教育用四自由度机械手设计毕业设计

黑龙江八一农垦大学本科毕业设计摘 要科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔的道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手有着深远的科教意义。本次设计教学用四自由度机械手为教学用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备抓取、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等4个自由度；驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。采用单片机控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：机械手；电机驱动；伺服系统。Abstract Scientific outlook on development for the development of Engineering Technology in China has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of the national economy, it is to our education and training departments to put forward new requirements. Therefore, in order to adapt the social development situation, based on the existing technology and design a teaching manipulator has profound scientific significance. This design education with three degrees of freedom to education with a dedicated robotic manipulator, mainly by the gripper arm, body, frame and other components, with the feeding, handling and other functions, the phone adopts the base machine, experimental arranged around the base object, its coordinates in the form of joint type, with horizontal rotation, vertical arm swing, and other three degrees of freedom; drive the motor drive, using motor driven reducer, gear reducer drive shaft after each rotation to achieve movement. Advantages of electric drive control, high precision, accurately positioning, responsive, enabling high-speed, high-precision continuous path control, servo characteristics of a good. The design of the robot can perform multiple actions on different objects. Control system using single chip, and ultimately the joint servo control and braking problems, real-time monitoring of the robot movement of each joint, the robot programming and online teaching modify the program, set the reference point and back to the reference point. Keywords: manipulator; motordrive; servo system.VII目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 提出题目的目的与意义11.2 国内外发展的现状11.2.1 国外发展的现状11.2.2 国内发展的状况2第2章 方案的确定与比较分析32.1 机械手机械系统的比较与选择42.1.1 直角坐标型机械手42.1.2 圆柱坐标型机械手42.1.3 球坐标型机械手52.1.4 关节型机械手52.2 机械手驱动系统的比较与选择62.2.1 液体压力驱动62.2.2 气体压力驱动62.2.3 电力驱动7第3章 驱动源的选择与设计计算93.1 主要技术参数的确定93.2 各关节电机的选择计算103.2.1 大臂旋转电机的选择113.2.2 小臂旋转电机的选择123.2.3 腰部旋转电机的选择13第4章 手部结构设计144.1 夹持式手部结构144.1.1 手指的形状和分类144.1.2 设计时考虑的几个问题144.2 手部夹紧气缸的设计154.2.1 弹簧的设计计算154.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算154.2.3 疲劳强度和应力强度的验算164.2.4 手部驱动力计算164.2.5 气缸直径的设计计算174.2.6 缸筒壁厚的设计194.2.7 活塞杆运动行程的计算20第5章 各机械部件的设计选择与校核205.1 轴的设计与校核205.1.1 大臂旋转轴的设计205.1.2 大臂轴的强度校核215.2 键的选择与强度的校核245.2.1大臂旋转轴键联接处键的强度校核245.2.2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核255.3 轴承寿命的校核265.4 联轴器的选择与圆锥销的校核275.4.1 联轴器的选择275.4.2 联轴器圆锥销的校核28第6章 基于Creo Parametric机械手运动仿真296.1 四自由度机械手零件的建模296.2 四自由度机械手的装配306.2.1 Creo Parametric的装配306.3 四自由度机械手的运动仿真326.3.1 运动学仿真326.3.2 进入机构模块326.3.3 添加伺服电机346.3.4 定义初始条件356.3.5 定义分析366.3.6 运动仿真视频制作37结 论39致 谢40参考文献41附 录42第1章 绪论1.1 提出题目的目的与意义 为了代替人类在某些苛刻的场合从事生产，或用于流水作业，以机械手往复的工作，节约人的体力。由于机械手在生活中的大量运用，使得人类的生产率有了大幅的提高，同时也改善了我们的工作环境。让人类的生活变得越来越智能化。1.2 国内外发展现状机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视1。1.2.1 国内发展现状工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用1.2.2 国外发展状况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是2：1 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。 2 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 3 研制维修维护方便的机械手。 4 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。 5 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 6 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 7 研制具有柔性系统的机械手第2章 方案的确定与比较分析本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种7,8：表2-1 机械手结构选型表结构形式方案特点优缺点结构简图直角坐标型操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂续表结构形式方案特点优缺点结构简图关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差2.1 机械手机械系统的比较与选择 2.1.1 直角坐标型机械手直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1。其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。2.1.2 圆柱坐标型机械手圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.圆柱坐标式机械手有五个基本动作：1 手臂水平回转；2 手臂伸缩；3 手臂上下；4 手臂回转动作；5 手爪夹紧动作。圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（）。圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。2.1.3 球坐标型机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：1 手臂上下动作，即俯仰动作；2 手臂左右动作，即回转动作；3 手臂前后动作，即伸缩动作；4 手腕上下弯曲；5 手腕左右摆动；6 手腕旋转运动；7 手爪夹紧动作；8 机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。2.1.4 关节型机械手又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多10。本次设计的是教学用四自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。2.2 机械手驱动系统的比较与选择机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。2.2.1 液体压力驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。液压驱动有以下特点：1 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。2 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。3 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。4 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。5 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。2.2.2 气体压力驱动 气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。气压驱动具有以下特点：1 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm22 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。3 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。4 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具11。2.2.3 电力驱动这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机（SM）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC），现在交流伺服电动机（AC）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。各种电机驱动的特点：1 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。2 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。3 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。4 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性12,13。综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手部采用气动驱动。第3章 驱动源的选择与设计计算3.1 主要技术参数的确定图3-1 机械手手臂重量分布图 图3-2 开口盘重量分布图如图3-1所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为198mm，质量为M1(3kg左右)，重心在距离第一关节轴110mm处，L1=110mm。 2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为194mm，质量为M2(3.5kg左右)，重心在距第二关节轴120mm处，L2=198+120=318mm。如图3-2所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下： 旋转轴与转盘重心距离为60mm，转盘质量为8Kg。 本次设计机械手的基本设计参数如下：负载0.5kg；大臂回转：0，；小臂回转：0，； 腰部旋转：0，600/s；手爪夹持半径45mm-95mm。3.2 各关节电机的选择计算当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为14：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）其中：M1，M2，分别为3Kg，3.5Kg；L1，L2，分别为110mm，318mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22 (3-2)=30.112+3.50.3182=0.39kg.m2同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量： M2=3.5Kg，L4=120mm。J2=M2L42 (3-3)=3.50.122=0.05kg.m2 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为J3，所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：M3=8Kg，L5=60mm。 （3-4）3.2.1 大臂旋转电机的选择 设大臂速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下： （3-5）式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m2。 角加速度，rad/s。 设机械手大臂从到所需的时间为：，由式（3-5）有：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：10N.m 减速比：i1=100谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-6)选择小型直流伺服电机： 型号：MAXON-EC118896 额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：10w3.2.2 小臂旋转电机的选择原理同上，设小臂转速，设角速度从0加到所需加速时间，则旋转开始时的转矩可表示如下： （3-7）式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m。 角加速度，rad/s。由式（3-7）有：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为： （3-8)选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：10N.m 减速比：i2=100谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-9)选择小型直流伺服电机： 型号：MAXON-EC118896 额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：10w3.2.3 腰部旋转电机的选择 设旋转盘旋转速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下： 式中：T 旋转开始时转矩，N.m。 J 转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s。 设机械手大臂从到所需的时间为：则：若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为： (3-11)选择减速机：型号：APEX-AE238 （同轴式行星减速机） 额定输出转矩：15N.m 减速比：i3=100设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3-12)选择小型直流伺服电机 型号：MAXON-EC137489 额定转矩：0.9N.m额定电压：24V额定电流：2A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：20w第4章 手部结构设计4.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。4.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。4.1.2 设计时考虑的几个问题1. 具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2. 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。4. 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。5. 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。4.2 手部夹紧气缸的设计4.2.1 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图4-1所示：图4-1 圆柱压缩弹簧 图4-1中，D为弹簧中心线到弹簧丝中心的距离；D1为弹簧中心线到弹簧丝内圈的距离；D2为弹簧中心线到弹簧丝外圈的距离；d为弹簧丝直径；H0为弹簧长度，本次设计弹簧具体尺寸参数如下： D=10mm；d=3mm；; ; ; n=54.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象本次使用的压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： (4-1） 式中：选取1.3到1.7之间（力学性精确能高） K取1.2 F取521结论：经过校核，弹簧适应。 4.2.4 手部驱动力计算 本次设计的机械手手部结构示意图如下图4-2所示:图4-2 齿轮齿条式手部其工件重量G=0.5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 (1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:N （4-2）(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 取4.3N （4-3） 所以 (3) 实际驱动力: （4-4）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 取120N所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为120N。4.2.5 气缸直径的设计计算本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: （4-5）式中: 活塞杆上的推力，N。弹簧反作用力，N。气缸工作时的总阻力，N。 气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算: （4-6） = （4-7）式中:弹簧刚度，N/m。弹簧预压缩量，m。s活塞行程，m。弹簧钢丝直径，m。弹簧平均直径，mm。弹簧有效圈数.弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: （4-8）由以上分析得单向作用气缸的直径: （4-9）代入有关数据，可得(N/m)N所以: 圆整，得D=36mm ,可得活塞杆直径: 圆整后，取活塞杆直径d=14mm校核，按公式有: (4-10)其中， 则: 满足实际设计要求。4.2.6 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (4-11)式中:6缸筒壁厚，mm。气缸内径，mm。实验压力，取, Pa。材料为:ZL3,=3MPa。代入己知数据，则壁厚为: 取，则缸筒外径为:4.2.7 活塞杆运动行程的计算本次设计机械手手爪夹持半径为35mm95mm，手爪手指长100mm，设手爪夹持最小半径工件与夹持最大半径工件之间手爪的旋转角度为，则有 (4-12)式中：R1夹持最小半径，mm。 R2夹持最大半径，mm。由于活塞杆与手爪间用齿轮齿条传动，所以齿轮的转动弧长则为活塞杆运动行程，设活塞杆运动行程为L，则： 所以活塞杆的运动行程为11.78mm，由于考虑到机械精度和传动效率的影响，本次设计设计活塞杆运动行程为13mm。第5章 各机械部件的设计选择与校核5.1 轴的设计与校核5.1.1 大臂旋转轴的设计转矩和弯矩是轴的主要承受载荷,轴的常见形式有直轴和弯轴,而根据本次设计中机构的特点,选择传动轴为直轴.知条件可知n=10r/min，由电机传递到轴上的功率选择轴的材料为45钢,经调质后,再使用.由参考资料表查得:硬度:HBS217255;屈服强度极限: s=360MPa;抗拉强度极限b=650 MPa,弯曲疲劳强度极限1=300 MPa.由表查得-1b=55 MPa.初步确定轴的直径：按照扭转强度估计轴输出端直径由表查得C=1.3126 取C=120由式,得 取d=15mm 轴的设计尺寸参数如下图5-1所示：图5-1 大臂旋转轴5.1.2 大臂轴的强度校核按照扭转强度校核： 本次设计传动轴全长95mm，最小轴颈15mm，材料为45号钢，经调质后使用。 轴的扭转强度条件为： （5-1） 式中： 扭转切应力，MPa。 T轴所受的扭矩，N.mm。 轴的抗扭截面系数，。 N轴的转速；r/min。 P轴的传递功率，Kw。 D计算界面处轴的直径，mm。许用扭转切应力，MPa。由上式得： （5-2）查表得的范围为25MPa45MPa；的范围为103126。本次设计取40 则 取106则本次设计最小轴径为15mm12.89mm，故满足强度要求。按照弯扭合成强度校核：弯扭合成图如图5-2所示：图5-2 弯扭合成图 若是轴强度合格，则 （5.3）式中： 轴的计算应力，MPa。 M轴所受的弯矩，N.mm。 T轴所受的扭矩，N.mm。 W轴的抗弯截面系数，。 截面系数。本次设计轴的材料为45号钢，查表得：，轴的危险界面断面图如下图5-3所示： 图5-3 轴的危险截面断面图图中，b=5mm，t=3mm，d=15mm所以：即 所以本次设计的轴强度合格。 5.2 键的选择与强度的校核5.2.1大臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择普通圆头平键，GB/T1096-2003 （）平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。由机械设计第七版页，查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件： （5-4）式中：T传递的转矩，。K键与轮毂键槽的接触高度，；k=0.5h,此处h为键的高度，。键的工作长度，；圆头平键，这里为键的公称长度，；为键的宽度，。轴的直径，。键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，。从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为和。 键的材料为45号钢，大臂与钻转轴的材料分别为和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故为，取其平均值，=55。此处键传递的转矩T=40，键与轮毂键槽的接触高度k=4，键的工作长度，轴的直径=30。将这些数据代入公式（5.4）得： 故键的强度满足要求，键联接安全。5.2.2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择使用普通圆通平键 ，GB/T1096 尺寸平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。由机械设计第七版页，查得载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件：式中：T传递的转矩，。K键与轮毂键槽的接触高度，；k=0.5h,此处h为键的高度，。键的工作长度，；圆头平键，这里为键的公称长度，；为键的宽度，。轴的直径，。键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，。从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为和。 键的材料为45号钢，大臂与旋转轴的材料分别为和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故为，取其平均值，=55。此处键传递的转矩T=40，键与轮毂键槽的接触高度k=2.5，键的工作长度，轴的直径=15。将这些数据代入公式（5-4）得：故键的强度满足要求，键联接安全。5.3 轴承寿命的校核 本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的，故选用四口相同型号尺寸的轴承，选择深沟球轴承61802（d15 D24 B5 r0.3），所以校核所受载荷最大的一个轴承合格即可。本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命，该轴上的轴承只受径向载荷，轴承的预期计算寿命。轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴的强度校核部分，可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷和大小分别为：查机械设计第七版页公式（）知以小时表示的轴承寿命为： （5-5） 式中 ：轴承的转速，。 轴承的基本额定动载荷，kN。 载荷，kN。指数，对于球轴承，。轴承的转速，从最新轴承手册页表查得代号为61802深沟球轴承的基本额定动载荷，将相关数据代入轴承寿命计算公式可求得：远大于，轴承的寿命满足设计要求。5.4 联轴器的选择与圆锥销的校核5.4.1 联轴器的选择1. 大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择选择圆锥销套筒式联轴器，如图5-4所示： 图5-4 圆锥销套筒式联轴器结构图联轴器具体尺寸参数如下：=6mm；=4mm；L=22mm；=18mm；额定转矩15N.M；圆锥销；圆锥销2. 旋转盘与减速机之间联轴器选择如图（5-4）所示：具体尺寸参数如下：=8mm；=4mm；L=25mm；=20mm；额定转矩20N.M；圆锥销；圆锥销5.4.2 联轴器圆锥销的校核由于联轴器最小直径圆锥销都是4mm，所以本次设计只校核受力最大的即可。圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效，校核公式为： （5-6） 式中： d圆锥销的平均直径，mm。 T所传递的转矩，。 D轴径，mm。 销的许用剪切应力，对于45号钢一般取80MPa其中，取T=5；d=4.5mm；D=10mm，所以：所以校核合格。第6章 基于Creo Parametric机械手运动仿真Creo Parametric是我们所熟知的Pro/E三维软件的最新版本，通过Creo这个三维软件工具来进行四自由度机械手的参数化建模设计，完整体现产品设计的基本流程，提出一种产品设计的新思路,展示Creo在产品设计上的优势。首先利用Creo便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；然后利用Creo按要求对机械手零件以各种约束和销钉等连接来进行合理装配；接着利用Creo的机构模式对机械手的装配作添加伺服器等操作，来实现四自由度机械手的运动仿真。Creo方便的实现了对四自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观。6.1 四自由度机械手零件的建模在Creo软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期计算为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。三维模型的一般建模过程如图6.1所示。图 6.1 Pro/E零件建模一般过程由于在Creo Parametric中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。其中建模的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。 6.2 四自由度机械手的装配6.2.1 Creo Parametric的装配 Creo装配的过程如图6.2所示图6.2 Creo装配一般过程四自由度机械手构件的装备关系比较简单，其中各零件、连接件之间多为面匹配和轴对齐，而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接。根据装配关系分析,采用的装配序列为: 四自由度机械手底座垂直轴支撑体垂直轴回转体机械手手臂机械手手腕机械手手掌机械手手指 具体步骤如下： （1）运行Creo，新建组件asm0001,点确定进入装配模式，单击工具栏按钮，添加元件进入装配，首先根据文件目录找到底座，单击打开，便将底座引入了装配环境。对于首个进入装配环境的元件，应使其状态达到完全约束，故应如图6.4选取固定， 图6.3 当状态栏如图6.3显示完全约束时，单击确定按钮，完成第一个元件即底座的装配。（2） 按照装配序列，依次添加各元件以及相应的连接件，若元件间面面重合，或者面与面平行，则属于匹配装配；若元件间共轴线，则属于轴对齐，如图6.4所示选取相应装配；而各活动关节间的装配类型均为“销钉”连接，则应选择如图6.4所示的销钉选项。图6.4（3） 全部零件装配完毕后，单击菜单栏“渲染”“外观”对各零件进行着色，四自由度机械手的装配效果图和分解爆炸效果图如下：图6.5四自由度机械手装配效果图 图6.6 分解爆炸效果图6.3 四自由度机械手的运动仿真6.3.1运动学仿真 运动学仿真是对机构进行装配之后，不给其施加力，不考虑零件之间的摩擦，只在机构上施加动力，构建运动副，使机构能进行运动，分析其运动轨迹。在Creo Parametric机构模块中提供零件之间的运动副有:凸轮连接运动副、槽连接运动副、齿轮连接运动副等。6.3.2 进入机构模块运行Creo，打开装配ZHUANGPEI-2后，点击菜单栏“应用程序”“机构”，即进入了机构模块，如图6.8所示。 图6.7 机构模块 图6.8进入机构模块后即可对各运动轴做参数设置，以限制主体之间的相对位置、运动范围、运动轴零位置参照等。如图6.8，选择旋转轴，右键单击并选择菜单中编辑定义选项，进入运动轴设置对话框（图6.9），编辑运动轴的零位置和限图6.9 运动轴设置对话框 制，并可对编辑数据进行预览。使用“拖动”功能可检查为运动轴指定的限制是否满足预期的运动范围。6.3.3 添加伺服电机在机构模式下，点击“伺服电动机”图标，定义“伺服电动机”（如图6.10），图6.10名称为“ServoMotor1”，类型栏选择“运动轴”，点击装配时生成的销钉轴；轮廓栏（如图6.11）的“规范”选择“速度”，“初始位置”为开始运动的位置，可定义当前位置，也可以定义任意位置为运动初始位置，并可以预览，“模”选择“常数”，“A”值为“8”。图6.116.3.4 定义初始条件 点击“拖动元件”按钮，点击“快照”，生成“Snapshot1”如图6.12。点击“初始条件”按钮，名称为“InitCond1”，选择“快照”为“Snapshot1”，如图6.13，单击“确定”完成初始条件的定义。 图6.12 图6.136.3.5 定义分析单击“机构分析”按钮，名称为“AnalysisDefinition2”，类型为“位置”，“优先选项”中，“持续时间”为20s,“帧频”为“10”，“最小间隔”为“0.1”。“快照”选择先前生成的“Snapshot1”，如图6.15。将7电动机添加到分析中，定义各电动机的开始、结束时间，如图6.16。然后点击“运行”，即可以观察运动仿真情况，确定设定正确后单击“确定”。 图6.14 图6.15 6.3.6 运动仿真视频制作前面的运动分析“AnalysisDefinition2”生成后，单击界面右边回放按钮，即可进入回放界面，此界面可对先前的运动分析进行回放、保存至文件、也可打开文件中以图6.16图6.17存在的运动分析。如图6.16，点击播放，打开“AnalysisDefinition2”，即进入动画界面，如图6.17所示，单击播放便开始重