四自由度上下料机械手结构设计及机构精度研究-机械综合实验与创新设计-中期进度报告.docx

四自由度上下料机械手结构设计及机构精度研究

中期进度报告

目录
一 绪论 1
1.1 前期主要工作 1
1.2前期工作总结 1
二 机械手设计方案 1
2.1 机械手工作性能要求 1
2.1.1 工件材料 1
2.1.2 搬运要求 1
2.1.3 机械手自由度数 2
2.1.4 机械手手部方案设计 2
2.1.5 机械手提升方案设计 2
2.1.6 机械手水平搬运方案设计 2
2.1.7 机械手驱动方案设计 2
2.1.8 机械手控制方案设计 2
2.2 机械手主要技术参数 2
2.2.1 机构运动简图 3
2.2.2 摆臂CD尺寸的确定 3
2.2.3 B点F点位置的确定 3
2.2.4 手臂极限工作状态分析 5
2.2.5 机构尺寸 6
2.3 传动方案的确定 6
三 手部结构设计 6
3.1电磁铁类型 6
3.2 电磁铁参数 6
3.3安装连接方式 7
3.4电磁铁的体积规格 7
四 气缸及气动系统设计 7
4.1气缸的设计计算 7
4.1.1气缸类型及安装形式 7
4.1.2活塞杆直径计算 7
4.1.3气缸筒内径计算 7
4.1.4气缸的行程 8
4.1.5气缸的运动速度 8
4.3气缸夹板 9
五 机械臂结构设计及校核 9
5.1 手臂结构强度设计与校核 9
5.1.1 材料及型材确定 9
5.1.2 摆臂与驱动臂连接夹板 10
5.1.3 配重质量的确定 11
5.1.4 摆臂设计及校核 11
5.1.5 驱动臂结构设计及校核 13
5.1.6 支撑臂设计 13
5.1.7 机械手质量计算 13
5.1.8 手臂转动惯量的计算 14
5.2手臂齿轮齿条的设计计算 15
5.2.1设计要求 15
5.2.2齿轮齿条的材料选择 15
5.2.3各系数的选定 15
5.2.4齿轮的设计参数，许用应力的选择 16
5.2.5齿轮的设计计算 17
5.3手臂齿轮的设计计算 18
5.4 机械手转臂处电机的选取 23
六 底座设计与校核 23
6.1 行星轮设计与校核及电机的选取 23
6.1.1 中心轮和行星轮设计 23
6.1.2 行星轮及大外轮与校核 28
6.1.3 齿轮具体参数 29
6.1.4齿轮润滑油的选取 30
6.1.5电机的选择 30
6.2导轨的设计计算 31
6.2.1导轨的类型 31
6.2.2直线导轨副截面 31
6.2.3滚动导轨载荷计算 31
6.2.4导轨的选取 33
6.2.5预期寿命 33
6.3 拖动导轨运动的齿轮齿条设计以及电机的选择: 33
6.3.1 齿轮齿条的设计 34
6.3.2 齿轮齿条具体参数 36
6.3.3齿轮润滑油的选取 37
6.3.4电机的选取 37
七 传感器和微动开关的选择 38
7.1 光电传感器的选择 38
7.2 微动开关的选取及其具体参数 38
八 后续工作 38

一 绪论
1.1 前期主要工作
前期工作我们把重点放在机械手机构和结构设计计算，具体工作如下：
确定技术参数：在满足功能要求的前提下，参考实验室上下料机械手的技术参数，结合上网查阅的工业机械手的实际生产应用，确定了机械手的设计方案，并对机械手的主要技术参数进行了选择，包括抓取工件的几何尺寸和质量、工作寿命、手臂运动参数、工作节拍、定位精度等。
确定技术方案和技术参数之后，我们展开了结构设计。我们根据技术要求选择电磁铁、气缸，确定气动系统的传动原理；确定摆臂的结构与材料，并进行校核；实现摆臂上下动作的齿轮齿条、齿轮的设计计算及电机的选择；实现机械手旋转动作的行星轮的设计计算和电机的选择；在上述设计完成后，精确计算机械手的质量，进行导轨的选择；实现机械手水平运动的齿轮齿条的设计计算和电机的选择；这样，我们基本完后了机械手的设计计算。
1.2前期工作总结
总的来说，前期工作完成的还是比较圆满的，经过大量的设计计算我们确定了机械手的结构尺寸和力学数据，主要零件的参数，为接下来的仿真分析和性能计算提供可靠的数据。在老师的指导帮助下，对设计的概念有了一个更加深刻的认识。在进行一些主要零件的设计计算过程中也遇到很多专业知识瓶颈，我们通过翻阅资料学习消化再进行计算。虽然期间经过一些磕磕绊绊，也遇到一些比较棘手的问题，但在我们小组成员的一起努力下，我们最终完成了这些工作。但是，仍然存在一些问题。三维建模工作由于过于乐观的估计了计算量的多少导致只是完成了一部分，由于对专业软件的不熟悉，影响了项目进度。这些都是我们在接下来的工作中需要注意的。
二 机械手设计方案
对于机械手的要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求他们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在特定位置精确定位的要求。因此，我们根据工件材料的作业技术要求，给定了最合理的作业顺序。之后在满足系统功能要求和条件的前提下，根据工件的结构形状和材料特性，进一步确定了机械手结构；同时在设计过程中，在满足工作条件的要求使用的前提下，尽量选用标准件，降低制造成本，并简化设计过程。
2.1 机械手工作性能要求
2.1.1 工件材料
工件重量 M=5kg，材料为灰铸铁，密度，
工件形状如图2-1所示：
图 2-1 工件几何形状
2.1.2 搬运要求
工件提升高度 H=650mm
生产节拍 T=12s
使用寿命
工件搬动距离 x方向搬运距离866mm，y方向搬运距离1600mm；如右图图2-2所示。
我们采用机械手来实现此功能要求，并在功能要求的基础上，我们确定了机构的设计技术方案及设计技术参数： 图2-2 水平搬运距离
2.1.3 机械手自由度数
由于工件在竖直方向和回转方向上都有运动，因此，将机械手自由度数确定为四个，即两个转动自由度（立柱回转自由度和摆臂上下摆动自由度）和两个移动自由度（立柱水平移动自由度和工件竖直移动自由度）。
2.1.4 机械手手部方案设计
由于工件材料为灰铸铁，所以采用吸附式电磁铁，方便快捷，可提高吸附效率。
2.1.5 机械手提升方案设计
按照工件材料提升要求在竖直方向上，工件的材料的提升由两部分组成：
（1）摆臂提升高度500mm；（2）气缸提升高度150mm，减小摆臂提升高度，可使结构更加紧凑。
2.1.6 机械手水平搬运方案设计
考虑到机械手水平搬运距离相对竖直提升距离较大，水平搬运主要由两部分组成：摆臂的回转和水平移动。
2.1.7 机械手驱动方案设计
由于气压传动动作迅速，反应灵敏，齿轮齿条传动寿命长，工作平稳，可靠性高，所以我们采用两种传动方案结合，实现机械手的传动。
2.1.8 机械手控制方案设计
由于专业所学知识有限，控制系统的设计暂不考虑、
2.2 机械手主要技术参数
生产节拍对机械手的速度提出了要求，我们根据机械手设计方案，对机械手各自由度运动时间及机械手运动方案进行了划分：（1）工件吸取时间1s；（2）机械手的摆臂提升、气缸提升及底座前进，三个运动同时进行，时间2s；（3）之后摆臂旋转90度，时间3s；（4）释放工件，时间1s；（5）摆臂旋转90度返回，时间3s；（6）机械手摆臂下降、气缸下降及底座后退，三个运动同时进行，回到初始位置，时间2s。这样完成了一个工作周期。
设计方案确定之后，根据生产节拍，确定了机械手的技术参数
1.抓重 5kg
2.机械手自由度 4
3.最大工作半径 1200mm；
4.摆臂运动参数 提升高度 500mm：提升时间 2s；
5.支撑臂运动参数 回转范围；回转速度；最大中心高1050mm
6.定位方式 微动开关和机械挡块
7.定位精度
2.2.1 机构运动简图
在确定了机械设计方案之后，我们确定了机械手的运动原理，来实现要求的机构功能，并画出了机械手的机构运动简图，如右图图2-3所示
其中，M点、N点分别为摆臂ＤＦ部分和ＣＦ部分的中点。

图2-3 机构运动简图
2.2.2 摆臂CD尺寸的确定
1.为满足搬运要求 取
2.为提供足够的旋转空间 取
3.防止机构尺寸太大 取配重杆长度
2.2.3 B点F点位置的确定
2.2.3.1 B点位置确定
为确定B点位置，对CD杆受力分析公式中各个点的位置及角角所表示角如右图图2-4所示：

对杆AD受力分析可得

图2-4 受力分析图
其中：：配重质量；
　　　：摆臂ＡＤ部分质量；
　　　：摆臂ＡＣ部分质量；
　 　：Ｃ点气动系统、电磁铁及气动系统夹板质量；
：在B点驱动臂BG对摆臂CD的力；
：分别表示对应图2-4中两点之间距离；
由此可得
所以由公式可知 当增大的时候，减小；
当增大的时候，即减小，减小，即F点下移；
所以，B点越靠近C点，F点越靠近O点，都会使所需减小。
因为当机械手处于最低状态时，最大，最大，所以取此极限状态进行分析。
前述可知，越大，越小；但是，越大，将导致BG杆过长，所以取=1000 mm。优点：（1）节省材料，防止驱动臂BG过长；（2）预留长度，为机械手装配留有足够空间，保证机械手强度。

2.2.3.2 F点位置确定
为了确定Ｆ点位置，先对特殊状态，即F点与B点处于同一水平高度，且 B点位于最低点处时，进行分析，机械手所处工作状态及点的位置间的关系如图2-5所示：

由几何关系可知 图2-5 假定最低工作状态
在垂直于杆AC 方向上分力
所以，有一半的力无法做功，从而导致电机功率太大。
所以，为了避免此位置，而且不会使驱动臂GB太长，取=550mm。
2.2.4 手臂极限工作状态分析
2.2.4.1 手部最高点状态
此时 机构相对关系如右图图2-6收拾，由此可确定驱动臂BG长度

图2-6 最高工作状态

2.2.4.2 手部最低点状态
此状态分析，可以帮助我们确定机械
手底座距离工件输送段的距离,并且确定驱动距离,符号及公示所表示意义如图2-7所示：

图2-7 最低工作状态
由余弦定理可知FF
所以，
为满足安装要求，各机械臂长度应留有足够的余量
现将各机械臂的长度调整如下：

由于能加的长度并不影响结构的强度，所以强度计算仍按调整前尺寸进行计算。
2.2.5 机构尺寸
在完成上述分析的基础上，机构的各部分尺寸就可以确定，如下图图2-8所示，为接下来的结构设计奠定了基础：

图2-8 机构尺寸
2.3 传动方案的确定
气压传动动作迅速，反应灵敏，齿轮齿条传动寿命长，工作平稳，结构尺寸紧凑，可靠性高，所以我们采用两种传动方案结合，针对各处传动特点，采用了如下方案，实现机械手的传动：C点处选用气压传动实现工件竖直方向提升150mm；F点处，选用齿轮齿条传动，实现摆臂GB的上下摆动；在0点处，选用行星轮传动，实现支撑臂的回转运动，同时选用齿轮齿条传动实现机械手的前进送料运动。
三 手部结构设计
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料，为了提升工件材料的抓取速度，并结合工件材料的材料特性，故选取了吸附式电磁铁。电磁铁都是为特定客户设计、生产,型号众多无法一一列举，我们把电磁铁的主要参数列举如下。
3.1电磁铁类型
交流电磁铁需要的骤增功率是同等直流电磁铁的两倍，而且直流电磁铁只要电压稳定，温升在很小的环境下，其提供的为稳定的磁场，保证被吸物能够稳定的吸在电磁铁上，所以选用直流电磁铁。
3.2 电磁铁参数
工作电压36V（DC） 初吸力（20mm）24V 3㎏
根据电磁铁工作状况，选用安全系数为1.5 终吸力（0mm）36V 7.5㎏
由机械手上的电磁铁工作性质可知，选用间歇式直流电磁铁、50%负载循、
C级线圈、绝缘等级B级-130℃
3.3安装连接方式
气压系统的采用外部螺栓连接，并在手部支架采用卡槽嵌入。
3.4电磁铁的体积规格
长×宽×高=80×60×40（单位mm)，查阅资料得电磁铁质量计算时取密度7.5g/，m=7.5×80×60×40×=1.44㎏
四 气缸及气动系统设计
气缸的优点，负载可以很大，动作很迅速，反应可以很快；对环境适应性好，可以在恶劣环境中使用。由于重物竖直方向提升距离较大，并且为使结构紧凑，竖直方向的提升距离部分由气动系统实现提升高度150mm，设计参考《机械设计手册4》。
4.1气缸的设计计算
4.1.1气缸类型及安装形式
气缸类型：机械手的运动要求气缸活塞向两个方向运动，所以选定双作用普通气缸。
安装形式：固定式气缸，前法兰MF1式。
4.1.2活塞杆直径计算
采用实心活塞杆，材料为40cr[3-47] 抗拉强度σ=980MPa
σ= σ= S-安全系数 S≥1.4
所以直径d ≥（4A/π）=0.339㎜
考虑到加工和冲击载荷，根据表24.2-5活塞直径系列，选取直径为10㎜。
技术要求：
（1） 直径d与气缸导向套配合，公差取f8，粗糙度Ra为0.8um
（2） 同轴度误差不大于0.02㎜
（3） 热处理：调质
（4） 活塞杆与活塞的连接：用螺纹连接
4.1.3气缸筒内径计算
活塞杆下行时产生的拉力F F=（DPη）
活塞杆上行时产生的拉力F F=（D－d）Pη
此结构中气缸工作频率一般，基本是匀速运动，其载荷率可取η=0.7－0.85，取最小值0.7。
由24-41一般气缸的正常工作条件工作压力为0.4－0.6MPa，取气缸的工作气压为0.5MPa，选取较大的D值。
D=(＋d）=(＋0.01）=0.018m=18㎜
气缸筒内径圆整（表24.2-4），取20㎜
4.1.4气缸的行程
气缸的行程与其使用场合及工作机构的行程比有关，不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，需加10-20㎜的行程余量，本机械手要求气缸的行程为150㎜，
考虑行程余量，所以行程为165㎜。
4.1.5气缸的运动速度
本气缸的真正的行程为150㎜，要求在3秒之内完成，取t=2秒，所以气缸的运动速度V==75㎜/s
4.2 气缸系统控制原理图
气缸系统控制原理图如图4-1所示
图4-1 气缸系统控制原理图

4.3气缸夹板
几何形状如图4-2，用于固定气缸，连接提升杆，增强结构刚度
选用7A04铝合金板材 公称厚度 8mm ，质量
图4-2 气缸夹板
五 机械臂结构设计及校核
5.1 手臂结构强度设计与校核
5.1.1 材料及型材确定
5.1.1.1 材料确定
查阅《机械设计手册》B1P3-290 表3.2-21，选取材料ZAlSi7Mg Zl101 J
材料强度，伸缩率
5.1.1.2型材确定
1）铝合金型号：HF-8-3030，截面图及参数如图5-1所示：

图5-1 HF-8-3030铝合金截面图及参数
2)铝合金型号:HF-8-3060,截面图及参数如图5-2所示：

图5-2 铝合金截面图及参数
5.1.2 摆臂与驱动臂连接夹板
用于连接驱动臂GB与摆臂CD，降低连接点B点处的应力，提高结构的强度和使用寿命，驱动臂连接夹板轮廓图如图5-3所示。

查阅《机械设计手册》第一册P3-355 表3.2-146，选用7A04型铝合金型材 工程厚度8mm ，质量

图5-3 连接夹板轮廓图
5.1.3 配重质量的确定
为了降低功耗，提高效率，决定在摆臂的末端设计配重，设计原则是使得机械臂在空载时，摆臂处于平衡状态，并且驱动臂提供驱动力接近为0.以摆臂水平状态时进行分析，受力图如图5-4：

图5-4 摆臂CD受力分析图

所以
为保证前端略重，去安全系数k=1.25
所以
配重材料选取铸铁，灰扎圆钢，d=55mm
《机械设计手册》第一册 P3-127 表3.1-133
5.1.4 摆臂设计及校核
由前述可知，当摆臂处于最低点状态时，并且提升工件时，结构处于最危险状态，所以对此状态进行分析，结构所处状态如前图2-7所示。
5.1.4.1 材料确定
摆臂采用HF-8-3030型铝材
5.1.4.2 强度校核

带入数据求得

作出结构剪力图与弯矩图，如图5-5所示。

图5-5 剪力图与弯矩图

由图5-4剪力图与弯矩图可知，A点弯矩最大，为最危险截面
所以
取安全系数K=10
则
所以，强度满足要求。
5.1.5 驱动臂结构设计及校核
驱动臂采用HF-8-3030型铝材
由前求可知，驱动臂GB最大应力
型材截面积HF-8-3030可由下述公式近似算出：

所以
所以满足要求
5.1.6 支撑臂设计
支撑臂主要受压，采用HF-8-3060型铝材，来提高支撑臂的强度，提高结构使用寿命
5.1.7 机械手质量计算
5.1.7.1立柱两侧肋板质量

查阅《机械设计手册》取公称厚度为10mm铝合金板材，

5.1.7.2支撑臂质量
支撑臂所需型材长度 L=400+550+30+30+40=1050mm
支撑臂横向连接型材长度 L2=200-302=140mm
所以总质量
材料为HF-8-3060
5.1.7.3 驱动臂BG质量

5.1.7.4.摆臂CD质量
摆臂所需型材长度
摆臂质量
5.1.7.5.气缸、电磁铁及夹板质量

5.1.7.6其他质量
电机、齿轮齿条、底座等质量
机械手工作时总质量
5.1.8 手臂转动惯量的计算
转动惯量的计算，为接下来底座旋转的驱动电机的选择做好准备。由大学物理知识可知，当机械手臂处于最高点状态时，转动惯量最大，所以取摆臂处于最高状态时进行分析：

对于摆臂CD的AC部分

对于驱动臂BG：

对于摆臂CD的AD部分：

对于配重

当提升重物时，在c点处总质量

对于B点处连接夹板、

系统转动惯量

5.2手臂齿轮齿条的设计计算
5.2.1设计要求
机械臂上下料时齿条的行程：L=274㎜ 齿条受到的最大轴向力：F=129.03N 机械手臂抬升和下降的时间：t=3s
选择齿轮齿条传递动力的原因：一方面齿轮传动比较容易做成模块化的机构，另一方面可以缩小机械体积便于模块化的装卸、检修。
5.2.2齿轮齿条的材料选择
确定齿轮齿条的疲劳极限应力
参考机械设计手册，选择齿轮齿条的材料为
齿轮：38SiMnMo，调质，硬度320-340HBS
齿条：35SiMnMo，调质，硬度280-300HBS
由图16.2-17及图16.2-26，按MQ级质量要求取值，查得
σ=790N/㎜ σ=760N/㎜；σ=640N/㎜ σ=600N/㎜
5.2.3各系数的选定
起升系统的最大功率P=F×V F=129.03N =91.33㎜/s
计算齿轮强度用的载荷系数k，包括使用系数k；动载荷系数k；齿间载荷分配系数k；及齿向载荷分配系数k； 即：
K=kkkk
1）使用系数
考虑齿轮啮合是外部因素引起的附加载荷影响的系数，该齿轮传动的载荷状态为轻微冲击，使用系数k取1.35。
2）动载荷系数
齿轮传动不可避免地会有制造及装配误差，轮齿变载后还需要产生弹性变形，由于啮合齿对刚度的变化，也要引起动载荷，k取1.0。
3）齿间载荷分配系数
对于直齿齿轮，取k=1
4）齿轮载荷分布系数
计算齿轮强度时，考虑齿面上载荷沿接触线分布不均匀现象，通常以系数 k 来表征齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的影响，取k =1.34
综上所述，最终确定齿轮系数k=kkkk=1.35×1×1×1.34=1.8
5.2.4齿轮的设计参数，许用应力的选择
1）压力角α的选择
我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为 =20
2）齿数z的选择
为使齿轮免于根切，应取Z≧17，这里取z=20
3） 齿宽系数 的选择
取Φ =0.4
4）预计工作寿命
3年，每年300个工作日，每个工作日10个小时
L=3×300×30=9000h
5） 齿轮的许用应力
[σ]=
式中：s-疲劳强度安全系数，对接触疲劳强度计算时，取S=1
k-考虑应力循环次数影响的系数，称为寿命系数
应力循环次数N的计算方法是：
N=60njL
n为齿轮的转速；j为齿轮每转一周时，同一齿面啮合次数；
L为齿轮的工作寿命；n暂取60（单位为r/min）
则N=60×60×9000=3.24×10
查机械设计手册3图16.2-18可得 k=1.2
[σ]===948MPa
σ=640N/㎜；K=1；s=1.2
[σ]===533.3MPa
当齿数z=20 ＞ 17 时，齿形系数Y=2.8，应力校正系数Y=1.55
基本参数选择完毕

5.2.5齿轮的设计计算
齿轮的设计公式：m≥
转矩T= nπmz=v×60
m≥=0.176
根据模数的常用值取m=2.5；n=35r/min
通过上述计算得m=2.5 z=20 所以分度圆直径d=50㎜
齿面接触疲劳强度计算公式(机械设计第四版.邱宣怀)
d≥2.32
式中[σ]的单位为MPa, d的单位为mm，其余各符号的意义和单位同前，由于传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以=1
查（机械设计手册第四版表12.12）
Z=189.8
d≥2.23=18.5㎜
取两者的偏大值d=50㎜
计算齿宽b==0.4×50=20㎜
齿条宽度要比齿轮齿宽要大，取齿条宽b=25㎜
齿条的高度，考虑到齿高和装配要求，取h=15㎜

最终确定齿轮数据：
模数m=2.5㎜ 齿数z=20 分度圆直径d=50㎜ 齿宽b= 20㎜
齿条宽 b=25㎜ 转速n=35r/min 齿条的高度h=15㎜
5.3手臂齿轮的设计计算
设计要求：取传动比为3，输出轴转速35r/min。设计参考《机械设计》第四版 邱宣怀

计算项目
计算内容
计算结果
材料选择
正火处理结构钢

硬度
小齿轮 硬度350HB
大齿轮 硬度320HB

转矩
T=9550=9550×
T=3215N·mm
齿宽系数

 值
由表12.16估计

接触疲劳
强度极限
由图12.17(b)

初步计算许用接触应力

初步计算小轮直径d1

初步齿宽 b

2.校核计算
圆周速度v

精度等级
由表12.6
9级
齿数Z
模数m
螺旋角β

取Z1=21

由表12.3，取mn=1.5 mm
Z=

Z1=20
Z2=60

使用系数KA
由表12.9 工作特性取
动力机轻微冲击；工作机均匀平稳
KA=1.1
动载系数KV
由图12.9 对于9级精度齿轮

KV=1.14
齿间载荷分系数
由表12.10先求

N/㎜

K=

齿向载荷分布系数

载荷系数K

弹性系数
由机械设计 表12.12

节点区域系数
由机械设计 图12.16

接触最小安全系数
由机械设计 表12.14
=1.05
总工作时间

=9000h
应力循环次数

接触寿命系数
由机械设计 图12.18
=1.28
=1.40
许用接触应力

验算

所以计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。
3.确定主要传动尺寸
中心距a

a=60
分度圆直径

d1=30mm
d2=90㎜
齿宽b

b=18 mm
取mm
㎜

4.齿根弯曲疲劳强度验算
重合度系数

齿间载荷分配系数

由表12.10，=
=1.43
齿向载荷分布系数

由图12.14
=1.41
载荷系数K

齿形系数
由图12.21

应力修正系数
由图12.22

弯曲疲劳极限
由图12.23

弯曲最小安全系数
由机械设计 表12.14
=1.25
弯曲寿命系数
由机械设计 图12.24

尺寸系数
由图12.25

许用弯曲应力

由上述计算的齿轮的具体参数如下表所示：
序号
名称
符号
计算公式及参数选择
1
模数
mn
1.5mm
2
螺旋角
β
0
3
分度圆直径

mm mm
4
齿顶高

1.5mm
5
齿根高

1.875mm
6
全齿高

3.375mm
7
顶隙

0.75mm
10
中心距

120mm
5.4 机械手转臂处电机的选取
由于机械手齿轮齿条工作时要求往复移动，即需要电机正反转，这里选用交流伺服电机，可以对转速很好地控制能力。
如下是根据实际生产状况所选取的交流伺服电机的部分参数：
型号：80ST-M02430. 级数：4级.
额定输出功率：750W. 额定转矩：2.4N*m.
瞬时最大转矩：7.2N*m. 电机转子惯量：1.06Kgcm
机械时间常数：0.95ms. 电气时间常数：6.47ms.
额定转速：3000rpm. 额定相电流：4.2A.
重量：2.7kg. 编码器线数：2500C/T.
额定电压:单相220V AC
六 底座设计与校核
6.1 行星轮设计与校核及电机的选取
6.1.1 中心轮和行星轮设计
立柱，配重，工件，支架，气缸，电磁铁等质量共18.68kg.再加上电机以及齿轮齿条的质量，共计22kg.
行星轮最大直径预估计为D行=360mm.除克服摩擦力矩外，使机械手正常工作所需转矩为T工=11.58N*m.
行星轮与底座水平接触，摩擦系数参见表4.1，取矿物油湿润金属表面，摩擦系数取0.2进行计算。g取9.8m/s2计。
则克服摩擦所需转矩Tm=μM总g*D/4*1000=0.2*22*9.8*360/4*1000
=3.88N*m.
总转矩为T总=T工+Tm=11.58+3.88=15.46N*m.

计算项目
计算内容
计算结果
材料选择
小齿轮 40Cr 调质处理
大齿轮 45钢 调质处理

齿形
直齿圆柱齿轮

啮合方式
外啮合

硬度
小齿轮 硬度241-286HB，平均取260HB
大齿轮 硬度229-286HB,平均取240HB

转矩
由先前所求
TII=15460 N·mm
齿宽系数
由表12.13，取φd=0.8
φd=0.8
 值
由表12.16 β=0°.取=82mm2
修正系数为1
=82mm2
接触疲劳
强度极限
由图12.17(c)

初步计算许用接触应力

初步计算小轮直径d1

初步齿宽 b

2.校核计算
圆周速度v

齿数Z
模数m

取Z1=30
由表12.3，取mn=1.5 mm
取Z2=90

Z1=30
Z2=90
使用系数KA
由表12.9 工作特性取
工作机中等冲击；动力机均匀平稳
KA=1.50
动载系数KV
由图12.9 对于9级精度齿轮
KV=1.05
齿间载荷分系数
由表12.10先求

由此

齿向载荷分布系数
由表12.11（对称支承 9级精度 装配时不检验调整）

载荷系数K

K=2.68
弹性系数
由机械设计 表12.12

节点区域系数
由机械设计 图12.16

接触最小安全系数
由机械设计 表12.14
=1.05
总工作时间

应力循环次数

接触寿命系数
由机械设计 图12.18
=1.25
=1.31
许用接触应力

验算

所以计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。
3.确定主要传动尺寸
中心距a

a取90mm
分度圆直径

d1=45.000 mm
d2=135.000mm
齿宽b

b取36 mm
4.齿根弯曲疲劳强度验算
重合度系数

=0.68
齿间载荷分配系数
由表12.10

=1.47
齿向载荷分布系数
由图12.14

=1.30
载荷系数K

K=3.01
齿形系数
由图12.21
=2.52
=2.21
应力修正系数
由机械设计 图12.22
=1.63
=1.80
弯曲疲劳极限
由机械设计 图12.23

弯曲最小安全系数
由机械设计 表12.14
=1.50
弯曲寿命系数
由机械设计 图12.24

尺寸系数
由图12.25

许用弯曲应力

验算

所以弯曲疲劳强度符合条件
6.1.2 行星轮及大外轮与校核
此时转矩为15460*8/3=41227N*mm.与原来相比变大了不到三倍，此时的大外轮尺寸为45*7=315mm.且外轮及底座运动所需的转矩由与大外轮内啮合的三组行星轮共同分担，每一行星轮所承受转矩为总转矩的三分之一，即41227/3=13742N*mm.即意味着小齿轮的尺寸及材料也足以满足该强度要求。现大外轮尺寸是小轮的近三倍，故强度必然合格，在此不作进一步验证。
下面验证行星轮正常工作的条件是否合格：
啮合方式：NGW 2K-H（负号机构）
齿数：Z1=30，Z2=90，Z3=210.
a.传动比条件
.
故传动比满足条件。
b.同心条件：

故满足同心条件。
c.装配条件：
=3.为行星轮个数，这里=3.
为整数。
故满足装配条件。
d.邻接条件：
=1.5*(90+2)=138mm.
=90mm.
满足邻接条件。

图 6.1 行星轮示意图 图6.2 结构简图

6.1.3 齿轮具体参数

序号
名称
符号
计算公式及参数选择
1
端面模数
mn
1.5mm
2
螺旋角
β
0
3
分度圆直径
d1 d2 d3
45.000mm,135.000mm,
315.000mm
4
齿顶高

1.5mm
5
齿根高

1.875mm
6
全齿高

3.375mm
7
顶隙

0.75mm
8
齿顶圆直径

48.000mm,138.000mm
318.000mm
9
齿根圆直径

41.250mm,131.2500mm
314.250mm
10
中心距

90.000mm,90.000mm
6.1.4齿轮润滑油的选取
GB5903-86，CKB抗氧防锈型工业闭式齿轮油，由精制矿物油加入抗氧防锈添加剂调配而成，有严格的抗氧、防锈、抗泡、抗乳化性能要求，适用于一般轻载荷的齿轮润滑。
6.1.5电机的选择
由于机械手工作时要求往复移动，即需要电机正反转，这里选用交流伺服电机，可以对转速很好地控制能力。根据上述计算，机械手工作所需总转矩为15.46N*m,则齿轮轴所需要的转矩为5.15N*m,电机拖动齿轮轴的传动比为1/3.则电机的转矩应至少为1.72N*m.选取点击时留一部分余量，一般选择电机连续扭矩为1.3倍的负载扭矩，这样可以保证电机可靠的运行。1.72*1.3