【文章內容簡介】 50 潔凈壓縮空氣 雙動 300mm/s M5氣缸安裝尺寸如圖 3－2 所示：10 / 47圖 32 QCJ2 系列雙作用微型氣缸安裝尺寸圖校核氣缸所能提供的拉力大小。使用壓力為 ，氣缸內徑為 10mm，活塞桿直徑為 4mm,可知氣缸所能提供的拉力為:=24?????..???N 30N,所以可以認為氣缸的選用是合適的。 水平運動機構動力學參數計算 螺紋傳動的強度設計與校核 執(zhí)行部件的水平運動由絲杠螺母運動副來實現，根據設計手冊中螺紋傳動的有關說明，選用梯形螺紋，初步確定絲杠大徑為 12mm。初定螺母高度為H=15mm，梯形螺紋牙型及基本尺寸見下面圖表。 11 / 47圖 33 梯形螺紋牙型(GB/) [4]表 33 水平運動梯形螺紋基本尺寸(GB/)公稱直徑 螺距(粗牙) 中徑 大徑 小徑d P 2dD?43D1d12 3 圖 34 螺紋連接受力分析圖前面的設計已假設執(zhí)行部件的總重量為 500g，現在根據絲杠的承載條件進行校核：現就一圈螺紋連接進行分析。 [1]螺母高度為 H=15mm，則螺紋工作圈數為 ,則每圈螺紋的153HmnP?承載重量為 500g/5=100g。每圈螺紋受重力為:G=mg=10N/kg=1N查表 513 得滑動螺旋副材料為鋼螺桿－青銅螺母，許用壓力[p]=, [1]12 / 47中徑系數 ???①.耐磨性校核 []∠B=arctan(3/)=176。 ???實際壓力為： MPadhH???查表 513 得許用壓力[P]=[1]P=[P]=可知耐磨性條件滿足使用要求。②.校核螺旋副是否滿足自鎖條件 [1]許用螺紋升角為 =arctan ==176。V?Vf實際螺紋升角為 3arctn().???可知螺旋副滿足自鎖條件。③.螺母螺紋牙的強度校核 []螺紋牙危險截面的剪切強度條件為： []FDbu?????設計的螺紋牙危險截面的剪切應力為： ???.??查得許用剪切應力為 120MPa，120MPa,因此，螺紋牙危險截面滿足剪切強度條件。螺紋牙危險截面的彎曲強度條件 為：[1] 26[]bbFlDu?????設計的螺紋牙危險截面的彎曲應力為：=??????查得許用彎曲應力為 150MPa，250MPa,因此，螺紋牙危險截面滿足彎曲強度條件。 水平運動步進電機的選擇由圖 可知， ????13 / 47要驅動絲杠，電機轉矩的最小值近似為： ????出于安全考慮，所選步進電機轉矩的最小值應大于 30 Nmm根據機械手上電機安裝空間及轉矩、步距角要求，選用混合式步進電機，初步確定型號為 42BYG017，電機參數如下表所示：表 34 42BYG017 步進電機性能參數電壓 電流 電阻 最大靜力矩 定位力矩 轉動慣量 重量V A ?Nmm Nmm g 2cmkg 15 140 15 20 其他參數：步距角為 176。環(huán)境溫度為－25～＋40℃溫升 85K此電機與水平運動絲杠通過減速比為 2 的齒輪連接，由此可知水平運動精度為：,???, 水平運動精度符合要求，因此可以認為水平運動步進電機的選擇是合理的。因絲杠螺母機構具有自鎖功能，因此，只要步進電機的靜力矩大于30Nmm，就能滿足使用要求。電機要達到的最大轉速為 206/min40???Vrr/i3電機安裝尺寸如下頁圖 3－5 所示：14 / 47圖 35 42BYG017 步進電機安裝尺寸 圖 豎直運動機構力學參數計算 螺紋傳動的強度設計與校核 運動箱體的豎直運動由絲杠螺母運動副來實現，根據設計手冊中螺紋傳動的有關說明，選用梯形螺紋，初步確定絲杠大徑為 20mm。初定螺母工作高度為H=25mm，梯形螺紋基本尺寸見下表。表 35 豎直運動梯形螺紋基本尺寸 (GB/)[4]公稱直徑 螺距(粗牙) 中徑 大徑 小徑d P 2dD?43D1d20 4 18 16前面的設計已假設執(zhí)行部件的總重量為 500g，豎直絲杠要承載的重量包括水平絲杠、水平導向桿、箱體和水平限位塊，其總重量初步定為 2022g，現在根據絲杠的承載條件進行校核：現就一圈螺紋連接進行分析螺母的工作高度為 H=25mm，則螺紋工作圈數為 ,?圈螺紋的承載重量為 2022g/=。每圈螺紋受重力為G=mg =10N/kg≈查表得滑動螺旋副材料為鋼螺桿－青銅螺母，許用壓力[p]=, 中徑系數 ??①.耐磨性校核 []絲杠軸向力: .7xFGN?15 / 47實際壓力為： MPadhH????查表得許用壓力[P]=P=[P]=，可知耐磨性條件滿足使用要求。②.校核螺旋副是否滿足自鎖條件 [1]許用螺紋升角為 =arctan ==176。V?Vf實際螺紋升角為 ，可知螺旋副滿足自鎖條件。4arctn()??③.螺母螺紋牙的強度校核 []螺紋牙危險截面的剪切強度條件為： []FDbu?????設計的螺紋牙危險截面的剪切應力為： ?????查得許用剪切應力為 120MPa，120MPa,因此，螺紋牙危險截面滿足剪切強度條件。螺紋牙危險截面的彎曲強度條件 為：[1]26[]bbFlDu????設計的螺紋牙危險截面的彎曲應力為： ??????=查得許用彎曲應力為150MPa，150MPa,因此，螺紋牙危險截面滿足彎曲強度條件。 豎直運動步進電機的選型豎直螺紋連接受力分析如右圖所示： 圖 36 豎直螺紋連接受力分析圖已知 ，則由圖可知： 20GFN? 2 ???16 / 47????豎直運動絲杠與步進電機通過減速比為 2 的齒輪副連接，電機轉矩的最小值近似為：，?????轉矩、步距角要求，初步選用混合式步進電機，型號 42BYG504，電機參數如下表所示：表 36 42BYG504 步進電機性能參數電壓 電流 電阻 最大靜力矩 定位力矩 轉動慣量 重量V A ?Nmm Nmm g 2cmkg12 10 1100 150 80 其他參數：步距角為 176。環(huán)境溫度為－25～＋40℃溫升 85K此電機與豎直運動絲杠通過減速比為 2 的齒輪副連接，由此可知豎直運動精度為：,???豎直運動精度為 ,符合運動精度要求，因此可以認為豎直運動步進電機的選擇是合理的。因絲杠螺母機構具有自鎖功能，因此，只要步進電機的靜力矩大于850Nmm，就能滿足使用要求。由此可知，步進電機 42BYG504 可以滿足使用要求。電機安裝尺寸同42BYG017，但尺寸 L 比電機 42BYG017 的要大的多。電機要達到的最大轉速為 ,則絲杠的最大轉206/min304???Vrr/i速為 150r/min。 轉盤運動機構動力學參數計算根據上面所做的設計，可以推知轉盤以及轉盤以上的部件總重量： 2zxMqt??其中 ＝2022g 為箱體及水平運動部件的重量， ＝800g 為豎直運動2M步進電機的重量， 為其他部件重量，比如上蓋板、豎直運動絲杠、導向桿、qt17 / 47轉盤等部件重量之和?！?000gzM前面的設計已確定轉盤的轉速為 ,由此可知轉盤運動部件的轉動慣量：參見設計裝配圖，我們可以看到，雖然水平運動是懸臂結構，但 M1 電機距離支撐桿距離很近，結構剛度較好，因此轉盤運動部件可以近似地認為是直桿，L=350mm。轉動慣量為： 222350141ZLJmkgm????轉盤的轉軸與步進電機通過減速比為 2 的齒輪副連接，步進電機轉動慣量的最小值近似為： ???考慮安全系數以及傳動中的能量損失，根據機械手上電機安裝空間及轉矩、步距角要求，初步選用混合式步進電機，型號 57BYGH803，電機參數如下表示：表 37 57BYGH803 步進電機性能參數電壓 電流 電阻 最大靜力矩 轉動慣量 重量V A ?Nmm g 2cmkg12 1400 440 其他參數：步距角為 176。 環(huán)境溫度為－25～＋40℃轉盤運動精度為 176。,則末端執(zhí)行部件的精度為 符合精度要求，??m選擇是合理的。步進電機安裝尺寸如圖 3－7 所示：18 / 47圖 37 57BYGH803 步進電機安裝尺寸圖19 / 47第四章 運動學設計 手爪部件及水平運動部件的設計 手爪部件的設計與校核如圖 4－1 所示，連接鉸鏈 1 與氣缸的活塞桿連接，鉸鏈 2 是自由的，轉軸3 的軸心固定在水平運動部件上。手爪與工件接觸的部分有防滑橡膠 4，增大摩擦阻力。夾持部件采用鋁合金材料經機械加工制成，裝配時通過螺釘與桿件連接，這樣的設計降低了加工成本，同時又減輕了結構重量。鋁合金材料選用鑄造鋁合金 ZAlSi7Mg，該鋁合金的特性如表 4－1 所示：圖 41 手爪部件設計圖表 41 鑄造鋁合金 ZAlSi7Mg 的特性主要化學成分 ,% 力學性能，≥ 特性和用途牌號 Si Mg Al/MPab?/%s?HBSZAlSi7Mg 余量 155 2 50耐蝕性、鑄造性能好、易氣焊；用于制作形狀復雜的零件，在海水中使用時，銅含量≤％20 / 47因本設計中的機械手夾持工件重量較小，手爪夾持部受力較小，因此該材料的力學性能能夠滿足使用要求。為減輕重量以及降低成本，桿件都采用不銹鋼薄板沖壓成形。不銹鋼型號選用 1Cr18Ni9Ti，鋼板厚度均為 1mm，其他尺寸如圖 41 所示。 水平運動部件的設計與校核水平運動部件包括水平運動絲杠、螺母和水平導向桿等。①.水平運動絲杠設計如圖 4－2 所示：圖 42 水平運動絲杠設計圖圖中，軸段 B、K 均是軸承安裝軸段，軸段 D 處安裝齒輪，軸段 C 為卡環(huán)安裝部位，卡環(huán)與右側的軸肩為齒輪提供軸向定位；軸段 H 為絲杠段，長度為135mm。因此可知水平運動部件的最大運動范圍為 135mm，因為機械手每次使用之前都要回參考點，因此，實際運動范圍必須小于 135mm，現確定實際運動范圍為 130mm。因為箱體由 2mm 厚不銹鋼板 A 經板金彎折而成，為便于水平絲杠及其支撐軸承的安裝，在箱體上焊接軸承座 M，軸承裝在上面。為保證傳動精度，制造過程中先將軸承座 M 的毛坯與箱體焊接在一起，再加工組件。在運動箱體和水平定位塊上都應有相應的定位裝置。因機械手的控制是通過單片機系統(tǒng)來完成的，所以定位裝置要提供一定的電流給控制系統(tǒng)。選用光電開關作為定位裝置。21 / 47光電開關型號選用 EE－SPX740 ，通過螺釘安裝在水平定位板上。EE－SPX740 光電開關的技術參數及安裝尺寸如下所示：表 42 EE－SPX740 光電開關技術 參數表檢測距離 標準檢測物體 誤差距離 應答頻率 電源電壓 耐沖擊 不透明 1 以上 小于1KHz DC524V177。10% 500 2/ms圖 43 EE－SPX740 光電開關安裝尺寸 圖光電開關要與控制系統(tǒng)進行連接，因此需要知道光電開關的接線圖：*為連接電晶體回路時的電壓輸出圖 44 EE－SPX740 光電開關接線圖為保證導向桿的導向精度，以及提高機械手的可維護性，將一對青銅導向套通過螺釘固定在鋁合金材料的水平運動板上，這樣，如果長期使用導致導向22 / 47套磨損，可以較容易地進行更換。兩水平導向桿末端都加工有螺紋，通過六角螺母將水平導向桿與水平限位板連接，便于安裝、拆卸，并且便于調節(jié)軸向距離。1 水平限位板，2 青銅導套 I，3 水平導桿 I，