机电一体化优秀课程设计.doc

机电工程学院
课程设计（项目设计）说明书
（ /第一学期）

课程名称 ： 机电一体化课程设计
题 目 ： 机械手伸缩臂设计
专业班级 ：
学生姓名 ：
学 号： 11008
指导老师 ：
设计周数 ： 2周

设计成绩 ：

目录
第1章 概论
1.1 中国机器人发展情况...................................................................................................3
1.2工业机械手组成及原理..................................................................................................4
1.3机械手应用......................................................................................................................5
第2章 机械手伸缩臂机械部分设计计算
2.1设计方案论证和确定.....................................................................................................6
2.1.1设计参数......................................................................................................................6
2.2机械手伸缩臂总体结构设计方案.....................................................................................6
2.3 实施装置设计方案........................................................................................................7
2.3.1 滚珠丝杠选择 ......................................................................................................7
2.3.2减速齿轮相关计算.................................................................................................13
2.3.3 电动机选择............................................................................................................18
第3章 液压控制系统设计和计算
3.1 设计方案........................................................................................................................20
3.2 液压回路设计................................................................................................................20
3.3 油泵选择设计............................................................................................................21
3.3.1油泵选择设计........................................................................................................21
3.3.2泵驱动电机选择设计............................................................................................22

第一章 概论

工业机械手是近几十年发展起来一个高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人一个关键分支。它特点是可经过编程来完成多种预期作业任务，在结构和性能上兼有些人和机器各自优点，尤其表现了人智能和适应性。业机器人机械手是模拟人手部动作，根据给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操纵自动装置，它是机械化、自动化关键手段。
机械手技术包含到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一个能自动化定位控制并可重新编程序以变动多功效机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不一样环境中工作。
工业机械手能够在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，和粗笨、单调、频繁操作中，替换人工作，含相关键意义。在机械加工中，冲压、铸造、铸造、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配和轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引发大家重视。机械手作业正确性和多种环境中完成作业能力，在国民经济各领域有着宽广发展前景。

1.1中国机器人发展情况

中国工业机器人发展于20世纪70年代，经过30多年发展，大致经历了三个阶段：70年代萌芽期，80年代开发期，90年代适用化期。
20世纪70年代是世界科技发展一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星软着陆。中国也发射了人造卫星，世界范围内工业机器人应用掀起了一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺劳动力。在这种情况下，中国于1972开始研究制造自己机器人。
进入20世纪80年代后，伴随改革开放不停深入，在高科技浪潮冲击下，中国机器人技术开发和研究得到了政府重视和支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机械人及其零部件进行攻关，完成了工业机械人成套技术开发，研制出了喷漆取得了一大批科研结果，成功地研制出了一批特种机器人。
从20世纪90年代早期起，中国国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮经济体制改革和技术进步热潮。中国工业机器人又在实践中迈出了一大步，前后研制出一批点焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等多种用途工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人 产业化基地，为中国机器人产业腾飞奠定了基础。
现在中国机器人研究关键内容以下：
① 示教再现型工业机器人产业化技术研究
这些研究关键包含：关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发；焊接机器人标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置开发；焊接机器人离线示教编程和工作站系统动态仿真；电子行业用装配机器人产品标注化、通用化、模块化、系列化设计；批量生产机器人所用专用制造、装配、测试设备和工具研究开发。
② 智能机器人开发
这些研究关键包含：遥控加局部自主系统组成和控制策略研究；智能移动机器人导航很定位技术研究；面向遥控机器人虚拟现实系统；人机交互环境建模系统；基于计算机屏幕多机器人遥控技术。
③ 机器人化机械研究开发
这些研究开发关键包含：并联机构机床和机器人化加工中心开发研究；机器人化无人职守和含有自适应能力多机遥控操作大型散料输送设备
④ 以机器人为基础重组装配系统
这些系统关键包含；开放式模块化装配机器人；面向机器人装配设计技术；机器人柔性化装配系统设计技术，可重构机器人柔性装配系统设计技术；装配力觉、视觉技术；智能装配策略和控制技术
⑤ 多传感信息融合和配制技术
该技术关键包含：机器人传感器配制和融合技术在水泥生产过程配制和污水处理自动控制系统中应用；机电一体化智能传感器设计应用。
1.2 工业机械手组成及原理
工业机械手是将圆柱形零件从传送带上股夹装到专用机床上，待加工完成后再夹装回传送带专用机械手(见示意图)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统和液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方法均为法兰盘螺栓连接。
机械手动作要求分为16步。从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完成后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。
圆柱形零件尺寸为直径100—140毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度。

图1-1 机械手立体机构示意图

1.3工业机械手应用
工业机械手最早应用于汽车制造工业，常见于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人手足和大脑功效，它可替换人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中工作；替换人完成繁重、单调反复劳动，提升劳动生产率，确保产品质量。工业机械手和数控加工中心、自动搬运小车和自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。
伴随工业机器人技术发展，其应用已扩展到宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗
福利领域。火星探测器就是一个遥控太空作业机器人。工业机械手也可用于海底采矿、深海打捞和大陆架开发等。在核科学研究中，机器人就常见于核工厂设备检验和维修。在军事上则可用来排雷和装填炮弹。机械手在医疗福利和生活服务领域中应用更为广泛，如护理、 导盲、擦窗户等。

第二章 机械手伸缩臂机械部分设计计算

2.1 设计方案论证和确定
2.1.1 设计参数
1. 伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂前端安装机械手，用于夹持工件；伸缩臂直线伸缩，完成工件工位转换；
2. 单方向伸缩时间：1.5—2.5s；
3. 定位误差要定位方法，定位误差小于2mm；
4. 前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。
2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案
经过本人反复思索及论证，先做出运动简图。现以下图2-1所表示，该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。由步进电动机（1）驱动，带动一级齿轮减速器（2）。经过减速器输出轴和丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，经过丝母直线运动，推进导向杆运动，利用电机正反转动实现伸缩换向。法兰用于安装机械手，组成图所表示结构。

图2-1 步进电机伸缩机构示意图

2.3 实施装置设计方案
2.3.1 滚珠丝杠选择
2.3.1.1滚珠丝杠副选择：
（1）由题可知：伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒 ，所以速度,初选螺距P=10mm （ 2.1 ） 则： （ 2.2 ）
（2）计算载荷：
（ 为载荷系数，为硬度系数，为精度系数）。
由题中条件，取 ，取 取D级精度，取
丝杠最大工作载荷 :
导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:
Ｆmax=F==300N （ 2.3 ）
则：
（3）计算额定动载荷值：由式（2-4）
（ 2.4 ）

所以
（4） 依据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副额定动载荷等于或稍大于标准，选择汉江机床厂HJG-S系列

汉江机床厂HJG-S型滚珠丝杠
规格型号
公称直径
基础导程
丝杠外径
滚珠直径
螺旋升角
循环圈数
螺母安装尺寸
额定载荷
接触刚度
D
D1
D2
B
M
d1
d2
h
dm
L
动载
静载

-3
20
4
19.5
2.318
3º39ˊ
3
36
60
48
11
4
10
5.8
6
M6
40
5295
11474
660

表2-1

HJS-S-3
此时
所以＜5295N
考虑多种原因选择FC1-5006-3。由表2-1得丝杠副数据：
公称直径 导程p=4mm 螺旋角
滚珠直径
按表2-1中尺寸计算：
滚道半径 （ 2.5 ）
偏心距 （2.6 ）
丝杠内径（ 2.7 ）
（5）稳定性验算
1）因为一端轴向固定长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构许可安全系数[S]（见表2-10）。丝杠不会发生失稳最大载荷称为临界载荷（N）按下式计算：
（ 2.8 ）
式中E为丝杠材料弹性模量，对于钢，E=206Mpa; l 为丝杠工作长度（m）L=450mm；为丝杠危险截面惯性矩；u为长度系数，见表2-10。
依题意：
（ 2.9 ）
取， 则
（ 2.10 ）
安全系数。查表2-10，[S]=3～4。S>[S]，丝杠是安全，不会失稳。
（6）刚度验算 :滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（N·m）共同作用下引发每个导程变形量:
（ 2.11 ）
其中 A——丝杠截面积
——丝杠极惯性矩
G——丝杠切变模量，对于钢
T——转矩
式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，为工作载荷，取摩擦系数，则ρ=8′40″ 则
T= （ 2.12 ）
按最不利情况取（其中F=）
（ 2.13 ）
则 : 丝杠在工作长度上弹性变形引发导程误差为：
（ 2.14 ）
通常要求丝杠导程误差应小于其传动精度（）1/2，即
（ 2.15 ）
该丝杠满足上式，所以其刚度可满足要求。
（7）效率验算：
滚珠丝杠副传动效率 为
（ 2.16 ）
要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。
经上述计算： Fa—5006—3 各项性能均符合题目要求，可选择。
2.3.1.2 滚珠丝杠螺距选择：P=4mm
2.3.1.3 滚珠丝杠有效长度：
依据结构设计确定，要确保有300mm伸缩长度，先对丝杠螺母进行选择。丝杠螺母选择内循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=40mm。依据其传动特点，要确保螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠有效传动长度为L=380mm。
2.3.1.4 滚珠丝杠安装结构：
采取双推简支式安装，一端安装支推轴承和深沟球轴承组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适适用于中速传动精度较高长丝杠传动系统。
由此可知：丝杠转速：
Pn=L/2 所以 （ 2.17 ）
2.3.1.5丝杠安装轴承选择
因为滚珠丝杠副支承形式采取是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，所以丝杠固定端（承重端）为左端，右端为游动端。
所以为了满足使用要求，左端轴承选择单向推力球轴承和深沟球轴承组合形式。推力轴承特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端径向位移，同时又要限制向右轴向位移，故选择角接触球轴承。这类轴承特点是能同时承受径向轴向联合载荷。
1)单向推力球轴承选择
2)初步选定为 51000型 代号为51406 d =30mm D =70mm T =28mm
校核基础额定载荷
经过所要求轴承寿命（等于丝杠寿命）算基础额定载荷
在实际工程计算中，轴承寿命常见小时表示
（ 2.18 ）
=63332.7N （ 2.19 ）
其中， C——基础额定动载荷（N ）
P——当量动载荷（N ）
——寿命指数 球轴承
n——轴承转速（r/min）
在使用寿命为15000小时要求下，推力球轴承应承受基础额定动载荷为63332.7N 。初步选择轴承额定载荷=72.5KN ，即＞C 所以满足使用要求。
这类单向推力球轴承数据以下表
推力球轴承
基础尺寸
基础额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
d D T

脂油
W
≈
51000型
mm
KN
r/min
kg
——
30 70 28
72.5 125
1900 3000
0.14
51406

表2-2
4)角接触球轴承选择
选择轴承型号为70000c（）, 具体数据见下表
角接触球轴承
基础尺寸
基础额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
d D T

脂油
W
≈
70000C型
mm
KN
r/min
kg
——
45 75 16
25.8 20.5
7500 10000
0.28
7009C

表2-3
5)深沟球轴承选择：
下端轴承只起游动和限制径向位移作用，所以采取深沟球轴承。选择60000型，具体数据见下表
深沟球轴承
基础尺寸
基础额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
d D T

脂油
W
≈
60000型
mm
KN
r/min
kg
——
30 42 7
4.70 3.60
13000 17000
0.026
61806

表2-4

2.3.2减速齿轮相关计算
2.3.2.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数：
（1）确定传动比 i==1.78 故此次设计采取一级减速
（2）根据工作要求，此次设计齿轮传动采取直齿圆柱齿轮开式传动。轮齿关键失效形式为齿面磨损，故此次设计采取硬齿面。
（3）选择齿轮材料及确定许用应力：
由表10-1选小齿轮材料为40MnB（调质）、硬度260HBS；大齿轮材料35SiMn（调质）、硬度230HB，制造精度系数为8级。
（4）估量丝杆功率:
摩擦功率 P摩=QV/60000f
式中： Q—摩擦力（N），Q=Fmax=300N；
V—直线传动中速度（m/min）；
V==9m/min； （ 2.20 ）
f—直线传动机械效率f=螺母*导向杆=92%*75%=69%;
故P摩==0.065KW （ 2.21 ）
参考卧式车床Pf=（0.03~0.04）Pi，
故取P摩=0.04P快 故P快=0.065KW/0.04=1.625KW
故P丝杆=P快*齿轮=1.625KW*0.95=1.54KW
(5) 选小齿轮齿数大齿轮齿数。
2.3.2.2按齿面接触强度设计
由设计计算公式（10-9a）进行计算，即
（ 2.22 ）
1）确定公式内各计算值
（1）试选载荷系数
（2）计算大齿轮传输转矩
=1.54/2250=N·mm （ 2.23 ）
=N·mm
（3）由表10-7选择齿宽系数
（4）由表10-6查得材料弹性模量
（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲惫
大齿轮接触疲惫强度极限；
（6）由式10-13计算应力循环次数：
（ 2.24 ）
（7）由图10-19查得接触疲惫寿命系数
（8）计算接触疲惫许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得
（ 2.25 ）
2）计算：
（１）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小值

（ 2.34 ）
（2）计算圆周速度v
（ 2.26 ）
（3）计算齿宽b：
（ 2.27 ）
（4）计算齿宽和齿高之比b/h
模数 （ 2.28 ）
齿高 h=2.25×1.15mm=2.59mm
b/h=23.0/2.59=8.89 （ 2.29 ）
（5）计算载荷系数
依据，8级精度，由图10-8查得动载系数
直齿轮，假设。由表10-3查得；
由表10-3查得使用系数 ；
由表10-4查得:
（ 2.30 ）
将数据代入
（ 2.31 ）
由b/h=23.0/2.59=8.89
查图10-13得；
故载荷系数:
（ 2.32 ）
（6）按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，由（10-10a）得
（ 2.33 ）
(7)计算模数m
取标准模数m=1.25 （ 2.34 ）
2.3.2.3校核齿根弯曲疲惫强度:
由式10-4得校核式为：
1） 计算圆周力： （ 2.35 ）
2） 齿形系数及应力校正系数：由表10-5得：
3） 齿形系数
4） 应力校正系数
5） 计算弯曲疲惫许用应力 （ 2.36 ）
（1）弯曲疲惫安全系数S=1.4
（2）由图10-20c按齿面硬度查得小齿轮弯曲疲惫强度极限；
大齿轮弯曲疲惫强度极限；
（3）由图10-18查得弯曲疲惫寿命系数；则：
（ 2.37 ）
6） 校核计算:
（1）由前知载荷系数
则： （ 2.38 ）
（2） 校核：

满足要求。
则： 取 （ 2.39 ）
所以 取 （ 2.40 ）
2.3.2.4 几何尺寸计算
1）分度圆直径：
（ 2.41 ）
2）中心距：
（ 2.42 ）
3）齿轮宽度：
（ 2.43 ）
取
4）齿顶圆直径：
（ 2.44 ）
（ 2.45 ）
5）齿根圆直径：
（ 2.46 ）
（ 2.47 ）
2.3.3.5 验算：
（ 2.48 ）
对照表11-2可知选择8级精度是合宜。
2.3.3.电动机选择
依据设计任务书要求选择3相6拍步进电机。
2.3.3.1确定各旋转件角速度
丝杆==1125r/min*2/60=117.75rad/s （ 2.49 ）
2.3.3.2确定各旋转件转动惯量：其中丝杆系效直径取为0.038m。
J丝杆==*78*10*0.04*0.43/32=0.8*10Kg•m（ 2.50 ）
2.3.3.3确定直线传动件质量
=m+m+m+m+m （ 2.51 ）
其中：m夹持器=20Kg，m导向杆=11Kg 取=50Kg
2.3.3.4转化到电机轴受骗量转动惯量
J= （Kg•m） （ 2.52 ）
式中： Wk—各旋转件角速度；（rad/s ）,
Jk—各旋转件转动惯量； （Kg•m）,
mi—各直线运动件质量；（Kg）,
V—-直线运动件速度；（m/s）,
W---电机角速度；（rad/s）
故J= J丝杆+
=0.8*10*+30*
=17.7*10 （ 2.53 ）
2.3.3.5确定克服惯性量所需电机上扭矩:
=J（N•M） （ 2.54 ）
式中： J—电机轴受骗量转动惯量（Kg•m）；
W—电机角速度（rad/s）；
t--时间，取t=0.27；
故M惯=1*10*=0.785N•M
2.3.3.6确定负载扭矩:
（ 2.55 ）
所以
最大静转矩
（ 2.56 ）
2.3.3.7选择电机
由最大静转矩，查机械设计手册 选90BF004
所选电机技术数据以下：
电机技术数据
规格
步距角（）
相数
最大静转矩（N·m）
最高空载
开启频率
步/s
运行频率步/s

电压
V

电流
A
90BF004
0.75
3
2
1500
8000
12
6

表2-5

电机外形尺寸
外径
长度
轴径
重量
110
181
9
3
表2-6

第三章 液压控制系统设计和计算

3.1 设计方案
(1）满足工业机械手动作次序要求；动作次序各个动作均由控制系统发讯号控制对应电磁换向阀根据十六个工布进动作。
（2）对回路要求；回转缸采取齿条缸作为实施原件正反方向均采取单向阀调整流，
（3）对手臂升降运动采取单出杆双作用缸，上升下降均采取单向调速阀调速器缓冲定位也是靠行程开关提前切断油路来完成，另外为了避免整个手臂因自重而下降在液压缸下腔油路安装平衡阀。
采取叶片泵供油，动作次序：从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——手腕回转——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完成后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——手腕回转——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。
上述动作均由电控系统发讯号控制对应电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。
3.2液压回路设计
（1）夹持器采取单出杆双作用缸，确保运动过程中不使工件下掉，夹持器夹紧工件后，由液控单向阀对夹紧缸进行锁紧，使之不受系统压力波动影响，保持牢靠地夹紧工件。
（2）底座回转采取摆动液压缸，正反方向均采取单向调速阀调速。因为回转部分重量大，回转长度长，所以手臂回转时含有很大动能。为此，除采取调速阀回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装行程节流阀，进行减速缓冲。
（3）手臂升降运动采取单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向次序阀，避免因整个手臂运动部分自重而下降，起支撑平衡作用。

图3-1 液压系统原理图
3.3 油泵选择计算
3.3.1油泵选择计算
考虑到实际工作情况和工业机械手实际工作需要，选择YBX型限压式变量叶片泵。
（1）确定三个缸流量QP:
A 升降臂缸：
（ 3.1 ）
B 夹紧缸：
（ 3.2 ）
C 回转缸：
（ 3.3 ）
（K取1.1）
（ 3.4 ）
（2）确定三个泵压力：
A 升降缸压力
B 夹紧缸：
C 回转缸：
（取） （ 3.5 ）
为进油路压力损失，所以泵额定压力可取：
（ 3.6）
（3）选择油泵具体型号为YBX-16,该油泵具体技术规格见下表
排量调整
额定压力
压力调整
额定转速
驱动功率
0~~16

2.0~~6.3
600~~1500

表3-1 油泵技术数据
3.3.2泵驱动电机选择计算
由公式计算电机功率：
其中为液压泵总功率取值为0.85
查电机产品样本：
电动机型号较适宜为Y100L-6型号异步电机额定功率: