河北工程大學機械手伸縮臂設(shè)計

1、2伸縮臂的設(shè)計方案2.1設(shè)計方案論證以及確定2.1.1設(shè)計參數(shù)1.伸縮長度：300mm，伸縮臂固定在升降臺上，隨升降臺做上下運動和旋轉(zhuǎn)運動；伸縮臂前端安裝機械手，用于夾持工件；伸縮臂直線伸縮，完成工件的工位轉(zhuǎn)換；2.單方向伸縮時間：1.52.5s；3.定位誤差要定位措施，定位誤差小于2mm；4.前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊。2.1.2設(shè)計方案的比較論證2.2機械手伸縮臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案經(jīng)過本人的反復思考及論證，先做出運動簡圖?，F(xiàn)如下圖2-1所示，該機構(gòu)中支座安裝在機器人床身上，用于安裝滾珠絲杠和伸縮桿等零件。由步進電動機（1）驅(qū)動，帶動一級齒輪減速器（2）。通過減速器輸出軸與絲杠（3）相

2、連，以電機為動力驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，通過絲母的直線運動，推動導向桿運動，利用電機正反轉(zhuǎn)動實現(xiàn)伸縮換向。法蘭用于安裝機械手，構(gòu)成如圖所示的結(jié)構(gòu)。圖2-1步進電機伸縮機構(gòu)示意圖2.3執(zhí)行裝置的設(shè)計方案2.3.1導向機構(gòu)的選擇與計算（這部分可以不做）2.3.2滾珠絲杠的選擇v=s=150mm=0.15m,初選螺距p=10mm（2.9）則：t2n=（2.10）p102.3.2.1滾珠絲杠副的選擇：（1）由題可知：伸縮長度s為300毫米，伸縮時間t為2秒，所以速度sssmminmin（2）計算載荷：f(w)cf=kkkfcfham（k為載荷系數(shù)，k為硬度系數(shù)，k為精度系數(shù)）。fha由題中條件，取k=1.2

3、5，取kf絲杠的最大工作載荷fm:h=1.06取d級精度7，取k=1.18a導向桿所受摩擦力即絲杠最大工作載荷:max=mf=0.15400=120n（2.11）則：f=1.21.01.1120=2112nc（3）計算額定動載荷c的值：由式（2-4）ac3c=fanlmh1.67104（2.12）n=960rmmin,lh=15000h所以c=21123a960150001.6710420064n（4）根據(jù)選擇滾珠絲杠副：按滾珠絲杠副的額定動載荷ca等于或稍大于ca的原則，選用漢江機床廠fc1型滾珠絲杠9絲杠尺寸螺滾旋珠漢江機床廠fc1型滾珠絲杠表2-1額定載荷dp/mddemlqffh杠代號

4、/mm角直絲中大導徑徑徑程制dml米螺母安裝尺寸/mmda動載載c/n靜c/noa443832o115171644m919260009.9018556958613799825偏心距e=0.07r-0=0.072.064-mm=5.610-2mm（2.14）6-35fc1-5006-3，c=21379nfc1-52008-2.5c=22556naa考慮各種因素選用fc1-5006-3。由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑d=50mm導程p=8mm螺旋角l=2o110滾珠直徑d=3.969mm0按表2-1中尺寸計算：滾道半徑r=0.52d=0.523.969mm=2.064mm（2.13）0d3.96

5、922絲杠內(nèi)徑d=d+2e-2r=(50+25.610-2-22.064)mm=45.76mm（2.15）10（5）穩(wěn)定性驗算1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)s，其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)s（見表2-10）。絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷f（n）按下式計算：crp2eif=cra10（2.16）(ml)2()式中e為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，e=206mpa;l為絲杠工作長度（m）l=450mm；i為絲杠危險截面的慣性矩m4；u為長度系數(shù)，見表2-10。依題意：apd43.14(0.04576m)4i=a1=2.1510-7m4

6、（2.17）6464取u=2，則32f=cr(3.14)22061092.1510-720.453=4.85106n（2.18）安全系數(shù)s=3031.3。查表2-10，s=34。ss，絲杠是安全的，不f4.85106crf1600m會失穩(wěn)。（6）剛度驗算:滾珠絲杠在工作負載f（n）和轉(zhuǎn)矩t（nm）共同作用下引起每個導程的變形量:ea2pgjpfp2tdl=0c11（2.19）其中a絲杠截面積a=pd24(m2)32j絲杠極慣性矩j=pd4cc(m4)g絲杠的切變模量，對于鋼g=83.3mpa0tg(l+r)t轉(zhuǎn)矩t=fmd2式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)，f為工作載荷，取摩擦系數(shù)mt=

7、4305010-3tg2011+8400.43nm（2.20）()(0.04576)2+3.14283.3109(0.04576)4ped2p2gd23.14206109tgr=0.0025，則=840則()2按最不利情況取（其中f=f）m4pf16p2t4810343016810320.43dl=+=011=2.2310-2nm（2.21）則:絲杠在工作長度上的彈性變形引起的導程誤差為：dl=ldl2.2310-20=0.45p810-3=1.25um（2.22）dls=0.03mm=0.015mm=15um（2.23）通常要求絲杠的導程誤差dl應(yīng)小于其傳動精度（s=0.03mm）的1/2，

8、即1122該絲杠的dl滿足上式，所以其剛度可滿足要求。（7）效率驗算：滾珠絲杠副的傳動效率h12為tg(l+r)tg2011+840()tgltg(2011)h=0.93（2.24）h要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計算：fa50063各項性能均符合題目要求，可選用。2.3.2.2滾珠絲杠螺距的選擇：p=8mm2.3.2.3滾珠絲杠的有效長度：根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計確定，要保證有300mm的伸縮長度，先對絲杠螺母進行選擇。絲杠螺母選用外循環(huán)螺旋槽式：滾珠螺母可得到其結(jié)構(gòu)尺寸總長為l=61mm。根據(jù)其傳動的特點，要保證螺母不脫離滾珠絲杠，又要有300mm移動距離，則絲杠的有效傳動長度為l

9、=430mm。2.3.2.4滾珠絲杠的安裝結(jié)構(gòu)：采用雙推簡支式安裝，一端安裝支推軸承與深溝球軸承的組合，另一端安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適用于中速傳動精度較pn=l/2所以n=l=（2.25）2p16l=（2.26）108ce60np高的長絲杠傳動系統(tǒng)。由此可知：絲杠轉(zhuǎn)速：ssmin2.3.2.5絲杠安裝軸承的選擇由于滾珠絲杠副的支承形式采用的是一端固定一端游動（f-s），而又避免絲杠受壓，所以絲杠的固定端（承重端）為左端，右端為游動端。因此為了滿足使用要求，左端的軸承選取雙向推力球軸承與深溝球軸承的組合形式。推力軸承的特點是只能承受單向軸向載

10、荷。為了限制左端的徑向位移，同時又要限制向右的軸向位移，故選用角接觸球軸承。此類軸承的特點是能同時承受徑向軸向聯(lián)合載荷。1)雙向推力球軸承的選擇2)初步選定為51000型代號為51306d=30mmd=60mmt=21mmc=36.2kna校核基本額定載荷通過所要求軸承壽命（等于絲杠的壽命）算基本額定載荷在實際工程計算中，軸承壽命常用小時表示13hc=e60nlpeh108=36014201500010003108=2338n（2.27）其中，c基本額定動載荷（n）p當量動載荷（n）e壽命指數(shù)球軸承e=3n軸承的轉(zhuǎn)速（r/min）在使用壽命為15000小時的要求下，雙向推力球軸承應(yīng)承受的基本額

11、定動載荷為2338n。初步選用的軸承的額定載荷c=27kn，即cc所以滿足使用要求。aa此類單向推力球軸承的數(shù)據(jù)如下表14球軸承表2-2基本尺寸安裝尺寸基本額定載荷極限轉(zhuǎn)速重量軸承代號ddtddraaaxminmaxmaxcacoa脂油w51000型mmmmknr/minkg30602057530.636.266.8320045000.14513064)深溝球軸承的選擇選用的軸承型號為6007c（a=15）,具體數(shù)據(jù)見下表15深溝球軸承表2-3基本安裝尺寸基本額極限轉(zhuǎn)重軸尺寸定載荷速量承代號bddrasaddsacorcr脂油w70000c型mm45mm165169kn25.8r/min750

12、0kg0.27007516120.51000089c5)深溝球軸承的選擇：下端的軸承只起游動和限制徑向位移的作用，所以采用深溝球軸承。選擇60000型，具體數(shù)據(jù)見下表16球軸承數(shù)據(jù)表2-4基本尺寸安裝尺寸dada基本額定載荷cr極限轉(zhuǎn)速量重號軸承代ddbrasminmaxcor脂油w型60000maxmm30mm32.439.6kn4.00r/min12000gk0618064270.33.1516000.0262.3.3減速齒輪的有關(guān)計算2.3.3.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)：（1）確定傳動比i=4000r/min=1.25故此次設(shè)計采用一級減速1125r/min（2）按照工作要求

13、，此次設(shè)計齒輪傳動采用直齒圓柱齒輪開式傳動。輪齒的主要失效形式為齒面磨損，故此次設(shè)計采用硬齒面。（3）選擇齒輪材料及確定許用應(yīng)力：由表10-1選小齒輪材料為40mnb（調(diào)質(zhì)）、硬度260hbs；大齒輪材料35simn（調(diào)質(zhì)）、硬度230hb，制造精度系數(shù)為8級。（4）估計絲桿功率:摩擦功率p摩=qv/60000hf式中：q摩擦力（n），q=fmax=120n；v直線傳動中的速度（m/min）；v=150mm/s*60=9m/min；（2.28）1000hf直線傳動機械效率hf=h螺母*h導向桿=92%*75%=69%;故p摩=120n*9m/min=0.028kw（2.29）60000*69%

14、參考臥式車床pf=（0.030.04）pi，故取p摩=0.04p快故p快=0.028kw/0.04=0.7kw故p絲桿=p快*h齒輪=0.7kw*0.95=0.67kw(5)選小齒輪齒數(shù)z=20,大齒輪齒數(shù)z=iz=1.2520=25。1212.3.3.2按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式（10-9a）進行計算，即fised2.323ktt11tdhi1z218（2.30）n絲桿1）確定公式內(nèi)的各計算值（1）試選載荷系數(shù)k=1.3t（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩t=95.5105p絲桿=95.51050.67/1125=5.687103nmm1（3）由表10-7選取齒寬系數(shù)f=0.5d（4）由表10

15、-6查得材料的彈性模量z=189.8mpa12e（2.31）（5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞shlim1=625mpa大齒輪的接觸疲勞強度極限shlim2=580mpa；3.6（6）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：n=60njl=6040001(2830015)=8.641091911h8.64109n=4.81092（2.32）（7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)khn1=0.88;khn2=0.90（8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1，由式（10-12）得sss=khn1shlim1=0.88625mpa=550mpa20h1s=khn2shl

16、im=0.901580mpa=522mpah22）計算：（）計算小齒輪分度圓直徑d，代入s1th（2.33）中較小的值se=2.323id2.3231tktt1fdhi1z21.35.6871032.25189.8211.25522=49.13mm（2.34）（2）計算圓周速度v601000=p49.1321125m=2.89m（2.35）v=pd1tn1601000ss根據(jù)v=2.89m，8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)k=1.11（3）計算齒寬b：b=fd=0.549.132=24.57mm（2.36）d1t（4）計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)m=d/z=49.132/20=2.46mm（

17、2.37）t1t1齒高h=2.252.46mm=5.53mmb/h=49.132/5.53=8.89（2.38）（5）計算載荷系數(shù)sv直齒輪，假設(shè)kf/b100n/mm。由表10-3查得katha=kfa=1.2；k由表10-3查得使用系數(shù)k=1；a由表10-4查得:2hb=0.86+0.18(1+0.6fd2)fd+0.2310-3b21（2.40）將數(shù)據(jù)代入khb=0.86+0.18(1+0.612)12+0.2310-334.87=1.416（2.41）由b/h=34.87/3.92=8.89khb=1.416查圖10-13得k故載荷系數(shù):fb=1.35；k=kkkavhakhb=11.

18、111.21.4124=1.931（2.42）（6）按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由（10-10a）得d=d11t3kkt=49.13231.9311.3mm=56.06mm22（2.43）(7)計算模數(shù)mm=dz=56.0620=2.82mm取標準模數(shù)m=4（2.44）112.3.3.3校核齒根彎曲疲勞強度:bm由式10-4得校核式為：s=kftyfaysasff231）計算圓周力：f=t2t1=z225.6871033.620=186.5n（2.45）2）齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)：由表10-5得：3）齒形系數(shù)yfa1=2.55,yfa2=2.324）應(yīng)力校正系數(shù)ysa1=1.61,y

19、sa2=1.70s5）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力（1）彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4s=kfnsfef（2.46）（2）由圖10-20c按齒面硬度查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限sfe1=480mpa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限s=360mpa；fe2（3）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)kfn1=0.78;kfn2=0.84；則：s=kfn1sfe1s=1.4s=kfn2s1.4f1s0.84360f26）校核計算:0.78480=267.43mpafe2=216mpa（2.47）（1）由前知載荷系數(shù)k=1k=1.11kavfa=1.2kfb=1.35則：k=kkkavfakfb=10.861.21.35

20、=1.393（2.48）（2）校核：sf1=kyy1.393186.52.551.61ftfa1sa1=bm34.872=69.37mpasf1sf2=kyy1.393186.52.321.70ftfa2sa2=bm34.872=66.63mpasf2則：z=dm4滿足要求。1=156.06=14.02取z=17（2.49）1所以z=iz=1.2517=21.25取z=25（2.50）2122.3.3.4幾何尺寸計算1）分度圓直徑：d=mz=417=68mm,d=mz=425=100mm（2.51）11222）中心距：a=d+d68+10012=22=84mm（2.52）3）齒輪寬度：b=fd

21、d=0.568=32mm（2.53）1取b=30mmb=35mm214）齒頂圓直徑：()da1(=z+2h*m=17+2)4=76mm（2.54）1a1()da2=z+2h*m=(25+2)4=108mm（2.55）2a25）齒根圓直徑：()()ddf1f2(=z-2h*-2c*m=17-2-20.25)4=58mm（2.56）1a=z-2h*-2c*m=(25-2-20.25)4=90mm（2.57）2a22.3.3.5驗算：40kfb=1186.5=4.66n/mmat100n/mm（2.58）32=p*78*103*0.044*0.43/32=0.8*10-3kgm2（2.60）對照表11-2可知選用8級精度是合宜的。2.3.4.電動機的選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求選用3相6拍步進電機。2.3.4.1確定各旋轉(zhuǎn)件的角速度w絲桿=2pn絲桿=1125r/min*2p/60=117.75rad/s（2.