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1、SHANGqiUJMSTITLTFOFTECIiNOLOGY 商丘 2016-JX-SJ 工學院 080202-115 本科畢業(yè)設計 一種吸盤式搬運機械手的設計與研究 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 4112020407 學生姓名 周成 指導教師 張保恒高威 提交日期 2016年05月23日 誠信承諾書 本人鄭重承諾和聲明： 我承諾在畢業(yè)論文撰寫過程中遵守學校有關規(guī)定，恪守學 術規(guī)范，此畢業(yè)設計中均系本人在指導教師指導下

2、獨立完成，沒 有剽竊、抄襲他人的學術觀點、思想和成果，沒有篡改研究數據，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，如有違規(guī)行為發(fā)生我愿承擔一切責任，接受學校的處理，并承擔相應的法律責任。 畢業(yè)設計作者簽名： 年月 根據工廠的實際環(huán)境和自動化設備的布局，設計了六個自由度的關節(jié)型吸盤式搬運機械手，它基本能夠到達空間的任意位置，實現物品的準確轉移。通過查閱相關資料，結合各方面的因素，確定了機械手的總體設計方案，通過相關的技術參數的查閱，確定了手臂、吸盤等參數的標準化。在此基礎上通過采樣、分析、計算、校驗，確定了各部件的結構尺寸，以及電機、減速器規(guī)格的選擇。 通過solidworks軟件，根據

3、相關尺寸的大小，繪制出機械手的三維實體模型,并且繪制出相應的工程圖。對吸盤機械手進行運動學分析及手臂的位移、速度、加速度等運動仿真，模擬出機械手的運動軌跡，繪制出機械手的運動參數曲線圖，并能夠實現物品迅速準確轉移到目的地的動作。 關鍵詞：吸盤式關節(jié)型機械手；機器臂結構分析；結構設計；三維設計；運動學仿真 ASTRACT Accordingtothelayoutoftheactualplantenvironmentandautomationequipment,thedesignofthesixdegreesoffreedomarticulatedsuctioncuptypemanipula

4、tor,whichcanbasicallyarriveatarbitrarylocationinspace,torealizetheaccuratetransfer.Throughaccesstorelevantinformation,combinedwithvariousaspectsoffactors,todeterminetheoveralldesignschemeofthemanipulator,throughaccesstorelevanttechnicalparameterstodeterminethearm,standardizationofdiskparameters.Onth

5、isbasis,throughsampling,analysis,calculationandvalidation,todeterminethestructuresizeofeachcomponent,andthemotor,decelerationdevicespecification. BySolidWorkssoftware,accordingtothesizerelatedtothesizeofthedrawthethree-dimensionalentitymodelofthemanipulator,anddrawthecorrespondingengineeringdrawing

6、s.Themanipulatorsuckerforkinematicsanalysisandarmofthedisplacement,velocityandaccelerationofmotionsimulation.Simulationofthetrajectoryofthemanipulatordrawmanipulatormotionofparametriccurves,andcanrealizethegoodsquicklyandaccuratelytransferredtothedestinationoftheaction. Keywords:Articulatedmanipula

7、tor；RobotarmstructureanalysisStructuredesign；Three-dimensionaldesign;Kinematicssimulation 1 緒論0 1.1 引言0 1.2 關節(jié)機械手研究概況1 1.2.1 國外研究現狀1 1.2.2 國內研究現狀1 1.3 關節(jié)機械手的總體結構2 1.4 主要內容3 1.5 本章小結4 2 總體方案設計5 2.1 機械手工程概述5 2.2 工業(yè)機械手總體設計方案論述5 2.3 機械手機械傳動原理6 2.4 機械手總體方案設計7 2.5 本章小結8 3機械手大臂部結構設計9 3.1 大臂

8、部結構設計的基本要求9 3.2 大臂部結構設計9 3.3 大臂電機及減速器選型9 3.4 減速器參數的計算10 3.5 承載能力的計算14 3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算14 3.5.2 柔輪疲勞強度的計算15 3.6 本章小結19 4小臂結構設計20 4.1 腕部設計20 4.1.1 手腕偏轉驅動計算20 4.1.2 手腕俯仰驅動計算31 4.1.3 電動機的選擇31 4.2 小臂部結構設計33 4.3 小臂電機及減速器選型33 4.3.1 傳動結構形式的選擇34 4.3.2 幾何參數的計算34 4.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算35 4.4.1

9、 柔輪齒面的接觸強度的計算36 4.4.2 柔輪疲勞強度的計算36 4.5 軸結構尺寸設計37 4.6 軸的受力分析及計算38 4.7 軸承的壽命校核39 4.8 本章小結41 5機身設計42 5.1 步進電機選擇42 5.1.1 計算輸出軸的轉矩42 5.1.2 確定各軸傳動比44 5.1.3 傳動裝置的運動和動力參數44 5.2 齒輪設計與計算47 5.2.1 高速級齒輪設計與計算47 5.2.2 低速級齒輪設計與計算51 5.3 軸的設計與計算54 5.3.1 輸入軸的設計與計算54 5.3.2 中間軸的設計與計算57 5.3.3 輸出軸的設計與計算60

10、 5.4 軸承的校核62 5.4.1 輸入軸上軸承壽命計算62 5.4.2 中間軸上軸承壽命計算63 5.4.3 輸出軸上軸承壽命計算64 5.5 鍵的選擇和校核66 5.5.1 鍵的選擇66 5.5.2 鍵的校核66 5.6 機身結構的設計67 5.6.1 機身箱體材料的選擇67 5.6.2 機身的結構設計及制造工藝67 5.7 本章小結67 6基于solidworks的吸盤式機械手的三維設計與裝配仿真68 6.1 基于solidworks三維建模的介紹68 6.1.1 主要零件的三維實體模型的創(chuàng)建及裝配68 6.2 基于solidworks運動學仿真部分的操作

11、步驟及仿真結果71 6.3 本章小結74 總結與展望76 致謝77 參考文獻78 1 緒論 1.1 引言 機器人，典型的機電一體化產品，多關節(jié)型機器人機械手是研究的一個熱點領域。在機械、電子、信息理論、人工智能、生物學和計算機等領域中，得到了極大的應用和推廣，它具有速度快，效率高，應用范圍廣等多特點，而且具有廣闊的市場和發(fā)展空間。 1959年，世界上第一臺工業(yè)機器人的誕生，機器人開辟了新的發(fā)展時代。多關節(jié)機器人科學技術的飛速發(fā)展，研究和應用的發(fā)展。世界著名的機器人專家，加藤一郎教授，在早稻田大學說：“一個機器人最大的特點，你有需要它的功能”無論是自動化道路腳下程度有多高，這

12、都是復雜的動態(tài)系統。偉大的發(fā)明家托馬斯?愛迪生曾說過這樣一句話：“機器人，對環(huán)境是有益的?！彼泻芎玫倪m應性，它具有非常較高的環(huán)境要求。可以打開無限廣闊的前景，有必要擴大機器人的應用領域。 以下主要是設計機械手的原因和目的：代替了人類勞動，解放了人的雙手，提高了生產率，而且它們是開發(fā)的一種系統，以便它可以在許多結構性和非結構性相配合，更重要的是，使用這些功能，像人性化的服務，需要內在的人性化、系統化。在這方面的研究，可以擴大研究機器人的方向和研究機器人的市場，機器人，如智能機器人，可以起到人工智能和服務人類的重要作用。 關節(jié)機器人，世界上沒有統一的分類，定義是不一樣的。對于近期標準化的聯合

13、國國際組織已經通過美國協會的定義為關節(jié)機械手的機械人：多關節(jié)機器人，搬運為主料，轉移為目的，為了各種工作完成，通過改變動作程序，還需要再編程的多功能操作裝置。外國定義與我們的關節(jié)型機器人有不同的參考定義。 多關節(jié)型機器人，獨立的主體可以放在任何地方，動作的自由度，程序可以靈活地改變，高度自動化機器人。它可用于汽車噴漆、涂料、和貨物搬運、碼垛等方面。 關節(jié)型機器人的臂與主體，相對于人，可以攜帶重物，可以有一個較快的移動速度，有非常高的定位精度，它是自動的，可以執(zhí)行各種操作，它可以是一個外部信號執(zhí)行單元。 多關節(jié)型機器人是在計算機控制下的可編程自動化的機器。能夠提高產品的質量和勞動生產率，在

14、生產過程，多關節(jié)機器人是自動化的，在通過改進，改善工作條件下，它是降低了勞動強度的有效手段。機器人誕生和發(fā)展，雖然只有30多年的歷史，但是在一個國家經濟領域中，機器人已經應用于民用工程中，顯示了強大的生命力，未來的發(fā)展不可估量，需要我們進一步努力，開創(chuàng)美好的未來。 1.2 關節(jié)機械手研究概況 1.2.1 國外研究現狀 人類和動物的運動原理的第一個系統研究使邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設定的觸發(fā)相機，并在1877年他成功地驗證了他的假定。后來，使用這種方法的相機是用來研究人體運動Demeny從1933到195孫，蘇聯也伯恩斯坦也深入研究，從人類和動物動力機制的角度看，并提出的理論非常形

15、象化的描述人類和動物的運動機制。 真正研究機構運動的大多是全面研究，系統于1960年推出至今，比較完整的理論體系的形成，并在一些國家，如日本，美國和蘇聯已成功開發(fā)，可以是靜態(tài)或動態(tài)的多臂樞軸原型得到發(fā)展。 在20世紀60年代和70年代，武裝多搬運運動控制理論產生三種類型的控制方法這是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的搬運機械手都是適用的。國家控制是在1961年提出的模型的參考， 于197/由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇正式提出，該算法是由著名的南斯拉夫研究所米哈伊爾？羅多搬運運動學專家鮑賓Vukobratovic博士在1969-1972年

16、的教堂中提出。這三種類型的控制方法和他們之間的存在內在關系。有限狀態(tài)控制實質上是一個控制參考模型，并且該控制算法得到了證實和應用。 在搜索步態(tài)中，蘇聯Bessonov^口Umno虻義“最佳步態(tài)”，Kugushev和美國Jaro-shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應，而且要適應胳膊多和腿多的機器人。在這些中，對于自由路徑的步驟，有他的的條件和規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多搬運，下一步應放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應通過步驟以便攀登者去通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。 穩(wěn)定性研究手臂動作的多搬運，美國Hemam,i該提議的穩(wěn)定性和系統的控制的

17、簡化模型作為振蕩器，反轉（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題中為了向前運動。此外，為了減少考慮，Hemamfc研究手臂運動的多搬運“減少型”問題上進行了復雜性研究。 此前我們指出了系統的Vukobratovic還能進行能量分析，但它的力量是有限的，搬運隨時間的整個系統的變化，并沒有太多涉及這個問題。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個有用的結論，即平滑的姿態(tài)，人型系統所消耗的功率就越少。隨著社會的發(fā)展，需求的增加，和實際問題的待解決，國外相繼研究出各種機器人，并且已經很好地應用于各個領域，得到了很好地發(fā)展。 1.2.2 國內研究現狀 國內目前機器人起步較晚，我國自1

18、980年以來，在體育領域的多臂機器人的共同研究和應用下。1986年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動搬運臂，中國的高科技“863”研究項目中的水平運動臂產生于1987年。目前也在積極研發(fā)，中國移動手臂的研究和開發(fā)主要與高校和科研院所合作。 由于我國機器人產業(yè)還很薄弱，機器人研究仍然任重而道遠。我國市場上機器人總共擁有量近萬臺，僅占全球總量的0.56%,其中完全國產機器人行業(yè)集中度僅為占30%其余皆為從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動化成套裝備產業(yè)成為當務之急，由于機器人是最典型的機電一體化、數字化裝備，技術附加值很

19、高，應用范圍很廣，作為先進裝備制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產業(yè)，將對未來生產和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預測，機器人產業(yè)是繼汽車.計算機之后出現的一種新的大型高技術產業(yè)。隨著我國企業(yè)自動化水平的不斷提高、人民生活需求水平的提高，機器人市場也會越來越大，這就給機器人研究、開發(fā)、生產者帶來巨大商機，目前中科院常州中心常州機械電子工程研究所致力于機器人及智能裝備技術的開發(fā)。 我國機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快機器人技術的研究開發(fā)與生產是我們抓住這個機遇的機會。目前，國際制造業(yè)中心正向中國轉移，用信息化帶動工業(yè)化、用高新技術改造傳

20、統產業(yè)已成為中國制造工業(yè)發(fā)展的必由之路。我國要大力發(fā)展制造業(yè)，必須科技創(chuàng)新，與時俱進，開創(chuàng)美好的未來，未來機器人的發(fā)展是不可估量的，具有非常好的廣闊前景。 這次研究的吸盤式搬運機械手主要由類似人的手和臂組成，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 1.3 關節(jié)機械手的總體結構 關節(jié)機械手的組成及各部分關系概述如圖所示: 1.3機械手的組成和相互關系 它主要由機械系統（執(zhí)行系統，牽引系統），探測系統和智能控制系統組成。 1 .執(zhí)行系統：共用部分的執(zhí)行系統部門，機械零件最全面的定

21、義，以必要的各種運動，包括手，手腕，來獲得身體。 A.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的零件直接用于執(zhí)行動作。 8 .手腕，手和臂的連接，具有安排作為任務或工作的端部的方向的改變。 C.臂和連接的手匹配，手腕支撐身體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化可以滿足多個搬運，基座里電動機可以提供動力傳輸。 D:機身，多較接臂，支撐輾，由臂部件支承，并具有使臂轉動，起重或傾斜運動的特性。 2 .驅動系統：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動，用作機械傳動， 3 .控制系統：驅動控制系統，根據該系統的工作，可以把故障報警或錯誤的信號通過顯示器顯示出來，并能及時作出反應控制機器正常運

22、行。 4 .檢測系統：經由各種傳感裝置，控制運動檢測裝置，反饋給系統，保證運動無誤， 實踐證明，該關節(jié)機器人可以取代繁重的體力勞動，可以顯著減輕勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平，也可以提高我們工業(yè)化水平，并且符合我們國家“工業(yè)10.0”的政策。 1.4 主要內容 第1章緒論主要介紹機械手的相關知識和本課題研究的任務和要求. 第2章總體方案設計，介紹該機械手各部分的相關知識和總體設計. 第3章機械手各部分設計的介紹 第4章機械手結構設計 第5章機身合理參數的選擇 第6章基solidworks進行三維模型設計及運動分析與裝配仿真 1.5 本章小結 介紹了國內

23、外機器人的發(fā)展史，闡述了關節(jié)機器人的總體結構。隨時代進步各國展開研究機器人的浪潮，比如德國工業(yè)4.0,我國隨后也提出了符合我國國情的 ”工業(yè)10.0”的政策。 2總體方案設計 2.1 機械手工程概述 它是一個技術集成的學科，涉及計算機技術和自動化技術等領域，在機制，機械，氣動，液壓技術，檢測技術等領域有了發(fā)展。手臂多搬運運動的設計，例如系統工程，應作為一個綜合的方法來設計系統，共同致力于系統的研發(fā)和創(chuàng)新。 一個復雜機械系統，可結合多個子系統，它是一個不可分割的整體。系統必須具有以下特征： 1 .完整的機械系統由幾個子系統并且具有不同的整體性能的特定功能。 2 .子系統之間要有機聯

24、系，不可獨立。 3 .每個目標系統必須具有明確的目標和系統的功能，結構，功能，目標和手段， 把系統的各個子系統結合起來。 4 .系統對環(huán)境的適應在某些情況下，我們必須能夠適應外部環(huán)境中的變化。 所以，在設計機器人時，不僅要注重搬運機器人系統的整個部件設計，還要考慮到單個部件的設計，要把他們緊密聯系起來。 2.2 工業(yè)機械手總體設計方案論述 （一）確定負載 目前，國內工業(yè)多用運動搬運臂，負載能力最小額定負載5N或更小范圍，最多的為9000No這次設計白機械手為5公斤負荷。 負載的大小主要取決于運動的作用力和機械接口上多搬運臂的運動方向。下臂應該包括端部執(zhí)行器，根據相關參數和計算得

25、出，這是一個小負荷的機械手。 （二）驅動系統 由于伺服電機具有良好的控制性能，具有靈活性好，體積小，效率高，適用于運動控制沒有影響的精確控制小臂運動的機器人，因此，我采用了伺服電機。 （三）傳動系統 臂傳遞機構的機械運動通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，齒輪和諧波傳動等作為傳動載體，由于齒輪傳動具有效率高，準確，結構緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，因此選用齒輪傳動。 （四）工作范圍 操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是與工作空間的大小相關，其每個臂的自由操縱器公共軸線的長度和所傳動軸的相適應。 （五）運動速度 每個較接機械臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個

26、操作的時間的，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（m/s）的，每個運動時間分配考慮到許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。操作時間的分配也必須考慮慣性 的大小以及驅動控制，定位和精度要求 2.3 機械手機械傳動原理 該方案結構設計與分析 該關節(jié)機械手的本體結構組成如圖所示: 1-底座2-大臂3-小臂4-手腕5-吸盤6-工件 所描述的為下列方式的組件和功能： 基本單位： 基座構件包括底座，齒輪傳動件，軸承，步進馬達。基本作用是支持構件，所述支承構件旋轉臂，能夠承受的工作負載，所述臂必須具有足夠的強度，剛度和負荷能力。止匕外，該臂也需要一個足夠大的安裝基礎

27、，以確保在工作場所搬運機器人的穩(wěn)定運行。 搬運機器人臂，通常會導致驅動臂運動（例如，液壓，氣動或一個馬達）和一個驅動源（例如，燃料箱，燃料箱，齒輪齒條機構，連桿機構，螺旋機構或凸輪機構等各種運動臂組成的組件）。 手臂分為大臂和小臂。組成如下：動臂、齒輪件，驅動電機。在臂構件中：臂,驅動軸，皮帶等，固定到步進電動機的一端。腕部分：包含殼體，傳動齒輪和軸，和所需機械接口。 2.4 機械手總體方案設計 它是機器人形結構，并調整圓柱形結構，球面坐標的結構，該多接頭結構和它們的相應特征中的每一個一致，如下所述。 1 .直角坐標結構 運動空間直角坐標機器人，它是落實到閉環(huán)位置控制的線性運動，

28、由如圖2-1所示，直角坐標機器人可以達到非常高的位置，實現各有三個其他存在的垂直的直線運動精度。然而，直角坐標機器人相對于其他機器人的結構，還算比較小的。因此，為了實現恒定的空間運動，必須調整好其內部架結構。 直角坐標機器人的工作區(qū)是矩形空間。直角坐標機器人主要用于組裝和搬運，直角坐標機器人它具有懸臂門，起重機等類型的結構。 2 .圓柱坐標結構 如在圖2-1(b)中，如圖所示，調整直線運動并實現旋轉運動。這種機器人的結構相對簡單，并且能夠在一般精度操作中使用。它的工作空間是圓柱形的空間。 3 .球坐標結構 如圖2-1(c)中，該空間的運動是球形坐標機器人的運動，實現兩個旋轉運動的。這

29、個簡單的機器人結構，成本低，精度不高。但他們的工作空間是球形的空間。 4 .搬運型結構 如圖2-1(d)所示，為了實現一個空間移動搬運機器人包括三個旋轉運動。搬運機器人的運動是靈活，結構緊湊，占地面積小的運動方式。這種機械手是廣泛焊接，涂裝，搬運，組裝，它是在工業(yè)中使用。 (b)圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型 搬運型機械手結構，有水平搬運型和垂直搬運型兩種。 (a)直角坐標型 圖2-2四種機械手坐標形式 根據任務書和具體要求，我選擇了關節(jié)型(d)。 機器人的工作范圍是很大的，并且運動靈活，通用性好，結構更緊湊，其特征如下： 用途：物料搬運 自由度數目：6(腰部

30、回轉、大臂轉動、小臂轉動、小臂回轉、腕部擺動、腕部回轉) 坐標形式：垂直關節(jié)坐標型 額定負荷質量(不含末端執(zhí)行器)：10kg(15kg) 最大工作半徑1450mm(1500) 手臂最大中心高1200mm(1000) 本體自重小于160kg(200) 表2-1各關節(jié)回轉范圍和最大工作轉速 圍(o) 工作轉速 r/min rad/s o/s 腰部回轉關 節(jié) 士150(300) 10 1.05 60 大臂轉動關 節(jié) ±110(150) 10 1.05 60 小臂轉動關 節(jié) +170,-150 (±180) 10 1.05 60 小臂回

31、轉關 節(jié) 士180(360) 20 2.1 120 腕部擺動關 節(jié) 士130(120) 20 2.1 120 腕部回轉關 節(jié) ±360 30 3.14 180 2.5 本章小結 為了確定解決方案，提出多種方案并驗證后，確定了機器人系統的各個部件，包括：機器人機身、大臂、小臂、手腕、和端部的執(zhí)行器，并做了詳細的分析和設計。 3機械手大臂部結構設計 3.1 大臂部結構設計的基本要求 臂部件的主要作用是聯接著手，帶領他們騰出運動。我這次設計成一般臂的基本要求如下。 1 .手臂，要剛度好，重量輕 2 .在臂的速度高時，也有小的慣性 為了減小轉動慣量

32、，必須采取以下措施。 3 A)降低臂的重量通過使用鋁等輕質高強度材料。 4 B)減少手臂運動部件的總體尺寸 5 C)減少轉彎半徑 6 D)驅動系統中設有緩沖裝置 7 .運動的臂是靈活的。 為了運動平穩(wěn)，運動臂部件之間的摩擦力盡可能減小。 8 .位置精度要高。 為了減少電機負載的底部接頭，減少了臂的重量，以確保它能夠提高機器人手臂的動態(tài)響應，一方面，采用薄鋁合金構件設計。二是采用砂型鑄造設計，“最小厚度可以是"澆鑄，取決于不同類型的尺寸和合金鑄件，具體見表3-1所示： 表3-1砂型鑄造鑄件最小壁厚(mm 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄 鐵 可鍛鑄 鐵 鋁合金

33、銅合金 <200>200 5~8 3~5 4~6 3~5 3~3.5 3~5 200>200~500>500 10~12 4~10 8~12 6~8 4~6 6~8 >500X500 15~20 10~15 12~20 — — — 它是簡單地砂鑄造結構設計，鑄造結構對應于每個不同的鑄件應根據各個特性來設計。在這次設計中，使用鑄鋁外殼手臂。具體尺寸，請參閱總裝圖。 3.2 大臂部結構設計 大臂殼體采用鑄鋁，方形結構，質量輕，強度大 3.3 大臂電機及減速器選型 假設小臂及腕部繞第二搬運軸的重量： M2=2KgM3=4Kg J2=M2L

34、42M3L52=10.097240.19422=0.16kg.m 大臂速度是10r/min,則旋轉開始時的轉矩用以下式表達：：T=Jm- 式子里，T-旋轉開始時轉矩N.mJ---轉動慣量kg.m2 -----角加速度rad/s2 使機械手大臂從。0=0至上1=60"s需要的用時：M=0.1s則： /3 (3.4) 10N.m為起動 (3.5) T1=J1-J10=1.46——=7.64N.m t0.1 鑒于機器人手臂的轉動慣量的摩擦轉矩軸的各個部分，開始轉動轉矩，可以假設安全指數為2,輸出的諧波減速器最小轉矩為： T01=2T=215=20N.m 設得諧波減速器：

35、⑴型號：XB3-50-120（XB3型扁平式諧波減速器）額定輸出轉矩：20N.m減速比：i1=120 設諧波減速器的的傳遞效率為：n=90%,步進電機應輸出力矩為： Tout1=—01=———=0.185N.m（3.6） i1200.9 設得BF反應式步進電機 型號：55BF003 靜轉矩：0.686N.m 步距角：1.5 3.4減速器參數的計算 剛輪、柔輪的材料都是鍛鋼，小齒輪用45#的材質，硬度250HBS。 剛輪材料為45鋼（調質），硬度220HBS。 1 .齒數的確定 柔輪齒數：Zr=ui=2100=200 剛輪齒數：Zq=u?Zr=2-200=202g1

36、已知模數：m=0.5mm,則 柔輪分度圓直徑：dr=mZr=0.5200-100mm 鋼輪分度圓直徑：dg=mZg=0.5202=101mm 柔輪齒圈處的厚度： 、1=(75Zr4)dr104=(752004)100104=1.25mm 重載時，為了增大柔輪的剛性，允許將61計算值增加20%,即 、.1-1.251.20-1.5mm 柔輪筒體壁厚：-=0.7:1=0.71.5=1.05mm 為了提高柔輪的剛度，取、：=1.2mm 輪齒寬度：B=0.15dr=0.15100=5mm 輪轂凸緣長度：C=(0.2?0.3)B=(0.2?0.3/15=3?4.5mm取C=4mm

37、柔輪筒體長度：L=(0.8?1.2)dr=(0.8?1.2)父100=80?120mm，取L=100mm 輪齒過渡圓角半徑：rm=0.5mm 為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取r=3mm 2.嚙合參數的計算 由于采用壓力角4=20,的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數請看以下式子。 因齒輪扭矩的因素，使齒輪間隙減小的值為： Cnm=MmaxLdrB=野生(扭轉彈性模數G=80GPa)jG2LDrG 式子里，：Mmax_2M=2250=500Nm-500103Nm C 7nm =0.00781mm 50010315 10021.280103 W。/m=0.89+8X10-

38、5X乙+2Cnmax/m 為了消除在Mmax的情況下進入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側隙Cnmax大于 齒輪扭轉減小的側隙Cnm,還應保證存在有側隙值Cn0式子里，：Cn0=4104(i-60)m c=cc? Jnmax^nmv-,n0 n max ■04c 徑向變形系數：—=0.898104Zr2m M：Cn0=4104(100-60)0.5=0.008mm Cnmax=CnmCn0=0.007810.008=0.0158mm 徑向變形系數: 0$0,0158 —=0.8981020020.9692 m0.5 柔輪的變位系數： xr ■ 'o 1.35

39、- 0 m 0.85 0.04 3乙 1.35 -0.9692 —— 二 3.61 0.85 3 - 0.04 3 200 剛輪的變位系數: .，0 Xg=Xr(-0-1)=3.61(0.9692-1)=3.58 m 驗算相對嚙入深度： hn-'0-0J3 n=4--2.48-(4.6-4—0)10Zrmmm _____3_____ =40.9692-2.48-(4.6-40.9692)102001.2521 如果計算找出的生下2,繼續(xù)計算，設得2。如果出現生＜1,為了傳遞動力，應適mm 當增加Cnm值重新計算，使^^1。m 柔輪齒根圓直徑： D

40、fr=Dr-2m(haC-Xr)=100-20.5(10.35-3.61)=102.26mm 式子里，齒頂高系數ha*=1;徑向間隙系數C*=0.35 柔輪齒頂圓直徑： __hcp Dar=Dfr2(」」)m=102.262(1.2520.25)0.5=103.76mmmm Cc 式子里，（找到相應表格設出上=0.25） m 相對嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數之和應符合兩個不等式驗算公式。 hnCp? n—<2hacmm (生4- mm 1252+0.25=1.502<2^1+0.35=2.35即:[(1.252+0.25)父0.5=1.125E1.5 剛輪齒頂圓直

41、徑： h Dag=Dar2(」)m—2(」)m=103.7620.96920.5-21.2520.5=103.48mmmm 剛輪齒根圓直徑： 1 設出插齒刀齒數Zc定-Zg%101,插齒刀變位系數Xc=0,插齒刀原始齒形壓力2g 角a0=20:WJtan20 即：1 (105.36 -103.76)-0.9692 0.5 =0.32 0.15 0.5 =0.075 可見沿波發(fā)生器長軸，在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 滾珠直徑：d0 =(0.008 ~ 0.10)Dn =0.3640,cos20°=0.9397,inv20

42、'=0.0149 剛輪和插齒刀的制造嚙合角： Xg-Xc-.3.58-0-f.ccc…r inv：cq=2tan：0inv：0=2tan20inv20=0.0407 Zg-400202-101 gc 找到漸開線函數表和三角函數的表格設出acq=27.521cos27.52:=0.8868 cg 那么剛輪和插齒刀的制造中心距： m(Zg-Zc)cos：00.5(202-101)0.9397 ===26.76mm 2cos：cg20.8868 插齒刀的齒頂圓直徑: Dac=mzc2m(hac)=0.510120.5(10.35)=51.85mm 剛輪齒根圓直徑：Dfq=

43、2%,Dac=226.76,51.85=105.36mmgcgac 驗算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙： 1 ff‘0 -(Dfg-Dar)-(^)m-0.15m 2 m 柔輪齒圈處的內徑：Dn=Dr=100mm 那么：Dn=Dr=100mm 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的 ai￡161-幾 %=O.O5d0=0.058=0.4mm a1M1.6、1-幾=1.61.5-0.4=2mm 軸承內環(huán)厚度：a2H1.8、1=1.81.5=2.7mm 內環(huán)滾道深度：h2=0.1d00.5bl=0.180.50.4=1mm 式子里的0.5幾是考慮到外環(huán)無

44、滾道而內環(huán)滾道加深量。 軸承內外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬B=15mm 軸承外環(huán)外徑：Dn=Dr=100mm d=Dn-2伯⑸仇）d°1 軸承內環(huán)內徑：,1 100-21.2(2.7-0.8)8.1-76mm 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 _二d-4e 則凸輪圓弧半徑：Rt=—— 式子里，e是偏心距：e = dg -dr 3.14 101-100 2-二 X 3.14-2 =1.38mm (dg---剛輪分度圓直徑，dr---柔輪分度圓直徑) 3.1476-41.38 2 3.14 貝U凸輪圓弧半徑：Rr=二37.1237

45、mm 凸輪短半軸：b=Rt=37mm 3.5 承載能力的計算 3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 按照柔輪直線的諧波傳動齒輪和剛性輪的特性。因此，通過工作表面齒側的最大接觸應力，主要的負載能力的實際諧波驅動的限制軟。因此，諧波傳動齒輪齒的軟邊，應符合下列條件的接觸強度： 接觸強度計算公式： 8Mtan:[ r2bk M—輸出轉矩 r---柔輪節(jié)圓半徑 b—柔輪輪齒寬中一剛輪壓力角 k---接觸系數（0.4~0.91） 對于一般雙波傳動，輪齒寬b0.2r許用接觸應力 [oj]49MP 則： 3 8M tan 250 103 8 tan 20 二 r2bk

46、2 3.14 502 15 0.5 =12.36MP : [ - j] 所以滿足齒面的接觸強度要求。 3.5.2 柔輪疲勞強度的計算 柔輪材料采用38CrMoAlA調制硬度229~269。 計算柔輪在反復彈性變形狀態(tài)下工作時所產生的交變應力幅和平均應力為 7E 截面處正應力: CT a 2 Dm 切應力: ■oE。 DmL 由扭矩產生的剪切應力：.m 2M ^Dm?" 其中：(Dm%dr=100mm,L=100mm,co0=m=0.5mm,E=200GPa) __3___9_3 70.510200101.2510 32 (10010)

47、 工_92 0.510200101.2510 =87.5106Pa=87.5MPa 10010飛10010“ _2250 -M___J32__J3 3.14(10010)1.2510 =12.5106Pa=12.5MPa =12.74106pa=12.7MPa 則：a=m=0.5(m)=0.5(12.512.7)=12.6MPa 驗算安全系數: n「n/二一、n(L=;) ；ncn"a 疲勞極限應力: 應力安全系數:  二4=450MPa k；「一2 450- n2.57 287.5 k2 a 02

48、m （.」二0.37；%=0.37850=314.5MPa） 其中, 抗拉屈服極限：Cs =850MPa 剪切應力集中系數: k2=0.7 314.5 n2= 0.712.60.212.6 =27.73MPa 2.57 27.73 = 2.56 [n] = 2 ^■^rrrnTTT 用 ^rrrrrnT TnTTTrr^ ^rTTrnTrnninT 235S0N.snm 圖3-1軸的受力分析圖 n二 2.57227.732 則滿足疲勞強度條件。 軸的計算校核 畫軸的受力分析圖，軸的受力分析圖如圖所示: 已知：

49、作用在剛輪上的圓周力 F于箕…如 徑向力 Fr=Ftan1=943.2tan200=343.3N V 軸向力 = 1003.7N F943.2t- cosjcos20 1）算出垂直面的支撐反力： Ld Fr2-Fa2343244.35-1003.725 F1v二二 L88.7 =-111.3N F2V=Fr—F1V=343.3--111.3=454.6N 2）水平面的支撐反力: F = F 1H 2H 旦=471.6N 2 3）F在支撐點產生的反力: F1F 744.2110.5 88.7 =927.1N F2F=FF

50、1F=744.2927.1=1671.3N 不利的情況考 外力F作用方向與傳動的布置有關，在具體位置尚未確定前，可按 慮，見（7）的計算 4）垂直面的彎矩： L Mav=F2V—=454.644.35=20.1NM2 M'av=F1VL=-111.344.35=-4.9N.M2 5）水平面的彎矩： Mah=EhL=23644.35=10.5N.M 2 6）F產生的彎矩： L MAF=F1F=927.144.35=41.1N.M 2 7）算出合成彎矩： 按最壞的狀態(tài)，把Maf與JmAv+mAh直接相加 Ma=mAvmAh+Maf=20.1220.92 +41.

51、1=70.1N.m M'a=,M'AvMAH+Maf=4.9220.92 +41.1=62.57N.m 8）算出軸傳遞的轉矩：T=2.358104N.mm 9）算出危險截面的當量轉矩其當量轉矩為： Me=Jm；+（uTf 如認為軸的扭切應力是脈動循環(huán)應變力，設折合系數a=0.6,帶入式子得出: Me=JM；：T2”0.120.623.582 =71.51N.m 10）算出危險截面處軸的直徑 軸是45#鋼材，調質處理，從表格14-1找到并設出6B=650Mp,從表格14-3 找到并設出[、?.」b]=60Mpa，則: d_3 _■_._3 71.5110 22.8m

52、m 0.1Jbl--0.160 Me 考慮到鍵槽對軸的消弱，將d值加大5%,由此得出: d=22.8*1.05=24mm<32mm 滿足條件 因a-a處剖面左側彎矩大，同時作用有轉矩，且有鍵槽，故a-a左側為危險截面。 它的彎曲截面系數是: …二d3btd-t2二5036650-62 W 322d32250 43 =1.2510mm 抗扭截面系數為： _叼3bt(d-12i5036M6(50-62 T162d162M50彎曲應力為: =2.5104mm3 3 Mb70.110 一_4 W1.2510 =5.608Mpa 扭切應力為: Ti2.358

53、104 =Z~ W2.510 =0.94Mpa 按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉動的轉軸，轉矩按脈動循環(huán)處理, 故取折合系數a=0.6則當量應力為: 、.e?、b24:.2=5.608240.60.942 =5.721Mpa 從表格找到并設出45鋼，調質處理，抗拉強度極限瓦=640Mpa,則從表格找到并設出軸的許用彎曲應力［"

54、b］=60Mpa,&＜降為］,強度滿足要求。 3.6 本章小結 分析了大臂機構設計，通過計算，合理的選擇了大臂主要結構的技術參數： 電機：55BF003型； 諧波減速器：XB3-50-120; 凸輪波發(fā)生器：雙偏心 校核了剛輪、柔輪的接觸強度和疲勞強度，并滿足設計要求。 4小臂結構設計 4.1 腕部設計 手腕和手，并支持機械臂連接，改變手的姿態(tài)。 手腕的設計要求如下。結構緊湊，重量輕，動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高，材料強度，高剛度，手臂和搬運的手結構合理，傳感器和執(zhí)行器和設備的合理布局安裝。 按自由度分類，工業(yè)用機器人手腕分為兩個自由度和三個自由度。所有的手腕不大，但具有三

55、個自由度，必須根據用于工業(yè)機器人的性能要求來確定實際使用。如圖4-1所示，根據設計要求，實現了手腕俯仰。在這個階段，研究國內步進電機產品的開發(fā)，在生產技術上，這是不可能實現的，為了減輕手臂的總重量，腕部采取間接步進電機為一個吊桿錐齒輪，另一條通過鏈聯接，如圖所示4-1: 圖4-1BB型手腕示意圖 研究設計吸盤機器人，在工作空間中，吸盤手腕的動作，是用于搬運的工作,有時為了滿足手腕部結構要求，在狹小的空間的動作緊湊即必須插入，且重量輕,并且在操作靈活性如圖4-2的尺寸所示： '////￥"http:////"http://々門////$ 120 圖4-2手腕外形尺寸示意圖 4.1.1 手

56、腕偏轉驅動計算 腕偏轉來實現偏壓的變化，通過步進電動機的驅動器，它設置在后臂的下方，并通過一個錐齒輪傳動接合兩個鏈條驅動滑輪。根據步進電動機驅動的手腕力，需要的扭矩偏轉計算的第一腕部，并計算馬達的輸出轉矩，和各個設計參數后，判定相關尺寸如下。 (1)選擇步進電機 腕偏轉，摩擦力矩，以克服的工作負載電阻扭矩和手腕的啟動的轉動慣量。 按轉矩的式子[15]: M總=M摩+M負+M慣（3.1） M摩=0.1M總（3.2） (3.(3) (3.(4) (3.(5) (3.(6) (3.(7) (3.(8) M慣=mgl+J切/t啟 M負=m負gl+J負8/t啟 22 m

57、=Pv=pYr-R2】 J負=41負12 ,ml2m_2_2 JR1R2 32 二v/1 式子里, M總一-手腕偏轉所需力矩（Nm）； M摩---摩擦阻力矩（Nm）； M負---負載阻力矩（Nm）； M慣---手腕偏轉啟動時慣性阻力矩（Nm）； J負--工件負載對手腕回轉軸線的轉動慣量（kgm2）; J---手腕部分對回轉軸線的轉動慣量（kgm2）; 0---手腕偏轉角速度（rad/s）; m---手腕質量（kg）; m負---負載質量（kg）; t啟一啟動時間（s）； P---手腕部分材料密度（kg/m3）; ^,R2---手腕部分外徑和內徑（m）； l

58、---手腕的長度（m）； v---手腕偏轉末端的線速度（m/s） 前面已提到：m負=2.5kg,v=0.8m/s,R1=0.035m,R2=0.025m, l=0.12m,3=0.2s,手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度P=7.8x103kg/m3 把數值代到式子算出：m=Pv=P4Ri2—R22l =7.81033.140.0352一0.02520.12 =1.76kg v 0.8 l 一 0.12 = 6.67 r/s 一222 J負=m負l=2.5x0.12=0.036kgm 2 ,mlm_2_2 JR1R2 2 1.76 0.122 3 32

59、 176oo ——0.0350.025 2 =9.63104kgm2 M負=m^gl+J負8/t啟 =2.5100.120.0366.67/0.2 =4.5Nm M慣=mgl+J。/t啟 =1.76100.129.6310，6.67/0.2 =2.4Nm M總=乂摩+M負+M慣=0.1M總+4.5+2.4 M總=7.7Nm 因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現的，所以找到對應書本得:彈性聯軸器傳動效率：”1=0.99； 滾子鏈傳動效率：1=0.96; 滾動軸承傳動效率：=3=0.99(一對)； 錐齒輪傳動效率：\=0.97； 計算得傳動的裝置的總效率：％=

60、0.8501。 電機在工作中實際要求轉矩：M電=M總/i"a=4.53Nm (3.9) 根據計算得出的手腕偏轉所需力矩，結合90系列的五相混合型步進電機的技術 數據和矩頻特性曲線，如圖4-3和圖4-4所示，設得90BYG5200B-SAKRML-03I?號的步進電機。 規(guī)艇號 1 * 步” f*) 由 地詞f 1144 MMt 皿聞 短林「M同 毓股斛 城出 th 播琥 908YG550A-SAKRML-030T 5 明幫/0.77 J 0.2 工口 JJ 3 2.2 90SYS550e-5AKRML-"口； S 巾都小"

61、 由？ 27 J.i 90SYGSS0C-SAKftML-0301 5 &.3670.7Z J 及 逋 24 G.& 究&YG52008-SA⑼f 5 &(??/(?那 3 && se 口， 5 J.4 9陽￥65郊0P-3心KRn-口第f 5 (JGE/口.煙 as 4? 7 5S 圖4-390BYG步進電機技術數據 90BYG52OGBTAKRML—0301 0.6配060.0G0O.O6000,0 轉速(rpm) 圖4-490BYG5200B-SAKRML-0301型步進電

62、機矩頻特性曲線 2.設計鏈傳動 (a)計算、分配傳動比 對照電機的數據，所選步進電機工作轉矩：4.5Nm,對應的轉速：n1=130r/min。 由于腕部偏轉的角速度6=工=28=6.67r/s,已經算出，所以腕部末端偏轉 l0.12 轉速n2=￡-m60=63.7r/min,由此推出總的傳動比i=01=13°=2.02冗n263.7 手腕的偏轉是由驅動滑輪的鏈條驅動的。鑒于滑輪臂的內部空間的大小和結構,設小臂鏈傳動比ii=1.35,大臂鏈傳動比i2=1,錐齒輪傳動比i3=1.5, i二iii213=2 (b)算出小臂鏈傳動功率 (3.10) p=?=7.713°=0.

63、11kW95509550 (c)設得鏈輪的齒數 為使小臂中的兩個鏈輪結構更加緊湊，設得小鏈輪齒數乙=17,大鏈輪齒數 Z2=i1父乙=1.35父17=23,乙、Z2取奇數，鏈節(jié)數為偶數，可使鏈條和鏈輪輪齒 磨損均勻 =932-0.002 952-930 mm (3.18) Lp (d)設得鏈條類型 從相關書本進行鏈傳動計算： Pd=KaP=0.11kW -Pd0.11 P)===0.08kW KzKp11.34 p=15.875mm a0=(30?50)p,i=2?3 a0a60P=60^15.875=930mm,i<1.5 乙Z2 2 -2a°

64、p acp 二U260照 260 =140mm L=LpP/1000=14015875=2222.5mm %=p2Lp-Z1-Z2Ka =15.8752140-17-230.2499 =932mm a=ac-0.002~0.004accc (3.11) (3.(12) (3.(13) (3.(14) (3.(15) (3.(16) (3.(17) 乙RP v二 601000 1713015.875=0.63m/s

65、 601000 匚1000P Ft二 V 10000.11=174.6N 0.63 F，1.15-1.2KAFt=1.21174.6=20952N 式子里， Ka—工況系數Ka—1； Kz---主動帶輪齒數系數Kz=1.34; Kp---單排鏈系數Kp=1； Ka---中心距計算系數Ka=0.2499; Pd---設計功率（kW）； (3.(19) (3.(20) (3.21) P0---特定條件下單排鏈條傳遞功率（kW）; p---節(jié)距（mm）； a0---初定中

66、心距（mm）; Lp---鏈條節(jié)數； L---鏈條長度（mm）; ac---計算中心距（mm）; a---實際中心距（mm）； v---鏈條速度（m/s）; Ft---有效圓周力（N）； F---作用在軸上的力（水平或傾斜傳動）（N）。 經過上述計算，設得鏈號10B,節(jié)距P=15.875mm的鏈條。 （e）算出帶輪主要尺寸 根據所選滾子鏈的型號規(guī)格確定一對帶輪基本參數： Z1=17,Z2=23,p=15.875mm,d1=10.16mm,P=16.59mm。 (3.22) 帶輪主要尺寸： ,180 sin— da=p0.54+cot 180 (3.23) (3.24) (3.25) df=d-d1ha=0.27p 式子里, d---分度圓直徑; da———齒頂圓直徑; df---齒根圓直徑; ha———分度圓弦齒圖; dg---齒側凸緣直徑。g 把數值代到式子算出: dg d1 d2= da1 pcot180--1.04h2-0.76z 15.875 sin 180 17 (3.26