高自由度機械手臂設計

1、目錄目錄1一、緒論51.1 引言51.2 機械手的概念51.3 機械手的組成51.4 研究的意義61.5 課題研究主要內(nèi)容和採用的研究方案、研究方法或措施61.5.1 題目主要內(nèi)容61.5.2 研究方案61.5.3 研究方法和措施7二、整體方案82.1 設計要求82.2 功能分析及特點82.2.1 機械手組成圖82.3 各部分組成及功能特點82.3.1 執(zhí)行機構82.3.2 驅(qū)動機構82.3.3 控制系統(tǒng)82.3.4 位置檢測裝置92.4 設計參數(shù)92.4.1 負載重量92.4.2 自由度數(shù)目92.4.3 結構型式92.4.4 定位精度92.4.5 最大動作範圍92.4.6 最大速度92.4.

2、7 允許力矩92.4.8 允許轉(zhuǎn)動慣量92.5 驅(qū)動方式選擇10三、設計內(nèi)容113.1 手部113.1.1 設計說明113.1.2 設計要求113.1.3 機械手夾緊力計算113.1.4 手部電機的選取123.1.5 機械手滑動螺旋機構中螺桿的選型123.2 手腕的設計133.2.1 電機轉(zhuǎn)矩計算133.2.2 電機型號選取133.3 大小臂的設計133.3.1 設計說明133.3.2 電機選型133.3.3 小臂擺動的電機選型133.4 升降結構的設計計算133.5 腰部和基座的設計143.5.1 設計說明143.5.2 電機選取143.5.3 蝸輪蝸桿的設計、校核及壽命計算143.6 各個

3、電機的選型匯總18四、數(shù)據(jù)校核204.1 機械手手指鉸接處銷軸的強度計算204.2 螺桿耐磨性和強度等性能的校核204.2.1 螺桿耐磨性計算204.2.2 螺桿自鎖條件驗證214.2.3 螺桿的強度計算214.2.4 螺母螺紋牙的強度計算214.3 軸及聯(lián)軸器的設計及校核224.3.1 軸的設計224.3.2 軸的校核234.3.3 聯(lián)軸器的校核244.3.4 其他軸的設計244.3.5 輸出軸上鍵的設計與校核254.4 其他軸上鍵的設計與校核254.5 小臂轉(zhuǎn)軸的軸承選取和壽命計算254.5.1 規(guī)定工作要求254.5.2 軸系部件受力情況254.5.3 計算254.6 軸承理論計算254

4、.6.1 軸承徑向載荷的計算254.6.2 軸承軸向力的計算264.6.3 軸承當量動載荷的計算264.6.4 軸承壽命驗算264.6.5 軸承型號及參數(shù)的選擇26各自由度的軸承型號和參數(shù)如下表所示：27五、工程分析與運動分析285.1 手指連接環(huán)疲勞分析285.2 手指靜壓力分析295.3 運用Adams對手指進行運動分析29六、三維建模31七、結論32參考文獻33一、緒論1.1 引言 如今大規(guī)模製造業(yè)中，為提高企業(yè)的信譽保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時並讓效率的提高，越來越重視生產(chǎn)過程的自動化，機器人成為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐步被公司採用。機械手的技術水準和應用程度在一定程度上反應了一個國家在工業(yè)

5、自動化的發(fā)展程度，20世紀50年代之後機械手將被逐步推廣到工業(yè)化得機械生產(chǎn)部分作為機床的輔助部分在自動機床，自動生產(chǎn)線和加工中心中應用完成上下料或從刀庫中取放刀具並按固定程式更換刀具等作。針對這一題目，本課題將設計一臺四自由度的機器人，能在空間實現(xiàn)各類功能自動化生產(chǎn)設備。開始，先設計機器人底座、機身和機械手的構造，繼而採取合理的傳動方法，構建機器人的結構平臺；機器人工程是近20年來迅速發(fā)的一門綜合學科。它彙聚了各種學科，最新的研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是第一個發(fā)展高技術的國際發(fā)展。1.2 機械手的概念 機械手是一種機器人，機器人是一門新興學科的綜合學科，它是多學科的設計，

6、內(nèi)容廣泛。它是由運動機構和控制系統(tǒng)和回饋裝置三大部分組成。根據(jù)工件的形狀、尺寸、重量、材料和工件的要求，採用手部來抓取工件（或工具），如保持型、保持型和吸附型等。運動機構要完成各種旋轉(zhuǎn)（擺動）、運動或複合運動，以達到動作的規(guī)定，改變物體的位置和姿態(tài)。為了捕捉空間中的任何位置和方向的對象，有6個自由度。自由度是機器人設計的關鍵參數(shù)。機械手越複雜，適用性越強，控制系統(tǒng)給每個自由度發(fā)出指令指令完成具體的動作。同時接管感測器回饋的資訊，構成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機等微控制晶片構成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。機械手在現(xiàn)代社會中具有十分重要的意義。除了提高品質(zhì)外，還可以取代普通工人的工

7、作不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。同時，不斷發(fā)展的社會需要為機械手提供了更多的市場機遇。一些公司開發(fā)人工替代品，不僅解放了勞動力，為招工發(fā)愁的日子也不再有了。有些加大機器人配套生產(chǎn)力度，並逐步替代現(xiàn)有的人工操作。公司現(xiàn)又嘗試著讓機器人“走”進車間，並著手開發(fā)“無人化生產(chǎn)線”，真正讓機器人獨當一面。據(jù)悉，企業(yè)還將進一步把機器人推向市場，隨著科學技術的發(fā)展，市場的發(fā)展，機器人的廣泛應用越來越成為可能，機械手應用的發(fā)展已成為當代科技的標誌。1.3 機械手的組成 機械手主要執(zhí)行機構（包括：手、腕、臂、行走機構）、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測裝置，如圖1.1所示 圖1.1 機械手組成方框圖1.4 研究的意義

8、現(xiàn)代手工業(yè)的發(fā)展不能滿足工業(yè)化的要求，而機械手是自動生產(chǎn)過程中發(fā)展的新裝置。目前在自動加工的過程當中，機械手普遍被運用，機械手柔性成為高技能鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興技術，也是我國工業(yè)化技術發(fā)展的一個標誌，它加倍促進了機械手的發(fā)展，能夠有效地促進機械化和自動化的有機結合。當前機械手儘管不如人手那樣靈活，但是可以替代人手實現(xiàn)許多工作，能夠不斷重複工作和勞動，不知疲憊，不怕危險等特點，提高了勞動生產(chǎn)率，確保產(chǎn)品的品質(zhì), 同時也大大地提高了產(chǎn)品的加工精度品質(zhì),收到許多部門的喜愛，並且得到了廣泛的應用，因此對機械手柔性的研究和分析是非常有意義1。1.5 課題研究主要內(nèi)容和採用的研究方案、研究方法或

9、措施1.5.1 題目主要內(nèi)容題目內(nèi)容主要包括三個方面，機械手設計，建模和工程分析： A 根據(jù)設計參數(shù)，設計和生產(chǎn)線的專用機械臂的結構。B 在建模過程中建立專門的機械手和其他實體裝配模型，並實體裝配模型的工程簡 化。C 在工程分析中，合理確定約束條件的要求，分析了機械手在生產(chǎn)過程中的變形和強度校核。 D 運動分析方面要求提取機械手手指的速度，加速度，特性。並輸出運動規(guī)律曲線。 1.5.2 研究方案A 瞭解機械手，設計整體方案機械手具有四個自由度，分別是：基座的回轉(zhuǎn)、大臂的升降、小臂的擺動、手腕的傾動。B 根據(jù)設定的自由度和參數(shù)選擇結構確定傳動驅(qū)動方式基座的回轉(zhuǎn)採用電機驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)，大臂採

10、用採用滾珠絲杠傳動，小臂的擺動採用伺服電機直接驅(qū)動，抓取工件時的加緊或放鬆時手指閉合的大小直接採用伺服電機驅(qū)動絲杠螺母，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥鶑偷闹本€運動。要求：a 移動裝置的重量是盡可能輕，輸出功率越高，效率越高;b 反應速度要快;c 運動平穩(wěn)，沒有影響;d 盡可能靈活，位移和速度偏差的偏差小;e 操作和維護方便;f 經(jīng)濟和合理，特別是儘量減少無污染環(huán)境的面積;g 雜訊要小。h 經(jīng)濟上合理，尤其是要儘量減少占地面積。C 綜合考慮實際情況。 a 完成各部分的設計計算b 完成裝配圖的設計與零件圖繪圖c 由零件圖建立三維仿真模型d 編寫設計說明書1.5.3 研究方法和措施 在設計時根據(jù)設計參數(shù)，設計並生

11、產(chǎn)線專用機器人程式，結構。在建模方面運用Pro軟體完成零件裝配，建立專用機械手等的實體裝配模型。在工程分析中，要求合理確定約束條件，分析機械手手指在生產(chǎn)中的變形量，並對強度進行校核。運動分析方面要求提取四自由度機械手手指的速度，加速度，特性，並輸出運動規(guī)律曲線，使四自由度機械手具有合理的結構和性能，可滿足多角度的拿捏工件的要求。最後繪出各零件cad圖紙，以及完成論文的撰寫。二、整體方案2.1 設計要求 整個機械手臂安裝在旋轉(zhuǎn)支架上，旋轉(zhuǎn)角度範圍為360度，手臂可以抬起；大臂可做升降運動；小臂可擺動，擺動範圍為-120+120；手腕也可能夠傾動，傾動範圍為-60+60；機械手具有相近的手腕，手指

12、的能力，抓住為直徑在30-45mm，長度為400mm，體重10kg左右的工件。2.2 功能分析及特點2.2.1 機械手組成圖驅(qū)動機構執(zhí)行機構整機位置檢測裝置控制系統(tǒng) 圖2.1 機械手的組成2.3 各部分組成及功能特點2.3.1 執(zhí)行機構執(zhí)行機構：包括立柱、手臂、手臂和手部2.3.2 驅(qū)動機構驅(qū)動機構：用來驅(qū)動手臂、手腕、手部等部件的動力裝置，在本文中我們將使用電機驅(qū)動系統(tǒng)。2.3.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)：用來控制機械手按照規(guī)定的程式進行運動,能保存或指令資訊，及時測量及處理資訊，必要時還能發(fā)出故障警報。2.3.4 位置檢測裝置位置檢測裝置：當機械手的到達指定的位置時，檢測裝置將實際位置回饋給控制

13、系統(tǒng)，自動進行參數(shù)的計算並進行調(diào)整，以一定的精度達到指定的位置。2.4 設計參數(shù)2.4.1 負載重量負載重量為：10kg2.4.2 自由度數(shù)目自由度數(shù)為:四個自由度2.4.3 結構型式結構型式選擇:多關節(jié)型2.4.4 定位精度定位精度取:mm 2.4.5 最大動作範圍最大動作範圍具體為：S軸（迴旋） -180+180L軸（大臂上下滑動） 0 600R軸（小臂擺動） -120 +120B軸（手腕傾動） -60 +60 2.4.6 最大速度S軸（迴旋） 120/sL軸（大臂上下滑動） 30mm/sR軸（小臂擺動） 30/sB軸（手腕傾動） 30/s2.4.7 允許力矩R軸（小臂傾動） 8 B軸（手

14、腕擺動） 2.5 2.4.8 允許轉(zhuǎn)動慣量R軸（小臂擺動） 0.24B軸（手腕傾動） 0.72.5 驅(qū)動方式選擇 用特殊構造的舵輪和伺服電機來直接驅(qū)動執(zhí)行機構的運動，所以不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，所以機械結構簡單。直線電機的運動速度和長度，維護和使用方便。這樣的機器人手不多，但未來的發(fā)展。三、設計內(nèi)容3.1 手部3.1.1 設計說明機器人的手指（機械手）也叫做末端機械手末端執(zhí)行器，控制工件或在機器人的手腕組件中安裝作業(yè)的執(zhí)行。手的動作是一種機械手直接用來抓取和抓取工件或夾持專用工具（如扳手、焊接工具）的控制部件。它兼?zhèn)淠７氯耸诌\動的功能。常見的有齒輪齒條式手部結構、氣吸式吸盤手部結構、電磁式吸盤手

15、結構原理幾乎都是相同的。手部結構並不像人手，他的手指形狀也並不像人的手指，他沒有手掌，只有自身的運動來保持物體，而且手指是傳力機構的構件之一。而物體抓物體是以物體為中心五指合攏將物體抱住，手指與手掌在抓取物體時是處於相對運動的狀態(tài)，他可以完成很多動作，機械手的手指只能完成部分動作。應根據(jù)工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)和被抓取的部位的不同而設計手部的形狀。機械手的特點有：A 手部和手腕相連處可拆卸；B 手部是機器人末端操作器；C 手部的通用性比較差；D 手部是一個獨立部件。3.1.2 設計要求A 手指（機械手）末端應有充足的夾緊力來夾緊工件，除考慮工件的重力外，還要考慮工件在運輸過程中的動、靜載荷

16、。B 執(zhí)行器的端部應具有一定的閉合度，不僅關係到工件的大小，而且還用手來抓取工件的工作和運動的位置。C 應能保證工件在末端執(zhí)行機構內(nèi)準確定位。D 結構儘量緊湊重量輕，以利於腕部和臂部的結構設計。E 根據(jù)應用條件考慮裝配通用性。3.1.3 機械手夾緊力計算根據(jù)設計任務要求，在查閱機械手及其應用這本書後，初步將機械手指型結構尺寸選定，具體參數(shù)如下： 注： 手部的機械效率（ ）； 安全係數(shù)（ ）； 工作係數(shù)，主要考慮慣性力的影響， ，或按估算，其中 a為最大加速度搬運物體，g為重力加速度由公式：物件與手指接觸的正壓力；單個手指應具有的計算握力。根據(jù)手指的靜力距平衡條件得： 代入數(shù)據(jù)：得 3.1.4

17、手部電機的選取電機所需轉(zhuǎn)矩由計算可得，選擇SM8002430LFB交流伺服電機。功率0.75千瓦，額定轉(zhuǎn)矩2.4Nm，重量2.7Kg。3.1.5 機械手滑動螺旋機構中螺桿的選型手部夾緊動作採用滑動螺旋機構實現(xiàn),螺桿軸向承載總和為:，螺桿和螺母材料均選低碳鋼。查機械設計可知，滑動螺旋的設計公式： (3.1) 螺桿軸向力；螺紋工作高度；材料許用壓力；螺母高度與螺桿中徑之比；螺紋螺距。對於矩形和梯形螺紋的牙，則： (3.2)查機械設計表512，選取,。代入數(shù)據(jù)得：初步選定單頭螺桿公稱直徑為，螺距為3.2 手腕的設計3.2.1 電機轉(zhuǎn)矩計算通過軟體分析計算可得夾持器 距中心距離 設手腕角速度為, 角速

18、度從0到所需加速度時間t=0.2s, 則伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩為： 3.2.2 電機型號選取選擇SM8002430LFB交流伺服電機。功率0.75千瓦，額定轉(zhuǎn)矩，重量。3.3 大小臂的設計3.3.1 設計說明臂部的作用是支撐手部和手抓取的工件，並將被抓取的工件放到指定位置上，因此機械手的手臂需要有兩個自由度，即大臂的升降小臂的左右擺動。設計時注意的問題：A 剛度要好，要合理設計臂部的截面尺寸和輪廓形狀。B 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。C 重量輕、慣性小，為了減少運動的影響，除了採取緩衝外，並努力爭取結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。D 導向性要好。3.3.2 電

19、機選型電機選型:計算方法類似於手腕擺動的計算與選取。3.3.3 小臂擺動的電機選型計算方法類似於手腕擺動的計算，最終選取電機為：SM8001330LFB交流伺服電機。功率0.4千瓦，額定轉(zhuǎn)矩，重量。3.4 升降結構的設計計算 初步選定X軸絲杠直徑為30mm、長為800mm、螺距為8mm。假設工作臺有，由設計參有工作臺最大加速度為滾動導軌摩擦係數(shù)為0.005則摩擦力為。那麼絲杠受到的最大軸向力為=。最小軸向力為，所以平均軸力為,當工作臺快進時絲杠轉(zhuǎn)速為在一般情況下工況係數(shù)K取1.3那麼絲杠的壽命是 所以： 查表有海特SFA3210-T40滿足要求。它的直徑為32mm導程為8mm,剛度為。那麼絲杠

20、額定最大轉(zhuǎn)速為 。導軌選為BGXH30FL其額定動載為3927kgf,其額定靜載為7207kgf絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為 折算到電機上的轉(zhuǎn)動慣量為 折算到電機上的總轉(zhuǎn)動慣量為若絲杠傳動效率為0.9由能守恆定律折算到電機上的加速力矩為 電機的啟動功率為：P= Ma=0.25KW那麼綜上可選電機為80SJT-M032C它的功率為,它的轉(zhuǎn)動慣量為額定轉(zhuǎn)矩為1.23額定轉(zhuǎn)矩為3.5 腰部和基座的設計3.5.1 設計說明通過安裝在支座上的伺服電機和蝸輪蝸桿機構轉(zhuǎn)動來帶動機座旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)，通過安裝在底部的步進電機帶動蝸桿軸轉(zhuǎn)動，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪通過軸與機械手大臂連接，從而可實現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動。3.5.

21、2 電機選取電機的選擇：型號為120mb100a-，功率為1000W,額定轉(zhuǎn)矩為9.55n.m，額定轉(zhuǎn)速為，電機轉(zhuǎn)子慣量為，轉(zhuǎn)矩係數(shù), 額定相電流,重量。3.5.3 蝸輪蝸桿的設計、校核及壽命計算A 選擇蝸桿傳動類型：根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，採用漸開線蝸桿（ZI）;B 選擇材料：考慮到蝸桿傳動功率和速率不是不大，蝸桿選用鑄鐵；要求高效率，良好的耐磨性，蝸桿螺旋齒面淬火硬度要求，適用於45-55HRC；渦輪鑄造錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬膜鍛。為了經(jīng)濟的節(jié)約，齒圈用青銅製造，輪芯用灰鑄鐵HT100製造輪芯。C 按齒面接觸疲勞強度進行設計：根據(jù)閉式蝸桿傳動設計的標準，先進行齒面

22、接觸疲勞強度設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。由 (3.3)a 確定施加力在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T：, 取效率，則 b 確定載荷係數(shù)K： 工作載荷比較穩(wěn)定，取載荷分佈不均勻係數(shù)K=1;由表11-5所使用的係數(shù)，有因為轉(zhuǎn)速不高，衝擊影響不是太大，取動載係數(shù);則 c 確定彈性影響係數(shù)： 因採用的是鑄錫青銅渦輪和鋼蝸桿匹配，故 d 確定接觸係數(shù):假設蝸桿分度圓直徑d1和中心距a的傳動比為，從圖中可查的：e 確定許用接觸應力 渦輪材料為鑄錫鋁青銅ZCuSn15P1, 屬於非有機材料的膜鍛造, 蝸桿螺旋齒面硬度為45-55HRC，從表11-7中查得渦輪的許用接觸應力應力迴圈次數(shù)壽命係數(shù) 則： f 計算中心距：所以取

23、中心距,，從表11-12中得模數(shù)m=5,蝸桿分度圓直徑。這時，從圖11-8中可查得接觸變?yōu)閭S數(shù)因為因此上述計算結果合理。D 蝸桿和蝸輪的參數(shù)和尺寸a 蝸桿：由表計算，軸向齒距，直徑係數(shù)齒頂圓直徑 齒根圓直徑 分度圓導程角: 蝸桿軸向齒厚:b 蝸輪蝸輪齒數(shù)以變位係數(shù)，檢驗傳動比為這時傳動比誤差是，這是在允許範圍內(nèi)的。蝸輪分度圓直徑：蝸輪喉圓直徑：齒根圓直徑：咽喉圓半徑：5.校核齒根彎曲疲勞強度 （3.4） 當量齒數(shù)： 根據(jù) , ,從圖中可查的齒形係數(shù)，螺旋角係數(shù)：許用彎曲應力：；從表11-8中查得ZcuSn10P1製造的蝸輪的彎曲應力，壽命係數(shù)： ；所以：；彎曲強度,滿足要求。E 驗算效率 (3

24、.5）已知 , av與相對滑動速度Vs有關。 從表11-18中用插值法算得：,代入式中得：；計算結果不小於原估計值，因此適合。F 精度等級公差和表面粗糙度的確定由於蝸桿傳動的設計是動力減速傳動,從GB/T10078-2001圓柱蝸桿、蝸輪中選擇8級精度，側隙種類為f,標注為8fgb/t10078-2001。3.6 各個電機的選型匯總 手部電機所需轉(zhuǎn)矩由計算可得，選擇SM8002430LFB交流伺服電機。功率0.75千瓦，額定轉(zhuǎn)矩，重量。手腕擺動驅(qū)動電機選擇:SM8002430LFB交流伺服電機。功率0.75千瓦，額定轉(zhuǎn)矩，重量。小臂擺動驅(qū)動電機選擇:SM8001330LFB交流伺服電機。功率0

25、.4千瓦，額定轉(zhuǎn)矩，重量。升降結構的電機選擇:80SJT-M032C它的功率為0.66kw,它的轉(zhuǎn)動慣量為額定轉(zhuǎn)矩為?；男D(zhuǎn)電機選?。盒吞枮?20MB100A-，功率為1000W,額定轉(zhuǎn)矩為，額定轉(zhuǎn)速為，電機轉(zhuǎn)子慣量為，轉(zhuǎn)矩係數(shù)額定相電流7.14 A,重量15.4kg。四、數(shù)據(jù)校核4.1 機械手手指鉸接處銷軸的強度計算 由機械手抓取物料的方式可知，銷軸主要承受工作剪力，如圖5.3所示。選取的銷軸分別是：（GB/T8822000）銷軸 882 和銷軸 882。由三維軟體測出銷軸.由計算可得4.1.1 銷軸與孔壁的擠壓強度條件為： （4.1）對於鋼 查機械設計表58、表510，取，?。坏茫?。

26、代入數(shù)據(jù)得： 4.2.2 軸承的剪切強度條件為： （4.2）式中：螺栓所受的工作剪切應力,； 銷軸剪切面的直徑，； 螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，； 螺栓孔壁材料許用擠壓應力， ； 螺栓材料許用剪切應力，。 對於鋼 查機械設計表58、表510，取，?。坏茫?代入數(shù)據(jù)得： （4.3）綜上可得：銷軸強度足夠，滿足使用要求。4.2 螺桿耐磨性和強度等性能的校核4.2.1 螺桿耐磨性計算 查機械設計可知，螺紋工作面上的耐磨性條件為： （4.4）4.2.2 螺桿自鎖條件驗證 查機械設計表512，取摩擦係數(shù)；牙側角：螺紋升角：螺紋當量摩擦角： 故，螺桿具有自鎖性。4.2.3 螺桿的強度計算 當螺桿工作時，

27、不僅受軸向拉力F的影響，而且還受扭矩T的影響，在螺桿截面上既有壓應力和剪應力，因此，根據(jù)第四強度理論計算危險截面處的計算應力。 (4.5)式中：螺桿軸向壓力（或拉力）螺桿螺紋段危險截面面積 （4.6）螺桿螺紋小徑，；螺桿所受的扭矩，；螺桿材料的許用應力，。已知：,查機械設計表58，選定螺桿螺紋性能等級為5.6，查機械設計表513，取。代入公式得：綜上，螺桿強度滿足使用要求。4.2.4 螺母螺紋牙的強度計算 螺紋牙的損傷多發(fā)生剪切和擠壓，一般材料的強度不大於螺母的強度，所以只需要校核螺母螺紋牙的強度。查機械設計可知，螺紋牙危險截面的破壞強度條件為： （4.7）螺紋牙危險截面處的彎曲強度條件為：

28、（4.8） 式中：螺紋牙，根部的厚度相對於梯形螺紋，；彎曲力臂， (4.9)螺母材質(zhì)的許用切應力，；螺母材質(zhì)的允許彎曲應力，查機械設計表513，取；其餘符號的意義和單位同前。因為螺桿和螺紋的選材相同，又應為螺桿的小徑不大於螺母螺紋的大徑,此時，應將式中的D既為。代入數(shù)據(jù)得：螺紋牙危險截面的剪切強度：查機械設計表513，取 可知：螺紋牙危險截面的彎曲強度：查機械設計表513，取 可知：綜上，螺母螺紋牙的強度滿足需求，故螺桿選擇合理。4.3 軸及聯(lián)軸器的設計及校核4.3.1 軸的設計手腕擺動驅(qū)動電機選擇:SM8002430LFB交流伺服電機，功率0.75kw，額定轉(zhuǎn)矩，重量2.7kg，n=30r/

29、min。A 初選軸承7212E圓錐滾子軸承，其內(nèi)徑為18mm，所以取；左起第四段帶動手腕的旋轉(zhuǎn)，為了便於安裝，取 ，左端軸肩高（0.070.1），取4mm，則；第六段裝軸承，所以；初??；B 根據(jù)軸承端蓋的拆卸和易於對軸進行潤滑，根據(jù)外部尺寸大小，從右往左初取，。 綜上所述，該軸的總長度為160mm。 圖4.1 軸4.3.2 軸的校核=41mm，=65mm， 作用在手腕上的力矩為：6366663.7圓周力：徑向力：A 求垂直面的支承反力和支承反力 a 求垂直面的支承反力：b 求水平面的支承反力：由得B 垂直面彎矩C 水平面彎矩D 求合成彎矩圖：考慮最不利的情況，把 直接相加E 求危險截面當量彎矩

30、：由圖可知，m-m截面處是最危險的地方，彎矩為（取折合係數(shù)=0.6）F 計算危險截面處軸的應力因為選擇材料55號調(diào)質(zhì)，查表15-1得 ，查表15-1得許用彎曲應力60Mp所以該軸是安全的。4.3.3 聯(lián)軸器的校核軸的最小軸經(jīng)為10mm。選取軸的材料為45剛，淬火和回火處理。軸的最小直即為聯(lián)軸器軸的直徑。所選的軸直徑應於聯(lián)軸器的孔的相耦合，選擇型號相同的耦合模型。考慮到扭矩變化很小，聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的計算=，查表14-1，取,則：根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算應不大於聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，查手冊得，選用YL7的凸緣聯(lián)軸器的使用。 圖4.2 凸緣聯(lián)軸器4.3.4 其他軸的設計參照上面的方法得出其餘軸的參數(shù)。4.3.5 輸出

31、軸上鍵的設計與校核查P106表6-2得，p的範圍為100120MPa之間。由D=18mm，選取 ， ,可得工件長度 ，所以強度 所以所選鍵為:4.4 其他軸上鍵的設計與校核參照上述方法，設計其他軸上的鍵。4.5 小臂轉(zhuǎn)軸的軸承選取和壽命計算4.5.1 規(guī)定工作要求根據(jù)工作要求，要求工作2年（每年320個工作日），兩班制；（小時）。根據(jù)三維所畫軸的軸徑初選軸承，查滾動軸承產(chǎn)品樣本，選7408圓錐滾子軸承參數(shù)如表4.1所示。4.5.2 軸系部件受力情況銷軸受力情況如圖4.3所示： 圖4.3 軸系部件受力圖4.5.3 計算由三維軟體分析出小臂對軸的力矩為:；機器人整體品質(zhì)約為，。4.6 軸承理論計算

32、4.6.1 軸承徑向載荷的計算將銷軸受到的空間力系分解為垂直面和水平面兩個平面力系。由力分析可知：故：4.6.2 軸承軸向力的計算對於7408型 ，軸承的軸向力 4.6.3 軸承當量動載荷的計算因為：查機械設計表13-5得蝸桿軸向載荷和徑向載荷係數(shù)分別為對軸承1： ， 對軸承2： 由表5.3可知，對於中等衝擊載荷的軸承的運轉(zhuǎn)過程中，查機械設計表13-6，取。則：4.6.4 軸承壽命驗算因為，所以按軸承2的受力大小驗算故選軸承滿足壽命要求。其他軸承的計算和校核和其類似。4.6.5 軸承型號及參數(shù)的選擇 各自由度的軸承型號和參數(shù)如下表所示： 表4.1 軸承型號軸承安裝位置型號額定動/靜載荷（C k

33、af）eY極限轉(zhuǎn)速r/min重量(kg)脂潤滑油潤滑滾珠絲杠73041720/16000.302.0750095000.16中臂和小臂轉(zhuǎn)軸73073980/35200.321.9500063000.49手腕轉(zhuǎn)軸73041720/16000.302.0750095000.16 五、工程分析與運動分析5.1 手指連接環(huán)疲勞分析 考慮到其他因素，將連接環(huán)處載荷設定為,大於實際載荷，低碳鋼的抗拉強度為。假設手指一分鐘夾緊放鬆次數(shù)為4次，兩班制，每年工作310天，設計壽命為6年；零件設計疲勞壽命為次。圖5.1 手指的日誌壽命和日誌破壞圖圖5.2 手指的安全係數(shù)和壽命置信度圖綜上，從分析結果看，最先發(fā)生疲

34、勞破壞的地方手指連接環(huán)的圓弧過度處。設計時可以把圓弧處加厚，使其抗疲勞強度增強。5.2 手指靜壓力分析 手指夾持工件時是線接觸，實際夾持力為80N,考慮到機器人在運行過程中的振動、加速度等因素，故將夾持力設定為150N；手指的最大應力和最大位移如圖矩形框箭頭所指。圖5.3 手指靜壓力分析5.3 運用Adams對手指進行運動分析 將六自由度機械手的模型簡化後倒入Adams進行運動仿真，得到機械手末端位置曲線及速度和加速度曲線，其結果如下：圖5.4 機械手末端位置曲線圖5.5 機械手末端速度曲線圖5.6 機械手末端加速度曲線六、三維建模用Pro軟體對四自由度機械手進行三維建模，並進行簡化，其結果如下圖所示： 圖6.1 機械手三維裝配圖1圖6.2 機械手三維裝配圖2由圖可以看出：機械手具有四個自由度，分別是：基座的旋轉(zhuǎn)、大筆的升降、小臂的左右擺動、手腕的左右傾動。七、結論因設計經(jīng)驗不足，此處機械手的設計尚有不足，難免會有些紕漏,本課題研究的重點及難點是：1. 四自由度機械手結構參數(shù)的確定和方案的選擇，特徵結構分析計算校驗；完成了機械結構設計在論文研究過程中設計了機械手機械結構。2.完成設計所需求的四自由度機械手零件的設計和裝配過程；3. 運用現(xiàn)代設計方法基本原理進行設計和工程分析。針對重難點制定了其研究方法及措施：對機構進行分析、動力學及靜力學的分析，使機械手具有合理的結構和性能