河北工程大学机械手伸缩臂设计

2 伸缩臂的设计方案

2.1 设计方案论证以及确定

2.1.1 设计参数

1. 伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂前端安装机械手，用于夹持工件；伸缩臂直线伸缩，完成工件的工位转换；

2. 单方向伸缩时间：1.5—2.5s；

3. 定位误差要定位措施，定位误差小于2mm； 4. 前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。 2.1.2 设计方案的比较论证 …

2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案

经过本人的反复思考及论证，先做出运动简图。现如下图2-1所示，该机构中支座安装在机器人床身上，用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。由步进电动机（1）驱动，带动一级齿轮减速器（2）。通过减速器输出轴与丝杠（3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母的直线运动，推动导向杆运动，利用电机正反转动实现伸缩换向。法兰用于安装机械手，构成如图所示的结构。

图2-1 步进电机伸缩机构示意图

2.3 执行装置的设计方案

2.3.1导向机构的选择与计算（这部分可以不做） 2.3.2 滚珠丝杠的选择

2.3.2.1滚珠丝杠副的选择：

（1）由题可知：伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒 ，所以速度

V?s300mm??150mm?0.15m,初选螺距P=10mm （ 2.9 ） 则：

ssst2V150?60r （ 2.10 ） nm???900rminminP10（2）计算载荷：FC???

FC?KF?KH?KA?Fm （ KF为载荷系数，KH为硬度系数，KA为精度系数）。

由题中条件，取KF?1.2 ?5?，取KH?1.0 ?6?取D级精度?7?，取KA?1.1 ?8? 丝杠的最大工作载荷Fm :

导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:

Ｆmax=?F=0.15?400=120N （ 2.11 ） 则： FC?1.2?1.0?1.1?120?2112N

'（3）计算额定动载荷Ca的值：由式（2-4）

C?FC3'anmL'h （ 2.12 ） 41.67?10min,LH?15000h 960?15000?20064N

1.67?104 nm?960r'?21123所以 Ca（4） 根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷C'a等于或稍大于C'a的原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠丝杠?9?

汉江机床厂FC1型滚珠丝杠 表2-1

丝杠尺寸/mm 丝杠代号

44006-3

FC1-5006-3，Ca?21379N FC1-52008-2.5 Ca?22556N 考虑各种因素选用FC1-5006-3。由表2-9得丝杠副数据： 公称直径 D0?50mm 导程p=8mm 螺旋角 ??2?11' 滚珠直径 d0?3.969mm 按表2-1中尺寸计算：

滚道半径 R?0.52d0?0.52?3.969mm?2.064mm （ 2.13 ） 0 9.5

3 8

32?115

螺滚旋珠角 直中大导径

米制

d额定载荷

螺母安装尺寸/mm 动载

载

Coa/N静

径 径 程

D

DD

dp/ m?m

EMLQ

??

hCa/N 1

7

164

4

92

69825

M95

1

.90 18 5 5 69

8 6 1379

d?3.969????2偏心距 e?0.07?R?0??0.07??2.064??mm?5.6?10mm （2.14 ）

2?2???丝杠内径d1?D0?2e?2R?(50?2?5.6?10?2?2?2.064)mm?45.76mm（ 2.15 ） （5）稳定性验算

1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数

S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表2-10）。丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：

?2EIa?10? （ 2.16 ） Fcr?2(?l)式中E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa; l 为丝杠工作长度（m）L=450mm；??为丝杠危险截面的惯性矩?m4?；u为长度系数，见表2-10。

依题意：

3.14??0.04576m???2.15?10?7m4 （ 2.17 ） ???6464?d144取u?2， 则 3Fcr2?3.14??206?109?2.15?10?7?2?2???0.45??3??4.85?106N （ 2.18 ）

Fcr4.85?106安全系数S??3031.3。查表2-10，[S]=3～4。S>[S]，丝杠是安全的，不

Fm1600会失稳。

（6）刚度验算 :滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（N·m）共同作用下引起每个导程的变形量:

pFp2T ?11? （ 2.19 ） ?L0???EA2?GJc其中 A——丝杠截面积 A??d24?m?

2 JC——丝杠极惯性矩 JC??d432?m?

4 G——丝杠的切变模量，对于钢 G?83.3MPa T——转矩 T?FmD0tg????? 2 式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，Fm为工作载荷，取摩擦系数

tg??0.0025，则ρ=8′40″ 则

T=430?50?10?3?tg2011'?8'40\?0.43N?m （ 2.20 ） 2??按最不利情况取（其中F=Fm）

4PF16P2T4?8?103?43016?8?103?0.43?L0??22??229?Ed1?Gd13.14?206?10??0.04576?3.142?83.3?109??0.04576?4

??2?2.23?10?2N?m （ 2.21 ）

则 : 丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为：

?L02.23?10?2?L?L??0.45??1.25um （ 2.22 ）

P8?10?3通常要求丝杠的导程误差?L应小于其传动精度（???0.03mm）的1/2，即

11?L????0.03mm?0.015mm?15um （ 2.23 ）

22该丝杠的?L满足上式，所以其刚度可满足要求。 （7）效率验算：

滚珠丝杠副的传动效率? ?12?为

tg?tg(2011') ????0.93 （ 2.24 ）

tg?????tg2011'?8'40\???要求在90%～95%之间，所以该丝杠副合格。

经上述计算： Fa—5006—3 各项性能均符合题目要求，可选用。 2.3.2.2 滚珠丝杠螺距的选择：P=8mm 2.3.2.3 滚珠丝杠的有效长度：

根据结构的设计确定，要保证有300mm的伸缩长度，先对丝杠螺母进行选择。丝杠螺母选用外循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=61mm。根据其传动的特点，要保证螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠的有效传动长度为L=430mm。

2.3.2.4 滚珠丝杠的安装结构：

采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速传动精度较