毕业设计（论文）物流系统的机械手搬运系统的设计.doc

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1、目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1引言11.2 机械手国内外研究现状11.3 工业机械手的发展趋势31.4 本课题的来源、目的意义及预期目标4第二章 传送带的设计计算62.1概述62.2永磁式低速同步电动机的选择62.3同步带传动设计计算7第三章 移位转盘机构的设计计算113.1直流电机的选择113.2齿轮传动的设计计算113.2.1齿轮传动的设计计算内容123.2.2齿面接触疲劳强度计算123.2.3弯曲疲劳强度验算163.2.4齿轮结构的设计183.3滚动轴承的选择计算183.3.1常用轴承的类型及特性183.3.2选择滚动轴承的类型的方法203.3.3滚动轴承寿

2、命的计算20第四章 四轴联动机械手设计计算224.1直流伺服电机的选择224.2步进电机的选择234.2.1应用中需要注意的几点：234.2.2步进电机的具体选择依据244.2.3混合式步进电机控制系统优缺点264.2.4 计算选择274.3滚珠丝杠螺母副的设计计算284.3.1滚珠丝杠特点284.3.2滚珠丝杠型号的选择294.3.3滚珠丝杠的支承和支承方式304.3.4滚珠丝杠的验算304.3.5滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧334.3.6 防护、密封与润滑及其他注意事项334.3.7联轴器的选用34总结36参考文献37致谢38第一章 绪论1.1引言机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些

3、动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由

4、度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手其实概念上有很多，一些自动化装置上，以机械结构为主，实现手部分功能，但智能控制、关节数、传感器都比较少，或干脆没有，但往往也被叫做机械手。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能

5、部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.2 机械手国内外研究现状 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能

6、自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最

7、多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模

8、应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机

9、械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3 工业机械手的发展趋势目前，工业机械手

10、大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。未来发展具体方向为：1) 工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模

11、块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。 3) 工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4) 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5) 虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业

12、环境中的感觉来操纵机械手。 6) 当代遥控机械手系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。 1.4 本课题的来源、目的意义及预期目标本文重点对TVT-3000E中的机械手搬运系统进行设计。TVT-3000E物流系统是由机械手搬运系统单元、货物自动识别缓冲系统单元、堆垛系统单元、自动化仓库系统单元所组成。采用PC-LINK网络或HOST-LINK或PROFIBUS总线构成的现代物流控制系统。主要完成货物的装配与搬

13、运，货物的自动识别与缓冲传输，货物的堆垛以及货物的自动仓储。于是我们提出了设计物流系统中机械手搬运系统的课题，根据机械手搬运系统实际状况让学生综合运用所学的基础理论,专业知识和基本技能来设计机械手搬运系统，从而进一步实现物流的自动化。TVT-3000E由机械手装配搬运单元、货料自动识别缓冲单元、堆垛单元、自动化仓库单元共4个单元组成。其特点为每个单元自成系统，可分别单独运行，用户可根据实际需要自行选择单元进行组合，可构成9种培训系统，并具二次开发功能，标准接口可以直接与工控机I/O采集卡对接实现工控机控制系统。TVT-3000E模块化现代生产物流培训系统涵盖了PLC控制与网络技术、变频调速技术

14、、传感器检测技术、步进电机和伺服电机的控制技术、PROFIBUS总线技术、计算机监控技术以及气动技术等。作为物流培训系统，为确保人身与设备安全，该系统的硬件设计中具有漏电保护功能，短路保护功能，急停保护功能，智能诊断功能，各种限位保护功能等。由于系统的电气接线采用了具有逻辑的各种模块式接口，这样既简化了接线，节省了空间，又给系统的调试与检修带来了方便，增加了硬件的隔离保护功能，测试功能和信号连接与转换功能，便于各种故障的设置，完成各种排故的训练，同时各模块组成的单元具有硬件保护功能，如限位保护功能等。该系统还设有手动和自动转换功能，在系统的自动运行过程中，若发现负载过载或接口出错时，可将其自动

15、档切换至手动档，按动操作面板上的各种按钮，检查每一步的系统运行状态，即可方便的排除故障完成系统的调整。系统的软件设计，采用高速计数器，脉冲输出定位等完成了系统的位控功能、PWM变频调速功能、计算机监控功能和网络通信功能。该系统涵盖了PLC控制技术、变频调速技术、传感器检测技术、步进电机和交流伺服电机控制技术、网络技术、计算机监控技术以及气动技术，可实现上述工业控制各种高新技术的训练与培训。作为各类高等院校机电一体、电气自动化、机械制造、物流等专业的教学实验装置与各种职业技术学院、中专、技校技能培训的教学实习装置。根据机械手搬运系统实际状况让学生综合运用所学的基础理论，专业知识和基本技能来设计机

16、械手搬运系统，完成机械手搬运系统的结构设计和控制系统的设计，从而进一步实现物流的自动化。本课题要完成的主要目标就是设计物流系统的机械手搬运系统。第一，机械手搬运系统的结构设计，首先掌握机械手搬运系统的工作原理；然后对其机械结构进行详细设计，包括四轴联动机械手机构、货物传送带机构、货箱推出机构、货料平动机构、货料推出机构和货物移位转盘机构的结构设计。 第二，机械手搬运控制系统的设计，首先分析在整个单元的运动形式，然后确定电控系统的主要组成部分并对其电控系统进行详细设计，最后利用PLC实现对机械手搬运系统的顺序控制。第二章 传送带的设计计算2.1概述带传动是具有中间挠性件的一种传动，能够缓和载荷冲

17、击，且运行平稳、无噪声，制造和安装精度不想齿轮那样严格，所以带传动得到了很广泛的应用。本文的带传动包括两个部分，即普通平带传动和同步带传动。在平带中应用最多的是胶帆布平带，其强度高且价格低廉，此外还有麻、丝或锦纶等材料编织而成的编织带；承载层为涤纶绳，表面覆以耐磨耐油胶布或聚氨酯的高速带；承载层为锦纶片的强力锦纶带等。本文中的普通平带所带动的载荷不是很大，故可采用应用最多的胶帆布平带，且无需进行强度校核。而带动平带运转的传送机构采用同步带传动，所受转矩较大，需进行强度校核。故只进行同步带传动的设计与校核，包括永磁式低速同步电机的选择和同步带的设计计算。2.2永磁式低速同步电动机的选择本文中带传

18、动是低速重复，短时工作的生产机械，应尽量选用低速电动机直接传动，而不需要选用减速器，本文选用永磁式低速同步电动机。永磁式低速同步电机是一种无减速齿轮装置由电机直接得到低转速（60转/分）的新型同步电动机，可简化传动机构，免除齿轮减速机构的噪声。其特点为可靠性高，使用寿命长，运行时振动小、噪音低，转速稳定，启动力矩大，启动时电流无冲击，负载变化时电流变化极小，具有一定的自锁能力；且能瞬间启动、倒转和停机等。永磁式低速同步电机可作为低速驱动系统中的驱动元件。凡需要低速直接传动的场合，均可采用这种电机，若配以变频电源，则可变换电机转速以适合各种需要。这里选用的电机型号为55TDY4，其主要性能参数为

19、：额定电压 220V 额定频率 50Hz最大输入电流0.075A 最大输入功率16W同步转速 60r/min 额定转矩 300mMm绝缘 E级2.3同步带传动设计计算本文所选用的某些电机采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了同步带传动。同步带可以用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，同步带的工作面有齿，带轮的轮缘表面也有相应的齿槽，带与带轮是靠啮合进行传动的，故传动比恒定。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为承载层，氯丁橡胶或聚氨酯为基体。这种带薄而且轻，故可用

20、于轻高速度。同步齿形带无相对滑动，传动比准确，传动精度高；采用伸缩率小、抗拉抗弯曲疲劳强度高的承载绳，因此强度高，可传递超过100kW以上的动力；厚度小、质量小、传动平稳、噪声小、适用于高速传动，传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%；无需特别张紧，对轴和轴承压力小，传动效率高；不需要润滑，耐水耐腐蚀，能在高温下工作，维护保养方便，所以同步带的应用日益广泛。其主要缺点是工艺复杂，制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离成为节距，以p表示，节距是同步带传动的主要参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线。通

21、常位于承载层的中线，节线以表示。同步带型号分为最轻型MXL、超轻型XXL、特轻型XL、轻型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七种。同步带传动原理如图2-1所示。 图2-1齿形带传动图2-1 同步带传动原理示意图设计计算如下：选取 载荷状况平稳，每天工作小时h，选=1.2计算功率 =P=1.216=19.2W （2-1）带型和节距 查表选取带型号为XL 节距p=5.08mm；基准宽度=9.5mm；需用工作拉力=50N； 质量q=0.022kg/m；小带轮最小齿数=10齿数 选=14， =1=14 （2-2）带轮节圆直径 （2-3）带速 v= （2-4）初定中心距 1.5（）a2() （2-5）

22、 通常取a=（1.52）（），初选中心距a=80mm计算带长 （2-6） （2-7）带长 （2-8） 查表选取标准节线长度558.8mm， 节线长上的齿数z=110实际中心距： （2-9） 小带轮啮合齿数 =7 （2-10）基本额定功率 3.5W （2-11） 同步带基准宽度所能传递的功率 基准宽度的同步带的需用工作拉力 q基准宽度的同步带质量带宽 =42.3mm （2-12） 啮合齿数系数，根据小带轮啮合齿数选取；6时取=1轴上载荷 =274.3N （2-13）第三章 移位转盘机构的设计计算货物移位转盘机构由带有四个方型孔位的转盘、定位气缸、转盘基座、型材基体四部分组成。其中转盘基座内含货物

23、到位检测传感器和2个定位传感器。带有四个方型孔位的转盘由直流电机驱动。定位气缸规格为10-35型，使带有四个方型孔位的转盘精确定位。移位转盘机构的设计计算主要包括直流电机的选择、齿轮传动的设计计算以及校核计算，和滚动轴承的校核计算。3.1直流电机的选择小齿轮传动的功率和转矩都较小，因此可由直流电机直接驱动，选择直流电机的型号为37RG240，具体参数如下所示：电压： DC12V额定转速： 20r/min输出扭矩： 20kg.cm 1Nm=10.2kgcm重量： 0.2kg3.2齿轮传动的设计计算齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达20

24、0m/s，直径能做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在机器中应用广泛。和其他机械传动相比，齿轮传动的主要优点是：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围广等。主要缺点是：齿轮制造需要专用机床和设备，成本较高；精度较低时，振动和噪声较大；不适用于轴间距离较大的传动等。齿轮传动应满足两项基本要求：1）传动平稳要求瞬时传动比不变，尽量减小冲击、噪声和振动；2）承载能力高要求在尺寸小、重量轻的前提下，齿轮的强度高、耐磨性号，在预定的使用期限内不出现断齿等失效现象。在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等，基本上

25、都是围绕这两个基本要求进行的。3.2.1齿轮传动的设计计算内容齿轮传动的设计计算主要有选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数等。1）齿轮类型 由于齿轮传动是为带动机械手的转动，传递的扭矩不太大，故可采用直齿圆柱齿轮传递动力。2）精度选择 齿轮精度等级的选择是根据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度等决定的。机械手的转动速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。3）材料选择 齿轮材料的选择应具备下列条件：1）齿面具有足够的强度，以获得较高的抗点蚀抗磨粒磨损抗胶合和抗塑性流动的能力；2)在变载荷下有足够的弯曲疲劳强度；3）具有良好的加工和热处理工艺性；4）价格较低。最常用的材料是钢，钢的品

26、种很多，且可通过各种热处理方式获得适合工作要求的综合性能。4）传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮材料用40Cr，调质处理，硬度为260HB，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HB。5）齿数选择 选小齿轮齿数z1 =20，大齿轮齿数z2 =iz1 =520=100。3.2.2齿面接触疲劳强度计算1）初步计算小齿轮传递的转矩 =20kg.cm=1960齿宽系数 查表可得 =1.0齿宽b 和小齿轮分度直径的比值称为齿宽系数（）为便于装配和调整，根据和求出齿宽b后在将小齿轮宽度加大5mm10mm，但计算时按大齿轮宽度计算。接触疲劳极限 由图可得Hlim1=710Mpa，Hlim2=580M

27、Pa初步计算的许用接触应力 （3-1） 值由表可得，取=90初步计算小齿轮直径 （3-2） 取=20mm初步齿宽120=20mm （3-3）2）校核计算圆周速度 （3-4）精度等级 由表12.6，选8级精度齿数z和模数m 初取齿数=20z2 =iz1 =520=100则选取z1 =20，z2 =100使用系数 由表10-2查得使用系数KA=1.5；动载系数 根据=0.489m/s，8级精度，由图10-8查得动载荷系数KV=1.2；齿间载荷分配系数 （3-5） （3-6）由此得=齿向载荷分配系数 由表12.11 （3-7）载荷系数K （3-8） 弹性系数由表12.12，钢的弹性系数=189.8节

28、点区域系数 由图12.16，取=2.5接触最小安全系数 由表12.14，取=1.05总工作时间 预期使用年限十年，每年300个工作日，单班制，在使用年限内，工作时间占20%。故总工作时间为=10=4800h应力循环次数 （3-9）接触寿命系数 由图12.18，=1.22=1.35许用接触应力 （3-10）验算（3-11）计算结果表明，接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整，否则，尺寸调整后还应再进行验算。3）确定主要传动尺寸分度圆直径d模数取标准值时，齿轮齿数确定，且与初选齿数相同，无需进行调整，故分度圆直径不会改变，即 （3-12）中心距 （3-13）齿宽 取=25mm ， =20mm3.2

29、.3弯曲疲劳强度验算重合度系数 （3-14）齿间载荷分配系数 由表12.10， （3-15）齿向载荷分配系数 由图12.14，取=1.32载荷系数K齿形系数由图12.21，=2.46=2.19应力修正系数由图12.22，=1.65=1.8弯曲疲劳极限 由图12.23c，=600MPa=450MPa弯曲最小安全系数 由表12.14，取一般可靠度，可得=1.25尺寸系数 由图12.14，=1.0 应力循环次数由表12.15，估计，则指数 m=6.23 （3-16） 原应力估计次数正确 弯曲寿命系数 由图12.24，=1.15 =1.5许用弯曲应力 （3-17） 验算 （3-18） 传动无严重过载，

30、故不作静强度校核这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。3.2.4齿轮结构的设计齿轮的结构主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分尺寸由经验公式求得。对于小齿轮，齿轮直径比轴的直径大得多，则不论是从制造还是从节约贵重材料的观点，应该把齿轮和轴分开。本文中的小齿轮因可转速较低，故而设计时可将电机轴与小齿轮直接采用过盈连接，而不需要使用联轴器，从而简化了结构，节省了材料。对于尺寸较大的大齿轮，因小齿轮与大齿轮之间的啮合关系是内啮合，因此需要固定大齿轮的外缘。齿圈用较好的钢制造，大齿轮与转盘之间用过盈连接，并且

31、加装4个紧定螺钉。3.3滚动轴承的选择计算3.3.1常用轴承的类型及特性1）调心球轴承主要承受径向载荷，同时也能承受少量的轴向载荷，因为外圈轨道表面是以轴承中点为中心的球面，故能调心允许偏转角是在保证轴承正常工作条件下内、外圈轴线间的最大夹角。2）调心滚子轴承承受很大的径向载荷和少量轴向载荷，承受能力较大，滚动体为鼓形，外圈滚道球面，因而具有调心性能。3）推力调心滚子轴承能同时承受很大的轴向载荷和不大的径向载荷。滚子承腰鼓形，外圈滚道是球面，故能调心4）圆锥滚子轴承能同时承受较大的径向、轴向联合载荷，因系线接触，承载能力大于“7类轴承。内、外圈可分离，装拆方便，成对使用。5）推力球轴承只能承受

32、轴向载荷，而且载荷作用线必须与轴线相重合，不允许有角偏差。高速时，因滚动体离心力大，球与保持架摩擦发热严重，寿命降低，适用于轴向载荷大、转速不高之处，紧圈内孔直径小。6）深沟球轴承主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的轴向载荷。当转速很高而轴向载荷不大时，可代替推力球轴承承受纯轴向载荷。7）角接触球轴承能同时承受径向、轴向联合载荷，公称接触角越大，轴向承载能力也越大。公称接触角有、 、三种，通常成对使用，可以分别装于两个支点或同装于一个支点上。8）圆柱滚子轴承能承受较大的径向载荷，不能承受轴向载荷。因系线接触，内、外圈只允许有极小的相对偏转轴承内、外可分离。9）滚子轴承只能承受径向载荷，承载能

33、力大，径向尺寸特小，一般无保持架，因而滚针间有摩擦，轴承极限转速低，这类轴承不允许有角偏差。轴承内外圈可分离可以不带内圈。 3.3.2选择滚动轴承的类型的方法1）当载荷较大或有冲击载荷时，宜用滚子轴承；当载荷较小时，宜用球轴承。2）当只受径向载荷时，或虽同时受径向和轴向载荷，但以径向载荷为主时，应用向心轴承；当只受轴向载荷时，一般应用推力轴承，而当转速很高时，可用角接触球轴承或深沟球轴承；当径向和轴向载荷都较大时，应采用角接触轴承。3）当转速较高时，宜用球轴承；当转速较低时，可用滚子轴承，也可用球轴承。4）当要求支承具有较大刚度时，应用滚子轴承。5）当轴的挠度变形大或轴承座孔不同、跨度大而对支

34、承有调心要求时，应选用调心轴承。6）为便于轴承的装拆，可选用内、外圈分离的轴承。7）从经济角度看，球轴承比滚子轴承便宜，精度低的轴承比精度高的轴承便宜，普通结构轴承比特殊结构的轴承便宜。3.3.3滚动轴承寿命的计算主动轴处轴承的校核：选用的轴承型号为6203，由高等学校教材第四版机械设计 查得，1）径向负荷：由以上轴承的计算可得：小齿轮处所受径向力 双片齿轮处所受的径向力故该轴承所受总径向力为2）当量动载荷： （3-19）查手册，取（无冲击或轻冲击）3）确定轴承的寿命 （3-20）由计算可知选用6203轴承能够满足使用要求。经校核，其余各处轴承均能够满足使用要求，但由于篇幅所限，加之计算过程多

35、有重复，其余各轴承的校核从略。第四章 四轴联动机械手设计计算四轴联动机械手机构结构由伺服电机驱动可旋转角度270的气控机械手（具有光电传感器）、由步进电机驱动丝杠组件构成沿X、Y轴移动装置（含x、y轴限位开关）、可回旋270的转盘机构（其电气部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等）以及型材基体四部分组成。四轴联动机械手的作用是将传送带上的货物搬运到指定的位置上。当货物落入传送带上，由传送带将货物传送至机械手工作区，被传感器检测到后，机械手开始动作。机械手移至传送带上货物的上方，机械手张开，向下移动，机械手夹紧货物，升起，四轴联动机械手底盘旋转，同时机械手在丝杠的作用下沿X、Y轴直线运动，机械

36、手将货物放置在预定的位置上。此时进入3000E2货料自动识别缓冲系统单元的自动分检传送带的始端。四轴联动机械手的设计计算涉及到步进电机的选择、直流伺服电机的选择、滚珠丝杠螺母副的设计计算及强度验算以及轴承和联轴器的选择。对于齿轮的设计计算和校核已在带传动中详细叙述，此处就不再赘述。4.1直流伺服电机的选择直流伺服电机分为有刷和无刷电机，其各具特色，简介如下：有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳

37、定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 选择伺服电机也并没有什么特定的规律可循，关键的是你所选择的电机必须适应你负载运动的工作要求。比如在系统精度要求不高、运动速度在几百转以下（不超过500转）但不至于过低（大于1转），不需要频繁起停的情况下，步进电机是一种很好的选择。这是因为步进电机开环控制，控制精度低，速度太高，电机扭矩会下降的很快，将带不动负载，速度过低会出现转动不连续的爬行现象，而且步进电机的响应也不快，不适合频繁启动的应用场合。当运动速度几转到3000多转以下时，控制精度相对

38、要求较高，可以选择直流或者交流伺服电机。一般情况下，交流伺服电机低速特性不如直流伺服电机，如果负载工作于较低速，建议选择直流伺服电机。本文中控制机械手的电机控制精度要求较高，且负载处于较低速运行，可选用直流伺服电机。经过考虑，选择直流电机的型号为MSMA5AZA1G，其基本参数为：额定电压 12V额定电流 1.0A额定工作频率 200Hz额定输出功率 0.05kW额定转速 3000r/min4.2步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与

39、输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。4.2.1应用中需要注意的几点：步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BY

40、G采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。应遵循先选电机后选驱动的原则。4.

41、2.2步进电机的具体选择依据步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。选用1.5度。静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载

42、和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图4-1所示： 图4-1 选择电机的步骤力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。4.2.3混合式步进电机控制系统优缺点步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进