关节型工业机械手毕业设计说明书.doc

毕 业 论 文毕 业 论 文 题题 目目 关节型工业机械手的结构设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0917 班 学学 生生 廉开发 学学 号号 指导教师指导教师 苏东宁 二一 三 年 六 月 三 日 摘 要 关于该关节型工业机械手的具体研究方法。本次设计工作一方面对实体安川机器人进行了细致的研究，了解了其内部的具体结构，安川机器人的结构可分为六个轴系，然后根据六个轴系对其内部结构进行分解，以便了解各个零件之间的配合，这样就对安川机器人有了大体的了解。下面就进行尺寸的测量，尺寸的测量只需要测量一下大体的外观尺寸，而内部尺寸可根据零件的配合进行合理的设计。然后，进行计算（涉及电机功率的计算，轴的设计，齿轮的参数计算），接着可依据相关资料，选取恰当的电机。最后，可根据实体与之前所掌握的知识对机械手的结构进行设计分析。关键词:伺服电机、机械手抓、移动旋转。ABSTRACT Here is about the research method of the industrial manipulator joints.The design work on the real first AnChuan robot has carried on the detailed research,understand the internal structure of concrete,AnChuan robot structure can be divided into six axis,and then according to the six axis of its internal structure decomposition,in order to understand the cooperation between the various parts of the,thus for AnChuan robot have roughly understanding.Below is the size of the measurement,the size of the measurement only need to measure the general appearance of the size,and the internal dimension can be reasonable according to the parts of the design.Then,computing(including motor power calculation,the design of the shaft,the gear parameter calculation),then can according to relevant data,select the appropriate machine.Finally,according to the entity and prior knowledge on the structure of the manipulator design analysis.Keywords:servo motor rotate,manipulator grabbing and moving.目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 前言.1 1.1 机械手国内外发展现状.1 1.2 多关节型工业机械手概述.3 1.3 机械手组成与分类.4 1.3.1 机械手组成.4 1.3.2 机械手分类.5 2 机械手的设计方案.7 2.1 设计任务的提出.7 2.2 机械手设计方案.7 2.2 方案特点.9 3.1 电机的选型.9 3.1.1 初步估算机械手的质量.10 3.1.2 计算各个轴的转速及转矩.12 3.1.3 计算电机功率.13 3.2 锥齿轮设计.14 3.2.1 齿轮精度、材料.14 3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计.14 3.2.3 按齿根弯曲强度设计.15 3.2.4 锥齿轮参数计算.16 3.3 同步带轮的设计.17 3.3.1 同步齿形带传动计算.17 3.3.2 带轮几何尺寸的计算.19 3.4 减速器的设计.21 3.4.1 减速器减速比的计算.21 3.4.2 减速器输出轴径的计算.21 4 机械手各结构设计.22 4.1 手爪结构的设计.22 4.1.1 手爪的设计规定.22 4.1.2 手爪的分类.23 4.1.3 手部结构形式的拟定.23 4.2 手腕结构的设计.23 4.2.1 手腕的设计规定.24 4.2.2 手腕结构形式的拟定.24 4.3 手臂结构的设计.24 4.3.1 手臂的设计规定.25 4.3.2 手臂结构.25 4.3.3 小臂结构形式的拟定.25 4.4 小臂后箱体的结构设计.26 4.5 连接杆件的设计.26 5 关键轴的校核.27 5.1 腕部输入轴的结构.27 5.2 轴的校核.28 6 结 论.31 参考文献.32 致 谢.33 1 1 前言 1.11.1 机械手国内外发展现状 1962 年，美国机械铸造公司试制成一台数控试教机械手。商名为 Unimate。运动系统仿造坦克炮塔，可以实现臂回转、俯仰功能，用液压驱动；控制系统用磁鼓存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种多关节机械手，它可实现灵活搬运，该机械手的中央立柱在本来的基础上其功能又可以实现臂的回转、升降、伸缩。虽然这两种机械手都是出现在 60 年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国斯坦福大学、麻省理工学院联合研制多关节型型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配流水线作业，定位误差可小于 1 毫米，这使机械手的发展达成新的高度。美国还进一步通过改善结构提高机械手的可靠性与稳定性，从而减少成本。如惠普曼公司建立了机械手实验台，进行各种性能的实验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运营时间），由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到 0.1 毫米。德国从 1970 年开始应用机械手，重要用于起重运送、焊接和准备的上下料等作业。德国西门子公司采用关节式结构和程序控制，从而使机械手实现焊接功能。近现代日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。从美国引进二种典型机械手后，日本在此基础上继续创新，做到使机器人更加简便化与实用化。据相关报道，1979 年从事机械手的研究工作的研究单位多达 80 多个。1976 年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用为42%。1979年日本机械手的产值达443亿元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约为一半，达 222 亿日元，是 1978 年的 2 倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位。约占 70%，并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，另一方面是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。进入到 20 世纪 80 年代以后，各国的机械手又取得更进一步的发展。总的来说为了满足现代高速发展的工业的需求，机械手的发展更多的趋向于满足以下特点：活动范围广，工作灵活性强，便于操作控制，可满足不同的工业需求。比如说日本的安川机械手，就是基于实现不同的工作目的而设计的一种多关节型工业机械手，通过改变机械手的结构可以实现诸如搬运、喷漆、焊接、检测、探伤等任务。国外机械手发展的局限性。在国外机械制造业中，多关节型工业机械手应用最多，发展最快，目前重要应用于重物的搬运，精密金属的探测，机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业的实现，它可按照事先制定的规定程序完毕规定的作业，但还不具有任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生一些偏离或误差时，就将引起零部件甚至机械手自身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势正是大力研制智能机械手，假如在碰到一些偏离或误差时，能反馈外界条件的变化，从而作相应的变更。在机械手上安装电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。其工作原理具体如下工作时机械手先伸出手指寻找工作，通过装在手指内的压力传感器产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力感敏元件来控制，达成自动调整握力的大小。总之，随着技术的发展，机械手的流水装配作业的能力将进一步提高。将机械手和柔性控制制造系统及柔性制造单元相结合将是重要的发展趋势，使目前机械制造系统的人工操作状态得到进一步的改善。相对于国外机械手的高速发展，国内机械手的发展则比较滞缓。目前国内机械手的应用重要应用在铸锻、热解决方面，这样可以减轻劳动强度，改善作业条件。为进一步促进国内机械手的发展。我们在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制试教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手甚至是智能型机械手。在不同类型的机构中可以应用机械手的伸缩、俯仰、升降、旋转等功能，此外可根据不同的作业规定，选用不同的典型部件，设计不同的典型机构，即可组成各种不同用途的机械手，相应的实现重物搬运，金属检测，金属焊接等功能。假如有条件的话还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元，从而进一步缩小与德日等国外机器人发展较快的国家之间的差距。简朴说一下多关节型工业机械手的应用意义。第一：应用多关节型工业机械手可以是实现生产过程中的自动化进程。概括地说，在工厂或车间中，应用关节型机械手可以实现工件的搬运与装卸，机器的装配。第二：应用多关节型机械手可以减少人力，从而减少成本。在自动化生产线上，假如更广泛的应用了机械手，在减少人力的同时，还可以大大提高效率。1.21.2 多关节型工业机械手概述 工业机器人的组成可分为操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作，自动控制、可反复编程、能在三维空间完毕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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简朴意义上代替人工的劳动，而是综合了人的专长和机器专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映和分析判断能力，又有机器可长时间连续工作、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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和规定实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热解决、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运送业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简朴，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了可以独立的按程序控制实现反复操作，合用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能不久的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.3 机械手组成与分类 1.3.1 机械手组成 机器人的组成一般可提成三大部分，即机械系统、驱动系统和控制系统。而本体结构是具有和人手臂相似的动作功能。可在空间抓放物体或进行其他操作，由机械结构、驱动装置及传动装置组成。机械手涉及末端执行器，臂部、腕部、机座和行走机构的设计。下面来一次介绍这几部分结构。(1）末端执行器俗称手爪。是机器人直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或夹持专用工具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它能模仿人手的动作。手爪安装于手臂的前端，它的结构与尺寸可根据不同的作业规定来设计。机械手爪一般可分为三类分别为机械式夹持器、吸附式末端式末端执行器和专用工具。需要强调的是我所设计的机械手需要完毕重物搬运功能，在一定条件下可以焊接。（2）腕部又称手腕。是连接手臂与末端执行器的部件。由于腕部结构的设计可以更灵活的，更广泛的实现重物的搬运。（3）臂部又称手臂。臂部是用来支撑手腕与末端执行器的部件。它涉及驱动装置、传动装置、定位装置和检测原件等。（4）机座是机器人的基础部分，有固定式与移动式两种，其支撑作用。由于所研究的机器人为流水线机器人，所以，选用固定式机座。其直接支撑手臂部件，从而实现臂部回转。1.3.2 机械手分类 关于工业机械手的分类，可按应用用途、驱动方式和控制系统分类。1.按用途分 机械手可分为通用机械手与专业机械手两大类。(1)通用机械手 通用机械手最大的特点是其驱动系统与控制系统独立，此外，通用机械手的工作范大、定位精度高、通用性强。因此，可以通过调整其动作程序，在不同的场合应用机械手。目前，通用机械手更多的应用在中小批量的自动化生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。（2）专用机械手 相对于通用机械手，专用机械手具有工作动作少，工作对象单一，定位精度低等特点。它可应用于大批量的自动化生产，如自动机床，加工中心，自动的上下。2.按驱动方式分(1)液压传动机械手 用液压压力来驱动执行机构的机械手。其特点为:传动平稳，结构紧凑，动敏。由于油的泄露对机械手的工作性能影响较大。所以这种机械手对密封性规定比较严格。此外，不能在较高或较低的温度下工作。(2)气压传动机械手 用压缩空气的压力来驱动执行机构的机械手。其特点为：输出力小，气动动作迅速，结构简朴，成本低。由于空气可压缩的特性，该机械手工作冲击大，速度稳定性差，相对于液压机械手，气压机械手更合用于工作在高温、轻载的环境中。(3)电机传动机械手 用直流电机，步进电机或伺服电机驱动的机械手 因不需要中间转换机构，故机构简朴。此外，该机械手运动速度快，行程长。虽然应用不多，但很有发展前程。3.按控制方式分(1)点位控制 实现点与点之间的移动，但只能控制过程中几个点，不能控制运动轨迹。(2)连续位控制 它的运动轨迹为空间的连续曲线，空间设计点为无限点，可以实现准确与平稳的运动。电气控制范围广，控制系统复杂。这类机械手一般采用小型计算机进行控制。2 机械手的设计方案 2.12.1 设计任务的提出 设计一种较为灵活的重物搬运机械手,实现流水线上零件的搬运与放置。所涉及的多关节型工业机械手用能抓取生产线上的零件,转过一定角度后，将零件放下。规定抓取零件的重量可达 7 公斤,手爪的开合限度可达 110 毫米。另，并通过设计不同形式的手爪结构能适应不同零件的尺寸规定。通过结构的扩展，机械手能实现其它的作业规定,比如焊接等。所涉及的多关节机械手结构应力求简朴。2.22.2 机械手设计方案 图 2.2 关节型工业机械手的结构图 该关节型机械手由五部分组成。分别为底座、大臂、小臂、腕部、机械手爪。各部分的驱动方式如下：1）底座回转的腰关节：由安装在底座内的电机带动整个机械手作 360 度的旋转运动。2）大臂回转的肩关节：由伺服交流电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的结构绕肩关节作旋转运动，即产生俯仰运动。3）小臂与腕部的回转：由交流伺服电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的的整体作旋转运动，即产生俯仰运动。4）小臂腕部的回转：由交流伺服电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的整体作回转运动。5）手腕的旋转运动：由腕内部的伺服电机带动机械手作旋转运动，即回转运动。6）手腕的上下运动：由腕内部的交流伺服电机带动腕整体作旋转运动，即俯仰运动。该关节型工业机械手的自由度，分别为：底座绕 S 轴作 360 度的旋转运动；大臂 绕 L 轴的旋转运动（左右运动）；小臂绕 U 轴的旋转运动（上下运动）；小臂绕 R 轴的 回转运动；手腕的回转运动；手腕的上下运动。2.22.2 方案特点 此多关节型工业机械手应能实现抓取流水线上的重物的功能。并且它的最大抓取重量达成 7 公斤。所以该机械手在满足上述功能的基础上应力求结构简朴，经济实用。3 3 动力参数的计算 3.13.1 电机的选型 对于机器人这种属于机电一体化产品来说，伺服系统相称重要的。规定私服系统具有快速性，精确性和稳定性，即输出量准确而迅速的响应指令输入变化。按其控制原理可分为开、闭环两大类。开环伺服系统的执行元件大多采用步进电机，闭环伺服系统的大多元件采用直流伺服电机和交流伺服电机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。一方面，控制精度不同。交流伺服电机的控制精度是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655，控制精度更高；另一方面，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2023RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出；第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力；第五，运营性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，交流伺服驱动系统为闭环控制控制性能更为可靠；第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM仅需几毫秒，可用于规定快速启停的控制场合2。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。而本次设计的机械手规定运营精度高，运转平稳，恒功率输出，有较强的过载能力，速度响应快，所以选用交流伺服电机作为动力源。3.1.13.1.1 初步估算机械手的质量 计算各部分体积与质量 机械手的材料为铝合金，密度为 2.8310Kg/3m V(机座)=V（底座）+V（圆柱 1）+V(线盒)=7.813103m V（回转头）=V（底 2）+V（圆柱 2）=22R l+222lhd=5.933103m M(回转头)=5.933102.8310 =16.6Kg V(下臂)=0.5(0.5900.0700.080)=1.6523103m M(下臂)=1.652 3102.8310=4.63Kg V(上臂后箱体)=0.2861.015.0+075.0152.0152.0=4.5310+1.73310=6.233103m M（上臂后箱体）=6.238.217.44Kg V(上臂)=094.0126.048.0=5.693103m V(减速器)=2R l=3.142(0.1)05.0=1.573103m M(减速器)=1.578.24.4Kg U、S、L 轴电机质量：1M=7Kg;R 轴电机质量：2M=3Kg;T、B 轴电机质量：3M=1.5Kg.机械手质量M=M(机座)+M（回转头）+M（下臂）+M（上臂后箱体）+M（上臂）+M（电机）+M（减速器）=114.51Kg 3.1.2 计算各个轴的转速及转矩 转速与角速度之间关系为：n=602w （3.1）由（1）的各轴转速：60 2.62225.02/minsrn 60 2.79226.64/minlrn 60 2.97228.36/minurn 60 5.932/min56.63Rrn 60 5.932/min56.63Brn 60 9.082/min86.71Trn 各轴的转矩：11 1.2UUUTGLGL （3.2）=(79.80.995+39.49.80.32)1.2=(67.228+123.558)1.2=228.9 其中 G 为物体重量，1G为上臂的重量，UL为重物到 U 轴距离，1UL为上臂重心到U 轴的距离，1.2 为安全系数。1.2TfGTTT （3.3）=1.2G urG l =(79.80.080.07+79.80.09)1.2=(0.384+6.174)1.2 =7.87 其中fT为 T 轴摩擦力矩，GT为偏转力矩，u为摩擦系数，r 为手腕的旋转半径，l为重物重心到手腕水平轴线的距离。1.2BBTGL （3.4）=79.80.351.2=28.81 其中BL为重物到 B 轴的距离。11 1.2RfGTTT （3.5）=10.47 其中1fT为摩擦力矩，1GT为偏转力矩。LT=(79.81.41+39.49.80.74+4.639.80.21)1.2=470.38 ST=79.8(0.785-0.09-0.05+0.35+0.42)1.2+15.99.8(0.365-0.09+0.42+0.21)1.2=325.339 3.1.3 计算电机功率 功率计算公式为：PTW （3.6）RRRPTW=10.475.93=62.09 UP=UTUW=228.92.97=679.83 BP=BTBW=28.815.93=170.84 TP=TTTW=7.879.08=71.46 SP=STSW=325.3392.62=855.64 LP=LTLW=470.382.79=1312.36 伺服电机采用安川电机，根据下表选取 U 轴采用SGMPH-08A;B 轴采用 SGMPH-02A;T 轴采用 SGMPH-01A;R轴采 SGMPH-01A;S轴采用 SGMPH-08A;L 轴采用 SGMPH-15A。3.2 锥齿轮设计 3.2.1 齿轮精度、材料 设计的机械手规定运营平稳且此处转速较高，所以选用六级精度，积极轮采用40rC(调质)，硬度为 280 HBS，从动轮材料为 45 钢(调质)，硬度为 240 HBS，两者材料的硬度差为 40 HBS。3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计 由设计计算公式进行计算：213122.92()(1 0.5)EHRRZKTdu （3.7）计算各式中未知量的数值：1）H limHNHHKS （3.8）查机械手册可知积极轮与从动轮的疲劳极限分别为：1H=540MPa 2H=517MPa 2）弹性影响系数：12189.8EZMPa 3）计算载荷系数 K 由公式 AvHHKK K KK （3.9）得 K=2.475 4）齿宽系数R取 1/3 5）积极轮传递的转矩:595.5 10/112.3TPnN齿轮 综上可求得：112.47dmm 初取1d=40mm 6）校核，由公式：12315(1 0.5)HRRHEKTd uZ （3.10）求得：237.5HHMP，符合规定。3.2.3 按齿根弯曲强度设计 有设计计算公式进行计算：1322214(10.5)1S aF aFRRY YKTmzu （3.11）计算式中各未知量的数值：1）计算弯曲疲劳应力F：F NF EFKS （3.12）查机械设计手册可得积极轮与从动轮的接触许用应力分别为：1F=2F=310.7MPa 2）求主从动轮的齿形系数和应力校正系数：FaY=2.65，SaY=1.58；将以上数值带入，可得：m=0.44 选 m=2.5 3）校核：由公式：(10.5)tF aS aRFFKFY Ybm （3.13）得17.46a310.7MPaFMP，符合规定。3.2.4 锥齿轮参数计算 选择齿形角=20；齿顶高系数*1ah；顶隙系数*0.2c；端面模数 m=2.5；齿数比为 1：1；设小齿轮的齿数116Z，变位齿数120 xx，120iixx；分锥角为 45；小齿轮的分度圆直径：11dmz2.5 1640mm （3.14）大齿轮的分度圆直径：222.5 1640dmzmm 齿宽系数13R；齿宽：9.42RbRmm （3.15）齿顶高：*121()2.5aaahhhx mmm （3.16）齿根高：12125.52.5ffaahhhhhh=3mm （3.17）齿顶圆直径：121112cos402 2.5 cos45aaadddh=43.5mm （3.18）3.3 同步带轮的设计 3.3.1 同步齿形带传动计算 计算功率：1.2cASpKK 由机械设计手册表 8-29 选取1.2AK，由表 8-28 取0sK；模数：根据1cPN和由图 8-3 选取 m=1.5；小带轮齿数：由表 8-31 选取116Z；小带轮节圆直径：1d=m1z=1.516=24mm 大带轮齿数：211.49 1623ZiZ （3.19）大带轮节圆直径：2d=m2z=1.523=35mm 初定中心距：0a=200mm；初定胶带节线长度及其齿数：2210120()2()24opddLadda （3.20）2(3524)2200(2435)24200=492.828mm 按表 8-27 选取接近pL及其齿数 Z：2210120()2()24opddLadda （3.21）518.4pL；110Z；计算中心距：02POPLLaa （3.22）=212.782 213mm 小带轮啮合齿数：211126()ddnazz （3.23）单位带宽的离心拉力：2qvCgF 32.6 10 N/mm （3.24）带宽：102()CZCPK VFFb=16.34 （3.25）由表 3-27 圆整为16b mm；有效圆周力：1026.50CPtVF （3.26）3.3.2 带轮几何尺寸的计算 齿形角：40；节距：3.14 1.54.71pm mm （3.27）B 轴带轮节圆直径：111.5 1624dmzmm（小带轮）221.5 2334.5dmzmm（大带轮）T 轴带轮节圆直径：111.5 1624dmzmm（小带轮）221.5 1928.5dmzmm（大带轮）B 轴带轮顶圆直径：112242 0.37523.25add mm（小带轮）（3.28）22234.52 0.37533.75add mm（大带轮）T 轴带轮顶圆直径：112242 0.37523.25add mm（小带轮）22227.5addmm（大带轮）尺侧间隙：00.40jjmm（由表 8-34）（3.29）径向间隙：00.55ccmm 顶圆齿槽宽：2.56afesjmm （3.30）齿槽深：0.90.551.45hhcmm B 轴带轮根圆直径：11220.35faddhmm（小带轮）（3.31）22230.85faddhmm（大带轮）T 轴带轮根圆直径：11220.35faddhmm（小带轮）22224.85faddhmm（大带轮）根圆齿槽深：1.5faesmmm 齿根圆角半径：0.10.1 1.50.15frmmm 齿顶圆角半径：0.150.15 1.50.225armmm B 轴带轮齿宽：B=b+3=19mm T 轴带轮齿宽：B=b+6=22mm 3.4 减速器的设计 3.4.1 减速器减速比的计算 各个轴减速器减速比分别为：R 轴减速器减速比539.5263.56/3000i；T 轴减速器减速比356.3471.86/3000i；B 轴减速器减速比539.5263.56/3000i；S 轴减速器减速比1209.11902.25/3000i；U 轴减速器减速比1068.10536.28/3000i；L 轴减速器减速比1136.11264.26/3000i；3.4.2 减速器输出轴径的计算 以 R 轴、B 轴、T 轴为例进行计算：先初步估算轴的最小直径，从伺服电机到轴的功率为P，减速器输出轴的转速即为夹持臂回转的转速。选择输出轴的材料为 45 钢，调质解决。查手册0A=112，根据公式：m i nd=0A3np （3.32）R 轴减速器的最小输出轴径：mind=112356.630.850.06=10.81mm B 轴减速器的最小输出轴径：mind=112363.5685.017.0=13.73mm T 轴减速器的最小输出轴径：mind=112371.8685.0071.0=9.9mm 4 机械手各结构设计 4.1 手爪结构的设计 4.1.1 手爪的设计规定 由于要抓取一定形状的重物，所以手指间具有一定的开合角度；具有夹持位置精度；可以保证工件的准拟定位；满足足够的强度与刚度；满足作业规定的夹持力；在满足上述方面的同时应尽量使机械手爪的结构简朴、紧凑、重量轻，从而减轻手臂的负荷。4.1.2 手爪的分类 按不同的原理，可分为多种类型的手爪：机械手爪：气动夹紧、电动夹紧、电磁夹紧、液压夹紧；磁力吸盘：电磁吸盘、永磁吸盘；真空式吸盘：真空吸盘、气流负压吸盘。4.1.3 手部结构形式的拟定 图 4.1 机械手爪结构简图 手爪的结构形式与质量重要取决与物体的形状与质量。本次采用的机械手爪为气动式 V 字形手爪。如图 4.1。4.2 手腕结构的设计 4.2.1 手腕的设计规定 腕的设计规定：由于腕部在手臂末端，因此为减轻手臂负荷，应尽量使腕部部件的结构紧凑，尽量减少其重量与体积；合理的选择腕部的自由度数；提高腕部 的精度与传动的刚度，减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差。该机械手采用两自由度腕部结构，分别为手爪转动与腕关节摆动，从而满足搬运作业的空间姿态规定。为了可以使腕部的结构简朴紧凑，将腕关节的驱动电机安放在小臂内，通过传动机构带动腕部结构绕腕关节轴实现摆动。4.2.2 手腕结构形式的拟定 图 4.4 手腕内部结构图 夹持臂的工作原理：夹持臂绕自身旋转，它的动力为伺服电机，伺服电机带动同步齿形带转动，然后通过锥齿轮带动夹持臂的转动。如图 4.4 4.3 手臂结构的设计 4.3.1 手臂的设计规定 臂部的设计规定：一方面臂部的结构与尺寸应满足任务所需的工作空间规定；此外根据手臂所受载荷和结构特点，比较合理的选择手臂的截面形状以及高强度轻质材料；为了减少驱动装置的负荷，应尽量减少手臂重量和相对其关节回转轴的力矩与转动惯量；为了提高运动的相应速度，还应减少运转的动载荷与冲击；为了提高运动精度与刚度，定位精度，应减少机械间隙引起的运动误差。该机械手臂（大臂与小臂）拟采三自由度结构形式，分别为一个回转自由度与两个俯仰自由度，从而能满足搬运作业所需的空间任务规定。考虑材料的性能参数以及所需完毕的任务规定，采用铝合金材料。综合转矩、惯性和平衡性规定，为实现大臂与小臂绕各自关节的俯仰运动，将各关节驱动源分别放在前一关节处，这样就能通过传动装置带动大、小臂绕各自关节轴实现转动。4.3.2 手臂结构 机械手臂涉及以下几部分结构：臂杆、传动装置、驱动装置、定位装置连接装置及检测装置。按运动形式的不同，可分为以下几部分结构：1)手臂回转运动机构 实现手臂回转机构的形有齿轮机构、链轮机构、连杆机等。2)手臂俯仰运动机构 机械手的俯仰运动可通过连杆与液压缸的组合来实现，也可通过电机直接驱动大臂作俯仰运动。3)手臂直线运动机构 手臂的伸缩、移动、升降均属于直线运动。4.3.3 小臂结构形式的拟定 图 4.3 小臂的内部结构图 小臂是腕关节实现摆动的重要零件，起连接大臂与腕关节的作用。驱动腕关节作摆动与俯仰运动的两个伺服电机安装在小臂内部。4.4 小臂后箱体的结构设计 小臂后箱体的作用：一方面起连接小臂与大臂的作用，另一方面安装在小臂后箱体内部的伺服电机驱动小臂绕自身轴作旋转运动。小臂后箱体结构形式的拟定 图 4.4 小臂后箱体结构图 4.54.5 连接杆件的设计 连接杆件的作用：一方面起连接大臂与小臂的作用，另一方面可以使小臂的转动更加灵活，活动范围更大。连接杆件结构形式的拟定：图 4.5 连接杆件的结构简图 5 5 关键轴的校核 5.1 腕部输入轴的结构 初步拟定于从动轮相连接的轴的直径，由公式：30dAPn 选择轴的材料腕为 45 钢，调质解决，查表知0A=112。将 P=0.0007KW，=0.85，n=3000r/min，带入上式，得 9.9dmm；选mmd10；轴的结构设计如图 5-1：图 5-1 轴 5.2 轴的校核 带轮传递给轴的的扭转力矩为：eM=9549np=954930000007.0=0.92 （5.1）力矩eM是通过带拉力 F 和/F 传送的，应有/()2eDFFM （5.2）/2329eMFFND （5.3）已知：/25.8FFN 求得 F=13.5 N，F=12 N 齿轮法向力nF为：nF=dMe2=45N。（5.4）X 轴简化后，在轴线上的横向力nF、F、/F引起变形，然后分解成 X、Y 轴的分量，结果如下：/cos2042.2tan20 cos4510.9tan20 sin4510.9cos1.9cos2.525.78sin1.9sin2.50.93tnrtatyyzzFFNFFNFFNFFFFNFFFFN 做扭矩图如下,可鉴定危险截面为 B，见下图：在截面 B 上，弯矩 M 和扭矩 T 分别为：220.950.57yzTN mMMN mM 与第三强度理论进行校核，得 22223570(0.6 950)1()4.67()0.1 12caMTMPa 材料为 45 钢，调质解决，由手册可得160MPa，根据1ca，故安全。6 6 结 论 本次毕业设计已经结束，将近三个月学习到此为止，感慨颇多，一方面要感谢苏东宁老师的仔细而又认真的帮助。在苏老师的悉心帮助下，将本次毕业设计的计划作了细致而周到的安排，下面来大体说一下，本次毕业设计的安排。一方面，苏老师为我拟定了机械手得到大体方案，然后将机械手提成五个部分，分别为机械手爪、腕部、大臂、小臂、底座。根据这五部分查资料，拟定各自的方案与结构形式。按照顺序，先从机械手爪开始,拟定工件的抓取形式以及手爪的结构与尺寸,由此，拟定气缸的动力参数,紧接着，拟定腕部的结构形式与尺寸，以及驱动腕部与手爪转动的电机的功率与型号,然后，拟定连接件的结构与尺寸,最后，拟定手臂与机座的结构形式，再拟定电机的型号。总体而言，本次机械手的设计，共 6 个自由度，共用 6 个电机驱动，可以保证机械手在流水线上完毕重物的抓取。以上为本次毕业设计的大体过程。下面谈谈本次设计的收获与心得。以前作课程设计，更多的只是了解一些比较肤浅的东西，完全没与实体接触过，并且所用知识非常有限。相比较而言，本次毕业设计，不仅接触到了实物，所用的知识也是非常的广泛，涉及机械原理、机械设计、机电传动、互换性原理。可以这么说，只要是大学四年学过的与机械相关的知识，本次毕业设计都有所涉及，另一个比较好的方面是养成了查阅手册的习惯。通过本次毕业设计，我培养了一种自觉动手、动脑的好习惯,并且思维的缜密性与严谨性得到锻炼。参考文献 1 吴宗泽。机械零件设计手册 M.北京工业出版社，2023：188199 2 陈新元 张安龙。装配线机械手电气混合控制J.液压与气动。2023（3）3 陶相厅、袁锐波、罗景气，动机械手的应用现状与发展前景OL,中国传动网 2023 4 上海工业大学流控实验室。气动技术基础M。机械工业出版社。1982 5 李允文.工业机械设计手册。北京：机械工业出版业，1994,8 6 候析、刘涛。装卸机械手设计研究。机械，2023,7 7 卢松峰。机械课程设计手册。第一版。北京工业出版社，1994,8 8 李昌辉。自动上料机器人系统开发D。哈尔滨工业大学，2023 9 陈志权。基于 PLC 气动机械手的控制系统J。兵工自动化 2023,4 10 孙迎远。PLC 在气动机