自动上下料机械手臂及主要零部件设计_毕业设计

5 直臂部分的三维设计

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本次设计主要讲直臂的升降。

5.1 手臂的结构的选择及其驱动机构

机械手的手臂升降伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。

我们选用滚珠丝杠结构的手臂，螺母带动丝杠进行升降和平移，采用电机驱动。结构如下图：中间为丝杠，两边为光杆。

运行方式为电机带动锥齿轮，继而带动丝杠螺母，丝杠螺母是固定点，相对的丝杠做上下移动。

5.2 滚珠丝杠设计

（计算部分由小组成员张益完成本人参与讨论和数据修改）

（1）选取的滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠(右旋) 上固定端到螺母间距离(临界长度)

ltop?1056mm

下固定端到螺母间距离(临界长度)ldown?1086mm 设计后丝杠总长

lall?1280mm

最大行程 l?1250mm 支承方式为两端固定 定位精度：

由表得，有效行程内目标行程公差eP?47?m，行程变动量Vup?39?m

由表得，任意300mm行程内行程变动量V300p?23?m，2π弧度内行程变动量V2?p?8?m

丝杠精度为5级，可靠性90%。

（2）计算载荷

手腕手爪部分重量m?15kg

G?mg?15kg?10N/kg?150N（重力加速度取g?10N/kg） ..........................（5.1）

轴向载荷Fma?150N （3）初算导程：

丝杠螺母转速n?2000r/min，直臂移动速度v?167mm/s

nm?n?2000r/min

初算导程Ph?v/nm?4.99mm，所以取Ph?5mm

h （4）选工作寿命：Lh?20000（5）由表得，

' .............................................................（5.2） Cam?fwFma(60nmLh)1/3/100fafc?2677.7N，'' Cam?feFma?1005N

式中，查机械手册得，精度系数fa?0.9 查机械手册得，可靠性系数fc?1 查机械手册得，载荷性质系数fw?1.2 查机械手册得，预加载荷系数fe?6.7 所以，Cam?2677.7N

（6）静载计算：由机械手册得，fsFamax?300N，式中fs?2 ..........................（5.4） （7）选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型，。 其中d0?16，d2?13.5，Ph0?5，Ca?11.1kN，Coa?24.6kN 满足承载能力要求。

1（8）计算预紧力：FP?Famax?50N，Famax?Fam ................................................（5.5）

3（9）dn值校验

由机械手册得，d0nmax?16?2000?32000?70000，符合要求。 （10）临界转速校核

nc?107fd2/L2r/min ....................................................................................（5.6） c2?2507式中，查机械手册得，f?21.9

lc2?ldown?1086mm

n?0.8nc?0.8?2507r/min?2006r/min 满足转速要求 （11）螺杆强度：

螺杆材料为45钢，调质处理，其许用应力[?p]?60MPa 螺杆当量应力：

?ca?(（5.7）

4F2T14?1502120)?3()?()?3()2?1.13MPa?[?p] ....2323?d20.2d23.14?13.50.2?13.5式中，T1?9.55符合强度要求

P1?120N?mm n(12)系统刚度计算Kb

刚性为机械刚度的指标，滚珠丝杠的刚性取决于螺杆与螺母之间轴向负荷珠槽接触刚性及螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽—螺杆及钢珠—珠槽两者间的刚性合二为一，成为螺帽刚性Kn，因此

111?? ....................................................................................................（5.8）KbKSKn2d217.752KS?16.8??16.8??4.32l02450F11.7Kn?0.8?R(P)3?0.8?442()3?617.6

0.1C0.1?25.611

?Kb?11??4.35N/?m KsKn5.3 锥齿轮设计

锥齿轮传动的特点：锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角S称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用90°。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小，如下图所示。由于这一特点，对应于圆柱齿轮中的各有关\圆柱\在锥齿轮中就变成了\圆锥\，如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单，但噪声较大，用于低速传动（＜5m/s）；曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点，用于高速重载的场合。本节采用S=90°的标准直齿锥齿轮传动。

图5.4 锥齿轮

计算条件：负载转矩T1?0.120N?m，直线锥齿轮，传动比为i?锥齿轮转速n1?3000r/min,n2?2000r/min

n03000??1.5，n2000材料为45钢，调质处理，齿面硬度HBS=217~255，齿面粗糙度RZ1?RZ2?3.2?m 锥齿轮设计计算：（计算部分由组员张益完成本人参与数据讨论修改） 1.初步计算：

电机轴端齿轮转矩T1?0.120N?m 载荷系数K?1.5 齿数比i?1.5