河北工程大学机械手伸缩臂设计
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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smsmmsmmtsV15.01502300,初选螺距P=10mm （ 2.9 ）
则：min900min1060150rrPVnm （ 2.10 ）
（2）计算载荷：CF
mAHFCFKKKF （ FK为载荷系数，HK为硬度系数，AK为精度系数）。
由题中条件，取2.1FK 5，取0.1HK 6取D级精度7，取1.1AK 8
丝杠的最大工作载荷mF :
导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:
Ｆmax=F=40015.0=120N （ 2.11 ）
则： NFC21121201.10.12.1
（3）计算额定动载荷'aC的值：由式（2-4）
34''1067.1hmCaLnFC （ 2.12 ）
hLrnHm15000,min960
所以 NCa200641067.115000960211234'
（4） 根据选择滚珠丝杠副：按滚珠丝杠副的额定动载荷aC'等于或稍大于aC'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
丝杠代号 丝杠尺寸/mm 螺旋角 滚珠直径
米制/mm 螺母安装尺寸/mm 额定载荷
中径 大径 导程 动载 静载
d dp
DD
D EMLQ
h
NCa/
NCoa/
4006-3 40 39.5 8112 3.969 50 118 75 15 6448 M6 915 921379 69825
FC1-5006-3，NCa21379 FC1-52008-2.5 NCa22556
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 mmD500 导程p=8mm 螺旋角 '112
滚珠直径 mmd969.30
按表2-1中尺寸计算：
滚道半径 mmmmdR064.2969.352.052.00 （ 2.13 ）
偏心距 mmmmdRe20106.52969.3064.207.0207.0 （2.14 ）
丝杠内径mmmmReDd76.45)064.22106.5250(22201（ 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crF（N）按下式计算：
22)(lEIFacr 10 （ 2.16 ）
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4m；u为长度系数，见表2-10。
依题意：
474411015.26404576.014.364mmd （ 2.17 ）
取32u， 则
NFcr627921085.445.0321015.21020614.3 （ 2.18 ）
安全系数3.303116001085.46mcrFFS。查表2-10，[S]=3～4。S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。
（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:
cGJTpEApFL220 11 （ 2.19 ）
其中 A——丝杠截面积 224mdA
CJ——丝杠极惯性矩 4432mdJC
G——丝杠的切变模量，对于钢 MPaG3.83
T——转矩 tgDFTm20
式中：ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，mF为工作载荷，取摩擦系数0025.0tg，则ρ=8′40″ 则
T=mNtg43.0"40811210250430''03 （ 2.20 ）
按最不利情况取（其中F=mF）
49223293212221004576.0103.8314.343.01081604576.01020614.34301084164GdTPEdPFL
mN21023.2 （ 2.21 ）
则 : 丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为：
umPLLL25.11081023.245.0320 （ 2.22 ）
通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度（mm03.0）的1/2，即
ummmmmL15015.003.02121 （ 2.23 ）
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
93.0408112)112("''0'0tgtgtgtg （ 2.24 ）
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高的长丝杠传动系统。
由此可知：丝杠转速：
Pn=L/2 所以 min112575.18163002rsrsrPLn （ 2.25 ）
2.3.2.5丝杠安装轴承的选择
由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，所以丝杠的固定端（承重端）为左端，右端为游动端。
因此为了满足使用要求，左端的轴承选取双向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式。推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端的径向位移，同时又要限制向右的轴向位移，故选用角接触球轴承。此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。
1)双向推力球轴承的选择
2)初步选定为 51000型 代号为51306 d =30mm D =60mm T =21mm KNCa2.36
校核基本额定载荷
通过所要求轴承寿命（等于丝杠的寿命）算基本额定载荷
在实际工程计算中，轴承寿命常用小时表示
PCnLh60108 13 （ 2.26 ）
3838101000150001420601060PnLCh=2338N （ 2.27 ）
其中， C——基本额定动载荷（N ）
P——当量动载荷（N ）
——寿命指数 球轴承3
n——轴承的转速（r/min）
在使用寿命为15000小时的要求下，双向推力球轴承应承受的基本额定动载荷为2338N 。初步选用的轴承的额定载荷aC=27KN ，即aC＞C 所以满足使用要求。
此类单向推力球轴承的数据如下表14
球轴承 表2-2
4)深沟球轴承的选择
选用的轴承型号为6007c（15）, 具体数据见下表15
深沟球轴承 表2-3
基本尺寸 安装尺寸 基本额定载荷 极限转速 重量 轴承代号
d D
B A sdaD
asr rC
orC 脂油 W
≈ 70000C型
mm Mm KN r/min kg ——
45
75 16 16 51 69
1 25.8
20.5 7500
10000 0.28 7009C
5)深沟球轴承的选择：
下端的轴承只起游动和限制径向位移的作用，所以采用深沟球轴承。选择60000型，具体数据见下表16
基本尺寸 安装尺寸 基本额定载荷 极限转速 重量 轴承代号
d D T ad aD axr
min max max aC oaC
脂油 W
≈ 51000型
mm mm KN r/min kg ——
30 60 20 57 53 0.6 36.2 66.8 3200 4500 0.14 51306
