自动式水果机的结构设计-自动装杯结构设计

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

ABSTRACT

Thispaperfocusesonthestructuredesignofautomaticfruitmachinetothedesignofautomatic

cupfillingsteps,thefirstistoclampthecupmanipulatordesign,relativetogiveanappropriate

designscheme.Selecttheappropriateservomotor.Then,accordingtothecartesiancoordinate

conveyorstructuretochoosetheappropriatetransmissionmechanism,accordingtotheselected

transmissionmechanismtocarryoutthestructuraldesign.Completetheselectionofreducer,bearing

selection,shaftdesignandthestrengthofthecomponentsofthecorrection.Inthisdesign,thehand

shapeofthe5-degreeoffreedompackagingmaterialisimportantandsmall,andtheappearancesize

issmall.Consideringtheaccuracy,5degreesoffreedomareneeded.Thesearetherotationmotionof

thebody,thetransportofXYZarm,therotationofthehand,andthetensionofthegraspofthehand.

Onlyinthiswaycanthereasonablerequirementsforthesupplyofcylindricalpartsbesatisfied.

Keywords:Cartesiancoordinatesystem;Feedingmanipulator;Themechanicalstructure

目录

1绪论......................................................................5

2原理方案设计..............................................................9

3结构尺寸确定.............................................................12

1

4.三维建模及装配...........................................................39

5有限元分析..............................................................343

结论......................................................................348

参考文献..................................................................399

致谢.......................................................错误!未定义书签。

1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prl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

2

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，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

3

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

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进行结合，这样就能将汽缸进行随时启停。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

5

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。

6

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。

这次设计的送手主要有5个组成部分，分别是机器架，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。

图3-1送料机械手的结构布局图

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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⑼。

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，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。

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刚轮

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。

9

图3-3基座内部传动

3.4.2.XYZ轴传动方案

图3-4Y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。

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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。

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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±170°1.96

XYZ轴关节+150°、-90°1.57

腕部摆动关节±180°3.93

手持工具加持（采用齿轮齿条）±360°3.93

3.6底座旋转关节机械设计

3.6.1.电机的选型和校核

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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

底座旋转的时候,它的速度为1/7min,而主轴在旋转的时候速度为:

IOOOF1000x3.

n=-------=--------------名191r/mm

7id3.14x300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

zu=2Z?=6x191=31r/s-1146=/min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

48.58448

=323.8965N

D~03~

2式（3.3）

3.6.5求换算到电机轴上的负荷力矩

,_（尸+//印）D9.

〃

L21000式（3.4）

194.33792+0.15x1214.61230019.8

=-------------------------------------------------------------------X----------X—X----------

0.7261000

=79.07/V.m

当〃等于0.7,W等于1214.612N,〃等于0.15

公式里的

〃一一代表的是摩擦系数；

F一一代表的是牵引力；

W——代表的是主轴的重力；

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D一一代表的是主轴直径；

〃一一代表的是传递效率；

i——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

(4+4+4)

=0.000348+(3(0.004765+0.00131+0.000603)

=0.000036189kg

式（3.5）

公式里的“一一代表的是主轴的转动惯量;

人一一代表的是大齿轮的转动惯量；

人一一代表的是小齿轮的转动惯量；

,4——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

型号电刷额定功转子惯量电机直径电机轴电机长效率

材料率直径度

MAXONF2260石墨1KW1290320mm40mm200mm70%

g-cm2

3.6.8电机的验算

J=4皿=361.8W

[式(3.6)

0.25<<]

式（3.7）

361.89,

0.25<--------<1

即1290n0.25<0.2805<1式（3.8）

14

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&X。

=J6=]^^=1651.87X2X314x4000=0.91N-m,

JJ

60tfl60X0.075式（3.9）

加速时间7“=4TM=4xl9=76ms式（3.10）

公式里的丁乂——代表的是机械时间常数为19ms.

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

①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230-235hbso

大齿轮：45号钢，正火处理，硬度190-277hbSo

②确定许用应力

a.确定极限应力b〃1im和bpiim

b.计算应力循环次数N,确定寿命系数为ZN、YN

阳=60a为t=60XiX37.5X(10X300X16)=1.08x10s

式(3.11)

zM1.O8X1O8

N=-=---------=0.54X110a8

2'u2式(3.12)

查文献⑴得

Z.v尸=1

c.计算许用应力

查文献⑴取SH*等于1，S-mm等于1.4。

用=嚅=*.MPa=580-MPa

式⑶13)

15

%=堂=早.MPa=555MPa

__220X2X1-MPa=314.27-MPa

式(3.14)

=然忡的可.=210^2X1.MPa=3QQ.MPa

"尸1SFmn1.4③

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：4等于45、Z2等于270、王等于它等于0、次等于0.2

d.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。

2

3l(ZHZEZe)2KT(u+l)

\affp-0u

式(3.15)

所以需要先确定系数为：K、Z”、Zg、Z-

取K.等于1、K.等于1.05、Kp等于1.13、Ka等于1.2,则K等于KAKvKfl熊等于1.424。

查文献⑴得等于。代入等于式（3-11）得

4125.03,…

m------------=1.250iran

Zi100

取标准模数加等于1.5mm<,

dx-mZj=l.5X100=150iransd2=mz2=l.5X200=300iran

a=0.5m=0.5X1.5(100+200)=225

b=0d心=0.2X150=30mni,取4=321™,4=么+(5〜10)=32+6=38inm

e.验算齿轮弯曲强度条件

按弯曲强度条件及下式验算：

bdym式(3.16)

16

计算弯曲应力:

2x1.424x200000

x2.21xl.78x0.7=183.45MPA<<7

38x150x1.5m

仁"|^^=183.45X2.18x1.85

=188.07

MPA<O-/K

1Fdl1SdL2.21x1.78

计算结果表明该设计满足强度要求。

3.8XYZ轴机械结构设计

3.8.1直线导轨的选取与校核

根据结构特性和摩擦特性的导向类型请参照附录表3-3o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GGB20BAL2P12x940-4具体数据见《机械设计手册》9-149Y

方向初选导轨型号为GGB20AAL20P2x1090-4

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：

L=H+S+A1-S1-S2

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

17

H一滑块的导向面长度

S一滑块行程

△1一封闭高度调节量

S1一在滑动器抵达死点的情况下，滑动器就会伸出的长度。

S2一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GGB20BAL2Pl2x940-4,查表9.3-73[1]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9.3-48序号1的载荷计算式计算。

其中工作台的最大重量为：

G=100X9.8=980N

Fl=F2=F3=F4=l/4(Gl+F)=250N

1)滚动导轨的额定寿命计算公式[6]为：

L=(fhftfcfaCa/fwPc)*xK=27166kro

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一一导轨上的滑块数；

£——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一一(滚道实际硬度(HRC))o

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1

ft一一温度系数为，查表6-2[7],得人等于1

fc——接触系数，查表6-3[7]；得力等于1

fa——精度系数为，查表6-4[7]；取力等于1.5

fw——查表6-5[7]；得载荷系数九等于1

18

fw——载荷系数查表6-5[7]；得兀等于1

则L等于27166Km

2）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：

「Z-10327166x10srco

=--------------=-------------------=30592.3%

•叼602x0.74x1x60

公式里的L"——寿命时间（h）

L---额定寿命（km）

La---行程长度（m）

%一一每分钟往返次数

则Lh=30592.3/?

工作的时间为六小时每天；

Lh等于30592,3/300X6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26340.1km

Lh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HT200或HT300做固定向导，用HT150或HT200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。

19

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

短TN=7.5N・m、额定转速〃八,等于3OOOr/min、峰值转矩7；ax等于60N・〃z。

送料机械手的受力情况如图所示:

J=J+J.+J+J^.+J+J

li434式(4.1)

外部负载的转动惯量：4即重物的转动惯量

2,2,2

•r+机2•弓+加3•G

}式(4.2)

7i

公式里的7、%分别代表的是谐波减速器和齿轮传动的效率。7等于68、%等于0.98

把数字代入公式(4-2)得:

20

20X0.72+10Xl.l2+10X1.92

0.8X0.99X1602

=0.002576kg・/|

内部结构及传动系统的转动惯量

立柱的转动惯量：

m(")_「丽(口什2)

J-2nHi2-2TlM2

=0.000000065kg,m2式@3)

公式里的：m：立柱质量(kg),小立柱外半径(m),r2：立柱内半径(m),密

度(kg//)，力：立柱高度(m)0

XYZ关节传动系统的转动惯量：估算得乙=。・000035kg.m2

:,由式(4.3)得J=0.0032kg-m2

假设电机从0加速到3000r/min所用的时间为0.25s,则就为角加速度

二负载折算到电机轴上的转矩

r=(Jo+J)•a

=(0.00082+0.0032)X1256=5.05N•加式(4.5)

因此折算到电机轴上的负载转矩T等于5.05%・加〈电机的额定转矩7；=7.5/^・加。

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，所以即T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600mmo在这次的设计中，由于加工工作的负荷少，

21

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

Fu="(rol+m2)g=0.06(50+36)X9.8

=0.06(400+200)X9.8=50.6N式(5.i)

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：

Fl=Fu+F2=50.6+244.5=295n、

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：Vmax=10m/min=10-1000=10000nm/inin

ph_rmax/?7_10000/1OOO

(初选丝杆转速为lOOOr/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。

nnF=nlql/100+n2q2/100+.....

=60-15/100+80-30/100+100-50/100+2000•5/100

=183r/min

5.当量负荷

尸〃,=3片上•2+产.+

V100nm100

“3100015~、u38070℃3100505)100015

=P/50.5x----x-----F295x---x----F853x----x-----F50.5x----x----

183100183100183100183100

=25ON

6.初选滚珠丝杠

(1)计算动负荷

22

"=符=39

式(5.3)

(2)要求寿命Lh

寿命Lh等于300(日)X16(h)X0.6(开机率)X10(年)等于28800h

由寿命系数为Kh="o"=3.9

Kn=(—V=0.56

转速系数为

(3)综合系数为

滚珠丝杠的综合系数为：

铉=ftfhfJk=—X0.53=03gs

fu1-1

(4)滚珠丝杠副的型号

额定动负荷Ca=25909N>Caj=420N

预紧力Fo=0.25Ca=6477N〉l/3Fmax=2353/3=784N

初选的滚珠丝杠符合设计要求。

7.丝杠螺纹部分长度Lu

Lu等于工作台最大行程(600)+螺母长度(129)+两端余程(25)等于300+129+25X2等

于779mm

8.支承距离L

支承距离L>Lu等于479因此取L等于1100mm

9.临界转速校核

(1)丝杠底径d2=d0-l.2Dw=32-l.2X6.35=24.4irarP0.0244m取25mm

(2)支承方式系数为查表f2=4/3(两端固定)

(3)临界转速计算长度Lc=l29/2+300+40+(700-479)/2=500丽0.5m

临界转速：

23

nc=9900/邙=9900x4-73：x00244=21617r/min

L0.52式(5.4)

可见nc〉nma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3.5°C

⑴温升引起的伸长量a0"EXi()Yx3.5X0.59=22皿式(55)

(2)丝杠全长伸长量％><10^X3.5X0,7=27^

(3)预紧力

5X10-6X-X0.02442

Ft=先HAE=d69X2.1X10H=459N式(5.6)

12.轴承的选择

(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Fmax=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N

由于Fo>Fmax/3等于1636/3等于545N所以，符合要求.

(4)疲劳寿命计算41尸=3.11式(5.7)

K---x459

"0.56

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瓦皿”最大弹性位移

24

FI1式(5.8)

久max=——=--------------------------：------------------------------XIO,=Q.OO33F

4AE4X-X0.02442X2.1X10"

4、

快速移动时F等于50.6N,6max等于1.2um

钻孔时F等于295N,Rmax等于7.8um

(2)丝杠与螺母间的接触变形必

a=行式(5.9)

经通过表格可以得到CMD3210-2.5滚珠丝杠到螺母的接触的刚度

Kc等于955N/um所以得：

快速移动时5c~353/955=0.37uin

钻孔时久=2353/955=2.5uro

(3)轴承的接触变形选

角接触轴承的轴向刚度

511

KB=23.6[Z2sin由兀]505

..11

=23,6[13"sin’60'x0一005953「x2300，

=246N/um

快速移动时5E=353/246=L4um

钻孔时&=2353/246=9.luro

(4)丝杠系统的总位移S5=&回+0+&式(5.10)

快速移动时S2+0.37+1.4=2.97uin

钻孔时§=7.8+2.5+9.6=19.9um

(5)定位精度

螺母是出现于螺钉的中间，4•与心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2.97um。可以达到将轮廓控制定位的准确度保持在

25

0.01/300mm±o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a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20mncr5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41cr4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h=ha+hf=17+5.5=22.5

分度圆直径d二mz/cosB=2x25=50

齿顶圆直径da=d+2ha=61.348+2X17=95.348

齿根圆直径df=d-2hf=61.348-2X11

d=dcosa=15.337xcos20°=14A12mm

基圆直径h

法向齿厚为

；+2x0.7x0.364|x2.5

=4.593wwX4=18.372

26

端面齿厚为

/R\[R07I

s=,—+2/tana\m=1—+2x——--x0.367x2.5253

t12rtJtHcos外)

=5.215mmx4=21.1

分度圆直径与齿条运动速度的关系d=60000v/nnl==0.001ID/S

齿距p=KnF3.14X10=31.4

齿轮中心到齿条基准线距离H=d/2+xnf=37.674

齿轮的齿根弯曲强度设计

3

晔

mlt>12.4

①,

(1)试取K=1.3

(2)斜齿轮的转矩T=2221N.m

(3)取齿宽系数为图=。8

(4)齿轮齿数马=6

(5)复合齿形系数为踪等于3.32

(6)许用弯曲应力。口二0・7X。生=0.7X920=644N/W/

为齿轮材料的弯曲疲劳