取料機(jī)方案設(shè)計(jì)

目錄1、緒論1.1課題背景及意義1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3本文研究主要內(nèi)容1.4本章小結(jié)總體方案2.1總體方案設(shè)計(jì)2.1傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)（絲杠、步進(jìn)電機(jī)、減速器的選擇）2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模（后面加上軸承壽命校核、兩個(gè)螺栓預(yù)緊力計(jì)算）3、關(guān)鍵部位選型計(jì)算2.3.1絲杠電機(jī)選型校核2.3.2絲杠選型校核2.3.3肩部關(guān)節(jié)電機(jī)選型校核2.3.4肘部關(guān)節(jié)電機(jī)選型校核2.3.5腕部關(guān)節(jié)電機(jī)選型校核2.4本章小結(jié)4、關(guān)鍵部位零件應(yīng)力分析基座、肩部支撐件、肩部關(guān)節(jié)齒輪箱、大臂5、動(dòng)力學(xué)仿真分析6、總結(jié)及展望緒論總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)的夾取和搬運(yùn)物料是機(jī)械手最基本的功能要求，這既需要機(jī)械臂具備一定的精度，也需要足夠的承載能力，并且有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此在對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其需要完成的動(dòng)作，再選取適合的機(jī)械機(jī)構(gòu)，再擬定機(jī)械手的工序，確定動(dòng)作順序，同時(shí)要考慮搬運(yùn)的物料的重量尺寸以及運(yùn)動(dòng)的精度等等問題，進(jìn)而確定機(jī)械手的控制要求，在設(shè)計(jì)整個(gè)過程需要兼顧通用性和專用性，盡量選用市面上流通的標(biāo)準(zhǔn)組件，以實(shí)現(xiàn)其模塊化設(shè)計(jì)?？紤]車間實(shí)際物料的運(yùn)輸情況，機(jī)械手直接抓取物料箱里的棒料存在擺放、識(shí)別、大小適應(yīng)的諸多問題，將本次設(shè)計(jì)的上下物料自動(dòng)裝置分為取料機(jī)和執(zhí)行機(jī)械臂。取料機(jī)用于將棒料從物料箱中取出，并運(yùn)輸至規(guī)定位置，并保持一定的姿態(tài)；執(zhí)行機(jī)械臂用于將棒料從取料機(jī)的送出位置抓取，并放置到鐓粗機(jī)的模具中，鐓粗完成后取出模具中的加工件，放置到儲(chǔ)料箱中等待工人統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)较乱还ば蛑小?.1.1取料機(jī)方案設(shè)計(jì)取料機(jī)的主要用途是從物料箱中放置的多個(gè)棒料逐一取出，送至規(guī)定位置等待機(jī)械臂夾取，主要存在的問題是如何連續(xù)穩(wěn)定的取出一個(gè)棒料，和不同尺寸的棒料的適應(yīng)性問題。可供選擇的方案如下：（1）鏈傳動(dòng)式取料：采用類似于自動(dòng)扶梯的原理和結(jié)構(gòu)，利用雙排鏈傳動(dòng)的連續(xù)性和同步性，實(shí)現(xiàn)棒料的連續(xù)取出，通過調(diào)整支撐板A的水平位置可以控制取料階梯伸出的長度，進(jìn)而適應(yīng)不同尺寸的棒料，確保每層階梯只取一根棒料，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于連續(xù)性，適應(yīng)性較好，但顯著的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間體積較大，占地面積大。（2）氣動(dòng)直取式：結(jié)構(gòu)如圖（）所示，氣缸收縮時(shí)，棒料隨機(jī)堆放，氣缸伸出時(shí)，取料模具的凹槽內(nèi)嵌入一根棒料，從棒料堆底端將棒料推出，帶機(jī)械手將棒料取走后，氣缸再次收縮，這時(shí)由取料模具形成的空缺被棒料隨機(jī)填滿，以滿足下次取料，可通過更換取料模具，用不同的凹槽尺寸適應(yīng)并取出不同尺寸的棒料。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于效果穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小；缺點(diǎn)在于取料時(shí)需要推開棒料，需要功率較大的氣動(dòng)組件，造成了較多的能源浪費(fèi)。（3）氣動(dòng)水平直取式：將方案（ii）改進(jìn)后，解決了能源浪費(fèi)問題，但是水平直動(dòng)取料存在的問題是能否在氣缸收縮，模具退回到物料箱的漏斗口處時(shí)，保證有棒料下落至取料模具的凹槽內(nèi)。本次設(shè)計(jì)的解決方案是將漏斗口加長，達(dá)到至少兩個(gè)棒料直徑的長度，并且凹槽運(yùn)動(dòng)路徑的左極限超過或剛好達(dá)到漏斗口的左極限，即凹槽的運(yùn)動(dòng)路徑完全包含漏斗口的長度，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，效果穩(wěn)定，占地面積小。綜合考慮效率、效果、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)等因素，本次設(shè)計(jì)采用（iii）氣動(dòng)水平直取式結(jié)構(gòu)。2.1.2執(zhí)行機(jī)械臂方案設(shè)計(jì)目前主要應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式有直角坐標(biāo)系式工業(yè)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)器人、極坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)器人、SCARA式工業(yè)機(jī)器人和關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人。直角坐標(biāo)式機(jī)器人由三個(gè)相互垂直的移動(dòng)關(guān)節(jié)組成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)剛度高，控制無耦合等，其缺點(diǎn)主要在于操作范圍小、通用性不好；圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)在于占地面積小操作空間比較大計(jì)算處理簡單，缺點(diǎn)在于移動(dòng)關(guān)節(jié)的后臂易產(chǎn)生干涉，并且移動(dòng)關(guān)節(jié)的密封防塵是一直難以處理的問題；極坐標(biāo)式機(jī)器人也稱球坐標(biāo)式機(jī)器人，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于占地面積很小，但有較大的的使用范圍，定位精度較高，缺點(diǎn)在于避障能力差；SCARA式機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于前兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可以使機(jī)械臂保持水平面運(yùn)動(dòng)，末端豎直的移動(dòng)副可使抓手做到垂直方向的移動(dòng)抓取，優(yōu)點(diǎn)在于操作空間大，適合平面定位、搬運(yùn)等工作中，但其缺點(diǎn)在于末端的移動(dòng)副需要較大的活動(dòng)空間；關(guān)節(jié)式機(jī)器人使用多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來模擬人體的結(jié)構(gòu)具有較大的靈活性和操作空間，避障能力較好，是目前應(yīng)用最多的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)在于缺乏人體自主調(diào)節(jié)平衡的能力，定位精度較差，操作、計(jì)算、控制較復(fù)雜，因此成本也相對(duì)較高?？紤]目前車間內(nèi)沖壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)、使用情況和其他基礎(chǔ)設(shè)施，本次設(shè)計(jì)主體采用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，將末端的移動(dòng)關(guān)節(jié)改為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，形成四自由度機(jī)械手。保證水平搬運(yùn)的精度的同時(shí)，盡量簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)，以便于計(jì)算、控制和制造。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)主要包括：基座、移動(dòng)關(guān)節(jié)、L型支撐座、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、抓手。2.1.3材料選擇取料機(jī)受力較小，沒有剛度要求，擬采用鋁合金材料。機(jī)械臂在剛度強(qiáng)度上均有一定要求，基座要求穩(wěn)定性良好，有較強(qiáng)的抗震性，擬選取灰鑄鐵；其他部分要求有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，擬采用45號(hào)鋼。2.2傳動(dòng)方案分析取料機(jī)運(yùn)動(dòng)簡單，不要求速度控制，因此傳動(dòng)方式采用氣缸直接推動(dòng)的方式，使其結(jié)構(gòu)盡量簡化，既實(shí)現(xiàn)功能，又便于維修。機(jī)械手的上下料功能是通過末端執(zhí)行器的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，在大量反復(fù)的運(yùn)行過程中，機(jī)械手的重復(fù)定位精度尤為重要，是機(jī)械手設(shè)計(jì)中一項(xiàng)非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，而要保證重復(fù)定位精度就必須保證機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度，在驅(qū)動(dòng)方式的選擇上有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)可供選擇。直接驅(qū)動(dòng)是電機(jī)的輸出軸作為關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸，既起驅(qū)動(dòng)作用，又起連接作用，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于便于控制，效率更高，且降低了摩擦力等非線性因素對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。間接驅(qū)動(dòng)指在電機(jī)與關(guān)節(jié)間通過減速器、同步帶輪等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)連接，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于更便于布置各元件的位置關(guān)系，避免機(jī)械結(jié)構(gòu)間的干涉，使機(jī)械手結(jié)構(gòu)上更加合理，外觀上更美觀。機(jī)械臂的升降：實(shí)現(xiàn)升降功能最直接的方法是氣缸驅(qū)動(dòng)，但是氣缸驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)變行程及定位功能，因此選用滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，不但能實(shí)現(xiàn)上升下降功能，而且運(yùn)行穩(wěn)定，承載能力強(qiáng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)，可通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變上升下降的速度。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的水平面轉(zhuǎn)動(dòng)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)需要達(dá)到較高的重復(fù)定位精度，而，在運(yùn)動(dòng)過程中要克服一定的慣性力和慣性轉(zhuǎn)矩，擬采用減速器連接的間接驅(qū)動(dòng)方式，諧波減速器是一種靠柔性齒輪可控彈性形變，并與剛醒齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)，具有減速比大，體積小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)空程小，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但諧波減速器的價(jià)格較高，行星減速器利用減速器中的行星輪系實(shí)現(xiàn)減速，在滿足傳動(dòng)精度的情況下諧波減速器的價(jià)格相對(duì)較高，因此兩個(gè)水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)選擇步進(jìn)電機(jī)配合行星減速器的傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。腕部轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械抓手：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)械需要伸出較長距離，末端負(fù)載加上機(jī)械臂組件自重會(huì)使機(jī)械臂產(chǎn)生一定的彎曲變形，質(zhì)量過大還會(huì)引起啟動(dòng)和制動(dòng)困難等問題，為減小這種影響，應(yīng)盡量減小末端質(zhì)量，因此擬定在滿足轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速要求下，腕部關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式連接，末端機(jī)械手采用雙向氣缸直接驅(qū)動(dòng)的方式，簡化設(shè)計(jì)，減輕重量。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模Solidworks是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，有豐富的建模工具，常見的建模方法有：曲面插入建模、特征建模、參數(shù)化建模。曲線插入建模指在一些曲面零件的建模過程中，很難找到參考面作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)時(shí)，SolidWorks可以先建立曲面特征然后將曲面轉(zhuǎn)化為三維模型；特征建模指首先建立模型的基礎(chǔ)特征，然后再對(duì)其進(jìn)行拉伸、切除、掃描等處理，通過對(duì)單個(gè)特征編輯，從而建立三維模型，這種方法建模過程直觀、易于理解，是目前應(yīng)用最廣泛的建模方法；參數(shù)化建模指的是先對(duì)單個(gè)零件做一部分的建模，然后在裝配體中做再設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法運(yùn)用逆向思維，需要預(yù)先知道零件的整體尺寸，設(shè)計(jì)精度要求較高，操作比較繁瑣，因此應(yīng)用較少。本文采用“特征建模”的方法進(jìn)行三維建模，根據(jù)裝配順序依次設(shè)計(jì)并將單個(gè)零件建模完成，然后再進(jìn)行整體裝配。2.3.1取料機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模取料機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，為滿足相應(yīng)的功能要求，需要保證氣缸及取料模具的行程，取料模具的可更換的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)取料模具的結(jié)構(gòu)如下圖，兩側(cè)的圓弧形凹槽為選定的零件直徑，兩側(cè)各有兩處凸起便于在模具托盤中的水平定位，中間鏤空的設(shè)計(jì)則是為了便于機(jī)械手達(dá)到指定位置，從而夾取棒料的中部。模具及模具托盤由氣缸直接驅(qū)動(dòng)，由于氣缸推桿不能承受軸向力以外的其他方向的力，因此在托盤下安裝滑塊和直線滑軌來承受托盤、模具和棒料的重力，并保持其直線運(yùn)動(dòng)。取料機(jī)兩個(gè)工作位置如圖（）所示。為提高設(shè)計(jì)的完整性，在取料機(jī)側(cè)面增加一個(gè)物料箱，用于存儲(chǔ)鐓粗完成的毛坯，機(jī)械手將鐓粗機(jī)內(nèi)的毛坯取出，放置于物料箱中，等待工人統(tǒng)一取出運(yùn)送至其他車間或下一工序。取料機(jī)整體建模如圖（）所示。2.3.2機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模基座以及滾珠絲杠組件如圖（）所示，基座與地面之間用四根地腳螺栓連接，所有零件均通過螺栓連接在基座的豎直板面上，為提高整個(gè)基座的剛度和抗震性，在兩側(cè)增加肋板，在盡量節(jié)省材料的同時(shí)保證整個(gè)機(jī)器的穩(wěn)定性。步進(jìn)電機(jī)與擬定的行星減速器通過電機(jī)架固定在基座上，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，由于滾珠絲杠無法承受彎矩，故在絲杠兩側(cè)安裝光軸，絲杠螺母和直線軸承均連接在L型支架的豎直面上，通過滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠螺母的直線移動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂的升降，而由于整個(gè)機(jī)械臂外伸產(chǎn)生的彎矩，由四個(gè)直線軸承作用于光軸上。L型支架結(jié)構(gòu)如下圖（）所示，絲杠螺母座和直線軸承固定在豎直面，L型支架是機(jī)械臂中受力較大的零件，為減小由于這種受力引起的形變，可以從兩方面入手：減小零件的受力和改變零件結(jié)構(gòu)，提高剛度。驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)采用間接驅(qū)動(dòng)的方式連接，因此他們的位置可以設(shè)計(jì)的相對(duì)靈活，本次設(shè)計(jì)將肘關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)組件移動(dòng)至L型支架處，與肩關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)組件并排固定在L型支架的水平面下部，如圖（）所示；為提高L型支架結(jié)構(gòu)剛度，在其兩側(cè)增加肋板，減小其變形，從而提高整個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)精度和強(qiáng)度。步進(jìn)電機(jī)和擬定的減速器直接連接，再通過一對(duì)大小齒輪傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞各關(guān)節(jié)，將兩個(gè)大齒輪設(shè)計(jì)在同一軸線上，這樣既便于計(jì)算，又便于控制，外觀簡潔，減少了零件數(shù)量；肩關(guān)節(jié)大齒輪用四根長螺栓連接到肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸和大臂上，肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸外部的軸肩配合大軸承用于大臂的定位，而肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸內(nèi)的階梯孔安裝小軸承與傳動(dòng)軸的軸肩配合用于傳動(dòng)軸的定位，傳動(dòng)軸下端連接肘關(guān)節(jié)大齒輪和步進(jìn)電機(jī)，中部連接肘關(guān)節(jié)連桿，齒輪箱頂部用軸承端蓋完成整個(gè)組件的軸向定位，如圖（）所示。傳動(dòng)軸通過鍵與肘關(guān)節(jié)連桿連接，通過四連桿結(jié)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至肘關(guān)節(jié)，為減小外伸重量，將大臂掏空，留下一定數(shù)量的肋板，以保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，減小變形，大臂及部分零件的建模如圖（）所示。腕關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式連接，將步進(jìn)電機(jī)放置在關(guān)節(jié)內(nèi)，既能節(jié)省材料，減輕重量，又能使外部美觀簡潔；具體設(shè)計(jì)為將步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)架固定在小臂末端，電機(jī)輸出軸端直接和手部連接，另一端安裝軸承，將轉(zhuǎn)軸通過螺栓安裝到手部上，再與軸承配合，形成腕部關(guān)節(jié)組件的軸向和徑向定位，同樣的為減輕外伸重量，在小臂和手部零件上做鏤空處理，留下肋板作為結(jié)構(gòu)支撐。手部的主要作用是穩(wěn)定的抓取棒料，既可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連桿式抓手，也可以采用雙向氣缸直接驅(qū)動(dòng)抓手的運(yùn)動(dòng)，為使結(jié)構(gòu)盡量簡單，采用氣缸驅(qū)動(dòng)的方案，使用特定的抓手形狀，對(duì)一定范圍內(nèi)的直徑的棒料實(shí)行抓取。機(jī)械臂部分整體建模如圖（）所示。2.3.3軸承校核綜合考慮受力、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間，選取連接絲杠的軸承進(jìn)行校核，預(yù)選取型號(hào)為30204的圓錐滾子軸承，采用面對(duì)面的安裝方式，既能承受較大的軸向載荷，又有一定的對(duì)中性。受力簡圖如下：軸承不承受徑向力，故：、故下端軸承被壓緊，上端軸承放松，只需校核下端軸承壽命即可，下端軸承受軸向力：，查表得：，當(dāng)量動(dòng)載荷為：下端軸承的壽命為：由于常規(guī)自動(dòng)機(jī)械壽命為15000小時(shí)，故30204軸承滿足使用需求。2.3.4螺栓校核（1）橫向載荷：肩部及機(jī)械臂總質(zhì)量33.925kg，預(yù)采用4個(gè)5.8級(jí)公稱直徑8mm的普通螺栓連接，其預(yù)緊力F’為：螺栓許用應(yīng)力：因此螺栓符合要求。（2）軸向載荷：齒輪箱部分及機(jī)械臂總質(zhì)量17.018kg，螺栓預(yù)采用6個(gè)5.8級(jí)公稱直徑8mm的普通螺栓連接，在齒輪箱安裝面上產(chǎn)生的傾覆力矩，軸向受力最大的螺栓收到的工作拉力為：除保證螺栓有足夠的強(qiáng)度外，還需保證接觸面不被壓潰且不出現(xiàn)間隙：,其中，抗彎截面系數(shù)為67503，面積5278.41mm2,總軸向力Q=17.018*9.8=166.698N,螺栓的相對(duì)剛度取0.3得出預(yù)緊力為900N。故螺栓符合使用要求，并且預(yù)緊力統(tǒng)一選擇為900N。關(guān)鍵部件選型計(jì)算對(duì)整個(gè)機(jī)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后需要對(duì)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行選型計(jì)算，對(duì)一部分已經(jīng)擬定的零件進(jìn)行壽命校核，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行選型的有絲杠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠、肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、肘關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并且需要對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行壽命校核。經(jīng)過第二章的三維建模后，在SolidWorks中配置各部件材料，可以由質(zhì)量屬性直接導(dǎo)出機(jī)械臂的質(zhì)量、重心位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3.1絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型經(jīng)過分析可知，在上料機(jī)械手整個(gè)工作過程中，滾珠絲杠在前端機(jī)械臂加速上升時(shí)所需的扭矩最大，總扭矩包括三個(gè)主要部分，分別為：由負(fù)載引起的摩擦扭矩、絲杠預(yù)緊力引起的扭矩、加速度所需的慣性扭矩。負(fù)載引起的摩擦扭矩：其中，為負(fù)載力，為導(dǎo)程，為絲杠效率，取0.95。絲杠預(yù)緊力引起的扭矩：其中為導(dǎo)程角4.564度，為預(yù)緊力，取905,為導(dǎo)程。加速度所需的慣性扭矩：[1]其中為滾珠絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：由設(shè)計(jì)要求可知加速度時(shí)間為1秒，可得：則滾珠絲杠承受的總扭矩為：電機(jī)軸的輸出扭矩為：其中，安全率一般選取1.5~2，為減少浪費(fèi)，選取1.6，為傳動(dòng)比，這里所需扭矩并不大，因此不使用減速器，滾珠絲杠由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)比為1。為步進(jìn)電機(jī)額定扭矩，所需最大轉(zhuǎn)速為2500rad/s，由式（）可知，57HB113-401A步進(jìn)電機(jī)具有良好的扭矩匹配性能。（保持轉(zhuǎn)矩3.6，尺寸57*57*113，額定電流4A電壓取48V功率192w）3.2滾軸絲杠的選型校核滾珠絲杠預(yù)選定GD2506-4，導(dǎo)程為6mm，絲杠底徑20.2mm，循環(huán)列數(shù)為2，額定動(dòng)載荷為15493，額定靜載荷為33787。3.2.1滾珠絲杠的軸向負(fù)載校核經(jīng)過分析可知：滾珠絲杠在機(jī)械臂加速上升時(shí)所受的軸向負(fù)載最大。由設(shè)計(jì)條件可知，最大上升加速度為，負(fù)載質(zhì)量34.832Kg,光軸導(dǎo)軌導(dǎo)向組件的摩擦阻力為10N。則滾珠絲杠的最大軸向負(fù)載為：滾珠絲杠的容許負(fù)荷等于基本額定動(dòng)載荷。滾珠絲杠在運(yùn)動(dòng)過程中由于啟動(dòng)、停止或沖擊會(huì)產(chǎn)生慣性力，故計(jì)算容許軸向負(fù)載時(shí)必須考慮安全系數(shù)，安全系數(shù)一般在2.0到5.0之間，取2.5。由式（）可知滾珠絲杠滿足軸向負(fù)載使用要求。3.2.2滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速校核設(shè)計(jì)絲杠的最高轉(zhuǎn)速為：由滾珠絲杠的臨界速度所決定的容許轉(zhuǎn)速可表示為：其中，為安裝方式系數(shù)，本例中采用兩端固定的安裝方式，取15.1。為絲杠底徑，d=20.2,為安裝距離1060mm。由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速可表示為：為方便計(jì)算Dm取絲杠外徑D=24.4。由式（）和式（）可知，臨界速度和由DN值決定的容許轉(zhuǎn)速均大于滾珠絲杠的最大轉(zhuǎn)速，因此滾珠絲杠滿足轉(zhuǎn)速的使用要求。3.2.3滾珠絲杠的使用壽命計(jì)算額定疲勞壽命：其中，為額定動(dòng)載荷，為平均軸向載荷，取最大軸向載荷，,為負(fù)載系數(shù)，取1.5。工作壽命為：n為滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速，800r/min。由式可知，滾珠絲杠的工作壽命為457800小時(shí)，常規(guī)自動(dòng)機(jī)械壽命為15000小時(shí)，課件絲杠壽命滿足使用要求。3.3肩部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的計(jì)算校核電機(jī)匹配校核：等效到電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以表示為：對(duì)關(guān)節(jié)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jz=3032850.467kgmm2，齒輪箱及減速器總傳動(dòng)比i=80，由設(shè)計(jì)條件知最大角加速度為0.5rad/s2所需最大轉(zhuǎn)速為381.9r/min，由以上數(shù)據(jù)可知57HB113-401A步進(jìn)電機(jī)滿足使用需求（扭矩3.6，尺寸57*57*113）3.4肘部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的計(jì)算校核 電機(jī)匹配校核： 等效到電機(jī)輸出軸得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以表示為：對(duì)關(guān)節(jié)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jz=909761.459kgmm2，齒輪箱及減速器總傳動(dòng)比i=80，由設(shè)計(jì)條件知最大角加速度為0.5rad/s2則所需轉(zhuǎn)矩：所需最大轉(zhuǎn)速為381.9r/min，由以上數(shù)據(jù)可知57HB113-401A步進(jìn)電機(jī)滿足使用需求（扭矩3.6，尺寸57*57*113）3.5腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的計(jì)算校核電機(jī)匹配校核：對(duì)關(guān)節(jié)z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jz=91712.916kgmm2，由設(shè)計(jì)條件知最大角加速度為0.5rad/s2則加速所需轉(zhuǎn)矩：負(fù)載轉(zhuǎn)矩：腕部前段機(jī)械臂重2.844kg，重心距轉(zhuǎn)動(dòng)中心的最遠(yuǎn)距離為l=140mm所需的轉(zhuǎn)矩：所需最大轉(zhuǎn)速為381.9r/min，由以上數(shù)據(jù)可知57BYG01步進(jìn)電機(jī)滿足使用要求（保持轉(zhuǎn)矩245，尺寸φ57*60.5）有限元分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是衡量設(shè)計(jì)結(jié)果的非常重要的指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)過程中必須考慮的因素。強(qiáng)度指材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的零件，為保證其正常使用，以及運(yùn)行過程的完整性，首先應(yīng)該滿足其強(qiáng)度條件，尤其是起支撐作用和受力較大的零件。剛度指材料在受外力作用下抵抗彈性變形的能力，剛度性能直接影響機(jī)器的精度問題，由于重復(fù)定位精度是物料搬運(yùn)類機(jī)械臂的重要指標(biāo)，因此在保證強(qiáng)度要求的條件下，機(jī)械手對(duì)剛度也有一定的要求。但是在保證剛度強(qiáng)度條件下，有可能造成部分零件的安全系數(shù)過大，零件體積過大，在生產(chǎn)過程中造成極大的浪費(fèi)，同時(shí)也提高了制造成本，為提高產(chǎn)品在市場中的競爭力，必須考慮其成本和穩(wěn)定性，即在設(shè)計(jì)過程中對(duì)整體和單個(gè)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低不必要的浪費(fèi)。因此，通過有限元法對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化在設(shè)計(jì)過程中尤其重要。有限元法是20世紀(jì)50年代提出的，最早應(yīng)用與結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科，并且不局限于固體力學(xué)問題。有限元分析的基本思想是將物體劃分為若干個(gè)小單元，各個(gè)單元間通過節(jié)點(diǎn)連接，通過一定方式排列代表整個(gè)物體結(jié)構(gòu)，用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上未知數(shù)的代數(shù)方程做特定的數(shù)學(xué)處理來代表物體結(jié)構(gòu)的微分方程。ANSYS公司在2002年推出的ANSYSWorkbench是一款基于有限元法的工程仿真軟件，集項(xiàng)目管理與設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化等功能于一身，復(fù)雜模型可在其他建模軟件中完成，簡單模型可直接在DM模塊中進(jìn)行，有先進(jìn)的網(wǎng)格劃分功能，及時(shí)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型也可以做出高質(zhì)量的網(wǎng)格。由于ANSYS本身建模不夠方便，而2009年推出的全新版本ANSYSWorkbench能夠較好的與其他三維軟件銜接，因此直接將SolidWorks中的三維模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，但是ANSYS經(jīng)典模式中對(duì)外部數(shù)據(jù)的處理并不完美，尤其是復(fù)雜的三維模型，容易導(dǎo)致模型失效，因此在導(dǎo)入ANSYS之前需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，將不必要的特征去除，如一部分倒角、不必要的凸臺(tái)、小孔等。經(jīng)過之前的處理后可以通過ANSYSWorkbench進(jìn)行具體優(yōu)化，優(yōu)化步驟如下：通過建模軟件將模型導(dǎo)入ANSYSY；配置材料屬性；劃分網(wǎng)格；添加約束；施加載荷；求解并分析計(jì)算結(jié)果；結(jié)構(gòu)再優(yōu)化；在靜力分析的過程中，各部件上的載荷狀態(tài)必須與實(shí)際狀態(tài)相吻合，不能忽視泊松效應(yīng)。經(jīng)過分析可知，可能存在受力較大、形變較大的零件有：基座、L型支架、齒輪箱和大臂，經(jīng)過以上操作步驟得到的分析結(jié)果如下：基座應(yīng)變云圖基座應(yīng)力云圖L型支架應(yīng)變云圖L型支架應(yīng)變云圖齒輪箱應(yīng)變云圖齒輪箱應(yīng)力云圖大臂應(yīng)變云圖大臂應(yīng)力云圖根據(jù)以上分析結(jié)果可知除基座外的最大應(yīng)變均小于0.5mm，由于基座體積較大，對(duì)精度影響相對(duì)較小，故以上零件的形變均在允許范圍內(nèi)；基座和齒輪箱使用灰鑄鐵HT200，屈服強(qiáng)度為300MPa，L型支架和大臂使用45號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度355MPa，以上零件極限應(yīng)力均未超過200MPa，故以上零件均滿足強(qiáng)度、剛度要求。動(dòng)力學(xué)仿真在產(chǎn)品基本設(shè)計(jì)全部完成后，需要先進(jìn)行樣機(jī)的制作分，分析設(shè)計(jì)是否合理，然后投入實(shí)際生產(chǎn)，但是初步設(shè)計(jì)往往存在許多問題，樣機(jī)制作不僅耗費(fèi)人力物力，而且會(huì)大大加長產(chǎn)品的開發(fā)周期。為減少企業(yè)成本投入，現(xiàn)代化設(shè)計(jì)通過虛擬樣機(jī)模擬機(jī)器在不同情況下的運(yùn)動(dòng)和受力，進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，從而獲得最佳方案。ADAMS是目前運(yùn)用較為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，被大量工程實(shí)際問題驗(yàn)證的具備極好的工程模擬和求解能力，其具有交互式圖形建模能力，可以直觀的模擬的約束和受力，也被廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、研究中。簡單模型可直接在ADAMS中建立，但對(duì)于復(fù)雜模型來說，在ADAMS環(huán)境中建模并不方便，因此通過之前的SolidWorks將已經(jīng)建立好的三維模型另存為通用格式文件，在ADAMS中設(shè)置導(dǎo)入.x_t格式文件，可以將模型完整導(dǎo)入ADAMS，但是過程中會(huì)丟失零部件的裝配關(guān)系，并且零件越多，仿真求解需要的時(shí)間越長，因此在導(dǎo)入ADAMS之前需要對(duì)模型進(jìn)行一定的處理，將沒有運(yùn)動(dòng)要求的多個(gè)零件固定為一個(gè)整體，將對(duì)運(yùn)動(dòng)影響不大的實(shí)體特征、螺栓、小孔取消，再不改變各部件的質(zhì)量特征條件下，盡量簡化模型。經(jīng)過SolidWorks簡化處理，將機(jī)械手簡化為基座組件、絲杠、L型支架組件、大臂、小臂、連桿、手部幾個(gè)零件，然后再導(dǎo)入ADAMS得到模型，如圖（）所示。導(dǎo)入模型成功后，將各部分配置成不同顏色以便于仿真觀察，配置各部件應(yīng)有的材料屬性，然后添加約束和運(yùn)動(dòng)副，這里的具體操作有：設(shè)置重力，機(jī)械手末端添加負(fù)載，模擬棒料的重量，將基座固定，絲杠、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和連桿鉸接的位置設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副，將兩根光軸處設(shè)置為移動(dòng)副，將絲杠螺母處設(shè)置為螺旋副，并修改運(yùn)動(dòng)副特征，導(dǎo)程配置為6mm，添加摩擦力，為便于求解關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)曲線直接在絲杠、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)處配置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手工作過程中要盡量保持平穩(wěn)，避免劇烈振動(dòng)沖擊，因此針對(duì)機(jī)械手的工作流程，對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行分段控制，使用ADAMS中的step函數(shù)就可以做到平滑的分段控制，step函數(shù)的基本形式為：step(time,x0,h0,x1,h1)。其中time為自變量，定義為時(shí)間，x0為自變量初始值，h0為自變量對(duì)應(yīng)的變量值的初始值，x1為自變量的終值，h1為對(duì)應(yīng)x1的變量終值。機(jī)械手的工作流程如下：機(jī)械手由初始位置運(yùn)動(dòng)至取料機(jī)送料位置：機(jī)械臂下降355mm,即滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)59.16圈，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)113度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-103度，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)90度。達(dá)到取料位置后由氣動(dòng)抓手抓取抓取棒料：由于抓手的抓取動(dòng)作對(duì)整體運(yùn)動(dòng)影響微小，為簡化仿真過程，將抓手與手部固定為一個(gè)整體組件。取料完成后，機(jī)械手回歸原始位置：機(jī)械手上升355mm，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-113度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)103度，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)90度。機(jī)械臂伸出，將棒料懸置鐓粗機(jī)模具上方：肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)9.2度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-69.7度。機(jī)械臂下降，將棒料放置在模具中，然后抬升：機(jī)械手下降59mm再抬升59mm。機(jī)械手回歸原位，等待鐓粗機(jī)做鐓粗操作：肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-9.2度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)69.7度。鐓粗機(jī)鐓粗完成后，機(jī)械臂將加工過的毛坯件取出：肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-9.2度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)69.7度，下降59mm，抓手閉合抓緊工件，再抬升59mm。重復(fù)之前（6）的操作，機(jī)械手回歸原來位置。將工件放置儲(chǔ)料箱，然后回歸原位：機(jī)械手下降355mm，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)99.5度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-40.2度，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)90度，抓手張開；機(jī)械手降355mm，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-99.5度，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)40.2度，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)-90度。為使關(guān)節(jié)速度變化平滑，修改驅(qū)動(dòng)力，將變量設(shè)為速度，并將位移和角度換算成相應(yīng)速度，使用step函數(shù)將單個(gè)運(yùn)動(dòng)分為加速、勻速、減速的過程，得到各個(gè)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為：Motion1：step(time,0,0,1,5000d)+step(time,4,5000d,5,0)+step(time,6,0,7,-5000d)+step(time,10,-5000d,11,0)+step(time,14,0,15,3538.8d)+step(time,15,3538.8d,16,0)+step(time,16,0,17,-3538.8d)+step(time,17,-3538.8d,18,0)+step(time,24,0,25,3538.8d)+step(time,25,3538.8d,26,0)+step(time,26,0,27,-3538.8d)+step(time,27,-3538.8d,28,0)+step(time,31,0,32,5000d)+step(time,35,5000d,36,0)+step(time,36,0,37,-5000d)+step(time,40,-5000d,41,0)Motion2：step(time,0,0,1,28.25d)+step(time,4,28.25d,5,0)+step(time,6,0,7,-28.25d)+step(time,10,-28.25d,11,0)+step(time,11,0,12.5,6.55d)+step(time,12.5,6.55d,14,0)+step(time,18,0,19.5,-6.55d)+step(time,19.5,-6.55d,21,0)+step(time,21,0,22.5,6.55d)+step(time,22.5,6.55d,24,0)+step(time,28,0,29.5,-6.55d)+step(time,29.5,-6.55d,31,0)+step(time,31,0,32,28.25d)+step(time,35,28.25d,36,0)+step(time,36,0,37,-28.25d)+step(time,40,-28.25d,41,0)Motion3：