自动式水果机的结构设计

1、自动式水果机的结构设计-自动装杯结构设计摘要本论文围绕自动式水果机的结构设计中对自动装杯步骤的设计，首先是对夹住杯子的机械手进行设计，相对给出适当的设计方案。选择合适的伺服电机马达。然后，根据直角坐标输送者的结构来选择适当的传动机构，根据所选择的传动机构来进行结构的设计与减速器的选择、轴承的选择、轴的设计以及各部件强度的校正。在这次的设计中，5个自由度包装材料的手型要求重要而小，外观尺寸小，考虑到精度，需要5个自由度。分别是机体的旋转运动，XYZ臂的输送，手的旋转，手的抓住的张合。只有这样，才能满足柱状零部件供应的合理要求。关键词：直角坐标系；送料机械手；机械结构 ABSTRACTThis p

2、aper focuses on the structure design of automatic fruit machine to the design of automatic cup filling steps, the first is to clamp the cup manipulator design, relative to give an appropriate design scheme. Select the appropriate servo motor. Then, according to the cartesian coordinate conveyor stru

3、cture to choose the appropriate transmission mechanism, according to the selected transmission mechanism to carry out the structural design. Complete the selection of reducer, bearing selection, shaft design and the strength of the components of the correction. In this design, the hand shape of the

4、5-degree of freedom packaging material is important and small, and the appearance size is small. Considering the accuracy, 5 degrees of freedom are needed. These are the rotation motion of the body, the transport of XYZ arm, the rotation of the hand, and the tension of the grasp of the hand. Only in

5、 this way can the reasonable requirements for the supply of cylindrical parts be satisfied.Key words: Cartesian coordinate system; Feeding manipulator; The mechanical structure目录1 绪论52原理方案设计93结构尺寸确定124.三维建模及装配395 有限元分析43结论48参考文献49致谢I1 绪论1. 1国内外发展及研究现状1.1.1 机械手在国内的发展以及研究现状当今急需加快助力我国机械手技术的成熟和推广应用，我国鼓励

6、部分企业积极与高校开展机器人项目合作。例如，南航开发的pr1型机器人，近年来在国内拥有相当数量的机器人。中国是社会主义发展中国家，在七八十年代的时候，人口颇多，很多工厂也在此时崛起。不过由于社会经济的逐步发展，到了九十年代的时候，人口也开始有所回落了。而七八十年代的劳动力也越来越老了。机器人的崛起，工业时代的来临，经济全球化的出现，很多大型工厂得到快速发展，逐渐面向自动化生产看齐。而目前企业所面临的招工难的问题，也暗示着需要自动化生产的早日崛起，而且自动化生产能够将生产效率提高，精准度也更高，产品的质量也就有了保证，而且在未来的日常生产中，一些高危职业，比如运输,涂装,研磨,焊接是所有机械的手

7、就可以完成,改变人口的组成结构，改善老龄化问题，解决人口不足，提高劳动力的安全意识，将高危工作交由机器人进行。不过，由于我国的经济发展水平较发达国家来说，还比较落后，很多大型工厂也仅仅是初步落实自动化。而真正实现自动化生产则需要自动化设备的不断更新,优化,自动化设备,并拥有更多的企业资金实现自动化,生产量都不及时代的更替以及人才的流动变化得快，很多企业的资金都投进了生产自动化设备中，最后得到的设备又不能提高生产力，生产质量又不足，大量的资金只是换来一堆废铁。这体现了想要实现自动化生产的困难之处。自动化设备的通用性提高，工作人员能够对自动化生产对象进行替换，也同样可以生产其他产品。从生产这个产品

8、开始，可以生产两个或三个通用的产品。如果能够达到这样的水准，相信会有很多大型企业会推行自动化生产。但是，目前我国的自动化生产设备还与发达国家存在距离，比如机器的四个家族都是先进国家的。而反观我国在人才储备以及技术的先进程度上都还欠缺。但我们需要认清自己的不足的同时，也要有改变现状的信心，在九十年代以来，很多地方都是依靠劳动力来工作的，对自动化生产还没有完善的概念，最终没有发展自动化生产设备。当前我国在培养先进知识型技术人才上还存在着很多不足，很多民营企业都存在着人才难求的现状，甚至国有企业也没有人才支撑落实自动化生产。不过我国目前也意识到相关问题的严重性了，已经在相关人才的培养上出台了很多政策

9、，并且获得了不错的收获。由此，开发出了遥控机器人手，机器人手，调整控制爬上墙壁的机器人管道等的模型。当今人工智能技术的发展，已经可以实现人的五官感受了，在视听觉上都能达到真人的水平。同时在传感器上也有很高的造诣。中国的宇宙飞船具备人工智能技术。在外太空探险中，可以不受大量辐射的辐射外探险。我国在目前的人工智能研发上，在远程控制系统的开发中，以及机械方面的研究都与发达国家的技术水平有着很多的差距，这就需要大量的投资才能在研究上尽力追赶，其中系统的研发是一个重中之重，人才与技术也应大力发展。1.1.2 机械手在国外的发展以及研究现状国外近几年在发展机械手上的成绩：（1）区别机械手的好坏主要是在速度

10、以及精确度上去衡量的，而且性能好的机械手相对比较可靠，而由于很多大型的机械手生产商的出现，机械手的价格相对降低了。ABB机械手大概在三十万左右。只是我国还是比较欠缺相关的人才，所以目前发展不起来。（2）机械手的发展已经被模块化了。单手就能实现各种功能。手把和伺服马达相结合，再加上传感器就能够达到测量准确位置的要求了。（3）机械手操作起来很简单，而且应用很广泛，又容易维护，这对很多需要进行可靠生产的企业来说，是个理想的设备，在未来的发展中，机械手会越来越操作简洁化，功能全面化。（4）机械手在过去只是利用速度传感器以及位置传感器来感应物体位置，而现在能够通过视觉传感器与声音传感器相结合，达到多功能

11、全方位地感知物体位置所在，而多个传感器相结合也体现机械手在多应用的情况下，协调性还是非常好的，而它的应用也更智能化。（5）机器人手本来是参考真人的收来进行研制的，而现在根据互联网的发展水平，机械手也采用远程操控来对机器人进行控制，通过指令来实现虚拟技术。从原来的模拟控制发展到现在的过程控制。例如，操作者由远程操作者操作，该远程操作者可以得到对应的环境的感官体验。（6）不停地完善自身的不足，是目前机器人手控系统发展道路的特点，进入实用化阶段。这个系统最著名的例子是成功发射了火星。（7）在人类探索宇宙的过程中，hand给予了我们太多帮助，当出现不能被辐射的时候，也能利用机械手来对物体进行操作，从而

12、完成我们的作业。1.2研究的背景及意义就在进入新世纪以来，互联网得到快速地发展，而它的发展也推动了网购以及物流技术的更新迭代，从而出现了智能仓库的应用。普通的仓储物流对货物进行分拣是繁杂而复杂的工作。花费大量的人力和物力，分类后包装货物，放进仓库，工作很麻烦。如果有大量的货物的情况下，这些货物就不能及时的送到每个收件人手上，甚至会出现派件错误，造成很大的损失。然而就在这时，企业的机械化生产得到快速的发展，也带来了智能仓库的应用。这个智能仓库是以计算机为平台，然后通过计算机来对货物进行管理，不需要人工参与。大大节约了时间和劳力。智能仓库主要是机械自动化代替人工进行作业。人的管理者，以及计算机的发

13、展，都推动了机器自动化工作的发展。目前，很多发达国家都应用了智能仓库来进行物流管理，而且拥有很先进的技术。其中智能仓库里，机器人是最重要的角色，它们代替的是原来的人力管理，因此就形成了真正的无人，也能确保货物的安全性。当前制造业泛滥的前提下，很多企业都在想着怎么增加生产量，尽可能地减少成本的投入，实现利润最大化。这是每个企业在真正意义上的发展方向。现在的人工费这么高，在找普通工人这样高难度的情况下，很多企业都在想着减少人工，但生产量又要增加，因此，自动化生产则是企业所追求的理想生产方式。也正是自动化生产才可以带来人们所需的高质量产品，这也带来了企业所希望看到的高产能。而在国家看来，自动化生产是

14、社会经济发展与科学技术更新的必然产物。很多国家的劳动力人口都在衰减，因为老龄化很严重。尤其是日本以及欧洲国家都是在此前提下产生工业自动化，逐渐成为所有国家的发展。体现国家工业生产的综合水平，在真正意义上就是取决于这国家有没有先进的自动化生产技术。当今世界，机器人生产主要采用作业在线及编程作业方式，主要负责焊接、喷漆等高危工作，此外，在很多需要用到大量人力的工作也发挥着很大的作用。出错率更低，更便宜。随着空气伺服技术的出现，汽缸已经可以由人为操作来随时停止它的工作。的发展，汽缸在实际应用中任何位置都可以停止。德国有一家专业生产汽缸的企业，就是利用传感器与PLC进行结合，这样就能将汽缸进行随时启停

15、。同时，很多自动化生产的应用领域将会越来越丰富，比如食物加工，汽车制造等人们日常需要的生产领域。从今以后，自动化生产技术的成熟也给了智能工厂的出现提供了很好的基础，智能工厂可以实现无人管理，自动化生产等工作。机械化操作会大大减少人工劳动力的参与，也能减少很多物力，还能大幅提高工作效率。1.3.研究内容和思路研究内容：此次设计的机械手夹起的是柱状的零件,纸杯塑料杯等,此次主要是柱状的零件设计分析,手的内部运动系统主要是齿轮运动为主,其运动形式是关节式,机体在旋转运动的时候，它在三维面上都是进行旋转的涨落，而机械手会揪住它的张合。具体的机械手的外形大小是，高度为1000mm，宽度为650mm，长度

16、是450mm，它的其他制作要求如下：1. 整个机体的结构比较紧密，工作效率非常高，而且稳定。2. 对整个机体进行三维计算的时候，利用软件设计的环境来进行封装模拟。主要的研究想法是利用机械手在日常生产过程中的技术水平，对整个机械手的包装能力进行一个预测和模拟，也能够对整个研究过程建立很好地基础，还对派遣手的机械结构、控制系统、电气机械对分配有全面的了解。对这个课题进行全面了解之后，采用更为可靠以及安全度高的设计方案。以下为思路概要：设计包装送材料设计的机械手,并解决遇到的相关问题。包装材料的机械手的构造整体的构思。根据机体的整个结构进行分析，最后采用最为适宜实验的电机马达。机械手的整个结构在设计

17、开始就要有全面的认识。完成手夹部分的结构设计，使送夹手实现夹取。学习绘图软件，比如CAD等，用来绘制一些相关的配件图。2原理方案设计2.1送料机械手的结构定义输送材料的机械手主要利用电机马达、传动部件进行传动，完成了一系列的柱状部件打包动作。主要是输送柱状的零部件需要完成整个生产。主要是利用直角坐标完成了输送动作。下面是这次的机器人的基本方案。2.2简易流程概括图2-1 简易流程图 本次设计整体流程分为自动去皮切果部分和自动装杯部分，去皮切果部分结构主要是人工把苹果放到桌面的指定位置后，等待水果装卸机械手臂的识别，当机械手识别到指定位置有水果后，会自动启动，通过丝杆使机械臂沿y轴方向移动，机械

18、爪前臂通过齿轮齿条沿z轴向下移动，在通过齿轮齿条带动的将机械爪夹紧，将指定位置的水果以同样的运动方式，抓取到去皮机上方，在通过机械前臂，把抓取爪中的水果沿z轴方向，向下插入到去皮机的果叉上，抓取机械爪放松，向上移动，等待去皮步骤完成，当感应器识别到去皮完成的信号灯后，在次向下把水果夹紧后，沿z轴向上移动，把水果夹出去皮机，在通过机械臂，沿y轴方向移动到传送带的切果杯上方，机械前臂沿z轴向下移动，靠近切果杯，之后，机械爪松开，使水果落入杯中，入杯后的水果杯传送带送入切果装置中，切果装置通过齿轮齿条沿z轴方向向下移动，使刀具顺利切中水果，切果完成后，刀具复位，传送带继续移动，到指定位置等待装杯，机

19、械手定位到杯具位置等待，当识别到杯具位置上有切果杯后，在齿轮及齿条的传导下机械手的两夹紧块经过x轴位移相互接近夹起装有水果切块的杯具，悬臂主板带动机械手做y轴负方向位移将杯具取出，接下来主轴在电机带动下转动至水果包装杯位置，机械手转轴旋转180将水果切块导入水果包装盒。同时水果装卸的机械臂开始识别指定位置是否有下一个水果，识别到有之后，重复以上步骤，将水果去皮切瓣，循环往复，重复完成完整的一个生产流程。3结构尺寸确定3.1本体结构布局设计怎样选择最为合适的机械配置是机械设计里面最关键的一步，这一步对整个机械的总体设计以及制作过程都会产生重大影响。Z轴X轴这次设计的送手主要有5个组成部分，分别是

20、机器架，三维轴上的手臂以及手持部分，其中三维轴上的手臂会安装在持针器上，与其他两条手臂接上，然后与机器的手腕处相连，并与拉锁部连接。这次设计的送手的布局图如图3-1所示。机座手部Y轴图3-1 送料机械手的结构布局图3.2各关节驱动方案确定现在，用于包装机器人连接的一般驱动方法有油压驱动、气动驱动和马达驱动。油压和气压的驱动被广泛使用在包装机上。几个包装机器人同时使用多种驱动方法，根据不一样外表的机器人，会有不一样的特点以及使用介绍。根据每种不同的驱动方式，采用最为适合操作的驱动方法和包装机器人9。3.2.1液压驱动需要一套供油系统。特别是电液伺服系统需要紧密的过滤装置。否则会破损。油压驱动系统

21、具有较大的功率和输出功率，形成伺服机构，常用于驱动大型手关节。3.2.2.气压驱动由于难以精确控制位置，空气驱动的包装机器人在腕力在300N之内，它在运动起来的时候，速度非常快，而且能够应对比较高温，而且高灰尘的环境。3.2.3.电动机驱动电动机驱动器有很多种，分别是一般交流马达驱动器、交流直流伺服马达及步进马达驱动器。现有的交流和直流马达驱动必须加装一个加减速的装置来辅助，因为这种马达的扭矩非常大，所以导致控制起来非常不稳定，只适合一些中型和重包装机器人。步进电机的输出扭矩小，控制性能好，速度和位置控制准确材料性能提高，马达性能逐渐提高。缺点是易磨损。在研究和比较了各种包装机器人的驱动方法后

22、，这个设计的包装机器人由交流直流伺服马达来完成。3.3各关节减速传动方案确定3.3.1.齿轮传动齿轮驱动器是机械驱动器中最广泛使用的类型。齿轮传动的主要缺点是对齿轮、特殊齿轮和特殊工具(如齿轮成形机和用于制造齿轮的压路机)的制造和安装要求较高。普通齿轮传动也叫做封闭式传动，维护起来的要求非常高。所以造成价格昂贵，不适用于轴间距比较大的传动3.3.2行星齿轮传动行星的齿轮传动需要通过交付的形式来进行，而交付则由柔性轮、刚性轮、晶片产生器三个基本构成。如图3-2所示。三个构成要素中的一个是可以任意设定,另一个是保留下来,一个是驱动速度(固定齿轮相比)减少或增加使能意识到,或者为了形成差速传达两个输

23、入和一个输出可以代替。行星计划主要用于军事生产、医疗设备、起重机、仪器精度、包装机器人等。图3-2 行星减速器结构图如上所述，这次的设计用齿轮进行减速和传动。3.4各关节传动布局确定据设计要求，分别对国内外专用包装机器人的结构、各个旋转运动的基础，还有三维空间上的结构以及驱动方式来进行探讨。3.4.1.底部旋转传动方案底部旋转是利用伺服电机马达来完成的，而且在行星减速器对其减速之后，再由圆柱形的齿轮传给主轴。图3-3基座内部传动3.4.2.XYZ轴传动方案图3-4 Y轴传动伺服马达和减速机进行结合之后，再通过螺钉的传递之后，可以在两边的轨道上直线运动。3.4.3.腕关节摆动传动方案伺服马达主要

24、是经过主轴的传动，然后更改传动的角度，最后回到板子再到流水线。图3-5 腕关节传动3.4.4.手持关节动作方案图3-6 机械手传动用齿轮的齿条以及直线型的滑轨来进行传动。3.5送料机械手运行参数确定3.5.1工作空间的确定由关节机械手的构造可知，来找到适合自己的运动轨迹。这个运动轨迹就是在机械手进行运转的时候，手腕需要保持有足够的活动空间，这也是衡量它的技术水平最重要的参数，它的活动轨迹是500mm以内。具体可见下图3-8：图3-7 送料机械手的工作范围简图3.5.2送料机械手的工作要求包装机器人具有工作范围广、动作灵活、灵活性强、结构紧凑等特点，可以捕捉到接近基本的东西。按照东西的不同使用途

25、径以及特性，得到以下的参数：尺寸是高为1000mm ，宽为650mm ，以及长度450mm；有五个自由度；是采用垂直的方式进行列坐标；最大的负载重量是两千克；它的活动范围在半径500mm以内表3-1 各关节转动范围和最大工作转速各关节部件最大工作范围（）最大工作转速（rad/s）腰部回转关节1701.96XYZ轴关节+150、-901.57腕部摆动关节1803.93手持工具加持（采用齿轮齿条）3603.933.6底座旋转关节机械设计3.6.1.电机的选型和校核如何选择直流伺服电机马达伺服电机马达的重要指标是功率。但是，伺服电机马达的选择不是依靠功率，而是按照下面的参数来选择。3.6.2运动参数

26、底座旋转的时候，它的速度为1，而主轴在旋转的时候速度为： 式（3.1）公式里面的 代表的是主轴的直径。3.6.3电机的转速 设定齿轮的减速比i等于6 式（3.2）3.6.4主轴旋转需要牵引力计算 牵引力F的公式是 式（3.3） 3.6.5求换算到电机轴上的负荷力矩 式（3.4） 当等于0.7, 等于1214.612, 等于0.15公式里的 代表的是摩擦系数； F代表的是牵引力； W代表的是主轴的重力； D代表的是主轴直径；代表的是传递效率； 代表的是传动装置减速比。3.6.6求换算到电机轴上的负荷惯性 式（3.5） 公式里的 代表的是主轴的转动惯量；代表的是大齿轮的转动惯量；代表的是小齿轮的转

27、动惯量；代表的是电机轴的转动惯量。3.6.7电机的选定根据转矩的最大值以及转动惯量来找到对应的条件，所以需要采用直流伺服电动机。表3-2 电动机参数型号电刷材料额定功率转子惯量电机直径电机轴直径电机长度效率MAXONF2260石墨1KW12903204020070%3.6.8电机的验算 式（3.6） 式（3.7）即 式（3.8）公式里的 代表的是电机转子惯量。从以上的计算可以看出，选择的直流电机满足了设计要求。3.7.1快移时的加速性能最大空棒对扭矩进行加速的时候，如果没有在主轴上连到三维轴，那么就需要在静止状态下，按照步骤来对指令进行加速执行。直到伺服马达的旋转速度达到时。那么此时的最大空棒

28、就会对扭矩进行最大马力的加速，此时伺服马达的最大输出的扭矩是。 式（3.9）加速时间 式（3.10）公式里的 代表的是机械时间常数为19.3.7.2齿轮传动设计和校核1）齿轮材料、热处理方法及应力的计算根据使用条件选择软齿面齿轮。齿轮:45号钢，质量调整处理，硬度为230 235hbs。大齿轮:45号钢，正火处理，硬度190 277hbs。 确定许用应力a.确定极限应力和b.计算应力循环次数N，确定寿命系数为、 式(3.11) 式(3.12)查文献1得 c.计算许用应力 查文献1取等于1，等于1.4。 式(3.13) 式(3.14) 先大致确定齿轮的基本参数和主要尺寸a.选择齿轮类型依据齿轮传

29、动的工作条件，选用直齿圆柱齿轮。b.选择齿轮精度等级初步选用6级精度。c.初选参数先选：等于45、等于270、等于等于0、等于0.2d.初步计算齿轮的主要尺寸因为根据齿轮的方案，需要选择一些齿面很弱的，所以根据接触的强度来设计是适合的。 式（3.15）所以需要先确定系数为：K、。取等于1、等于1.05、等于1.13、等于1.2，则K等于等于1.424。查文献1得等于。代入等于式（3-11）得取标准模数等于1.5mm。 e.验算齿轮弯曲强度条件按弯曲强度条件及下式验算： 式（3.16） 计算弯曲应力：计算结果表明该设计满足强度要求。3.8 XYZ轴机械结构设计3.8.1直线导轨的选取与校核根据结

30、构特性和摩擦特性的导向类型请参照附录表3-3。各种指南的主要特征和应用被记载在表中。这次实验选择的是第一种的滑动型导轨。3.8.2初选导轨型号及估算导轨长度X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P12x9404具体数据见机械设计手册9-149 Y方向初选导轨型号为GGB20AAL2OP2x1090-4导引动作正常，稳定，没有冲击和振动温度。为什么要滚动导轨呢?1）有很高的精确度。能够很好地增加数控系统的反应速度以及灵敏度，而且驱动需要的功耗非常小。2）可以负重很多，而且很硬。3）可以很好地快速运动起来，而且瞬间的速度能够高滑动的引导十倍之多。4）导轨把设计简单化了，在制作的时候，为了达到质量上

31、的要求，减少了投入资金。导轨的长度:因为用来引导的长度会对工作台有所影响，而引导系的长短是依靠滑动引导的长度来决定的。它的公式是：根据这个公式可以得到Lx等于940mm,Ly等于600mm其中L导轨长度H滑块的导向面长度S滑块行程l封闭高度调节量S1在滑动器抵达死点的情况下，滑动器就会伸出的长度。S2在滑动器抵达下方的死点的情况下。滑动器会伸出的长度。3.8.3计算滚动导轨副的距离额定寿命X方向的导轨计算X方向初选导轨型号为GGB20BAL2P12x9404，查表9.3-731得，这种导轨的额定动，静载荷分别为Ca等于13.6kN,Coa等于20.3kN。4个滑块的载荷按表9.348序号1的载

32、荷计算式计算。其中工作台的最大重量为:1)滚动导轨的额定寿命计算公式6为：公式里的 L额定寿命（km）； Ca额定动载荷（KN）； P当量动载荷（KN）； Fmax受力最大滑块所受的载荷（KN）； Z导轨上的滑块数；指数，当导轨体为滚珠时，等于3；当为滚柱时等于10/3；K额定寿命单位（KM），滚珠时，K等于50KM；滚柱时，K等于100KM；fh 硬度系数；fh （滚道实际硬度（HRC）。由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取fh 等于1ft 温度系数为，查表6-27,得等于1fc接触系数，查表6-37；得等于1fa精度系数为，查表6-47；取等于1.5fw查表6-57

33、；得载荷系数等于1 fw载荷系数 查表6-57；得等于1则L等于27166Km2)寿命时间的计算当行程长度一定的情况下，h单位的额定寿命如下:公式里的 寿命时间（h） L额定寿命（km） La行程长度（m） 每分钟往返次数则工作的时间为六小时每天;Lh等于30592.3/3006等于16.9年用同样的道理求Y方向导引子距离的额定寿命:L等于26340.1kmLh等于25230h等于14年3.8.4导轨材料与热处理机床滑动导轨是用灰铸铁以及耐磨耗铸铁来做的。灰铸铁通常用HT 200或HT 300做固定向导，用HT 150或HT 200做动向导。导向件热处理:一般重要的导向件，需要在对铸造件进行粗

34、加工后进行一次时效处理，对高精度的导向件进行半精加工后进行第二次时效处理。3.8.5导轨的技术要求1）磨削导轨它的优点在于能够很稳定的接触，而且不易变形，利于收集油，同时外观精致。不过需要的过多动力，但工作效率很低。一般用在精确度比较高的向导。2）几何精度导轨的几何精度都是利用导轨在直线上以及导轨之间的平行度等，而且几何精度都要根据机器其他的精度来确定的。这种结构的导轨精度选择的是三级。3.9电机选取和校核XYZ轴初选电机：选择直流伺服电机，型号为SGMPH-15、额定功率P等于1.5kW、额定转矩、额定转速等于3000r/min、峰值转矩等于60。图3-8电机尺寸示意送料机械手的受力情况如图

35、所示：图3-9 送料机械手的受力简图XYZ关节的负荷转动惯量J 式(4.1)外部负载的转动惯量:即重物的转动惯量 式(4.2)公式里的、分别代表的是谐波减速器和齿轮传动的效率。等于0.8、等于0.98把数字代入公式(4-2)得: 内部结构及传动系统的转动惯量立柱的转动惯量： 式(4.3) 公式里的：立柱质量（），：立柱外半径（m），：立柱内半径（m），：密度(/)，：立柱高度（m）。XYZ关节传动系统的转动惯量：估算得 由 式（4.3）得假设电机从0加速到3000 r/min所用的时间为0.25s，则就为角加速度 式(4.4)负载折算到电机轴上的转矩 式(4.5) 因此折算到电机轴上的负载转矩

36、T等于5.05电机的额定转矩。电机的选择符合要求。3.9.1丝杆计算和校核XYZ轴的传动时，螺丝的输送设计是必要的。因为送的时候是扭矩和轴力，所以垂直于桌子的力很小。无视。这次将Z轴的设计作为标准来设计，所以为0，工作质量是根据整体质量选择的产品型号，质量约为36kg，根据设计结果来测定表的质量等于50kg. 加工产品的长度为200- 800mm，螺纹冲程为600mm。在这次的设计中，由于加工工作的负荷少，使用带有减速机的伺服马达，直接与螺钉驱动表运转。螺钉两端为固定支承，每台安装两个60度接触角推力角，与球轴承接触，安装椅背，进行前拉伸。设计计算步骤:1. 丝杠载荷:导轨摩擦力 式(5.1)

37、依据上面动力头选用，钻孔时轴向最大工进阻力Famax等于244.5N；因此，丝杆轴向总载荷： 式(5.2)公式里的，F2为钻孔时最大轴向阻力,F1为丝杆总阻力;2. 丝杠导程Ph设计空载时，工作台最大速度: （初选丝杆转速为1000r/min）4. 当量转速nm丝杆的旋转速度快速的进给。打孔的时候慢慢打入。取消小刀公式里的速送。5.当量负荷6.初选滚珠丝杠(1)计算动负荷 式(5.3) (2)要求寿命Lh寿命Lh等于300(日)16(h)0.6(开机率)10（年）等于28800h由寿命系数为 转速系数为(3)综合系数为滚珠丝杠的综合系数为: (4)滚珠丝杠副的型号 额定动负荷 预紧力 初选的滚

38、珠丝杠符合设计要求。7. 丝杠螺纹部分长度LuLu等于工作台最大行程(600)+螺母长度(129)+两端余程(25)等于300+129+252等于779mm8.支承距离L 支承距离LLu等于479 因此取L等于1100mm9.临界转速校核 (1)丝杠底径 取25mm (2)支承方式系数为 查表 (两端固定) (3)临界转速计算长度 临界转速: 式(5.4)可见ncnma 所以符合要求;10. 压杆稳定校核 两端固定支承，螺丝钉不受压缩，所以不需要校正稳定性。11. 预拉伸计算 设温升为3.5C(1)温升引起的伸长量 式（5.5）(2)丝杠全长伸长量 (3)预紧力 式（5.6）12. 轴承的选择

39、(1)轴端结构采用E型和F型 (并排)轴端(2)轴承型号主要尺寸和参数 轴承型号为7602020TVP (3)预紧力确定 预紧力Fo等于2300N 轴承的最大轴向载荷为 由于FoFmax/3等于1636/3等于545N 所以,符合要求.(4)疲劳寿命计算 式（5.7） 由轴承动负荷计算公式校核 C等于2549N因此轴承在使用周期上是符合标准的。13.定位精度校核 (1)丝杠在拉压载荷下的 最大弹性位移 式（5.8）快速移动时F等于50.6N , 等于1.2um钻孔时F等于295N , 等于7.8um(2)丝杠与螺母间的接触变形 式（5.9）经通过表格可以得到CMD3210-2.5滚珠丝杠到螺母

40、的接触的刚度 Kc等于955N/um 所以得:快速移动时 钻孔时 (3)轴承的接触变形 角接触轴承的轴向刚度 快速移动时 钻孔时 (4)丝杠系统的总位移 式（5.10）快速移动时 钻孔时 (5)定位精度 螺母是出现于螺钉的中间，与螺母相对是不相同的。根据上面讲述的，得到的位移大小是650mm。然后检测出来的螺钉精确度达到一级的水平，任何情况下的误差都不超高66um。而且这时候的输送速度是在2.97 um。可以达到将轮廓控制定位的准确度保持在0.01/ 300mm上。同样可以得到，这样也能够达到精密磨削的定位准确度是保持在0.002 / 300mm。能够达到打孔的时候需要的定位精确度的需要。根据

41、上面的计算处理之后，能够得到这个滚珠丝杠是达到定位精度的需要。3.10夹持胶带关节机械设计3.10.1.齿轮齿条的设计与校核齿轮参数的选择 齿轮模式的值是m 等于 2.5,活性基尔的牙齿数z 等于 25,压力是角取等于 20机架基尔的牙齿数量是上述马达的输出旋转数而定。齿轮在转动的速度是n等于 10r /min，齿轮在传动的时候扭矩是122n，导向装置的工作时间是八小时每天。而且使用的周期是五年内。主动式小齿轮是用20mncr 5材料来做的，经过浸炭淬火来处理。另外，机架齿轮是用45号钢和41cr 4来做的，经过高频的淬火来进行处理。刚度是在56hrc以上。如果需要降低重量，外表就需要用铝合金

42、来进行压铸。齿轮几何尺寸确定齿顶高 ha=17mm齿根高 hf=5.5mm ,齿高 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 法向齿厚为 端面齿厚为 分度圆直径与齿条运动速度的关系 齿距 齿轮中心到齿条基准线距离 齿轮的齿根弯曲强度设计 （1）试取（2）斜齿轮的转矩 （3）取齿宽系数为 （4）齿轮齿数 （5）复合齿形系数为 等于（6）许用弯曲应力 为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。9.9试取等于10mm(7) 圆周速度 取b等于49mm (8)计算载荷系数为1） 通过表格可以得到 使用系数为等于12） 根据v等于0.032m/s ,和8级精度，通过表格可以得到3） 通过表格可以得到 齿向载

43、荷分布系数为4） 通过表格可以得到 齿间载荷分布系数为 5）修正值计算模数9.215故前取10mm不变齿面接触疲劳强度校核校核公式为 许用接触应力 通过表格可以得到由图得安全系数为 通过表格可以得到弹性系数为 通过表格可以得到区域系数为 重合的时候，它的系数为 螺旋角系数为 Map1650MPa根据上面的公式可以得到齿轮在达到一定强度的时候，就可以满足这次实验的需要。齿条的设计由齿轮进行咬合的时候的特点可以看出:齿轮在分界的时候都是要和此圆进行重叠的，不过挂架上的齿轮需要在正确安装的前提下，才能与圆重叠。齿轮与车架齿轮进行咬合的时候，那个角度一直都是等于压力角。所以,齿条模数m等于2,压力角选

44、择的齿轮数目z180,一共的长度是600mm在端面上的模数是 在端面上的压力角是 在法面上的齿距是 在端面上的齿距是 在齿顶上的高系数为 在法面上顶隙系数为 齿顶的高为 齿根的高为 齿轮的高度为 在法面上的齿轮厚度是 在端面上的齿轮厚度是 4.三维建模及装配4.1底座旋转关节建模底座传动是利用齿轮传动，利用电机驱动齿轮，完成减速器运动，另外旋转主轴还安装推力轴承和深沟球轴承，如下所示图4-1 主轴底座4.2.X轴建模本次设计的X轴主要是利用电机驱动联轴器，进而丝杆传动，有轴承座，还有拖链等，等，如下所示图4-2 X轴建模4.3.Y轴建模本次设计的X轴主要是利用电机驱动联轴器，进而丝杆传动，有轴

45、承座，还有拖链等，如下所示图4-3 Y轴建模4.4.Z轴建模本次设计的X轴主要是利用电机驱动联轴器，进而丝杆传动，有轴承座，还有拖链等，等，如下所示图4-4 Z轴建模4.5夹持部分建模本次设计的夹持部分主要是利用电机驱动齿轮齿条，完成夹手的对向移动，本次组成结构还有滑轨等，如下所示图4-5 机械手建模4.6手部旋转关节建模本次设计的夹持部分主要是利用电机驱动旋转轴，本次旋转的角度主要是靠电机控制，因此对其控制必须用到PLC，完成夹手的旋转移动，本次组成结构还有轴承等，如下所示图4-6 手部旋转关节建模4.7总体建模本次结构将XYZ轴结构组装起来，然后安装夹持部分和旋转部分，完成机械手的总装，如

46、下所示：图4-7 总装图5.夹持机械手零部件有限元分析5.1有限元分析软件SolidWorks是全球第一个出现的，由计算机系统研发而成的三维CAD系统，它的功能很多，适用范围很广泛。 比如它有三个特点，那就是功能多，学习起来简单，而且创新也方便，这三个特点让它变成最先进，最受欢迎的三维CAD解决方案。它还能设计出各种各样的方案，还可以减低错误，提高质量。稍微了解Windows系统的用户，都可以用SolidWorks 来创作。它一些独有的功能可以满足很多用户，也方便了用户的创作需求，它的资源管理器也是很方便的，就好像Windows系统自带的资源管理器一样。当使用它进行创作的时候，用户可以高效地完

47、成工作。当前市面上的三维CAD解决方案里面，SolidWorks属于一款使用起来比较简单的软件。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”它的一些很好用的，很受欢迎的功能是可以百分百进行编辑的，它的一些零件也是与设计息息相关的。SolidWorks开发了多种网格划分方法，可以用于结构静力动力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体分析、声场分析、压电分析H6l。实体建模有SPACECLAIM和DM这两款简易模型软件，用户也可以根据自己的需求，导入其他三维软件建立的模型进行

48、处理。SolidWorks可处理复杂的固体力学、结构力学和高度模拟的非线性力学等力学问题。相较于其他有限元分析软件，SolidWorks最大的特点是可以进行系统级别的分析。主要功能包括：静态应力分析、位移响应分析、水下冲击分析、疲劳寿命分析等多种工业工况的分析，但其至今未更新流体计算的模块，各模块间相互独立，联系性不强。5.2.Y轴悬臂主板静力学分析1.利用Soildwork2016的零件模块建模图5-1 悬臂主板建模2.点击simulation图5-2 仿真3.新增算例如下：图5-3 静应力分析4.配置截面属性定义材料属性选择材料铝合金密度为2700弹性模量为6.9e+010N/m2泊松比0

49、.33图5-4 配置截面属性5.增加载荷，如下图所示：此板主要是前端是固定，末端受力。因此对其进行增加载荷和固定。本次载荷参考上述计算得知末端受力越200N，预算上述电机已经滑轨安装板约为20KG图5-5 摆放载荷位置6.增加约束，对前端位置增加固定约束图5-6 增加约束7. 生成网格，首先选择的网格属性为四面体自由网格划分技术，然后选择布种密度，根据实际划分的疏密情况全局种子近似全局尺寸设置为8图5-9 生成网格8.生成结果图5-10应力图图5-11 变形位移图图5-12 应力变形位移图9.结果分析由SW软件可以看出，上述三个分析对比可以看出，第一张图是零件的表面受力分析可以看出此板受力可以

50、满足施加载荷200N，可见是蓝色的受力很多，看不到红色受力集中，可见设计三维安全的。第二张图是受力变形集中情况，可以看出是施加载荷200N的情况下可以发现此板的受力应变没有明显的集中受力部分，主要集中边缘外侧，变形大概1.5mm，也没有很明显的受力变形大的地方。第三张图片是受力变形位移量，可以看出此零件变形的数据0.0024mm，因此是可以忽略的。结论第1， 需要清晰知道什么是机械手，以及它目前的发展状况是怎样的，然后根据它的情况来制定这次实验的目的与意义。本设计是基于该机械手的工作要求,机械手手本体结构和驱动方案的对比分析开始,整个手的结构方案,并初步决定伺服电机和传动装置的挑选，同时对整个计算的步骤都尽可能详细化，然后设计出伺服电机驱动的直角坐标机械手。第二，按照不同驱动