一种吸盘式搬运机械手的设计与研究应用.doc

商 丘 工学院-JX-SJ080202-115本科毕业设计 一个吸盘式搬运机械手设计和研究 学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学 号学生姓名周成指导老师张保恒 高威提交日期 年 05 月 23 日 诚信承 诺 书本人郑重承诺和申明:我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校相关要求,恪守学术规范,此毕业设计中均系本人在指导老师指导下独立完成,没有剽窃、剽窃她人学术见解、思想和结果,没有篡改研究数据,凡包含其它作者见解和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿负担一切责任,接收学校处理,并负担对应法律责任。毕业设计作者署名： 年月日摘 要 依据工厂实际环境和自动化设备布局，设计了六个自由度关节型吸盘式搬运机械手，它基础能够抵达空间任意位置，实现物品正确转移。经过查阅相关资料，结合各方面原因，确定了机械手总体设计方案，经过相关技术参数查阅，确定了手臂、吸盘等参数标准化。在此基础上经过采样、分析、计算、校验，确定了各部件结构尺寸，和电机、减速器规格选择。经过solidworks软件，依据相关尺寸大小，绘制出机械手三维实体模型，而且绘制出对应工程图。对吸盘机械手进行运动学分析及手臂位移、速度、加速度等运动仿真，模拟出机械手运动轨迹，绘制出机械手运动参数曲线图，并能够实现物品快速正确转移到目标地动作。关键词：吸盘式关节型机械手；机器臂结构分析；结构设计；三维设计；运动学仿真ASTRACTAccording to the layout of the actual plant environment and automation equipment, the design of the six degrees of freedom articulated suction cup type manipulator, which can basically arrive at arbitrary location in space, to realize the accurate transfer. Through access to relevant information, combined with various aspects of factors, to determine the overall design scheme of the manipulator, through access to relevant technical parameters to determine the arm, standardization of disk parameters. On this basis, through sampling, analysis, calculation and validation, to determine the structure size of each component, and the motor, deceleration device specification.By SolidWorks software, according to the size related to the size of the draw the three-dimensional entity model of the manipulator, and draw the corresponding engineering drawings. The manipulator sucker for kinematics analysis and arm of the displacement, velocity and acceleration of motion simulation. Simulation of the trajectory of the manipulator draw manipulator motion of parametric curves, and can realize the goods quickly and accurately transferred to the destination of the action.Key words: Articulated manipulator；Robot arm structure analysis；Structure design；Three-dimensional design;Kinematics simulation目 录1 绪论1 1.1 引言11.2 关节机械手研究概况21.2.1 国外研究现实状况21.2.2 中国研究现实状况21.3 关节机械手总体结构31.4 关键内容41.5 本章小结52 总体方案设计62.1 机械手工程概述62.2 工业机械手总体设计方案叙述62.3 机械手机械传动原理72.4 机械手总体方案设计82.5 本章小结93 机械手大臂部结构设计103.1 大臂部结构设计基础要求103.2 大臂部结构设计103.3 大臂电机及减速器选型103.4 减速器参数计算113.5承载能力计算153.5.1 柔轮齿面接触强度计算153.5.2 柔轮疲惫强度计算163.6 本章小结204 小臂结构设计214.1 腕部设计214.1.1 手腕偏转驱动计算214.1.2 手腕俯仰驱动计算324.1.3 电动机选择324.2 小臂部结构设计344.3 小臂电机及减速器选型344.3.1 传动结构形式选择354.3.2 几何参数计算354.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承计算364.4.1 柔轮齿面接触强度计算374.4.2 柔轮疲惫强度计算374.5 轴结构尺寸设计384.6 轴受力分析及计算394.7 轴承寿命校核404.8 本章小结425 机身设计43 5.1 步进电机选择43 5.1.1 计算输出轴转矩435.1.2 确定各轴传动比455.1.3 传动装置运动和动力参数455.2 齿轮设计和计算48 5.2.1 高速级齿轮设计和计算485.2.2 低速级齿轮设计和计算525.3 轴设计和计算555.3.1 输入轴设计和计算555.3.2 中间轴设计和计算585.3.3 输出轴设计和计算615.4 轴承校核635.4.1 输入轴上轴承寿命计算635.4.2 中间轴上轴承寿命计算645.4.3 输出轴上轴承寿命计算655.5 键选择和校核675.5.1 键选择675.5.2 键校核675.6 机身结构设计685.6.1 机身箱体材料选择685.6.2 机身结构设计及制造工艺685.7 本章小结686 基于solidworks吸盘式机械手三维设计和装配仿真69 6.1基于solidworks三维建模介绍696.1.1 关键零件三维实体模型创建及装配696.2 基于solidworks运动学仿真部分操作步骤及仿真结果72 6.3 本章小结74总结和展望76致 谢77参考文件781 绪论1.1 引言 机器人，经典机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究一个热点领域。在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大应用和推广，它含有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且含有宽广市场和发展空间。 1959年，世界上第一台工业机器人诞生，机器人开辟了新发展时代。多关节机器人科学技术飞速发展，研究和应用发展。世界著名机器人教授，加藤一郎教授，在早稻田大学说：“一个机器人最大特点，你有需要它功效”不管是自动化道路脚下程度有多高，这全部是复杂动态系统。伟大发明家托马斯爱迪生曾说过这么一句话：“机器人，对环境是有益。”它有很好适应性，它含有很较高环境要求。能够打开无限宽广前景，有必需扩大机器人应用领域。以下关键是设计机械手原因和目标：替换了人类劳动，解放了人双手，提升了生产率，而且它们是开发一个系统，方便它能够在很多结构性和非结构性相配合，更关键是，使用这些功效，像人性化服务，需要内在人性化、系统化。在这方面研究，能够扩大研究机器人方向和研究机器人市场，机器人，如智能机器人，能够起到人工智能和服务人类关键作用。关节机器人，世界上没有统一分类，定义是不一样。对于近期标准化联合国国际组织已经经过美国协会定义为关节机械手机械人：多关节机器人，搬运为主料，转移为目标，为了多种工作完成，经过改变动作程序，还需要再编程多功效操作装置。外国定义和我们关节型机器人有不一样参考定义。多关节型机器人，独立主体能够放在任何地方，动作自由度，程序能够灵活地改变，高度自动化机器人。它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。关节型机器人臂和主体，相对于人，能够携带重物，能够有一个较快移动速度，有很高定位精度，它是自动，能够实施多种操作，它能够是一个外部信号实施单元。多关节型机器人是在计算机控制下可编程自动化机器。能够提升产品质量和劳动生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化，在经过改善，改善工作条件下，它是降低了劳动强度有效手段。机器人诞生和发展，即使只有30多年历史，不过在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大生命力，未来发展不可估量，需要我们深入努力，开创美好未来。1.2 关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现实状况人类和动物运动原理第一个系统研究使迈布里奇发明了摄影机跟单，即设定触发相机，并在1877年她成功地验证了她假定。以后，使用这种方法相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦也深入研究，从人类和动物动力机制角度看，并提出理论很形象化描述人类和动物运动机制。真正研究机构运动大多是全方面研究，系统于1960年推出至今，比较完整理论体系形成，并在部分国家，如日本，美国和苏联已成功开发，能够是静态或动态多臂枢轴原型得到发展。在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型控制方法这是很关键，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制方法对全部类型搬运机械手全部是适用。国家控制是在1961年提出模型参考，于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇正式提出，该算法是由著名南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多搬运运动学教授鲍宾Vukobratovic博士在1969 - 1972年教堂中提出。这三种类型控制方法和她们之间存在内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，而且该控制算法得到了证实和应用。在搜索步态中，苏联Bessonov和Umnov定义“最好步态”，Kugushev和美国Jaro-shevskij定义自由步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多和腿多机器人。在这些中，对于自由路径步骤，有她条件和规则。假如地形是很粗糙，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应经过步骤方便攀登者去经过部分优化标准来确定哪个是所谓自由速度。稳定性研究手臂动作多搬运，美国Hemami，该提议稳定性和系统控制简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它能够被解释为在换能器存在问题中为了向前运动。另外，为了降低考虑，Hemami在研究手臂运动多搬运“降低型”问题上进行了复杂性研究。以前我们指出了系统Vukobratovic还能进行能量分析，但它力量是有限，搬运随时间整个系统改变，并没有太多包含这个问题。不过在她研究中，Vukobratovic得出一个有用结论，即平滑姿态，人型系统所消耗功率就越少。伴随社会发展，需求增加，和实际问题待处理，国外相继研究出多种机器人，而且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地发展。1.2.2 中国研究现实状况中国现在机器人起步较晚，中国自1980年以来，在体育领域多臂机器人共同研究和应用下。 1986年，国家开启了“计划纲要”研究多动搬运臂，中国高科技“863”研究项目中水平运动臂产生于1987年。现在也在主动研发，中国移动手臂研究和开发关键和高校和科研院所合作。因为中国机器人产业还很微弱，机器人研究仍然任重而道远。中国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占30%，其它皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，因为机器人是最经典机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为优异装备制造业支撑技术和信息化社会新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越关键作用。国外教授估计，机器人产业是继汽车计算机以后出现一个新大型高技术产业。伴随中国企业自动化水平不停提升、人民生活需求水平提升，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，现在中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术开发。 中国机器人市场竞争越来越猛烈，中国制造业面临着和国际接轨、参与国际分工巨大挑战，加紧机器人技术研究开发和生产是我们抓住这个机遇机会。现在，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为中国制造工业发展必由之路。中国要大力发展制造业，必需科技创新，和时俱进，开创美好未来，未来机器人发展是不可估量，含有很好宽广前景。 这次研究吸盘式搬运机械手关键由类似人手和臂组成，它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1.3 关节机械手总体结构关节机械手组成及各部分关系概述图所表示： 1.3 机械手组成和相互关系它关键由机械系统（实施系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统组成。1.实施系统：共用部分实施系统部门，机械零件最全方面定义，以必需多种运动，包含手，手腕，来取得身体。A.末端实施用于实施，而且配置零件直接用于实施动作。B.手腕，手和臂连接，含有安排作为任务或工作端部方向改变。C.臂和连接手匹配，手腕支撑身体时，实施负荷管理块，手空间位置，臂操作空间改变能够满足多个搬运，基座里电动机能够提供动力传输。D：机身，多铰接臂，支撑辊，由臂部件支承，并含有使臂转动，起重或倾斜运动特征。2. 驱动系统：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动，用作机械传动，3. 控制系统：驱动控制系统，依据该系统工作，能够把故障报警或错误信号经过显示器显示出来，并能立即作出反应控制机器正常运行。 4. 检测系统：经由多种传感装置，控制运动检测装置，反馈给系统，确保运动无误，实践证实，该关节机器人能够替换繁重体力劳动，能够显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提升劳动生产率和自动化水平，也能够提升我们工业化水平，而且符合我们国家“工业10.0”政策。1.4 关键内容第1章 绪论 关键介绍机械手相关知识和本课题研究任务和要求.第2章 总体方案设计,介绍该机械手各部分相关知识和总体设计.第3章 机械手各部分设计介绍第4章 机械手结构设计第5章 机身合理参数选择第6章 基solidworks进行三维模型设计及运动分析和装配仿真1.5 本章小结 介绍了中国外机器人发展史，叙述了关节机器人总体结构。随时代进步各国展开研究机器人浪潮，比如德国工业4.0，中国随即也提出了符合中国国情“工业10.0”政策。 2 总体方案设计2.1 机械手工程概述它是一个技术集成学科，包含计算机技术和自动化技术等领域，在机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域有了发展。手臂多搬运运动设计，比如系统工程，应作为一个综合方法来设计系统，共同致力于系统研发和创新。一个复杂机械系统，可结合多个子系统，它是一个不可分割整体。系统必需含有以下特征：1.完整机械系统由多个子系统而且含有不一样整体性能特定功效。2.子系统之间要有机联络，不可独立。3.每个目标系统必需含有明确目标和系统功效，结构，功效，目标和手段，把系统各个子系统结合起来。4.系统对环境适应在一些情况下，我们必需能够适应外部环境中改变。所以，在设计机器人时，不仅要重视搬运机器人系统整个部件设计，还要考虑到单个部件设计，要把她们紧密联络起来。2.2 工业机械手总体设计方案叙述（一）确定负载现在，中国工业多用运动搬运臂，负载能力最小额定负载5N或更小范围，最多为9000N。这次设计机械手为5千克负荷。负载大小关键取决于运动作用力和机械接口上多搬运臂运动方向。下臂应该包含端部实施器，依据相关参数和计算得出，这是一个小负荷机械手。（二）驱动系统因为伺服电机含有良好控制性能，含有灵活性好，体积小，效率高，适适用于运动控制没有影响正确控制小臂运动机器人，所以，我采取了伺服电机。（三）传动系统 臂传输机构机械运动通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，齿轮友好波传动等作为传动载体，因为齿轮传动含有效率高，正确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，所以选择齿轮传动。（四）工作范围操作过程中工业手臂动作工作范围是和工作空间大小相关，其每个臂自由操纵器公共轴线长度和所传动轴相适应。（五）运动速度每个铰接机械臂最大行程，根据循环时间来确定每个操作时间，能够深入确定每个动作速度，单位为米/秒（m/ s），每个运动时间分配考虑到很多原因，如每个操作序列之间周期总时间长度。操作时间分配也必需考虑惯性大小和驱动控制，定位和精度要求。2.3 机械手机械传动原理该方案结构设计和分析该关节机械手本体结构组成图所表示：图2.1 关节机械手本体组成1-底座 2-大臂 3-小臂 4-手腕 5-吸盘 6-工件所描述为下列方法组件和功效:基础单位：基座构件包含底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。基础作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，能够承受工作负载，所述臂必需含有足够强度，刚度和负荷能力。另外，该臂也需要一个足够大安装基础，以确保在工作场所搬运机器人稳定运行。搬运机器人臂，通常会造成驱动臂运动（比如，液压，气动或一个马达）和一个驱动源（比如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等多种运动臂组成组件）。手臂分为大臂和小臂。组成以下：动臂、齿轮件，驱动电机。在臂构件中：臂，驱动轴，皮带等，固定到步进电动机一端。腕部分：包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。2.4 机械手总体方案设计它是机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标结构，该多接头结构和它们对应特征中每一个一致，以下所述。1.直角坐标结构 运动空间直角坐标机器人，它是落实到闭环位置控制线性运动，由图2-1所表示，直角坐标机器人能够达成很高位置，实现各有三个其它存在垂直直线运动精度。然而，直角坐标机器人相对于其它机器人结构，还算比较小。所以，为了实现恒定空间运动，必需调整好其内部架结构。直角坐标机器人工作区是矩形空间。直角坐标机器人关键用于组装和搬运，直角坐标机器人它含有悬臂门，起重机等类型结构。2.圆柱坐标结构如在图2-1（b）中，图所表示，调整直线运动并实现旋转运动。这种机器人结构相对简单，而且能够在通常精度操作中使用。它工作空间是圆柱形空间。3.球坐标结构图2-1（c）中，该空间运动是球形坐标机器人运动，实现两个旋转运动。这个简单机器人结构，成本低，精度不高。但她们工作空间是球形空间。4. 搬运型结构图2-1（d）所表示，为了实现一个空间移动搬运机器人包含三个旋转运动。搬运机器人运动是灵活，结构紧凑，占地面积小运动方法。这种机械手是广泛焊接，涂装，搬运，组装，它是在工业中使用。搬运型机械手结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-2 四种机械手坐标形式依据任务书和具体要求，我选择了关节型（d）。机器人工作范围是很大，而且运动灵活，通用性好，结构更紧凑，其特征以下：用途：物料搬运自由度数目：6（腰部回转、大臂转动、小臂转动、小臂回转、腕部摆动、腕部 回转）坐标形式：垂直关节坐标型额定负荷质量（不含末端实施器）：10kg(15kg)最大工作半径1450mm（1500）手臂最大中心高1200mm（1000）本体自重小于160kg（200）表2-1各关节回转范围和最大工作转速最大工作范围（ ）工作转速r/minrad/s/s腰部回转关节150（300）101.0560大臂转动关节110（150）101.0560小臂转动关节+170，-150（180）101.0560小臂回转关节180（360）202.1120腕部摆动关节130（120）202.1120腕部回转关节360303.141802.5 本章小结为了确定处理方案，提出多个方案并验证后，确定了机器人系统各个部件，包含：机器人机身、大臂、小臂、手腕、和端部实施器，并做了具体分析和设计。 3 机械手大臂部结构设计3.1 大臂部结构设计基础要求臂部件关键作用是联接着手，率领她们腾出运动。我这次设计成通常臂基础要求以下。1.手臂，要刚度好，重量轻2.在臂速度高时，也有小惯性为了减小转动惯量，必需采取以下方法。（A）降低臂重量经过使用铝等轻质高强度材料。（B）降低手臂运动部件总体尺寸（C）降低转弯半径（D）驱动系统中设有缓冲装置3.运动臂是灵活。为了运动平稳，运动臂部件之间摩擦力尽可能减小。4.位置精度要高。为了降低电机负载底部接头，降低了臂重量，以确保它能够提升机器人手臂动态响应，首先，采取薄铝合金构件设计。二是采取砂型铸造设计，“最小厚度能够是”浇铸，取决于不一样类型尺寸和合金铸件，具体见表3-1所表示：表3-1 砂型铸造铸件最小壁厚（mm）铸件尺寸铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金2002005835463533.5352002005005001012410812684668500500152010151220-它是简单地砂铸造结构设计，铸造结构对应于每个不一样铸件应依据各个特征来设计。在这次设计中，使用铸铝外壳手臂。具体尺寸，请参阅总装图。3.2 大臂部结构设计大臂壳体采取铸铝，方形结构，质量轻，强度大。3.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二搬运轴重量： ， 大臂速度是10r/min ，则旋转开始时转矩用以下式表示：式子里，T - 旋转开始时转矩 J - 转动惯量 - 角加速度使机械手大臂从到需要用时：则： (3.4)鉴于机器人手臂转动惯量摩擦转矩轴各个部分，开始转动为起动转矩，能够假设安全指数为2，输出谐波减速器最小转矩为： (3.5) 设得谐波减速器：型号： （型扁平式谐波减速器）额定输出转矩： 减速比：设谐波减速器传输效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)设得反应式步进电机型号：静转矩：步距角：3.4 减速器参数计算刚轮、柔轮材料全部是锻钢，小齿轮用45材质，硬度250HBS。 刚轮材料为45钢（调质），硬度220HBS。1.齿数确实定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径： 钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处厚度：重载时，为了增大柔轮刚性， 许可将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提升柔轮刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了降低应力集中，以提升柔轮抗疲惫能力，取2.啮合参数计算因为采取压力角渐开线齿廓，传动啮合参数请看以下式子。因齿轮扭矩原因，使齿轮间隙减小值为： （扭转弹性模数G=80GPa）式子里，： W0m=0.89810-5Zr2Cnmaxm为了消除在情况下进入啮合齿顶干涉，则必需使最大侧隙大于齿轮扭转减小侧隙，还应确保留在有侧隙值。 式子里，： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮变位系数： 刚轮变位系数： 验算相对啮入深度： 假如计算找出，继续计算，设得2。假如出现，为了传输动力，应合适增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 式子里，齿顶高系数;径向间隙系数柔轮齿顶圆直径： 式子里，（找到对应表格设出）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。即：刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 设出插齿刀齿数，插齿刀变位系数，插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀制造啮合角：找到渐开线函数表和三角函数表格设出那么刚轮和插齿刀制造中心距：插齿刀齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆径向间隙：即：可见沿波发生器长轴,在刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.凸轮波发生器及其薄壁轴承计算滚珠直径： 柔轮齿圈处内径：那么：轴承外环厚度：因为工艺上要求，可将外环做成无滚道轴承内环厚度： 内环滚道深度：式子里是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采取双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：式子里，是偏心距：（-刚轮分度圆直径，-柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮短半轴：3.5 承载能力计算3.5.1 柔轮齿面接触强度计算根据柔轮直线谐波传动齿轮和刚性轮特征。所以，经过工作表面齿侧最大接触应力，关键负载能力实际谐波驱动限制软。所以，谐波传动齿轮齿软边，应符合下列条件接触强度：接触强度计算公式： -输出转矩-柔轮节圆半径-柔轮轮齿宽-刚轮压力角-接触系数（0.40.9）对于通常双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面接触强度要求。3.5.2 柔轮疲惫强度计算柔轮材料采取 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲惫极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲惫强度条件。轴计算校核画轴受力分析图，轴受力分析图图所表示： 图3-1 轴受力分析图已知：作用在刚轮上圆周力径向力轴向力1) 算出垂直面支撑反力：2) 水平面支撑反力： 3） F在支撑点产生反力： 外力F作用方向和传动部署相关，在具体位置还未确定前，可按最不利情况考虑，见（7）计算4） 垂直面弯矩： 5) 水平面弯矩： 6) F产生弯矩： 7) 算出合成弯矩： 按最坏状态，把和直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=62.57 N.m8) 算出轴传输转矩： 9) 算出危险截面当量转矩 其当量转矩为：如认为轴扭切应力是脉动循环应变力，设折合系数a=0.6，带入式子得出：10） 算出危险截面处轴直径轴是45钢材，调质处理，从表格14-1找到并设出,从表格 14-3找到并设出,则：考虑到键槽对轴消弱，将d值加大5%，由此得出：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面。它弯曲截面系数是：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：，从表格找到并设出45钢，调质处理，抗拉强度极限，则从表格找到并设出轴许用弯曲应力,强度满足要求。3.6 本章小结分析了大臂机构设计，经过计算，合理选择了大臂关键结构技术参数：电机：55BF003型；谐波减速器：XB3-50-120；凸轮波发生器：双偏心校核了刚轮、柔轮接触强度和疲惫强度，并满足设计要求。 4 小臂结构设计4.1 腕部设计手腕和手，并支持机械臂连接，改变手姿态。手腕设计要求以下。结构紧凑，重量轻，动作灵活，平稳，定位精度高，材料强度，高刚度，手臂和搬运手结构合理，传感器和实施器和设备合理布局安装。按自由度分类，工业用机器人手腕分为两个自由度和三个自由度。全部手腕不大，但含有三个自由度，必需依据用于工业机器人性能要求来确定实际使用。图4-1所表示，依据设计要求，实现了手腕俯仰。在这个阶段，研究中国步进电机产品开发，在生产技术上，这是不可能实现，为了减轻手臂总重量，腕部采取间接步进电机为一个吊杆锥齿轮，另一条经过链联接，图所表示4-1：图4-1 BB型手腕示意图研究设计吸盘机器人，在工作空间中，吸盘手腕动作，是用于搬运工作，有时为了满足手腕部结构要求，在狭小空间动作紧凑即必需插入，且重量轻，而且在操作灵活性图4-2尺寸所表示：图4-2 手腕外形尺寸示意图4.1.1 手腕偏转驱动计算腕偏转来实现偏压改变，经过步进电动机驱动器，它设置在后臂下方，并经过一个锥齿轮传动接合两个链条驱动滑轮。依据步进电动机驱动手腕力，需要扭矩偏转计算第一腕部，并计算马达输出转矩，和各个设计参数后，判定相关尺寸以下。（1）选择步进电机腕偏转，摩擦力矩，以克服工作负载电阻扭矩和手腕开启转动惯量。按转矩式子15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式子里， -手腕偏转所需力矩（）；-摩擦阻力矩（）；-负载阻力矩（）；-手腕偏转开启时惯性阻力矩（）；-工件负载对手腕回转轴线转动惯量（）；-手腕部分对回转轴线转动惯量（）；-手腕偏转角速度（）；-手腕质量（）；-负载质量（）；-开启时间（）；-手腕部分材料密度（）；-手腕部分外径和内径（）；-手腕长度（）；-手腕偏转末端线速度（）。前面已提到：，手腕部分采取材料假定为铸钢，密度。把数值代到式子算出： 因为腕部传动是经过两级带轮和一级锥齿轮实现，所以找到对应书本得：弹性联轴器传动效率：；滚子链传动效率：；滚动轴承传动效率：（一对）；锥齿轮传动效率：；计算得传动装置总效率：。电机在工作中实际要求转矩： （3.9）依据计算得出手腕偏转所需力矩，结合90系列五相混合型步进电机技术数据和矩频特征曲线，图4-3和图4-4所表示,设得90BYG5200B-SAKRML-0301型号步进电机。图4-3 90BYG步进电机技术数据图4-4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特征曲线2.设计链传动（a） 计算、分配传动比对照电机数据，所选步进电机工作转矩:，对应转速：。因为腕部偏转角速度，已经算出，所以腕部末端偏转转速，由此推出总传动比。手腕偏转是由驱动滑轮链条驱动。鉴于滑轮臂内部空间大小和结构，