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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 34 頁 共 34 頁
目 錄
第1章 緒論 …………………………………………………………………………2
1.1 機器手概述………………………………………………………………………2
1.2 機器手的歷史、現(xiàn)狀……………………………………………………………4
1.3 機器手的發(fā)展趨勢………………………………………………………………5
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗機傳動機構(gòu)強度計算 ………………………6
2.1電機的選擇 ……………………………………………………………………6
2.2 一級減速器（蝸輪蝸桿減速器）………………………………………………6
2.3 二級減速器（V帶減速器）……………………………………………………16
2.4 傳動機構(gòu)的各桿應力計算 ……………………………………………………17
2.4.1 曲柄參數(shù)計算……………………………………………………………… 17
2.4.2 連桿參數(shù)計算……………………………………………………………… 18
2.4.3 擺桿參數(shù)計算……………………………………………………………… 19
第3章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗機傳動機構(gòu)機構(gòu)設計………………………20
3.1 傳動機構(gòu)整體組裝結(jié)構(gòu)……………………………………………………… 20
3.2 傳動機構(gòu)個零件結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………… 21
3.2.1 機架的結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………………… 21
3.2.2 曲柄的結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………………… 22
3.2.3 連桿的結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………………… 23
3.2.4 擺桿的結(jié)構(gòu)設計…………………………………………………………… 24
3.2.5伸縮手臂的結(jié)構(gòu)設計……………………………………………………… 26
3.2.6連接件的結(jié)構(gòu)設計………………………………………………………… 27
3.2.7總裝配三維實體圖………………………………………………………… 29
第4章 總結(jié)…………………………………………………………………………30
4.1 所完成的工作………………………………………………………………… 30
4.2 設計經(jīng)驗……………………………………………………………………… 30
4.3 誤差分析……………………………………………………………………… 30
4.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………………… 31
致 謝…………………………………………………………………………………31
參考文獻…………………………………………………………………………… 33
第1章 緒論
1.1機器手概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。
“工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。
機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。
簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。
機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除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。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。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。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。
要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
圖1-1 機器人的一般組成
對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機器人各組成部分之間的關(guān)系
機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。
1.2 機器手的歷史、現(xiàn)狀
機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。
第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。
目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。
美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：
（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。
“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。
我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。
1.3機器手的發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人；
開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；
研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗機傳動機構(gòu)強度計算
2.1電機的選擇
蝸桿的傳動比，蝸桿為下置式：
故電動機可取轉(zhuǎn)速范圍為，符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，所以選型號Y160L-8，滿載轉(zhuǎn)速為720r/min。其主要技術(shù)參數(shù)見下表 2-1。
表 1 Y160L-8的技術(shù)參數(shù)
型號
功率（kW）
轉(zhuǎn)速
（）
效率
（％）
功率因數(shù)
）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)電流
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
Y160L-8
7.5
720
86
0.75
2.0
5.5
2.0
2.2一級減速器（蝸輪蝸桿減速器）
總傳動比:
蝸桿采用45鋼，表面硬度45HRC以上，蝸輪材料采用ZCuSn1091，砂型鑄造。
⑴ 許用接觸應力
式中，t－工作壽命，h，取180000
根據(jù)N由簡明機械手冊圖6-5-56查得 =1.1.許用接觸應力=··=220×0.87×1.1=210.54MPA
由圖6-5-55查得=0.87
⑵ 計算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩 T2
⑶ 計算渦輪蝸桿的中心距a
使用系數(shù):查表6-6-51得
彈性系數(shù)：根據(jù)蝸輪副材料查表6-6-55得，
壽命系數(shù)：
接觸系數(shù)：由曲線圖表6-6-67得：
接觸疲勞極限：由表6-5-67得：
解除疲勞安全系數(shù)
中心距：
取a＝220mm
⑷ 蝸桿尺寸
蝸桿頭數(shù)：
蝸輪齒數(shù)：
模數(shù)：
，取m＝5
分度圓直徑：
查表 五 取標準值
表 2 普通圓柱蝸桿傳動的m和d1搭配值
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
1
18
2.5
(22.4)
4
40
6.3
(80)
1.25
20
28
(50)
112
22.4
（35.5）
71
8
（63）
1.6
20
45
5
(40)
80
28
3.15
（28）
50
(100)
2
(18)
35.5
(63)
140
22.4
（45）
90
10
(71)
(28)
56
6.3
(50)
90
35.5
4
（31.5）
63
(112)
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
蝸桿齒寬：
蝸桿模數(shù)增長20mm所以b1=119mm
蝸桿導程角：
，
⑸ 蝸輪尺寸
分度圓直徑：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
外圓直徑：
蝸輪齒寬：
蝸桿圓周速度：
相對滑動速度：
當量摩擦系數(shù)：由表6-5-67查得
螺距：
圖 2-1 渦輪事實物圖
2.2.1 蝸輪減速器的校核
2.2.1.1 蝸桿的強度校核
⑴ 接觸應力強度
最大接觸應力：
故所以合格
蝸桿軸擾度驗算：
軸慣性矩
允許蝸桿擾度
蝸桿軸擾度
故渦輪軸撓度合格
蝸桿軸聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔＝40mm，L1＝84mm，L=112mm
鍵
蝸桿軸的校核：
圖 七 蝸桿軸的彎扭矩圖
蝸桿上的轉(zhuǎn)矩
作用在蝸桿和蝸輪上的力
圓周力：
軸向力：
徑向力：
垂直面上的支承反力：
水平面的支承反力：
繪垂直面的彎矩圖：
繪水平面的彎矩圖：
求合成彎矩：
該軸所受扭矩為：
按彎矩合成應力校核軸的強度
2.2.1.2 蝸輪軸的強度校
蝸輪軸的校核：
圖 2-4 蝸輪軸的彎扭矩圖
垂直面上的支承反力：
水平面的支承反力：
繪垂直面的彎矩圖：
繪水平面的彎矩圖：
求合成彎矩：
該軸所受扭矩為
按彎矩合成應力校核軸的強度：
故，渦輪軸的強度滿足條件
2.2.2 渦輪軸健的校核
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔＝40mm，L1＝86mm，L=114mm
鍵
蝸桿軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩
選取LX6型彈性柱銷聯(lián)軸器，
蝸桿軸上零件的周向定位：
蝸輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接，平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為70mm，蝸輪與軸的配合
半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵，半聯(lián)軸器與軸的配合，軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，選軸的直徑公差為s6。
查表 六 得=120MPa
表 3 健連接的許用壓力
許用擠壓應力許用壓力
連接工作方式
健、軸的材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
靜連接
鋼
120～150
100～120
60～90
鑄鐵
70～80
50～60
30～45
動連接
鋼
50
40
30
2.3二級減速器（V帶減速器）
2.3.1 大輪與小輪直徑的確定
選定的電機的轉(zhuǎn)速為720轉(zhuǎn)/分，一級減速器的傳動比為36，為達到試驗機的曲柄轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分。故二級減速器選擇傳動比為5的帶傳動減速器。
i =D1D2
帶型 小帶輪基準直徑 小帶輪在720（r/min）的轉(zhuǎn)速
Z型 50（mm） 0.09
故選大輪直徑為250mm
2.3.2 中心距的計算
對于V帶傳動，中心距a一般可初取a0，為
0.7D1+D2
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