板式换热器板片质量在线自动检测系统的设计-自动上下料装置【任务书+SolidWorks+CAD+说明书】.rar

摘 要本次设计的自动上下料装置主要是用于完成代替人工完成板式换热器板片检测线的自动上下料，提高生产效率降低人工劳动强度。在对本次课题进行研究设计时首先通过查阅大量相关的资料了解各类上下料机械手的结构，分析对比不同传动方式的和抓取方式，选择最合适本次课题的传动及方式和抓取方式以及机械手结构然后确定其整体方案。本次设计的上下料机械采用的是悬臂式三坐标机械手，升降机构采用的是丝杠传动，旋转机构采用的是齿轮传动，抓取方式采用的是真空吸盘抓取方式。在设计时主要是通过完成升降机构的丝杠传动的参数和结构的设计，完成旋转机构齿轮传动的参数计算和结构设计，抓取机构的吸盘真空吸力和选型来完成整个上下料的设计。然后利用 SolidWorks 三维软件完成其整体三维模型的建立以及主要承载平台架体的有限元分以保证其运行的稳定和可靠性。关键词：关键词：自动上下料；丝杠机构；齿轮机构；真空吸盘AbstractThe automatic loading and unloading device designed in this paper is mainly used to complete the automatic loading and unloading of plate heat exchanger plate detection line instead of manual completion,improve production efficiency and reduce manual labor intensity.In the research and design of this topic,first of all,through consulting a large number of relevant information to understand the structure of various loading and unloading manipulators,analyze and compare different transmission methods and grasping methods,select the most suitable transmission and grasping methods and the structure of the manipulator for this topic,and then determine its overall plan.The design of the loading and unloading machinery is a cantilever type three-dimensional manipulator,the lifting mechanism is a screw drive,the rotating mechanism is a gear drive,and the grasping method is a vacuum suction cup.In the design,mainly through the completion of the lifting mechanism of the screw transmission parameters and structure design,complete the rotating mechanism of the gear transmission parameters calculation and structural design,grab the mechanism of the suction cup vacuum suction and selection to complete the entire loading and unloading design.Then,SolidWorks 3D software is used to complete the establishment of the overall 3D model and the finite element analysis of the main bearing platform frame to ensure the stability and reliability of its operation.Key words:automatic loading and unloading;Lead screw mechanism;Gear mechanism;Vacuum sucker目 录摘 要.1Abstract.2第一章 绪 论.41.1 研究课题的背景和意义.41.2 研究课题的国内外发展状况.51.国内研究状况.51.2.国外发展状况.6第二章 整体方案的确定.82.1 各个传动机构的传动方式确定.82.2 抓取方式的选择.92.3 整体方案的确定.103.1 直线导轨选型进而计算.113.2 升降机构滚珠丝杠的设计计算.133.3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷.18第四章 旋转机构的设计.213.1 齿轮旋转机构的设计及计算.214.2 驱动电机的选型.234.3 底座回转轴校核.24第五章 气动抓取结构的设计.285.1 吸盘安装架的设计.285.2 真空吸盘的选型与计算.28第六章 有限元分析及运动仿真.306.1 有限元分析.306.2 整体结构的三维建模.326.3 总体结构的运动仿真.32总 结.35参考文献.36致 谢.38第一章 绪 论1.1 研究课题的背景和意义随着工业技术的快速发展和能源效率要求的不断提高，板式换热器作为一种高效、紧凑的换热设备，在化工、石油、制药、电力等行业中得到了广泛的应用。板式换热器的主要工作元件是板片，这些板片通常由金属材质制成，经过特殊的加工和成型后，被叠加在一起，形成流体通道，以实现热量的交换。然而，在板式换热器的生产过程中，板片的上下料操作一直是一个耗时且劳动强度较大的环节。传统的板片上下料操作通常由人工完成，不仅效率低下，而且容易因为操作不当导致板片损坏或安装位置不准确，从而影响换热器的整体性能。此外，随着生产规模的扩大和自动化水平的提高，对板式换热器板片上下料操作的要求也越来越高，传统的人工操作方式已经无法满足现代生产的需求。因此，开发一种高效、准确的板式换热器板片自动上下料装置成为了当前的研究热点。这种装置可以实现对板片的自动抓取、定位和放置，提高生产效率，降低劳动强度，同时减少人为因素对产品质量的影响。此外，随着机器人技术和自动化控制技术的不断发展，为板式换热器板片自动上下料装置的研发提供了强有力的技术支持。在现有的研究中，已经有一些学者和工程师对板式换热器板片自动上下料装置进行了初步的探索和研究。他们通过设计不同的机械结构和控制系统，实现了对板片的自动抓取和放置。然而，这些装置在精度、稳定性和可靠性等方面还有待进一步提高。因此，本论文旨在通过对板式换热器板片自动上下料装置进行深入的研究和探讨，提出一种更加高效、准确的自动上下料方案，为板式换热器的生产提供有力的技术支持。自动上下料装置能够显著减少人工操作的时间和劳动强度，实现板片的快速、准确抓取和放置，从而大大提高板式换热器的生产效率。这对于满足日益增长的市场需求，缩短产品交货周期具有重要意义。通过自动化控制，自动上下料装置能够确保板片在装配过程中的准确性和一致性，减少人为因素导致的安装误差和板片损坏。这有助于提高板式换热器的整体性能和使用寿命，提升产品质量。自动上下料装置减少了人工操作的需求，降低了劳动力成本。同时，通过提高生产效率和产品质量，还可以减少生产过程中的浪费和不良品率，进一步降低生产成本。板式换热器板片自动上下料装置的研发和应用，是推动工业自动化发展的重要一环。它不仅能够解决传统生产方式中的瓶颈问题，还能够为其他类似设备的自动化改造提供借鉴和参考。随着环保意识的提高，工业自动化技术也在向着绿色、低碳、环保的方向发展。自动上下料装置的应用能够减少生产过程中的能源消耗和废弃物排放，符合绿色生产的要求。板式换热器作为一种高效、紧凑的换热设备，在多个行业中都有广泛应用。自动上下料装置的研发成功，不仅能够满足板式换热器生产的需求，还能够拓展到其他类似设备的生产中，具有广阔的应用前景。综上所述，板式换热器板片自动上下料装置论文的研究意义在于提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、促进工业自动化发展、响应绿色环保要求以及拓展应用领域等多个方面。这对于推动工业自动化技术的发展和应用具有重要意义。1.2 研究课题的国内外发展状况1.2 研究课题的国内外发展状况1.国内研究状况1.国内研究状况中国当前位居全球机器人使用与保有量的榜首，并拥有超过 500 家独立的研究机构和单位，这些机构致力于工业机器人的深入研究和产业化发展。然而，尽管市场需求巨大，研发资源丰富，中国的工业机器人在性能、技术层次和产业规模上与国际前沿水平仍存在显著差距。这一差距主要源于在工业机器人发展过程中，中国与企业的紧密结合不足，以及对国外技术的过度依赖，这导致了自主创新和技术创新能力的欠缺，从而限制了工业机器人产业的快速进步。因此，在国民经济中，我国的基础制造业仍然较为薄弱，自主研发的工业机器人数量寥寥无几。尽管中国机器人数量在持续增长，但在技术和质量方面，与国际先进水平仍存在较大差距，这需要我们迫切提升相关领域的研发水平和创新能力。中国机器人行业的发展起步较晚，始于 20 世纪 70 年代初。起初，研究步伐较为缓慢，但自 1985 年机器人发展被列入国家计划后，其发展速度显著加快。特别是在 2015 年“中国制造 2025”战略提出后，中国的机器人技术实现了质的飞跃。当前，中国对机器人的需求持续旺盛，每年安装的机器人数量稳居世界首位。因此，自 2012 年起，我国自主加大对机器人研发制造的投入，催生了一批本土优秀品牌，如广州数控、沈阳新松、东莞起帆、上海沃迪、安徽埃夫特等，这些品牌已广泛应用于各类企业的工业生产中，并取得显著成效。目前，中国的机器人应用主要集中在汽车制造业、电子工业、金属加工业和食品制造业等领域。随着技术的不断进步，预计机器人将在医疗、军工、国防等更多行业中发挥更大作用。虽然中国已经掌握了机器人研发制造的基础技术，但在一些关键零部件等核心环节，由于缺乏核心技术，仍高度依赖进口，这在一定程度上削弱了我国机器人行业的市场竞争力，导致国内市场主要由几家外资品牌主导。自 2008 年劳工成本大幅上升以来，工业机器人在中国制造业中逐渐崭露头角。那一年，我国新增的机器人数量高达 7500 台，几乎是前 24 年销售总量的三分之一。展望未来，机器人将作为一种标准设备得到广泛应用，成为推动中国工业自动化技术与应用发展的中坚力量。1.2.国外发展状况1.2.国外发展状况机械手臂的发展历程始于美国，美国联合控制公司在 1958 年便引领了行业先河，推出了首款机械手。这款机械手设计独具匠心，配备了可旋转的长臂，顶部装有电磁块，可精准地抓取和放置工件。其控制系统采用了先进的示教型结构，极大地提高了操作效率。四年后，即 1962 年，美国联合控制公司再次创新，推出了名为 Unimate（意为“万能自动”）的数控示教再现型机械手。这款机械手的运动系统借鉴了坦克炮塔的设计理念，实现了臂部的全方位运动回转、俯仰、伸缩，其动力则来源于高效的液压驱动系统。控制系统则运用了磁鼓作为存储装置，保证了操作的稳定性和精确性。许多球坐标通用机械手都受到了这一设计的启发，并在此基础上得到了进一步的发展。同年，美国机械制造公司也成功研制出了 Vewrsatran 机械手。这款机械手的中央立柱具备回转和升降功能，同样采用液压驱动，并且其控制系统也沿用了示教再现型设计。这两款在六十年代初诞生的机械手，无疑为全球工业机械手的发展奠定了坚实的基础。到了 1978年，美国 Unimate 公司与斯坦福大学、麻省理工学院强强联合，共同研发出了Unimate-Vicarm 工业机械手。这款机械手配备了小型电子计算机进行精准控制，专门用于装配作业，其定位精度极高，误差小于1 毫米。与此同时，联邦德国 KnKa公司也推出了点焊机械手，其采用了先进的关节式结构和程序控制。随着技术的不断进步，越来越多的国家开始关注并参与到机械手臂技术的研发中来，共同推动了这一领域的全面发展。自上世纪 90 年代起，德国、英国及欧洲多国在机器人技术领域迈入了一个兴盛的阶段。与此同时，日本在机械手臂的研发上亦取得了非凡成就，其研发广度和深度均在全球首屈一指，因此被誉为“机器人王国”。在北美洲和欧洲机器人技术蓬勃发展的二十年之后，中国和亚洲的一些国家也崭露头角，迅速崛起为机器人技术发展的新引擎。全球市场对机械手臂的庞大需求，更是推动了这一领域迈向了一个崭新的发展阶段。然而，从技术实力的全面视角来看，美国、欧洲和日本仍然牢牢掌握着工业机器人生产的核心技术，并持续作为高端工业机器人生产的主要地区保持领先地位。这些国家和地区均成功研发出各具特色的工业机器人，为全球工业自动化和智能化的发展作出了巨大贡献。回顾机器人的演进轨迹，自第二次工业革命后，日本便牢固确立了其在机器人产业中的领导地位。多年来，日本一直稳居全球机器人生产和应用榜首，其机器人保有量更是占据全球总量的四成以上，同时在机器人技术领域持续保持前沿地位。近年来，通过一系列有针对性的产业政策，日本进一步推动了技术创新与产业发展。作为机器人的诞生地，美国机器人行业也保持着稳定且强劲的发展势头。其技术特点鲜明：首先，机器人具备高精度和高稳定性，性能全面；其次，机器人智能化水平高，特别是在视觉技术方面，已广泛渗透到高端汽车和航天领域；再者，美国已广泛运用智能机器人替代人工，尤其在军工等高风险行业中。除了日本和美国，英国、法国、德国、意大利等欧美工业强国，也基于本国工业发展的需要，大力投入机器人产业的研发与生产，并取得了显著成就。目前，许多工业发达的国家都涌现出了一批知名的机器人制造商，这些企业大致可划分为欧系和日系两大体系。日系代表企业有发那科、安川、OTC、三菱等，而欧系企业则包括史陶比尔、杜尔、ADEPT、意大利的 COMAU 公司以及奥地利的 GM 重工等。这些跨国企业不仅在国内经济中占据核心地位，而且在国际上也具有强大影响力，几乎主导了整个机器人行业的走向。第二章 整体方案的确定2.1 各个传动机构的传动方式确定目前传动方式主要由齿轮传动，带传动，链传动以及丝杠传动等。1、齿轮传动具有传动精度高、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长等。齿轮传动可以在平行轴、相交轴、交错但是其制造和安装要求较高，成本也较高；对环境条件要求较严，需要防尘防垢和重视润滑；不适用于相距较远的两轴间的传动；减振性和抗冲击性不如带传动等柔性传动好。2、带传动的工作原理是将旋转运动转化为带的直线运动，或者通过带轮的摩擦或啮合将动力从一个带轮传递到另一个带轮。它具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、造价低廉、不需润滑以及维护容易等特点，因此在近代机械传动中应用十分广泛。但是带传传动效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈，传动比不明确等。此外，带传动需要通过打滑来提高设备的防过载能力，这可能导致传动效率降低。3、链传动是一种通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的传动方式。链传动具有许多优点，如能保持准确的平均传动比、无滑动、作用于轴的压力小、结构紧凑、传动效率高、承载能力强、能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作等。链传动广泛应用于许多领域，包括机械制造、冶金、矿山、农业和交通运输等。在机械制造领域，链传动常用于机床、工作台、输送机和提升设备等。在冶金和矿山领域，链传动被应用于炼铁设备、破碎机和输送系统等。在农业中，链传动用于拖拉机、收割机和灌溉设备等。此外，链传动还被广泛应用于自行车、摩托车和工业车辆的传动系统中。然而，链传动也存在一些缺点，如瞬时传动比不恒定、传动平稳性差、传动有噪音和冲击等。此外，链传动仅能用于两平行轴间的传动，成本也较高，易磨损，易伸长。4、丝杠传动是一种通过螺旋性的丝杠和螺母配合传递力量的机械传动方式。丝杠传动的主要工作原理是丝杆上具有螺纹，螺母内部也有相应的螺纹，当丝杆转动时，由于螺纹的转动，螺母将沿着丝杆轴线移动一定的距离，从而实现了线性位移的传递。丝杠传动的优点在于其传递效率高、精度高、传动准确性好、运动平稳等特点，因此在各种需要保持精度、需要线性移动的领域具有广泛的应用前景。例如，CNC 机床是丝杠传动的主要应用场景之一，丝杠传动在 CNC 机床中可以实现高精度的运动，从而保证加工质量。此外，丝杠传动还在自动化生产线、航空领域、机器人技术等领域得到了广泛的应用。然而，丝杠传动也存在一些缺点。由于丝杠螺母传动方式是摩擦传动，传递的动力需要克服摩擦阻力，导致传动效率较低。同时，丝杠螺母传动中，螺杆和螺母之间的摩擦会导致磨损和疲劳，长期使用会导致失效和故障。此外，丝杠传动还需要进行良好的润滑和维护，以确保其正常工作。综合上述分析对比各种传动机构的优缺点再结构本次抓取的板式换热器板片的要求和特点，上下料装置的升降主机构采用的是丝杠传动，其旋转机构采用的是齿轮传动。2.2 抓取方式的选择真空吸盘抓取方式在工业自动化和物料搬运领域具有显著优点，这些优点主要体现在以下几个方面：1、易操作与灵活性：真空吸盘的操作非常简单，只需要连接吸盘与真空泵的管路，开启真空泵即可。这种方式不需要复杂的夹具安装、调整以及夹具的维护，从而提高了生产效率和降低了使用成本。同时，真空吸盘可以通过调整吸盘的数量、形状、大小和吸取力大小，灵活地适应不同形状或者不规则形状的物体。2、强大的吸持力：真空吸盘可以产生大量连续的真空吸力，使其能够高效、稳定、精准地吸附负载。这种吸持力不仅可以在很大程度上保证吸盘在工作过程中不会失效或脱落，还能确保在搬运过程中负载的稳定性和安全性。3、对工件的友好性：由于真空吸盘通常由橡胶材料制成，其在吸取或放下工件时不会对工件造成任何损伤。这种特性在一些对工件表面要求特别严格的行业中尤为重要，例如玻璃、陶瓷、电子元件等制造业。4、无污染：真空吸盘是一种环保的物料搬运方式，它不会产生光、热、电磁等污染。这有助于维护工作环境的清洁和安全，降低对工作人员的健康影响。5、高自动化程度：真空吸盘可以与机器人、自动化生产线等系统进行无缝连接，实现高度自动化的生产。这种自动化程度不仅提高了生产效率和生产质量，还可以减少工作人员受物理伤害的风险，并实现 24 小时的连续运作。6、长使用寿命：真空吸盘采用高耐磨、高强度的材料制成，在操作过程中具有较长的使用寿命。此外，真空吸盘的维护也非常简单易懂，只要定期对其清洗和维护，就可以保证它的长期、稳定使用。综上所述，真空吸盘抓取方式以其易操作、灵活性、强大的吸持力、对工件的友好性、无污染、高自动化程度以及长使用寿命等优点，在工业自动化和物料搬运领域得到了广泛应用。因此本次设计采用吸盘抓取方式。2.3 整体方案的确定根据上述分析和对比确定了其升降机构、旋转机构以及抓取机构的方式因此其整体方案的如稀土 2-1 所示：1-真空吸盘、2-吸盘架、3-悬臂、4-丝杠螺母、5-滑块、6-丝杠、7-伺服电机、8-旋转电机、9-减速机、10 小齿轮、11-大齿轮、12-旋转轴、13-立柱、14-导轨、15-轴承支撑组件、16-底座图 2-1 上下料装置第三章 升降机构的设计3.1 直线导轨选型进而计算1、导轨摩擦力计算（1）计算在工作状态下的垂直方向导轨摩擦力F。gfWF 公式中：W升降部件的全部重量。导轨摩擦系数，取=0.1；gf导轨预紧力，查表得gf=75N。取计算重量 M=120kg，W=120kg9.8N/kg=1176N。计算导轨摩擦力F。gfWF=0.01（1176+75）=125.1N（3）滚动直线导轨的选型一般是根据经验确定导轨的承载能力，根据导轨的规格，再计算寿命。导轨承载能力和导轨规格经验一般有表 3-1 所示。表 3-1 导轨载重和规格表承载量/N 3000以下 30005000 500010000 1000025000 2500050000 5000060000导轨规格 30 35 45 55 65 85查阅上隆电子样本中相关导轨产品手册，其结构和安装方式如下图 3-1 所示，其具体参数如下图 3-2 中的参数表所示：图 3-1 MH 系列导轨滑块结构和安装方式图图 3-2 MH 系列导轨的参数（4）滚动直线导轨的计算 距离额定寿命 H 和时间额定寿命hH可以用以下公式计算：mgwacthKFCfffffH 50 hnlHnlHHH3.86023 公式中：hf硬度系数，一般要求滚道的硬度不得低于 58HRC，故通常可取hf=1；tf温度系数 af接触系数wf接触系数aC额定动负荷（N）F计算载荷（N）l行程长度（m）n每分钟往返次数对直线滚动导轨进行载荷计算。直线滚动导轨支承系统的载荷，在各种因素的影响下形成以下导轨的配置形式(水平、垂直、水平方向)、运动部件的重量和受力点的位置、导轨运动部件对牵引点、起、终止点的惯性力和运动阻力。据此选用 30 型滚动直线导轨。3.2 升降机构滚珠丝杠的设计计算1、计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力滚珠丝杠螺母副的轴向载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动主轴箱时对滚珠丝杠施加的轴向力，也称进给牵引力 轴向负载力：FWFa公式中：W升降部件的全部重量。F计算导轨摩擦力。将参数带入上式得：NFa1.13011.1258.9120 2、滚珠丝杠的动负荷计算与直径估算1确定滚珠丝杆的导程 maxmaxinvLo 公式中：maxv移动部件的最高移动速度（mm/min）；i传动比，当滚珠丝杆与电动机直接连接时 i=1；maxn电动机 的最高转速 r/min初步选用：mm5oL（1）.计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速in。min/20010513021rLvn 公式中：oL为滚珠丝杠的导程 min/60010533041rLvn （2）.按式计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）转速mnmin/1001001002211mrnqnqnqnnn =（103050101201602004000100100100100）=560r/min（3）.按表计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）载荷 FmF1=FamaxF2=Famin+20%FamaxF3=Famin+5%FamaxF4=Famin按公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷 Fm。Fm=3322321131100100100mnnnmmnqnFnqnFnqnF 3.确定滚珠丝杆预期的额定动载荷amC（1）按预定工作时间估算。amC=cawmhmfffFLn100603 N 公式中：mn滚珠丝杠的当量转速，取mn=600r/min；hL数控机床的预期工作时间，由已知条件可知道hL=20000 h；mF滚珠丝杠的当量载荷，取mFcf可靠性系数，查资料，一般情况下可靠性系数应达到 97%，取cf=0.44；af精度系数，查资料，根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为 2 级精度，取af=1；wf负荷系数，查资料，根据负荷性质，有轻微冲击，取wf=1.3。amC=cawmhmfffFLn100603 （2）因为滚珠丝杠预期的额定动负荷amC。amC=maxaeFf N 公式中：ef预加负荷系数，查资料，按中预载选取ef=4.5。amC=maxaeFf 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md21）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形量max必须满足下式：max=（2131）重复定位精度m 从定位精度的角度考虑，规定滚珠丝杠允许的最大轴向变形量max必须满足下式：max=（4151）定位精度m 已知机床的定位精度为 20m，重复定位精度为 10m，则max=（3121）10m=（3.335）m max=（1514）20m=（45）m 取上述计算结果较小的值，max=3.33m，即允许滚珠丝杠的最大轴向变形越小越好。2）估计允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md2。滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，则md210ELFmax10=max039.0LF 公式中：L滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离。L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度2100 2mdmax039.0LF=12.363 3）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的0L、amC、md2和结构的需要，按滚珠丝杠副的额定动载荷0C大于amC，dm22.55mm 的原则，本次设计初步选择 HIWIN 精密研磨级内循环双螺母 FDI40-5T4 型滚珠丝杠，其公称直径为0d、基本导程0L、额定动负荷2d，其具体参数为：导程 P：5mm、螺纹长度为 2100mm、动负载 1599kgf=15999.8=15670.2N，aC=15670.2 NamC=4529.6N 2d=37.324md2=12.63 故满足要求。4）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力PFPF=31maxaF=31282.65 N=94.2 N 5）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力（1）计算目标行程补偿值t。t=utL=utL11610 公式中：t温度变化值（23C），取t=2C；丝杠的线膨胀系数（m/C），取=11610m/C；uL滚珠丝杠副的有效行程（）。uL=Z 轴行程+安全行程+2余程+螺母长度=2100t=utL=utL11610=112520610=0.011（2）计算滚珠丝杠的预拉伸力tFtF=utLAE=Edt422=1.81t22d N 公式中：2d滚珠丝杠螺纹底径（），取2d=37.324E弹性模量（MPa），取 E=2.1510 MPaA滚珠丝杠轴的截面积2mm；t滚珠丝杠的温升变化值（23C），取取t=2C。3.3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷1压杆稳定性的计算。由于滚珠丝杠属于细长杆，其螺纹长度（有效长度）L=2100mm，其长径比=4L/d2。表 3-2 螺杆支撑方式和系数螺杆支承方式螺杆支承简图长度系数系数1两端固定0.54.730一端固定，一端不完全固定0.64.730一端固定，一端铰子0.73.927两端铰子1.03.112一端固定，一端自由2.02.875本丝杠采用 2 端固定方式取=0.5 得，长径比=4L/d2=40.5550/37.324=29.5 当40 的时候需要进行压杆稳定性计算，由于丝杠采用淬火处理，可以按公式计算：Fc=4d0002.01490232 Fc/Famax4，故满足要求。2滚珠丝杠螺母副临界转速 nc 的校验。滚珠丝杠螺母旋转时共振的最大转速是 nc 的临界转速。对于数控机床来说，滚珠螺母副的最大速度是指其快速运动的速度。因此，只要速度不超过此时的临界速度。出于安全考虑，滚珠丝杠螺母的最大转速应低于临界转速。临界转速可按公式计算:cn=31max/)1.0(aacCFK r/min 公式中：L2临界转速的计算长度；E滚珠丝杠弹性模量（Mpa），一般取 E=2.1105Mpa；滚珠丝杠密度（g/mm3），一般取=g17.810-5N/mm3；g 重力加速度（g/3mm），g=9.8310 g/3mm I滚珠丝杠的最小惯性矩（mm4），一般取 I=42d64；A滚珠丝杠的最小截面积（mm2），一般取 A=22d4；K1安全系数，取 K1=0.8与支承方式有关的系数，查表 3-3，表 3-3 螺杆支撑方式有关的系数支撑方式K2f一端固定,一端自由0.251.8753.4一端固定,一端游动23.92715.1两端固定44.7321.9本丝杠采用两端固定方式，滚珠丝杠距离固定端最远距离 L2=570mm。滚珠丝杠的最小惯性矩为：4264dI 滚珠丝杠的最小截面积为：4264dA 则：1K安全系数，取1K=0.8；与支撑有关的系数，由表 3-16 得=4.73cn=AEILK2221260 本丝杠的最高转速为 3000r/min，小于其临界转速，故满足要求。3.滚珠丝杠螺母副额定寿命的验证。滚珠丝杠螺母副的寿命主要是疲劳点蚀。它是同一批尺寸、规格、精度的滚珠丝杠在相同的转数条件下，90%的情况下没有发生疲劳剥落的总时间。疲劳寿命 L 及寿命时间hL的计算:L=6310waaFFCr hL=nL60h 公式中：aC额定动负荷（N），查滚珠丝杠样本得aC=15670.2 NaF轴向载荷（N），取aF=maxF=300Nn滚珠丝杠螺母副转速（r/min），取 n=maxn=3000 r/minwf运转条件系数；一般运转时取wf=1.2；L=6310waaFFCr=9.861010 r hL=nL60h=547777.8 h丝杆传动副在设计丝时，其使用寿命应保证为hL20000h，根据上述计算可知第四章 旋转机构的设计3.1 齿轮旋转机构的设计及计算3.1 齿轮旋转机构的设计及计算旋转机构用来实现上下料 360 度旋转功能，为了保证定位的准确定必须保证证齿轮传动匀速、平稳，为此齿轮的加工精度要求较高。一、齿轮主要参数的选择1）模数。在齿轮传动中，模数主要是根据齿轮所传递的功率、采用的材料、齿轮宽度、齿轮所能承受的强度等通过计算确定的，模数越大，齿轮的截面积越大，它的承载能力、强度就越大，对于码垛机械手的来讲实际载荷较大，参考现在成熟的关节机械手所选用的模数，对齿轮进行强度核算，齿轮的弯曲、应力及接触应力远远低于许用应力。根据计算为了避免因齿轮磨损产生齿形误差，影响传动平稳性，出现啮合不稳定的现象，现选用齿宽mm30B，这样可大大降低接触应力，提高齿轮耐磨性。模数的选择主要考虑重叠系数。重叠系数大，传动平稳。但模数大，齿数小，同时重叠系数变小，影响传动平稳性。因此，在保证齿轮强度和耐磨性的条件下，缩小模数、增加齿数、增大重叠系数，对提旋转机构机齿轮传动性能有好处。正是由于齿轮传动具有传动平稳，承载能力强等优点，所以旋转传动也采用采用齿轮传动。根据类比法，选用mmmn2圆柱直齿轮传动。2）参考当今机械手臂，一般都采用压力角20。3）材料与热处理。制造齿轮的材料要有足够的强度和耐磨性，只有这样才能保持滚筒齿轮有高强度。因此齿轮材质选用 MnvB 钢。二、旋转传动齿轮主要尺寸的设计计算根据之前设计要求和计算，驱动齿轮和齿轮轴上的齿轮的齿数分别为Z1=30,Z2=150。1）压力角根据国家标准规定和加工工艺的要求，查机械手册可知一般传动情况下直齿轮分度圆上的压力角值一般选 为 20。2）齿轮分度圆在不同直径的圆周上，比值-齿距/是不同的。为了便于设计，制造和齿轮之间能够达到互换性，因此将齿轮某一圆周上的比值-齿距/规定为标准值（整数或者较为完整的有理数），并把该圆上的压力角规定为标准值。这个圆被称为分度圆。分度圆计算公式：d=mz （4-11）根据公式（1）计算两个齿轮的分度圆如下：d1=mz1=230=60mmd2=mz2=2150=300mm3)两齿轮齿顶直径d1a=（z1+2h*a）m=（30+21）2=64mmd2a=（z2+2h*a）m=（150+21）2=304mm式中：h*a-齿顶高系数，本次设计的齿轮为正常渐开线直齿轮，查手册中渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数和径向间隙系数表可查的其值为 1.0.4)两齿轮齿根圆直径 d1f=（z1-2h*a-2c*）m=（30-21-20.25）2=55mmd2f=（z2-2h*a-2c*）m=（150-21-20.25）2=299mm式中：c*a-径向间隙系数，本次设计的齿轮为正常渐开线直齿轮，查手册中渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数和径向间隙系数表可查的其值为 0.25.1.两齿轮基圆直径 d1b=d1cos=600.9397=56.382mm d2b=d2cos=3000.9397=281.91mm2.标准中心距 a=18021503022)(21）（zzm4.2 驱动电机的选型4.2 驱动电机的选型机器臂由底座旋转台驱动绕其转轴旋转，最大转动幅度 360，最大转速s/180min/30rns,。gLTm 公式中：m-转动有效重量，上下料以及抓取板片的整体重量为 400kg。L-转动距离，即两齿轮的中心距。将参数带入到上式得：m.7056001808.9400NT伺服电机通过两对圆锥滚子轴承、旋转中心轴 3 的来带动整个机械臂转动，电机转矩为：iTT电机电机公式中：-传动效率。i-齿轮减速比。76.080.099.098.0.22齿轮联轴器轴承此处98.0轴承、99.0联轴器、80.0齿轮，5i将参数带入到转矩公式得到电机转矩为：mNT.6.18576.0705600电机底座回转驱动电机选择伺服电机，为保证有足够的驱动力矩，所选选电机的转矩应该按所需的电机T转矩的 1.3 至 1.5 倍计算，即：mNTTCS.28246.185.13.15.13.1电机根据安川伺服电机 7 系列选型综合样本选择 SGM7A-70A，其具体参数如下表5-1 所示：表 5-1 伺服电机参数表表 5-1 伺服电机参数表型号三相相电压 V额定转速1min静转矩 相电阻转动惯量 额定电流ASGM7A-70A200300026.30.812.36.44.3 底座回转轴校核4.3 底座回转轴校核1、计算轴上载荷底座转轴结构如图 3-1 所示，底座承载了机械臂底座以上所有的载重，故底座回转轴只承受扭矩。旋转所需转矩：mNT.6.18576.0705600电机由转轴转矩平衡 0T,输入转矩即蜗轮传递转矩为:mNTW.6.18。轴所受扭矩图如图 3-2 所示：图 3-1 底座回转轴结构图图 3-2、底座回转轴扭矩图2、计算轴扭转强度 ,此处取受扭矩段较小轴径 d=35mm MPaWTTT99.3035.02.06.183根据以上计算校核后旋转轴的扭转强度符合要求3、根据疲劳强度精确校核旋转轴扭转切应力计算：抗扭截面系数：338575352.0mmWT，扭矩m.7056001808.9400NT 截面上扭转切应力：mNWTTT.04.47352.07056003轴材料 45 钢，调质处理，查机械手册表 15-1 得。截 面 上 由 于 轴 肩 形 成 的 理 论 应 力 集 中 系 数，查 机 械 手 册 得，由根据机械设计手册轴材料敏性系数查得查机械设计手册得有效应力集中系数为。扭转尺寸系数按计算，轴按磨削加工，查机械手册所得表面质量系数，轴未经过表面强化处理，取，故综合系数为查取碳钢特性系数计算安全系数 S故合格抗扭截面系数：扭矩：m.705600NT 截面上扭转切应力：mNWTTT.04.47352.07056003截面上端轴和孔配合 H7/k6，取旋转轴的加工工艺为磨削加工，查工艺手册得表面质量系数，轴未经过表面强化处理，取，故综合系数为查取碳钢特性系数4、计算安全系数 S故合格第五章 气动抓取结构的设计5.1 吸盘安装架的设计本次设计的吸盘安装架采用的是型材焊接而成，改工艺结构简单，制作成本低，焊接后需要将焊缝打磨平整去掉焊渣后喷上防锈，本次抓取的加热板的尺寸为 710mm260mm 厚度为 0.5mm、0.6mm，其结构如图 5-1 所示，采用四个吸盘同时抓取，吸盘安装架整体结构如下图 5-2 所示，吸盘布局如图 5-3。图 5-1 加热板结构 图 5-2 吸盘安装架图 5-3 吸盘布局5.2 真空吸盘的选型与计算吸盘是此次吸附机构设计的重要零件，它的好坏直接决定了板片抓取的稳定性和运动效率。通过对上下料装置的分析与相关资料对吸盘进行选型计算。本次设计的上下料装置抓取的重量为 0.2Kg,吸盘的推出的速度为 200mm/s,行程s=100mm,结合表面的光洁度，吸盘的材质定为：金属板。材质表面光洁度高，整体强度高不宜变形，耐摩擦，耐油；对吸盘的吸力进行计算 F，选择直径适合的吸盘。此次的设计中吸盘与板片的面相垂直，主要的运动方向为竖直方向，如图 5-2 所示，计算公式如下，计算公式可以通过查阅机械设计手册，GB/T-786.1-1993 可知。图 5-2 吸盘的工作原理计算公式为：公式中：