自動化生產線搬運機械手的設計（三維SolidWorks三維建模、說明書文檔）
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畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者:
學 號：
學院(系):
專 業(yè):
題 目:
搬運機械手設計
2016 年 4 月
摘 要
機器人技術是機電一體化產品，關節(jié)機器人成為一個領先的研究課題。運用在不同領域，如機械，電子，信息理論，人工智能，生物學和計算機，知識等諸多領域的發(fā)展機械接頭端的設計，機器人也導致了這些學科的發(fā)展。關節(jié)型機器人是一種典型的機電一體化產品，工藝多關節(jié)運動的一個熱點手臂運動更多的領域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構銜接所需組合關節(jié)也促成了這些學科的發(fā)展。
本文采用在結構設計上的關節(jié)型機器人，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機器人模型的要求被分析以估計電機的每個關節(jié)，充分的選擇所需要的轉矩和功率。完成關節(jié)型機器人的程序設計，總體設計，結構設計，運動學模型操盤分析，檢查，分析機器人模型，設計和生產機器人模型做的過程中強度的關鍵部件，繪制3D圖。
關鍵詞：機械臂，結構設計，關節(jié)機械手，電機
Abstract
Robotics is mechatronics, articulated robot into a leading research. Used in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but its multi-agency convergence desired combination of joint development also contributed to the development of these disciplines.
In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. Requirements for the robot model is analyzed to estimate the motor of each joint, full selection of the desired torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, manipulator kinematics model analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production process of doing robot model intensity, plotted in Fig. 3D.
Keywords: arm, structural design, articulated robot, motor
目 錄
摘 要 II
Abstract 1
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2 關節(jié)機械手研究概況 2
1.2.1 國外研究現狀 2
1.2.2 國內研究現狀 2
1.3 關節(jié)機械手的總體結構 3
2 總體方案設計 5
2.1 技術參考數據 5
2.2 關節(jié)機械手工程概述 5
2.3 工業(yè)關節(jié)機械手總體設計方案論述 6
2.4 機械手機械傳動原理 7
2.5 機械手總體方案設計 8
2.6 本章小結 9
3 機械手大臂部結構 10
3.1 大臂部結構設計的基本要求 10
3.2 大臂部結構設計 11
3.3 大臂電機及減速器選型 11
3.4 減速器參數的計算 12
3.5承載能力的計算 16
3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 16
3.5.2 柔輪疲勞強度的計算 16
4 小臂結構設計 21
4.1 手指的相關設計與計算 21
4.2 手爪結構設計與校核 21
4.3 結構分析 23
4.4計算分析 23
4.5 腕部設計 24
4.5.1 手腕偏轉驅動計算 24
4.5.2 手腕俯仰驅動計算 34
4.5.3 電動機的選擇 35
4.6 小臂部結構設計 37
4.7 小臂電機及減速器選型 37
4.7.1.傳動結構形式的選擇 38
4.7.2.幾何參數的計算 38
4.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 39
4.8.1柔輪齒面的接觸強度的計算 39
4.8.2柔輪疲勞強度的計算 40
4.9 軸結構尺寸設計 41
4.10 軸的受力分析及計算 42
4.11 軸承的壽命校核 43
5 機身設計 46
5.1 步進電機選擇 46
5.1.1 計算輸出軸的轉矩 46
5.1.2 確定各軸傳動比 48
5.1.3 傳動裝置的運動和動力參數 48
5.2 齒輪設計與計算 51
5.2.1 高速級齒輪設計與計算 51
5.2.2 低速級齒輪設計與計算 55
5.3 軸的設計與計算 58
5.3.1 輸入軸的設計與計算 58
5.3.2 中間軸的設計與計算 61
5.3.3 輸出軸的設計與計算 63
5.4 軸承的校核 65
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 65
5.4.2 中間軸上軸承壽命計算 66
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 67
5.5 鍵的選擇和校核 69
5.5.1 鍵的選擇 69
5.5.2 鍵的校核 69
6 液壓系統(tǒng)圖 70
7 關節(jié)機械手PLC控制系統(tǒng)設計 71
7.1 關節(jié)機械手的工藝過程 71
7.2 PLC 控制系統(tǒng) 71
7.2.1 確定輸入/輸出點數并選擇 PLC 型號 71
7.2.2 分配 PLC 的輸入/輸出端子 72
7.2.3 所需元器件明細表 72
7.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 73
總 結 77
參考文獻 78
致 謝 79
1 緒論
1.1引言
關節(jié)型機器人是一種典型的機電一體化產品，工藝多關節(jié)運動的一個熱點手臂運動更多的領域進行合作研究。機械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計算機許多學科，但其發(fā)展的多機構銜接所需組合治療也促成了這些學科的發(fā)展。多臂關節(jié)領導的多關節(jié)臂運動。
1959年成為世界上第一個工業(yè)多關節(jié)手臂運動的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時代的多關節(jié)。隨著科學技術的發(fā)展和運營研究部門的應用多聯快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學手臂關節(jié)和更多的世界知名專家，教授說：“一個很大的特點，多關節(jié)手臂運動應該有工作?！钡姆绞绞?，在自動化程度高的，電力系統(tǒng)更復雜。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經說過，“神造人的兩條腿是最美麗的杰作?！痹撓到y(tǒng)具有豐富的動態(tài)環(huán)境的要求非常低，無論是在地面上，而且在非結構化地形復雜，適應性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長多關節(jié)型機器人的功能和應用開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究關節(jié)型機器人的原因和目的，主要表現在以下幾個方面：機構的發(fā)展，使他們對結構性和非結構性的工作，許多圈子，而不是個人或更新和人類活動的領域擴展;希望更多的人有一個內在的理解和認識，并使用這些功能對個人服務，如假肢。系統(tǒng)動力學與在此領域豐富的研究，其研究和臂運動更加危險的機器的擴展，多關節(jié)臂的運動可以作為一個多關節(jié)臂的移動智能播放在人工智能領域的一個重要的角色。
多關節(jié)臂的運動的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運動協會與更多的企業(yè)的聯合國標準化最近在他的手臂采用了國際對美國帶來的多關節(jié)運動的定義：操作臂多聯合演習是一個多功能可編程的操作系統(tǒng)，你可以改變該程序的操作完成各種各樣的工作，尤其是對物料輸送，傳動部件。參照國際定義，和語言的組合的中國多臂關節(jié)的定義如下：
機械手的多關節(jié)運動是一個獨立的行動，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動化程度高的機器的自動化。汽車油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多關節(jié)運動E'可用。
多關節(jié)運動臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號，各種自動操作的。
處理的多關節(jié)臂的運動是一個計算機可編程的自動控制裝置的控制下。使用的多關節(jié)運動操作臂是提高了產品的質量和工作的生產率，生產過程的自動化，改善了工作條件，并降低了勞動強度的有效手段。誕生和多關節(jié)手臂運動的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經應用到國民經濟的許多部門，民間的技術，應用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[1-2]。
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(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設定的觸發(fā)相機的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運行的許多照片。后來，這種方法使用的相機是用來研究人體運動Demeny。從1930年到1950年，蘇聯也伯恩斯坦從深入人類和動物研究的生物動力機制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機構運動多關節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國家，如日本，美國和“蘇聯已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多關節(jié)實地達到的運動的最重要的進展的團隊。
在20世紀60年代和70年代，武裝多關節(jié)運動控制理論產生三種類型的控制方法是非常重要的，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關節(jié)機械手都是適用的。國家控制是通過在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多關節(jié)運動學專家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類型的控制方法之間的內在關系。有限狀態(tài)控制實質上是一個控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應，而且要適應胳膊多條腿多企業(yè)的動向。在這些中，對于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多關節(jié)，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步驟通過一些優(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關節(jié)，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的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的向前運動。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運動的多關節(jié)“減少型”問題的復雜性進行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的關節(jié)和隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題的最佳功耗的出口。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)，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國內研究現狀
國內前機器人起步較晚，我國自1980年以來，在體育領域的多臂共同研究和應用。 1986年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動關節(jié)臂，中國的高科技“863”水平運動臂包括于1987年。目前聯合研發(fā)，中國移動手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應用單位主要與高校和科研院所。初步調查多關節(jié)型機器人技術的主要目的是更先進的技術來跟蹤國際風險手臂的運動，然后取得了一些成績。
1986年哈爾濱工業(yè)大學，他開始研究最為關節(jié)臂，腳靜手臂運動HIT-I和110厘米高，體重70千克多的企業(yè)，率先成功開發(fā)進度有10個自由度，以到達地面上的線，左，右，以及運動，上下樓梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量為42千克，長度103厘米，它是12個自由度，以實現一個步驟每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在開發(fā)第四樂章的下一個多關節(jié)臂，身體52度的自由，這是一個偉大的運動和速度的平衡三臂，多關節(jié)運動[3-7]。
在1988年春國防科技大學成功具有六個自由度的平面雙足運動臂多關節(jié)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，每秒40厘米，四步開發(fā)的最大速度，在1989年今年的步伐，我們開發(fā)了一種空間KDW-II，具有10個自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的來回，上下樓梯和周圍的近靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。 1990年兩縱縫互聯網KDW-II，在KDW-Ⅲ開發(fā)的，有12個自由度，并添加函數曲線，以獲得完整的測試環(huán)境。 1995年在步驟20厘米0.8秒?22厘米，13度的最大角度動態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國的第一個人形的手臂的“排頭兵”的成功結束的發(fā)展的基礎上，在一個不確定的環(huán)境下微小的變化動態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多關節(jié)的動作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語言功能[8-13]中。
此外，清華大學正在開發(fā)一個人形的手臂培育更多升學銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學985項目，該項目是。南京航空航天大學有八個自由度機械手關節(jié)間隙靜態(tài)函數[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國研究生機械創(chuàng)新設計大賽”多關節(jié)手臂動作。此時，單臂，多關節(jié)運動通常在車輪的形式是為了實現功能相。事實上，模仿人類行走手臂和腿部的多關節(jié)的動作并不多，但也有六條腿，已經出現四腿臂多關節(jié)運動，但多關節(jié)手臂運動尚不多見。我們的問題，簡單地探索設計巧妙的機械設備和簡單的控制來模擬人的手臂的多關節(jié)的動作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動手臂，擺臂。
1.3 關節(jié)機械手的總體結構
關節(jié)型機器人和部分整體關系的概述：
它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
（1）執(zhí)行系統(tǒng)：公用部分的執(zhí)行系統(tǒng)管理部門，機械零件最全面的定義，以必要的各種運動，包括手，手腕，來獲得身體。
1.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的工作直接涂漆。
2.手腕，手和連接元件的臂，具有安排作為任務或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團的手的手臂，手腕支撐體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個關節(jié)，在基座的任何類型的動力傳輸。
D：機身，多鉸接臂基部，支撐輥，由臂部件支承，并具有使所述臂的轉動，起重或傾斜運動的任務。
（2）驅動系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動的，以及供應單元設備。通用機械傳動，機械傳動和電氣，氣動，電動。
（3）操作系統(tǒng)：驅動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據工作，故障報警或錯誤的信號的要求執(zhí)行。
（4）檢測系統(tǒng)：經由各種傳感裝置，控制器官運動檢測裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對于該組的運動的要求。
實踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動的多關節(jié)運動，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。經常處理和工業(yè)生產在長期內往往體積龐大件，單調的操作，單臂，多聯合動作是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他有毒放射性污染進行操作，同時也表現出優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設計
2.1 技術參考數據
一個底座，一個關節(jié)型機械手。其中，機械手的末端為夾板型，夾板的尺寸要求能夾起一箱伊利純牛奶（4×4盒），其他尺寸視情況自擬。
圖2.1 機械手
經常測量市場上某一箱伊利純牛奶（4×4盒）的外形尺寸為220mmX220mm.
2.2 關節(jié)機械手工程概述
關節(jié)機械手是一個技術集成的跨學科，涉及計算機技術和自動化技術的機器，機制，機械，氣動，液壓技術，檢測技術等領域。在科人得到有效解決組合問題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多關節(jié)運動設計，例如，系統(tǒng)工程，應作為一個綜合的方法來系統(tǒng)設計對外關系的系統(tǒng)，并從整個有機聯系的手臂運動環(huán)境的研究，開發(fā)和應用根據系統(tǒng)的內部部分多接頭。
從復雜機械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據特定的一組。因此，在一個復雜的機械設計，概念啟動機器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機械系統(tǒng)完整的完整性機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)具有不同的整體性能應具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機聯系，包括有機，相互關聯的。
（3）每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結構，功能，目標和手段，決策系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結合起來。
（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應是適應環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應變化的外部環(huán)境中。
所以，在設計機器人時，不僅要注意關節(jié)運動系統(tǒng)的部件的整個多部件設計臂應根據視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個單一的多關節(jié)臂的動作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關節(jié)，合理，產品的性能，需要在多關節(jié)臂的動作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復雜的行業(yè)手臂關節(jié)如下：在操作機器，是最大的，單臂多關節(jié)的運動來完成的任務，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機構。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個傳輸零點電源，控制，驅動系統(tǒng)和伺服驅動系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計算機或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學習盒等），數據處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設備通??信的I / O 14]內部和外部傳感器和其他設備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關節(jié)運動是普遍的調整，靈活的臂工業(yè)多關節(jié)運動可有效地用于柔性生產系統(tǒng)關鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機床，鍛壓，焊接，裝配等生產設備），輔助設備，控制系統(tǒng)，多關節(jié)臂運動，各種不同形式的運動系統(tǒng)的組建多聯技術工藝機械行業(yè)其他生產部門。生產，如建筑，開采，生產和輸送臂移動多關節(jié)是參考系統(tǒng)。
2.3 工業(yè)關節(jié)機械手總體設計方案論述
（一）確定負載
目前，國內工業(yè)用運動的多關節(jié)臂，負載能力，最小額定負載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負載的大小主要取決于由于運動的沿的作用力和夫婦的機械接口上的多關節(jié)臂的運動的方向。其中下臂應該包括端部執(zhí)行器的更關節(jié)運動（重量），和工件的重量或處理對象接縫預定速度和加速度的條件下，產生的慣性力等。該項目的數據參考設計初步估算表明，這一項目可能屬于一個小負荷。
（二）驅動系統(tǒng)
由于伺服電機具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運動控制沒有影響的精確控制小臂運動多企業(yè)等特點，因此，該項目采用的是伺服電機。
（三）傳動系統(tǒng)
動臂多關節(jié)運動可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動鏈條應考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動和位置創(chuàng)業(yè)精密運動控制。臂傳遞機構機械運動多關節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，傳動齒輪和諧波鋼等，由于傳動齒輪具有效率高，準確，結構緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，與大學學習和掌握更扎實的傳輸，所以這個設計選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是多關節(jié)的多關節(jié)臂的運動取決于所述扇區(qū)的操作領域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關該結構的工作空間的大小坐標運動的多關節(jié)機械手，其大小和在數量和程度每個臂的自由操縱器公共軸線的長度的變化程度和所選擇的關節(jié)軸的每個角的
（五）運動速度
每個鉸接機械臂更堅定的臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的運動后，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時間每個運動分配考慮在順序地或同時地等進行許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。表做他們的操作時間，操作時間分配之外的運動進行比較，以考慮分配請求有關的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅動和控制，定位和精度要求。
2.4 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
圖2.2 關節(jié)機械手本體組成
各部件組成和功能描述如下：
底座部件：
底座部件包括底座、齒輪傳動部件、軸承，步進電機等。機座作用是支撐部件，支承和轉動大臂部件,承受關節(jié)機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證關節(jié)機械手工作時的穩(wěn)定運行。
關節(jié)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件（如油缸、油缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等）與驅動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現手臂的各種運動
手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅動電機。小臂部件：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶等，在小臂一端固定驅動手腕運動的步進電機。手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。
2.5 機械手總體方案設計
工業(yè)機械手的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下[3]。
(1) 直角坐標機械手結構
直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1(a)由于直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機械手有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機械手的運動空間相對機械手的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現一定的運動空間，直角坐標機械手的結構尺寸要比其他類型的機械手的結構尺寸大得多。
直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標機械手主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。
(2) 圓柱坐標機械手結構
圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1(b)。這種機械手構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
(3) 球坐標機械手結構
球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1(c)。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
(4) 關節(jié)型機械手結構
關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1(d)。關節(jié)型機械手動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。
關節(jié)型機械手結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。
(a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型
圖2-1 四種機械手坐標形式
根據任務書要求和具體實際我們選擇的是(d) 關節(jié)型。
具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達5KG，同時考慮到數控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度,要求設計的機械手為六個自由度，其中腰部有一個旋轉自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉自由度，手腕的俯仰、旋轉自由度。在本論文中，要求設計大小臂結構，所以，需要對實現大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉自由度的機構進行詳細設計。
2.6 本章小結
本章主要完成對機械手系統(tǒng)設計,通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了機械手的總體設計方案后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。
3 機械手大臂部結構
3.1 大臂部結構設計的基本要求
臂部部件是關節(jié)機械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關節(jié)，則臂部自由度加以實現。因此，一般來說臂部設計基本要求:
（1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕
臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉，應選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工
字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，關節(jié)機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結構緊湊、外形整齊。
（2)臂部運動速度要高，慣性要小
在一般情況下，手臂的要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。
為減少轉動慣量，應采取以下措施:
(a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料;
(b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸
(c) 減少回轉半徑
(d) 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置
(3)手臂動作應靈活。
為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。
(4)位置精度要高。
一般來說，直角和圓柱坐標系關節(jié)機械手位置精度高;關節(jié)式關節(jié)機械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測機構，能較好的控制位置精度。
本文采用鋁合金材料設計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設計。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200~500×500
＞500×500
5~8
10~12
15~20
3~5
4~10
10~15
4~6
8~12
12~20
3~5
6~8
—
3~3.5
4~6
—
3~5
6~8
—
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）
以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結構設計的特點，在特種鑄造方法中，應根據每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結構設計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。
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關節(jié)軸的重量：
M2=2Kg， M3=4Kg
J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
大臂速度為10r/min ，則旋轉開始時的轉矩可表示如下：
式中：T - 旋轉開始時轉矩 N.m
J – 轉動慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使機械手大臂從到所需的時間為：則：
(3.4)
若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為：
(3.5)選擇諧波減速器：
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：，步進電機應輸出力矩為：
(3.6)
選擇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、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為250HBS
剛輪材料為45鋼（調質），硬度為220HBS。
1.齒數的確定
柔輪齒數：
剛輪齒數：
已知模數：，則
柔輪分度圓直徑：
鋼輪分度圓直徑：
柔輪齒圈處的厚度：
重載時，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長度：取
柔輪筒體長度：
輪齒過渡圓角半徑：
為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
2.嚙合參數的計算
由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數可按考慮到構件柔度的計算公式，即按如下公式進行計算。
考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為：
（扭轉彈性模數G=80GPa）
其中：
W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m
為了消除在的情況下進入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側隙大于由于齒輪扭轉減小的側隙后，還應保證存在有側隙值。
其中：
徑向變形系數：
則：
徑向變形系數：
柔輪的變位系數：
剛輪的變位系數：
驗算相對嚙入深度：
如果計算得到的，為了繼續(xù)進行計算，可取2。如果出現，為了傳遞動力，應適當增加值重新計算，使。
柔輪齒根圓直徑：
其中（齒頂高系數，徑向間隙系數）
柔輪齒頂圓直徑：
其中（查表得）
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。
即：
剛輪齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
選取插齒刀齒數，插齒刀變位系數（中等磨損程度的插齒刀），插齒刀原始齒形壓力角，則
剛輪和插齒刀的制造嚙合角：
查漸開線函數表和三角函數表得
則剛輪和插齒刀的制造中心距：
插齒刀的齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
驗算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙：
即：
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：
柔輪齒圈處的內徑：
則：
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
軸承內環(huán)厚度：
內環(huán)滾道深度：
式中的是考慮到外環(huán)無滾道而內環(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
軸承外環(huán)外徑：
軸承內環(huán)內徑：
為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。
則凸輪圓弧半徑：
其中ｅ是偏心距：
（—剛輪分度圓直徑，—柔輪分度圓直徑）
則凸輪圓弧半徑：
凸輪長半軸：
凸輪短半軸：
3.5承載能力的計算
3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算
根據諧波傳動傳動比大的特點，其柔輪和剛輪的齒數較多，齒形很接近于直線。故實際諧波齒輪傳動的載荷能力主要應由柔輪齒側工作表面的最大接觸應力所限制。因此，諧波齒輪傳動的柔輪齒側面應滿足如下接觸強度條件：
接觸強度計算公式：
—輸出轉矩
—柔輪節(jié)圓半徑
—柔輪輪齒寬
—剛輪壓力角
—接觸系數（0.4~0.9）
對于一般雙波傳動，輪齒寬許用接觸應力
則：
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 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
截面處正應力：
切應力：
由扭矩產生的剪切應力：
其中：
則：
驗算安全系數：
疲勞極限應力：
應力安全系數：
其中，抗拉屈服極限：
剪切應力集中系數：
則滿足疲勞強度條件。
軸的計算校核
畫軸的受力分析圖，軸的受力分析分析圖如圖所示：
已知：作用在剛輪上的
圓周力
徑向力
法相力
1) 求垂直面的支撐反力：
2) 水平面的支撐反力：
3） F在支撐點產生的反力：
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，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產生的彎矩圖：
a-a截面F力產生的彎矩為：
7) 求合成彎矩圖：
考慮最不利的情況，把與直接相加
MA=+MAF=
+41.1=70.1 N.m
M'A=+MAF=
+41.1=62.57 N.m
8) 求軸傳遞的轉矩：
N.mm
9) 求危險截面的當量轉矩
如圖所示，a-a截面最危險，其當量轉矩為：
如認為軸的扭切應力是脈動循環(huán)應變力，取折合系數a=0.6，帶入上式可得：
10） 計算危險截面處軸的直徑
軸的材料選用45鋼，調質處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對軸的消弱，將d值加大5%，故：
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
其彎曲截面系數為：
抗扭截面系數為：
彎曲應力為：
扭切應力為：
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：
由表查得45鋼調質處理抗拉強度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強度滿足要求。
4 小臂結構設計
4.1 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。
4.2 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。通常與彈簧聯合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。
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。
4.3 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4-1所示的是靠導槽保持手指作平移運動。
圖4-1 手部裝配圖
4.4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＝油缸有效截面積×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）.設手指以摩擦力μQ，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,選擇油缸工作壓力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。
4.5 腕部設計
腕部能夠連接機器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設計的要求有：結構緊湊、質量輕；動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結構合理，傳感器和驅動裝置的合理布局及安裝等。
4.5.1 手腕偏轉驅動計算
手腕的偏轉是通過后置于大臂底部一側的步進電機驅動，兩級帶輪鏈條傳動，再經過錐齒輪嚙合傳動改變方向來實現偏置的。手腕的驅動力來自步進電機，首先要計算手腕偏轉所需要的轉矩，再計算電機的輸出轉矩，確定步進電機的型號，從而計算設計鏈傳動以及錐齒輪傳動的傳動參數及相關尺寸。
（1）選擇步進電機
手腕偏轉時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和腕部啟動時的慣性力矩。
根據轉矩的計算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—手腕偏轉所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負載對手腕回轉軸線的轉動慣量（kg·m2）；
—手腕部分對回轉軸線的轉動慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉角速度（rad/s）；
—手腕質量（kg）；
—負載質量（kg）；
—啟動時間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內徑（m）；
—手腕的長度（m）；
—手腕偏轉末端的線速度（m/s）。
根據已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數據代入計算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現的，所以查取手冊[15]得：
彈性聯軸器傳動效率；
滾子鏈傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
錐齒輪傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉矩 N·m （3.9）
根據計算得出的手腕偏轉所需力矩，結合北京和利時電機技術有限公司生產的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3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。
圖3.3 90BYG步進電機技術數據
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
（2）設計鏈傳動
（a） 計算、分配傳動比
根據步進電機型號及其對應的矩頻特性曲線，所選步進電機工作轉矩為4.5 N·m，對應的轉速為r/min。
由于腕部偏轉的角速度r/s，已經通過計算得出，所以腕部末端偏轉轉速r/min，由此推出總的傳動比。
已確定的手腕偏轉傳動方式是通過兩級帶輪鏈條傳動和一級錐齒輪傳動，需將總傳動比進行分配。綜合考慮帶輪的尺寸和手臂內部結構空間，取小臂鏈傳動比，大臂鏈傳動比，錐齒輪傳動比，。
（b） 計算小臂鏈傳動功率
kW （3.10）
（c）選擇帶輪的齒數
為使小臂中的兩個帶輪結構更加緊湊，考慮到小臂鏈的傳動比較小，而傳動距離比較長，選擇小帶輪齒數，大帶輪齒數，、取奇數，鏈節(jié)數為偶數，可使鏈條和帶輪輪齒磨損均勻。
（d）選擇鏈條類型
根據手冊[15]進行鏈傳動的設計計算：
kW （3.11）
kW （3.12）
mm
， （3.13）
mm， （3.14）
mm （3.15）
mm （3.16）
mm （3.17）
mm （3.18）
m/s （3.19）
N （3.20）
N （3.21）
式中：
—工況系數；
—主動帶輪齒數系數；
—單排鏈系數
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