自动化生产线搬运机械手的设计

毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：学院(系):专 业:题 目:搬运机械手设计 年 4 月摘 要机器人技术是机电一体化产品，关节机器人成为一个领先的研究课题。运用在不同领域，如机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机，知识等诸多领域的发展机械接头端的设计，机器人也导致了这些学科的发展。关节型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合关节也促成了这些学科的发展。本文采用在结构设计上的关节型机器人，并完成图纸和零件图总装配图。为机器人模型的要求被分析以估计电机的每个关节，充分的选择所需要的转矩和功率。完成关节型机器人的程序设计，总体设计，结构设计，运动学模型操盘分析，检查，分析机器人模型，设计和生产机器人模型做的过程中强度的关键部件，绘制3D图。关键词：机械臂，结构设计，关节机械手，电机AbstractRobotics is mechatronics, articulated robot into a leading research. Used in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but its multi-agency convergence desired combination of joint development also contributed to the development of these disciplines.In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. Requirements for the robot model is analyzed to estimate the motor of each joint, full selection of the desired torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, manipulator kinematics model analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production process of doing robot model intensity, plotted in Fig. 3D.Keywords: arm, structural design, articulated robot, motor目 录摘 要IIAbstract11 绪论11.1引言11.2 关节机械手研究概况21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 关节机械手的总体结构32 总体方案设计52.1 技术参考数据52.2 关节机械手工程概述52.3 工业关节机械手总体设计方案论述62.4 机械手机械传动原理72.5 机械手总体方案设计82.6 本章小结93 机械手大臂部结构103.1 大臂部结构设计的基本要求103.2 大臂部结构设计113.3 大臂电机及减速器选型113.4 减速器参数的计算123.5承载能力的计算163.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算163.5.2 柔轮疲劳强度的计算164 小臂结构设计214.1 手指的相关设计与计算214.2 手爪结构设计与校核214.3 结构分析234.4计算分析234.5 腕部设计244.5.1 手腕偏转驱动计算244.5.2 手腕俯仰驱动计算344.5.3 电动机的选择354.6 小臂部结构设计374.7 小臂电机及减速器选型374.7.1.传动结构形式的选择384.7.2.几何参数的计算384.8 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算394.8.1柔轮齿面的接触强度的计算394.8.2柔轮疲劳强度的计算404.9 轴结构尺寸设计414.10 轴的受力分析及计算424.11轴承的寿命校核435 机身设计465.1 步进电机选择465.1.1 计算输出轴的转矩465.1.2 确定各轴传动比485.1.3 传动装置的运动和动力参数485.2 齿轮设计与计算515.2.1 高速级齿轮设计与计算515.2.2 低速级齿轮设计与计算555.3 轴的设计与计算585.3.1 输入轴的设计与计算585.3.2 中间轴的设计与计算615.3.3 输出轴的设计与计算635.4 轴承的校核655.4.1 输入轴上轴承寿命计算655.4.2 中间轴上轴承寿命计算665.4.3 输出轴上轴承寿命计算675.5 键的选择和校核695.5.1 键的选择695.5.2 键的校核696 液压系统图707关节机械手PLC控制系统设计717.1 关节机械手的工艺过程717.2 PLC 控制系统717.2.1 确定输入/输出点数并选择 PLC 型号717.2.2 分配 PLC 的输入/输出端子727.2.3 所需元器件明细表727.3 PLC 控制系统程序设计73总 结77参考文献78致 谢791 绪论1.1引言关节型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂关节领导的多关节臂运动。1959年成为世界上第一个工业多关节手臂运动的诞生，创造发展胳膊的新时代的多关节。随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展。加藤一郎，日本早稻田大学手臂关节和更多的世界知名专家，教授说：“一个很大的特点，多关节手臂运动应该有工作。”的方式是，在自动化程度高的，电力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过，“神造人的两条腿是最美丽的杰作。”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低，无论是在地面上，而且在非结构化地形复杂，适应性良好的环境状态。为了延长多关节型机器人的功能和应用开辟无限广阔的发展前景。研究关节型机器人的原因和目的，主要表现在以下几个方面：机构的发展，使他们对结构性和非结构性的工作，许多圈子，而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务，如假肢。系统动力学与在此领域丰富的研究，其研究和臂运动更加危险的机器的扩展，多关节臂的运动可以作为一个多关节臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。多关节臂的运动的定义，世界上唯一的格式是不一样的。手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多关节运动的定义：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作，尤其是对物料输送，传动部件。参照国际定义，和语言的组合的中国多臂关节的定义如下：机械手的多关节运动是一个独立的行动，更自由，灵活地改变程序，它可以放置在任何地方，自动化程度高的机器的自动化。汽车油漆或其他涂料行业铰接多关节运动E可用。多关节运动臂高刚性臂，与其它可能的相比，必须要快，能够进行重的东西，且精度非常高，可以基于外部信号，各种自动操作的。处理的多关节臂的运动是一个计算机可编程的自动控制装置的控制下。使用的多关节运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率，生产过程的自动化，改善了工作条件，并降低了劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展，虽然只有30岁，但已经应用到国民经济的许多部门，民间的技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2 关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出的议案非常形象化的描述。真正研究机构运动多关节全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多关节实地达到的运动的最重要的进展的团队。在20世纪60年代和70年代，武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的关节机械手都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多关节运动学专家鲍宾控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况1的中心。在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多关节，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多关节，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多关节“减少型”问题的复杂性进行了研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的关节和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动关节臂，中国的高科技“863”水平运动臂包括于1987年。目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多关节型机器人技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩。1986年哈尔滨工业大学，他开始研究最为关节臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70千克多的企业，率先成功开发进度有10个自由度，以到达地面上的线，左，右，以及运动，上下楼梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量为42千克，长度103厘米，它是12个自由度，以实现一个步骤每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在开发第四乐章的下一个多关节臂，身体52度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多关节运动3-7。在1988年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，每秒40厘米，四步开发的最大速度，在1989年今年的步伐，我们开发了一种空间KDW-II，具有10个自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990年两纵缝互联网KDW-II，在KDW-开发的，有12个自由度，并添加函数曲线，以获得完整的测试环境。 1995年在步骤20厘米0.8秒22厘米，13度的最大角度动态的步伐。 2000年KDW-III中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期，1.4男，为20 kg的多关节的动作，有头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，和一定程度的语言功能8-13中。此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接THBIP-I，高七米，体重130千克，32自由度的支持清华大学985项目，该项目是。南京航空航天大学有八个自由度机械手关节间隙静态函数13,14的发展。本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多关节手臂动作。此时，单臂，多关节运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多关节的动作并不多，但也有六条腿，已经出现四腿臂多关节运动，但多关节手臂运动尚不多见。我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多关节的动作。子功能是：替代大步，摇摇头，摆动手臂，摆臂。1.3 关节机械手的总体结构关节型机器人和部分整体关系的概述：它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统。（1）执行系统：公用部分的执行系统管理部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。1.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆。2.手腕，手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。3.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个关节，在基座的任何类型的动力传输。D：机身，多铰接臂基部，支撑辊，由臂部件支承，并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务。（2）驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备。通用机械传动，机械传动和电气，气动，电动。（3）操作系统：驱动控制系统，该系统的根据工作，故障报警或错误的信号的要求执行。（4）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置，保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多关节运动，显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作，单臂，多联合动作是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势，具有广阔的发展前景4-8。2 总体方案设计2.1 技术参考数据一个底座，一个关节型机械手。其中，机械手的末端为夹板型，夹板的尺寸要求能夹起一箱伊利纯牛奶（44盒），其他尺寸视情况自拟。图2.1机械手经常测量市场上某一箱伊利纯牛奶（44盒）的外形尺寸为220mmX220mm.2.2 关节机械手工程概述关节机械手是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人得到有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多关节运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征：（1）机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。（2）作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。（3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。（4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。所以，在设计机器人时，不仅要注意关节运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多关节臂的动作的功能要求，子系统，多臂关节，合理，产品的性能，需要在多关节臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂关节如下：在操作机器，是最大的，单臂多关节的运动来完成的任务，其中包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，其中包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通信的I / O 14内部和外部传感器和其他设备（一般或特别。特征行业臂多关节运动是普遍的调整，灵活的臂工业多关节运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，焊接，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多关节臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多关节是参考系统。2.3 工业关节机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业用运动的多关节臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章5公斤载荷。负载的大小主要取决于由于运动的沿的作用力和夫妇的机械接口上的多关节臂的运动的方向。其中下臂应该包括端部执行器的更关节运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多企业等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。（三）传动系统动臂多关节运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多关节通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波钢等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握更扎实的传输，所以这个设计选择的旅行。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多关节的多关节臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多关节机械手，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所选择的关节轴的每个角的（五）运动速度每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（）/ s的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表做他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。2.4 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图2.2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、油缸、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。2.5 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（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)。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)。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。2.6 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，关节机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（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 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 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：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2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使机械手大臂从到所需的时间为：则： (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： (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：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m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：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，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：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取2.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，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： （扭转弹性模数G=80GPa）其中： W0m=0.89810-5Zr2Cnmaxm为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 其中： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算得到的，为了继续进行计算，可取2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 其中（齿顶高系数，径向间隙系数）柔轮齿顶圆直径： 其中（查表得）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： 选取插齿刀齿数，插齿刀变位系数（中等磨损程度的插齿刀），插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀的制造啮合角：查渐开线函数表和三角函数表得则刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：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： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式中的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，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中是偏心距：（刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.5承载能力的计算3.5.1 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： 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）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 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 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：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，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径向力法相力1) 求垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 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： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=62.57 N.m8) 求轴传递的转矩： 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：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：10） 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B=650Mp,由表 14-3查得-1b=60Mpa,则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，故：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左侧为危险截面其弯曲截面系数为：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：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力-1b=60Mpa,-1b,强度满足要求。4 小臂结构设计4.1 手指的相关设计与计算设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求：（1）、手指握力的大小要适宜确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及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，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。（2）、应保证工件能顺利地进入或脱开手指开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。（3）、应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。（4）、动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。 经过分析和比较此设计采用夹持式手部。手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。一 、夹持式手部夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。二 、结构夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计选择移动式的齿轮齿条手部。4.2 手爪结构设计与校核手爪种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。a有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。4.3 结构分析机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图4-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。图4-1 手部装配图4.4计算分析因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P油缸有效截面积使用的气压.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设手指以摩擦力Q，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q.如图2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立.得代入数据，得选取活塞杆直径d=0.5D,选择油缸工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从20-30mm。4.5 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。4.5.1 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： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式中： 手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15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；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm （3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图3.3 90BYG步进电机技术数据图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计链传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 Nm，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级带轮链条传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑带轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂链传动比，大臂链传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂链传动功率 kW （3.10） （c）选择带轮的齿数为使小臂中的两个带轮结构更加紧凑，考虑到小臂链的传动比较小，而传动距离比较长，选择小带轮齿数，大带轮齿数，、取奇数，链节数为偶数，可使链条和带轮轮齿磨损均匀。（d）选择链条类型根据手册15进行链传动的设计计算： kW （3.11） kW （3.12） mm ， （3.13） mm， （3.14） mm （3.15） mm （3.16） mm （3.17） mm （3.18） m/s （3.19） N （3.20） N （3.21）式中：工况系数； 主动带轮齿数系数； 单排链系数