人力，并便于有节奏的生产作业。机械手的迅速发展是因为它对于工业自动化生产的积极作用正在日益为人们所认识：首先，它可以部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和重复装卸；再次，它能操作必要的机具进行焊接和装配。它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。所以，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。工业机械手的性能，要求不断提高工，作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。机械手研究的关键在于：安全可靠性、自适应性和更高的智能。安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制系统要简单化，并且向小型化，集成化技术的发展。日本学者认为多自由度多控制单元机械手缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制复杂的多单元机械手。从这点出发，研制使用简单、可靠的机械机构机械手就成了发展的趋势。11 设计任务及目的本毕业设计所设计的有机锡测定机械手替代人手来完成化学成分鉴定中化学试剂在萃取瓶中萃取，并在反应容器中鉴定的系列动作。海水中有机锡含量的鉴定通常是通过手工方式将萃取针压进发生器，10分钟后将萃取针从发生器中取出。然后，萃取针移动到气相色谱仪进样口进行反应，从而获得相关实验数据。由于海水中有机锡的质量浓度很低, 因此研制开发具有高灵敏度的有机锡的测定方法具有重要的实际意义。本课题的的工作就是将手动来完成的工作通过自动机械手的方式来替代，提高测定设备的自动化程度。自动机械手的设计要实现控制简单，维护方便，可以适应海上的工作环境，能够更好的完成实验操作。12 国内外相关技术的现状和发展趋势目前机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。随着生产的发展，机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大并发展成为工业机器人。从1959年美国unimation公司推出了全世界第一台工业机器人，随着科学技术的不断进步与技术的日益创新。世界各国在机器人制造业竞争十分激烈。其中美国、日本及西欧机器人制造业在世界上具有一定的代表性。尤其是日本，随着电子自动化技术的迅速发展和相应举措的得当应用，使其超越美国成为“机器人王国”。随着自动化技术的不断发展，特别是计算机的出现推动了机器人迅速向前迈进。从上世纪50年代到本世纪初机器人技术无论是在研究品种与制造质量，或是在销售数量与应用范围（工业领域或非工业领域）方面，都在不断扩大和提高。从研究品种来看，机器人可以按负载重量、控制方式、自由度、结构或应用领域等分成很多种类，一般可以分为操作型机器人、程控性机器人、示教再现型机器人、数控机器人、感觉控制型机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人及智能机器人。我国的机器人从应用领域出发，分为工业机器人及特种机器人两大类。从应用范围来看，19992003年，世界实际装备工业机器人数量预计将由1999年的74.3万台增加到89.2万台。其中日本、美国、欧洲居前三位。从销售数量来看，自从20世纪60年代机器人进入工业领域以来，世界各国历年累计销售量到1999年底达到约110万台。1999年世界工业机器人的年销售额比上半年增长7%，达到51亿美元。与创纪录的1999年同期相比，2000年上半年世界机器人增长了12%。欧洲的销售合同增长14%，亚洲销售合同增长率38%。我国在机器人的研究方面，与世界其他工业发达国家相比，落后了10年多时间。真正的研究应该始于20世纪70年代初期。1972年我国开始研究自己的工业机器人。进入二十世纪80年代后，国家863计划把机器人自动化领域的重要研究课题。这样机械手也步了入快速发展的轨道。经过十几年的研究、生产和应用，是中国的机械手的生产从无到有，跨出了一大步。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年查销售额已突破十亿元。“十五”是中国工业机器人产业发展的一个关键转折点，市场需求也有一个井喷的发展。经过“八五”、“九五”的技术攻关，我国基本掌握了工业中机械手的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业中所用到的不同类型机械手并装配于大型生产线中。13 本课题研究的意义本课题研究通过有机锡测试装置测定海水中有机锡，通过对项目的分析及方案论证，最终确定开展对简易型精确定位自动机械手的开发和研究，通过机械手控制萃取装置实现测试过程的自动化。该机械手要求在x、y两坐标中可以实现有效行程内准确定位，并能在实际操作中尽可能的简便，采用现代工业自动化普遍用到的可编程控制器(plc)对系统动作进行控制。工业机械手运动臂的控制方式主要有液压驱动，气压驱动，电动控制，机械传动控制。在本课题的研究中，舍弃了传统的液压驱动，气压驱动，采用全电动控制。通过对直线运动定位技术的研究，实现机械手的控制和驱动。结合课题中的两自由度机械手，本文深入地研究了通过电动驱动和plc控制系统的原理及其实现方法，实现了运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。本课题的研究，为纯电动机械手的实现和应用，提供了一种简单易行且具有一定定位精度的方法，此方法对电动控制机械手在工业自动化中的应用，具有较高的工程实际意义。同时可以提高学生综合运用所学理论知识进行机械产品液电气系统设计的能力，并通过与同组同学配合，锻炼其合作设计机电系统的能力。2总体方案设计21机械手设计说明本课题针对海水中有机锡测定过程中自动化程度不高的弊端，通过设计自动机械手用以替代之前的检测手段，提高测定设备的自动化程度。海水有机锡测试装置（如图2.1）由气相色谱仪、用于控制萃取针的机械手、氢化物发生系统和系统控制单元组成。本课题设计的机械手固定在所述气相色谱仪的工作台面上，系统控制单元用来连接机械手和气相色谱仪、氢化物发生系统。图2-1 海水有机锡测试装置测试装置由气相色谱仪（3）、用于控制萃取针（2）的机械手（1）、氢化物发生系统（5）和系统控制单元（4）组成。本课题完成对机械手（1）的设计。大多数工业机械手运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制方式的优点是结构简单、易于控制，但需要配置压力源或气源，控制系统的体积大，系统定位靠设定行程开关的位置来实现，可靠性和灵活性差，不利于生产过程的自动化。基于上述原因，我所设计的有机锡测定机械手的运动定位全电动控制方式，用伺服电机和步进电机驱动机械手手臂和躯干的运动，实现升降和伸缩。这种方式可以避免液压驱动和气压驱动产生的弊端。为实现这一过程，需要采用对直线运动单元(滚珠丝杠及直线导轨)进行设计选型，用以实现给定位移的移动。对步进电机进行数据分析并选型，用以实现对动作的驱动。并用plc对系统进行控制。22 机械手系统功能分析2.2.1功能要求根据本课题的应用要求，我所设计的机械手应具备以下的功能：(1)机械手采用步进电机驱动，配以直线运动系统，要设计合适底座，保证机构能够平稳运行，电机能够稳定输出。(2)在指定行程范围内，利用滚珠丝杠带动滑台实现x方向125mm，y方向181.5mm，机械手能够准确的运动并将带动探针移动至指定位置，实现萃取实验功能。该系统的作用是控制萃取装置，使萃取装置能够在x方向，y方向进行准确定位，为之后的实验动作提供准确的位置保证。(3)机械手带动萃取装置在指定位置停住，使萃取针能够进行萃取动作。通过凸轮传动使萃取针能够下压20mm。(4)机械手通过步进电机进行驱动，以plc为控制模块，控制电机的脉冲信号，从而实现控制简单，准确。要求plc能与被控制系统实现有效通讯，通过合适的程序使plc能够完成运动参数的变化。(5)机械手需要以海水为实验对象，通常要在海上进行实验操作。所以要保证系统尽可能的平稳，准确的运行。在正常和非正常工作情况下，及使出现意外故障，也要求机构能够尽可能的便于修理甚至更换零件。2.2.2工作流程机械手的工作流程如下图所示：开始系统初始化实验动作机械手移动机械手还原机械手移动定位萃取针定位萃取针实验动作结束图2-2 机械手的工作流程基于课题的实际应用要求，再考虑执行部件的特点，具体的实验步骤如下：1)启动气相色谱仪至工作状态，机械手将萃取针移动至原点。2)移动机械手至发生器上方，将萃取针压进发生器上盖口，压下萃取针，将萃取纤维伸出，使萃取纤维暴露在发生器中，开始计时。3)10分钟后，将萃取纤维缩回，将萃取针从发生器中取出。4)移动机械手将萃取针移动到气相色谱仪进样口，将萃取针插入气相色谱仪进样口，压下萃取针，将萃取纤维伸出，是萃取头暴露在进样口中，开始计时。5)5分钟后，将萃取针头缩回，将萃取针从进样口中取出，移动机械手将萃取针移动至原点，测试完成。3机械手运动机构详细设计31运动机构设计要求本课题设计的机械手，要完成对海水中有机锡测定的实验操作。固定在测试装置底座上，可以实现x方向125mm，y方向181.5mm的移动。43167891025图3-1 机械手运动机构简图图中（1）为底座，（2）（5）为直线运动系统，（3）（4）为伺服电机，（6）为步进电机，（7）为连接板，（8）为萃取针，（9）为实验瓶，（10）发生器。在本课题中，按照实验要求和实际设计情况，设计的运动系统为xy型直线运动系统，即在xy方向上分别实现直线运动。y方向上，由伺服电机（4）控制直线系统（2），使其在y方向的运动距离为150mm。x方向上，在直线系统（2）的工作台上固定直线系统（5），并由伺服电机（3）进行控制，使其在x方向的运动距离为200mm。在直线系统（5）的工作台上，固定萃取部分。萃取部分由步进电机（6）连接一偏心轮，通过偏心轮的转动，使萃取针能够上下移动，完成实验动作。32直线运动系统分析直线运动系统的设计要综合多方面的因素。既要考虑实验动作的要求，技术指标的要求，也要考虑工作环境的影响。下表列出几种常用的直线运动系统，及其特点和适用于何种操作环境。表3-1常用直线运动系统分析直线运动系统特点及适用条件滚珠丝杠驱动滚珠导向成本较高，适用于大推力、大负载、高精度和高刚度的操作环境滚珠丝杠驱动滑轨导向低成本，高性价比，持久耐用。适用于苛刻环境下的大推力操作环境皮带驱动滚珠导向适用于高速度、高加速度、高负载，可应用于较长使用寿命的平稳运转操作环境皮带驱动滑轨导向适用于高速度、高加速度、低维护以及平稳运转的动态应用皮带驱动导轮导向适用于高速度、高加速度、平稳运动、中高负载的动态应用如上表所示，从驱动装置和导向装置选择直线运动系统：（1）滚珠丝杠驱动装置滚珠丝杠由一个回转丝杠和一个可移动式滚珠螺母组成。滚珠螺母安装在单元的托架上。滚珠螺母没有标准螺纹，取而代之的是，滚珠在螺母内循环滚动，从而作为一个高效的滚珠轴承，沿丝杠运动。（2）皮带驱动装置皮带驱动装置由安装在托架上的齿形皮带组成。皮带在位于型材外壳两端的两个带轮之间进行运转。一个带轮安装在电机上，另一个则安装在张紧装置上。皮带由经过钢丝塑料制成。高速度、长行程、低噪音以及低总重是皮带驱动单元的典型特点。（3）滚珠导轨滚珠导轨包括一个滚珠导轨和一个滚珠衬套。滚珠导轨由硬化钢制成，并沿导轨的内表面运动。滚珠衬套安装在单元托架上，其中含有能够在导轨上滚动的滚珠。根据滚珠导轨的不同类型，衬套内的滚珠可以分为循环型或滚珠位置固定型。循环型滚珠具有较长的使用寿命和更好的负荷能力，而固定型滚珠通常小得多。滚珠导轨具有高精确度、高负荷能力以及中等速度。（4）导轮导轨导轮导轨由运行于硬化钢导轨上的滚珠轴承导轮组成。导轮导轨技术简单、可靠，具有高速度、高负荷能力以及中等精确度等特点通过以上的分析比较，综合各方面的因素，并结合成本，本课题设计需要的直线运动系统可选择滚珠丝杠驱动，滑轨导向单元。即可节约成本，又可保持较长时间的安全工作状态。33滚珠丝杠技术数据分析及选型3.3.1技术数据分析滚珠丝杠中的滚珠沿着螺杆与螺帽间滚动，以获得高效率。与过去的滑动丝杠相比，具备很多优点，不仅可以将回转运动变为直线运动，而且可将直线运动变为回转运动。大大提高了适用的范围。由于滚珠丝杠的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。 滚珠丝杠是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 滚珠丝杠由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 滚珠丝杠可以进行预紧，使轴向间隙达到负值，从而达到较高的刚性，在实际的设计中，还可以使丝母部的刚性增强。3.3.1.1导程分析精密滚珠丝杠的导程精度是与jis相应的以下属性（如图3.2）定义的：图3-2 滚珠丝杠行程分析术语及定义：（1）指定导程：一般与工程导程相同，实际情况需要是，指定导程有时可以代表校正过的公称导程值。（2）指定行程目标值“c”：是预设的累加导程的目标值。根据气温变化或一些外界负载，丝杠的收缩和伸长要加以考虑。（3）实际行程：该行程由对实际滚珠丝杠做连续测量而得到。（4）实际平均行程“m”：是一条代表实际行程方向的直线。由使用与螺母有效行程想对应的或与丝杠有效螺纹长度相当的实际行程弧线，并运用最小平方或相似的方法，获得该行程“m”。（5）实际平均行程偏差“ec”:实际平均行程减去指定行程目标值的值。（6）偏差：包含在两条平行于实际平均行程得直线见的实际行程之间的最大差别。 可描述为：ec，e300，。 ec：螺母的有效行程或丝杠的有效螺纹长度之间的偏差。e300：丝杠的有效螺纹长度中随意提取长度300mm的偏差。：在丝杠的有效螺纹长度内转动一圈的偏差。3.3.1.2平均行程偏差和偏差允许值滚珠丝杠的偏差控制在一定范围内。下表列出常用的螺纹长度行程偏差及偏差允许值。单位（ m）表3-2平均行程偏差（ec）精度等级有效螺纹长度（mm）c0c1c2c3c4c5大于小于eeoeeoeeoeeoeeoeeo-31543.565961281511231831540053.575107131017132520400500648511715101913272050063064961291612201630236308007510714101813241735258001000861181611211528194027100012509613918122416322146301250160011715102113291838245435表3-3 偏差允许值精度等级c0c1c2c3c4c5项目e300e2ne300e2ne300e2ne300e2ne300e2ne300e2n允许值3.53546586117188在实际选型中，普通滚珠丝杠的行程偏差由偏差允许值确定，这种允许值是根据jis在滚珠丝杠的有效螺纹长度中随意提取300mm的长度进行测量得到的。3.3.1.3预压扭矩分析滚珠丝杠通常会用预压来减少其回程间隙或增加其刚度，通常的做法是将滚珠丝杠压进或使用一对独立的安装在轴向上的螺母。图3-3 预加扭矩的特性上图所示为预加扭矩的特性，术语与定义：（1）动态预压拖动扭矩：通常需要动态扭矩来连续驱动丝杠或滚珠丝杠的螺母（预压扭矩作用在这个螺母上）。（2）参考扭矩：动态预压拖动扭矩的预定目标值。（3）扭矩变化值：预压拖动扭矩变化量的预定目标值。（4）扭矩变化比率：扭矩变化量与参考扭矩的比值。（5）实际扭矩：实际测量到得滚珠丝杠的动态预压拖动扭矩。（6）平均实际扭矩：通过在有效行程内往复移动螺母，而得到的实际扭矩的最大值和最小值的算术平均值。（7）实际扭矩变化量：通过在有效行程内往复移动螺母，而测得的实际力矩的最大变化量。这个变化量通常表示为相对平均实际扭矩的正负值。（8）实际扭矩变化率：实际扭矩变化量与平均扭矩的比值。下表为扭矩变化率的容许范围（丝杠螺纹长度与丝杠轴公称直径之比为长径比）。表3-4 扭矩变化率的容许范围参考扭矩有效行程4000或更小长径比：40或更小精度等级大于或小于c0c1c2c3c4c5204035%40%45%45%50%55%4060253035354045601002025303035351002501520252530302506301015202025256301000-151520203.3.1.4允许转速滚珠丝杠的允许转速用dmn值来表示，dmn表示滚珠在螺母中的极限运动速度和丝杠的临界旋转速度。3.3.1.5安装方式滚珠丝杠有以下四种基本的安装方式。在重载的情况下，丝杠的支撑方式直接影响临界速度时丝杠所允许承受的轴向负载和转速的大小。表3-5 滚珠丝杠的安装方式及适用条件丝杠支撑方式适用条件固定支撑典型安装方式中速到高速均可中高精度均可固定固定中速高精度固定自由低速丝杠长度短中等精度支撑支撑低速到中速均可低精度如上表所示，不同的工作环境可以选择不同的支撑方式。3.3.2计算及选型滚珠丝杠的选型按以下的流程进行：表3-6 滚珠丝杠的选型流程使用条件导程回路数丝杠设计精度等级和刚度润滑和防尘滚珠丝杠的选择关键过程其中使用条件要考虑安装条件，工作周期，希望寿命等。导程，回路数，丝杠设计，精度等级和刚度为核心步骤。综合各方面因素，包括润滑和防尘，并结合安装方式，希望寿命等客观因素进行合理选型。1） 丝杠导程设定伺服电机转速n=3000r/min丝杠导程n=5mm2） 丝杠直径d日本thk-blr1605规格螺母旋转滚珠丝杆， 其外径d=16mm。经计算丝杠的dmn值=163000=48000，查得thk blr1605螺母旋转滚珠丝杠的dmn值130000 ，可以满足要求。3）具体参数工作台和工件质量 m=15kg最大行程240mm最大移动速度15000mm/min直线导轨摩擦系数0.02定位精度0.1mm希望寿命5年丝杠轴端支撑方式：固定-固定支撑3） 润滑装置采用qz润滑装置34直线导轨技术数据分析及选型3.4.1技术数据分析导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的称为直线运动导轨副，为回转的称为回转运动导轨副。按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等等；按其结构特点可分为开式（借助重力保证运动件与承导面之间的接触）导轨和闭式（只靠导轨本身的形状保证运动件与承导面的接触）导轨。表3-7 常用导轨性能比较导轨类型方向精度摩擦力对温度变化敏感性承载能力耐磨性开式圆柱面导轨高较大不敏感小较差闭式圆柱面导轨较高较大较敏感较小较差燕尾导轨高大敏感大好闭式直角导轨较低较小较敏感大较好开式v型导轨较高较大不敏感大好开式滚珠导轨高小不敏感较小较好闭式滚珠导轨较高较小不敏感较小较好开式滚珠导轨较高小不敏感较大较好滚动轴承导轨较高小不敏感较大好液体静压导轨高很小不敏感大很好对比表中常用的导轨副的性能，结合课题设计要求，滚动导轨性能更好，较为合适，因此选择滚动导轨。滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多优点：摩擦系数小，运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；有专业厂生产可以外购选用。因此滚动导轨副广泛的被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。滚动导轨的缺点是：导轨面和滚动体是点接触或是线接触，所以抗震性能差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对赃物比较敏感，应有良好的防护装置。3.4.2设计及选型(1)确定轨宽。轨宽指滑轨的宽度。轨宽是决定其负载大小的关键因素之一，四排滚珠（也有部分两排珠的）的方轨现货产品一般有15、20、25（23）、30（28）、35（34）、45、55（53）、65（63），某些品牌最大只生产到45规格，有些小厂家可能只到30。期货产品也有85、120等，但大部分厂家不生产。扁轨（微型滑轨，基本是两排滚珠）规格有3、5、7、9、12、15，上述6个规格又各有一个宽型规格（滑轨宽度是标准型的2倍，其中15型滑轨的安装孔是2列），一共12种，但是有些厂家不能生产7以下的型号。(2)确定轨长。这个长度是轨的总长，不是行程。全长=有效行程+滑块间距（2个以上滑块）+滑块长度滑块数量+两端的安全行程，如果增加了防护罩，需要加上两端防护罩的压缩长度。导轨上的安装孔孔间距是固定的，一般到货的状态是10个安装孔，导轨两端面到各自最近的安装孔中心的距离是30、30，但也有可能是其他尺寸。各品牌对端部尺寸的出货规定略有差异，多数是默认两端相等。还有一点，导轨的长度误差，一般品牌默认2000以下12mm。(3)确定滑块类型和数量。常用的滑块是两种：法兰型，方形。前者高度低一点，但是宽一点，安装孔是贯穿螺纹孔，后者高一点，窄一点，安装孔是螺纹盲孔。两者均有短型、标准型和加长型之分（有的品牌也称为中负荷、重负荷和超重负荷），主要的区别是滑块本体（金属部分）长度不同，当然安装孔的孔间距也可能不同，多数短型滑块只有2个安装孔。滑块的数量应由用户通过计算确定，在此只推荐一条：少到可以承载，多到可以安装。滑块类型和数量与滑轨宽度构成负载大小的三要素。(4)确定精度等级。精度是个综合概念，一般由滑块基准侧面相对同侧滑轨侧面的行走直线误差、组合高度误差，滑轨侧面至滑块基准侧面宽度误差、成对高度误差以及成对宽度误差构成。对于多数产业机械，普通级精度可以满足要求，高一点的就选h级，数控机床等设备以选择p级常见，其他超精密机械选择sp（超级精度）、up（顶级精度）为宜。后面3个等级需要苛刻的安装、使用条件才能展示其性能。(5)确定其他参数组合高度类型主要有2类：高组装型和低组装型，高组装型的组合高度（滑轨的底面到滑块的顶面）要高一些，而低组装型要低一些，视规格大小差异在27mm之间，造成这个差异的原因是滑块高度尺寸不同，一般与滑轨无关（也有部分品牌轨和块均不同）。这两种类型对导轨副其他参数影响不太大。通过以上的分析，初步选定thk的导轨。表3-8 thk直线导轨规格型号thk lm-15thk lm-20驱动方式滚珠丝杠滚珠丝杠丝杠导程(mm)5，10,16,20,3015,10,20,40反复定位精度(mm)0.020.02有效行程(mm)10012002001550lm滚动导轨型号ssr15vssr15wshs15vssr20vssr20wshs20v负荷力矩ma(nm)84.398.2157.5165.9242.5336.8mb64.577.5154.4122.5179.5327.8mc75.7113.1204.1128.3187.5371.2上图所示为thk导轨的负荷力矩特性。根据课题需要，负荷力矩小于100（nm），所以选择shs15v.表3-9 导轨最高移动速度型号gl15ngl20n滚珠丝杠导程5101620305102040底座长度34024850080010001500460248500800100015002025001000200058024850080010001500202500100020007002485008001000150020250010002000820248500800100015002025001000200010602073916857761175202396100020001240144271474540815185275763153314201051983493965951362015601120依据本课题要求作用在滑座上的载荷为f总=16n，设计滑座数为m=4，则依据公式有：f=f总/m=16/4=n，行程长度为242mm。工作台固定在铝座上，每天开机8h，一年按300个工作日计算，寿命要求在5年以上。解： 由th=ts*103/（2*ls*60） 得 ts =600km上式中：th额定工作时间寿命（h）； ts额定行程长度寿命 （km）； ls工作单行程长度 （m）； n每分钟往返次数 （次/min）由于每根导轨上使用两个滑座，从表5-14-2表5-14-5中查得 fc=0.81，取fh=1，ft=1，fw=2.计算动载荷ca，根据额定寿命计算公式可知： ca= =345n由上面的计算得ca=345n，所以初选日本thk公司shs15v型号的直线导轨，查其ca值为760能满足要求。导轨如下图所示图3-4 thk shs15v直线导轨简图35萃取装置结构设计3.5.1连接结构设计按照本课题的要求，萃取针要以导轨的工作台为平台进行实验动作。工作台的四周有通孔，可以用于固定连接板。考虑到电机的安装，把连接结构设计成l型连接板，即可与工作台进行固定，又可与电机进行固定。图3-5 l型连接板如上图所示（为方便说明，此为l型连接板的俯视图），l型连接板的上端面有四个螺孔，同过螺栓与工作台固定，左端面的螺孔用于固定电机，并且开有一个通孔，可以将电机的凸台深入空中，更好的固定电机。固定后，可以跟随工作台进行上下两个方向的移动，为实验动作提供一个平台。同时可以为萃取针的固定结构提供支撑。l型连接板采用45号钢进行弯折加工而成，可以在保证强度要求的同时，加工手段可以较简单化。3.5.2萃取针固定结构设计萃取的部分需要与海水直接接触，要实现集采样、萃取、浓缩、进样于一体，以便进行测试。萃取针由萃取头和控制萃取头的手柄组成。萃取头是一根外套不锈钢细管的1cm长、涂有不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维头，纤维头在不锈钢管内可自由伸缩，用于萃取、吸附样品；手柄用于安装或固定萃取头，可永久使用。spme萃取头如下图所示：图3-6 spme萃取头spme萃取头长度极短，用萃取手柄固定后进行实验动作。spme手柄如下图所示：图3-7 spme手柄对萃取针的固定装置的设计要兼顾经济性和可行性。由于萃取针的精度较高，所以对其的固定要包括压紧和定位机构。图3-8 弓型连接板如上图所示，弓型连接板的设计即可连接固定，又便于加工。连接板的上方有一个通孔，用于定位萃取针。连接板的左侧跟l型连接板相连。连接板的下侧也有一通孔，此处用一个双头螺纹套筒（如图3-8）进行连接。图3-9 双头螺纹连接套筒图3-10 螺纹紧固套筒双头螺纹套筒(如图3-8)，两端加工成螺纹，大头端和螺纹紧固套筒(如图3-9)配合，压紧萃取针（萃取针的中部有一螺母，压紧螺母即可）。小头端同过弓型板的下方通孔用一螺母拧住，与双头套筒的中部突出法兰相配合，在弓型板得下方固定萃取针。3.5.3萃取针控制结构设计萃取针实验动作时，需要用2n的力下压20mm。由于萃取针质量较小，所以采用一个偏心轮（如图3-10）对萃取针的实验动作进行控制。图3-11 偏心轮如上图所示，偏心轮的最大最小半径差为20mm。用一个小型步进电机进行控制，旋转的过程对萃取针进行下压操作，下压的过程中，通过下图的套筒对萃取针进行定位，可以精确的控制实验动作。图3-12 法兰固定套筒法兰固定套筒与弓型板想连，置于板得上方。这样对萃取针便有了一个定位机构，一个紧固机构。另外为了保护萃取针，偏心轮要以保护头直接接触，保护头在法兰固定套筒内滑动，这样如果有问题更换保护头即可。4机械手驱动机构详细设计41驱动系统功能分析本课题的驱动系统包括对直线运动装置的驱动，和萃取装置中对偏心轮的驱动。对直线运动系统的控制要考虑滚珠丝杠，导轨和萃取装置对电机产生的扭矩，使电机能够在额定范围内对系统进行完整的控制，436图4-1 控制系统结构简图如上图所示，电机（3）（4）分别控制导轨进行y，x向的运动，电机（6）控制偏心轮使萃取针实现升降运动。由于直线运动系统对控制的位置较精确，且工作的环境较复杂，所以采用伺服电机进行控制，可使控制速度，位置精度非常准确。萃取装置对电机的要求较低，采用小型步进电机进行控制即可。42伺服电机计算选型伺服电机主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，伺服电机就能够很精确的的转动，从而实现精确的定位。首先对系统进行受力分析，计算出电机的需要的转矩，然后再结合转速等技术参数确定电机的型号。g4436g1g3g2中心图4-2 系统受力分析（结构）如上图所示，其中g1为电机的重量，g2为工作台的重量，g3为右侧导轨的重量，g4为左侧导轨的重量。对应到中心点的距离分别为l1,l2,l3,l4。表4-1 系统所受力矩数据g11kgl10.08mg23kgl20.3mg36kgl30.35mg41.2kgl40.044.2.1竖直伺服电机计算选型伺服电机在a处产生的弯矩为m1m1=g1l1=10.08=0.08（nm）工作台在a处产生的弯矩为m2m2=g2l2=30.3=0.9（nm）右侧导轨在a处产生的弯矩为m3m3=g3l3=60.35=2.1（nm）左侧导轨在a处产生的弯矩为m4m4=g4l4=1.20.04=0.05（nm）在a处产生的合成弯矩为mm=m2+m3-m1-m2=0.9+2.1-0.08-0.05=0.17（nm）合成弯矩m在导轨处产生的力为ff=212.5n丝杠的受力图如下图所示aff11f2图4-3 丝杠受力分析图螺旋升角为a，tana=，则a=5.68度受力分析可得丝杠受的切向力f2f2=fsinacosa=58.75n丝杠所承受的转矩为mm=f20.008=0.47（nm）所以电机需要具备的转矩即为0.17nm。图4-4 安川伺服电机额定值与规格根据上图数据，结合本课题计算结果，选用安川伺服电机sgmjv-02c6s。可以完成对竖直直线运动机构的控制。4.2.1水平伺服电机计算选型水平直线运动装置与竖直的相同，所选用的滚珠丝杠和导轨也相同，所以水平电机的计算过程与上一部分所计算的大致相同。只需要考虑萃取装置对电机转矩的影响，即g2产生的弯矩。通过图4-3所示的丝杠受力分析图，可以得出水平丝杠所受的切向力为f2。f2=fsinacosa=17n丝杠所承受的转矩为mm=f20.008=0.14（nm）结合图4-4，选择sgmjv-02c6s型号，可以满足要求。43步进电机计算选型萃取装置中，步进电机（如图4-1中，6所示）带动偏心轮，偏心轮旋转过程中可以下压萃取针，使其在竖直方向实现移动。 图4-4 步进电机控制（机构）示意图偏心轮的最大半径为d=20mm。偏心轮重m=0.1kg。则产生的瞬时最大转矩为mm=mgd=0.19.80.002=0.002（nm） 选用42byg250-33两相步进电机可以满足要求。结 论本课题研究通过有机锡测试装置测定海水中有机锡，通过对项目的分析及方案论证，通过机械手控制萃取装置实现测试过程的自动化。大多数工业机械手运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制方式的优点是结构简单、易于控制，但需要配置压力源或气源，控制系统的体积大，系统定位靠设定行程开关的位置来实现，可靠性和灵活性差，不利于生产过程的自动化。基于上述原因，我所设计的有机锡测定机械手的运动定位全电动控制方式，用伺服电机驱动直线运动系统，实现升降和伸缩。这种方式可以避免液压驱动和气压驱动产生的弊端。在本设计中，对机械手的运动机构和驱动机构分别进行了详细的数据分析与计