關(guān)節(jié)機械手腕部設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計

武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章緒論機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造中的一個重要組成部分。機器人顯著地提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。因而受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量人力物力加以研究和應(yīng)用。機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手,統(tǒng)稱為機器人。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是除了具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。它可以靈活運用在工業(yè)上的各個方面，如噴漆、焊接、搬運等。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外稱為“MechanicalHand"，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動;除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，采用機械編程。因此是專用的。本課題通過對通用機器人smart6.50R的結(jié)構(gòu)進行分析和研究，完成對其腕部的設(shè)計，最終期望腕部與小臂、手部、大臂能夠協(xié)調(diào)工作，能夠完成各種現(xiàn)代工業(yè)加工過程中所要求的動作。本課題的設(shè)計思路是：借助已有的通用機器人的腕部設(shè)計思想和方法，綜合考慮腕部機構(gòu)在機器人運動中所起的作用和機器人的整體技術(shù)參數(shù)。第二章關(guān)節(jié)機械手機構(gòu)原理2.1關(guān)節(jié)機械手組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖所示:圖2.1機械手的組成及相互關(guān)系2.1.1驅(qū)動裝置驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。工業(yè)機械手裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動機構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機(直流伺服電機，步進電機，交流伺服電機)，液動和氣動裝置，2.1.2控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作?？刂葡到y(tǒng)一般由控制計算機和驅(qū)動裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進行運動。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時還要完成環(huán)境狀況，周邊設(shè)備(如電焊機，工卡具等)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。2.1.3執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運動部件組成。1)腰部腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性影響。2)基座基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。3)手部手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。夾持式手部是由手指和傳力機構(gòu)所組成。手指是直接與物件接觸的機構(gòu)。常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。4)腕部腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。5)臂部臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動腕部作平面運動。2.1.4應(yīng)用機械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：(1)以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。(2)以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。(3)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。2.2關(guān)節(jié)機器人分類2.2.1按用途分類1.專用機器人專用機器人是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。2.通用機器人通用機器人是在專用機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用計算機控制系統(tǒng)。2.2.2按控制形式分類1.點位控制型機器人點位控制型機器人的運動軌跡是空間二個點之間的聯(lián)接?？刂泣c數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機器人是點位控制型。2.連續(xù)軌跡控制型機器人這種機器人的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜.2.2.3按驅(qū)動方式分類1.液壓機器人:輸出力大，傳動平穩(wěn)。2.氣壓機器人:氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不太平穩(wěn)，沖擊大。3.電動式機器人:電力驅(qū)動是目前機器人使用的最多的一種驅(qū)動方式，其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測，傳遞，處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。4.機械式機器人:工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。2.3關(guān)節(jié)機械手腕部結(jié)構(gòu)選型手腕是操作機的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。對一般商用機器人，末桿(即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿)都有獨立的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)(即方向)，可用兩個方位確定。如圖2.1所示圖2.2末桿姿態(tài)示意圖1．大臂2.小臂3.末桿(L)在圖2.1中，末桿L的圖示姿態(tài)可以看作是由處于x1方向的原始位置先繞z1在x1o1y1平面內(nèi)轉(zhuǎn)α、β角，然后在ao1與z1組成的垂直平面內(nèi)再向上轉(zhuǎn)β角得到的?？梢娛怯搔?、β兩角決定了末桿（L）的方向(姿態(tài))。從理論上講，如果0°≤α≤360°，0°≤β≤360°，則L在空間可取任意方向。如果L的自轉(zhuǎn)角γ也滿足0°≤γ≤360°，我們就說該操作機具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機抓取和擺放物體的靈活度，我們定義組合靈活度(dex)為:dex=α/360°+β/360°+γ/360°=xx%+xx%+xx%上式取“加”的形式，但一般不進行加法運算，因為分開更能表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特點。腕結(jié)構(gòu)最重要的評價指標(biāo)就是dex值。若為3個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來，α、β的最大值取360°，而γ值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好γ無上限。腕結(jié)構(gòu)是操作機中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因轉(zhuǎn)動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。腕部的設(shè)計要求是:重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量(約5%—10%，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。2.3.1單自由度手腕SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機器人多采用單自由度手腕，該類機器人操作機的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機的懸臂的重量，手腕的驅(qū)動電機固結(jié)在機架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于轉(zhuǎn)動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕傳動的驅(qū)動電機。這時確定末端執(zhí)行器方位的角度(以機座坐標(biāo)系為基準(zhǔn))將是大小臂轉(zhuǎn)角以及腕轉(zhuǎn)角之和。2.3.2兩自由度手腕兩自由度手腕有兩種結(jié)構(gòu):1）匯交式兩自由度手腕兩自由度手腕的末桿與小臂中線重合，兩個鏈輪對稱分配在兩邊。β≤200°,γ≥360°,dex=0+80%+100%，如圖1.3，2）偏置式兩自由度手腕手腕的末桿偏置在在小臂中線的一邊。β≥360°,γ≥360，dex=0+100%+100%優(yōu)點是腕部結(jié)構(gòu)緊湊，小臂橫向尺寸較小(薄)。兩自由度的另兩種結(jié)構(gòu)。一種是將諧波減速器這置于碗部，驅(qū)動器通過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿L獲得α.γ兩自由度運動。另一種則是將驅(qū)動電機1和諧波減速器連成一體，放于偏置的殼中直接帶動L完成角轉(zhuǎn)動，β角則是由鏈傳動完成。如圖2.3匯交式兩自由度1-法蘭2-錐齒輪組3-錐齒輪4-彈簧5、8-鏈輪6-軸承7-殼體2.3.3三自由度手腕三自由度的手腕形式繁多。三自由度手腕是在兩自由度的基礎(chǔ)上加一個整個手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度(用角度參數(shù)α表示)而形成的。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)限制，即α、β、γ都能在0°～360°范圍取值，末端執(zhí)行器的靈活度dex=100%+100%+100%，也就是說具有百分之百的靈活度。這就是說手爪可自任意方向接進物體，也可將物體轉(zhuǎn)到任意姿勢。所以三自由度是“萬向”型手腕，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。主要有兩類:1)匯交手腕(或稱正交手腕)它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點。2)偏置式手腕它是α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線互相垂直，但不匯交于一點。這兩類手腕都是把β、γ運動的減速器安裝在手腕上，可簡化小臂結(jié)構(gòu)，但卻增加了手腕本身的重量和復(fù)雜程度。2.3.4關(guān)節(jié)機器人腕部結(jié)構(gòu)選型如圖2.4所示，是匯交式手腕(或正交手腕)，即α、β、γ的旋轉(zhuǎn)軸線匯交于一點?？梢钥闯觯姍C(1)經(jīng)錐齒輪副((3,4)和齒型帶傳動(9,10,13),再經(jīng)錐齒輪副(5,6)和諧波減速器(16)帶動法蘭(17、機械接口)轉(zhuǎn)動，完成末桿(法蘭)γ的運動。電機2經(jīng)錐齒輪副(7,8)和齒型帶傳動(11,12,14),通過諧波減速器帶動腕殼擺動，完成末桿p的運動。整個手腕又由置于小臂后部的電機(上圖未畫)，經(jīng)過諧波傳動，帶動小臂作繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，即α運動。圖2.4正交式手腕減速器的配置可以分為前置式和后置式。后置式有利于小臂的平衡。前置式加大了腕部的復(fù)雜程度和重量，對小臂乃至整機的平衡不利，但可簡化整個小臂的結(jié)構(gòu)，而且當(dāng)腕部使用同步齒形帶時，只能采用這種布置，因為齒形帶只能用于高速級。這種布置還可簡化后面三個驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對于平行軸轉(zhuǎn)動，減速器前置可以匹配小臂與手腕的幾何尺寸。如圖2.4所示，我選用:減速器的配置為前置式是把α、γ兩自由度的減速器裝在手腕內(nèi)。電機配置也可以分為前置式和后置式。前置式有一個電機配置在手腕中，其最大優(yōu)點是大大簡化了小臂的結(jié)構(gòu)和傳動過程的軸線干擾，但加重了腕部。這種結(jié)構(gòu)較適合于小負荷操作機。必須指出，這種結(jié)構(gòu)的手腕也屬于非匯(正)交式，由它構(gòu)成的六自由度操作機無解析解。電機后置式的驅(qū)動電機都布置在腕的后面。對于中小負載的操作機，電機可布置在臂的空腔中，而對于大負載操作機，由于電機重而且大，電機多布置在臂的后端，以減少臂的尺寸和前部重量，并與減速器一起對小臂起平衡作用。如圖2.4所示。2.4關(guān)節(jié)機械手設(shè)計機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(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器的進化過程產(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)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。:在傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中，通常要制造樣機進行實驗，有時這些實驗甚至是破壞性的。當(dāng)通過實驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，就要回頭修改設(shè)計并再用樣機驗證。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計周期更加漫長，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。于是運動分析—虛擬樣機技術(shù)便應(yīng)運而生了。它可以使產(chǎn)品設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中真實地模擬機器人的運動及受力情況，快速分析多種設(shè)計方案，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的實驗，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計方案。這種方法不但可以縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計質(zhì)量和效率也得到了很大的提高。

第三章關(guān)節(jié)機械手腕部設(shè)計3.1關(guān)節(jié)機械手手腕結(jié)構(gòu)的選擇Smart6.50腕部的主要技術(shù)參數(shù)為：自由度3最大持重5KgⅠ軸±180°144(°)/s200N?mⅡ軸±115°136(°)/s150N?mⅢ軸±180°138(°)/s100N?m本課題仿制Smart6.50R機器人的腕部進行設(shè)計，通用機器人的手腕是三自由度的，圖3.1是其傳動原理圖，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、腕轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動鏈分成二部分，一部分在機器人小臂殼內(nèi)，三個電機的輸出通過齒形帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、中間套、外套筒上。另一部分傳動鏈安排在手腕部。（1）臂轉(zhuǎn)運動臂部外套筒與手腕殼體通過端面法蘭聯(lián)結(jié)，外套筒直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運動。（2）腕擺運動臂部輸出的空心軸通過一組錐齒輪組（14）和一組同步齒形帶（12、13）以及諧波減速器（11）帶動固定在套筒上的端蓋一起擺動。（3）手轉(zhuǎn)運動如圖3.1,臂部心軸通過鍵聯(lián)結(jié)帶動錐齒輪組（3）轉(zhuǎn)動，然后通過同步齒形帶（4、6）帶動套筒的內(nèi)部中心軸，中心軸的另一端通過一對錐齒輪組（9）傳動，帶動固定套筒（10）內(nèi)部的中心軸端面的法蘭盤（8）轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)法蘭盤的手轉(zhuǎn)運動。

圖3.1腕部系統(tǒng)傳動簡圖3.2傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算3.2.1.選擇電機假設(shè)手部的末端的持重是5Kg,腕心距離機械輸出借口長度為180mm，腕部的旋轉(zhuǎn)半徑為100mm。Ⅰ軸為腕轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速為:QUOTE=2.512rad/s已知：腕部的旋轉(zhuǎn)半徑R=100mm，所承受載荷為F=5x10=50N∴扭矩T=F·R理論功率P=F·R·W1=50×2.512×100=12.56W又∵電機效率為η總=η錐2η聯(lián)η離η帶η=0.952×0.8×0.95×0.99×0.98=0.665其中，QUOTEη離=0.95，η錐=0.95，QUOTEη帶=0.98，η聯(lián)=0.95，η=0.8可得，所需電機功率P電=P/η總=12.56/0.665=18.89WⅡ軸為腕擺運動已知L=200mm，F(xiàn)=50N∴扭矩T=F·L=10.0N·m轉(zhuǎn)速W2=QUOTE=2.372rad/s∴P=T·QUOTE=23.72W又∵電機效率為QUOTE=QUOTE=QUOTE=0.665可得，所需電機功率為QUOTE=P/QUOTE=23.72/0.665=35.67W考慮到系統(tǒng)傳動過程中，同步齒形帶傳動所需的功率，以及要求腕部的結(jié)構(gòu)要求緊湊，所以Ⅰ軸傳動所需電機5和Ⅱ軸傳動所需電機6如下：表3.1電機型號與性能型號功率(KW)轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)矩（N·m）額定電流（A）額定電壓（V）ＴＹＳＺ－７５－６３ｓ0.7530002.43.08220ＴＹＳＺ－５５－６３ｓ0.5520002.32.22203.2.2分配系統(tǒng)傳動比和動力參數(shù)的計算Ⅰ軸為腕轉(zhuǎn)運動腕轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)的傳動比末端法蘭盤的轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE＝QUOTE＝22.67r/min系統(tǒng)總的傳動比為QUOTE＝QUOTE＝88.22取QUOTE＝88.22，QUOTE＝1，QUOTE＝１，QUOTE＝１則電機6的輸出功率QUOTE＝0.50Kw帶輪5轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE＝2000r/minQUOTE＝QUOTE＝104.67rad／sQUOTE＝QUOTE＝0.50ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99＝0.460Kw扭矩QUOTE=QUOTE=2.20N·m帶輪6轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE=QUOTE=2000r/minQUOTE=QUOTE=104.67rad/sQUOTE=QUOTE=0.460x0.95=0.437Kw扭矩QUOTE=QUOTE=2.09N·m腕轉(zhuǎn)軸Ⅰ軸QUOTE=QUOTE=0.437x0.80x0.95=0.332Kw轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE=22.67r/minQUOTE=1.186rad/s扭矩QUOTE=QUOTE=139.85N·m腕擺傳動系統(tǒng)的傳動比末端套筒的轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE＝QUOTE＝24r/min系統(tǒng)總的傳動比為QUOTE＝QUOTE＝125取QUOTE＝50，QUOTE＝2.5，QUOTE＝１，QUOTE＝１電機５的輸出功率QUOTE＝0.75Kw.帶輪３轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE＝QUOTE＝1200r/minQUOTE＝QUOTE＝62.8rad／sQUOTE＝QUOTE＝0.75ｘ0.95ｘ0.98ｘ0.99ｘ0.95＝0.656Kw.QUOTE=QUOTE=5.22N·M帶輪4轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE=QUOTE=1200r/minQUOTE=QUOTE=62.8rad/sQUOTE=QUOTE=0.656x0.95=0.623KwQUOTE=QUOTE=4.96N·m腕擺軸Ⅱ軸QUOTE=24r/minQUOTE=2.512rad/sQUOTE=QUOTE=198N·mⅠ軸腕轉(zhuǎn)運動QUOTE＝QUOTE＝88.22取QUOTE＝88.22，QUOTE＝1，QUOTE＝１，QUOTE＝１腕擺傳動系統(tǒng)的傳動末端套筒的轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE＝QUOTE＝24r/min系統(tǒng)總的傳動比為QUOTE＝QUOTE＝125取QUOTE＝50，QUOTE＝2.5，QUOTE＝１，QUOTE＝１第四章關(guān)節(jié)機械手錐齒輪設(shè)計4.1確定錐齒輪的主要技術(shù)參數(shù)錐齒輪組3的材料選用40Cr鋼，齒面硬度250～280HBS。取齒輪模數(shù)m=2.5，QUOTE40，壓力角QUOTE=45°齒數(shù)比i=QUOTE=1齒輪直徑d=m·z=90mm，QUOTE=QUOTE錐距R=QUOTE=63.64mm又∵齒頂高QUOTE=2.5，齒根高QUOTE=3∴齒頂圓直徑QUOTE=d+2QUOTE=93.5mm齒根圓直徑QUOTE=d-2QUOTE=85.8mm齒寬b=10mm，QUOTE=d(1-0.5b/R)=83又∵QUOTE=QUOTE=2.5/63.64=0.0393∴QUOTE=2.7°QUOTE=QUOTE=3/63.64=0.0471∴QUOTE=3.2°4.2輪齒的受力分析和強度計算忽略齒面間摩擦力，把輪齒上的分布作用力合成為集中法向力QUOTE,在把分解為三個互相垂直的力QUOTE，即圓周力QUOTE、徑向力QUOTE和軸向力QUOTE。錐齒輪5的轉(zhuǎn)矩為QUOTE，中點分度圓直徑為QUOTE，可得：QUOTE=QUOTE=328.7NQUOTE=QUOTE=86.7NQUOTE=QUOTE=86.7N(QUOTE=14.73N·m)一般的直齒錐齒輪制造精度低，因而可以認為在嚙合過程中載荷僅由一對相嚙合的齒來承擔(dān)，故可以不考慮齒間載荷分配問題，即可以忽略重合度的影響，故載荷系數(shù)K=QUOTE=1.88其中，QUOTE=1.6，QUOTE=1.15，QUOTE=1.02直齒錐齒輪齒面接觸疲勞強度條件為：QUOTE=QUOTE=460MQUOTEQUOTE=QUOTE=367.9MQUOTE又∵QUOTE=666.5MQUOTE，QUOTE=414MQUOTE∴QUOTE≤QUOTE，QUOTE≤QUOTE所以可知此齒輪組能夠滿足運動的要求。錐齒輪組2的主要技術(shù)參數(shù)為模數(shù)m=3，齒數(shù)QUOTE15，壓力角QUOTE=45°齒輪比i=QUOTE=1齒輪直徑d=m·z=45mm，QUOTE=QUOTE=d錐距R=QUOTE=31.8mm∴齒頂高QUOTE=3.5，齒根高QUOTE=4.2齒頂圓半徑QUOTE=d+2QUOTE=50mm齒根圓半徑QUOTE=d-2QUOTE=40mm齒寬b=10mm又∵QUOTE=QUOTE=3.5/31.8=0.11∴QUOTE=5.38°QUOTE=QUOTE=4.2/31.8=0.132∴QUOTE=6.5°

第五章關(guān)節(jié)機械手選擇帶輪和齒形帶5.1帶輪的選擇根據(jù)所搜集的資料，考慮到整個系統(tǒng)傳動的結(jié)構(gòu)和傳動特性，依據(jù)圖5.1，圖5.1同步帶、輪選型已知帶輪6的轉(zhuǎn)速Q(mào)UOTE=2000r/min，功率QUOTE=0.437Kw，扭矩QUOTE=0.209N·m根據(jù)圖5.1，選擇梯形齒帶輪，帶輪型為L型，帶輪的結(jié)構(gòu)為：圖5.2帶輪結(jié)構(gòu)示意圖選擇帶選擇奇龍傳功公司生產(chǎn)輪型號為；32L050AF節(jié)距=9.525mmZ=32節(jié)徑d=97.02mm外徑QUOTE=96.26mm檔邊內(nèi)徑QUOTE=90mm檔邊厚度h=1.5mm檔邊直徑QUOTE=102mm5.2齒形帶的設(shè)計在本課題中，一共用到三次皮帶，分別連接電機和空心軸的心軸、中間套和外套，再次以外套的所連接的帶輪和皮帶為例展開設(shè)計計算。5.4.2同步帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算1.心軸的設(shè)計計算1）求出設(shè)計功率因為Pd=Pm·K。其中,Pd—設(shè)計功率Pm—名義傳遞功率也就是電動機功率PP=0.26kwK?！d荷修正系數(shù),K。取1.8又因為傳動裝置未及張緊裝置和系統(tǒng)為減速運動所以其附加修正系數(shù)為零。所以Pd=1.8×0.26=0.5kw2）、選擇帶的節(jié)距因為Pd=0.5kwn電=276rpm=n-小帶輪轉(zhuǎn)速查《實用機械設(shè)計手冊》（下）圖10.5-4查得同步帶的節(jié)距代號為H，對應(yīng)的節(jié)距Pd=12.7mm3）、確定帶輪直徑和帶節(jié)線長查《實用機械設(shè)計手冊》表10.5-8得H型帶，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=276rpm小于900rpm所以小帶輪最少齒數(shù)Z1應(yīng)為14Z1取22，因為ⅰ=Z2/Z1ⅰ—傳動比ⅰ=1.5Z2—大帶輪齒數(shù)Z1—小帶輪齒數(shù)，Z1=22所以ⅰ=Z1·ⅰ=1.5×22=33查《機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計》表3-11大帶輪齒數(shù)Z2取標(biāo)準(zhǔn)值32，Z2=32小帶輪節(jié)圓直徑因為ｄ1=Pb·Z1/πPb——同步帶節(jié)距，Pb=12.7mmZ1—小帶輪齒數(shù)，Z1=22所以計算得d1=12.7×22/3.14=88.94mmd1=88.94mm同理可得大帶輪節(jié)圓直徑d2=129.36mmd2=129.36mm選擇帶長LP初定中心距a因為0.7(d2＋d1)＜a＜2(d2＋d1)d2—大帶輪節(jié)圓直徑d2=129.36mmd1—小帶輪節(jié)圓直徑d1=88.94mm所以152.81＜a＜436.6a取420mma=420mm因為Lp=2aCOSψ＋π(d2＋d1)/2＋πψ(d2－d1)/180定ψ角因為ψ=arcsin-1(d2－d1/2a)所以ψ=arcsin-1(129.36－88.94/2×420)=3所以a=420mmψ=3所以Lp=2×420×COS3＋π(129.36＋88.94)/2＋π×3.（129.36-88.94）/180=839＋343＋2=1184mm節(jié)線長Lp=1184mm查《實用機械設(shè)計手冊》（下）表10.5-5取整后選用長度代號為510Lp=1295.4mm齒數(shù)Zb=102的同步帶4)、傳動中心距a的確定因為M=Pb/8(2Zb-Z1-Z2)M—修正系數(shù)Pb—同步帶節(jié)距Pb=12.7mmZb—同步帶齒數(shù)Zb=102Z1—大帶輪齒數(shù)Z1=22Z2—小帶輪齒數(shù)Z2=32所以計算得M=12.7/8(21×102-22-32)=238.125a≈238.125＋[(238.125)2-204.483]1/2=476mm所以節(jié)線長Lp=1295.4mm傳動中心距a=476mm5)、選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬確定小帶輪齒數(shù)Z1=22小帶輪轉(zhuǎn)速n1=184rpm查《實用機械設(shè)計手冊》(下)表10.5-17用差值法計算得H型帶的基準(zhǔn)額定功率P。=2.7Kw確定實際帶寬bs因為bs≥bs。（Pd/k2·P。）bs?！獦?biāo)準(zhǔn)帶寬查《實用機械設(shè)計手冊》(下)表10.5-4bs。=76.2mmPd—設(shè)計功率Pd=0.5kwK2—嚙合齒數(shù)系數(shù)K2據(jù)實際工作要求K2=1所以bs≥76.2(0.5/1×2.7)1/1.14=17.4查《實用機械設(shè)計手冊》表10.5-4bs取標(biāo)準(zhǔn)為25.4mm其標(biāo)準(zhǔn)寬度代號為100寬度極限偏差為+0.8-0.3bs=25.4mm確定帶寬系數(shù)Kw因為Kw=(bs/bs。)1.14所以Kw=（25.4/76.2）1.14=0.29Kw=0.29確定額定功率P因為P=K2·Kw·P。K2—嚙合齒數(shù)系數(shù)k2=1Kw—帶寬系數(shù)kw=0.29P。—基準(zhǔn)額定功率P。=2.7kw所以計算得P=0.29×2.7=0.77kw因為P＞Pd所以滿足設(shè)計要求帶的圓周速度V的確定因為V=Pb·Z1n1/60×1000Pb—帶的節(jié)距Pb=12.7mmZ1—小帶輪齒數(shù)Z1=22n1－小帶輪轉(zhuǎn)速n1=276r/mm所以計算得V=12.7×22×276/60×1000=1.3m/s工作能力驗算因為P=(K2·kw·Ta-bs·m·v2/bs。)V×10-3K2—嚙合齒數(shù)系數(shù)K2=1Kw—帶寬系數(shù)Kw=0.29Ta—許用工作拉力查《實用機械設(shè)計手冊》表10.5-9Ta=2100.85Nm—單位長度質(zhì)量查《實用機械設(shè)計手冊》表10.5-9m=0.448㎏/m所以P=〔1×(25.4/76.2)1.14×2100.85-25.4×0.448×1.32/76.2〕×1.3/1000=0.78因為P＞Pd所以額定功率大于設(shè)計功率故帶的傳動能力足夠。最小軸徑的確定因為dmin≥A3p/nA—修正系數(shù)查《簡用機械設(shè)計手冊》表14-13軸的材料為45鋼A118P—傳遞功率為0.26kwn—驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為184r/mm所以dmin≥A[p/n]1/3=13mmd取30mm6)結(jié)果整理選用HL型同步帶Pb=12.7mmLp=1295.4mmBs=25.4mm小帶輪Z=22d=73mm大帶輪Z=50d=99mm傳動的中心距a=376mm.帶的長度帶號為510寬度帶號為100總結(jié)與展望總結(jié)：本次課設(shè)我從通用機器人的整體結(jié)構(gòu)對機器人腕部進行了分析，綜合考慮了腕部的整體結(jié)構(gòu)。1.確定機器人的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，查找資料，以Smart6.50R通用機器人為參考，在已有的技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，通過分析，確定腕部的傳動系統(tǒng).2.假設(shè)腕部末端的結(jié)構(gòu)，確定腕部的輸出功率，然后計算出腕部所需的電機。在確定電機和傳動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，我對錐齒輪和傳動中所需的帶輪以及同步齒形帶進行了詳細設(shè)計，并且對它們進行了校核，確定所設(shè)計的腕部結(jié)構(gòu)能夠配合機器人的其他結(jié)構(gòu)進行噴漆動作。3.通過認真計算分析后我認為我所設(shè)計的腕部是比較理想的，基本滿足預(yù)定的設(shè)計要求。展望：1.本次設(shè)計未能涉及精度問題，希望可以提高機械手的精度達到更好的效果。

致謝在本設(shè)計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了胡幫友老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，使得本設(shè)計得以順利完成，其中飽含了胡幫友的汗水和心血。老師敏銳的學(xué)術(shù)思想、嚴(yán)謹(jǐn)踏實的治學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、精益求精的工作作風(fēng)、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學(xué)生心中，使學(xué)生終生受益。在此我們向胡幫友老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。感謝學(xué)校給我們提供設(shè)計場地，和系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計過程中，結(jié)合工作體會和經(jīng)歷，提出了許多建設(shè)性的觀點，為我完成設(shè)計給予了極大的幫助。感謝機電工程系的領(lǐng)導(dǎo)和老師對我的關(guān)心和幫助。再次感謝所有支持和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們。參考文獻[1]孔志禮等.機械設(shè)計.第一版東北大學(xué)出版社.2000年[2]成大先.機械設(shè)計圖冊第五卷.第1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004年[3]《機械設(shè)計手冊》編寫組.機械設(shè)計手冊（第三冊）部件、機構(gòu)及總體設(shè)計.第1版.北京：機械工業(yè)出版社.1986年[4]毛昕等.畫法幾何及機械制圖.北京。第3版高等教育出版社.2004年[5]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理.第7版.北京：高等教育出版社.2006年[6]李允文.工業(yè)機械手設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1994年[7]陸祥生.機械手－理論與應(yīng)用.北京：中國鐵道出版社，1985年[8]徐瀕主.機械設(shè)計手冊第五卷.北京：機械工業(yè)出版社，1992年[9]張建民.工業(yè)機器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988年[10]蔡自興.機器人原理及其應(yīng)用.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1988年[11]馮香峰.機器人機構(gòu)學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，1991年[12]天津大學(xué)編。工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)。天津：天津人民出版社，1980年[13]陳明.機械制造工藝學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2005年基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究\t"_b