4臂部机构的设计
通常机械手包括三部分：手部、腕部、臂部。手部的作用是夹持住工件；腕部作用是调整手部的姿态，主要是使手部旋转运动；臂部的作用是支撑手部和腕部并带动它们做空间运动，一般具有三个自由度手臂的水平伸缩、垂直升降、左右旋转。由于本设计的具体情况，不需要调整手部的姿态。所以不需要设计腕部，关键是臂部所需的三个自由度。
4.1臂部水平伸缩传动机构的设计及参数的确定
根据总体方案的要求，臂部需要实现的动作是两个直线运动，一个旋转运动。一个是手部的伸缩，一个是手部的垂直直线升降，还有一个是在水平面内旋转。现设计手部的伸缩机构。由于根据上面设计夹持机构及其驱动装置的设计结果，经三维实体仿真包括3KG的负载在内，其总重量为9.5KG。夹持机构及其驱动装置的伸缩运动在水平面内进行，主要是克服摩擦力运动。负载不是很大，而且要实现的是直线运动，所以决定选用丝杠传动。
1、丝杠导程
经三维实体仿真，采用铝合金材料的机构和载荷的重量：
=mg
N
丝杠的最大负荷
，
为惯性力，由上面的运动节拍分析该运动时间为2.2s、伸缩行程的要求600mm、电机启动时间0.3s，加速度
a=
=
=
=
=8.645N
查《机械设计课程设计手册》表1-10常用材料摩擦系数
取0.06。则
=14.231N
为使设计更可靠令当量载荷
=
,假设丝杠副最大相对转速为
=6500r/min。查表11-1-25精度推荐表，确定机械手使用的精度为5级。滚珠丝杠的失位量为0.045mm。初算导程：
=
=2.52mm
根据《机械设计手册—机械传动》表11-1-15查得
应该大于或等于2.52mm取5mm。
2、 额定动载荷
表11-1-35精度系数
取0.9、查表11-1-36可靠性系数
取0.62、预期工作寿命
为15000小时、查表11-1-37载荷性系数
取1.5。
=689.3N
3、估算滚珠丝杠允许最大轴向变形
=
定位精度=0.15
=37.5
4、估算滚珠丝杠底径
为导轨静摩擦因素、a为支撑方式系数一端固定一端自由时取0.078。L为滚珠丝杠支撑点距离常取1.1倍行程+10。
L=
=760mm
=
=5.59N(为导轨摩擦因数)。查《机械设计课程设计手册》表1-10常用材料摩擦系数取0.06。
=
=26.24mm
查《机械设计手册机械传动》根据以上的计算结果并查表11-1-30~表11-1-33确定丝杠的型号。汉江机床厂（插管凸出式变导预紧）3205-5GB/T 17587.2—1998—32—5—760—P5R。
5、计算预紧力
=
=
=4.74N
4.1.1 轴承型号的选择计算
依据工作情况丝杠采用一端固定一端铰支的工作方式。因为在这种情况下它的静态稳定性和动态稳定性都较高、轴向刚度大。
如图所示左端用角接触球轴承，又端用深沟球轴承作为支撑。由于滚珠丝杠螺母上的机构重量由导轨承受，所以滚珠丝杠只承受轴向力。所以滚动轴承的当量动负荷P=
=
=17.08N，
为负荷系数中等惯性力作用时取1.2。
1、角接触球轴承选择：
由《机械设计》公式基本额定动负荷C=
已知
、
小时、球轴承
取3，则C=
=307.8N
考虑到上面已选滚珠丝杠底径为26.24mm，查《机械设计课程设计手册》表6—6选取角接触球轴承7004AC基本尺寸为:内径20mm、外径42mm、宽度12mm、接触角25°、基本额定动载荷10.0KN、脂润滑情况下极限转速14000r/min。
极限转速的校核：
由选取的轴承参数知
=14000r/min、依据《机械设计》图8.13负荷系数
取0.64，
=0.95
=
=8512/min
=6500r/min<
=8512r/min
所以转速符合要求。
2、右端深沟球轴承的选择
该深沟球轴承只是起到支撑作用，而且所支撑的重量较小，所以只要在直径方面满足要求即可。从《机械设计课程设计手册》表6—1，查得轴承6004。其基本尺寸为：内径20mm、外径42mm、宽度9.38mm、极限转速15000r/min。
4.1.2 丝杠系统刚度K计算
由公式：
，
滚珠丝杠拉压刚度
，a=760mm为滚珠螺母中点至轴承支点距离
=222.3
、轴承刚度生产厂产品样本中查出1020、
是轴向接触刚度从《机械设计手册机械传动》表11-1-31查得为1740。
K=165.2
启动时丝杠轴向载荷为F=14.231N总弹性变形量：
=
=0.09
远远小于37.5。所以符合要求。
4.1.3 电机和连轴器的选择
1、电机的选择
夹紧过程中克服摩擦的阻力
=5.59N，前面已计算。丝杠螺母的移动速度为：
V=
=0.272mm/s（上面已计算）。
则所须的电机功率为：
=
查《机械设计课程设计手册》表1-7，
为夹持机构在导轨副上的滑动效率取0.9，
为丝杠的效率0.94，
为轴承传动效率取0.93，
为连轴器的效率取0.9
=
=2.15W
由《滚珠丝杠及其自锁装置》电机启动时的力矩
=
，F为丝杠轴向力、L为丝杠导程、η为丝杠传动效率0.94。
=
=0.013Nm
因为预先估计滚珠螺母相对滚珠丝杠的转速为6500/min，所以根据电机的功率、转速和启动时的力矩，并在网上查找决定用南京思展责任科技有限公司的直流无刷电机DM26A9其参数为：法兰尺寸26、电枢电压12V、额定转矩0.087Nm、额定功率14W、最大转速6500r/min。
2、连轴器
连轴器选用十字滑块连轴器，因为该连轴器适用于需正反转或启动频繁传递中小载荷的场合。
4.2 臂部升降传动机构的设计及参数的确定
根据上面设计夹持机构、水平伸缩机构以及驱动装置的设计结果，经三维实体仿真包括3KG的负载在内，其总重量为31.5KG。夹持机构、水平伸缩机构以及驱动装置的整体运动在垂直平面内进行，主要是克服摩擦力、机构和负载的重力的运动。负载不是很大，而且要实现的是直线运动，所以决定选用丝杠传动。
4.2.1 夹持机构与水平伸缩机构受力分析
经三维实体仿真夹持机构与水平伸缩机构已经基本确定。其实体如下图所示：
手腕装配体 ( Assembly Configuration - 默认 ) 的质量特性
输出坐标系 : 坐标系1
密度 = 0.0029 克/立方毫米
质量 = 25560.6547 克
体积 = 8674067.8830 立方毫米
表面积 = 1691904.3762 平方毫米
重心 : ( 毫米 )
X = -0.0000
Y = 638.0724
Z = 92.8174
惯性主轴和惯性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )
由重心决定。
Ix = (0.0000, 0.9967, 0.0816) Px = 164644166.7685
Iy = (-0.0000, -0.0816, 0.9967) Py = 6962826942.0532
Iz = (1.0000, -0.0000, 0.0000) Pz = 7048734750.9415
惯性张量 : ( 克 * 平方毫米 )
由重心决定，并且对齐输出的坐标系。
Lxx = 7048734750.7619 Lxy = -60.3178 Lxz = -3944.5721
Lyx = -60.3178 Lyy = 209938389.0003 Lyz = 553052289.4238
Lzx = -3944.5721 Lzy = 553052289.4238 Lzz = 6917532720.0010
惯性张量: ( 克 * 平方毫米 )
由输出座标系决定。
Ixx = 17675612842.3924 Ixy = -253.8057 Ixz = -3972.7179
Iyx = -253.8057 Iyy = 430145043.6903 Iyz = 2066861492.5887
Izx = -3972.7179 Izy = 2066861492.5887 Izz = 17324204156.9414
夹持机构与水平伸缩机构的受力分析如下：
不自锁的条件：
（油润滑
取0.06）
=
（经三维实体仿真
=638-180=458mm）
所以h >54.96,h可取70mm。
由平衡方程：
（
）
=2019.8N
551.1N
4.2.2 升降丝杠型号的确定
1、丝杠导程
经三维实体仿真，采用铝合金材料的机构和载荷的重量：
=mg
N
摩擦力
，查《机械设计课程设计手册》表1-10常用材料摩擦系数取0.06
=242.376N
为惯性力，由上面的运动节拍分析该运动时间为2.2s、升降行程的要求1000mm、电机启动时间0.3s，加速度
a==
==
=38.115N
丝杠的最大负荷：
则
=589.2N
为使设计更可靠令当量载荷=
,假设丝杠副最大相对转速为=3000r/min。查表11-1-25精度推荐表，确定机械手使用的精度为5级。滚珠丝杠的失位量为0.045mm。初算导程：
=
=7.27mm
根据《机械设计手册—机械传动》表11-1-15查得应该大于或等于7.27mm取10mm。
2、 额定动载荷
表11-1-35精度系数取0.9、查表11-1-36可靠性系数取0.62、预期工作寿命为15000小时、查表11-1-37载荷性系数取1.5。
=22055N
3、估算滚珠丝杠允许最大轴向变形
=定位精度=0.15=37.5
4、估算滚珠丝杠底径
为导轨静摩擦因素、a为支撑方式系数一端固定一端自由时取0.039。L为滚珠丝杠支撑点距离常取1.1倍行程+10。
L=
=980mm
=
=242.4N(为导轨摩擦因数)。查《机械设计课程设计手册》表1-10常用材料摩擦系数取0.06。
=
=37.24mm
查《机械设计手册机械传动》根据以上的计算结果并查表11-1-30~表11-1-33确定丝杠的型号。汉江机床厂（插管凸出式变导预紧）4010-5GB/T 17587.2—1998—40—10—980—P5R。
5、计算预紧力
==
=196.4N
6、压杆稳定性校核
依据《机械设计手册机械传动》表11-1-13滚珠丝杠压杆稳定性校核公式：
为压缩临界载荷、
为安全系数垂直安装取0.5、
为支撑系数查表11-1-40取0.25、
丝杠最大受压长度980mm。
17689N
=589.2N
所以压杆稳定性符合要求。
4.2.3 轴承型号的选择计算
依据工作情况丝杠采用一端固定一端铰支的工作方式。因为在这种情况下它的静态稳定性和动态稳定性都较高、轴向刚度大。
如图所示下端用角接触球轴承，又端用深沟球轴承作为支撑。滚珠丝杠螺母上的机构重量以及其与导轨的摩擦阻力构成了丝杠轴向所受的力。所以滚动轴承的当量动负荷P==
=707.1N，为负荷系数中等惯性力作用时取1.2。
1、角接触球轴承选择：
由《机械设计》公式基本额定动负荷C=
已知
、小时、球轴承取3，则
C=
=9846.2N
考虑到上面已选滚珠丝杠底径大于37.24mm，查《机械设计课程设计手册》表6—6选取角接触球轴承7006AC基本尺寸为:内径30mm、外径55mm、宽度13mm、接触角25°、基本额定动载荷14.5KN、脂润滑情况下极限转速9500r/min。
极限转速的校核：
由选取的轴承参数知=9500r/min、依据《机械设计》图8.13负荷系数取0.64，=0.95
=
=5168/min
=3000r/min<=5168r/min
所以转速符合要求。
2、右端深沟球轴承的选择
该深沟球轴承只是起到支撑作用，而且所支撑的重量较小，所以只要在直径方面满足要求即可。从《机械设计课程设计手册》表6—1，查得轴承6007。其基本尺寸为：内径30mm、外径55mm、宽度13mm、极限转速10000r/min。
4.2.4 丝杠系统刚度K计算
由公式：
，
滚珠丝杠拉压刚度，a=980mm为滚珠螺母中点至轴承支点距离
=269.4、轴承刚度生产厂产品样本中查出880、是轴向接触刚度从《机械设计手册机械传动》表11-1-31查得为1740。
K=188.9
启动时丝杠轴向载荷为F=589.2N总弹性变形量：
==3.119
远远小于37.5。所以符合要求。
4.2.5 电机和连轴器的选择
1、电机的选择
夹紧过程中克服摩擦的阻力==589.2N，前面已计算。丝杠螺母的移动速度为：
V=
=0.364mm/s（上面已计算）。
则所须的电机功率为：
=
查《机械设计课程设计手册》表1-7，为夹持机构在导轨副上的滑动效率取0.9，为丝杠的效率0.94，为轴承传动效率取0.93，为连轴器的效率取0.9
=
=302.9W
由《滚珠丝杠及其自锁装置》电机启动时的力矩=，F为丝杠轴向力、L为丝杠导程、η为丝杠传动效率0.94。
=
=0.998Nm
因为预先估计滚珠螺母相对滚珠丝杠的转速为3000/min，所以根据电机的功率、转速和启动时的力矩，并在网上查找决定用淄博圣天杰电机厂的直流无刷电机110SZ59其参数为：电枢电压96V、电枢电流5.5A、额定转矩1274Nm、额定功率400W、转速3000r/min。
2、连轴器
连轴器选用十字滑块连轴器，因为该连轴器适用于需正反转或启动频繁传递中小载荷的场合。
