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XX学院毕业设计说明书（论文）作者：学号：学院（系）：专 业：题目：关节机械手设计2014年4月毕业设计说明书（论文）中文摘要机械手是一种典型的机电一体化产品，关节机械手是机械手研究领域的热点 研究关节机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等 诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在关节机械手的结构进行设计，并完成总装配图和零件图的 绘制。要求对机械手模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机 和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对 机构中的重要连接件进行强度校核。关键词： 结构设计，机器臂，关节型机械手，结构分析毕业设计说明书（论文）外文摘要AbstractThe 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, biology 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 robot 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 analysis1 绪论11.1 引言41.2 关节机械手研究概况5国外研究现状5国内研究现状61.4 关节机械手的总体结构71.5 主要内容72 总体方案设计 82.1 机械手工程概述82.2 工业机械手总体设计方案论述92.3 机械手机械传动原理102.4 机械手总体方案设计102.5 本章小结123 机械手大臂部结构133.1 大臂部结构设计的基本要求 133.2 大臂部结构设计143.3 大臂电机及减速器选型143.4 减速器参数的计算153.5 承载能力的计算 19柔轮齿面的接触强度的计算19柔轮疲劳强度的计算194小臂结构设计244.1 腕部设计244.2 小臂部结构设计 374.3 小臂电机及减速器选型37传动结构形式的选择38几何参数的计算384.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 39柔轮齿面的接触强度的计算40柔轮疲劳强度的计算414.5 轴结构尺寸设计 424.6 轴的受力分析及计算 424.7 轴承的寿命校核 435机身设计455.1 步进电机选择455.2 齿轮设计与计算505.3 轴的设计与计算575.4 轴承的校核655.5 键的选择和校核685.6 机身结构的设计69总结与展望70致 谢全套设计加197216396或40133982871参考文献72，加肥!s1常!需：0：工H由UUHEMKE阳H/亡案：而由打1山国n.Mh画;泥遗美e矍!n搞r如-L汕医之片旧靠1HISJ灯位走囱必忡超七Hj号国嗡田归葡哈 _2V纽勃 峰土钊 IM三 色寺 删掾 刍注 冏身 信栏 打电扇塞 在格 哲曲 自幄生格式A 3. Uli 国 美TT里机情不良;hi秋良三羯文蚌修包人小为1L402.592字工.-4上教士小士鹏小悔改时闰CRC33-文件夹3可业设计说明书一482.3 沮 552853022Microsoft WqT 文书2Q14/H用 21255国卬f.，大时上甘溟蚌，d呷445984391102AuwCAD 0JI2015/6/22 a3JECDP929G1心吸方3配也0飒榭48修AutoCAD Ot党旧皿&3J/93tM4bq钢轮HW号39a,152344 333AueCA。园开2035/5/22 &33S4528CEB,美方机临三繇E或含WgLDM.144937,961AuxCAD国讦2O1W22 B33E19A73Q8履臾谢ltt圄3a段g,双852 501Micros oft Word 金宿2014/6 21:25RX564D2q二1身素就d叫482,730422 325AuLcCAD 圉形2015/6/22 8:33F4CD2844/：牌爵167 S71AutoCAD gffi?01S/6/7?对多SfiFFjfiF4目录及总姿dw莅77 G12,888M；35Q；Fl W3 dl 文对2015/6/22 a35AD79959F:、至甘二r町397.904,M6 I由AutoCAD 图开201/22 &33fl9D2CB.询/u招wg3SM.L76343093Au；cCAP 图不2Q15/W22 &33m7AOF.”到外文破卫斯酗!上 8 11SMicrosoft V/ord 文电201W22 83522N1B22号司小中次08434a MBAu：cCAD 酬M15/6/2 2 a 33346B0275港士闫挂dvg4W.800350 493AuzcCAD 因形2015/6/22 &33EAB1CJA./ 鼻k，置 Hia（）S10.400718191AirnfAr：苣|开2015/6/2? &33BF04 初 2F14 11 绪论1.1 引言机械手是一种典型的机电一体化产品，关节机械手是机械手研究领域的热点。研究 关节机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知 识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机械手是关节机械手的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机械手， 开创了机械手发展的新纪元。随着科学 技术的发展，关节机械手的研究与应用迅猛发展。世界著名机械手专家、日本早稻田大 学的加藤一郎教授说过：机械手应当具有的最大特征之一是功能其中双足是方式中 自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要 求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能 的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机械手的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许 多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得 了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富 的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的研究方向；机械手可以作为一 种智能机械手在人工智能中发挥重要的作用。,关节机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准 化组织采纳了美国机械手协会给关节机械手下的定义：关节机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递 工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对关节机械手作如下定义：关节机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自 动化程度高的自动操作机械。是可进行自动喷漆或关节其他涂料的工业机械手。关节机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运 更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。关节机械手是在计算机控制下可编程的自动机器。 采用关节机械手是提高产品质量 与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。 机械手的诞生和发展虽只有 30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多 的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2关节机械手研究概况1.1.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是 Muybridge,他发明了电影用的独特摄像 机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照 片。后来这种采用摄像机的方法又被 Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到 50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究， 并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机械手的研究是始于本世纪 60年代.迄今，不仅形成了机械 手一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功 了能静态或动态的机械手样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到198研这一时期，在机械手领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机械手控制理论的研究产生了 3种非常重要的控制方法，即 有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这 3种控制方法对各种类型的机械手都是适 用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的，模型参考控制是由美 国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机械手学专家Vukobratovic博士在196处至1972年问提出来的。这3种控制方法之间 有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则 是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的 Bessonovf口 Umnov定义了 最优步态，Kugushev和Jaro- shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机械手。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机械手在时，下一步脚应 放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一 步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机械手的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的 简化模型看作是一个倒立振子（倒摆），从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。 此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机械手的 降阶模型”问题进行了 研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各 关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题.但在 他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少1.1.2 国内研究现状国内机械手的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机械手领域的研究 和应用的。1986年，我国开展了 七五”机械手攻关计划，1987年，我国的“86酹技术 计划将机械手方面的研究开发列入其中。目前我国从事机械手研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机械手技术研究的主要目的是跟踪国际先进 的机械手技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机械手，先研制成功静态双足机械手HIT-I,高110cm,重70kg,有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动， 步幅45cm,步速为10秒/步，后来又相继研制成功了 HIT-II和HIT-III ,重42kg,高103cm, 有12个自由度，实现了步长24cm,步速2.3步每秒的。目前正在研制的 HI下IV机械 手，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机械手37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机械手KDW-1 , 它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为 40cm,步速为4步每秒，1989年又研制出空 间型KDW-II ,有10个自由度，高69cm,重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以 及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成 KDW-III ,有 12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm,最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础 上研制成功我国首台仿人形机械手 先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期 达每秒两步，高1.4m,重20kg,有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语 言功能813。止匕外，清华大学正在研制仿人形机械手 THBIP-I ,高1.7m,重130kg, 32个自由度， 在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一 台8自由度空间型机械手，实现静态功能13,14。本课题源于 第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机械手。目前，机械手大多以 轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机械手还不多，虽有一些六足、四 足机械手涌现，但是机械手还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装 置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机械手。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大 臂、摆小臂。1.4 关节机械手的总体结构关节机械手的组成及各部分关系概述：它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(1)执行系统：执行系统是关节机械手完成关节工件，实现各种运动所必需 的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(a)末端执行器：机械手为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。(b)腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器 的工作方位。(c)臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管 理荷重，改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将各种载荷传递到机座。(d)机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂 部自转、升降或俯仰运动。(2)驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有 机械传动、机电传动、气压传动和电传动。(3)控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当 发生错误或故障时发出报警信号。(4)检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。实践证明，关节机械手可以代替人手的繁重劳动， 显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件， 提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单 调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其 他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途4-8 01.5 主要内容第1章绪论 主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章总体方案设计，介绍该机械手各部分的相关知识和总体设计.第3章机械手各部分设计的介绍第4章机械手结构设计2总体方案设计2.1 机械手工程概述机械手工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动 液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中 的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为系统工程学以机械手设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机械手 的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系 的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按 一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一 个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个 系统应具有如下特性：(1)整体性由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整 体的特定功能。(2)相关性系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。(3)目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组 合方式决定于系统的目的和功能。(4)环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。 因此，在进行机械手设计时，不仅要重视组成机械手系统的各个部件、零件的设计，更 应该按照系统工程学的观点，根据机械手的功能要求，将组成机械手系统的各个子系统 部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机械手产品。在比较复杂的工 业机械手系统中大致包括如下：操作机，它是完成机械手工作任务的主体，包括机座、手 臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元， 伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、 存储功能的电子控制装置(计算机或其他可编程编辑控制装置)，人一一机接口装置(键 盘、示教盒等)，各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备 的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机械手的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机械手能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系 统中，基本工艺设备(如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备) 、辅助生产设备、 控制装置和工业机械手等一起形成了各种不同形式地工业机械手技术综合体地工业机 械手系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机械 手系统亦是如此。2.2 工业机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内外使用的工业机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以 下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机械手各运动方向作用于机械接口 处的力和扭矩。其中应包括机械手末端执行器的重量、关节工件或作业对象的重量和规 定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属 于小负载。（二）驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对 环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机械手等特点， 故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链 中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。在机械手中常采用 的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行 星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结 构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用 齿轮传动。（四）工作范围工业机械手的工作范围是根据工业机械手作业过程中操作范围和运动轨迹来确定， 用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由 度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五）运动速度机械手操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作 的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s或（ ） /s表示，各动作的时间分 配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同 时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作 的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机械手机械传动原理该方案结构设计与分析该关节机械手的本体结构组成如图rn关节机械手本体组成各部件组成和功能描述如下：底座部件：底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支 承和转动大臂部件，承受关节机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、 刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证关节机械手工作时的稳 定运行。关节机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺 旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件： 包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部 件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。2.4 机械手总体方案设计工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 3。(1)直角坐标机械手结构直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由 于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置 精度(小m级)。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲， 是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类 型的机械手的结构尺寸大得多。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2)圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)0这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个 圆柱状的空间。(3)球坐标机械手结构球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)0这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是 一个类球形的空间。(4)关节型机械手结构关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械 手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的 机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a)直角坐标型 (b)圆柱坐标型 (c)球坐标型(d)关节型图2-1四种机械手坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d)关节型。具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达5KG,同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化 结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手手臂运动范围大，且有较高的定位准确度，要求设计的机械手为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度， 小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，要求设计大小臂结构，所 以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。机械手的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座的物体。协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数用途:物料搬运，注塑，装配，包装等自由度数目：6坐标形式：垂直关节坐标型额定负荷质量(不含末端执行器)：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(o )工作转速r/minrad/so/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本章小结本章主要完成对机械手系统设计，通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案 确定了机械手的总体设计方案后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等 各个部分进行详细设计。3机械手大臂部结构3.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是关节机械手的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。 如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求：(1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，关节机械手(2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大， 否则引起冲击和振动。为减少转动惯量，应采取以下措施：(a)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料 ；(b)减少手臂运动件的轮廓尺寸(c)减少回转半径(d)驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系关节机械手位置精度高；关节式关节机械手的位置最难控 制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机 械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。砂型铸造铸件 最小壁厚的设计。最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注 出铸件的 最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表 4.1所示：铸件尺寸 铸钢 灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金 铜合金2005835463533.535200 200500 卷001012410812684668500500152010151220表4.1砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不 同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。本文机械臂壳体采用铸造铝合金。具 体尺寸见总装配图。3.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，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关节轴的重量:M 2=2Kg, M3=4Kg J2=M2L42+M3L52=1 0.0972+4 X0.19422 =0.16kg.m大臂速度为10r/min ,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.mJ -转动惯量 kg.m2-角加速度rad/S2使机械手大臂从0 0到160 /s所需的时间为：t0.1s则:T1J11J1/31.46 7.64N.m0.1(3.4)若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩,则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m,取安全系数为2,则谐波减速器所需输出的最小转矩为:T01 2T 2 15 20N.m(3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m减速比：i1=120设谐波减速器的的传递效率为:90%,步进电机应输出力矩为:Tout1T01200.185N.m120 0.9(3.6)选才 BF反应式步进电机型号：55BF003步距角：1.53.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为 45钢(调质)，硬度为250HBs刚轮材料为45钢(调质)，硬度为220HBS。1 .齿数的确定柔轮齿数：Zr u i 2 100 200刚轮齿数：Zg u Zr 2 200 202 g已知模数：m 0.5mm,则柔轮分度圆直径：dr mZr 0.5 200 100mm钢轮分度圆直径：dq mZq 0.5 202 101mm g g柔轮齿圈处的厚度：1(75 Zr4)dr 104 (75 2004)100 104 1.25mm重载时，为了增大柔轮的刚性，允许将6 1计算值增加20%,即1 1.25 1.20 1.5mm柔轮筒体壁厚：0.7 1 0.7 1.5 1.05mm为了提高柔轮的刚度，取 1.2mm轮齿宽度：B 0.15dr 0.15 100 5mm轮毂凸缘长度：C(0.20.3)B (0.2 0.3) 15 34.5mm取 C 4mm柔轮筒体长度：L (0.81.2)dr (0.8 1.2) 100 80120m5取L 100mm轮齿过渡圆角半径：r m 0.5mm为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取 r 3mm2.啮合参数的计算由于采用压力角0 20的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。考虑到轮齿扭矩，使轮齿间隙减小的值为：Cnm MmaxLdrB MFB (扭转弹性模数 G=80GPa) jG 2L Dr G其中：Mmax 2M 2 250 500N m 500 103 N m3nm0.00781mm500 10 151002 1.2 80 103W。/ m=0.89+8X10-5XZr+ 2Cnmax/m为了消除在Mmax的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙Cnmax大于由于 齿轮扭转减小的侧隙Cnm后，还应保证存在有侧隙值 Cn0。其中：Cn0 4 104(i 60)m径向变形系数:一一一 一 _ 50.89 8 10C2 J n maxm则：Cn04104(100 60) 0.50.008mmCn maxCnmCn00.007810.008 0.0158mm径向变形系数:0.89 8510 5 2000.015820.96920.5柔轮的变位系数:1.35xr0.853 Zr0.041.350.850.9692 3.613 2000.04刚轮的变位系数:xgXr3.61 (0.9692 1) 3.58验算相对啮入深度:hn4m上 2.48 m4 0.9692 2.48(4.6 43)10 3 Zrm(4.6 4 0.9692) 10 3 2001.252为了传递动力,如果计算得到的正 2,为了继续进行计算，可取2。如果出现 m应适当增加Cnm值重新计算，使hn 1m柔轮齿根圆直径:Dfr Dr 2m(haC X.)100 2 0.5 (1 0.35 3.61) 102.26mm其中(齿顶高系数ha 1,径向间隙系数C 0.35) 柔轮齿顶圆直径：一 一 hcpDar 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。hncP 2ha c m m(hn %1m m1.252 0.25 1.502 2 1 0.35 2.35 即：(1.252 0.25) 0.5 1.125 1.5刚轮齿顶圆直径：heDag Dar 2( )m 2( )m 103.76 2 0.9692 0.5 2 1.252 0.5 103.48mm m m刚轮齿根圆直径： 1 选取插齿刀齿数Zc -Zg101,插齿刀变包系数xc 0 (中等磨损程度的插齿刀)插齿刀原始齿形压力角0 20,WJtan20 0.364Qcos20 0.9397,inv200.01493.58 0 2 tan20202 101inv20 0.0407刚轮和插齿刀的制造啮合角:xg xc inv cg 2tan 0 inv 0zg zc查渐开线函数表和三角函数表得8 27.52 ,cos27.52cg0.8868则刚轮和插齿刀的制造中心距:m(Zg zc) cos 00.5 (202 101) 0.9397Acg 26.76mmg 2 cos cg20.8868cg插齿刀的齿顶圆直径：Dac mzc 2m(hac ) 0.5 101 2 0.5 (10.35) 51.85mm刚轮齿根圆直径:Dfg2AcgDac2 26.76 51.85 105.36mm验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙:2(DfgDar) ()m 0.15mm1gp- - (105.36 103.76) 0.9692 0.5 0.32 0.15 0.5 0.075 2可见沿波发生器长轴，在刚轮齿根圆与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的计算滚珠直径：d0 (0.0080.10)Dn柔轮齿圈处的内径：Dn Dr 100mm则：Dn Dr 100mm轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的Q 1.6 1 几 0.05d0 0.05 8 0.4mm仇 1.61工 1.6 1.5 0.4 2mm轴承内环厚度：a2 1.8 1 1.8 1.5 2.7mm内环滚道深度：走 0.1d0 0.5% 0.1 8 0.5 0.4 1mm式中的0.5h,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B 15mm轴承外环外径：Dn Dr 100mm山 一 d Dn 2 (a1 (a2 h2)d0轴承内环内径：100 2 2 (2.7 0.8) 8 76mm为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：Rtd 4e2其中e是偏心距：e 一 2dg dr3.14101 1003.14 221.38mm(dg 刚轮分度圆直径，dr 柔轮分度圆直径)3.14 76 4 1.38则凸轮圆弧半径：Rt37.12 37mm2 3.14凸轮长半轴：a RT e 37.12 1.38 37.1mm 39mm凸轮短半轴：b RT 37mm3.5承载能力的计算柔轮齿面的接触强度的计算根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故 实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因 此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：接触强度计算公式：8M tanj2 j r bkM 输出转矩r 柔轮节圆半径b 一柔轮轮齿宽一刚轮压力角k 一接触系数（0.40对于一般双波传动，轮齿宽b 0.2r许用接触应力j 49MP则:8M tanj2r bk3250 10 8 tan2023.14 502 15 0.512.36MP j所以满足齿面的接触强度要求。3.5.2柔轮疲劳强度的计算柔轮材料采用38CrMoAlA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的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：a7 EDm2切应力:0EDmL由扭矩产生的剪切应力：m2M2Dm其中：(Dm dr 100mm,L100mm, 0m 0.5mm, E 200GPa)则:7 0.5 10 3 200 1091.25 10 33 2(100 10 )3930.5 10200 101.25 1033100 10100 102 25087.5 106 Pa 87.5MPa12.5106 Pa 12.5MPa3.14 (100 103)2 1.2510 312.74106pa 12.7MPaa m 0.5(m) 0.5(12.512.7)12.6MPa验算安全系数:疲劳极限应力:应力安全系数:n2m450MPa4502 87.52.571k2 a 0.2-(m0.37 s 0.37其中，抗拉屈服极限:850MPa剪切应力集中系数:k2 0.7n2314.5匚)a85027.73MPa0.7 12.6 0.2 12.6 2.57 27.732.56 n 2 ,2.572 27.732则满足疲劳强度条件。轴的计算校核314.5MPa)画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示:已知：作用在刚轮上的圆周力2 2,358 104 943.2N50径向力Fr F tan943.2 tan200 343.3N法相力Facos9432 1003.7N cos 201）求垂直面的支撑反力:FrF1vFa 2 3432 44.35 1003.7 2588.7Fr F1V 343.3111.3454.6N111.3N2）水平面的支撑反力:FiHF 2HFt471.6N3） F在支撑点产生的反力:F1F744.2 110.5 927.1NF 2FF Fif88.7744.2 927.1 1671.3N外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑,见（7）的计算4）绘垂直面的弯矩图：Mav F2V L 454.6 44.35 20.1N M 2Mav F1VL 111.3 44.354.9N.M25）绘水平面的弯矩图：MAHF1H L 236 44.35 10.5N.M26）F产生的弯矩图：M2F F K 744.2 110.5 82.2N.Ma-a截面F力产生的弯矩为：MAFF1f L 927.1 44.35 41.1N.M27）求合成弯矩图：考虑最不利的情况，把M AF与Jm AV M AH直接相加MA= Mav M ah +Maf= . 20.12 20.92+41.1=70.1 N.mMA= . M Av M ah +M af= . 4.92 20.92+41.1=62.57 N.m8）求轴传递的转矩： 4T 2.358 10 N.mm9）求危险截面的当量转矩如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为:Me M2 T 2 ea如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6,带入上式可得：Me Ma T 2.70.120.6 23.58 271.51N.m10）计算危险截面处轴的直径轴的材料选用 45钢，调质处理，由表 14-1查得6 B=650Mp,由表14-3查得6-1b=60Mpa,贝3 0.1Me1b3 71.51 1030.1 6022.8mm考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%,故: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 其弯曲截面系数为：3232W d bt d t 506 6 50 632 2d 322 501.25 104mm3抗扭截面系数为：32_3_2_d_ bt d t 506 6 50 6T 16 2d 162 50弯曲应力为:2.5 104m m3Mb370.1 1041.25 105.608Mpa扭切应力为:_40.94MpaT12.358 10-Z4-W 2.5 105.721Mpa按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合 系数a=0.6则当量应力为：9245钢调质处理抗拉强度极限26082 4 0.6 0.94由表查得b=640Mpa,则由表查得轴的许用弯曲应力6-M=60Mpa, e 6-同,强度满足要求4小臂结构设计4.1 腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料 强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及 安装等。按自由度分类可将工业机器人手腕分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据工业机器人实际使用的工作性 能要求来确定。本课题所研究设计的喷漆机器人手腕具有摆动和转动两个自由度。二自 由度的手腕可以由一个 R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组 成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个 R关节的功能是重 复的，实际上只起到单自由度的作用。本次设计要求腕部实现俯仰和偏转，即BB型手腕，如图3.1所示。由于现阶段国内步进电机产品研发生产技术的局限性，无法实现关 节的直接驱动，所以为减轻整个小臂的自重，采取腕部步进电机后置远距离间接驱动， 将其装在大臂的底部，固定在机身圆盘上，再通过两条链传动，一条链直接带动腕部的 摆动，另一条链传动带轮带动锥齿轮轴通过一级锥齿轮的传递带动腕部的转动，虽然在 腕摆时会产生手腕的附加转动，但是可以通过控制步进电机来控制干涉。图3.1BB型手腕示意图本课题研究设计的喷漆机器人广泛用于进行汽车车身等喷涂作业，腕部作用于工作空间的最前端，有时需伸入狭窄的空间进行作业，所以为了满足手腕部分结构紧凑、质量轻、动作灵活等要求将其外形和尺寸设计成如图3.2所示。24(3.1 )(3.(2)(3.(3)(3.(4)(3.(5)(3.(6)(3.(7)(3.(8)图3.2 手腕外形尺寸示意图4.1.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级带轮链条传动，再经 过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手 腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计链 传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15 :M总 M摩M负M惯M摩0.1M总M 惯 mgl J /t启M负m负gl J负/t启 22m v兀 R1 R2 .1J负 m负l2一 12 一, m 1 m 22JR1R232v/1式中：M总一手腕偏转所需力矩（N nj）;m摩一摩擦阻力矩（n项；m负一负载阻力矩（n项；M惯一手腕偏转启动时惯性阻力矩（N m ;J负一工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kg m2）;J 一手腕部分对回转轴线的转动惯量（kg m2）;一手腕偏转角速度（rad/s ）;m一手腕质量（kg）；mi 一负载质量（kg）;t启一启动时间（s）;3 一手腕部分材料密度（kg/m ）;r,r2 一手腕部分外径和内径（m；i 一手腕的长度（m ；0.12mv一手腕偏转末端的线速度（m/s）。
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