通用機械臂設(shè)計說明書

題 目: 通用機械臂機構(gòu)設(shè)計 目錄1.緒論11.1 選題背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢11.3機械臂的組成21.4 設(shè)計目的31.5研究內(nèi)容42.機械臂的總體設(shè)計方案42.1 機械臂總體結(jié)構(gòu)的類型42.2機械臂主要部件及其運動52.3驅(qū)動機構(gòu)選擇62.4機械臂技術(shù)參數(shù)63.機械臂手部計算73.1手部設(shè)計基本要求73.2典型手部結(jié)構(gòu)73.3機械臂手爪的設(shè)計計算74.腕部的設(shè)計計算124.1腕部設(shè)計基本要求124.2腕部結(jié)構(gòu)134.3腕部的設(shè)計計算135.臂部設(shè)計以及有關(guān)計算175.1臂部設(shè)計的基本要求185.2手臂的典型機構(gòu)及其選擇196機座設(shè)計24結(jié)論25參考文獻27251.緒論1.1 選題背景機械臂是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械臂的發(fā)展，使得機械臂能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械臂能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械臂越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械臂已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械臂共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械臂的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械臂的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械臂的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：A機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。B工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。C機械臂中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。D關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式，噴涂機械臂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。1.3機械臂的組成機械臂由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成1.3.1執(zhí)行機構(gòu)（1） 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸附光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳動機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。1.3.2驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.4 設(shè)計目的本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械臂的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機械臂代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械臂主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.5研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)外機械臂發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械臂的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械臂的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械臂的運動進行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。2.機械臂的總體設(shè)計方案2.1 機械臂總體結(jié)構(gòu)的類型機械臂的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，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，分別介紹如下。直角坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機械臂的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機械臂有可能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機械臂的運動空間相對機械臂的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機械臂的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機械臂的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機械臂的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機械臂主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機械臂有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。圓柱坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機械臂的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機械臂構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。球坐標(biāo)機械臂結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機械臂的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機械臂結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機械臂的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機械臂動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械臂在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械臂。 關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)，有平面關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。圖2-1 四種機械臂坐標(biāo)形式由要求可知本設(shè)計是一個用于搬運的機械臂，要有三自由度的空間位置改變、三自由度的姿態(tài)變化，為了滿足設(shè)計要求，我們綜合以上幾種坐標(biāo)形式的不同特點，最終選用平面關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)。2.2機械臂主要部件及其運動在平面關(guān)節(jié)型機械臂的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械臂具有6個自由度既：手抓張合；腕部翻轉(zhuǎn)；腕部俯仰；腕部偏轉(zhuǎn)；手臂升降；小臂回轉(zhuǎn)；大臂回轉(zhuǎn)7個主要運動。本設(shè)計的機械臂由5個大部件和7個伺服電機組成：（1）手部，采用一個伺服電機，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，采用三個伺服電機分別控制腕部的三種回轉(zhuǎn)形式回轉(zhuǎn)一定角度。（3）臂部，采用伺服電機來實現(xiàn)手臂伸縮、回轉(zhuǎn)。（4）機身采用鑄件穩(wěn)定整個機構(gòu)。2.3驅(qū)動機構(gòu)選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械臂的重要組成部分, 工業(yè)機械臂的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械臂的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。2.4機械臂技術(shù)參數(shù)設(shè)計技術(shù)參數(shù):抓重:100g (夾持式手部)自由度數(shù):6個自由度座標(biāo)型式:平面關(guān)節(jié)型工作空間:200200200mm手臂運動參數(shù)最大運動范圍：大臂回轉(zhuǎn)：180小臂回轉(zhuǎn)：180手腕伸縮：220mm腕部翻轉(zhuǎn)：180腕部俯仰：180腕部偏轉(zhuǎn)：180最大角速度180/s最大升降速度：300mm/s3.機械臂手部計算3.1手部設(shè)計基本要求（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。（2）手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。（3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（4）應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2典型手部結(jié)構(gòu)（1）回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2）移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運動。（3）平面平移型。3.3機械臂手爪的設(shè)計計算3.3.1選擇手爪的類型及夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計搬運機械臂，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為100g。常用的工業(yè)機械臂手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計機械臂采用夾持式手爪,夾持式手爪按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用齒輪齒條這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在伺服電機的作用下控制機械臂手爪張開、閉和。3.3.2手爪計算下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析：齒輪齒條 圖3.1（a）為常見的齒輪齒條手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=30-403.3.3夾緊力及驅(qū)動力計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦浪闫渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。A27.5B37.5計算：設(shè)a=100mm,b=50mm,;機械臂達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力，驅(qū)動力，齒條，齒輪以及電機。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： （3）取由于手爪張開閉合有一定的速度，要求齒條升降的速度在一定范圍內(nèi)，v30mm/s，所以電機的轉(zhuǎn)速比較低，可以選取n120r/min。根據(jù)公式可以選取西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USM20-1超聲電機。其技術(shù)參數(shù)如下：P=0.6w n=100r/min 根據(jù)公式mm，可以選取的齒條。3.3.4手爪夾持范圍計算 為了保證手抓張開角為，齒條運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長50mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑=25，當(dāng)張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下：機械臂的夾持半徑從25-50mm（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖3.4機械臂手爪夾持精度計算機械臂的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機械臂能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械臂的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械臂夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械臂的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機械臂的夾持誤差精度。機械臂的夾持范圍為50mm-100mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長l=50mm,取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計算 當(dāng)S時帶入有： 夾持誤差滿足設(shè)計要求。4.腕部的設(shè)計計算4.1腕部設(shè)計基本要求（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機械臂的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3）必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機械臂的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械臂的腕部沒有太多不利因素。4.2腕部結(jié)構(gòu)4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機-電結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。4.2.2腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)選擇本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，夾取工件重量100g，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有三個自由度的翻轉(zhuǎn)，俯仰，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用伺服電機驅(qū)動。4.3腕部的設(shè)計計算選取的電機的計算為代表。根據(jù)計算可得電機三的轉(zhuǎn)矩T1.0N.m，n120r/min根據(jù)公式，西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USM系列超聲電機可滿足要求。對于電機伸出軸的運動，對于機身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設(shè)計，采用一個支點，雙固定，另一支點游動的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。本設(shè)計采用兩個深溝球軸承，面對面或者背對背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。4.3.1齒輪計算1）材料：小齒輪選取40 調(diào)質(zhì) ，大齒輪選取45調(diào)質(zhì)2）齒輪齒數(shù)的選擇：根據(jù)教材閉式小齒輪齒數(shù)一般為20-40，可選取小齒輪齒數(shù)Z1=24，則Z2=243.37=80.88，取88，由于高速軸轉(zhuǎn)速較高因此為了傳動平穩(wěn)選用直齒輪，再者腕部速度也不高故選用7級精度（GB10095-88）。試選 根據(jù)資料【1】圖10-30取 3）由資料【1】圖10-26查得 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=7.797 ，有資料【1】10-1可知道齒寬系數(shù)由資料表10-6得材料的彈性影響系數(shù)由資料10-21d按齒輪硬度得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度為由資料【1】中式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)h由資料【1】10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) 4）計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率1% 安全系數(shù)S=1由資料【1】式10-12得許用接觸應(yīng)力則 =10.87mm5）計算圓周速度0.8m/s 6）計算齒寬b和模數(shù)7）計算縱向重合度8）計算載荷系數(shù)K已知=1 根據(jù)v=2.75級精度由資料【1】圖10-8查得=11.1 由資料【1】表10-14查得=1.419由資料表10-13查得=1.30 由資料【1】表10-3查得，所以9）按實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑由資料【1】式10-10a得計算模數(shù)10）按齒根彎曲強度設(shè)計由資料【1】10-17 得公式 計算載荷系數(shù)根據(jù)縱向重合度從資料【1】圖10-28查得螺旋角影響系數(shù),安全系數(shù)S=1.3。由圖10-20c查的小齒輪的彎曲疲勞強度極限由圖10-18得計算當(dāng)量齒數(shù)查取齒形系數(shù)由資料【1】表10-5查得 查取應(yīng)力校正系數(shù)由資料【1表10-5查得 計算大、小齒輪的的大小并加以比較 大齒輪的大11）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力,對比計算結(jié)果，由齒面接觸強度計算的法面模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)取=2.0，已經(jīng)可以滿足彎曲強度，但是為了同時滿足接觸疲勞強度，需根據(jù)接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d1=70.14mm來計算齒數(shù)，于是由，則Z2=58（12）幾何尺寸計算中心距 a=19（14）計算大小齒輪的分度圓直徑：（15）計算齒輪寬度，則取同理可以得出電機的基本參數(shù)P=5w T=1.0n.m n=100r/min電機的基本參數(shù)P=8w T=1.5n.m n=100r/min5.臂部設(shè)計以及有關(guān)計算手臂部件是機械臂的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)和升降。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械臂的工作性能。5.1臂部設(shè)計的基本要求一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。（5） 提高配合精度。二、 臂部運動速度要高，慣性要小機械臂手部的運動速度是機械臂的主要參數(shù)之一，它反映機械臂的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械臂，其最大移動速度設(shè)計在1000-1500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180/s以內(nèi)，大部分平均移動速度為1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在90/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械臂臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械臂動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。（4） 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械臂，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械臂。5.2手臂的典型機構(gòu)及其選擇5.2.1手臂的典型機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4）活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。5.2.2手臂運動機構(gòu)選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇電機-軸-齒輪機構(gòu)，使用電機驅(qū)動,電機選取特微電機。通過計算可以選擇出電機，選用西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USM系列超聲電機可滿足要求。根據(jù)公式mm，可以選取的齒條。與齒條配合的齒輪計算如下：齒輪的設(shè)計（直齒輪）1）材料 ：選取40 調(diào)質(zhì) 齒輪齒數(shù)的選擇：根據(jù)教材閉式小齒輪齒數(shù)一般為20-40，可選取齒輪齒數(shù)Z1=24。由于高速軸轉(zhuǎn)速較高因此為了傳動平穩(wěn)選用直齒輪，手爪張開閉合速度很慢故選用7級精度（GB10095-88）試選根據(jù)資料圖10-30取3）由資料【1】圖10-26查得齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=由資料 10-1可知道齒寬系數(shù)由資料【1】表10-6得材料的彈性影響系數(shù)由資料【1】10-21d按齒輪硬度得小齒輪的接觸疲勞強度極限 由資料【1】中式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由資料10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) 4）計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率1% 安全系數(shù)S=1由資料【1】式10-12得許用接觸應(yīng)力則 =18.1mm5）計算圓周速度0.7m/s6）計算齒寬b和模數(shù)7）計算縱向重合度8）計算載荷系數(shù)已知=1 根據(jù)v=2.75級精度由資料【1】圖10-8查得=11.1 由資料【1】表10-14查得=1.419由資料【1】表10-13查得=1.30 由資料【1】表10-3查得，所以9）按實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑由資料【1】式10-10a得計算模數(shù)按齒根彎曲強度設(shè)計由資料10-17 得公式 計算載荷系數(shù)根據(jù)縱向重合度從資料圖10-28查得影響系數(shù),安全系數(shù)S=1.3,由圖10-20c查的齒輪的彎曲疲勞強度極限由圖10-18得計算當(dāng)量齒數(shù)查取齒形系數(shù)由資料表10-5查得 查取應(yīng)力校正系數(shù)由資料表10-5查得計算齒輪的的大小 符合要求5.2.3軸的設(shè)計1）軸上的功率 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩2）初步確定軸的最小直徑取45號鋼 調(diào)制處理15A型鍵槽 L=26mm 3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計1 2 3A.軸段1是與聯(lián)軸器相配合的，直徑16軸段1的長度取64mB.軸段2是支撐架相配合的，根據(jù)指導(dǎo)書上的相關(guān)要求取軸段2的長度為50mm，直徑20mmC.軸段3是與軸承相配合的軸段，根據(jù)軸承的相關(guān)尺寸取直徑17mm，長度12.8mm，5）軸上零件的周向定位半聯(lián)軸器與軸之間用鍵連接按查資料表6-1得（單位：mm） ，軸與齒輪的鍵選，用同時保證了齒輪和軸的良好的對中性所以選擇輪轂和軸的配合為 ，滾動軸承與軸的同向定位為過渡配河來保證，此處軸的尺寸公差為確定軸上的圓角和倒角尺寸參考資料【1】取軸端倒角為1.5x45，各軸肩的圓角半徑取1.6軸上受力分析并作出受力圖及彎矩圖軸的校核：60Mp因此所選用的軸安全軸上鍵的校核支撐板相嚙合的軸段上鍵： 14936（平頭鍵）根據(jù)教材6-1得校核公式：在100-120Mpa之間；與聯(lián)軸器向配合鍵為6626（圓頭平鍵）6機座設(shè)計機座是整個機構(gòu)的載體，為了保持整個機構(gòu)的平衡，機座一定要設(shè)計合理。在本次設(shè)計中機座的材料采用HT200，這樣做是為了增加配重，因為整個機械臂的骨架都是采用鋁合金材料，質(zhì)量較輕，強度大，較重的底座保證了整個機構(gòu)能夠在工作的狀態(tài)下平穩(wěn)運行。再者HT200材料易得，經(jīng)濟實惠，容易鑄造而成結(jié)論通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我了解了機械臂的很多相關(guān)知識。使我也了解了當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機械臂設(shè)計的一般過程，通過對機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計作了系統(tǒng)的設(shè)計，掌握了一定的機械設(shè)計方面的基礎(chǔ)。為以后的工作學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計只是對通用機械臂的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動做了系統(tǒng)的計算設(shè)計，設(shè)計中沒有涉及到