畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)【三維sw】【六自由度】

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1、XX學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 作者：學(xué)號(hào)： 學(xué)院（系）： 專 業(yè)： 題目： 關(guān)節(jié)機(jī)械手設(shè)計(jì) 2014年4月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要 機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，關(guān)節(jié)機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn) 研究關(guān)節(jié)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等 諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。 本文對(duì)一種使用在關(guān)節(jié)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的 繪制。要求對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī) 和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì) 機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)

2、度校核。 關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)型機(jī)械手，結(jié)構(gòu)分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）外文摘要 Abstract The robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biolo

3、gy and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines. In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the rob

4、ot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength. Keywords : Structure design, Robot arm, Structure

5、 analysis 1 緒論 1 1.1 引言 4 1.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況 5 國(guó)外研究現(xiàn)狀 5 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6 1.4 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 7 1.5 主要內(nèi)容 7 2 總體方案設(shè)計(jì) 8 2.1 機(jī)械手工程概述 8 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 9 2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 10 2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 10 2.5 本章小結(jié) 12 3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 13 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 13 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 14 3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 15 3.5 承載能力的計(jì)算 19

6、柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 19 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 19 4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 4.1 腕部設(shè)計(jì) 24 4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 37 4.3 小臂電機(jī)及減速器選型 37 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 38 幾何參數(shù)的計(jì)算 38 4.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 39 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 40 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 41 4.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 42 4.6 軸的受力分析及計(jì)算 42 4.7 軸承的壽命校核 43 5 機(jī)身設(shè)計(jì) 45 5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 45 5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 50 5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 57 5.4 軸承的校核 65 5

7、.5 鍵的選擇和校核 68 5.6 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 69 總結(jié)與展望 70 致 謝全套設(shè)計(jì)加 197216396或401339828 71 參考文獻(xiàn) 72 ，加 肥!s 1常!!需：：0：：工H由UUHEMKE陽(yáng)H/亡案： 而由打1山國(guó)n.Mh畫;泥 遺美e矍!n搞r如-L 汕醫(yī) 之片舊靠1HISJ燈位走囪必忡超七Hj 號(hào)國(guó)嗡田歸葡哈④％ _2V紐 勃｝ 峰土釗 IM三 色寺 刪掾 芻注 冏身 信欄 打電扇塞 在格 哲曲 自幄生格式 A 3 . ~Uli 國(guó) 美TT里機(jī)情不良;hi…秋良三羯

8、文蚌修包人小為1L402.592字工 .- 4 上教 士小 士鵬—小 悔改時(shí)閏 CRC33 ■]- 文件夾 3］可業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書一48 2.3 沮 552 853022 Microsoft WqT 文書 2Q14/H用 2125 5國(guó)卬 f.，大時(shí)上甘溟蚌，d呷 445984 391102 AuwCAD 0JI 2015/6/22 a3J ECDP929G ?1心吸方3配也0 颯榭 ^48修 AutoCAD Ot 黨舊皿&3J /93tM4b q鋼輪HW號(hào) 39a,152 344 333 AueCA。園開 2035

9、/5/22 &33 S4528CEB ,美方機(jī)臨三繇E或含Wg LDM.144 937,961 AuxCAD國(guó)訐 2O1W22 B33 E19A73Q8 履臾謝ltt圄■3 a段g,雙 852 501 Micros oft Word 金宿 2014/^/6 21:25 RX564D2 q二1身素就d叫 482,730 422 325 AuLcCAD 圉形 2015/6/22 8:33 F4CD2844 /：牌爵 167 S71 AutoCAD gffi ?01S/6/7?對(duì)々多 SfiFF^jfiF 4目錄及總姿dw 蒞77 G 12,

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11、g 4W.800 350 493 AuzcCAD 因形 2015/6/22 &33 EAB1CJA... / 鼻k，置 Hia（） S10.400 718191 AirnfAr：苣|開 2015/6/2? &33 BF04 初 2F 1 4 1 1 緒論 1.1 引言 機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，關(guān)節(jié)機(jī)械手是

12、機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究 關(guān)節(jié)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知 識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)械手是關(guān)節(jié)機(jī)械手的一種。 1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手， 開創(chuàng)了機(jī)械手發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)機(jī)械手的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)械手專家、日本早稻田大 學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能其中雙足是方式中 自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話： 上 帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)的環(huán)境要 求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)

13、構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能 的具備為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無(wú)限廣闊的前景。 研究機(jī)械手的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)構(gòu)，使它們能在許 多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得 了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富 的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)械手的研究方向；機(jī)械手可以作為一 種智能機(jī)械手在人工智能中發(fā)揮重要的作用。 ,關(guān)節(jié)機(jī)械手的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 化組織采納了美國(guó)機(jī)械手協(xié)會(huì)給關(guān)節(jié)機(jī)械手下的定義： 關(guān)節(jié)機(jī)械手是一種可重復(fù)編

14、程的 多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞 工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)械手作如下定義： 關(guān)節(jié)機(jī)械手是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自 動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或關(guān)節(jié)其他涂料的工業(yè)機(jī)械手。 關(guān)節(jié)機(jī)械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn) 更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 關(guān)節(jié)機(jī)械手是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。 采用關(guān)節(jié)機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量 與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有

15、效手段。 機(jī)械手的誕生和發(fā)展雖只有 30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多 的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力 [1-2]。 1.2關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況 1.1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是 Muybridge,他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像 機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照 片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被 Demeny用來(lái)研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到 50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究， 并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。 真正

16、全面、系統(tǒng)地開展機(jī)械手的研究是始于本世紀(jì) 60年代.迄今，不僅形成了機(jī)械 手一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功 了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)械手樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì) 60年代到198研這一時(shí)期， 在機(jī)械手領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。 在60年代和70年代，對(duì)機(jī)械手控制理論的研究產(chǎn)生了 3種非常重要的控制方法，即 有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這 3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)械手都是適 用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的，模型參考控制是由美 國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅

17、 鮑賓研究所著 名的機(jī)械手學(xué)專家Vukobratovic博士在196處至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間 有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則 是一種居中的情況［1］。 在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的 Bessonovf口 Umnov定義了 最優(yōu)步態(tài)"，Kugushev和Jaro- shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)械手。 其中，自由 步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)械手在時(shí)，下一步腳應(yīng) 放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一 步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確

18、定，這就是所謂的自由步態(tài)。 在機(jī)械手的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的 簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子（倒擺），從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問(wèn)題。 此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)械手的 降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了 研究。 前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各 關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題.但在 他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗 的功率就越少 1.1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)機(jī)械

19、手的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)械手領(lǐng)域的研究 和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開展了 七五”機(jī)械手攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“86酹技術(shù) 計(jì)劃將機(jī)械手方面的研究開發(fā)列入其中。 目前我國(guó)從事機(jī)械手研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主 要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)械手技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn) 的機(jī)械手技術(shù)，隨后取得了一定的成就。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開始研究機(jī)械手，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)械手 HIT-I,高 110cm,重70kg,有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)， 步幅45cm,步速為10秒/步，后來(lái)又相繼研制成功了 HIT-II和H

20、IT-III ,重42kg,高103cm, 有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm,步速2.3步每秒的。目前正在研制的 HI下IV機(jī)械 手，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)械手 ［3?7］。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)械手KDW-1 , 它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為 40cm,步速為4步每秒，1989年又研制出空 間型KDW-II ,有10個(gè)自由度，高69cm,重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定以 及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成 KDW-III ,有 12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功

21、能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。 1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，步速 0.8步每秒，步長(zhǎng)為20cm?22cm,最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ) 上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)械手 先行者”，動(dòng)態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期 達(dá)每秒兩步，高1.4m,重20kg,有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語(yǔ) 言功能［8~13］。 止匕外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)械手 THBIP-I ,高1.7m,重130kg, 32個(gè)自由度， 在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一 臺(tái)8自由度空間型機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能［13,14］。 本課題源于 第一屆

22、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)械手。目前，機(jī)械手大多以 輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)械手還不多，雖有一些六足、四 足機(jī)械手涌現(xiàn)，但是機(jī)械手還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝 置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)械手。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大 臂、擺小臂。 1.4 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述： 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1)執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是關(guān)節(jié)機(jī)械手完成關(guān)節(jié)工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需 的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 (a)末端執(zhí)行器：機(jī)械手為了進(jìn)行作

23、業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，直接噴漆工件。 (b)腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器 的工作方位。 (c)臂部：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管 理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。 (d)機(jī)身：機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂 部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 (2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有 機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 (3)控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng) 發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警

24、信號(hào)。 (4)檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 實(shí)踐 證明，關(guān)節(jié)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)， 顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件， 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單 調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其 他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途 [4-8] 0 1.5 主要內(nèi)容 第1章緒論 主要介紹機(jī)械手的相關(guān)知識(shí)和本課題研究的任務(wù)和要求 . 第2章總體方案設(shè)計(jì)，介紹該機(jī)械手各

25、部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì). 第3章機(jī)械手各部分設(shè)計(jì)的介紹 第4章機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手工程概述 機(jī)械手工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng) 液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中 的知識(shí)有效地組合起來(lái)用以解決綜合性的工程問(wèn)題的技術(shù)稱之為 系統(tǒng)工程學(xué)以機(jī)械 手設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手 的整體出發(fā)來(lái)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系 的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。 從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來(lái)看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由

26、若干個(gè)子系統(tǒng)按 一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一 個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè) 系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性： (1)整體性由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整 體的特定功能。 (2)相關(guān)性系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。 (3)目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組 合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。 (4)環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。 因此，在進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成

27、機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更 應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng) 部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工 業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下：操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手 臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元， 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、 存儲(chǔ)功能的電子控制裝置(計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置)，人一一機(jī)接口裝置(鍵 盤、示教盒等)，各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備 的輸入/輸出

28、通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［ 14］。 工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性， 因而工業(yè)機(jī)械手能有效 地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來(lái)完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系 統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備(如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備) 、輔助生產(chǎn)設(shè)備、 控制裝置和工業(yè)機(jī)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī) 械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械 手系統(tǒng)亦是如此。 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 （一）確定負(fù)載 目前，國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)械手中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額

29、定負(fù)載在5N以 下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口 處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī) 定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬 于小負(fù)載。 （二）驅(qū)動(dòng)方式 由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì) 環(huán)境沒(méi)有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)， 故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) （三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈 中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)

30、械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用 的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行 星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié) 構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用 齒輪傳動(dòng)。 （四）工作范圍 工業(yè)機(jī)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(yè)過(guò)程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定， 用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由 度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇 （五）運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照

31、循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作 的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用 m/s或（ ） /s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分 配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同 時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作 的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 該關(guān)節(jié)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖 rn 關(guān)節(jié)機(jī)械手本體組成 各部件組成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齒輪傳動(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支 承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部

32、件，承受關(guān)節(jié)機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、 剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證關(guān)節(jié)機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn) 定運(yùn)行。 關(guān)節(jié)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺 旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng) 手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件： 包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部 件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。 2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，

33、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下 [3]。 (1)直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1(a)由 于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置 精度(小m級(jí))。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講， 是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類 型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。 直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及 搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式

34、三種結(jié)構(gòu)。 (2)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1(b)0這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè) 圓柱狀的空間。 (3)球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 如圖2-1(c)0 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是 一個(gè)類球形的空間。 (4)關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng) 作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比

35、較大。此種機(jī)械 手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的 機(jī)械手。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 (a)直角坐標(biāo)型 (b)圓柱坐標(biāo)型 (c)球坐標(biāo)型 (d)關(guān)節(jié)型 圖2-1四種機(jī)械手坐標(biāo)形式 根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d)關(guān)節(jié)型。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá) 5KG,同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床 布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)范圍大 ，且有較高的定位準(zhǔn)確度，要 求設(shè)計(jì)的機(jī)械手為六個(gè)自由度，其中腰部有一

36、個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度， 小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，要求設(shè)計(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所 以，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 機(jī)械手的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較緊湊，能抓取靠近機(jī)座 的物體。協(xié)作單位根據(jù)其用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù) 用途:物料搬運(yùn)，注塑，裝配，包裝等 自由度數(shù)目：6 坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 額定負(fù)荷質(zhì)量(不含末端執(zhí)行器)：10kg(15kg) 最大工作半徑1450mm (1500) 手臂最大中心高1200mm (1000) 本體自重小于160kg (200) 表2-1各關(guān)

37、節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速 最大工作范圍(o ) 工作轉(zhuǎn)速 r/min rad/s o/s 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 150 (300) 10 1.05 60 大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 110 (150) 10 1.05 60 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) +170,-150( 180) 10 1.05 60 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 180 (360) 20 2.1 120 腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié) 130 (120) 20 2.1 120 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 360 30 3.14 180 2.5本章小結(jié) 本章主要完成對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)多種方案的選擇來(lái)確定最終要確定的方案 確

38、定了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等 各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 3機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是關(guān)節(jié)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。 如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān) 節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求 ： (1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高 的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工 字鋼和槽鋼的慣性矩要

39、比圓鋼大得多。所以，關(guān)節(jié)機(jī)械手 (2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的， 為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大， 否則引起沖擊和振動(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施： (a)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 ； (b)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c)減少回轉(zhuǎn)半徑 (d)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 (3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系關(guān)節(jié)機(jī)械手位置精度高；關(guān)節(jié)式關(guān)節(jié)機(jī)械手的

40、位置最難控 制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī) 械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件 最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注 出鑄件的 最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見(jiàn)表 4.1所示： 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金 銅合金 <200>200 5~8 3~5 4~6 3~5 3~3.5 3~5 200 >200?500 卷00 10?12 4?10 8?12 6?

41、8 4?6 6?8 >500>500 15~20 10~15 12~20 — — — 表4.1砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不 同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具 體尺寸見(jiàn)總裝配圖。 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量: M 2=2Kg, M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1 >0.0972+4 X0.1942 2 =0.16kg.m 大臂速度為10r

42、/min ,則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下: 式中：T -旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m J -轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2 -角加速度rad/S2 使機(jī)械手大臂從0 0到1 60 /s所需的時(shí)間為：t 0.1s則: T1 J1 1 J1 /3 1.46 ——7.64N.m 0.1 (3.4) 若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩, 則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m,取安全系數(shù)為2,則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為: T01 2T 2 15 20N.m (3.5)選擇 諧波減速器： ⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器） 額定輸出

43、轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為: 90%,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為: Tout1 T01 20 0.185N.m 120 0.9 (3.6) 選才 BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：55BF003 步距角：1.5 3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為 45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為250HBs 剛輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為220HBS。 1 .齒數(shù)的確定 柔輪齒數(shù)：Zr u i 2 100 200 剛輪齒數(shù)：Zg u Zr 2 200 202 g 已知模數(shù)：m 0.5mm,則 柔輪分度圓直徑：dr mZr

44、0.5 200 100mm 鋼輪分度圓直徑：dq mZq 0.5 202 101mm g g 柔輪齒圈處的厚度： 1 (75 Zr4)dr 104 (75 2004)100 104 1.25mm 重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將6 1計(jì)算值增加20%,即 1 1.25 1.20 1.5mm 柔輪筒體壁厚： 0.7 1 0.7 1.5 1.05mm 為了提高柔輪的剛度，取 1.2mm 輪齒寬度：B 0.15dr 0.15 100 5mm 輪轂凸緣長(zhǎng)度：C (0.2~0.3)B (0.2 ~ 0.3) 15 3~4.5mm取 C 4mm 柔輪筒體長(zhǎng)度：L (0.8~1.2

45、)dr (0.8 ~ 1.2) 100 80~120m5取L 100mm 輪齒過(guò)渡圓角半徑：r m 0.5mm 為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 r 3mm 2.嚙合參數(shù)的計(jì)算 由于采用壓力角0 20的漸開線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì) 算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。 考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為： Cnm MmaxLdrB MFB (扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù) G=80GPa) jG 2L Dr G 其中：Mmax 2M 2 250 500N m 500 103 N m 3 nm 0.00781mm 500 10 15 1002 1.2 80 1

46、03 W。/ m=0.89+8X10-5XZr+ 2Cnmax/m 為了消除在Mmax的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙Cnmax大于由于 齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙Cnm后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值 Cn0。 其中：Cn0 4 104(i 60)m 徑向變形系數(shù): 一一一 一 _ 5 0.89 8 10 C 2 J n max m 則：Cn0 4 104 (100 60) 0.5 0.008mm Cn max Cnm Cn0 0.00781 0.008 0.0158mm 徑向變形系數(shù): 0.89 8 5 10 5 200 0.0158 2—

47、0.9692 0.5 柔輪的變位系數(shù): 1.35 xr 0.85 3 Zr 0.04 1.35 0.85 0.9692 … 3.61 3 200 0.04 剛輪的變位系數(shù): xg Xr 3.61 (0.9692 1) 3.58 驗(yàn)算相對(duì)嚙入深度: hn 4 m 上 2.48 m 4 0.9692 2.48 (4.6 43)10 3 Zr m (4.6 4 0.9692) 10 3 200 1.252 為了傳遞動(dòng)力, 如果計(jì)算得到的正 2,為了繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，可取2。如果出現(xiàn) m 應(yīng)適當(dāng)增加Cnm值重

48、新計(jì)算，使hn 1 m 柔輪齒根圓直徑: Dfr Dr 2m(ha C X.)100 2 0.5 (1 0.35 3.61) 102.26mm 其中(齒頂高系數(shù)ha 1,徑向間隙系數(shù)C 0.35) 柔輪齒頂圓直徑： 一 一 h cp Dar Dfr 2(— —)m 102.26 2 (1.252 0.25) 0.5 103.76mm m m 其中(查表得包0.25) m 相對(duì)嚙入深度和輪齒過(guò)渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)算公式。 hn cP ———— 2ha c m m (hn % 1 m m 1.252 0.25 1.502 2 1 0.35 2.35 即：

49、(1.252 0.25) 0.5 1.125 1.5 剛輪齒頂圓直徑： he Dag Dar 2( —)m 2( —)m 103.76 2 0.9692 0.5 2 1.252 0.5 103.48mm m m 剛輪齒根圓直徑： 1 選取插齒刀齒數(shù)Zc -Zg 101,插齒刀變包系數(shù)xc 0 (中等磨損程度的插齒刀) 插齒刀原始齒形壓力角 0 20,WJtan20 0.364Qcos20 0.9397,inv20 0.0149 3.58 0 2 tan20 202 101 inv20 0.0407 剛輪和插齒刀的制造嚙合角: xg xc inv cg 2tan 0

50、 inv 0 zg zc 查漸開線函數(shù)表和三角函數(shù)表得 8 27.52 ,cos27.52 cg 0.8868 則剛輪和插齒刀的制造中心距: m(Zg zc) cos 0 0.5 (202 101) 0.9397 Acg 26.76mm g 2 cos cg 2 0.8868 cg 插齒刀的齒頂圓直徑： Dac mzc 2m(ha c ) 0.5 101 2 0.5 (1 0.35) 51.85mm 剛輪齒根圓直徑: Dfg 2Acg Dac 2 26.76 51.85 105.36mm  驗(yàn)算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙: 2

51、(Dfg Dar) (―)m 0.15m m 1 gp- - (105.36 103.76) 0.9692 0.5 0.32 0.15 0.5 0.075 2 可見(jiàn)沿波發(fā)生器長(zhǎng)軸，在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 滾珠直徑：d0 (0.008~0.10)Dn 柔輪齒圈處的內(nèi)徑： Dn Dr 100mm 則：Dn Dr 100mm 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無(wú)滾道的 Q 1.6 1 ％ 幾 0.05d0 0.05 8 0.4mm 仇 1.61工 1.6 1.5 0.4 2mm 軸承內(nèi)環(huán)厚度：a2 1.8

52、1 1.8 1.5 2.7mm 內(nèi)環(huán)滾道深度：走 0.1d0 0.5% 0.1 8 0.5 0.4 1mm 式中的0.5h,是考慮到外環(huán)無(wú)滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 B 15mm 軸承外環(huán)外徑：Dn Dr 100mm 山 》一 d Dn 2 (a1 (a2 h2)d0 軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑： 100 2 2 (2.7 0.8) 8 76mm 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 則凸輪圓弧半徑：Rt d 4e 2 其中e是偏心距：e 一 2 dg dr 3.14 101 100 3.14 2 2 1.38mm (dg —

53、剛輪分度圓直徑，dr —柔輪分度圓直徑) 3.14 76 4 1.38 則凸輪圓弧半徑：Rt 37.12 37mm 2 3.14 凸輪長(zhǎng)半軸：a RT e 37.12 1.38 37.1mm 39mm 凸輪短半軸：b RT 37mm 3.5承載能力的計(jì)算 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故 實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因 此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件： 接觸強(qiáng)度計(jì)算公式： 8M tan j 2 [ j ] r bk M —輸出轉(zhuǎn)矩 r

54、—柔輪節(jié)圓半徑 b 一柔輪輪齒寬 一剛輪壓力角 k 一接觸系數(shù)（0.4~0⑼ 對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬b 0.2r許用接觸應(yīng)力 [j ] 49MP 則: 8M tan j 2 r bk 3 250 10 8 tan20 2 3.14 502 15 0.5 12.36MP [ j] 所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。 3.5.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 柔輪材料采用38CrMoAlA調(diào)制硬度229~269。 計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 截面處正應(yīng)力： a 7 E Dm2 切應(yīng)力: 0E DmL

55、 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：m 2M 2 Dm 其中：(Dm dr 100mm,L 100mm, 0 m 0.5mm, E 200GPa) 則: 7 0.5 10 3 200 109 1.25 10 3 3 2 (100 10 ) 3 9 3 0.5 10 200 10 1.25 10 3 3 100 10 100 10 2 250 87.5 106 Pa 87.5MPa 12.5 106 Pa 12.5MPa 3.14 (100 10 3)2 1.25 10 3 12.74 106pa 12.7MPa a

56、m 0.5( m) 0.5 (12.5 12.7) 12.6MPa 驗(yàn)算安全系數(shù): 疲勞極限應(yīng)力: 應(yīng)力安全系數(shù): n2m 450MPa 450 2 87.5 2.57 1 k2 a 0.2 -( m 0.37 s 0.37 其中，抗拉屈服極限: 850MPa 剪切應(yīng)力集中系數(shù): k2 0.7 n2 314.5 匚) a 850 27.73MPa 0.7 12.6 0.2 12.6 2.57 27.73 2.56 [n] 2 ,2.572 27.732 則滿足疲勞強(qiáng)度條件。 軸的計(jì)算校核 314.5MPa) 畫軸的受力分析圖

57、，軸的受力分析分析圖如圖所示: 已知：作用在剛輪上的 圓周力 2 2,358 104 943.2N 50 徑向力 Fr F tan 943.2 tan200 343.3N 法相力 Fa cos ■9432 1003.7N cos 20 1）求垂直面的支撐反力: Fr F1v Fa 2 3432 44.35 1003.7 25 88.7 F

58、r F1V 343.3 111.3 454.6N 111.3N 2）水平面的支撐反力: FiH F 2H Ft 471.6N 3） F在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的反力: F1F 744.2 110.5 927.1N F 2F F Fif 88.7 744.2 927.1 1671.3N 外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮,

59、 見(jiàn)（7）的計(jì)算 4）繪垂直面的彎矩圖： Mav F2V L 454.6 44.35 20.1N M 2 Mav F1VL 111.3 44.35 4.9N.M 2 5）繪水平面的彎矩圖： MAH F1H L 236 44.35 10.5N.M 2 6）F產(chǎn)生的彎矩圖： M2F F K 744.2 110.5 82.2N.M a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為： MAF F1f L 927.1 44.35 41.1N.M 2 7）求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把M AF與Jm AV M AH直接相加 MA= Mav M ah +Ma

60、f= . 20.12 20.92 +41.1=70.1 N.m MA= . M Av M ah +M af= .. 4.92 20.92 +41.1=62.57 N.m 8）求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩： 4 T 2.358 10 N.mm 9）求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為: Me M2 T 2 e a 如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù) a=0.6,帶入上式可得： Me Ma T 2 .70.12 0.6 23.58 2 71.51N.m 10）計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑 軸的材料選用 45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表 14-1查得6 B=650M

61、p,由表14-3查得[6 -1b]=60Mpa,貝 3 — 0.1 Me 1b 3 71.51 103 ’0.1 60 22.8mm  考慮到鍵槽對(duì)軸的消弱，將d值加大5%,故: 24mm<32mm 滿足條件 因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩 ,且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面 其彎曲截面系數(shù)為： 3 2 3 2 W d bt d t 50 6 6 50 6 32 2d 32 2 50 1.25 104mm3 抗扭截面系數(shù)為： 3 2 _3____2 _d_ bt d t 50 6 6 50 6 T 16 2d 16 2 50 彎曲應(yīng)力為:

62、 2.5 104m m3 Mb 3 70.1 10 ~~ 4 1.25 10 5.608Mpa 扭切應(yīng)力為: _ _ 4 0.94Mpa T1 2.358 10 -Z 4- W 2.5 10 5.721Mpa 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合 系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為： 9 2 45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限 26082 4 0.6 0.94 由表查得 b=640Mpa,則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[6-M=60Mpa, e<[ 6-同,強(qiáng)度滿足要求 4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 腕部設(shè)計(jì) 腕部能夠連

63、接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。 腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料 強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及 安裝等。 按自由度分類可將工業(yè)機(jī)器人手腕分為單自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手 腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的工作性 能要求來(lái)確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自 由度的手腕可以由一個(gè) R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組 成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè) R關(guān)節(jié)的

64、功能是重 復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即 BB型手 腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān) 節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)， 將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤上，再通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的 擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在 腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。 圖3.1 BB型手腕示意圖 本課題研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人廣泛用于進(jìn)行汽車車身等噴涂作業(yè)， 腕部作用于工作 空間的最前

65、端，有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì) 量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖 3.2所示。 24 (3.1 ) (3.(2) (3.(3) (3.(4) (3.(5) (3.(6) (3.(7) (3.(8) 圖3.2 手腕外形尺寸示意圖 4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 手腕的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng) 過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手 腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈 傳動(dòng)以及錐齒輪

66、傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。 （1）選擇步進(jìn)電機(jī) 手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15] : M總 M摩M負(fù)M慣 M摩0.1M總 M 慣 mgl J /t啟 M負(fù)m負(fù)gl J負(fù)/t啟 2 2 m v 兀 R1 R2 .1 J負(fù) m負(fù)l2 一 12 一 , m 1 m 2 2 J R1 R2 3 2 v/1 式中： M總一手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N ? nj）; m摩一摩擦阻力矩（n?項(xiàng)； m負(fù)一負(fù)載阻力矩（n?項(xiàng)； M慣一手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N ? m ; J負(fù)一工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg ? m2）; J 一手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg ? m2）; 一手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s ）; m一手腕質(zhì)量（kg）； mi^ 一負(fù)載質(zhì)量（kg）; t啟一啟動(dòng)時(shí)間（s）; 3 一手腕部分材料密度（kg/m ）; r,r2 一手腕部分外徑和內(nèi)徑（m； i 一手腕的長(zhǎng)度（m ； 0.12m v一手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。