关节机械手腕部设计本科毕业设计.docx

武汉工程大学本科毕业设计（论文）

第一章 绪论
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,统称为机器人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“Mechanical Hand "，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。
本课题通过对通用机器人smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，最终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程中所要求的动作。
本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数。
第二章 关节机械手机构原理
2.1关节机械手组成
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图所示:

图2.1 机械手的组成及相互关系
2.1.1驱动装置
驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。
液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6 个大气压，个别的达到 8-10 个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。
采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来
驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。
机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。
工业机械手装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机(直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机)，液动和气动装置，
2.1.2控制系统
机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存
储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。
控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备(如电焊机，工卡具等)之间的信息传递和协调工作。
2.1.3执行机构
执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。
1) 腰部 腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性影响。
2) 基座 基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。
3)手部 手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。
夹持式手部是由手指和传力机构所组成。
手指是直接与物件接触的机构。常用的手指运动形式有回转型和平移型。 吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
4)腕部 腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。
5)臂部 臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带动腕部作平面运动。
2.1.4应用机械手的意义
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
(1)以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
(2)以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
(3)可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
2.2关节机器人分类
2.2.1按用途分类
1.专用机器人
专用机器人是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。
2.通用机器人
通用机器人是在专用机器人的基础上发展起来的。它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用计算机控制系统。
2.2.2按控制形式分类
1.点位控制型机器人
点位控制型机器人的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机器人是点位控制型。
2.连续轨迹控制型机器人
这种机器人的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂.
2.2.3按驱动方式分类
1.液压机器人:输出力大，传动平稳。
2.气压机器人:气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。
但工作不太平稳，冲击大。
3.电动式机器人:电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。
4.机械式机器人:工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。
2.3关节机械手腕部结构选型
手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)之间的连接部件。其功用
是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般商用机器人，末杆(即与末端执行器相联结的杆)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态(即方向)，可用两个方位确定。如图2.1所示

图2.2 末杆姿态示意图
1．大臂 2.小臂 3.末杆(L)
在图2.1中，末杆L的图示姿态可以看作是由处于x1方向的原始位置先绕z1在x1 o1 y1平面内转α、β角，然后在a o1与z1组成的垂直平面内再向上转β角得到的。可见是由α、β两角决定了末杆（L）的方向(姿态)。从理论上讲，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，则L在空间可取任意方向。如果L的自转角γ也满足0°≤γ≤360°，我们就说该操作机具有最大的灵活度，即可自任意方向抓取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。为了定量的说明操作机抓取和摆放物体的灵活度，我们定义组合灵活度(dex)为:
dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%
上式取“加”的形式，但一般不进行加法运算，因为分开更能表现结构的特点。
腕结构最重要的评价指标就是dex值。若为3个百分之百，该手腕就是最灵活的手腕。一般说来，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果拧螺钉，最好γ无上限。
腕结构是操作机中最复杂的结构，而且因转动系统互相干扰，更增加了腕结构的设计难度。腕部的设计要求是:重量轻，dex的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量(约5%—10%，转动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。
2.3.1单自由度手腕
SCARA水平关节装配机器人多采用单自由度手腕，该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度。为了减轻操作机的悬臂的重量，手腕的驱动电机固结在机架上。手腕转动的目的在于调整装配件的方位。由于转动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕传动的驱动电机。这时确定末端执行器方位的角度(以机座坐标系为基准)将是大小臂转角以及腕转角之和。
2.3.2两自由度手腕
两自由度手腕有两种结构:
1）汇交式两自由度 手腕两自由度手腕的末杆与小臂中线重合，两个链轮对称分配在两边。β≤200° ,γ≥360°, dex= 0+80%+100%，如图1.3，
2）偏置式两自由度手腕 手腕的末杆偏置在在小臂中线的一边。
β≥360°,γ≥360，dex=0+100%+100%优点是腕部结构紧凑，小臂横向尺寸较小(薄)。
两自由度的另两种结构。一种是将谐波减速器这置于碗部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带动谐波使末杆L获得α. γ两自由度运动。另一种则是将驱动电机1和谐波减速器连成一体，放于偏置的壳中直接带动L完成角转动，β角则是由链传动完成。

如图2.3汇交式两自由度
1-法兰 2-锥齿轮组 3-锥齿轮 4-弹簧
5、8-链轮 6-轴承 7-壳体
2.3.3三自由度手腕
三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在两自由度的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度(用角度参数α表示)而形成的。当不考虑结构限制，即α、β、γ都能在0°～360°范围取值，末端执行器的灵活度dex=100%+100%+100%，也就是说具有百分之百的灵活度。这就是说手爪可自任意方向接进物体，也可将物体转到任意姿势。所以三自由度是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。主要有两类:
1)汇交手腕(或称正交手腕)它是α、β、γ的旋转轴线汇交于一点。
2)偏置式手腕它是α、β、γ的旋转轴线互相垂直，但不汇交于一点。
这两类手腕都是把β、γ运动的减速器安装在手腕上，可简化小臂结构，但却增加了手腕本身的重量和复杂程度。
2.3.4 关节机器人腕部结构选型
如图2.4所示，是汇交式手腕(或正交手腕)，即α、β、γ的旋转轴线汇交于一点。可以看出，电机(1)经锥齿轮副((3, 4)和齿型带传动(9, 10, 13),
再经锥齿轮副(5, 6)和谐波减速器(16)带动法兰(17、机械接口)转动，完成末杆(法兰)γ的运动。电机2经锥齿轮副(7, 8)和齿型带传动(11, 12, 14), 通过谐波减速器带动腕壳摆动，完成末杆p的运动。整个手腕又由置于小臂后部的电机(上图未画)，经过谐波传动，带动小臂作绕自身轴线的转动，即α运
动。

图2.4 正交式手腕
减速器的配置可以分为前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的复杂程度和重量，对小臂乃至整机的平衡不利，但可简化整个小臂的结构，而且当腕部使用同步齿形带时，只能采用这种布置，因为齿形带只能用于高速级。这种布置还可简化后面三个驱动系统的结构。对于平行轴转动，减速器前置可以匹配小臂与手腕的几何尺寸。如图2.4所示，我选用:减速器的配置为前置式是把α、γ两自由度的减速器装在手腕内。
电机配置也可以分为前置式和后置式。前置式有一个电机配置在手腕中，其最大优点是大大简化了小臂的结构和传动过程的轴线干扰，但加重了腕部。这种结构较适合于小负荷操作机。必须指出，这种结构的手腕也属于非汇(正)交式，由它构成的六自由度操作机无解析解。电机后置式的驱动电机都布置在腕的后面。对于中小负载的操作机，电机可布置在臂的空腔中，而对于大负载操作机，由于电机重而且大，电机多布置在臂的后端，以减少臂的尺寸和前部重量，并与减速器一起对小臂起平衡作用。如图2.4所示。
2.4关节机械手设计
机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。:
在传统的设计与制造过程中，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，就要回头修改设计并再用样机验证。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期更加漫长，更不用谈对市场的灵活反应了。于是运动分析—虚拟样机技术便应运而生了。它可以使产品设计人员在虚拟环境中真实地模拟机器人的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的实验，直到获得最优化的设计方案。这种方法不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率也得到了很大的提高。

第三章 关节机械手腕部设计
3.1关节机械手手腕结构的选择
Smart 6.50腕部的主要技术参数为：
自由度
3
最大持重
5Kg
Ⅰ 轴
±180°
144(°)/s
200N•m
Ⅱ 轴
±115°
136(°)/s
150N•m
Ⅲ 轴
±180°
138(°)/s
100N•m
本课题仿制Smart 6.50R机器人的腕部进行设计，通用机器人的手腕是三自由度的，图3.1是其传动原理图，关节配置形式为臂转、腕摆、腕转结构。其传动链分成二部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过齿形带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部。
（1）臂转运动 臂部外套筒与手腕壳体通过端面法兰联结，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。
（2）腕摆运动 臂部输出的空心轴通过一组锥齿轮组（14）和一组同步齿形带（12、13）以及谐波减速器（11）带动固定在套筒上的端盖一起摆动。
（3）手转运动 如图3.1,臂部心轴通过键联结带动锥齿轮组（3）转动，然后通过同步齿形带（4、6）带动套筒的内部中心轴，中心轴的另一端通过一对锥齿轮组（9）传动，带动固定套筒（10）内部的中心轴端面的法兰盘（8）转动，实现法兰盘的手转运动。

图3.1腕部系统传动简图
3.2传动装置的运动和动力参数计算
3.2.1.选择电机
假设手部的末端的持重是 5Kg,腕心距离机械输出借口长度为180mm，腕部的旋转半径为100mm。
Ⅰ 轴为腕转运动
转速为: = 2.512rad/s
已知：腕部的旋转半径R=100mm，所承受载荷为F =5x10 =50N
∴扭矩T=F·R
理论功率P = F·R·W1=50×2.512×100=12.56W
又∵电机效率为η总=η锥2η联η离η带η=0.952×0.8×0.95×0.99×0.98=0.665
其中，η离=0.95，η锥=0.95，η带=0.98，η联=0.95，η=0.8
可得，所需电机功率P电=P/η总=12.56/0.665=18.89W
Ⅱ 轴为腕摆运动
已知L=200mm，F=50N
∴扭矩T=F·L=10.0N·m
转速W2==2.372rad/s
∴P=T·=23.72W
又∵电机效率为===0.665
可得，所需电机功率为=P/=23.72/0.665=35.67W
考虑到系统传动过程中，同步齿形带传动所需的功率，以及要求腕部的结构要求紧凑，所以Ⅰ轴传动所需电机5和Ⅱ轴传动所需电机6如下：
表3.1电机型号与性能
型 号
功 率 (KW)
转 速（r/min）
转 矩
（N·m）
额定电流
（A）
额定电压
（V）
ＴＹＳＺ－７５－６３ｓ
0.75
3000
2.4
3.08
220
ＴＹＳＺ－５５－６３ｓ
0.55
2000
2.3
2.2
220
3.2.2分配系统传动比和动力参数的计算
Ⅰ 轴为腕转运动
腕转传动系统的传动比
末端法兰盘的转速＝＝22.67r/min
系统总的传动比为＝＝88.22
取＝88.22，＝1，＝１，＝１
则电机6的输出功率＝0.50Kw
带轮5转速＝2000r/min
＝＝104.67rad／s
＝＝0.50ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99＝0.460Kw
扭矩==2.20N·m
带轮6转速==2000r/min
==104.67rad/s
==0.460x0.95=0.437 Kw
扭矩==2.09N·m
腕转轴Ⅰ轴
==0.437x0.80x0.95=0.332Kw
转速=22.67r/min
=1.186rad/s
扭矩==139.85N·m
腕摆传动系统的传动比
末端套筒的转速＝＝24r/min
系统总的传动比为＝＝125
取＝50，＝2.5，＝１，＝１
电机５的输出功率＝0.75Kw.带轮３转速＝＝1200r/min
＝＝62.8rad／s
＝＝0.75ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99ｘ0.95＝0.656Kw.==5.22N·M 带轮4转速==1200r/min
==62.8rad/s
==0.656x0.95=0.623Kw
==4.96N·m 腕摆轴Ⅱ轴=24r/min
=2.512rad/s
==198N·m Ⅰ轴腕转运动
＝＝88.22
取＝88.22 ， ＝1 ，＝１，＝１ 腕摆传动系统的传动末端套筒的转速＝＝24r/min系统总的传动比为＝＝125
取＝50 ，＝2.5，＝１，＝１

第四章 关节机械手锥齿轮设计
4.1确定锥齿轮的主要技术参数
锥齿轮组3的材料选用40Cr钢，齿面硬度250～280HBS。
取齿轮模数m=2.5，40，压力角=45°
齿数比i==1
齿轮直径d=m·z=90 mm，=
锥距 R==63.64mm
又∵齿顶高=2.5，齿根高=3
∴齿顶圆直径=d+2=93.5mm
齿根圆直径=d-2=85.8mm
齿宽b=10mm，=d(1-0.5b/R)=83
又∵==2.5/63.64=0.0393 ∴=2.7°
==3/63.64=0.0471 ∴ =3.2°
4.2轮齿的受力分析和强度计算
忽略齿面间摩擦力，把轮齿上的分布作用力合成为集中法向力,在把分解为三个互相垂直的力，即圆周力、径向力和轴向力。锥齿轮5的转矩为，中点分度圆直径为，可得：
==328.7N
==86.7N
==86.7N
(=14.73N·m)
一般的直齿锥齿轮制造精度低，因而可以认为在啮合过程中载荷仅由一对相啮合的齿来承担，故可以不考虑齿间载荷分配问题，即可以忽略重合度的影响，故载荷系数
K==1.88
其中，=1.6，=1.15，=1.02
直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度条件为：
==460 M
==367.9 M
又∵=666.5M， =414 M
∴≤，≤
所以可知此齿轮组能够满足运动的要求。
锥齿轮组2的主要技术参数为
模数m=3，齿数15，压力角=45°
齿轮比i==1
齿轮直径d=m·z=45mm，==d
锥距 R==31.8mm
∴齿顶高=3.5，齿根高=4.2
齿顶圆半径=d+2=50mm
齿根圆半径=d-2=40mm
齿宽b=10mm
又∵==3.5/31.8=0.11 ∴=5.38°
==4.2/31.8=0.132 ∴=6.5°
第五章 关节机械手选择带轮和齿形带
5.1带轮的选择
根据所搜集的资料，考虑到整个系统传动的结构和传动特性，依据图5.1，

图5.1 同步带、轮选型
已知带轮6的转速 =2000r/min，功率=0.437Kw，扭矩=0.209N·m
根据图5.1，选择梯形齿带轮，带轮型为L型，带轮的结构为：

图5.2 带轮结构示意图

选择带选择奇龙传功公司生产轮型号为；
32L 050 AF 节距=9.525mm
Z=32 节径 d= 97.02mm
外径 = 96.26mm 档边内径 =90mm
档边厚度 h=1.5mm 档边直径 =102mm
5.2齿形带的设计
在本课题中，一共用到三次皮带，分别连接电机和空心轴的心轴、中间套和外套，再次以外套的所连接的带轮和皮带为例展开设计计算。
5.4.2 同步带结构的设计计算
1.心轴的设计计算
1）求出设计功率
因为Pd=Pm·K。
其中,Pd—设计功率
Pm—名义传递功率也就是电动机功率P P=0.26kw
K。—载荷修正系数 ,K。取1.8
又因为传动装置未及张紧装置和系统为减速运动 所以其附加修正系数为零。
所以Pd=1.8×0.26=0.5kw
2）、选择带的节距
因为Pd=0.5kw n 电=276rpm=n-小带轮转速
查《实用机械设计手册》（下）图 10.5-4 查得同步带的节距代号为 H，对应的节距Pd=12.7mm
3）、确定带轮直径和带节线长
查《实用机械设计手册》表 10.5-8 得 H 型带，小带轮转速 n1=276rpm 小于 900rpm
所以小带轮最少齿数Z1 应为14
Z1 取22，因为ⅰ=Z2/Z1
ⅰ—传动比ⅰ=1.5
Z2—大带轮齿数
Z1—小带轮齿数，Z1=22
所以 ⅰ=Z1·ⅰ=1.5×22=33
查《机电一体化机械系统设计》表3-11
大带轮齿数Z2 取标准值32 ，Z2=32
小带轮节圆直径
因为 ｄ1=Pb·Z1/π
Pb——同步带节距 ，Pb=12.7mm
Z1—小带轮齿数 ，Z1=22
所以计算得 d1=12.7×22/3.14=88.94mm d1=88.94mm
同理可得 大带轮节圆直径 d2=129.36mm d2=129.36mm
选择带长 LP
初定中心距a
因为 0.7(d2＋d1)＜a＜2(d2＋d1)
d2—大带轮节圆直径 d2=129.36mm
d1—小带轮节圆直径 d1=88.94mm
所以152.81＜a＜436.6
a 取 420mm a=420mm
因为 Lp=2aCOS ψ＋π(d2＋d1)/2＋πψ(d2－d1)/180
定ψ角
因为ψ=arcsin - 1 (d2－d1/2a)
所以ψ=arcsin - 1 (129.36－88.94/2×420)=3
所以a=420mm ψ=3
所以Lp=2×420×COS3＋π(129.36＋88.94)/2＋π×3 . （129.36-88.94）/180 =839＋343＋2
=1184mm
节线长 Lp=1184mm
查《实用机械设计手册》（下）表10.5-5 取整后
选用长度代号为510 Lp=1295.4mm 齿数Zb=102 的同步带
4)、传动中心距a的确定
因为M=Pb/8(2Zb-Z1-Z2)
M—修正系数
Pb—同步带节距 Pb=12.7mm
Zb—同步带齿数 Zb=102
Z1—大带轮齿数 Z1=22
Z2—小带轮齿数 Z2=32
所以计算得M=12.7/8(21×102-22-32)=238.125
a≈238.125＋ [( 238. 1 25) 2 - 204. 483]1/2 =476mm
所以节线长Lp=1295.4mm 传动中心距a=476mm
5)、选择标准带宽
确定小带轮齿数Z1=22 小带轮转速n1=184rpm
查《实用机械设计手册》(下)表 10.5-17 用差值法计算得 H 型带的基准额定功率 P。=2.7Kw
确定实际带宽bs
因为 bs≥bs。（Pd/k2·P。）
bs。—标准带宽 查《实用机械设计手册》(下)表10.5-4
bs。=76.2mm
Pd—设计功率 Pd=0.5kw
K2—啮合齿数系数K2 据实际工作要求 K2=1
所以bs≥76.2(0.5/1×2.7) 1 / 1. 1 4 =17.4
查《实用机械设计手册》表 10.5-4 bs 取标准为 25.4mm 其标准宽度代号为 100 宽度
极限偏差为+0.8-0.3
bs=25.4mm
确定带宽系数Kw
因为Kw=(bs/bs。) 1. 14 所以Kw=（25.4/76.2） 1. 14 =0.29
Kw=0.29
确定额定功率P
因为P=K2·Kw·P。
K2—啮合齿数系数 k2=1
Kw—带宽系数 kw=0.29
P。—基准额定功率 P。=2.7kw
所以计算得P=0.29×2.7=0.77kw
因为 P＞Pd 所以满足设计要求
带的圆周速度V 的确定
因为V= Pb·Z1n1/60×1000
Pb—带的节距Pb=12.7mm
Z1—小带轮齿数Z1=22
n1－小带轮转速n1=276r/mm
所以计算得V=12.7×22×276/60×1000=1.3m/s
工作能力验算
因为P=(K2·kw·Ta-bs·m·v 2 /bs。)V×10 - 3
K2—啮合齿数系数 K2=1
Kw—带宽系数 Kw=0.29
Ta—许用工作拉力 查《实用机械设计手册》表10.5-9
Ta=2100.85N
m—单位长度质量查《实用机械设计手册》表10.5-9
m=0.448 ㎏/m
所以P=〔1×(25.4/76.2) 1. 14 ×2100.85-25.4×0.448×1.3 2 /76.2〕×1.3/1000=0.78
因为P＞Pd所以额定功率大于设计功率故带的传动能力足够。
最小轴径的确定因为dmin≥A 3 p / n
A— 修正系数查《简用机械设计手册》表 14-13 轴的材料为 45 钢 A 118
P—传递功率为0.26kw
n—驱动轴转速为184r/mm
所以dmin≥A [p/n]1/3=13mmd 取30mm
6)结果整理
选用HL型同步带 Pb=12.7mm Lp=1295.4mm
Bs=25.4mm
小带轮Z=22 d=73mm
大带轮Z=50 d=99mm
传动的中心距 a=376mm.带的长度带号为510 宽度带号为100
总结与展望
总结：
本次课设我从通用机器人的整体结构对机器人腕部进行了分析，综合考虑了腕部的整体结构。
1.确定机器人的整体结构参数，查找资料，以Smart 6.50R通用机器人为参考，在已有的技术资料的基础上，通过分析，确定腕部的传动系统.
2.假设腕部末端的结构，确定腕部的输出功率，然后计算出腕部所需的电机。在确定电机和传动机构的基础上，我对锥齿轮和传动中所需的带轮以及同步齿形带进行了详细设计，并且对它们进行了校核，确定所设计的腕部结构能够配合机器人的其他结构进行喷漆动作。
3.通过认真计算分析后我认为我所设计的腕部是比较理想的，基本满足预定的设计要求。
展望：
1.本次设计未能涉及精度问题，希望可以提高机械手的精度达到更好的效果。
致谢
在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了胡帮友老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了胡帮友的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向胡帮友老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。
感谢机电工程系的领导和老师对我的关心和帮助。
再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

参考文献
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