關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

年4月19日關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書文檔僅供參考畢業(yè)論文題目關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化班級(jí)機(jī)自0917班學(xué)生廉開發(fā)學(xué)號(hào)0421170指導(dǎo)教師蘇東寧二〇一三年六月三日摘要關(guān)于該關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的具體研究方法。本次設(shè)計(jì)工作首先對(duì)實(shí)體安川機(jī)器人進(jìn)行了細(xì)致的研究，了解了其內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)，安川機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可分為六個(gè)軸系，然后根據(jù)六個(gè)軸系對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，以便了解各個(gè)零件之間的配合，這樣就對(duì)安川機(jī)器人有了大致的了解。下面就進(jìn)行尺寸的測(cè)量，尺寸的測(cè)量只需要測(cè)量一下大致的外觀尺寸，而內(nèi)部尺寸可根據(jù)零件的配合進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。然后，進(jìn)行計(jì)算（包括電機(jī)功率的計(jì)算，軸的設(shè)計(jì)，齒輪的參數(shù)計(jì)算），接著可依據(jù)相關(guān)資料，選取恰當(dāng)?shù)碾姍C(jī)。最后，可根據(jù)實(shí)體與之前所掌握的知識(shí)對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。關(guān)鍵詞:伺服電機(jī)、機(jī)械手抓、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)。ABSTRACTHereisabouttheresearchmethodoftheindustrialmanipulatorjoints.ThedesignworkontherealfirstAnChuanrobothascarriedonthedetailedresearch,understandtheinternalstructureofconcrete,AnChuanrobotstructurecanbedividedintosixaxis,andthenaccordingtothesixaxisofitsinternalstructuredecomposition,inordertounderstandthecooperationbetweenthevariouspartsofthe,thusforAnChuanrobothaveroughlyunderstanding.Belowisthesizeofthemeasurement,thesizeofthemeasurementonlyneedtomeasurethegeneralappearanceofthesize,andtheinternaldimensioncanbereasonableaccordingtothepartsofthedesign.Then,computing(includingmotorpowercalculation,thedesignoftheshaft,thegearparametercalculation),thencanaccordingtorelevantdata,selecttheappropriatemachine.Finally,accordingtotheentityandpriorknowledgeonthestructureofthemanipulatordesignanalysis.Keywords:servomotorrotate,manipulatorgrabbingandmoving.目錄TOC\o"1-3"\h\u16366摘要 I457ABSTRACT II01前言 1143261.1機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1159861.2多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手概述 234151.3機(jī)械手組成與分類 3290031.3.1機(jī)械手組成 3113861.3.2機(jī)械手分類 3314832機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 4122222.1設(shè)計(jì)任務(wù)的提出 539182.2機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 569172.2方案特點(diǎn) 6196733.1電機(jī)的選型 7317113.1.1初步估算機(jī)械手的質(zhì)量 758813.1.2計(jì)算各個(gè)軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩 9112903.1.3計(jì)算電機(jī)功率 10237053.2錐齒輪設(shè)計(jì) 11209653.2.1齒輪精度、材料 1167463.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 11209593.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1268703.2.4錐齒輪參數(shù)計(jì)算 13191473.3同步帶輪的設(shè)計(jì) 13199843.3.1同步齒形帶傳動(dòng)計(jì)算 13122283.3.2帶輪幾何尺寸的計(jì)算 1564823.4減速器的設(shè)計(jì) 16320313.4.1減速器減速比的計(jì)算 16192033.4.2減速器輸出軸徑的計(jì)算 1795724機(jī)械手各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18313014.1手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18325174.1.1手爪的設(shè)計(jì)要求 1862264.1.2手爪的分類 181764.1.3手部結(jié)構(gòu)形式的確定 18271244.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19188144.2.1手腕的設(shè)計(jì)要求 1944934.2.2手腕結(jié)構(gòu)形式的確定 1969864.3手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19221504.3.1手臂的設(shè)計(jì)要求 20248104.3.2手臂結(jié)構(gòu) 20320374.3.3小臂結(jié)構(gòu)形式的確定 20264154.4小臂后箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21230594.5連接桿件的設(shè)計(jì) 21263165關(guān)鍵軸的校核 22264005.1腕部輸入軸的結(jié)構(gòu) 22119295.2軸的校核 2228156結(jié)論 2530926參考文獻(xiàn) 265137致謝 271前言1.1機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1962年，美國機(jī)械鑄造公司試制成一臺(tái)數(shù)控試教機(jī)械手。商名為Unimate。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，能夠?qū)崿F(xiàn)臂回轉(zhuǎn)、俯仰功能，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種多關(guān)節(jié)機(jī)械手，它可實(shí)現(xiàn)靈活搬運(yùn)，該機(jī)械手的中央立柱在原來的基礎(chǔ)上其功能又能夠?qū)崿F(xiàn)臂的回轉(zhuǎn)、升降、伸縮。雖然這兩種機(jī)械手都是出現(xiàn)在60年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制多關(guān)節(jié)型型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配流水線作業(yè)，定位誤差可小于1毫米，這使機(jī)械手的發(fā)展達(dá)到新的高度。美國還進(jìn)一步經(jīng)過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高機(jī)械手的可靠性與穩(wěn)定性，從而降低成本。如惠普曼公司建立了機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和準(zhǔn)備的上下料等作業(yè)。德國西門子公司采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制，從而使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)焊接功能。近現(xiàn)代日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，日本在此基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，做到使機(jī)器人更加簡(jiǎn)便化與實(shí)用化。據(jù)相關(guān)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的研究單位多達(dá)80多個(gè)。1976年各大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用為42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約為一半，達(dá)222億日元，是1978年的2倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位。約占70%，并以每年50%~60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。進(jìn)入到20世紀(jì)80年代以后，各國的機(jī)械手又取得更進(jìn)一步的發(fā)展?？偟膩碚f為了滿足現(xiàn)代高速發(fā)展的工業(yè)的需求，機(jī)械手的發(fā)展更多的趨向于滿足以下特點(diǎn)：活動(dòng)范圍廣，工作靈活性強(qiáng)，便于操作控制，可滿足不同的工業(yè)需求。比如說日本的安川機(jī)械手，就是基于實(shí)現(xiàn)不同的工作目的而設(shè)計(jì)的一種多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手，經(jīng)過改變機(jī)械手的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)諸如搬運(yùn)、噴漆、焊接、檢測(cè)、探傷等任務(wù)。國外機(jī)械手發(fā)展的不足。在國外機(jī)械制造業(yè)中，多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多，發(fā)展最快，當(dāng)前主要應(yīng)用于重物的搬運(yùn)，精密金屬的探測(cè)，機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，它可按照事先制定的規(guī)定程序完成規(guī)定的作業(yè)，但還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生一些偏離或誤差時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)正是大力研制智能機(jī)械手，如果在碰到一些偏離或誤差時(shí)，能反饋外界條件的變化，從而作相應(yīng)的變更。在機(jī)械手上安裝電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。其工作原理具體如下工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工作，經(jīng)過裝在手指內(nèi)的壓力傳感器產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可經(jīng)過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力感敏元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的流水裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。將機(jī)械手和柔性控制制造系統(tǒng)及柔性制造單元相結(jié)合將是主要的發(fā)展趨勢(shì)，使當(dāng)前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)得到進(jìn)一步的改進(jìn)。相對(duì)于國外機(jī)械手的高速發(fā)展，國內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展則比較滯緩。當(dāng)前國內(nèi)機(jī)械手的應(yīng)用主要應(yīng)用在鑄鍛、熱處理方面，這樣能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改進(jìn)作業(yè)條件。為進(jìn)一步促進(jìn)國內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展。我們?cè)趹?yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制試教型機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手甚至是智能型機(jī)械手。在不同類型的機(jī)構(gòu)中能夠應(yīng)用機(jī)械手的伸縮、俯仰、升降、旋轉(zhuǎn)等功能，另外可根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，設(shè)計(jì)不同的典型機(jī)構(gòu)，即可組成各種不同用途的機(jī)械手，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)重物搬運(yùn)，金屬檢測(cè)，金屬焊接等功能。如果有條件的話還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元，從而進(jìn)一步縮小與德日等國外機(jī)器人發(fā)展較快的國家之間的差距?！痢痢痢?jiǎn)單說一下多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用意義。第一：應(yīng)用多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手能夠是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化進(jìn)程。概括地說，在工廠或車間中，應(yīng)用關(guān)節(jié)型機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)工件的搬運(yùn)與裝卸，機(jī)器的裝配。第二：應(yīng)用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手能夠減少人力，從而降低成本。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，如果更廣泛的應(yīng)用了機(jī)械手，在減少人力的同時(shí)，還能夠大大提高效率。1.2多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人的組成可分為操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改進(jìn)勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手能夠提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);特別在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，因此它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.3機(jī)械手組成與分類1.3.1機(jī)械手組成機(jī)器人的組成一般可分成三大部分，即機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。而本體結(jié)構(gòu)是具有和人手臂相似的動(dòng)作功能?？稍诳臻g抓放物體或進(jìn)行其它操作，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置及傳動(dòng)裝置組成。機(jī)械手包括末端執(zhí)行器，臂部、腕部、機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。下面來一次介紹這幾部分結(jié)構(gòu)。(1）末端執(zhí)行器俗稱手爪。是機(jī)器人直接用于抓取和握緊(或吸附)工件或夾持專用工具（如噴槍、扳手、焊接工具）進(jìn)行操作的部件，它能模仿人手的動(dòng)作。手爪安裝于手臂的前端，它的結(jié)構(gòu)與尺寸可根據(jù)不同的作業(yè)要求來設(shè)計(jì)。機(jī)械手爪一般可分為三類分別為機(jī)械式夾持器、吸附式末端式末端執(zhí)行器和專用工具。需要強(qiáng)調(diào)的是我所設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要完成重物搬運(yùn)功能，在一定條件下能夠焊接。（2）腕部又稱手腕。是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件。由于腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠更靈活的，更廣泛的實(shí)現(xiàn)重物的搬運(yùn)。（3）臂部又稱手臂。臂部是用來支撐手腕與末端執(zhí)行器的部件。它包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、定位裝置和檢測(cè)原件等。（4）機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，有固定式與移動(dòng)式兩種，其支撐作用。因?yàn)樗芯康臋C(jī)器人為流水線機(jī)器人，因此，選用固定式機(jī)座。其直接支撐手臂部件，從而實(shí)現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)。1.3.2機(jī)械手分類關(guān)于工業(yè)機(jī)械手的分類，可按應(yīng)用用途、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)分類。1.按用途分機(jī)械手可分為通用機(jī)械手與專業(yè)機(jī)械手兩大類。(1)通用機(jī)械手通用機(jī)械手最大的特點(diǎn)是其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)獨(dú)立，另外，通用機(jī)械手的工作范大、定位精度高、通用性強(qiáng)。因此，能夠經(jīng)過調(diào)整其動(dòng)作程序，在不同的場(chǎng)合應(yīng)用機(jī)械手。當(dāng)前，通用機(jī)械手更多的應(yīng)用在中小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制，伺服型能夠是點(diǎn)位的，也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。（2）專用機(jī)械手相對(duì)于通用機(jī)械手，專用機(jī)械手具有工作動(dòng)作少，工作對(duì)象單一，定位精度低等特點(diǎn)。它可應(yīng)用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床，加工中心，自動(dòng)的上下。2.按驅(qū)動(dòng)方式分(1)液壓傳動(dòng)機(jī)械手用液壓壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為:傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)敏。由于油的泄露對(duì)機(jī)械手的工作性能影響較大。因此這種機(jī)械手對(duì)密封性要求比較嚴(yán)格。另外，不能在較高或較低的溫度下工作。(2)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手用壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。由于空氣可壓縮的特性，該機(jī)械手工作沖擊大，速度穩(wěn)定性差，相對(duì)于液壓機(jī)械手，氣壓機(jī)械手更適用于工作在高溫、輕載的環(huán)境中。(3)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械手用直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手因不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外，該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度快，行程長(zhǎng)。雖然應(yīng)用不多，但很有發(fā)展前途。3.按控制方式分(1)點(diǎn)位控制實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)，但只能控制過程中幾個(gè)點(diǎn)，不能控制運(yùn)動(dòng)軌跡。(2)連續(xù)位控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的連續(xù)曲線，空間設(shè)計(jì)點(diǎn)為無限點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確與平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。電氣控制范圍廣，控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。2機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)任務(wù)的提出設(shè)計(jì)一種較為靈活的重物搬運(yùn)機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)流水線上零件的搬運(yùn)與放置。所涉及的多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手用能抓取生產(chǎn)線上的零件,轉(zhuǎn)過一定角度后，將零件放下。要求抓取零件的重量可達(dá)7公斤,手爪的開合程度可達(dá)110毫米。另，并經(jīng)過設(shè)計(jì)不同形式的手爪結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同零件的尺寸要求。經(jīng)過結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)其它的作業(yè)要求,比如焊接等。所涉及的多關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單。2.2機(jī)械手設(shè)計(jì)方案圖2.2關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖該關(guān)節(jié)型機(jī)械手由五部分組成。分別為底座、大臂、小臂、腕部、機(jī)械手爪。各部分的驅(qū)動(dòng)方式如下：1）底座回轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)：由安裝在底座內(nèi)的電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手作360度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2）大臂回轉(zhuǎn)的肩關(guān)節(jié)：由伺服交流電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大臂以上的結(jié)構(gòu)繞肩關(guān)節(jié)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)。3）小臂與腕部的回轉(zhuǎn)：由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大臂以上的的整體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)。4）小臂腕部的回轉(zhuǎn)：由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大臂以上的整體作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。5）手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：由腕內(nèi)部的伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。6）手腕的上下運(yùn)動(dòng)：由腕內(nèi)部的交流伺服電機(jī)帶動(dòng)腕整體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)。該關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手的自由度，分別為：底座繞S軸作360度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大臂繞L軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（左右運(yùn)動(dòng)）；小臂繞U軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（上下運(yùn)動(dòng)）；小臂繞R軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手腕的上下運(yùn)動(dòng)。2.2方案特點(diǎn)此多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手應(yīng)能實(shí)現(xiàn)抓取流水線上的重物的功能。而且它的最大抓取重量達(dá)到7公斤。因此該機(jī)械手在滿足上述功能的基礎(chǔ)上應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。3動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算3.1電機(jī)的選型對(duì)于機(jī)器人這種屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品來說，伺服系統(tǒng)相當(dāng)重要的。要求私服系統(tǒng)具有快速性，精確性和穩(wěn)定性，即輸出量準(zhǔn)確而迅速的響應(yīng)指令輸入變化。按其控制原理可分為開、閉環(huán)兩大類。開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用步進(jìn)電機(jī)，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的大多元件采用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。首先，控制精度不同。交流伺服電機(jī)的控制精度是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655，控制精度更高；其次，低頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象；第三，矩頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，因此其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出；第四，過載能力不同。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力；第五，運(yùn)行性能不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制控制性能更為可靠；第六，速度響應(yīng)性能不同。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合[2]。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。而本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求運(yùn)行精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，恒功率輸出，有較強(qiáng)的過載能力，速度響應(yīng)快，因此選用交流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。3.1.1初步估算機(jī)械手的質(zhì)量計(jì)算各部分體積與質(zhì)量機(jī)械手的材料為鋁合金，密度為2.8Kg/V(機(jī)座)=V（底座）+V（圓柱1）+V(線盒)=7.81V（回轉(zhuǎn)頭）=V（底2）+V（圓柱2）=+=5.93(回轉(zhuǎn)頭)=5.932.8=16.6KgV(下臂)=0.5(0.5900.0700.080)=1.652(下臂)=1.6522.8=4.63KgV(上臂后箱體)=0.286+=4.5+1.73=6.23（上臂后箱體）=6.2317.44KgV(上臂)==5.69V(減速器)==3.14=1.57(減速器)=1.574.4KgU、S、L軸電機(jī)質(zhì)量：=7Kg;R軸電機(jī)質(zhì)量：=3Kg;T、B軸電機(jī)質(zhì)量：=1.5Kg.機(jī)械手質(zhì)量=(機(jī)座)+（回轉(zhuǎn)頭）+（下臂）+（上臂后箱體）+（上臂）+（電機(jī)）+（減速器）=114.51Kg3.1.2計(jì)算各個(gè)軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與角速度之間關(guān)系為：n=（3.1）由（1）的各軸轉(zhuǎn)速：各軸的轉(zhuǎn)矩：（3.2）=(79.80.995+39.49.80.32)1.2=(67.228+123.558)1.2=228.9其中G為物體重量，為上臂的重量，為重物到U軸距離，為上臂重心到U軸的距離，1.2為安全系數(shù)。（3.3）==(79.80.080.07+79.80.09)1.2=(0.384+6.174)1.2=7.87其中為T軸摩擦力矩，為偏轉(zhuǎn)力矩，為摩擦系數(shù)，r為手腕的旋轉(zhuǎn)半徑，為重物重心到手腕水平軸線的距離。（3.4）=79.80.351.2=28.81其中為重物到B軸的距離。（3.5）=10.47其中為摩擦力矩，為偏轉(zhuǎn)力矩。=(79.81.41+39.49.80.74+4.639.80.21)1.2=470.38=79.8(0.785-0.09-0.05+0.35+0.42)1.2+15.99.8(0.365-0.09+0.42+0.21)1.2=325.3393.1.3計(jì)算電機(jī)功率功率計(jì)算公式為：（3.6）=10.475.93=62.09==228.92.97=679.83==28.815.93=170.84==7.879.08=71.46==325.3392.62=855.64==470.382.79=1312.36伺服電機(jī)采用安川電機(jī)，根據(jù)下表選取U軸采用SGMPH-08A;B軸采用SGMPH-02A;T軸采用SGMPH-01A;R軸采SGMPH-01A;S軸采用SGMPH-08A;L軸采用SGMPH-15A。3.2錐齒輪設(shè)計(jì)3.2.1齒輪精度、材料設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求運(yùn)行平穩(wěn)且此處轉(zhuǎn)速較高，因此選用六級(jí)精度，主動(dòng)輪采用40(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，從動(dòng)輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，兩者材料的硬度差為40HBS。3.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：（3.7）計(jì)算各式中未知量的數(shù)值：1）（3.8）查機(jī)械手冊(cè)可知主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的疲勞極限分別為：=540MPa=517MPa2）彈性影響系數(shù)：3）計(jì)算載荷系數(shù)K由公式（3.9）得K=2.4754）齒寬系數(shù)取1/35）主動(dòng)輪傳遞的轉(zhuǎn)矩:綜上可求得：初取=40mm6）校核，由公式：（3.10）求得：，符合要求。3.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)有設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：（3.11）計(jì)算式中各未知量的數(shù)值：1）計(jì)算彎曲疲勞應(yīng)力：（3.12）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的接觸許用應(yīng)力分別為：==310.7MPa2）求主從動(dòng)輪的齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)：=2.65，=1.58；將以上數(shù)值帶入，可得：m=0.44選m=2.53）校核：由公式：（3.13）得，符合要求。3.2.4錐齒輪參數(shù)計(jì)算選擇齒形角=20°；齒頂高系數(shù)；頂隙系數(shù)；端面模數(shù)m=2.5；齒數(shù)比為1：1；設(shè)小齒輪的齒數(shù)，變位齒數(shù)，；分錐角為45°；小齒輪的分度圓直徑：mm（3.14）大齒輪的分度圓直徑：mm齒寬系數(shù)；齒寬：mm（3.15）齒頂高：mm（3.16）齒根高：=3mm（3.17）齒頂圓直徑：=43.5mm（3.18）3.3同步帶輪的設(shè)計(jì)3.3.1同步齒形帶傳動(dòng)計(jì)算計(jì)算功率：由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表8-29選取，由表8-28??；模數(shù)：根據(jù)由圖8-3選取m=1.5；小帶輪齒數(shù)：由表8-31選??；小帶輪節(jié)圓直徑：==1.516=24mm大帶輪齒數(shù)：（3.19）大帶輪節(jié)圓直徑：==1.523=35mm初定中心距：=200mm；初定膠帶節(jié)線長(zhǎng)度及其齒數(shù)：（3.20）=492.828mm按表8-27選取接近及其齒數(shù)Z：（3.21）；；計(jì)算中心距：（3.22）=212.782mm小帶輪嚙合齒數(shù)：（3.23）單位帶寬的離心拉力：N/mm（3.24）帶寬：=16.34（3.25）由表3-27圓整為mm；有效圓周力：（3.26）3.3.2帶輪幾何尺寸的計(jì)算齒形角：°；節(jié)距：mm（3.27）B軸帶輪節(jié)圓直徑：（小帶輪）（大帶輪）T軸帶輪節(jié)圓直徑：（小帶輪）（大帶輪）B軸帶輪頂圓直徑：mm（小帶輪）（3.28）mm（大帶輪）T軸帶輪頂圓直徑：mm（小帶輪）mm（大帶輪）尺側(cè)間隙：mm（由表8-34）（3.29）徑向間隙：mm頂圓齒槽寬：mm（3.30）齒槽深：B軸帶輪根圓直徑：（小帶輪）（3.31）（大帶輪）T軸帶輪根圓直徑：（小帶輪）（大帶輪）根圓齒槽深：齒根圓角半徑：齒頂圓角半徑：B軸帶輪齒寬：B=b+3=19mmT軸帶輪齒寬：B=b+6=22mm3.4減速器的設(shè)計(jì)3.4.1減速器減速比的計(jì)算各個(gè)軸減速器減速比分別為：R軸減速器減速比；T軸減速器減速比；B軸減速器減速比；S軸減速器減速比；U軸減速器減速比；L軸減速器減速比；3.4.2減速器輸出軸徑的計(jì)算以R軸、B軸、T軸為例進(jìn)行計(jì)算：先初步估算軸的最小直徑，從伺服電機(jī)到軸的功率為，減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速即為夾持臂回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。選擇輸出軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查手冊(cè)=112，根據(jù)公式：=（3.32）R軸減速器的最小輸出軸徑：=112=10.81mmB軸減速器的最小輸出軸徑：=112=13.73mmT軸減速器的最小輸出軸徑：=112=9.9mm4機(jī)械手各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.1.1手爪的設(shè)計(jì)要求因?yàn)橐ト∫欢ㄐ螤畹闹匚?，因此手指間具有一定的開合角度；具有夾持位置精度；能夠保證工件的準(zhǔn)確定位；滿足足夠的強(qiáng)度與剛度；滿足作業(yè)要求的夾持力；在滿足上述方面的同時(shí)應(yīng)盡量使機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕，從而減輕手臂的負(fù)荷。4.1.2手爪的分類按不同的原理，可分為多種類型的手爪：機(jī)械手爪：氣動(dòng)夾緊、電動(dòng)夾緊、電磁夾緊、液壓夾緊；磁力吸盤：電磁吸盤、永磁吸盤；真空式吸盤：真空吸盤、氣流負(fù)壓吸盤。4.1.3手部結(jié)構(gòu)形式的確定圖4.1機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖手爪的結(jié)構(gòu)形式與質(zhì)量主要取決與物體的形狀與質(zhì)量。本次采用的機(jī)械手爪為氣動(dòng)式V字形手爪。如圖4.1。4.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.2.1手腕的設(shè)計(jì)要求腕的設(shè)計(jì)要求：由于腕部在手臂末端，因此為減輕手臂負(fù)荷，應(yīng)盡量使腕部部件的結(jié)構(gòu)緊湊，盡量減少其重量與體積；合理的選擇腕部的自由度數(shù)；提高腕部的精度與傳動(dòng)的剛度，減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)誤差。該機(jī)械手采用兩自由度腕部結(jié)構(gòu)，分別為手爪轉(zhuǎn)動(dòng)與腕關(guān)節(jié)擺動(dòng)，從而滿足搬運(yùn)作業(yè)的空間姿態(tài)要求。為了能夠使腕部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，將腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安放在小臂內(nèi)，經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)繞腕關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。4.2.2手腕結(jié)構(gòu)形式的確定圖4.4手腕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖夾持臂的工作原理：夾持臂繞自身旋轉(zhuǎn)，它的動(dòng)力為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)同步齒形帶轉(zhuǎn)動(dòng)，然后經(jīng)過錐齒輪帶動(dòng)夾持臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4.44.3手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)4.3.1手臂的設(shè)計(jì)要求臂部的設(shè)計(jì)要求：首先臂部的結(jié)構(gòu)與尺寸應(yīng)滿足任務(wù)所需的工作空間要求；另外根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比較合理的選擇手臂的截面形狀以及高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；為了減少驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，應(yīng)盡量減少手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為了提高運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)速度，還應(yīng)減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊；為了提高運(yùn)動(dòng)精度與剛度，定位精度，應(yīng)減少機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差。該機(jī)械手臂（大臂與小臂）擬采三自由度結(jié)構(gòu)形式，分別為一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度與兩個(gè)俯仰自由度，從而能滿足搬運(yùn)作業(yè)所需的空間任務(wù)要求?？紤]材料的性能參數(shù)以及所需完成的任務(wù)要求，采用鋁合金材料。綜合轉(zhuǎn)矩、慣性和平衡性要求，為實(shí)現(xiàn)大臂與小臂繞各自關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)，將各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)源分別放在前一關(guān)節(jié)處，這樣就能經(jīng)過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)大、小臂繞各自關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。4.3.2手臂結(jié)構(gòu)機(jī)械手臂包括以下幾部分結(jié)構(gòu)：臂桿、傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、定位裝置連接裝置及檢測(cè)裝置。按運(yùn)動(dòng)形式的不同，可分為以下幾部分結(jié)構(gòu)：1)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的形有齒輪機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)等。2)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手的俯仰運(yùn)動(dòng)可經(jīng)過連桿與液壓缸的組合來實(shí)現(xiàn)，也可經(jīng)過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)。3)手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂的伸縮、移動(dòng)、升降均屬于直線運(yùn)動(dòng)。4.3.3小臂結(jié)構(gòu)形式的確定圖4.3小臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖小臂是腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)的重要零件，起連接大臂與腕關(guān)節(jié)的作用。驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)作擺動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)伺服電機(jī)安裝在小臂內(nèi)部。4.4小臂后箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小臂后箱體的作用：一方面起連接小臂與大臂的作用，另一方面安裝在小臂后箱體內(nèi)部的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂繞自身軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。小臂后箱體結(jié)構(gòu)形式的確定圖4.4小臂后箱體結(jié)構(gòu)圖4.5連接桿件的設(shè)計(jì)連接桿件的作用：一方面起連接大臂與小臂的作用，另一方面能夠使小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活，活動(dòng)范圍更大。連接桿件結(jié)構(gòu)形式的確定：圖4.5連接桿件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5關(guān)鍵軸的校核5.1腕部輸入軸的結(jié)構(gòu)初步確定于從動(dòng)輪相連接的軸的直徑，由公式：選擇軸的材料腕為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表知=112。將P=0.0007KW，=0.85，n=3000r/min，帶入上式，得mm；選；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5-1：圖5-1軸5.2軸的校核帶輪傳遞給軸的的扭轉(zhuǎn)力矩為：=9549=9549=0.92（5.1）力矩是經(jīng)過帶拉力F和傳送的，應(yīng)有（5.2）（5.3）已知：求得F=13.5N，F(xiàn)=12N齒輪法向力為：==45N。（5.4）X軸簡(jiǎn)