仓储机械手三维设计

题目： 仓储机械手三维设计学院： 专业名称： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二 O 年 六 月仓储机械手三维设计 摘要：科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于工业生产的各个领域，这就对我们的教育和学习研 究提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台工 业型机械手有着深远的实际意义。本课题设计的流水线上仓储机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的 机械结构设计以及三维和建模过程等，实现了机械手手部的四自由度运动：手腕的回 转，手臂的升降、平移、伸缩。设计中分析了工业型机械手的功能要求和现实意义， 通过双联气压缸来实现手腕的伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转，使用 滚珠丝杆来实现手臂的升降和平移。设计的机械手结构简单、便于操作、功能强大。 具备很强的实用价值。关键字：机械手、自动仓储、四自由度指导老师签名：Three-dimensional warehouse manipulator design Abstract ： Scientific concept of development is the development of Chinas engineering and technology opened up a broad path, the manipulator as a high-techautomated production equipment. It has been widely used in various fields of industrial production, which for our research of education and learning, and proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, it is of great significance to design an industrial robot on the basis of the existing technology.This topic is the design of the pipeline automatic warehousing manipulator, mainly including the mechanical structure design of the overall scheme design of the manipulator, the manipulator and 3D modeling and process, the realization of the four degree of freedom motion of the manipulator hand: the rotation of the wrist, arm lifting, translation, expansion. Design of industrial manipulator of the functional requirements and the practical significance, through extension of the double pressure cylinder to the wrist, using pneumatic revolving cylinder to achieve the rotation of the wrist and arm, using ball screw to achieve arm lifting and moving. The manipulator has simple structure, easy operation and powerful function. Have strong practical value.Keywords: manipulator, automatic storage, four degree of freedomSignature of Supervisor:目录1 引言12.机械手的总体方案设计32.1 设计要求32.2 手指夹取环节设计52.3 手腕伸缩设计72.4 手腕回转设计82.5 手臂的升降设计122.6 手臂的水平平移设计183.三维模型263.1 滚珠丝杠的建模过程263.2 机械手的总体装配304. 参考文献375. 致谢381 引言1.1 机器人简介搬运机器人通俗来讲就是机械手在生活中的应用。机械手，是远不同于人工操作 的自动化装置，代表了科技的发展和时代的进步。以前看到人工搬运砖头，靠的是可 调节宽度的夹子。人手基本动作是：夹取移动放下，看似简单的动作长时间是要 消耗很大体力的。随着科技的快速发展，也掀起了机器人的热潮。各种机器人应实际 应用而生，像自动生产线上的操作机器人，还有军用机器人如无人机等。不仅是时代 原因，由于机器人本身的一些人类无法替代的绝对优势使得其得到更迅速的发展应 用。首先机器人的工作效率比人工要高好多倍，节省人力物力同时还提高了效益；其 次机器能在一些人类无法忍受的环境下工作，如重复单一枯燥的动作，或者在噪音大、 粉尘多、高温高压、有放射性物质和污染等对身体有害的危险环境应用更普遍。机械 手作为机器人的一种，极大地便利了生活和生产需要。它最初在国内的发展方向还比 较单一，其结构形式多数相对简单，不同场合使用不同特制的机械手，专用性较强。 随着科技的发展，机械手逐渐朝着适用性强的方向发展。这种机械手最显著的特点就 是能通过程序的控制来完成动作，程序的多样性使得其独立性、普遍性以及适应性更 强，我们称之为“通用机械手”，所以在需要生产很多种不同产品的中小型生产中应 用很多。机械手，顾名思义就是用机器来取代手，主要作用就是把物体从一个位置搬到指 定的位置或者是按照人类要求完成工件加工的操纵。搬运机械手要能完成搬运的动作 就得有类似人的结构，比如手臂手腕等，这类装置称为执行机构；其次还要像人手一 样能动，这就需要驱动装置；现在的机械手都是通过程序来控制的，这是控制系统， 所以一般的机械手是由控制、驱动、执行三部分组成。机械手有很多种，按照自动化 程度分为全自动和半自动。全自动就是完全由程序控制来运行不需要人为干涉，不仅 能完成普通机器能达到的功能还具备记忆功能，它的独立性很强。还有一类是半自动， 需要人工控制来完成动作，主要应用在一些精度要求高的重要场合。按照结构不同又 有好多种类型，有占地面积较大的，也有相对灵巧的如关节机器人。后者的灵巧程度 可以使其在很窄人类很难触及到的区域操作。机器人最先在美国出现，它研制的第一台机器人当时利用磁铁来抓取工件，器臂 很长且能回转，控制系统主要用来教学演示。美国机器人的发展大致有一下三个阶段。9第一阶段是实验定型阶段，这一阶段各种技术还不成熟，都还在探索中。第二阶段是 实际应用阶段，这一阶段机器人已经达到真正应用，生产出的工业机器人应用到各种 各样的场合如焊汽车车身的焊接生产线、传送工件的冲压自动线等。第三阶段是技术 和应用推广发展阶段。这时期的机器人朝着更高智能方向发展。有的机器人能在超长 时间下仍能保证很好的性能，还有高级机器人，比如一著名汽车公司开发出的系统是 由小型计算机控制多台机器人，又如麻省理工学院开发的有高识别功能的机器人，其 系统具有“手眼”功能。其次是日本，机器人在日本的发展最为迅速，使用也最广泛。 我国在机器人方面的开发虽然只比日本晚几年，但是由于各种各样的原因导致机器人 的发展很缓慢。我国目前已经开始引进国外的先进技术，吸收并创新来加快这方面的 技术发展，相信在将来我国在机器人领域方面也能处于领先地位。随着现代化程度的提高和生产技术的提高，尤其是机器和柔性制造系统与单元的 混合应用，使得机器的生产效率得到更大提高。目前工业机器人的发展方向趋势如下 几个：1、进一步提高运动速度和精度，进一步减轻机器重量和体积；2、增强机器人 功能部件的标准化以及模块化；3、研制适用更多工作场合类型的机器人；4、开发多 种传感器如视、听、触觉传感器，还有检测类元件，利用传感器获得各种所需信息如 地理位置、环境状态等。2.机械手的总体方案设计2.1 设计要求对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具 有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位 置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技 术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件 的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数 等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简 化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。2.1.1 机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆 柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转 运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动 行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下升降的自由度。图 2-1(a)图 2-1（b）图 2-1 机械手的运动示意图2.1.2 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，将机械手的手部结构设计成可拆卸结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。2.1.3 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，所以手腕部分可以伸缩，伸缩动作由一个双联气缸来完成。手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 2.1.4 机械手的手臂结构方案设计照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和 升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的 横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.1.5 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手回转、伸缩、夹取部分采用气压传动方式。另外升降及平移部分由于机械重量较大，为保证精度采用滚珠丝杆来完成。 2.1.6 机械手的主要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓 取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设 计设计抓取的工件质量为 50g。2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要 求，设计速度过低限制了它的使用范围，而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸 缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 0.1m/s。最大回转速度设计为 180/S。平均移动速度为 0.08m/s。平均回转速度为 90/S。 2.1.7 机械手的技术参数列表1.用途:用于自动输送线的下料。2.工件参数：重 50g，直径 40mm,高 20mm。3.自由度数：5 个自由度。4.坐标型式：圆柱坐标。5.手臂运动参数：伸缩行程 60mm；伸缩速度 40mm/s；升降行程 500mm；升降速 度 100mm/s。6.手腕运动参数：回转范围 0-90；回转速度 90/S。7.手指夹持范围：棒料: 20。8.定位方式行程开关9.定位精度:1mm 。10.驱动方式:气压传动。2.2 手指夹取环节设计2.2.1 气动手指简介 气动手指又名气动夹爪或气动夹指，是利用压缩空气作为动力，用来夹取或抓取工件的执行装置。最初起源于日本，后被国内自动化企业广泛使用。根据样式通常可分为 Y 型夹指和平型夹指，缸径分为 16mm，20mm，25mm,32mm 和 40MM 几种， 其主要作用是替代人的抓取工作，可有效地提高生产效率及工作的安全性。SMC 气 动手指系列是工业领域中最常用的气动夹爪装置之一。 手指夹取，手臂伸缩、回转气缸的尺寸设计及校核2.2.2手部夹紧气缸的设计1.手部驱动力计算 本课题设计的气动机械手的手部结构如图 2-2 所示，其工件 重量 G=0.49N，“U”形手指的角度 b=45mm，R=20mm, 夹 持力主要来自工件与手 爪部分的摩擦力，由于工件材料为塑料，手爪材料为钢。查手册可知塑料与钢的摩擦 系数为 0.2。图 2-22.手指加在物件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作 用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件 运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使物件保持可靠的夹紧状态。 手指对物件的夹紧力可按下式计算：FNK1K2K3G（2.1）式中：K1安全系数，通常取 1.22.0，这里 K1 取 1.5:； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。K2 可近似按下式估算 K2=1+g/aa运载物件时重力方向的最大上升加速度； g重力加速度，g=9.8m/s2；a=Vmax/t 响=0.05/0.5=0.1m/s2Vmax运载物件时重力方向的最大上升速度；t 响系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取 0.030.5s。K21.01K2方位系数，根据手指与物件形状以及手指与物件位置不同进行选定，对 于水平 U 形手指夹持垂直放置的圆柱形物件时,K3=0.5/f，f 为摩擦系数;K3=0.5/0.2=2.5G被抓取物件所受重力(N)。所以：FNK1K2K3G=1.51.012.50.49=1.83N所以只需选取夹紧力 F1.83N。图 2-3 MHC2-16D 型气缸夹紧力图又因为工件直径 40mm，气动手指尺寸不应选取过小。这里选取型号 MHC2-16D 的平行型气动手指，夹紧力为 34N、缸径 16mm、行程 6mm、总长 62.5mm、缸体长 44.6mm、宽 30.6mm、高 23.6mm 重 91g。2.3 手腕伸缩设计2.3.1 结构设计 手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。这里选用双联 气缸。双联气缸优点颇多，不回转精度很高，活塞杆端绕度小，适用于精确导向；固 定板三面均有安装孔，便于多位置加载；气缸两端有两组进、排气口供实际需求选用； 本体除轴向外，其余各面均有安装孔位，能提供多种安装固定方式；本体前端防撞垫 可调整气缸行程，并缓解冲击；2.3.2 伸缩传动机构选取选用的双联气缸用于带动气动手指和夹取的工件做水平运动，而前文所选的气动 手指质量为 91g，工件自重 50g。；两者所产生的水平阻力十分微小，在此不通过所 需驱动力选取气缸。根据前文所提到的机械手臂伸缩行程 60mm 选取由日本 SMC 公 司生产的工作行程为 75mm，缸径为 15 型号为 CXS15-75 的双联气缸，气缸高 20mm、宽 58mm、缸体长 135、总长 154，重 280g。2.4 手腕回转设计2.4.1 结构设计 手臂的回转选用一个双作用回转气缸来完成。该种气缸采用齿轮齿条结构，运转平稳。双气缸作用，能提供双倍作用力。工作加工精度高，而且负载安装方便，定位 准确。气缸本体两面都有定位孔，安装十分方便。而此次机械手手臂旋转角度只有 90。负载质量并不是很大，运用旋转气缸能很好的完成手臂旋转工作。2.4.2 旋转气缸的选型计算机械手臂的旋转角度 090；回转时间为 12s；气缸的安装位置选取在一个“L” 型基座上，负载重量包括工件重量 G1、气动手指重量 G2 和一个双联气缸重量 G3、手 指夹钳 G4。G=G1+G2+G3+G4（2.2）G1=0.49N G2=0.89N G3=2.744N G=4.61N下面计算回转所需的必要力矩 T（NM）：按照公式：T=KI（2.3）=2/t2(2.4)T负载回转所需必要力矩 K裕度系数，K 取 5 I惯性矩（Kgm） 角加速度（rad/s） 旋转角度，取 90 t回转时间，t 取 1s负载 I 惯性矩的计算： 如图 3-8 是机械手臂装配图图 2-4（a）为了计算方便将图简化为下图图 2-4（b）其中机械手爪和工件自重为 m1=100g，气动手指重 m2=91g，双联气缸重 m3=280g， 要考虑手臂的伸缩行程为 60mm，取手臂伸缩至 75mm 时的惯性力矩。所以惯性力矩 为：I=I1+I2+I3+I4（2.5）I=ml2(2.6)I1=m1d2 I2=m2c22I3= 0.27m3b32I4= 0.27m3b3其中：a=36.5mmb=98.5mm c=180mm d=200mmI=0.0074+0.0050+0.0009+0.0004=0.0077Kgm2经过计算 T=0.12Nm最大能量 Emax（J）的计算：Emax（J）=0.5Imax2(2.7)37max=2(2.8)tmax 最大角速度（rad/s） 负载率的计算：Emax（J）=0.038J负载率=We /最大轴向允许负载+Wf /最大径向允许负载+M /工作最大允许弯矩1(2.9)We 实际轴向负载，Wf 实际径向负载，M 工作实际承受弯矩。 We=G=5.62N，因为机械手臂为水平放置，所以 Wf=0；M=T=0.12Nm 综合计算，负载率1根据最大允许负荷选取气缸型号：计算所得实际径向负载为 0N，实际轴向负载 5.62N，实际弯矩负载为 0.12Nm以上几种气缸均符合要求。再根据动能量选取，根据计算最大能量 Emax（J）=0.038J，0.038J0.039J。所 以选取型号为 MSQB10R 的回转气缸最佳，缸径 10mm，最大径向负载 150N，最大 轴向负载 78N，最大允许运动能量 0.12J。尺寸规格，长 92mm、宽 50mm、高 34mm。 重 540g2.5 手臂的升降设计图 2-6 竖直搬运装置简图2.5.1 工作参数规格手臂夹取的工作重量： w1 =0.1Kg;机械手和手腕部分总重量： w2 =2Kg；竖直最大运动行程： H=470mm;最大运动速度： Vmax2=0.12m/s;电机最高转速： Nmax=1400r/min;导轨面摩擦系数： =0.02；定位精度： 0.50/最大行程；反复精度： 0.01mm 2.5.2 运转条件图 2-7 竖直搬运装置 v-t 图2.5.3 选择螺杆长度、导程1.导程(l)、螺杆长度(L)由电机最高转速，计算可得，l Vmax1 = 7200 mm=5.14(mm)(2.10)Nmax1400导程选定为 10mm，电机转速只需 720r/min，就能达到最大水平速度 7.2m/min.螺杆长度暂定为：L=最大行程+螺帽长度+轴端预留量=470+50+80=600（mm) 计算轴向载荷设正方向向上a.线段一：等加速下降a1 =Vmax t1= 720060 0.3= 400mm/s2= 0.4m/s2(2.11)所以：f = m(w1 + w2 ) g = 0.02(0.1+ 2）9.8N= 0.41NF = maF1 = (w1 + w2 ) g - f - (w1 + w2 ) a1 = 19.3N(2.12)(2.13)（2.14）b.线段二：匀速下降c.线段三：等减速下降F2 = (w1 + w2 ) g - f= 20.17N（2.15）F3 = (w1 + w2 ) g - f + (w1 + w2 ) a3 = 21.0N d.线段四：等加速上升F4 = (w1 + w2 ) g + f + (w1 + w2 ) a4 = 21.8N e.线段五：匀速上升（2.16）（2.17）f.线段六：等减速上升F5 = (w1 + w2 ) g + f= 20.99N（2.18）F6 = (w1 + w2 ) g + f - (w1 + w2 ) a6 = 20.15N所以轴向载荷在等加速上升阶段达到最大值Fmax = F4 = 21.8N（2.19）屈服载荷的影响4p2nEI P = a= m dr103（2.20）dr =L2L24P L2m10-34 2.18 60022.110-3 =mm = 7.8mm（2.21）所以螺杆根径必须大于 8mm，初选螺杆外径为:8-20mm，第一步已经选得螺杆长度为 600mm,由细长比60，得D L60第二次选择螺杆外径为:15-25mm= 600 mm = 10.0mm 60（2.22）计算允许转速，采用固定-支持方式，这种最为普遍，螺杆外径通过危险速度计 算：60l2n = a2pL2= f dr 10-7EIgrAL2（2.23）n L2-dr f10-7（2.24）(f=15.1,L=600)dr 11mm综上所述，选取螺杆外径为 16mm以上整个机械手的平均转速、时间、轴向载荷以及如表 2-1 所示运转条件轴向负荷/N平均转速/rmin所需时间/s等加速下降19.307000.3匀速下降20.1714001等减速下降21.007000.3等加速上升21.80700O.3匀速上升20.9914005等减速上升20.157000.3F 3 n t + F 3 n t + L + F 3 n t311 1222nnnn1 t1 + n2 t2 + L + nn tnFm =19.33 700 0.3 + 20.173 1400 5 + 21.03 700 0.3+ 700 0.3 +1400 1+ 700 0.3 + 700 0.3 +1400 5 + 700 0.3=表 2-1 机械手的平均转速、时间、轴向载荷表(2.24)21.83 700 0.3 + 20.9931400 1+ 20.153 700 0.3N = 28.6N700 0.3 +1400 1+ 700 0.3 + 700 0.3 +1400 5 + 700 0.3 平均转速N = n1 t1 + n2 t2 + L nn tn mt(2.25)= 700 0.3 +1400 1+ 700 0.3 + 700 0.3 +1400 5 + 700 0.340= 231r/min由设计要求：疲劳寿命为 30000h，设 fw =1.33CL = a 1106(2.26)t F+ f 60N Mw mC = (60N L )1 3 F f10-2 = 2884.4N = 294.3Kgf(2.27)amtmw所以动载荷必须大于 294.3Kgf，才能满足所需的寿命 基本静额定负载为：Co = Fmax fs = 629.8N = 64.3Kgf所以静负荷必须在 64.3Kgf 以上。 2.5.4 选择电机(2.28)规格要求：最高转速为 1400r/min,达到最高转速所需时间0.3s。1.惯性矩 a.螺杆轴：prp-3Js = D4 L =8 7.81081.64 600 Kgfcm2=1.9Kgfcm2（2.29）b.可动部：22 l J = w = (0.1+ 2) 1 Kgfcm=0.21Kgfcm2（2.30）wppc.联轴器J3 =1.0Kgfcm2所以惯性矩总和为JL = Js + Jw + J3 =3.11Kgfcm2（2.31）驱动扭矩，摩擦扭矩（由外部负荷引起）a.线段一：等加速下降T1 =Fa l2ph= 19.31.0 Ncm=3.42Ncm（2.32）2p 0.9b.线段二：匀速下降T2= Fa l2ph= 20.17 1.0 Ncm=3.56Ncm（2.33）2p 0.9c.线段三：等减速下降T3 =Fa l2ph= 21.00 1.0 =Ncm=3.70Ncm（2.34）2p 0.9d.线段四：等加速上升T4 =Fa l2ph= 21.81.0 =)cm=3.86Ncm（2.35）2p 0.9e.线段五：匀速上升T5= Fa l2ph= 20.99 1.0 Ncm=3.71Ncm（2.36）2p 0.9f.线段六：等减速上升T6 =Fa l2ph= 20.151.0 Ncm=3.57Ncm（2.37）2p 0.9惯性扭矩（由角加速度引起）T7 = J w= (JL JM) 2pn = 3.11 +12 2p1400 Kgfcm （2.38）60t14 98060 0.3总扭矩a.线段一：等加速下降=1.88Kgfcm=18.8Ncmb.线段二：匀速下降Tk1 = T1 + T7 = (3.42+18.8)Ncm=22.22Ncm（2.39）Tk 2 = T2 = 3.56Ncm（2.40）c.线段三：等减速下降Tg1 = T3 + T7 = （3.70+18.8）Ncm=22.5Ncm（2.41）d.线段四：等加速上升Tk 2 = T4 + T7 = (3.86+18.8)Ncm=22.66Ncm（2.42）e.线段五：匀速上升f.线段六：等减速上升Tt 2 = T5 = 3.71Ncm（2.43）Tg 2 = T6 + T7 = (3.57+18.8)Ncm=22.37Ncm（2.44）所以扭矩在等加速上升时达到最大值, Tmax = Tk 2 = 22.66Ncm。 电机选择条件如下：a.最高转速 Nmax 应大于等于 1400r/min b.电机的额定扭矩TM =T rms c.电机的额定转子惯性矩 J M J L /3根据上述条件电机的规格预选为：额定功率W M =1000W最高转速Nmax = 1400 rmin转子惯性矩 J M = 6.3kgfcm 额定扭矩TM =1.00Nm计算扭矩有效值T 2 t + T 2 t + T 2 t + T 2 t + T 2 t + T 2 tk11t12g13k 24t 25g 26tT rms =（2.45）22.222 0.3 + 3.562 1.0 + 22.52 0.3 + 22.62 0.3 + 3.712 5 + 22.372 0.340=4.1Ncm满足设计要求 2.5.5 选择机械精度1000Ncm定位精度要求是0.5/800mm，选择的精度必须在0.5/800mm 以上，由【10】 表 3-6 精度表精度表查得精度等级为：5 等级精度为：0.035/800mm计算滚珠丝杆应力s= F =AFmaxpd 2=21.8p112= 2.2105 N/m2（2.46） r 44t= TrJ= 819 10 = 4.9N/mm2 = 4.9106 N/m2(s2 +t2 )1672.7（2.47）smax = 5.78106N/m2（2.44）所选材料的抗拉强度和屈服强度均比 5.78106N/m大，所以满足设计要求。其 中：Tmax = TL = 22.66Ncm=226.6Nmm J=dr4/32=114/32mm4=1672.7mm42.6 手臂的水平平移设计2.6.1 运转条件图 2-82.6.2 水平搬运参数规格1.工作参数规格如下：手臂夹取的工件重量:w1 =0.1Kg;机械手和手腕部分竖直丝杠总重量：水平最大运动行程： H1=900mm;最大水平速度： Vmax1=0.6m/s;电机最高转速： Nmax=2800r/min;导轨面摩擦系数： =0.02；定位精度： 0.10/最大行程；反复精度： 0.01mmw2 =5Kg；2.6.3 选择螺杆轴径、导程 导程(l)、螺杆长度(L)，由电机最高转速，计算可得l Vmax1 = 36000 =12.9(mm)Nmax2800导程选定为 16mm，电机转速只需 2250r/min，就能达到最大水平速度 36m/min. 螺杆长度暂定为：L=最大行程+螺帽长度+轴端预留量=700+100+100=900（mm) 螺杆轴径高速进给时，由所允许的最高转速来决定轴径。轴承支撑结构选择固定支持方式，这种方式最为普遍。 由危险临界速度来计算所需的螺杆轴径：60l2n = a2pL2= f dr 10-7EIgrAL2n L2-dr f10-7其中 L临界转速的计算长度（mm)； E滚珠丝杆弹性模量(MPa)，取 E=2.1105MPa；r滚珠丝杆密度（g/mm） r= 1 7.810-5 N/mm3；g重力加速度（mm/s),g=9.810mm/s2； I滚珠丝杆的最小惯性矩（mm4),取 I = p d 4 ；64A滚珠丝杠的最小截面积（mm）， A = p d 2 ；4安全系数，取=0.8 与支承方式有关的系数；在此螺杆长度 L=最大行程+螺帽长度/2+轴端预留量=(700+50+100mm)=850mm安装方式为固定支持，查表得：f=15.1dr10.6mm若电机最高转速要达到 2250r/min,螺杆根径应该大于 14mm,所以螺杆外径 D 取12-25mm，取 20mm。 下图为水平搬运装置简图：图 2-9 水平搬运装置简图运动过程：通过对上画的搬运装置 v-t 图，速度的变化呈直线，并且是周期性的， 所以机械手运动是等加速度往复运动。最大速度：加速时间： 减速时间：a.速度达到最大时位移为：Vmax =36m/min=0.6m/s t1=0.3st3=0.3sx1 =b.匀速时位移为：V0 + V2 t1 =0 + 0.52 0.3m=0.090m=90mmx2 = V t2 =0.60.9m=0.54m=540mmc.速度由最大减为 0 时位移为：x3 =V0 + V2 t3 =0.6 + 02 0.3m=0.090m=90mmd.线段一：等加速运动a1 =Vmax t1= 0.60.3m/s=2.0m/sF1 = m(w1 + w2 ) g + (w1 + w2 ) a1 =0.02(0.1+5)9.8+(0.1+5)2.0N=11Ne.线段二：等速运动N1 =nmax2= 22502r/min=1125r/minF2 = m(w1 + w2 ) g =0.02(0.1+5)9.8N=1NN2 =2250r/minf.线段三：等减速运动a3 =Vmax t3= 0.60.3m/s=2m/sF3 = m(w1 + w2 ) g + (w1 + w2 ) a3 = 0.02 (0.1+ 5) 9.8 + (0.1+ 5)(-)2.0 N=-9.2NN3 =g.平均转速、平均负荷nmax2= 22502r/min=1250r/minNmFm = n1 t1 + n2 t2 + L nn tnt= 1125 0.6 + 2250 1.8 +1125 0.6 r/min=1350r/minF 3 n t + F 3 n t + L + F 3 n t311 1222nnnn1 t1 + n2 t2 + L + nn tn113 1125 0.6 +13 2250 1.8 + 9.23 1125 0.631125 0.6 + 2250 1.8 +1125 0.64=N=6.4N动作位移/mm时间/s轴向载荷/N平均转速/r/min去程等加速900.3111125去程等速度5400.912250去程等减速900.3-9.21125回程等加速900.3-111125回程等速度5400.9-12250回程等减速900.39.21125表 2-2 整个机械手的位移、时间、轴向载荷以及平均转速表2.6.4 选择电机1.规格要求：最高转速为 2800r/min 达到最高转速所需时间0.3s惯性矩：a.螺杆轴：JSH= pr32g D4 L =p 7.810-332 9801.64 85 kgfcms=0.00026kgfcms2b.可动部：2W l 0.1+ 22 1.6 JW = =kgfcms=0.00029kgfcms2g 2p980 2pc.联轴器:JC =0.0005kgfcms2d.传动件惯性矩的总和为：JL = JSH + JW + JC =0.00105kgfcms2驱动扭矩a.匀速运动时：T1 = F2 l = 1 2h1.42 0.9Ncm=7.62Ncmb.等加速运动时：T = T + J= T + (J + J) 2pn = 6.53 + (0.00373 + 0.01) 9.8 2p 2500 N cm = 101N cm21W1LM60t60 0.33c.等减速运功时：T = T - J= T - (J + J) 2pn = 6.53 - (0.00373 + 0.01) 9.8 2p 2500 N cm = -86.12N cm31W1LM60t60 0.33电机选择条件如下：最高转速 Nmax 应大于等于 2800r/min电机的额定扭矩TM T L 电机的额定转子惯性矩 J M J L /3 根据上述条件电机的规格预选为：额定功率W M =500W最高转速Nmax =2800r/min转子惯性矩 J M = 0.01kgfcm 额定扭矩TM =1.30Nm 计算扭矩有效值T 2 t + T 2 t + T 2 t2a1b3ct1012 0.6 + 7.622 1.8 + 862 0.64rms4Ncm=52NcmT=130Ncm满足要求 达到最高转速所用时间：t =J 2pn f= 0.00105 + 0.01 2p 2250 1.40s0=0.178s0.3sLMaT - T60 2 130 -10160满足要求J :全惯性矩T L ：快送时的扭矩f：安全系数，取 1.42.6.5 选择机械精度T M = 2 TM定位精度：0.10/600mm，所选精度必须在0.10/600mm 以上，查照【10】 表3-6 精度表，得选择精度为 5 等级，精度为：0.03/600mm1.选择机械系列，支撑方式为固定支持2.计算滚珠丝杆应力s= F =AFmaxpd 2=11p10.4252=0.13N/mm=1.3106 N/m r 44t= TrJ= 1230 6 N/mm=6.36N/mm= 63.6 106 N/m1159.6(s2 +t2 )smax =0.64108N/m所选材料的抗拉强度和屈服强度均比 0.64108N/m大，所以满足设计要求Tmax = TL =123Ncm=1230Nmm4J = pdr= p10.425mm4 = 1159.6mm4432323.计算允许的压缩负荷4p2nEI P = a= m dr103 = 30 10.425103 kgf=630kgf 5.71kgf,4L2L27502所以滚珠螺杆能承受住最大轴向负荷。2.6.6 伺服电机型号确定 由各自电机规格，选定电机如下：水平方向：型号为 SM80-024-30LFB，额定转矩为 2.4Nm,额定转速为 3000r/min， 额定功率为 0.75Kw竖直方向：型号为 SM130-100-15LFB.额定转矩为 10Nm，额定转速为 1500r/min,额定功率为 1.5Kw选择联轴器：1.水平方向：已知条