畢業(yè)設(shè)計（論文）-分選機械手設(shè)計

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1、重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 分選機械手的設(shè)計 第1章 緒論 1.1 研究背景 我國是具有強大生產(chǎn)能力、制造能力的國家。從零部件生產(chǎn)，到整體組裝；從商品外包，到產(chǎn)品出口；都利用了大量的社會勞動資源。但隨著人民生活水平的提高，勞動力的價值也不再像以前一樣廉價。 2013年德國提出了工業(yè)4.0即第四次工業(yè)革命的概念，2014年，中德宣布開展工業(yè)4.0合作：智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流成為其三大主題，其中智能生產(chǎn)就強調(diào)了人機互動：人才與智能設(shè)備的配合?，F(xiàn)代的生產(chǎn)制造中，人力的工作非常有限

2、，對于高溫、帶腐蝕性、污染嚴(yán)重的工作環(huán)境，幾乎沒有人能長時間正常工作且保證工作質(zhì)量。人力的工作狀態(tài)會受到不同客觀因素的影響，人力工作效率也不會統(tǒng)一。一個企業(yè)的最終目標(biāo)是營利，然而使用的勞動力越多，企業(yè)的投資也越大，對于現(xiàn)在價格競爭劇烈的市場環(huán)境情況，企業(yè)只有優(yōu)化勞動力的使用來減少生產(chǎn)成本。數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用是生產(chǎn)加工的轉(zhuǎn)折點，而現(xiàn)在智能機械設(shè)備的應(yīng)用又是一次飛躍。加上工業(yè)4.0的催動作用，傳統(tǒng)制造加工行業(yè)開始了向著智能化的改革。 機器人、機械手做為人機互動的代表，他們不受工作環(huán)境的影響，根據(jù)程序設(shè)定的固定動作，進行反復(fù)運動，作用的精度相對較高，消除了人為誤差。其中機械手可以代替人力用于零部件的生

3、產(chǎn)、組裝，通過對其位置進行控制，保證組裝的質(zhì)量，因為沒有疲勞的限制，提高了生產(chǎn)效率。在質(zhì)量檢測線上，普通的人力勞動，隨著勞動時間的增加，工作效率將下降，在正常情況下的成批生產(chǎn)過程中，不合格產(chǎn)品數(shù)量所占比例小，單獨安排人力來專門進行檢查、挑選沒有必要，如果將此人力安排到其他工作，使其勞動力得到充分利用。利用機械手來代替檢測、挑選工作，就只需人為設(shè)定程序，調(diào)控好程序，做好檢查、維護工作就可以了。 本次設(shè)計的并聯(lián)機械手主要用途就是用于質(zhì)量檢測，不合格品的挑揀。通過傳送帶上傳感器的檢查，如果檢查到不合格產(chǎn)品，電子設(shè)備將接收到運動信號，控制器將運動指令發(fā)送出去，通過電機的轉(zhuǎn)動，帶動平臺的運動和帶動機械

4、手的轉(zhuǎn)動。當(dāng)機械手到達(dá)指定位置后，再通過液壓缸來控制機械手的夾緊和放松功能。從而進行不合格產(chǎn)品的挑揀。 1.2發(fā)展歷史 機器人包含了多種機構(gòu)，其中機械手是他的一個重要分支，機械手的工作靈活，效率高，兼?zhèn)淞巳撕蜋C械的優(yōu)點。 美國在1947年和1948年分別開發(fā)出了遙控機械手和機械式的主從機械手，1958年，第一臺智能化的機械手被美國聯(lián)合控制公司研制出來。主要的結(jié)構(gòu)是由一個回轉(zhuǎn)長臂控制機械手的轉(zhuǎn)動，通過示教形系統(tǒng)的控制，利用電磁塊進行工件的抓取與放置。緊接著，該公司在第一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研制出了一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手，控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置，它的運動系統(tǒng)仿照的是坦克炮塔的系統(tǒng)，機械手的手

5、臂用液壓驅(qū)動并且可以俯仰、伸縮、回轉(zhuǎn)。這也成為了不少球坐標(biāo)通用機械手的發(fā)展基礎(chǔ)。在同一時間段中，另一種機械手也被美國機械制造公司實驗成功。它也是一臺示教再現(xiàn)型機械手，通過液壓驅(qū)動控制機械手中央立柱的回轉(zhuǎn)、升降運動。1978年，德國生產(chǎn)出了一種采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制的點焊機械手。 目前，3平動自由度Delta機構(gòu)是世界上最具代表性的告訴抓放并聯(lián)機械手。Delta機構(gòu)已經(jīng)遍及包括歐洲、北美等發(fā)達(dá)國家的物流、生產(chǎn)、包裝等各個領(lǐng)域。 圖1 1.3 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 機械手的夾緊和運動操作是機器人系統(tǒng)最基本的功能，在機器人技術(shù)的發(fā)展過程中，機械手成為了一個重要的研究主題， 機械

6、手的靈活性與機械手的自由度有關(guān)，機械手的自由度越大，機械手就越靈活，但是他的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也會增加?，F(xiàn)在市面上一般的專用機械手都是只有2~3個自由度；對于6自由度的機械手，由于可以抓取空間任意位置和方位的物體，致使其結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)，價格昂貴，只有大型的制造組裝企業(yè)適合使用，比如汽車、摩托車制造行業(yè)，電子裝配行業(yè)。 智能化的運用在機械手機構(gòu)中越來越廣泛，最初的機械手主要是利用電磁閥等機構(gòu)進行的人工控制，而現(xiàn)在PLC可編程控制器模塊開始與機械人機構(gòu)結(jié)合，讓機械人的控制由開關(guān)轉(zhuǎn)換成了程序控制，大大提高了其控制精度?，F(xiàn)在有的機械手也開始向模塊化發(fā)展，模塊化拼裝的機械手具有更靈活的安裝體系，他的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置就

7、直接將電路接口和油管集成在一起。機械手根據(jù)不同的應(yīng)用模塊，顯示出不同的動作功能，模塊化的發(fā)展擴大了同一個機械手的應(yīng)用范圍，也成為一個重要的發(fā)展方向。工業(yè)機械手很難代替人工勞動，他不能分辨糾正工作過程中的事故、障礙，想要正常工作，必須排除事故才行。在今后研究出具有感官判斷力的智能機器人后，他就能讓機械手的工作性能更加完善，不管是判斷物體，檢查工作環(huán)境，還是進行自動調(diào)節(jié)，都有著很大的發(fā)展意義。 第2章 分選機械手的總體設(shè)計 2.1 分選機械手的工作目的和意義 對于現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造企業(yè)，智能化的程度高低是企業(yè)綜合實力的體現(xiàn)，機械的

8、智能化程度越高，企業(yè)的生產(chǎn)制造的能力就越強。機械手在現(xiàn)代的生產(chǎn)過程中具有廣泛的應(yīng)用：它可以用于醫(yī)療行業(yè)精密儀器的制造，作為臨床手術(shù)的輔助設(shè)備；在食品加工行業(yè)，可以進行食品的密封包裝，整體打包和產(chǎn)品的分選工作挑選；更是制造行業(yè)產(chǎn)品組裝的重要機構(gòu)。 本次設(shè)計的分選機械手，主要的任務(wù)是通過檢測裝置，檢測出重量不合格的產(chǎn)品，例如礦泉水瓶未灌裝，或灌裝不合格?？刂破鹘邮盏竭\動信號后，控制機械手，將到達(dá)某指定位置的不合格產(chǎn)品分揀出來，從而實現(xiàn)分選作用。本設(shè)計的意義在于機械手裝置與生產(chǎn)線都是智能化的配合，工作效率更高，也減少了不必要的人力資源的分配。 2.2 分選機械手的工作內(nèi)容 圖2-1 機

9、械手工作示意圖 將機械手調(diào)到初始位置，當(dāng)傳感器ST0檢測到重量不合格產(chǎn)品的信號，機械手將快速張開準(zhǔn)備工作。 當(dāng)次品到達(dá)指定位置，ST1位置傳感器得到信號，傳送帶暫停傳動，機械手開始抓取次品。 等次品被抓起，傳感器ST2檢查到重量信號，傳送帶繼續(xù)傳送，機械手通過程序?qū)⒋纹贩湃霃U品箱，回到初始位置，等待下一次工作。 2.3 總體設(shè)計 2.3.1 分選機械手的基本參數(shù) 1.本次設(shè)計分選機械手的提取最大重量為1kg，取整個運動機構(gòu)的重量為15kg。 2.機械手的驅(qū)動部分選擇PLC驅(qū)動，手抓部分選擇液壓缸來控制，與齒輪類的機械控制相比，液壓系統(tǒng)體積小，反應(yīng)速度快。 3.活塞桿的運動距

10、離為29mm，手抓部分的張開和閉合最小間隙間距為1mm，機械手的初始位置暫定工作臺向下為280mm，機械手豎直方向的運動范圍為150~390mm。 4.定位精度是機械手重要參數(shù)之一，如果定位精度太低，則不能保證機械手可靠工作，綜合考慮，設(shè)定其定位精度為±0.5mm~±1mm。 5.機械手的運動速度，直接影響機械手的工作效率和穩(wěn)定，如果速度過慢，不能達(dá)到機械手的正常功能，如果機械手的速度過快，將增大負(fù)載并影響平穩(wěn)性。最大移動速度10m/min。 2.3.2 機械手材料的選擇 機械手各部分結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)根據(jù)手臂的不能功能狀態(tài)來確定，在滿足機械手的設(shè)計要求下，保證材料的充分利用，考慮制造運

11、動部件的輕型材料；手臂在運動過程中，會產(chǎn)生震動，這會影響機械手的運動精度；另外機械手的部分零件由電機控制，要考慮它的可控性。所以在選擇材料的時候要綜合考慮剛度、強度、重量、抗震性等因素。以下是機械手的常用的幾種材料： ⑴合金鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼等高強度剛：由于合金鋼的強度好、彈性模量E大、抗變形能力強，所以應(yīng)用廣泛，是常用的結(jié)構(gòu)材料。 ⑵輕合金材料，如鋁合金：重量輕，但是彈性模量小。 ⑶陶瓷：雖然有日本公司已經(jīng)在小型告訴機器人的手部結(jié)果上采用的陶瓷材料，但是陶瓷的脆性大，加工難度在，不能直接和金屬部件連接，所以暫時不考慮。 根據(jù)本次設(shè)計，機械手的負(fù)載并不是很大，所以材料不需要承受很大的負(fù)載。

12、也不需要較高的彈性模量，考慮到材料的加工性能，機械手的工作狀態(tài)，選擇鋁合金作為機械手的主要材料，對于主要的施力部件（主動臂）采用合金鋼。 2.3.3 分選機械手的結(jié)構(gòu)確定 通過網(wǎng)上查閱資料得知，整體框架有直線式和平面式，直線式占用面積少、活動范圍小、剛度差，但是精度較高；平面式則是工作范圍大、剛度較高、靈活性好，但精度不高。根據(jù)分選機械手的工作內(nèi)容可知，機械手的工作區(qū)域面積不大，只在水平面和豎直面運動，確定機械手為平面2自由度的機械手，且它工作內(nèi)容不復(fù)雜，由于本次設(shè)計是專門對產(chǎn)品是否合格進行分揀，專用化的程度高，考慮到實用性和經(jīng)濟性，選擇直線的結(jié)構(gòu)形式。 2

13、.3.4機械手的立柱設(shè)計和位置調(diào)節(jié) 考慮到整個工作臺的位置調(diào)節(jié)，機械手的支撐立柱選擇兩個部分的空心圓柱進行裝合，圓柱鉆有等距離的通孔，用于高度調(diào)節(jié)，底座通過螺紋連接與底面固定，支撐平臺焊接在①部分上方。 由于機械手的立柱是安裝于工作地面，機械手的移動平面是水平面，要保證機械手的工作精度，則先應(yīng)保證機械手的位置精度，在設(shè)計過程中，機械手的立柱考慮設(shè)計為兩個部分，①部分與頂部托盤連接，②部分與上部連接，每個部分都有等間距的定位孔，機械手的整體高度調(diào)節(jié)就通過長螺栓穿過定位孔來調(diào)節(jié)，由于一根螺栓不能保證立柱①②的同軸度，所以用兩跟螺栓同時配合。在立柱底面安裝微

14、 圖 2-2 調(diào)螺釘，通過微調(diào)螺釘調(diào)節(jié)立柱的垂直度，從而調(diào)節(jié)導(dǎo)軌與水平面的平行度。微調(diào)螺釘?shù)恼{(diào)動距離為最大8mm，立柱的高度調(diào)節(jié)主要通過中間部分的長螺栓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)間距為2mm，即相鄰兩個孔的間距。 2.3.5 機械手的移動分析 ⑴機械手的移動位置為水平方向，和豎直方向，水平方向上的移動利用絲桿帶動，由于運動機構(gòu)有一定的重量，在移動導(dǎo)軌上添加導(dǎo)桿作為輔助支撐桿，并附帶導(dǎo)向的作用如圖。 圖2-3 在工作臺下部還配合

15、有導(dǎo)軌平面，作用與導(dǎo)桿作用相同，但是如果整個部分只用導(dǎo)桿來支撐，工作狀態(tài)下，產(chǎn)生的震動可能影響控制機構(gòu)的不穩(wěn)定，所以還是選擇導(dǎo)軌來穩(wěn)定整個機構(gòu)；并且導(dǎo)軌平面內(nèi)打有穿孔，如圖2-4，作用是用于通過液壓管線，防止與手臂發(fā)生干擾。 圖2-4 ⑵豎直方向的移動：分選機械手豎直方向的運動是機械手主動臂的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)：理論上主動臂的轉(zhuǎn)動位置極限是0~90°；實際上轉(zhuǎn)動的角度最好不到達(dá)極限位置，所以轉(zhuǎn)動角度為10°~80°。 2.4 總體結(jié)構(gòu)圖

16、 3 分選機械手的零部件的設(shè)計 3.1機械手手抓部分的設(shè)計與校核計算 3.1.1 手抓部分的結(jié)構(gòu)分析 1.機械手的手抓部分通過手臂聯(lián)結(jié)的托盤固定，考慮到手抓更換的靈活性，方便性，將手抓單獨組裝成一部分，其結(jié)構(gòu)如下圖（圖3-1）所示整個手抓部分可拆卸，通過連接螺栓與托盤相連，可以根據(jù)抓取產(chǎn)品的要求在允許范圍類跟換手抓和整個手部結(jié)構(gòu)。 圖3-1 ①為液壓缸的活塞桿，他的伸縮運動控制機械手的張合： 活塞桿的運動距離為29mm，手抓部分的張開和閉合最小間隙間距為24mm ②為支承桿，它是焊接在動平臺上，作用是用于支持手抓的轉(zhuǎn)動部分。 ③為機械手手抓的轉(zhuǎn)動桿，④為夾持部位帶動

17、干，通過活塞桿帶動④，④再帶動③的轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制手抓張合的作用。 ⑤為抓取部分，抓取部分的位置必須保證在閉合狀態(tài)情況下，此部件保持水平。因為抓取的產(chǎn)品存在有臺階或者無臺階如下圖（圖3-2 ），若抓取的產(chǎn)品有 A B 圖3-2 頂端臺階類如圖3-2 B，臺階就給手抓一個支持力，不用考慮是否有足夠的力克服摩擦抓取產(chǎn)品；如果產(chǎn)品是如圖3-2 A，就因考慮摩擦系數(shù)，如果抓取力不能滿足抓取條件，則因在抓取部分增加輔助配件來增大摩擦，例如配上帶齒的橡膠套。 2.由于圖3-2中的草圖為理想化的草圖，實

18、際生產(chǎn)中，灌裝后的礦泉水瓶已經(jīng)密封，且若抓取不合格產(chǎn)品時，手抓抓取的部位為瓶蓋部位，手抓的抓取力的大小由液壓缸控制，若抓取力不夠還需添加橡膠套增大摩擦。 3.1.2 工件的受力分析 夾取產(chǎn)品的最大重量為2.5kg，當(dāng)工件被夾緊后，工作時的受力最大，設(shè)靜摩擦因素μ=0.2。 G為工件的重力，G=Mg=25N 靜摩擦力F=μ×2F1=25N 夾緊力F1=25N 計算夾緊力時必須考慮到安全系數(shù)，K=K1K2K3 上式中：K1是基本安全系數(shù)，取1.5；K2是運動沖擊系數(shù)，取1.1；K3誤差系數(shù)，取1.3。 所以F’=F1K=1.5X1.1X1.3X25=54N 3.1.3 手抓部

19、分的強度校核 對于帶動桿④，桿厚2mm，長44mm 材料許用彎曲正應(yīng)力[σ]=360Mpa， 設(shè)拉力F=80N，槽口處的厚度為2mm，寬度為1.5mm 對槽口中間位置A點取矩∑Ma=0 X1=4mm，X2=40mm F*x2-F’*x1=0解得F’=800N 應(yīng)力集中處求彎矩：Mmax=F'*X2 解得Mmax=32(N.m) 矩形的抗彎截面系數(shù)： Wz=bh3 解得Wz=1.68x10-5 應(yīng)力集中點的應(yīng)力計算：σ==32÷（1.68x10-5）=1.9Mpa 1.9Mpa<160Mpa強度滿足要求. 3.1.4 連接螺紋校核 由于螺母的規(guī)

20、格小，選擇強度性能好的合金鋼作為材料，暫選30CrMo 螺母受到的軸向壓力F=30N，內(nèi)螺紋的大徑D=4mm， 螺紋工作圈數(shù)Z=hp=5 螺紋牙的根部寬度b=0.65P=0.455mm 合金鋼的許用應(yīng)力[τ]=142Mpa 剪切強度 τ=FπDbz=303.14×0.004×0.000455×5=1.05Mpa≤[τ] 螺紋牙受到的彎曲力臂l=D-D12=0.39mm 彎曲極限[σb]=780Mpa 彎曲強度σb=6FlπDb2z=540Mpa，符合強度要求 3.1.5 銷軸的強度校核 M=32N.m 彎曲極限[σb]=2

21、25Mpa 抗彎強度σw=MW 抗彎截面系數(shù)W=πd332 σw=20.7 Mpa≤σb=225Mpa 3.2 傳動軸的設(shè)計與校核計算 3.2.1 傳動部位的連接 傳動部分各個零部件間的配合如圖3-3 所示： 圖3-3 傳動部位的零件圖 主動臂與電機間的傳動軸通過平鍵來連接，在軸承與傳動軸、支撐板的定位上，一段用端圈來代替軸承端蓋，另一端通過支撐板的凸臺來定位，螺母與墊圈將幾個部件與傳動軸配合在一起，保證傳動的穩(wěn)定性。 3.2.2 傳動軸的設(shè)計 傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為階梯軸，它與支撐板一起限制軸承和傳動軸自身的位置；連接鍵為GB/T 1096A型圓頭平鍵：4x4x10 （

22、機械制圖附表）所以傳動軸上的鍵槽大小為b=4，h=2。聯(lián)軸器相連接端的r=6，含鍵槽端的半徑r=8，材料為Q235。 圖3-4 傳動軸 3.2.3 傳動軸的強度校核 圖3-5 根據(jù)圖3-5可知軸的許用彎曲應(yīng)力[τ]=40Mpa 強度極限σb=400Mpa 取材料系數(shù)C=120 傳動軸帶鍵槽部分的直徑 d=C3Pn=11.3mm 由于帶有一個鍵槽所以D=（1+5%）d≈13.8mm 取D=16mm 軸的外力偶矩M=9550Pn=9550×0.43000=1.27N.m 由截面法可得 T=M=1.27N.m

23、 軸的抗扭界面系數(shù) Wp=πd316=0.803×10-6 m3 最大切應(yīng)力τmax=TWp=1.58Mpa 同理軸的小端直徑 d=10mm 外力偶矩M=9550 Pn=9550×0.43000=1.27N.m 由截面法可得 T=M=1.27N.m 軸的抗扭界面系數(shù) Wp=πd316=0.196×10-6 m3 最大切應(yīng)力τmax=TWp=0.154Mpa 軸的應(yīng)力滿足要求，都在許用彎曲應(yīng)力[τ]=59Mpa范圍內(nèi)。 3.2.4 連接螺紋的校核 螺母的材料強度低于連接軸的材料強度，所以只需校核螺母螺紋牙的強度。

24、 螺母受到的軸向壓力F=100N，內(nèi)螺紋的大徑D=16mm， 螺紋工作圈數(shù)Z=7 螺紋牙的根部寬度b=0.65P=1.3mm 碳鋼的許用應(yīng)力[τ]=40Mpa 剪切強度 τ=FπDbz=1003.14×0.016×0.0013×7=0.219Mpa≤[τ] 螺紋牙受到的彎曲力臂l=D-D12=1.1mm 彎曲極限[σb]=225Mpa 彎曲強度σb=6FlπDb2z=0.012Mpa，符合強度要求 3.3 主動臂的設(shè)計與校核計算 3.3.1 主動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 結(jié)構(gòu)分析 該分選機械手的主動臂為主

25、要的施力和受力結(jié)構(gòu)，在選材上應(yīng)選擇剛度較大的材料如鋼材，防止在工作過程中發(fā)生斷裂。由于機械手臂的轉(zhuǎn)動是通過電機帶動，手臂與傳動零件的裝配選擇通過鍵與鍵槽來裝配且采用過渡配合。考慮到主動臂自身材料的重量與結(jié)構(gòu)的工藝性，在設(shè)計過程中，應(yīng)有減重設(shè)計。 初選主動臂的結(jié)構(gòu)為圓柱型或者矩形，但由于圓柱型的主動臂與工作臺間的間隙距離多于矩形的主動臂，并且，圓柱形的機械手臂材料用量更多，結(jié)構(gòu)笨重，對于懸掛的主動臂，重量也是一個重要因素，所以，經(jīng)綜合考慮選擇結(jié)構(gòu)為矩形結(jié)構(gòu)更合理。 2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3-6主動臂整體結(jié)構(gòu) 主動臂的主要結(jié)構(gòu)形式如圖3-6，其中主身平板結(jié)構(gòu)的長度180mm，厚6mm，減重

26、槽的長度為125mm。主動臂一端A是帶鍵槽的軸孔，與傳動機構(gòu)連；另一端是通過焊接的方式將其與主動臂焊接在一起的連接快。 3.3.2 主動臂的校核計算 通過分析可以得知主動臂在工作狀態(tài)處于水平方向的時候，所受到的彎曲應(yīng)力最大，當(dāng)手臂越往下轉(zhuǎn)動，拉伸剪切應(yīng)力開始增大，整個過程中間部分的受力是最大的。 板材的最小橫截面寬為5mm，高為6mm 材料許用彎曲正應(yīng)力[σ]=360Mpa，設(shè)拉力F=150N 對于A端取矩：∑Ma=0 F*x-Fb*x=0 解得Fb=150N 應(yīng)力集中處求彎矩：Mmax=Fb*x 解得Mmax=13.5(N.m) 矩形的抗彎截面系數(shù)：

27、Wz=bh3 解得Wz=0.18x10-5 應(yīng)力集中點的應(yīng)力計算：σ==13.5÷（0.18x10-5）=7.5Mpa 7.5Mpa<160Mpa強度滿足要求。 3.3.3 銷軸的強度校核 M=13.5N.m，d=4mm 彎曲極限[σb]=225Mpa 抗彎強度σw=MW 抗彎截面系數(shù)W=πd332 σw=8.59 Mpa≤σb=225Mpa 3.4 從動臂的設(shè)計與校核計算 3.4.1 從動臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 從動臂的結(jié)構(gòu)方式也有兩種選擇，一種是長板類型，另一種是圓柱類型，由于從動臂是作為傳力結(jié)構(gòu)，為了和主動臂更好的連接且考慮到從動臂要與動平臺相連接，所以將其設(shè)計為雙圓柱

28、型。在兩跟細(xì)圓柱間靠近端部位置焊接支撐塊，起到支承固定的作用如圖3-7。 圖3-7 從動臂結(jié)構(gòu)圖 3.4.2 從動臂的強度校核 板材的最小橫截面寬為1mm，高為3mm， 材料許用彎曲正應(yīng)力[σ]=360Mpa 設(shè)拉力F=150N，X1=4mm，X2=9mm 對于A端取矩：∑Ma=0 F*X1-F’*X2=0 解得F’=67N 應(yīng)力集中處求彎矩：Mmax=F’*X1 解得Mmax=0.26(N.m) 矩形的抗彎截面系數(shù)： Wz=bh3 解得Wz=0.135x10-5 應(yīng)力集中點的應(yīng)力計算：σ==67÷（0.135x10-5）=49.6Mpa 4

29、9.6Mpa<160Mpa強度滿足要求。 3.5 滾珠絲桿的校核 1.絲桿的選擇 設(shè)絲桿有效行程 900mm 摩擦系數(shù) μ=0.1 最大工作速度 Vmax=10（m/min） 絲桿工作壽命為 Lh=5x365x24=43800h 電機的最高轉(zhuǎn)速 nmax=5000（r/min） 工作臺和機械手的總質(zhì)量 M=20 kg 電機與絲桿的傳動比 i=1 摩擦阻力 Fw=μ×M×g=0.1×15×9.8=14.7N 導(dǎo)程計算 p=Vmaxnmax×i=2mm 夾持物體時軸向載荷 F1=[（M+m）g+Fw]K=204.82N K=KFKHKA 根據(jù)圖3-8 確定精度等

30、級為C3. 圖3-8 查《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》表3.1表3.2表3.3；取KF=1.1，KH=1.0，KA=1.0 表3.1 載荷系數(shù) 載荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn) 一般運轉(zhuǎn) 有沖擊和震動運轉(zhuǎn) KF 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5 表3.2 硬度系數(shù) 滾道實際硬度 ≥58 55 50 45 40 KH 1.0 1.11 1.56 2.4 3.85 表3.3 精度等級 精度等級 C、D E、F G H KA 1.0 1.1 1.25 1.43 額定都載荷計算Ca‘=F13nmLh1.67×104=483

31、N 導(dǎo)程P=2，滾珠絲桿的直徑，選擇型號BSX0802-[100-240/1]，參數(shù)如圖3-9 圖3-9 根據(jù)參數(shù)表可知： 額定動負(fù)載C=650N，額定靜負(fù)載Co=1600N 查《機械設(shè)計手冊》知與聯(lián)軸器相連端直徑，精度等級選3級。 2. 絲桿穩(wěn)定動載荷的校核 當(dāng)量載荷fmax=204.82N 載荷系數(shù)fw=1.3 精度等級fa=1 可靠性系數(shù)fc=0.44 絲桿的額定動載荷Ca=L13 fwFmax 100fafc 帶入數(shù)據(jù)求得Ca'=213N，Ca'≤Ca，滿足要求 3.絲桿強度校核 絲桿材料45鋼的許用應(yīng)力[σ]=65Mpa 由公式

32、σ=4Fmaxπd2，F(xiàn)max=205N，絲桿螺紋底徑d=6mm 代入的σ=7.2Mpa<[σ]=65Mpa，符合要求。 3.6 聯(lián)軸器的校核 聯(lián)軸器的最大扭矩計算 Tca=KAT KA 為工作情況系數(shù)取KA=1.5，選擇數(shù)值參考圖3-10 電機功率0.4KW 電機最大轉(zhuǎn)速5000r/min 名義轉(zhuǎn)矩 T=9550Pn=0.764N.m Tca=KAT=1.5 X 0.764=1.146N.m 由于雙膜片聯(lián)軸器的扭矩剛性高，能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn)，可進行高精度的控制，抗疲勞性好，所以選擇雙膜片聯(lián)軸器。 圖3-10 圖3-11 根據(jù)圖3-11，選擇聯(lián)軸器的型

33、號為SYM4B-D26，絲桿端軸徑d1=8mm，電機軸端的軸徑d2=10mm。 3.7 軸承的校核 1.絲桿的直徑為8mm，選擇NTN608深溝球軸承，608軸承的基本參數(shù)如表3.4 表3.4 軸承的內(nèi)徑（d） 8mm 軸承的外徑（D） 22mm 軸承的厚度（B） 7mm 額定動載荷，徑向（Cr） 3350N 額定靜載荷，徑向（Cro） 1400N 由于機械手的運動能夠為間歇性運動，軸承的預(yù)期使用壽命：10000h 設(shè)Fr=220N，F(xiàn)a=25N，暫定FaCr=0.014，e=0.19 因為FaFr=0.11＜e 根據(jù)表3.5軸承的當(dāng)量動載荷的X,

34、Y值表得到X=1，Y=0 表3.5 當(dāng)量動載荷的X,Y值 FaCro e X（FaFr≤e） Y（FaFr≤e） 0.014 0.19 1 0 0.028 0.22 1 0 P=XFr+YFa=（1 X220 + 0 X 20）=220N 即軸承在徑向載荷Fr=220N，軸向載荷Fa=20N作用下的使用壽命，相當(dāng)于在純徑向載荷為220N作用下的使用壽命。 徑向基本額定動載荷 Cr=fpPft（60n106Lh）13 根據(jù)表3.6，表3.7取載荷系數(shù)fp=1.1，由于溫度不高ft=1 表3.6 溫度系數(shù)ft 軸承工作溫度℃ 100 120 15

35、0 200 250 300 溫度系數(shù)ft 1 0.95 0.90 0.80 0.70 0.60 表3.7 載荷系數(shù)fp 載荷性質(zhì) 無沖擊或輕微沖擊 中等沖擊 強烈沖擊 fp 1.0~1.2 1.2~1.8 1.8~3.0 Cr=1.1x2201（60x3000106Lh）13=2942N 選擇軸承608的Cr=3300N＞2942N；Cro=1440N FaCr=0.017，與原值接近，所以適用。 2.傳動軸的直徑17m，選擇NTN6003深溝球軸承，6003軸承的基本參數(shù)如表3.8 表3.8 軸承的內(nèi)徑（d） 17mm 軸承的外徑（D

36、） 35mm 軸承的厚度（B） 10mm 額定動載荷，徑向（Cr） 6800N 額定靜載荷，徑向（Cro） 3350N 由于機械手的運動能夠為間歇性運動，軸承的預(yù)期使用壽命：10000h 設(shè)Fr=100N，F(xiàn)a=15N，暫定FaCr=0.014，e=0.19 因為FaFr=0.15＜e 根據(jù)表3.5軸承的當(dāng)量動載荷的X,Y值表得到X=1，Y=0 P=XFr+YFa=（1 X100 + 0 X 15）=100N 即軸承在徑向載荷Fr=100N，軸向載荷Fa=15N作用下的使用壽命，相當(dāng)于在純徑向載荷為100N作用下的使用壽命。 徑向基本額定動載荷 Cr=fpPft

37、（60n106Lh）13 根據(jù)表3.6，表3.7取載荷系數(shù)fp=1.1，由于溫度不高ft=1 Cr=1.1x1001（60x3000106Lh）13=1338N 選擇軸承6003的Cr=6800N＞1338N；Cro=3350N FaCr=0.017，與原值接近，所以適用。 4 驅(qū)動部件的選型 4.1 傳感器的選型 ⑴對于不合格產(chǎn)品是否到達(dá)機械手的抓取位置的檢測，選用光電開關(guān)來進行檢測，E3F3光電傳感器的型號參數(shù)如圖4-1 圖4-1 表4.1 類型 不作用輸出電平 作用輸出電平 NPN,常開 低電平 高電平 NPN,常閉 高電平 低

38、電平 PNP,常開 高電平 低電平 PNP,常閉 低電平 高電平 由于檢測距離小于0.3M，因此選擇的光電傳感器型號為E3F3-D17 ⑵對于產(chǎn)品的重量檢查選擇稱重傳感器作為檢測元件，它將傳送帶上檢測出的質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，選擇型號德國tecsis F1817,量程選擇5kg，它的尺寸參數(shù)如圖4-2，技術(shù)參數(shù)如圖4-3. 圖4-2 尺寸參數(shù) 圖4-3 技術(shù)參數(shù) 4.2 電機的選型 在本次并聯(lián)機械手的設(shè)計中需要電機1，2來控制機械手兩個主動臂的旋轉(zhuǎn)運動，還需要電機3來帶動滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動從而控制工作臺的水平移動。 a)對于帶動手臂轉(zhuǎn)動的電機1、2 傳動軸的

39、轉(zhuǎn)矩T=Fr 手臂、手抓部分和抓取產(chǎn)品的最大負(fù)載12.5kg 轉(zhuǎn)矩T=Fr=12.5 X 9.8 X 0.008=0.98N.m 選擇步進電機型號DM5676C，步距角為1.8° 額定轉(zhuǎn)矩1.0N.m 適用驅(qū)動器DMD402A b)對于帶動絲桿運動的電機3 絲桿螺距p=4mm 連接絲桿的電機： n額=3000r/min 脈沖當(dāng)量p=5mm，v=n×p=15m/min 絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：J1=πρd4l32 負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量：J2=M(P2π)2

40、 ρ為材料密度7.8×103kg/m3 d為傳動件的等效直徑8mm l為傳動件絲桿軸向長度700mm 絲桿質(zhì)量1kg，負(fù)載M=30kg 經(jīng)計算J1=0.019X10-4（kg.m2） J2=0.191X10-4（kg.m2） 換算到電機的負(fù)載慣量J=J1+J2R2=0.210X10-4 絲桿的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TL=9.8×μ×M×P2πRη P為滾珠絲桿的螺距 μ摩擦系數(shù)0.2 η傳動系數(shù)的效率0.9 1/R減速比為1 M為工作臺的重量定為20KG。 經(jīng)計算TL=0.068（N.M） 初選富士伺服電機型號為GYS401DC-T2A 額定功率：0.4（kw

41、） 額定轉(zhuǎn)矩：1.27（N.M） 慣性矩： 0.246X10-4 額定轉(zhuǎn)速：3000（r/min） 允許徑向載荷：325（N） 允許軸向載荷：64（N） 該伺服電機配合伺服放大器使用，將輸入信號和反饋信號綜合后加以放大，根據(jù)信號的極性不同，控制電機的正反轉(zhuǎn)，所以和此伺服電機相配合的伺服放大器的型號為RYC401S3-VVT2， 伺服電機與伺服放大器的型號對應(yīng)表如圖。 圖4-4 伺服電機與伺服放大器的型號對應(yīng)表 4.4 PLC的選型 4.4.1 PLC的選型 PLC的種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和基本原理都大致相同，一般情況下根據(jù)自己的端口需求選擇PLC，PLC的輸入端

42、口主要有：啟動，停止，手動/自動選擇，絲桿進，絲桿退，左臂順轉(zhuǎn)，左臂逆轉(zhuǎn)，右臂順轉(zhuǎn)，右臂逆轉(zhuǎn)，傳送帶啟動，傳送帶停止，以及ST0-ST2三個傳感器接口。輸出端口Y0,Y1和Y2,Y3分別控制2個手臂帶動電機，Y4,Y5控制絲桿電機，Y6-Y8三個接口連接中間線圈控制液壓缸1YA-3YA的控制。 不同類型的PLC參數(shù)有所不同：PLC的輸入/輸出點數(shù)類型有10/6，14/10，16/14，24/16等；數(shù)字量的輸入端/公共端有10/1，14/1，16/1，24/1；數(shù)字量的輸出端/公共端有6/3，10/3，14/4，16/4；數(shù)字量的輸出類型分為繼電器和晶體管；PLC是否有脈沖輸出等。有的PLC

43、還帶有擴展模塊，目的是為了增加主模塊的I/O點數(shù)，或?qū)崿F(xiàn)專用功能的擴展部件其部分參數(shù)如下表（表4.2）： 表4.2 PLC型號參數(shù)表 型號 輸入/輸出點數(shù) 數(shù)字量的輸出類型 數(shù)字量的輸入端/公共端 數(shù)字量的輸出端/公共端 脈沖輸出 EC10-1006BRA 10/6 繼電器 10/1 6/3 無 EC10-1410BRA 14/10 繼電器 14/1 10/3 無 EC10-1614BRA 16/14 繼電器 16/1 14/4 無 EC10-1614BTA 16/14 晶體管 16/1 14/4 有 EC10-2416BRA

44、 24/16 繼電器 24/1 16/4 無 EC10-2416BTA 24/16 晶體管 24/1 16/4 有 本次選擇PLC型號為 EC10-2416BTA， 型號 電源電壓 中斷/脈沖輸入 脈沖輸出 EC10-2416BTA 85~264 有 有 其特點是小機型、高配置、大容量、高速度，內(nèi)置高速處理：6路高速脈沖輸出，最大50KHZ；2路100KHZ高速脈沖輸出，程序容量達(dá)到12k，基本指令只需0.3uS，可擴展4個模塊，主模塊24個輸入口/16個輸出口，其中PLC工作電壓100-240V，輸出頻率100khz， PLC市場價格 1320RMB

45、 4.4.2 電路連線端口分配 ⑴伺服放大器的端口如右圖：CN1為輸入、輸出信號/脈沖命令，所包含的電路圖中的連接端口如表4.3 表4.3 PPI 集電極開路電源輸入 *CA 輸入脈沖串 *CA,*CB連接為集電極開路輸入 *CB P24 指令序列輸入輸出信號 CONT1 輸入指令控制序列信號（運行） M24 輸出用電源 CN2為連接伺服電機的編碼器，所包含的電路圖中的連接端口如表4.4 表4.4 P5 編碼器電源 M5 電源接地 +SIG 信號線 -SIG 信號線 ⑵步進電機驅(qū)動器端口如下： Pul：脈沖信號

46、 Dir：方向信號 DC：電源端口 A+/A-：電機A相 B+/B-：電機B相 4.5 液壓缸的計算 4.5.1 液壓缸的計算 液壓驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，由于液壓油有潤滑的作用，可延長元件的使用壽命；液壓元件的適用范圍廣，響應(yīng)速度快，其力矩慣量也比較大，定位精度高，位置誤差小等特點。 此次設(shè)計液壓缸的作用用于控制機械手手抓部分的張合，即當(dāng)活塞桿伸長，帶動機械手張開，活塞桿縮進，機械手閉合。所以液壓回來只需1組回路就能達(dá)到效果。液壓回路如下圖（圖4-5） 圖4-5 液壓回路圖 無桿腔與有桿腔的有效面積A1、A2，推桿

47、直徑d，腔直徑D且滿足D=√2?d 取背向壓為0.5Mpa，手抓帶動部件的靜摩擦μs=0.2，液壓缸機械效率 η=0.9 手抓夾取時的最大質(zhì)量為15kg，工作壓力為3x106Mpa，背壓為0.8 x106Mpa， 回位速度V1=4.5m/min，工作速度V2=1m/min。 F=pAη F為負(fù)載，p為作用在活塞上的有效壓力，A液壓缸的有效工作面積，對無桿腔A=πD24，對有桿腔A=π(D2-d2)4。 經(jīng)計算A=5000.9×2.8×106=1.98cm2，液壓缸內(nèi)徑D=πA4 =17mm，根據(jù)（參數(shù)表GB/T2348-1993）選擇內(nèi)徑D=20mm，推桿直徑d=8mm，實

48、際A1=πD24=314mm2，A2=πd24=50.24mm2，A=A1-A2=263.76mm2。 液壓缸夾緊時的工作壓力：P=FA=1.89Mpa 快速運動時的流量：q=A1×V1，q=1.41（L/min） 工作時的流量： q=A×V2， q=0.263（L/min） 液壓泵最高工作壓力計算，最高壓力出現(xiàn)在工作階段，p=1.89Mpa，進油路壓力損失?P=0.3Mpa Pp=1.89+0.3=2.19Mpa 液壓缸流量計算 以快速運動流量q=1.41L/min計算 泄漏系數(shù)k=1.3 qp≥qv=k?qlmax=1.3x1.4

49、1=1.833(L/min) 液壓泵電機的拖動功率 Pw=pq60η=0.069kw 液壓系統(tǒng)的選擇： 液壓馬達(dá)：BMM50 定量葉片泵：通過流量1.8（L/min），額定流量2.5（L/min），額定壓力6.3N 選擇型號 YB-2 溢流閥：通過流量1.8（L/min）,額定流量63（L/min），額定壓力6.3N 選擇型號 YF3-10B 節(jié)流閥: 選擇型號L21W 兩位三通閥：通過流量1.8（L/min）,額定流量10（L/min）,額定壓力6.3N 選擇型號 23D-10B 三位四通閥：額定流量6（L/min），額定壓力1

50、6N，選擇型號 34DF3-E4B 4.5.3 液壓回路得電順序表 1YA 2YA 手抓夾緊 - + 手抓松開 + - 保持狀態(tài) - - 5結(jié) 論 通過本次對分選機械手的設(shè)計，對整個機械設(shè)計有了總體的認(rèn)識。機械產(chǎn)品設(shè)計的最終結(jié)果，不是憑空就有的，比如分選機械手的設(shè)計：要根據(jù)工作的內(nèi)容，工作的性質(zhì)來首先理出整體的思路，如設(shè)備的總體尺寸估計、機械手的結(jié)構(gòu)形式預(yù)定；然后進行機械手結(jié)構(gòu)的繪制和運動軌跡分析，在制圖過程中則開始對機械手的設(shè)計進行優(yōu)化，保證機構(gòu)在運動過程中，不會碰撞干涉，且盡可能保證設(shè)計的規(guī)范合理；最后完成驅(qū)動部件等設(shè)備的選型。 在做設(shè)計之前，單

51、純的認(rèn)為機械手只有代立式的回轉(zhuǎn)搖臂機械手，且機械手與機器人是不同的機構(gòu)，結(jié)果經(jīng)過最初的資料查詢，才明白機械手是機器人的一種類型，并且機械手的種類也不止回轉(zhuǎn)搖臂式一種，工作內(nèi)容多種多樣，例如此次設(shè)計的直線式的分選機械手。 畢業(yè)設(shè)計的過程比起以往學(xué)習(xí)的課程更加獨立，既讓我對以前的專業(yè)知識進行了復(fù)習(xí)，又提高了自己解決問題的能力，對自己今后的工作很大幫助。 致 謝 畢業(yè)設(shè)計接近尾聲，在此感謝指導(dǎo)老師張曉宇老師的悉心指導(dǎo)，向指導(dǎo)老師致以崇高的謝意，感謝他在我的設(shè)計過程中給予的熱情的幫助和細(xì)心的指導(dǎo)。他工作態(tài)度認(rèn)真負(fù)責(zé)，對每個人都很用心，

52、認(rèn)真勤勉的工作做風(fēng)令我敬佩，也值得我們學(xué)習(xí)。 同時，感謝各位老師在百忙之中抽出時間評閱論文和參加答辯，向你們付出的辛勞表示深切的謝意。 最后，本次設(shè)計能夠順利完成，也歸功于大學(xué)四年間老師辛勤傳播的知識，然我在設(shè)計過程中得以運用，正是由于他們的不辭辛勞，傾心傳授才使我的畢業(yè)設(shè)計工作得以順利完成，在此向全體老師表示由衷的感謝。 在大學(xué)期間，在學(xué)校和各位老師孜孜不倦的教誨和無微不至的關(guān)懷下，我擁有了更加成熟的思想和豁達(dá)的心胸，也學(xué)到了可以獨立于社會的一技之長和永不停息的終身學(xué)習(xí)理念。在此，再次對感謝各位指導(dǎo)、關(guān)心和幫助過我的老師、領(lǐng)導(dǎo)及同學(xué)，謝謝你們！

53、 參考文獻 [1] 機械設(shè)計手冊編委會編.機械設(shè)計手冊.2007年 機械工業(yè)出版社. [2] 楊黎明等.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊.1997年 國防工業(yè)出版社. [3] 徐灝等.機械設(shè)計手冊( 第5卷).2000年 機械工業(yè)出版社. [4] 高榮慧等.工業(yè)機械手設(shè)計.2014年 合肥工業(yè)大學(xué)出版社. [5] 王建明等.自動線與工業(yè)機械手技術(shù).2009年 天津大學(xué)出版社. [6] 董慧穎.機器人原理與技術(shù).2014年 清華大學(xué)出版社. [7] 滕宏春等.工業(yè)機器人與機械手.2015年 電子工藝出版社. [8] 徐沖.工業(yè)自動化設(shè)備安裝與調(diào)試.2015年 天津大學(xué)出版社. [9] 王孫安.機械電子工程原理.2010年 機械工業(yè)出版社. [10] 王萍等.機械制圖.2012年 電子工業(yè)出版社. [11] 楊可楨.機械設(shè)計基礎(chǔ).2006年 高等教育出版社. [12] 熬榮慶.伺服系統(tǒng).2006年 航空工業(yè)出版社 32