大型轴类零件热处理转运装置设计【含9张CAD图纸】

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The manipulator adopts truss structure and is placed on the top to realize the lifting of workpiece. The transfer trolley is responsible for sending the high-temperature shaft type parts sent from the heating furnace to the cold water for quenching. First of all, this paper analyzes the current situation and structural principle of the heat treatment operation device. Then, on the basis of the above analysis, the overall scheme of the transfer device is that the lifting manipulator adopts the form of joint manipulator and truss manipulator; the transfer trolley uses the motor to drive the wheel through the same step belt; then, the lifting manipulator, transfer trolley structure and main zero are respectively analyzed Finally, the assembly drawing and main parts drawing of the running device are drawn by AutoCAD. Key words: Shaft, Running Device, Lifting, Manipulator, Structure 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1课题背景及意义 1 1.2热处理概述 1 1.3热处理运转装置概述 2 1.3.1机械手的组成 2 1.3.2机械手的分类 2 1.4 国内外发展状况 4 第2章 总体方案设计 5 2.1 设计要求 5 2.2方案拟定 5 2.2.1初步分析 5 2.2.2拟定方案 5 2.2.3转运装置总体布置方案 5 第3章 提升机械手的结构分析与设计 7 3.1提升机械手方案设计 7 3.2电动机及减速器的选择 7 3.2.1参数计算 7 3.2.2电机型号的选择 9 3.2.3减速器型号的选择 11 3.3导轨的选型与计算 13 3.3.1导轨的选型 13 3.3.2直线滚动导轨副的计算、选择 13 3.3.3导轨副精度分析 15 3.4齿轮齿条设计 16 3.4.1齿轮齿条的材料选择 16 3.4.2齿轮齿条的设计与校核 16 3.5手抓的设计 21 3.5.1手抓设计分析 21 3.5.2 手爪结构设计与校核 22 3.5.3 结构分析 23 3.5.4计算分析 24 3.5.5手抓夹持精度的分析计算 25 3.6横梁及立柱的设计 26 3.7关节臂的设计 27 第4章 转运小车的结构分析与设计 28 4.1转运小车方案设计 28 4.2导轨的选型与计算 28 4.2.1导轨的选型 28 4.2.2直线滚动导轨副的计算、选择 29 4.2.3导轨副精度分析 31 4.3电机的选择 31 4.3.1电机轴的转动惯量 32 4.3.2电机扭矩计算 32 4.4同步带传动的设计 33 4.4.1同步带传动设计计算 33 4.4.2 同步带的设计 35 4.4.3同步带轮的设计 36 4.4.4 同步带的设计 36 总 结 38 参考文献 39 致 谢 40 50 第1章 绪论 1.1课题背景及意义 目前，由于劳动力成本和技术问题，国内机床的提升仍然采用人工提升，不仅效率低、精度低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些机床生产厂商为了防止操作者发生安全事故，在机床上加入了一些防护措施，如加入光电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人工进行提升的操作就变得十分重要。本设计就是根据这一工程应用需要，设计提升机械手结构，并对其进行运动学分析。 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。我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过"七五"，"八五"科技攻关，目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，提升等机械手，其中有130多台喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆热处理运转装置（站）上获得规模应用，孤焊机械手已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。 随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的液压机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的提升工作，能放置在各种不同的热处理运转装置或物流流水线中，使零件提升、货物运输更快捷、便利。 随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、提升工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。 1.2热处理概述 热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。 早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，钢铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，近而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。[1] 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。[1] 1.3热处理运转装置概述 机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、提升物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及液压技术自身的一些优点，液压机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 1.3.1机械手的组成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 1.3.2机械手的分类 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、液压式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床提升和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机械手。 机械手按照坐标形式分主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 （1）直角坐标式 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图1-2(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。 （2）圆柱坐标式 圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图1-2(b)。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 （3）球坐标式 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图1-2(c)。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 （4）关节坐标式 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图1-2(d)。关节型 机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛。 (a)直角坐标型 （b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型 图 1-1 机械手的坐标形式 1.4 国内外发展状况 机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。 国际机械手的发展方向: 机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。 机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。 我国`汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，热处理运转装置系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。 第2章 总体方案设计 2.1 设计要求 本课题目标是设计大型轴类零件热处理转运装置，其作用是将从加热炉中送出的高温轴类零件送到冷水中进行淬火处理，是轴类零件热处理运转装置中重要的组成部分。通过本设计，使学生对所学的专业基础知识，特别是对机械系统及液压或气动系统有进一步的分析与学习，对所学知识系统的综合运用。 设计参数要求为： 轴长度为1500~2300mm，要求采用机械手抓取轴类零件后的移动速度为100~110mm/s，移动距离4~5m。 2.2方案拟定 2.2.1初步分析 根据轴长度为1500~2300mm，选定机械手负载参数为50kg，按工业机械手的分类，属于中型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。桁架机械手与其他械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。 2.2.2拟定方案 桁架机械手一般是3~6个自由度，根据设计要求本次选用4个自由度桁架机械手，两个关节式、两个直角坐标式，通过上述调研分析，初步拟定本次设计方案如下： 2.2.3转运装置总体布置方案 已知大型轴类热处理运转装置由提升机械手1台、转运小车1台组成，热处理运转装置跨度较大，因此机械手采用桁架结构，置于上方实现工件的提升，而物料的备货与出货均由自动转运小车来承担，从加热炉中送出的高温轴类零件送到冷水中进行淬火处理，两工位之间均留有小车的轨道，小车在两工位之间传送轴后由提升机械手夹取物料。 图2-1 大型轴类零件热处理运转装置总体布置方案 第3章 提升机械手的结构分析与设计 3.1提升机械手方案设计 提升机械手由桁架机械手与关节机械手组合而成，有4个自由度，分别是升降、平移、手抓俯仰2个（实现拐弯进入机床）；该机械手由升降电机、升降臂、升降齿轮齿条、平移电机、平移齿轮齿条、导轨、俯仰电机、手抓等构成。工作时上料机械手从送料小车内夹取工件通过两个关节拐弯送到机床内的加工位置，并一个个工位向下进行，加工完成后由下料机械手拐弯进去取出工件放入送料小车内，整机工作过程详见2.2.3所述。 图3-1 提升机械手方案 3.2电动机及减速器的选择 3.2.1参数计算 现在比较常用的伺服电机包括伺服电机(vR)、永磁式伺服电机(PM)等。永磁式伺服电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50或150；伺服电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为0.750或1.50，但有一定的噪声和振动。伺服电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 综合考虑技术难度、精度和资金等因素，结合所改造机床的负载较小，负载变化不大又是经济简易型的自动控制设备，故采用伺服电机作为机械手的驱动源。 (1)旋转力的计算 旋臂式机械手夹持工件时，很明显承受着一定的旋臂力矩。由文献1查得旋转力的计算公式为： 一旋转阻抗力(N)，根据相关经验数据，取其值为1989.9。 由文献1查得： 取，则 (N) ，则 (N) (2)伺服电机的选用 伺服电机总的位移量是严格等于输入的指令脉冲数，或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率，因此能实现精确定位、精确位移。而且同时可在其工作频段内，从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态。伺服电机有下列工作特点： ①变扭矩传动，扭矩受脉冲频率的限制。频率高，扭矩则小。能双向转动，有适量的阻尼。 ②只要避开伺服电机本身的低频振荡区，就可能获得平稳的低速进给。 ③改变指令脉冲频率就能使伺服电机变速，从而改变进给速度，可省去一部分机械变速机构，机械结构简单，寿命长。 ④进给速度变化范围宽，从每秒几个脉冲到几千个脉冲。即能使进给系统正调整时实现快速运动，又能保证由粗加工到精加工的各项要求。 ⑤快速响应性很强，只要有脉冲输入或停止输入，伺服电机就立即转动或停转。 ⑥不通电时无定位力矩，转子能自由转动，每步有振荡和过冲，但在使用中失步和过冲完全在零件的尺寸误差之内，对加工精度影响甚小。 (3)步距角 初步确定步距角=0.75／step。 (4)伺服电机转轴上启动力矩的计算 由文献9查得启动力矩的计算公式为： 式中： 一电机启动力矩 ——旋转进给抗力(N)，= =1989.9(N) 一垂直分力，==795.9(N) ——导轨摩擦系数，选用淬火钢滚动导轨，取=0.01 G-机器重量(N)，按图纸粗估G=480N ——总机械效率，取=0.85 则 (5)确定伺服电机最大静转矩和最高工作频率 为满足最小步距要求，电机选用三相六拍工作方式，由文献9查得： =0．866 (3—6) 则伺服电机最大静转矩为： =180／0.866=207.8(Ncm) 最高工作频率为： 3.2.2电机型号的选择 （1）SL系列伺服电机 表3-1 SL系列交流伺服电动机型号和主要技术数据 型号 励磁电压V 控制电压V 频率 Hz 堵转转矩N·m 空载转速r/min 输出功率W 机电时间常数m·s 外形尺寸 mm 总长 机壳外径 轴径 36SL5E2 36 36/18 50 110 2700 1 8 62 36 4 90SL55 220 220 50 3000 2700 25 30 140 90 14 图3.1 36SL5E2伺服电动机 图3.2 90SL55伺服电动机 交流伺服电动机的机械特性是非线性的；不需要电刷和换向器，因此结构简单、运行可靠、没有无线电干扰等优点。 SL系列交流伺服电动机是由笼子转子和隐极式定子两部分组成。定子槽内嵌以二相绕组，一相为励磁绕组，一相为控制绕组，控制绕组分为两半，分别引出四根线，可接成串联或并联，以适用于两种电压。 （2）70BF1-3伺服电机 表3-2 BF系列伺服电机型号和主要技术数据 型号 相数 步距 （º） 电压 V 静态 电流 A 额定负载转矩μN·m 静态力矩μN·m 空载起动频率步/s 额定负载起动频率 步/s 外形尺寸 mm 总长 机壳外径 轴径 70BF1-3 3 3/1.5 27 3 1000 --- --- 1000 112 70 8 BF系列伺服电机系伺服电机，它是将脉冲指令转换为角位移或转速的控制电动机，其角位移与脉冲数量严格成正比，改变脉冲频率实现调速。它具有定位精度高，同步运行特性好，调速范围宽、能快速起动、反转和制动等特点。广泛用于开环数控系统作执行元件和驱动元件。 图3.3 70BF1-3伺服电机 对比后这三种电机的性能后，选用70BF1-3型伺服电机，其参数如表3-2所示。 3.2.3减速器型号的选择 减速机在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，是一种相对精密的机械。使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途。减速器的种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥－圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。 蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。齿轮减速机具有体积小，传递扭矩大的特点。齿轮减速机在模块组合体系基础上设计制造，有极多的电机组合、安装形式和结构方案，传动比分级细密，满足不同的使用工况，实现机电一体化。齿轮减速机传动效率高，耗能低，性能优越。摆线针轮减速机是一种采用摆线针齿啮合行星传动原理的传动机型，是一种理想的传动装置，具有许多优点，用途广泛，并可正反运转。 （1）相关参数的确定 由于此减速器用于机械手升降、平移、手抓回转，查设计手册，初选减速器型号为CWS，为标准形式。 原动机为电动机，每日工作16h，由表16-1-74（机械设计手册第三版第3卷，成大先主编，化学工业出版社）查得每日运转时间系数f=1.25 每小时启动25次，由表16-1-75（手册同上）查得启动频率系数f=1.1 每小时载荷率J=×100﹪=42﹪， 由表16-1-76（手册同上）查得小时负荷率系数f=0.78 工作环境温度为30c由表16-1-77（手册同上）查得f=1.14 减速器型号为CWS，由表16-1-78（手册同上）查得f=1 风扇冷却的热损耗系数，由表16-1-79（手册同上）查得f=1 （2）强度的校核 按机械强度和热极限强度公式计算出输出转矩值： T=Tff=10×1.25×1.1=13.75N.m T=Tffff=10×0.78×1.14×1×1=8.87N.m 根据上述计算结果，机械强度大于热极限强度，故应按T=13.75N.m 进行选择。 输出轴转速n==24r/min 由表16-1-72（手册同上）查得最接近的减速器为a=12.5㎜，T= 14N.m略大于要求值，符合要求 （3）输出轴轴端负荷的校核 减速器输出轴轴端许用负荷取决于轴的转速及额定转矩按下列公式计算 F=f.R F= f.A 式中 F-----输出轴轴端径向许应负荷 F-----输出轴轴端轴向许应负荷 f-----速度系数 R------径向载荷系数 A------轴向载荷系数 1）校核减速器输出轴轴端轴向许应载荷 由表16-1-72（手册同上）查得速度系数f=0.7 由表16-1-73（手册同上）查得轴向载荷系数A=102N F= f×A=0.7×102=71.4N 计算所得结果大于要求值，满足要求。 2）校核许应尖峰载荷T T=14×2.5=35N.m 计算所得结果大于30N.m满足要求 则最终选择减速器型号为CWS12.5-40-ⅢF(GB9147-88)。 3.3导轨的选型与计算 3.3.1导轨的选型 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： ①定位精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 ②降低机床造价并大幅度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。 ③可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。 ④可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。 3.3.2直线滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取 根据计算额定静载荷初选导轨: 选择汉江机床厂BGX系列滚动直线导轨,其型号为: BGXH25BE 基本结构及参数如下: 导轨的额定动载荷N 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln： 额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够. 导轨的静安全系数： ：静安全系数；：基本静额定负载；：工作载荷 导轨寿命计算： 3.3.3导轨副精度分析 3.4齿轮齿条设计 3.4.1齿轮齿条的材料选择 齿条材料的种类很多，在选择过程中应考虑的因素也很多，主要以以下几点作为参考原则： 齿轮齿条的材料必须满足工作条件的要求。 应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。 正火碳钢，不论毛坯制作方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击工作下的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调制碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。 合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。 飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。 6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或者更多。 钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故适用于来制造齿轮。由于该齿轮承受载荷比较大，应采用硬齿面（硬度≥350HBS），故选取合金钢，以满足强度要求，进行设计计算。 3.4.2齿轮齿条的设计与校核 （1）升降系统的功率 设V为最低速度（米/秒），F为以V升降时重量（理论起重量，公斤）。 起升功率 F= 取0.8（米/秒） 由于整个俯仰机构由两个齿轮齿条所带动，所以每部分的平均功率为 转矩公式： N.mm 所以转矩 T= 式中n为转速（单位r/min） （2）各系数的选定 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分配系数，即 K= 1）使用系数 是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。 该齿轮传动的载荷状态为轻微冲击，工作机器为重型升降机，原动机为液压装置，所以使用系数取1.35。 2）动载系数 齿轮传动不可避免地会有制造及装配误差，轮齿受载后还要产生弹性变形，对于直齿轮传动，轮齿在啮合过程中，不论是有双对齿啮合过渡到单对齿啮合，或是有单对吃啮合过渡到双对齿啮合的期间，由于啮合齿对的刚度变化，也要引起动载荷。为了计及动载荷的影响，引入了动载系数，如图2-1所示。 图2-1动载系数 由于速度v，0.8m/s很小，根据上图查得，取1.0。 3）齿间载荷分配系数 一对相互啮合的斜齿（或直齿）圆柱齿轮，有两对（或多对）齿同时工作时，则载荷应分配在这两对（或多对）齿上。 对于直齿轮及修形齿轮，取。 4）齿轮载荷分布系数 当轴承相对于齿轮做不对称配置时，受灾前，轴无弯曲变形，齿轮啮合正常，两个节圆柱恰好相切;受载后，轴产生弯曲变形，轴上的齿轮也就随之偏斜，这就使作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀。 计算齿轮强度时，为了计及齿面上载荷沿接触线分布不均匀的现象，通常以系数来表征齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的影响。 根据机械设计表10-4取=1.37。 综上所述，最终确定齿轮系数K==1.35111.37=1.8 （3）齿轮传动的设计参数、许用应力的选择 1）压力角α的选择 我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为α=20°。 2）齿数z的选择 为使齿轮免于根切，对于α=20°的标准直齿轮，应取z≥17，这里取z=20。 17 3）齿宽系数的选择 由于齿轮做悬臂布置，取=0.6 4）预计工作寿命 10年，每年250个工作日，每个工作日10个小时 =1025010=25000h 5）齿轮的许用应力 按下式计算 式中：S——疲劳强度安全系数。对于接触疲劳强度计算时，取S=1；进行齿根弯曲疲劳强度计算时，取S=1.25~1.5。 ——考虑应力循环次数影响的系数，称为寿命系数。应力循环次数N的计算方法是：设n为齿轮的转速（单位为r/min）；j为齿轮每转一圈时，同一齿面啮合次数；为齿轮工作寿命（单位为h），则齿轮工作应力循环次数N按下式计算： N=60nj n暂取10，则N=601025000=1.5。 查机械设计表10-18可得=1.3。 ——齿轮疲劳极限。弯曲疲劳极限用代入；接触疲劳极限用代入，查机械设计图10-21得=980。1500 =1.3 S=1 1950 850 S=1.4 607.1 （双向工作乘以0.7）424.97 当齿数z=20 17 时，齿形系数=2.8 2.97 应力校正系数=1.55 1.52 基本参数选择完毕 （4）齿轮的设计计算 齿轮的设计计算公式： ……………Km—开式齿轮磨损系数，Km=1.25（机械设计手册（3卷）14-134） 转矩 N.mm （1式） 所以 v=0.8 n=899.2/m （2式） 将1式、2式及各参数代入计算公式得： 解得：；20 取m=2 那么n=17.5，取n=18 N.m 齿面接触疲劳强度计算公式： 式中的单位为Mpa，d的单位为mm，其余各符号的意义和单位同前。 由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以=1 为弹性影响系数，单位，其数值查机械设计表，取=189.8，如表2-1所示： 表2-1 材料特性系数 计算，试求齿轮分度圆直径： =456.75mm 通过模数计算得：m=2，z=18 所以分度圆直径d=218=36mm 所以取两者偏大值d=36mm 计算齿宽 b==0.636=21.6mm 齿高 h=2.25m=2.252=4.5mm 最终确定齿轮数据： 模数m=2 齿数z=18 分度圆直径d=36mm 齿高h=4.5mm 齿宽b=25mm 转速n=90r/min 3.5手抓的设计 3.5.1手抓设计分析 设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求： （1）、手指握力的大小要适宜 确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。 （2）、应保证工件能顺利地进入或脱开手指 开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。 （3）、应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻 因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。 （4）、动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便 根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。 经过分析和比较此设计采用夹持式手部。手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。 1、夹持式手部 夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。 2、结构 夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计选择移动式的齿轮齿条手部。 3.5.2 手爪结构设计与校核 （1）手爪种类 ①连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 ②楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 ③齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 ④滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 ⑤平行杠杆式手爪 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。 a．有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b．有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 c．力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d．手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。 3.5.3 结构分析 机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采用气压驱动。 工件尺寸：工件为φ160×2300mm的轴。 机械手最大抓重：50kg 图3-1 手部装配图 3.5.4计算分析 因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设3个手指以摩擦力3μQ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q. 如图2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立. 得 代入数据，得 选取活塞杆直径d=0.5D,选择气缸工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为: D=630.5=31.5mm，选取d=32mm 为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。 手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最 大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从20-30mm （a） (b) 手抓张开示意图 3.5.5手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能。 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、 小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。 图3.3 手抓夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为φ50×50mm 一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 偏转角按最佳偏转角确定： 计算 当S时带入有： 夹持误差满足设计要求。 3.6横梁及立柱的设计 本次采用的桁架机械手负载较小，因此横梁及立柱仅需进行结构尺寸设计，无需进行强度校核。本次设计的横梁及立柱均采用工字钢加Q23B钢板焊接而成，结构尺寸如下图示： （1）横梁结构尺寸 图3.4 横梁 （2）立柱结构尺寸 图3.5 立柱 3.7关节臂的设计 关节臂由于工件较轻，负载较小因此无需进行强度计算，结构尺寸直接由关联件尺寸通过CAD作图匹配设计得到，详细结构尺寸见图纸。 其电机的选择，为了尽可能使得机械手电机通用化便于采购成本降低、信号的传输，因此选用与生降机构同型号电机即可，即选用70BF1-3伺服电机。 第4章 转运小车的结构分析与设计 4.1转运小车方案设计 转运小车由带减速机的电动机驱动，为确保转运时转运位置精度，采用同步带传动，机：电机驱动同步带轮，通过同步带带动置于驱动轴上的从动带轮，从而带动转运小车主动轮驱动小车在固定的轨道上运行。为提高转运效率小车上防止3个零件托架，因此每次可以同时转运1~3根轴。因小车要长距离转运，不适合外接电源，因此我们还在小车箱体内设置了蓄电池，由蓄电池为小车提供电源。整机工作过程详见2.2.3所述。 图4.1 立柱转运小车的结构方案 4.2导轨的选型与计算 4.2.1导轨的选型 导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： ①定位精度高 直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 ②降低机床造价并大幅度节约电力 采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。 ③可提高机床的运动速度 直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。 ④可长期维持机床的高精度 对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。 4.2.2直线滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取 根据计算额定静载荷初选导轨: 选择汉江机床厂BGX系列滚动直线导轨,其型号为: BGXH45BE 基本结构及参数如下: 导轨的额定动载荷N 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln： 额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够. 导轨的静安全系数： ：静安全系数；：基本静额定负载；：工作载荷 导轨寿命计算： 4.2.3导轨副精度分析 4.3电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 4.3.1电机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 上式中：d—直径,丝杆外径d=49.5mm L—长度=2m P—钢的密度=7800 经计算得 b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量 上式中：M—质量 X向直线运动件M=280kg P—丝杆螺距（m）P=0.001m 经计算得 c、联轴器的转动惯量 查表得 因此 4.3.2电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速时间 KS—系统增量，取15s-1,则ta=0.2s 经计算得 b、折算至电机轴上的摩擦力矩 上式中：F0—导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32N P—丝杆螺距（m）P=0.001m η—传动效率，η=0.90 I—传动比，I=1 经计算得 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩