全自動空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫設計

1、青島理工大學琴島學院畢業(yè)論文（設計）摘 要空氣微生物是指懸浮在空氣中的微生物，空氣微生物與空氣污染、環(huán)境質(zhì)量和人體健康有密切關系。研究空氣微生物對人與自然的和諧相處有著重大意義。研究空氣微生物首先要對空氣微生物進行采樣和培養(yǎng)。全自動空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫主要用于空氣微生物的采樣和培養(yǎng)，屬于自動化特種裝備。因為空氣微生物種類繁多，微生物的大小大多數(shù)分布在0.65m7.0m之間，對空氣微生物進行分門別類的采樣和培養(yǎng)是空氣微生物采樣系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。全自動微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫吸取了以往空氣微生物采樣系統(tǒng)的各項優(yōu)點，并在其基礎上設計出全新的空氣微生物采樣系統(tǒng)。全新的空氣微生物采樣系統(tǒng)能夠滿足各

2、種復雜空氣狀況環(huán)境的使用。全自動空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫采樣雙機械手設計，6級Anderson型采樣頭層層過濾大小不同的微生物，大容量的培養(yǎng)皿存儲庫可以容納54個培養(yǎng)皿。采樣和培養(yǎng)的過程由微電腦控制進行，實現(xiàn)了采樣和培養(yǎng)的全程自動化。關鍵詞：空氣微生物采樣系統(tǒng)；自動化裝備；機械手IIAbstractAirborne microbes refers to microorganisms suspended in the air, airborne microbes and air pollution, environmental quality and human health are clo

3、sely related. Research on airborne microbes harmony between man and nature is of great significance. Research must first airborne microbes microbial air sampling and culture.Automated microbial air sampler dish repository is mainly used for air sampling and cultivation of microorganisms belonging to

4、 automate special equipment. Because a wide range of airborne microbes, the size distribution of the majority of microorganisms between 0.65m-7.0m, microbial air sampling and culture category, is the development trend of microbial air sampling system.Automated microbial sampler dish repository learn

5、ed the advantages of past microbial air sampling system and on its basis to design a new microbial air sampling system. The new microbial air sampling system can meet a variety of complex environmental air conditions. Automated microbial air sampler dish repository sampling dual robot design, six la

6、yers of filtration Anderson sampler head microorganisms of different sizes, large-capacity dish repository can accommodate 54 dish. Sampling and training process by the microcomputer control, sampling and achieve full automation training.Key words：airborne microbe sampling system;automation equipmen

7、t;mechanical finger目 錄摘 要IAbstractII1 緒論 1 1.1 空氣微生物采樣系統(tǒng)的應用背景 1 1.2 國內(nèi)外空氣微生物采樣系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀 1 1.3 目前需要解決的一些問題 1 2 總體設計 3 2.1 總體設計概述 3 2.2 設計方案及選擇 4 2.3 最終設計方案 4 3 空氣菌類采樣器的設計 5 3.1 空氣菌類采樣器概述 5 3.2 采樣頭的設計 6 3.3 采樣器進氣道的設計 7 3.4 采樣器底座的設計 8 3.5 空氣菌類采樣器設計小結(jié) 8 4 機械手的設計 10 4.1 機械手概述 10 4.2 采樣頭（器）機械手的設計 10 4.3培養(yǎng)皿機

8、械手的設計 16 5 機械手升降平臺的設計 19 5.1 概述 19 5.2 采樣頭（器）機械手升降平臺的設計 19 5.3培養(yǎng)皿機械手升降平臺的設計 21 6 培養(yǎng)皿存儲庫的設計 23 6.1培養(yǎng)皿存儲的總體設計 23 6.2培養(yǎng)皿存儲庫減速設備的設計 24 7 全自動空氣微生物采樣系統(tǒng)機箱的設計 42 7.1總體設計及概述 42 7.2機箱外殼的設計 42 7.3機箱底座的設計 42 8 全自動空氣微生物采樣系統(tǒng)的密封與潤滑 44 8.1密封 44 8.2潤滑 44 結(jié) 論 45 致 謝 46 參考文獻 47 附 錄 49 1 緒論1.1 空氣微生物采樣系統(tǒng)的應用背景空氣微生物是指懸浮在空

9、氣中的微生物，空氣微生物具有非常重要的生態(tài)功能，與空氣污染、環(huán)境質(zhì)量和人體健康也有著密切的關系。由于近年來大氣污染的日益嚴重，因此對空氣中微生物的研究對人與自然的和諧相處是十分重要的。1.2 國內(nèi)外空氣微生物采樣系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀研究空氣微生物首先要對空氣微生物進行采樣，目前國內(nèi)外市面上較為流行的空氣采樣系統(tǒng)收集空氣微生物的方式大都是由抽氣機抽取空氣，然后使空氣粒子撞擊固體培養(yǎng)基（如圖1-1所示）或者是使空氣粒子撞擊液體培養(yǎng)基（如圖1-2所示）?；蛘呤刮⑸锱囵B(yǎng)皿裸露的放置在需要采樣的空氣環(huán)境中。市面上的空氣采樣系統(tǒng)種類繁多，主要有QuickTake30空氣微生物采樣系統(tǒng)、致病菌快速檢測儀SAS-

10、PCR、MAS-100NT空氣浮游菌采樣器、Andersen型六級空氣生物采樣器，其中Andersen型六級空氣生物采樣器以及其衍生品的應用最為廣泛。但是這些產(chǎn)品或多或少的都存在著一些問題，歸納起來主要有以下幾點：1、 不能按照其大小差異分別收集空氣微生物微粒；2、 收集到的空氣微生物微粒需要人工取出培養(yǎng)，收集效率低；3、 設備的自動化程度低，不適合極端條件下的微生物收集。1.3 目前需要解決的一些問題本次畢業(yè)設計針對國內(nèi)外市場的需求，以及目前國內(nèi)外市面上空氣微生物采樣系統(tǒng)存在的主要問題，吸收目前國內(nèi)外市面上空氣微生物采樣系統(tǒng)的設計優(yōu)點，利用現(xiàn)有的技術條件，重新設計出可以滿足在各種復雜空氣狀況

11、使用的全自動微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫。本次設計的全自動微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫需要能夠使收集到的空氣微生物微粒可以按照微粒的大小不同均勻分布，自動化收集培養(yǎng)一體化工作提高了空氣微生物的收集培養(yǎng)效率。圖1-1固體撞擊式采樣器圖1-2液體撞擊式采樣器- 51 -2 總體設計2.1 總體設計概述針對以上存在的問題和國內(nèi)外先進的經(jīng)驗，參考市面上流行的Andersen六級空氣生物采樣器，本次畢業(yè)設計設計了全自動六級空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫。整臺設備采用雙機械手臂的設計，其中1號機械手夾持采樣器，2號機械手夾持培養(yǎng)皿。培養(yǎng)皿存儲庫設計為6層存儲庫的樣式，分別每層有9個培養(yǎng)皿的存放位置，機械手夾持培養(yǎng)皿

12、的方式類似于左輪手槍擊發(fā)時轉(zhuǎn)輪（如圖2-1所示）的動作形式。兩支機械手臂通過與培養(yǎng)皿軸線平行的方向做直線運動來滿足在每層存儲庫作業(yè)的要求。其中采樣器在中間，采樣器內(nèi)部安裝微生物培養(yǎng)閩南，采樣器的外環(huán)是機械手升降平臺，機械手安裝在升降平臺上。機械手升降平臺的外環(huán)是培養(yǎng)皿存儲庫。圖2-1左輪手槍的轉(zhuǎn)輪2.2 設計方案及選擇在設計微生物采樣器的時候，依照通用型90mm×15mm的培養(yǎng)皿的尺寸，并且兼顧機械手的尺寸進行采樣頭的設計。在設計機械手和培養(yǎng)皿升降平臺的時候，設計了兩種方案，一是采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手的張開或閉合，以及升降平臺在豎直方向上的運動；二是采用螺旋傳動副的設計來完成以上的動

13、作要求。經(jīng)過計算表明認為螺旋傳動副不僅可以滿足以上動作要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝也較為經(jīng)濟，因此兩者都采用了螺旋傳動副的構(gòu)造。在設計存儲庫的時候，為保證存儲庫能夠以一個較慢的速度旋轉(zhuǎn)，最初擬采用V帶-齒輪、齒輪-齒輪、蝸輪蝸桿-齒輪三種減速設計方案之一，考慮到要使設備的結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊以及重量盡可能的小，采用了單級傳動比最大的蝸輪蝸桿-齒輪的減速設計方案。2.3 最終設計方案全自動空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫的最終設計方案如圖2-2所示。圖2-2全自動空氣微生物采樣器培養(yǎng)皿存儲庫的設計方案簡圖3 空氣菌類采樣器的設計3.1 空氣菌類采樣器概述空氣菌類采樣器參照Anderson空氣菌類采樣頭的

14、設計，采用6級空氣微生物采樣器的設計構(gòu)造，是一個每級擁有多孔的采樣頭層疊的采樣器，用來模擬空氣中微粒在人體肺部的沉積情況來進行采集空氣中的微生物微粒。根據(jù)空氣動力學原理及其相關的知識，這些空氣懸浮粒子隨氣流運動的撞擊將會留在每級采樣頭中的培養(yǎng)基上。目前生物學研究經(jīng)常使用的培養(yǎng)皿大多數(shù)為玻璃、有機玻璃和樹脂制品，外徑90mm的培養(yǎng)皿較為常用。為滿足空氣菌類采樣器能夠在復雜的空氣環(huán)境中使用，空氣菌類采樣器應具有較好的抗腐蝕性和較輕的重量，因此選用鋁鎂合金（Al-Mg）作為采樣器的主要材料,鋁鎂合金（Al-Mg）的強度和塑形均較高，密度為2.55g/cm3。整臺采樣器是由進氣道、采樣頭、采樣頭底座、

15、流量計以及抽氣泵組成，采樣器的裝配方式自上而下依次為進氣道、1-6級采樣頭、采樣頭底座，采樣頭底座的側(cè)面通過出氣道連接流量計，然后流量計連接抽氣泵。為保證采樣器工作時的氣密性，每級采樣頭的連接部位均裝有密封膠圈。空氣菌類采樣器結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1空氣菌類采樣器結(jié)構(gòu)簡圖3.2 采樣頭的設計裝有瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿放在采樣頭中，空氣中懸浮的微生物粒子在培養(yǎng)基上面接種。采樣頭的底部均勻分布著0.7mm的微孔，當采樣器工作時，抽氣泵首先開始工作，含有各種各樣的微生物懸浮顆粒的氣體從采樣器頂部的進氣道進入第一級采樣頭，采樣頭中的采樣平板上放置著培養(yǎng)皿，根據(jù)空氣動力學原理，比較大的空氣微生物顆粒會先

16、沉積在裝有瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿上，而較小的空氣微生物顆粒會隨著氣流通過采樣頭周圍的氣道進入采樣平板下部的氣道，然后通過氣道下部的微孔進入到第二級采樣頭，以此類推，帶有空氣微生物懸浮顆粒的氣流將依次通過第三、四、五、六級采樣頭，最后通過采樣頭底座的出氣道、流量計和抽氣泵。根據(jù)空氣動力學原理，第一級采樣頭采集到的顆粒（其中包括各種空氣懸浮顆粒，比如各種空氣微生物微粒以及灰塵等等）的范圍為7.0m；第二級采樣頭采集到的顆粒范圍為4.77.0m；第三級采樣頭采集到的顆粒范圍為3.34.7m；第四級采樣頭采集到的顆粒范圍為2.13.3m；第五級采樣頭采集到的顆粒范圍為1.12.1m；第六級采樣頭采集到的顆

17、粒范圍為0.651.1m。根據(jù)相關的資料表明以上采集到的微粒范圍基本上已經(jīng)涵蓋了所有的空氣微生物微粒，能夠滿足空氣微生物的研究工作。單個采樣頭的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2采樣頭3.3 采樣器進氣道的設計采樣器進氣道采用類似于戰(zhàn)斗機發(fā)動機進氣道（如圖3-3所示）的設計，采用“小口大腔”的結(jié)構(gòu)方式。采樣器進氣道的下部與第一級采樣頭配合，兩者之間裝有通用型O形橡膠圈，因為通用型O形橡膠圈是由橡膠制成，所以在此不僅保證了設備工作時良好的氣密性，而且能夠有效的緩沖進氣道與采樣頭配合過程中產(chǎn)生的碰撞能。圖3-3美國海軍F/A-18戰(zhàn)斗機發(fā)動機進氣道在采樣器進氣道上設計一個圓環(huán)，圓環(huán)的外徑120mm，內(nèi)徑

18、110mm。圓環(huán)的作用是方便機械手夾持進氣道，以便更換第一級采樣頭中的培養(yǎng)皿。采樣器進氣道的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4采樣器進氣道3.4 采樣器底座的設計采樣器底座位于第六級采樣器的下部，是支撐所有采樣頭及采樣器進氣道的裝置。采樣器底座上設計有出氣孔，與出氣管道配合，然后連接流量計和抽氣泵。采樣器底座與第六級采樣頭的安裝位置也裝有O形橡膠圈，保證了設備工作狀態(tài)的良好的氣密性。在采樣器底座的側(cè)面是一個10mm的長孔，在長孔距底座邊緣10mm處改為15.926mm的螺紋孔，這兩個孔便是出氣孔。出氣管道上也有螺紋，通過螺紋與采樣器底座上的出氣孔配合，保證了采樣器工作狀態(tài)時良好的氣密性，然后出氣管道

19、再依次連接流量計和抽氣泵。采樣器底座的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5采樣器底座3.5 空氣菌類采樣器設計小結(jié)空氣菌類采樣器的進氣道與采樣頭的配合，采樣頭與采樣頭底座的配合，以及采樣頭與采樣頭之間的配合均采用了O形橡膠密封圈，這樣既保證了空氣菌類采樣器工作狀態(tài)良好的氣密性，又能夠有效的緩沖機械手夾持安裝各部件時產(chǎn)生的碰撞能。O形橡膠圈是標準件，根據(jù)空氣菌類采樣器各部件的尺寸選用的O形橡膠圈是d1=140±0.90mm,d2=1.80±0.08mm，橡膠圈的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6通用型O形橡膠密封圈4 機械手的設計4.1 機械手概述為保證設備工作正常氣密性良好，在采樣器各部

20、件配合位置除了有O形橡膠密封圈以外，還要在進氣道的頂部對整個空氣菌類采樣器有一個向下的壓力作用，為了使整臺設備盡可能的結(jié)構(gòu)簡潔，這個壓力由兩臺機械手提供。因此機械手不僅是部件夾持裝置，還是一臺壓力提供裝置。4.2 采樣頭（器）機械手的設計4.2.1采樣頭（器）機械手總體設計采樣頭（器）機械手稱為1號機械手，該機械手的功能是夾持采樣頭（器），只要求被夾持的采樣頭（器）具有向上和向下的動作要求，沒有左右旋轉(zhuǎn)的動作要求。采樣頭（器）機械手的開口程度要大，因為要滿足最大開口的同時，2號機械手（培養(yǎng)皿機械手）夾持培養(yǎng)皿的情況下能夠無阻礙的從采樣頭（器）機械手中旋轉(zhuǎn)出來。采樣頭（器）機械手材料選用45鋼，

21、調(diào)質(zhì)處理。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45鋼抗拉強度b可達775MPa，屈服點B為500MPa，能夠滿足使用要求。為了保證采樣頭（器）機械手能夠穩(wěn)定的夾持采樣頭（器）和采樣器進氣道，采樣頭（器）機械手的開口范圍應該滿足最小120mm，最大160mm。采樣頭（器）機械手的高度初步設計為h=40mm，查資料可知45鋼與鋁鎂合金（Al-Mg）之間的靜摩擦因數(shù)fs明顯要小于鋁鎂合金（Al-Mg）與橡皮之間的靜摩擦因數(shù)，因此在采樣頭（器）機械手的夾持部位（四個點上）應設計一層橡皮用以增加采樣頭（器）機械手與被夾持物體之間的摩擦力，保證采樣頭（器）機械手在夾持采樣頭（器）和采樣器進氣道時的整體穩(wěn)定性。采樣頭（器）機械

22、手采用彈簧自然拉緊的方式使機械手閉合，使用螺旋傳動副傳遞來自電動機的動力使機械手張開。4.2.2拉伸彈簧的設計4.2.2.1拉伸彈簧設計前的數(shù)據(jù)準備根據(jù)分析估計計算，采樣器進氣道再加上5個采樣頭和5個培養(yǎng)皿的質(zhì)量可達m=15kg，橡皮墊與鋁鎂合金（Al-Mg）的靜摩擦系數(shù)=0.8，按照4個橡皮墊與采樣頭（器）的接觸面積為S=2.5×10-3m2進行計算，重力加速度取g=9.8m/s2。采樣頭（器）機械手需要的夾緊力最小為：F=mg (4-1)代入數(shù)據(jù)得到采樣頭（器）機械手需要的最小夾緊力為：F=mg=15kg×9.8m/s20.8=183.75N彈簧工作載荷下的變形量為=7

23、0mm。初定彈簧的中徑D=16mm，外徑D220mm，當彈簧的拉伸變形量1=5mm時，拉力F1=200N；當彈簧的拉伸變形量2=75mm時，拉力F2=320N。4.2.2.2選擇彈簧材料并確定其許用應力采樣頭（器）拉伸彈簧的作用是使機械手閉合，采用圓柱螺旋彈簧。根據(jù)采樣頭（器）機械手的功用特點，選擇的彈簧材料還要有一定的抗腐蝕的能力。根據(jù)D2-D20mm-16mm=4mm，估取彈簧鋼絲的直徑為3.0mm，根據(jù)彈簧鋼絲的抗拉強度要求（GB/T 4357-2009）暫選彈簧鋼絲的抗拉強度B=1510MPa，易知彈簧鋼絲的許用應力=0.8×0.5×B=604MPa。4.2.2.3

24、根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲的直徑選取旋繞比C=7，那么彈簧的曲度系數(shù)為：K4C-14C-4+0.615C (4-2)代入數(shù)據(jù)得到彈簧的曲度系數(shù)為：K4C-14C-4+0.615C=4×7-14×7-4+0.61571.21試算彈簧鋼絲直徑：d'1.6FmaxKC (4-3)代入數(shù)據(jù)得：d'1.6FmaxKC=1.6×320×1.21×7604mm=2.7mm所以取d=3.0mm合適，此時旋繞比C=D/d=5.33。取彈簧鋼絲標準直徑d=3.0mm。此時D=16mm為標準值，則D2=D+d=16mm+3.0mm=19mm20mm，與

25、初定的限制條件符合，所以選用的彈簧鋼絲是合適的。4.2.2.4根據(jù)彈簧的剛度條件計算彈簧的圈數(shù)n彈簧的剛度為：kF=F2-F12-1 (4-4)代入數(shù)據(jù)得到彈簧的剛度為：kF=F2-F12-1=320-20075-5N/mm=1.86N/mm取彈簧材料的切變模量G=81000MPa，則彈簧圈數(shù)n為：n=Gd48D3kF (4-5)代入數(shù)據(jù)得彈簧的圈數(shù)n為：n=Gd48D3kF=81000×3.048×163×1.81=12.29取n=13，彈簧的剛度為：kF=12.29×1.8613N/mm=1.76N/mm4.2.2.5驗算彈簧初拉力F0=F1-kF1

26、=200N-1.76×5N=181.2N初應力為：0'=K8F0Dd3=1.21×8×181.2×16×33MPa=110.29MPa當C=5.33時，初應力0'的推薦值為74161MPa，此初應力值合適。4.2.2.6驗算極限工作應力lim取lim=0.56B，則lim=0.56×1510MPa=845.6MPa4.2.2.7驗算極限工作載荷Flim=d3lim8DK=×33×845.68×16×1.21N=463.11N4.2.2.8進行拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)設計拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)如圖4

27、-1所示。圖4-1彈簧結(jié)構(gòu)4.2.3采樣頭（器）機械手導軌的設計在采樣頭（器）機械手上設計有導軌，導軌的作用是使機械手沿導軌的方向張開或者閉合，因此制造導軌的材料應該有較好的耐磨性和較高的剛度防止其變形。選用HT300作為導軌的材料，HT300的抗彎應力可達500MPa，根據(jù)分析估計采樣頭（器）機械手滿載時對導軌的壓應力最高可達10MPa，因此選用HT300完全能夠滿足使用要求。初定導軌為橫截面為邊長10mm的正三角形的立方體，導軌穿過采樣頭（器）機械手固定在機械手支撐座上。4.2.4采樣頭（器）機械手螺紋軸的設計4.2.4.1概述螺旋傳動的功能是將旋轉(zhuǎn)的運動變成直線運動，以比較小的轉(zhuǎn)矩來獲得

28、很大的推力的傳動方式。本次設計的機械手上的螺紋軸屬于滑動螺旋傳動，其作用是控制機械手的張開和閉合，不需要過高的精度。根據(jù)相關的資料顯示，滑動螺旋傳動具有以下特點：1.結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；2.易于自鎖；3.運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。4.2.4.2材料選用螺紋軸采用45鋼作為制作材料，螺母采用Q235作為制作材料，Q235公稱應力S=235MPa。4.2.4.3螺紋牙形的選擇選用牙形角為30°的梯形螺紋，梯形螺紋牙根強度高，多用于傳力螺旋等。4.2.4.4確定螺桿直徑螺紋軸主要承受軸向載荷F和扭矩T的作用，因此要按照第四強度理論進行設計計算。根據(jù)分析計算，螺紋軸承受的軸向載荷最高可達F=600N。計算螺

29、紋中徑d2:d2Fp (4-6)梯形螺紋=0.8，=2，許用壓強p=10MPa，代入數(shù)據(jù)得螺紋中徑為：d2Fp=0.8×600N2×10MPa=4.38mm選取公稱直徑d=8mm，螺距p=1.5mm的梯形螺紋，此時：螺紋中徑 d2=d-0.5p=7.25mm螺母高度 H=d2=2×7.25mm=14.5mm旋合圈數(shù) z=HP=14.5mm1.5mm=9.6671012螺紋的工作高度 h=0.5P=0.5×1.5mm=0.75mm工作壓強 P=Fd2hz=600N×7.25mm×0.75mm×9.667=3.63MPa<

30、p4.2.4.5校核螺旋副是否滿足自鎖條件校核公式：v=arctanfcos2=arctanfv (4-7)計算式中相關參數(shù)：f摩擦系數(shù)，取f=0.15；牙形角，=30°；v當量摩擦角，v=arctan0.15cos15°=8.83°，取螺紋升角=8°。4.2.4.6校核螺桿的強度驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：TFd22tan+v=600N×7.25mm2×tan8°+8.83°=0.658Nm采用YS系列微型電動機即可滿足使用要求。危險截面的計算應力ca：ca=2+32=(FA)2+3(TWT)2 (4-8)式中：F螺桿受到的軸向力

31、，N；A螺桿螺紋段的截面面積，A=4d12，mm2；WT螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)，WT=d1316=Ad14，mm3；d1螺桿螺紋小徑，mm；T螺桿所受的扭矩，N·mm；螺桿材料的許用應力，MPa，取=47MPa。代入數(shù)據(jù)得：ca=(FA)2+3(TWT)2=600N4×(6.5mm)22+3×1×(6.5mm)3162=18.08MPa<所以螺桿的強度滿足要求。4.2.4.7螺母螺紋牙的強度計算螺紋牙比較容易發(fā)生的破壞形式有剪切破壞和擠壓破壞，螺母的材料強度低于螺桿的材料強度，一般只需校核螺母螺紋牙的強度就可以了。螺紋牙危險截面的剪切強度校核公式

32、為：=FDbu (4-9)螺紋牙危險截面的彎曲強度校核公式為：=6FlDb2ub (4-10)式中：b螺紋牙根部的厚度，mm； l彎曲力臂，mm； 螺母材料的許用切應力，MPa；=28.1MPa；b螺母材料的許用彎曲應力，MPa；b=51.6MPa;u螺紋工作圈數(shù)，u=9。代入各數(shù)據(jù)得：=FDbu=600N×6.5mm×0.975mm×9=3.35MPa<=6FlDb2u=6×600N×0.375mm×6.5mm×(0.975mm)2×9=7.73MPa<綜上所述螺母的螺紋牙的各項強度均滿足使用要求。4

33、.2.4.8螺桿的穩(wěn)定性計算計算螺桿的穩(wěn)定性，首先計算螺桿的柔度s值：s=li (4-11)式中： 螺桿的長度系數(shù)，=0.60；l螺桿的工作長度，l=40mm；i螺桿危險截面的慣性半徑。代入數(shù)據(jù)得：s=li=0.60×40mm1.625mm=14.7740可以不必進行穩(wěn)定性校核，螺桿的穩(wěn)定性是可靠的。4.2.5設計結(jié)論采樣頭（器）機械手的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2采樣頭（器）機械手結(jié)構(gòu)4.3培養(yǎng)皿機械手的設計4.3.1培養(yǎng)皿機械手的總體設計培養(yǎng)皿機械手又稱為2號機械手，其作用是夾持培養(yǎng)皿，要求機械手擁有上下以及左右旋轉(zhuǎn)的動作能力，動作流程也較為復雜：a.將培養(yǎng)皿從存儲庫中取出；b.

34、將培養(yǎng)皿放入采樣頭中；c.采樣結(jié)束以后為培養(yǎng)皿蓋上蓋子；d.將培養(yǎng)皿倒置放入存儲庫中。培養(yǎng)皿機械手的尺寸不宜過大，能夠穩(wěn)定的夾持培養(yǎng)皿即可，還要方便的無阻礙的從采樣頭（器）機械手（1號機械手）中旋轉(zhuǎn)出來。采樣器的中軸線到培養(yǎng)皿機械手的旋轉(zhuǎn)軸軸線的距離與培養(yǎng)皿存儲庫上培養(yǎng)皿存放位置的軸線到培養(yǎng)皿機械手的旋轉(zhuǎn)軸軸線的距離是相等的，這樣可以避免設計滑軌，簡化了設備的結(jié)構(gòu)。已知較為常用的90mm的培養(yǎng)皿的尺寸為90mm×15mm，因此培養(yǎng)皿機械手的高度不應該低于15mm。為保證培養(yǎng)皿機械手可以穩(wěn)定的將培養(yǎng)皿倒置，應在機械手的夾持部位采取保護設計。倒置培養(yǎng)皿的運動設計為機械手夾持培養(yǎng)皿后采樣頭

35、（器）的上方使機械手旋轉(zhuǎn)180°。培養(yǎng)皿機械手的張開和閉合的控制方式仍然采用采樣頭（器）機械手中采用的螺旋傳動副的控制方式。培養(yǎng)皿機械手只夾持培養(yǎng)皿，因此尺寸要比采樣頭（器）機械手的尺寸要小一些，這也是為了保證整臺設備的結(jié)構(gòu)緊湊合理。因為培養(yǎng)皿多為玻璃和樹脂制品，屬于硬脆材料，所以培養(yǎng)皿機械手的內(nèi)側(cè)依然設計裝有橡皮墊，機械手上下設有擋板，保證了倒置培養(yǎng)皿時運動的穩(wěn)定性。因為培養(yǎng)皿機械手上有擋板保護，所以對培養(yǎng)皿并不需要太大的夾持力，為減輕培養(yǎng)皿機械手的重量，培養(yǎng)皿機械手的 材料選為工程塑料，只對螺旋傳動副等磨損性較差的關鍵部位采用金屬嵌件處理。選用高密度聚乙烯（HDPE0）材料作為培

36、養(yǎng)皿機械手的制造材料，高密度聚乙烯（HDPE0）具有較高的剛性、韌性和機械強度，同時還具有耐溶劑性、耐蒸氣滲透性和耐環(huán)境應力破壞性，是一種較為理想的制造培養(yǎng)皿機械手的材料。培養(yǎng)皿機械手的擋板厚度為1mm，機械手的厚度為15mm，在距離機械手中心位置90mm的位置設計為主視圖如圖4-3的樣式，以便機械手能夠方便的從采樣頭（器）中夾持培養(yǎng)皿。培養(yǎng)皿機械手的張開程度為不大于110mm。圖4-3培養(yǎng)皿機械手夾持方案主視圖4.3.2培養(yǎng)皿機械手螺旋傳動副的設計因為培養(yǎng)皿機械手所夾持的培養(yǎng)皿多為玻璃和樹脂制品，而且在機械手上還有擋板設計，所以培養(yǎng)皿機械手并不需要太大的夾緊力，也就是說培養(yǎng)皿機械手不需要拉伸

37、彈簧為其提供自然拉緊的夾緊力，只需螺旋傳動副提供給機械手沿螺旋傳動副中螺桿軸向運動的力即可。因此培養(yǎng)皿機械手上的螺旋傳動副按照標準（GB/T5796.15796.32005）設計為最小尺寸即可。培養(yǎng)皿機械手上的螺旋傳動副依然設計為滑動螺旋傳動，牙形角=30°的梯形螺紋，公稱直徑d=8mm，螺距P=1.5mm，旋合長度為15mm。4.3.3培養(yǎng)皿機械手的結(jié)構(gòu)培養(yǎng)皿機械手的結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。圖4-4培養(yǎng)皿機械手結(jié)構(gòu)5 機械手升降平臺的設計5.1 概述采樣頭（器）的外徑為D=160mm,培養(yǎng)皿機械手的旋轉(zhuǎn)中心至采樣頭（器）的軸線的距離為145mm?？紤]到兩個機械手不在同一個平面上工作，因

38、此要為兩個機械手分別設計升降平臺，但兩個升降平臺的基本結(jié)構(gòu)是相同的，都將采用螺旋傳動副將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的形式使機械手升降平臺在豎直方向運動并處于不同的高度位置工作。此時的螺旋傳動副不僅受到軸向的壓力作用，還要受到徑向的剪切作用，因此要對螺旋傳動副多次進行強度校核。機械手升降平臺的材料同樣選用鋁鎂合金（Al-Mg），密度2.55g/cm3。5.2 采樣頭（器）機械手升降平臺的設計5.2.1采樣頭（器）機械手升降平臺的總體設計采樣頭（器）機械手最大夾持的重量可達m=15kg，取重力加速度g=9.8m/s2。升降平臺設計為扇形，控制升降平臺升降的螺旋傳動副在圖示位置（如圖5-1所示）。圖5-

39、1采樣頭（器）升降臺螺旋副位置預選螺旋傳動副的螺桿的公稱直徑d=20mm；螺距P=4mm；工作長度l=550mm；材料為Q235，Q235公稱應力S=235MPa；d2=d-0.5P=18mm；d1=d-20.5P+ac=15mm；螺母高度H=d2=36mm。5.2.2采樣頭（器）機械手升降平臺螺旋傳動副耐磨性計算根據(jù)分析計算螺桿承受的軸向力可達F=190N，螺紋的工作高度h=0.5P=2mm，螺紋的工作圈數(shù)u=H/P=36mm/4mm=9。螺紋工作面上的耐磨性條件為：p=Fd2hup (5-1)查資料得許用應力p=10MPa，代入數(shù)據(jù)有：p=Fd2hu=190N×18mm×

40、;2mm×9=0.19MPa<p所以采樣頭（器）機械手升降平臺上的螺旋傳動副的耐磨性符合要求。5.2.3采樣頭（器）機械手升降平臺螺旋傳動副螺桿的強度計算螺桿工作時要同時承受軸向壓力和扭矩的作用，螺桿的危險截面上不但有壓縮應力，而且還有切應力，根據(jù)第四強度理論獲得危險截面的計算應力ca，其強度條件為：ca=1AF2+3(4Td1)2 (5-2)代入各項數(shù)據(jù)T=15200N·mm，A=4d12=176.71mm2，=47MPa得：ca=1AF2+3(4Td1)2=1176.71mm2(190N)2+3×(4×15200Nmm15mm)2=22.96M

41、Pa所以采樣頭（器）機械手升降平臺螺旋傳動副螺桿的強度符合要求。5.2.4采樣頭（器）機械手升降平臺螺旋傳動副螺桿的穩(wěn)定性計算計算螺桿穩(wěn)定性之前先計算柔度s，代入數(shù)據(jù)=0.60；l=550mm；i=d14=15mm4=3.75mm得柔度值s=0.60×550mm3.75mm=88>40，因此需要進行穩(wěn)定性校核。螺桿的穩(wěn)定性條件為：Ssc=FcrFSs (5-3)式中：Ssc螺桿的計算安全系數(shù)； Ss螺桿的安全系數(shù)，Ss=39； Fcr螺桿的臨界載荷，N。其中， Fcr=2EI(l)2 (5-4)式中：E螺桿材料的彈性模量； I螺桿危險截面的慣性矩。代入各項數(shù)據(jù)得：I=d1464

42、=×(15mm)464=2485.05mm4Fcr=2EI(l)2=2×2.06×105MPa×2485.05mm4(0.60×550mm)2=46395.32NSsc=FcrF=46395.32N190N=244.19>4.0所以采樣頭（器）機械手升降平臺螺旋傳動副螺桿的穩(wěn)定性符合要求。5.2.5采樣頭（器）機械手升降平臺的結(jié)構(gòu)設計采樣頭（器）機械手升降平臺的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。圖5-2采樣頭（器）機械手升降臺結(jié)構(gòu)簡圖5.3培養(yǎng)皿機械手升降平臺的設計培養(yǎng)皿機械手升降平臺采用與采樣頭（器）機械手升降平臺類似的設計，升降平臺的俯視圖也是扇形

43、，螺旋傳動副使用與采樣頭（器）機械手升降平臺相同的螺旋傳動副，所以不必再進行校核計算，此螺旋傳動副一定滿足培養(yǎng)皿機械手升降平臺的使用要求。另外需要注意的是培養(yǎng)皿機械手升降平臺的螺旋傳動副的位置不能在培養(yǎng)皿機械手的旋轉(zhuǎn)半徑以內(nèi)，以免影響培養(yǎng)皿機械手的正常工作。因此培養(yǎng)皿機械手升降平臺的面積要比采樣頭（器）機械手升降平臺的面積大一些，以便安裝螺旋傳動副。具體的設計方案見圖5-3所示。圖5-3培養(yǎng)皿機械手升降平臺6 培養(yǎng)皿存儲庫的設計6.1培養(yǎng)皿存儲的總體設計培養(yǎng)皿存儲庫設計為6層的樣式，由6層存儲平臺疊放組成，每層存儲平臺之間的高度為55mm，與每級采樣頭的高度相同。一般情況下每級采樣頭所采樣的培

44、養(yǎng)皿放在其對應的每層培養(yǎng)皿存儲庫中，當然當一層存儲庫不能滿足數(shù)量要求的時候也是可以放入其它層存儲庫中。每層存儲庫有9個培養(yǎng)皿存放位置，整個存儲庫可容納54個培養(yǎng)皿，比預計的存放36個培養(yǎng)皿多18個。如圖6-1所示培養(yǎng)皿在存儲平臺上的存放位置。圖6-1培養(yǎng)皿存放位置示意圖因為培養(yǎng)皿存儲庫的功能僅僅只是短期存放培養(yǎng)皿（長期存放需存放在實驗室的專門的菌庫中），為了減輕整臺設備的重量，培養(yǎng)皿存儲庫的材料也采用工程塑料作為其制作材料，只在關鍵的受力較大的部位采取金屬嵌件的處理方式。培養(yǎng)皿存儲庫采用高密度聚乙烯（HDPE0）作為主要材料。高密度聚乙烯（HDPE0）同時還有較好的耐溶劑性，耐蒸氣滲透性和耐環(huán)

45、境應力破壞性等優(yōu)點，是一種十分理想的工程塑料。培養(yǎng)皿存儲庫由6個培養(yǎng)皿存儲平臺疊放組成，每層存儲平臺的間距為55mm，采用框架式的結(jié)構(gòu)使每層存儲平臺連接在一起。為了將各存儲平臺疊放組裝成為存儲庫，又能提高存儲培養(yǎng)皿后的整體穩(wěn)定性，將使用19根金屬棒連接各存儲平臺，其中4根高300mm的金屬棒由螺釘安裝在存儲庫的外側(cè)，15根高50mm的金屬棒分別在每層存儲平臺相隔60°的位置位于每層培養(yǎng)皿存儲平臺的圓環(huán)中。金屬棒采用08F優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（正火處理）作為主要材料。螺釘選用公稱直徑3.5mm的自攻螺釘。工作中的培養(yǎng)皿存儲庫需要一個穩(wěn)定的較低的轉(zhuǎn)速，而電動機直接輸出的轉(zhuǎn)速是很高的，因此還要為

46、培養(yǎng)皿存儲庫設計一臺減速設備。6.2培養(yǎng)皿存儲庫減速設備的設計6.2.1減速方案的確定根據(jù)實用要求，培養(yǎng)皿存儲庫是旋轉(zhuǎn)的，由于培養(yǎng)皿存儲庫的特殊結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)皿存儲庫的旋轉(zhuǎn)過程不能受到采樣器底座上出氣管道的影響，又必須保證培養(yǎng)皿存儲庫可以旋轉(zhuǎn)，因此在培養(yǎng)皿存儲庫上設計3座支架，支架頂部由螺釘連接在培養(yǎng)皿存儲庫的第6層存儲平臺上，支架的底部安裝小輪，小輪的下方是圓形的軌道，并且在支架的內(nèi)側(cè)安裝有內(nèi)嚙合齒輪。支架為10mm的金屬棒，通過2個M3的開槽沉頭螺釘連接在存儲平臺上。選用公稱直徑3mm、長度20mm的螺釘。6.2.2電動機的選擇為了使設備的整體重量較小，選用重量較輕的YS系列電動機YS562-

47、4，YS562-4電動機的具體參數(shù)見表6.1所示。表6.1 YS562-4電動機參數(shù)型號功率KW轉(zhuǎn)速r/min電流A效率%功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)矩額定電流重量kgYS562-40.0914000.39580.612.4656.2.3分配傳動比YS562-4電動機的轉(zhuǎn)速較高，達到了n=1400r/min，根據(jù)實際需要培養(yǎng)皿存儲庫的轉(zhuǎn)速應控制在10r/min以下，減速比高達140，由于設備的結(jié)構(gòu)較為特殊，應該采用多級減速的方式進行減速設備的設計。由于減速比較大，采用分級減速的方式進行減速：電動機的轉(zhuǎn)速輸出后先通過蝸輪蝸桿減速，然后再通過齒輪嚙合進行減速?？倐鲃颖萯總140，分配傳動比給蝸輪蝸桿i1=30，

48、分配傳動比給齒輪傳動i24.7。6.2.4蝸輪蝸桿傳動的設計6.2.4.1選擇蝸輪蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T 100851988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿），設計壽命為Lh=12000h。6.2.4.2選擇蝸輪蝸桿的材料蝸桿使用45鋼作為制作材料，蝸桿的蝸旋齒面淬火處理，硬度為4555HRC（洛氏硬度）。蝸輪用鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1），金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅蝸輪齒圈用鑄錫磷青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。6.2.4.3按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸輪蝸桿傳動的相關設計準則，先按照齒面接觸疲勞強度設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。設計公式為：m2d1KT2(

49、480Z2H)2 (6-1)（1） 計算作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩根據(jù)分配給蝸輪蝸桿的傳動比i1=30以及蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)的推薦用值選用蝸桿頭數(shù)Z1=1，取效率=0.8，則轉(zhuǎn)矩為：T2=9.55×106Pn1/i1=9.55×106×0.09×0.81400/30Nmm=14734.29Nmm（2）確定載荷系數(shù)K設備的工作載荷有較輕微的沖擊，選取載荷分布不均勻系數(shù)K=1.3，選取使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不是特別的高，沖擊也不是很大，所以選取動載系數(shù)KV=1.05，代入各項數(shù)據(jù)得載荷系數(shù)K為：K=KAKKV=1.15×1.3×1.05

50、1.57（3）確定彈性影響系數(shù)ZE選用的蝸輪材料是鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1），蝸桿材料是45鋼，取彈性影響系數(shù)ZE=160MPa12。（4）確定蝸輪的齒數(shù)Z2Z2=Z1i1=1×30=30（5）確定許用接觸應力H蝸輪的基本許用應力H'=268MPa。應力循環(huán)次數(shù)：N=60jn2Lh=60×1×140030×12000=3.36×107壽命系數(shù)：KHN=81073.36×107=0.8594則許用接觸應力為：H=KHNH'=0.8594×268MPa=230MPa（6）計算m2d1值m2d11.57

51、15;14734.29×(48030×230)2mm3=111.95mm3因為蝸桿頭數(shù)Z1=1，所以由GB/T 100851988選取標準模數(shù)m=2mm，蝸桿分度圓直徑d1=35.5mm。6.2.4.4蝸輪蝸桿的幾何尺寸計算（1）中心距a=d1+d22=35.5+2×35.52mm=53.25mm（2）蝸桿的幾何尺寸軸向齒距：Pa=m=×2mm=6.28mm直徑系數(shù)：q=d1m=35.5mm2mm=17.75齒頂圓直徑：da1=d1+2m=35.5+2×2mm=39.5mm齒根圓直徑：df1=d1-2.4m=35.5-2.4×2mm=

52、30.7mm分度圓導程角：=3°13'28''=3.22°蝸桿軸向齒厚：Sa=0.5m=0.5×2mm=3,1416mm（3）蝸輪的幾何尺寸蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=2×30mm=60mm蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=60+2×2mm=64mm蝸輪齒根圓直徑：df2=d2-2hf2=60-2×1.2×2mm=55.2mm蝸輪咽喉母圓半徑；rg2=a-12da2=53.25-12×64mm=21.25mm6.2.4.5校核齒根彎曲疲勞強度校核公式為：F=1.53KT2d1d2mYF

53、a2YF (6-2)當量齒數(shù) Zv2=Z2cos3=30(cos3.22°)3=30.14根據(jù)當量齒數(shù)Zv2=30.14查得蝸輪的齒形系數(shù)YFa2=2.56，螺旋角系數(shù)Y=1-140°=1-3.22°140°=0.9769。許用彎曲應力F=F'KFN，由鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1）材料制造的蝸輪的基本彎曲應力F'=56MPa。壽命系數(shù) KFN=91063.36×107=0.677許用彎曲應力 F=56×0.677MPa=37.896MPa代入各項數(shù)據(jù)到校核公式得：F=1.53KT2d1d2mYFa2Y=1.53&#

54、215;1.57×14734.2935.3×60×2×2.56×0.977MPa=20.78MPaF綜上所述，蝸輪齒根的彎曲強度是符合要求的。6.2.4.6主要設計結(jié)論模數(shù)m=8mm，蝸桿直徑d1=35.5mm,蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸輪齒數(shù)Z2=30。蝸桿材料用45鋼，齒面淬火；蝸輪材料用鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1），金屬模鑄造，蝸輪分度圓直徑d2=60mm，蝸輪喉圓直徑da2=64mm，蝸輪齒根圓直徑df2=55.2mm。蝸輪蝸桿傳動見圖6-2所示。圖6-2蝸輪蝸桿傳動6.2.5齒輪傳動的設計分配給齒輪傳動的傳動比是i24.7，取i2=5.

55、3，主動輪轉(zhuǎn)速 n1=1400r/min30=36.67r/min從動輪轉(zhuǎn)速 n2=36.67r/min5.3=6.92r/min預計工作壽命為12000小時。6.2.5.1確定齒輪的類型、精度、材料和齒數(shù)（1）選用直齒圓柱齒輪，壓力角為=20°。（2）培養(yǎng)皿存儲庫中的齒輪傳動僅僅是為了滿足存儲庫的旋轉(zhuǎn)要求，為一般的工作機器，選用7級精度。（3）選擇小齒輪的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度240HBS。（4）初定小齒輪的齒數(shù)為Z1=19，大齒輪的齒數(shù)為Z2=i2Z1=5.3×19=100.7，取Z2=101。6.2.5.2按齒面接觸疲勞強度設計（1）試算小齒輪的分度圓直徑：d1t33KHtT1du+1u(ZHZEZH)2 (6-3)1）確定公式中的各個參數(shù)值試選 KHt=1.2；小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=14734.29N·mm；選取齒寬系數(shù) d=1.1；查取區(qū)域系數(shù) ZH=2.5；查得40Cr的彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa12；計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù) Z：a=arccosZcosZ+2ha* (6-4)代入數(shù)據(jù)得：a1=arcco