六自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書要點(diǎn)

1、 六自由度機(jī)械手 設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)參數(shù) 摘要隨著現(xiàn)代科技和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)的自動化程度越來越高。工業(yè)的自動化中機(jī)械手發(fā)揮了相當(dāng)大的作用，小到機(jī)床的自動換刀機(jī)械手，大到整個的全自動無人值守工廠，無一不能看到機(jī)械手的身影。機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用可以確保運(yùn)轉(zhuǎn)周期的連貫，提高品質(zhì)。另外，由于機(jī)械手的控制精確，還可以提高零件的精度。機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，如：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)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。二、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

2、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(jī)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(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)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(jī)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(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)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(jìn)行工作生產(chǎn)。應(yīng)用前景工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)

3、械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因

4、此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用目錄機(jī)械手的設(shè)計(jì)一、方案設(shè)計(jì)方案一：機(jī)械手采用氣動控制，氣壓傳動，其優(yōu)點(diǎn)：1）以空氣為工作介質(zhì)，來源放不安，且用后可直接排入大氣而不污染環(huán)境。2）空氣粘性小，損失小，節(jié)能高效。3）動作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、不易堵塞。4 工作環(huán)境適應(yīng)性好，安全可靠。5）成本低、過載能自動保護(hù)。缺點(diǎn)：1）工作速度穩(wěn)定性差。2）不易獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。3）有較大的排氣噪聲，4）以空氣無潤滑性能，需在氣路中設(shè)計(jì)給油潤滑裝置。方案二：機(jī)械手采用電氣控制，機(jī)械傳動，其優(yōu)點(diǎn)：1）精度高，伺服電機(jī)作為動力源，同步帶等組成結(jié)構(gòu)簡單且效率高的傳動機(jī)構(gòu)。2）控制精度高，根

5、據(jù)設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，在高精度傳感器、計(jì)量裝置、計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，能夠大大超過其他控制方式達(dá)到的控制精度。3）改善環(huán)保水平，由于使用能源品種的減少及其優(yōu)化的性能，污染減少了，噪音降低了，能夠提供良好的工作環(huán)境。4）降低噪音，其運(yùn)行噪音低于70分貝，大約是液壓驅(qū)動的三分之二。 因此選用電氣控制，機(jī)械傳動，局部氣動的機(jī)械手。能夠更好的發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)避免缺點(diǎn)。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)氣動控制運(yùn)動結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 電氣控制運(yùn)動結(jié)構(gòu)件圖如下圖所示： 其中電氣傳動的回轉(zhuǎn)等復(fù)雜動作因采用的伺服電機(jī)及計(jì)算機(jī)控制，較氣動控制簡單，因此該結(jié)構(gòu)選取完全的電氣控制。而其機(jī)械手的加持可采用氣動控制。1、 電機(jī)的選擇機(jī)械手除

6、去加持裝置總共有六個自由度，總共需用六個伺服電機(jī)。1）主回轉(zhuǎn)軸電機(jī)的選用主電機(jī)傳動比選擇：i =25主回轉(zhuǎn)軸電機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算：11J 1=md 2=500.3352=0.701kg m 2 8811222 J 2=md =801.3=33.8Kg m 44J +J 0.701+33.8=0.055Kg m 2 J max =122=i 62511T 1=mgr =50100.335=41.8N m 4411T 2=mgL =80101.3=520N m 22T +T 41.8+520T 電=12=22.472N m i 25根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MGMA 3KW ，額定

7、轉(zhuǎn)矩28.4N m ，最大轉(zhuǎn)矩，63.7N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，55.710-4Kg m 2，額定轉(zhuǎn)速1000r/min,最大轉(zhuǎn)速，2000r/min，外形分類F 型。2）大臂擺動電機(jī)選用傳動比選擇：i =25電機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算：11J =md 2=801.22=28.8Kg m 2 44J 28.8J 電=2=2=0.Kg m 2 i 2511mgL =80101.2=480N m 22T 480T 電=19.2N m i 25根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MGMA 3KW ，額定轉(zhuǎn)矩28.4N m ，T =最大轉(zhuǎn)矩，63.7N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，55.710-4Kg m 2

8、，額定轉(zhuǎn)速1000r/min,最大轉(zhuǎn)速，2000r/min，外形分類F 型。3）大臂轉(zhuǎn)動電機(jī)選用傳動比選擇：i =10電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)、動慣量計(jì)算：11J =md 2=800.0652=0.0325Kg m 2 88J 0.0325J 電=2=0.Kg m 2 i 10011T 1=mgr =30100.065=4.875N m 4411T 2=mgL =30100.55=82.5N m 22T +T 4.875+82.5T 電=12=8.7375N m i 10根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MGMA 900W ，額定轉(zhuǎn)矩8.62N m ，最大轉(zhuǎn)矩，19.3N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，11.2

9、10-4Kg m 2，額定轉(zhuǎn)速1000r/min,最大轉(zhuǎn)速，2000r/min，外形分類D 型。4）小臂擺動電機(jī)的選擇傳動比選擇：i =1511J =md 2=200.552=1.5125kg m 2 44J 1.51252J 電=2=0.0051Kg m 2i 1511T =mgL =20100.55=55N m 22T 55T 電=3.67N m i 15根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MGMA 900W ，額定轉(zhuǎn)矩8.62N m ，最大轉(zhuǎn)矩，19.3N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，11.210-4Kg m 2，額定轉(zhuǎn)速1000r/min,最大轉(zhuǎn)速，2000r/min，外形分類D 型。5

10、小臂轉(zhuǎn)動電機(jī)選擇傳動比選擇：i =1011222 J =md =200.13=0.04225kg m 88J 0.04225=0.Kg m 2 2i 10011 T =mgr =20100.065=3.25N m 44T 3. 25=0. 32N 5m T 電=i 10根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MDMA 750W ，額定轉(zhuǎn)矩3.57N m ， J 電=最大轉(zhuǎn)矩，10.7N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，6.210-4Kg m 2，額定轉(zhuǎn)速2000r/min,最大轉(zhuǎn)速，3000r/min，外形分類D 型5）手腕擺動電機(jī)選擇傳動比選擇：i =1011J =md 2=50.0452=0.0025

11、kg m 244J 0.0025J 電=2=0.Kg m 2 i 10011T =mgL =5100.045=1.125N m 22T 1.125T 電=0.1125N m i 10根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量選擇電機(jī)型號：松下電機(jī)MQMA 200W ，額定轉(zhuǎn)矩0.64N m ，最大轉(zhuǎn)矩，0.91N m ，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，0.4210-4Kg m 2，額定轉(zhuǎn)速3000r/min,最大轉(zhuǎn)速，5000r/min，外形分類A 型。2、 V 帶的選擇該機(jī)械手中大臂擺動和手腕擺動需要選擇V 帶。1）大臂擺動V 帶選擇 計(jì)算功率：P ca =K A P =1.23000=3.6Kw 小帶輪轉(zhuǎn)速：n 1=1000由上述

12、數(shù)據(jù)可以選擇帶型為型；根據(jù)參考文獻(xiàn)【】P155和P157可以選擇小帶輪直徑為：d d 1=100mm 計(jì)算得大帶輪直徑d d 2=id d 1=4100=400mm 驗(yàn)算帶速：v 1=d d 1n 1601000=3.141001000=5.23m /s 符合V 帶選擇標(biāo)準(zhǔn)。 601000中心距的初算：0.7(d d 1+d d 2 a 02(d d 1+d d 2得350a 01000，取a 0=800； 計(jì)算相應(yīng)帶長：(d d 1+d d 2 2L d 02a 0+(d d 1+d d 2 +=1600+785+78.125=2463.1mm 24a 0根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】P146，L d

13、=2240mm 同時查得長度系數(shù) K L =1.06； 計(jì)算中心距：a a 0+中心距的變動范圍： L d -L d 0=688mm 2a min =a -0.015L d =688-33.6=654mma max =a +0.03L d =688+67.2=755mm 驗(yàn)算小帶輪包角：57.357.31180-（d d 2-d d 1=180-300=155 a 688大于90符合要求。確定帶的根數(shù)：z =P ca P ca 3.6=4根 P r (P 0+P 0 K K L (0.95+0.11 0.931.06 確定帶的初拉力：(F 0 min =500=500(2.5-K P ca +

14、qv 2K zv (2.5-0.93 3.6+0.15.232 0.9345.23=145.2+2.7=147.7N對于新安裝的V 帶初拉力為1.5(F 0 min ，對于運(yùn)轉(zhuǎn)后的V 帶初拉力應(yīng)為1.3(F 0 min 計(jì)算帶傳動壓軸力：2=24147.7sin 77.5=1148.1N F P =2zF 0sin 12）手腕擺動的V 帶的選擇： 計(jì)算功率：P ca =K A P =1.2200=0.24Kw小帶輪轉(zhuǎn)速：n 1=3000由上述數(shù)據(jù)可以選擇帶型為Z 型；根據(jù)參考文獻(xiàn)【】P155和P157可以選擇小帶輪直徑為：d d 1=75mm 計(jì)算得大帶輪直徑d d 2=id d 1=475=

15、300mm 驗(yàn)算帶速：v 1=d d 1n 1601000=3.14753000=11.775m /s 符合V 帶選擇標(biāo)準(zhǔn)。 601000中心距的初算：0.7(d d 1+d d 2 a 02(d d 1+d d 2得262a 0750，取a 0=400； 計(jì)算相應(yīng)帶長：(d d 1+d d 2 2L d 02a 0+(d d 1+d d 2 +=800+588+87.89=1475.8mm 24a 0根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】P146，L d =1400mm 同時查得長度系數(shù) K L =1.14； 計(jì)算中心距：a a 0+中心距的變動范圍： L d -L d 0=362.1mm 2a min =a

16、-0.015L d =362-21=341mma max =a +0.03L d =362+42=404mm 驗(yàn)算小帶輪包角：57.357.31180-（d d 2-d d 1=180-225=144 a 362大于90符合要求。確定帶的根數(shù)：z =P ca P ca 0.24=1根 P r (P 0+P 0 K K L (0.50+0.04 0.911.14 確定帶的初拉力：(F 0 min =500=500(2.5-K P ca +qv 2K zv (2.5-0.91 0.24+0.111.7752 0.91111.775=17.8+13.8=31.6N對于新安裝的V 帶初拉力為1.5(F

17、 0 min ，對于運(yùn)轉(zhuǎn)后的V 帶初拉力應(yīng)為1.3(F 0 min 計(jì)算帶傳動壓軸力：2=2131.6sin 72=60.1N F P =2zF 0sin 13、 傳動齒輪的計(jì)算對于該機(jī)械手臂，采用標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動。1）小齒輪的計(jì)算選擇齒輪材料、熱處理方式、精度等級機(jī)械手為一般機(jī)械，大小齒輪均選用45號鋼，采用軟齒面，由參考文獻(xiàn)1表8.2查得：小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為217225HBS，平均硬度236HBS ；大齒輪正火處理，齒面硬度162217HBS，平均硬度190HBS 。大、小齒輪齒面平均硬度差為46HBS ，在3050HBS范圍內(nèi)。選用8級精度。初步計(jì)算傳動主要尺寸因?yàn)辇X輪采用軟齒面開

18、式傳動，齒面不會發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，因此初步確定按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪傳動主要參數(shù)和尺寸。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 m 壓力角的選擇由機(jī)械原理可知增大壓力角，齒輪的尺厚及節(jié)點(diǎn)處的尺廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角=20齒數(shù)z 的選擇若保持齒輪傳動的中心距a 不變，增加齒數(shù)，除能增大重合度、改善平穩(wěn)性外，還可減小模數(shù)降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。另外降低齒高還能降低滑動速度，以減少磨損及膠合的危險。但模數(shù)小了齒厚隨之減薄，則要降低齒輪的彎曲強(qiáng)度，不過在一定的齒數(shù)范圍內(nèi)尤其是當(dāng)承載能力主要取決于齒面接觸強(qiáng)度時，以齒

19、數(shù)多一些為好。初選小齒輪z 1=17 設(shè)計(jì)要求中齒輪傳動比i =i 25=6.25，故 i 14z 2=iz 1=6.2517=106.25圓整后，并保證其互質(zhì)，取z 2=106，此時傳動比誤差=|i -i 06.25-106/17|100%=|100%=0.23%5% i 6.25小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T 1T 1=9.55106=9.55106P 1n 13.42 1000/4=1.2105N mmP 1=12P m =0.960.993.6=3.42Kw式中1帶輪的傳動效率 2對滾動軸承的傳遞的功率載荷系數(shù)K v 的確定由于v 值未知，K v 不能確定，故可初選K = 1.1 1.8 ，這里初

20、選K = 1.3 齒寬系數(shù)d 的確定由參考文獻(xiàn)【1】表10-7，選取齒寬系數(shù)d =0.95齒形系數(shù)Y Fa 和應(yīng)力修正系數(shù)Y Sa由參考文獻(xiàn)【1】表10-5查得齒形系數(shù)Y Fa 1=2.97，Y Fa 2=2.18 應(yīng)力修正系數(shù)Y Sa 1=1.52，Y Sa 2=1.79重合度系數(shù)Y 的確定對于標(biāo)準(zhǔn)外嚙合齒輪傳動，端面重合度 11=1.88-3.2(+z 1z 2式中 z 1、z 2齒數(shù)把z 1= 17 ，z 2 = 106，代入上式得=1.88-3.2(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，確定 1111+=1.88-3.2(+ =1.66 z 1z Y =0.25+0.75=0.25+0.75=0.702 1.

21、66許用彎曲應(yīng)力的確定F =K N F lim S F式中F lim 計(jì)入了齒根應(yīng)力修正系數(shù)之后, 試驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力；當(dāng)齒輪雙側(cè)工作時圖中時值乘以0.7S F 安全系數(shù)；與疲勞點(diǎn)蝕相比，斷齒的后果更為嚴(yán)重，所以，一般取S F =1.25由參考文獻(xiàn)【1】圖10-20彎曲疲勞極限應(yīng)力F lim1=240MPa ，F(xiàn) lim2=170MPa由參考文獻(xiàn)【1】，取安全系數(shù)S F =1.25小齒輪與大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可按下式計(jì)算N =60njL hn 齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；J 齒輪轉(zhuǎn)一周，同一側(cè)齒面嚙合的次數(shù)； 式中L h 齒輪的工作壽命，h （小時）代入數(shù)值，分別有N 1=60n 1jL

22、 h =60n m jL h 6010001525028=3108 i 14N 13108N 2=4.8107 i 6.25由參考文獻(xiàn)【1】圖8.30 得，彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)K N 1=K N 2=1.0 故彎曲應(yīng)力F 1/MPa =K N 1F lim11.0240=192 S F 1.25F 2/MPa =K N 2F lim21.0170=136 S F 1.25Y Fa 1Y Sa 12.971.52=0.0235 F 1192Y Fa 2Y Sa 22.181.79=0.0287 F 2136所以Y Fa 1Y Sa 1Y Fa 2Y Sa 2=0.0287 =F F 2初算模數(shù) m

23、t 計(jì)算載荷系數(shù)K =2.27 設(shè)計(jì)要求機(jī)器工作平穩(wěn)，由參考文獻(xiàn)2表8.3查得K A =1.0v /(m s -1 =d 1n 1601000=mz 1n 1601000=3.142.61171000/4=0.58 60000由參考文獻(xiàn)【1】圖10-8得動載荷系數(shù) K v =1.1由參考文獻(xiàn)【1】表10-4得齒向載荷分布系數(shù) K =1.06由參考文獻(xiàn)【1】表10-3得齒間載荷分布系數(shù)K =1.1，則K =K A K V K K =1.01.11.061.1=1.28K 值與初取的K t = 1.3差距很小，不須修正修正 mm /mm =m =2.61=2.60 由參考文獻(xiàn)【1】公式10-10b ，圓整取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)3。計(jì)算傳動尺寸中心距a /mm =m (z 1+z 2 3(17+106 =184.5 22中心距圓整至185， 滿足條件。d 1/mm =mz 1=317=51d 2/mm =mz 2=3106=318b =d d 1=0.9551=48.45mm取b 2=b =48.45mm ，取b 2=50mm ，b 1=55mm2）大齒輪結(jié)構(gòu)尺寸的確定齒輪結(jié)構(gòu)型式的確定齒頂圓直