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寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 小型柔性生產系統(tǒng)龍門機械手 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 年 月 摘 要 近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設備。工業(yè)機械手對于提高和確保產品質量，提升生產的效率，改善工人的工作條件和快速更新產品起著非常重要的作用。工業(yè)機械手技術結合了多們學科的知識。包含機構學、計算機、控制論、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領域。 機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高。可以說機械手是工業(yè)進步的產物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關注的產業(yè)。 本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產系統(tǒng)，根據生產機械加工的不同階段設置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。 課題將設計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產線輸送帶上。 本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設計要求和進行了總體方案設計和各自由度的具體結構設計、計算。 關鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度 II Abstract Industrial manipulator is composed of target of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, operation, automatic control, a kind of imitation of human multiple programming, to complete the work of every kind of Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial machinery hand to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technique combined with multi discipline knowledge. Including mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and so on. It is the very active, very wide application areas. The manipulator has many human beings do not have, including the rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of the progress of industry, it also plays a vital role in the modern industry. Nowadays, industrial robot has become the concern of the industry all over the world. This subject comes from the Yalong YL-221 automation to flexible production system, the machine independent innovation training system to simulate the actual industrial production system, according to the different stages of production machine is provided with a plurality of workstation: automatic access overhead warehouse, handling robot station, line conveyor, conveyor station station 90 degree turn, mechanical processing station, station, the station code heap. We design a robot will be used in Longmen, staff entry, disconnected to the conveyor belt parts are transported by mechanical hand, to the completion of the work of safety grip and release, and the parts from one end to the other end of the conveyor belt production line position specified on the conveyor belt. This paper expounds the development history of the manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the design requirements of the manipulator specific and detail structure design, overall design and various degrees of freedom. Key Words: robot; industrial; transmission; strength 33 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1 機械手概念 1 1.2 課題研究的背景和意義 1 1.3 國內機械手的研究 1 1.4機械手的應用 2 第2章 總體方案機構設計 3 2.1課題的技術要求 3 2.2設計原理 3 第3章 Z向結構及傳動設計 5 3.1滾珠絲桿副的選擇 6 3.1.1導程確定 6 3.1.2確定絲桿的等效轉速 6 3.1.4確定絲桿的等效負載 6 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 7 3.1.6精度的選擇 8 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 8 3.2校核 8 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 8 3.2.2臨界轉速驗證 9 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 10 3.3電機的選擇 11 3.3.1電機軸的轉動慣量 11 3.3.2電機扭矩計算 12 第4章 X軸水平移動傳動設計 14 4.1 同步帶計算選型 15 4.2 同步帶的主要參數（結構部分） 18 4.3 同步帶的設計 20 4.4 同步帶輪的設計 21 4.5 軸的校核 21 4.6 鍵的校核 22 4.7 軸承的校核 23 第5章 手指的相關設計與計算 25 5.1 手指的相關設計與計算 25 5.2 手爪結構設計與校核 26 5.3 結構分析 27 5.4計算分析 28 5.5 機械手手抓夾持精度的分析計算 29 總 結 31 參考文獻 32 致 謝 33 第1章 緒論 1.1 機械手概念 機械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。在工業(yè)、醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。 機械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產工具。在生產制造業(yè)中，機械手技術得到廣泛的應用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產品質量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術革命。 1.2 課題研究的背景和意義 本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產系統(tǒng)，根據生產機械加工的不同階段設置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。 本課題將設計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產線輸送帶上。通過本課題的研究，學生不僅可以了解自動生產線的工作過程，還可以深入了解其組成部分的內部結構設計。希望學生通過本課題設計，能充分運用已學習的基礎知識和專業(yè)知識，設計出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設計說明書中，選用合理的動力元件，計算設計零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設計思路，綜合應用機械原理和設計、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。 1.3 國內機械手的研究 機械手在日本應用的歷史非常悠久。在七十年代時機械手首先得到應用，然后經過十年的發(fā)展，在八十年代的時候機械手已經得到普及。相應的他們工業(yè)年產值也得到了快速提高。1980年達到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達到了一萬八千五百億日元?？梢姍C械手在提高生產效益方面的重要性。 在國際方面，各個國家已經意識到機械手的重要性。所以機械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后機械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達90000多臺。平均年增長為7%。 國際機械手的發(fā)展方向: 機械手涉及到非常多學科的知識和領域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網絡、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學科的發(fā)展。正是由于各個學科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學技術的進步，機械手在應用得范圍越來越廣泛；技術也越來越得到調高，功能更加強大。現(xiàn)在很對機械手的研究都往小型化發(fā)展。機械手將會更多的進入到人們的日常生活中去。總體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。 機械手的廣泛應用，對提升產品的質量與產能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，起著一個十分重要的作用。機械手的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。 1.4機械手的應用 機械手產業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術產業(yè)?，F(xiàn)代，機械手產業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀起，世界機械手產業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀九十年代，機械手產品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經歷40多年的發(fā)展，機械手應用到很多領域中去了。機械手在制造業(yè)中應用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機械手替代了人工作業(yè)，并使得生產效益大大提高。 第2章 總體方案機構設計 2.1課題的技術要求 工件和托架形狀：工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體或φ50×50mm的塑料圓柱體; 托架為200×145mm方形有機玻璃，2公斤。 定位精度：±1mm ；運動速度：>2m/min； 工作行程：X:1000mm, Z:200mm； 設計空間：橫梁與地面高度需有1800mm，便于工作人員通過。已知工作臺高度為1000mm，托架離工作臺200mm。 工作要求：X軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位，工件托架提起或放下操作，機械手爪則完成對工件托架安全抓緊或釋放操作。 機構簡圖 2.2設計原理 為了使工件保持準確的相對位置，必須根據要去選擇合適的定位機構。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運動過程中產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。 Z軸采用絲杠傳動：電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠 X軸采用絲杠傳動：電動機—聯(lián)軸器—同步帶—帶動Z軸部分滑動。 第3章 Z向結構及傳動設計 表 3-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 3.1滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設X向最大行程為250mm,最快進給速度為100mm/s,大概質量為50kg, 假設大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg，(其中包括工件質量2kg)工作臺最大行程為200mm。 3.1.1導程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 3.1.2確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 3.1.4確定絲桿的等效負載 工作負載是指工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數（查表：取ft=1） fh-------硬度系數（查表：取fh =1） fa-------精度系數（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表3-1-1各類機械預期工作時間Lh 表3-1-2精度系數fa 表3-1-3可靠性系數fk 表3-1-4負載性質系數fw 3.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=30mm 絲桿外徑d1=29.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=24.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.2.2臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9 經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 3.3電機的選擇 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=29.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經計算得 b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質量 X向直線運動件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經計算得 c、聯(lián)軸器的轉動慣量 查表得 因此 3.3.2電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9 經計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。 第4章 X軸水平移動傳動設計 圖4.1是北京和利時電機技術有限公司部分110BYG系列混合式步進電機的技術數據。 圖4.2 110BYG系列混合式步進電機的技術數據 所以根據計算所得數據選擇110BYG350DH-SAKRMA型號的電機，圖3.5是110BYG系列混合式步進電機的型號說明。 圖3.5 110BYG系列混合式步進電機的型號說明 110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸，如圖4.4所示。 圖4.4 110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸 110BYG系列混合式步進電機的矩頻特性曲線，如圖3.7所示。 圖3.7 110BYG350DH型電機矩頻特性曲線 4.1 同步帶計算選型 設計功率是根據需要傳遞的名義功率、載荷性質、原動機類型和每天連續(xù)工作的時間長短等因素共同確定的，表達式如下： 式中 ——需要傳遞的名義功率 ——工作情況系數，按表2工作情況系數選取=1.7； 表2.工作情況系數 2） 確定帶的型號和節(jié)距 可根據同步帶傳動的設計功率Pd'和小帶輪轉速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號和節(jié)距。 其中Pd=0.63kw，n1=61rpm。查表3-2-2 表3-2-2 選同步帶的型號為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 3) 選擇小帶輪齒數z1，z2 可根據同步帶的最小許用齒數確定。查表3-3-3得。 查得小帶輪最小齒數14。 實際齒數應該大于這個數據 初步取值z1=34故大帶輪齒數為：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 4） 確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2 小帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 5） 驗證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 10、同步帶帶長及其齒數確定 =() = =719.7mm 11、帶輪嚙合齒數計算 有在本次設計中傳動比為1，所以嚙合齒數為帶輪齒數的一半，即=17。 12、基本額定功率的計算 查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準額定功率為 ==0.21KW 表4-3 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量 13、計算作用在軸上力 = =71.6N 4.2 同步帶的主要參數（結構部分） 1、同步帶的節(jié)線長度 同步帶工作時，其承載繩中心線長度應保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。在同步帶傳動中，帶節(jié)線長度是一個重要 參數。當傳動的中心距已定時，帶的節(jié)線長度過大過小，都會影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標準中，對梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產的同步帶節(jié)線長度應在規(guī)定的極限偏差范圍之內（見表4-4）。 表4-4 帶節(jié)線長度表 2、帶的節(jié)距Pb 如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對應點沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號。在制造時，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標準同步帶的齒形尺寸見表4-5。 3、帶的齒根寬度 一個帶齒兩側齒廓線與齒根底部廓線交點之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強，相應就能傳動較大的裁荷。 圖4-2 帶的標準尺寸 表4-5 梯形齒標準同步帶的齒形尺寸 4、帶的齒根圓角 帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時齒根應力集中程度有關t齒根圓角半徑大，可減少齒的應力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶 齒與輪齒嚙合時的有效接觸面積城小，所以設計時應選適當的數值。 5、帶齒齒頂圓角半徑八 帶齒齒項圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時會否產生于沙。由于在同步帶傳動中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進入或退出嚙合時， 帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會超于重疊，而產生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。 6、齒形角 梯形帶齒齒形角日的大小對帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動時帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內，易產生干涉。但齒形角度過大，又會使帶齒易從輪齒槽中滑出，產生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。 4.3 同步帶的設計 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表4-6。帶的圖形如圖4-3。 表4-6 同步帶尺寸 型號 節(jié)距 齒形角 齒根厚 齒高 齒根圓角半徑 齒頂圓半徑 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 圖4-3 同步帶 4.4 同步帶輪的設計 同步帶輪的設計的基本要求 1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出 由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。 2、輪齒的齒廊曲線應能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時，應使帶齒嚙入或嚙出時變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。 3、有良好的加了工藝性 加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數量與切齒了作員，從而可提高生產率，降低制造成本。 4、具有合理的齒形角 齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學和幾何參數，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。 4.5 軸的校核 需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗算傾角時，若支撐類型相同則只需驗算支反力最大支撐處傾角；當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時，則齒輪處傾角不必驗算。驗算撓度時，要求驗算受力最大的齒輪處，但通?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）. 當軸的各段直徑相差不大，計算精度要求不高時，可看做等直徑，采用平均直徑進行計算，計算花鍵軸傳動軸一般只驗算彎曲剛度，花鍵軸還應進行鍵側擠壓驗算。彎曲剛度驗算；的剛度時可采用平均直徑或當量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進行代數疊加，不在同一平面上進行向量疊加。 ：通過受力分析， 最大撓度： 查【1】表3-12許用撓度； 。 4.6 鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得 可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為： 4.7 軸承的校核 ⑴、軸軸承的校核 Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負荷為19.5KN, 由于該軸的轉速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對軸承的要求越高。根據設計要求，應該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進行校核。 ②軸傳遞的轉矩 ∴ 受力 根據受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為: 在水平面： 在水平面： ∴ ④因軸承在運轉中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數，取，則有： ⑤軸承的壽命計算:所以按軸承的受力大小計算壽命 故該軸承6206能滿足要求。 ⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。 第5章 手指的相關設計與計算 5.1 手指的相關設計與計算 設計手部時除了要滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求： （1）、手指握力的大小要適宜 確定手指的握力（即夾緊力）時，應考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。 （2）、應保證工件能順利地進入或脫開手指 開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 （3）、應具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕 因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結構要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉軸線上，使手腕的扭轉力矩最小。 （4）、動作迅速、靈活、準確，通用機械手還要求更換手部方便 根據用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經過分析和比較此設計采用夾持式手部。手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件，因此手部的結構和尺寸應依據作業(yè)任務要求來設計，從而形成了多種的結構型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。 一 、夾持式手部 夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性，故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。 二 、結構 夾持式手部是有驅動裝置、傳動機構和手指（或手爪）等組成。驅動裝置多半用活塞缸。傳動機構常用連桿機構、滑槽機構、齒輪齒條機構等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結構形狀取決于工件的形狀。手部結構按模仿人手手指的動作，可分為回轉型、移動型等形式。經分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。 5.2 手爪結構設計與校核 手爪種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。 a．有適當的夾緊力 手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個液壓機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機械手，根據工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。 5.3 結構分析 機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機器人最常見的一種手部。手部傳動機構可分回轉型、平動型和平移型?；剞D型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型的特點是手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點是當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖2-1所示的是靠導槽保持手指作平移運動。手部結構也采用氣壓驅動。 工件尺寸：工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體或φ50×50mm的塑料圓柱體 機械手最大抓重：2kg 圖2-1 手部裝配圖 5.4計算分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算 機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉運動的組合，所以伴隨有速度和加速度.工件有了加速度，其視在重量就變化。設機械手手部縱向中心線上所加的驅動力為P，P＝氣缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運動方向）.設3個手指以摩擦力3μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計算的是單個手指所必須的力Q. 如圖2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立. 得 代入數據，得 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇氣缸工作壓力P=0.81MPa, 根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm 則活塞桿內徑為: D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。 手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最 大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從20-30mm （a） (b) 手抓張開示意圖 5.5 機械手手抓夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、 小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。 圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為φ50×50mm 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 偏轉角按最佳偏轉角確定： 計算 當S時帶入有： 夾持誤差滿足設計要求。 總 結 本文完成了機械手的畢業(yè)設計，中間遇到很多困難，多謝老師指導。當我們不理解，不會做的時候，指導老師及時給予我們知識的補充；顯然那時的我們更像是一種知識的灌入狀態(tài)，而畢業(yè)設計的過程則更注重的是自我的鍛煉。我想倘若大學四年沒有多次課程設計打下的堅實基礎，可能我們要完成此次畢業(yè)設計就變成困難至極了。因此我在此對大學四年帶過我課程設計的所有指導老師誠摯的道聲謝謝！ 參考文獻 [1] 汪愷. 機械設計標準應用手冊[M]. 機械工業(yè)出版社. 1997.8. 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Control of a Wearable Robot Using a Power Supply through USB[A].In: 20th Annual Conference of the Robotics Society of Japan - Celebrating the RSJ's 20th Anniversary[C], Osaka, Japan2002.2-2 致 謝 寫到這，代表了我的論文也將來接近尾聲了。是的大學四年最后一個課程—畢業(yè)設計，在此將要接受老師們和同學們的檢閱，無論做得好與不好，這個過程也是必須要經歷的。首先對所有評閱的老師們表示感謝，我誠意接受你們的教導，也希望能得到你們對我努力的肯定。 如果說課程設計是一種體驗，那畢業(yè)設計可以稱得上是一種鍛煉。記得課程設計的時候，指導老師們都是手把手的帶著我們，每天我們會在指導老師的指導下在課室里完成任務。當我們不理解，不會做的時候，指導老師及時給予我們知識的補充；顯然那時的我們更像是一種知識的灌入狀態(tài)，而畢業(yè)設計的過程則更注重的是自我的鍛煉。我想倘若大學四年沒有多次課程設計打下的堅實基礎，可能我們要完成此次畢業(yè)設計就變成困難至極了。因此我在此對大學四年帶過我課程設計的所有指導老師誠摯的道聲謝謝！ 此次畢業(yè)設計，歷時半年有余，我翻閱了大量的文獻資料，查閱了大量的相關書籍；從沒有頭緒到漸漸發(fā)現(xiàn)思路，從不知如何下手到大膽嘗試，從請教指導老師到自己獨立思考，最終完成了我們這個課題的設計。 我能夠完成除了自身努力外，還得到了指導老師唐可洪老師的細心指導，劉國光老師總會在關鍵的時候出現(xiàn)，并會及時督促我們的工作，嚴格要求我們，對我們每段時期的工作任務都認真把關；我想真心感謝給予我指導的XX老師。