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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 作 者： 學(xué) 號： 系 ： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 題 目： 六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 教授 評閱者： 年 6 月 3 日 畢業(yè)論文中文摘要 題 目 六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要： 本文簡要介紹了六自由度機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)過程，機(jī)械手的組成，對機(jī)械手臂的選用方案進(jìn)行了分析，同時(shí)也對國內(nèi)外機(jī)械手臂的發(fā)展進(jìn)行了初步了解。 本論文最終對完成了六自由度機(jī)械手臂的總體方案設(shè)計(jì)，在傳動上采用電動驅(qū)動方式，經(jīng)過分析對比確定了總方案，于此同時(shí)也最終確定了機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù)，并對機(jī)械手各關(guān)節(jié)的主要參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，進(jìn)而比較精確的確定各個(gè)運(yùn)動結(jié)構(gòu)的尺寸大小和其他的參數(shù)。在裝配的時(shí)候，利用UG8.0進(jìn)行了三維實(shí)體建模并進(jìn)行了運(yùn)動仿真。 本設(shè)計(jì)就排爆機(jī)器人六自由度手臂的驅(qū)動、傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了綜合分析，利用UG8.0的強(qiáng)大三維繪圖功能，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和運(yùn)動仿真。隨著現(xiàn)今高新技術(shù)的向前不斷發(fā)展，移動機(jī)械手臂的應(yīng)用前景變得越來越廣闊，社會對機(jī)械手臂功能的要求也不斷提高，本文為此提供了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞： 六自由度 機(jī)械手 實(shí)體建模 仿真 畢業(yè)論文中文摘要 Title Six degrees of freedom robotic arm to move the structural design Abstract This article briefly describes the six degrees of freedom robotic arm design process , the composition of the robot , the mechanical arm of the choice of programs analyzed, but also on the development of domestic robot conducted a preliminary understanding. In this paper, on the completion of the final six degrees of freedom robotic arm overall program design, the use of electric drive mode on the drive, identified through analysis and comparison of the overall program , this also finalized the main technical parameters of the robot arm , and each robot the main parameters were analyzed and calculated joint , thus a more precise determination of the size of each moving and other structural parameters . In the assembly , when the use of UG8.0 conducted a three-dimensional solid modeling and motion simulation . The design on EOD design-driven , transmission and structure of six degrees of freedom robot arm , conducted a comprehensive analysis , the use of three-dimensional graphics UG8.0 powerful , institutional analysis and motion simulation . With todays high-tech forward the continuous development prospects become increasingly mobile robotic arm broad social demands on the mechanical arm function is also rising , this paper aims to provide a number of design experience . Keywords： Six degrees of freedom Robot Solid Modeling Motion Simulation 目次 摘要 …………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT ………………………………………………………………………… Ⅱ 第一章 緒論 ……………………………………………………………………… 6 1.1引言 …………………………………………………………………………… 6 1.2現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 ……………………………………………………… 6 1.3國外機(jī)器人發(fā)展 ……………………………………………………………… 7 第二章 六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案確定 ……………………… 8 2.1兩種總體設(shè)計(jì)方案的分析比較 ……………………………………………… 8 2.2設(shè)計(jì)參數(shù)要求 ………………………………………………………………… 9 第三章 六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) …………………………………12 3.1六自由度移動機(jī)械手臂總體結(jié)構(gòu)組成工作原理………………………………11 3.2電動機(jī)的選擇……………………………………………………………………12 3.3腕部零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核…………………13 3.3.1確定腕部的回轉(zhuǎn)力矩……………………………………………………… 13 3.3.2電機(jī)的選用………………………………………………………………… 14 3.3.3軸承的校核 …………………………………………………………………16 3.3.4鍵的校核 ……………………………………………………………………16 3.4 小臂零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核……………… 17 3.4.1電機(jī)的選擇 …………………………………………………………………17 3.4.2兩錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………………………18 3.4.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………20 3.5 中臂伸縮機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠設(shè)計(jì) ……………………………………………25 3.5.1 選取確定滾珠絲杠的精度 …………………………………………………25 3.5.2選定導(dǎo)程 ……………………………………………………………………25 3.5.3選定支撐方式 ………………………………………………………………25 3.5.4選定絲杠外徑 ………………………………………………………………26 3.5.5選定螺母類型 ………………………………………………………………26 3.5.6計(jì)算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 ………………………………………………………………28 3.5.7選擇電機(jī)型號 ………………………………………………………………29 3.6 大臂升降電動推桿選型 ……………………………………………………29 3.7基座零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核 ………………30 3.7.1設(shè)計(jì)基座蝸輪蝸桿減速器 …………………………………………………30 第四章 六自由度移動機(jī)械手臂三維造型及動畫制作 …………………………32 4.1 UG8.0三維軟件的選擇…………………………………………………………32 4.2各零件的三維實(shí)體模型…………………………………………………………32 4.3 三維建模與仿真 ………………………………………………………………34 總結(jié) …………………………………………………………………………………36 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………37 致謝 …………………………………………………………………………………38 第一章 緒論 1.1 引言 在現(xiàn)在的制造行業(yè)中，傳統(tǒng)的加工方法和操作方式正在不斷代地被先進(jìn)制造技術(shù)代替。由于對高新技術(shù)的要求，更加促進(jìn)了機(jī)器人的快速發(fā)展。比如說，無人化的車間，自動生產(chǎn)線等等。特別是九十年代以來，工業(yè)機(jī)器人正在朝著高速度、高的可靠性、精度高的方向發(fā)展前進(jìn)，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1．機(jī)械手的結(jié)構(gòu)整體布局在向著小型模塊化、可重構(gòu)化的方向前進(jìn)發(fā)展。比如各個(gè)活動連接模塊中的伺服電機(jī)模塊，檢測系統(tǒng)機(jī)模塊,減速機(jī)模塊一體化。 2.工業(yè)機(jī)械化已經(jīng)開始快速興起。自美國94年順利開發(fā)出了“虛擬軸機(jī)床”以后，這類新型機(jī)床由于其本身的優(yōu)越性成為研究的焦點(diǎn)之一。 3.在機(jī)器人組件中,傳感器作為外界信息與的本身交流媒介作用的重要性日益凸顯。除采納傳統(tǒng)傳感器如位置、加速度、速度等傳感器外，遠(yuǎn)程無線控制機(jī)器人可對觸覺、聲覺等多有感應(yīng)，利用采取多種傳感器的綜合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模并以此作出決策控制。 在當(dāng)今,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢可大致歸納為兩點(diǎn):首先在橫向上，機(jī)械手臂的種類日益增多，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大;另一個(gè)則是在縱向上，現(xiàn)在社會對其產(chǎn)品精度的制作要求也越來越高，所以需要機(jī)械手臂性能也要隨之不斷提高，并一步一步向高智能，高精度化方向發(fā)展。21世紀(jì)，作為高新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)研究核心—智能機(jī)器人技術(shù)變革必將繼續(xù)向前發(fā)展,智能機(jī)器人技術(shù)的前進(jìn),勢必引起社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的深刻變化，為人類社會的發(fā)展進(jìn)步奠定根基。 串聯(lián)式機(jī)器人 從某種意義上說,人是可以看作是一種智能工業(yè)機(jī)器人的，機(jī)械手臂在自動搬運(yùn)物品、焊接、裝配零件等工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中有著廣泛的應(yīng)用。使其具有緊湊的結(jié)構(gòu)占用空間小，高度的靈敏性，對工作場地的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。作為當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分之一的六自由度機(jī)械手臂，也在與時(shí)俱進(jìn)。只不過普通的機(jī)械手只能完成相對簡單的操作，六自由度機(jī)械手在現(xiàn)今的工程技術(shù)及實(shí)際工作中，較之其他二自由度或三自由度更為靈活，能更為合理地進(jìn)行一些現(xiàn)實(shí)性的操作。 1.2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 機(jī)器人作為一種能夠進(jìn)行編程機(jī)械裝置，可以在自動控制下去自動執(zhí)行移動作業(yè)或者某種操作任務(wù)。機(jī)器人是綜合了多種學(xué)科的最新的科研成果，如電子機(jī)械工程、模糊控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，不僅是應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，也是現(xiàn)今科技發(fā)展最為活躍的因素之一[1]。愈來愈多的國家正逐步加大對機(jī)器人研究、制造和應(yīng)用的投入。自機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人技術(shù)如雨后春筍般，以非常迅速的速度向前發(fā)展，在不同領(lǐng)域，不同用途的機(jī)器人獲得了廣泛應(yīng)用。 20 世紀(jì)80 年代初，我國早就已經(jīng)開始對機(jī)器人進(jìn)行研究開發(fā)了。自86年開始，我國科學(xué)家們高瞻遠(yuǎn)矚，推出了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。87 年，我國將機(jī)器人方面的研究列入“863”計(jì)劃,這大大促進(jìn)了我國機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前，我國主要是一些高等院校和如中科院的相關(guān)從事機(jī)器人方面科研院所在應(yīng)用開發(fā)機(jī)器人。目前我國在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面取得了一定成就。主要的研究成果有：哈工大成功開發(fā)兩足步行式機(jī)器人，95年順利完成了高壓水切割機(jī)器人， 93年北京自動化研究所圓滿完成了噴涂機(jī)器人，沈陽自動化研究所開發(fā)了可以有電纜深潛300m以上的機(jī)器人，除此之外還有無電纜深潛機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制移動作業(yè)機(jī)器人， 00年北航研制的三指靈巧機(jī)械手，國防科技大學(xué)的兩足人形機(jī)器人研制成功，華理工大學(xué)制作了弧焊、點(diǎn)焊機(jī)器人，還有各種機(jī)器人的裝配系統(tǒng)等等。 圖1.1 工業(yè)機(jī)器人手臂示意圖 圖1.2實(shí)驗(yàn)室示教機(jī)器人 1.3國外機(jī)器人的發(fā)展 一般我們把機(jī)器人分為兩大類：工業(yè)機(jī)器人和其他特種機(jī)器人[2]。由于美國62年造出了世界上第一臺Unimate型當(dāng)然還有Versatra型工業(yè)機(jī)器人，之后機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家的發(fā)展非常迅速。在德國、英格蘭、法國和波蘭、匈牙利等國家，機(jī)器人應(yīng)用及機(jī)器人制造業(yè)都受到重視，政府對此投入也很大。除了我們鄰國日本外，在世界上還有許多發(fā)達(dá)國家，例如一些歐美國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。在亞洲，繼日本之后，韓國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，現(xiàn)排名世界前列。 圖1.3 關(guān)節(jié)機(jī)械手臂 圖1.4六自由度機(jī)械手臂模型 第二章 六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案確定 2.1兩種總體設(shè)計(jì)方案的分析比較 六自由度機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手臂能實(shí)現(xiàn)六自由度的移動或轉(zhuǎn)動，以解決在實(shí)際過程中抓取物品的問題。設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂適合中型排爆機(jī)器人的應(yīng)用，抓取質(zhì)量可達(dá)5kg。根據(jù)任務(wù)要求，首先制定六自由度機(jī)器人機(jī)械手臂的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行方案比較并確定方案。 方案一：如圖一所示的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu) 先是基座是一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，使得機(jī)械手可以旋轉(zhuǎn)已達(dá)到更大的控制范圍，大臂與中臂有一俯仰副，再加上旋轉(zhuǎn)，由此構(gòu)成旋轉(zhuǎn)加俯仰疊加，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，。手臂伸展更為靈活。俯仰加旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中比較常見，不過此方案采用的結(jié)構(gòu)較單一，若欲是機(jī)械手左右運(yùn)動，可通過基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，也可通過關(guān)節(jié)4旋轉(zhuǎn)再加上關(guān)節(jié)5的俯仰的綜合效果,使得動作更為多樣，總體設(shè)計(jì)的較為緊湊。 圖2.1方案一 圖2.2方案二 方案二：如圖二所示機(jī)械手臂結(jié)構(gòu) 基座旋轉(zhuǎn)使得機(jī)械手整體轉(zhuǎn)動，以便達(dá)到更大的控制范圍。大臂是由電動推桿推動的，再在外面機(jī)架上裝上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，這樣就使電動推桿只承受徑向產(chǎn)生的力，也由此保證垂直運(yùn)動不會偏斜，還可以提高剛度。大臂與中臂是靠一個(gè)俯仰副連接起來的，中臂是一個(gè)伸縮裝置，能夠伸長和縮短以提高機(jī)械的靈活性，并進(jìn)一步提高控制范圍，伸縮裝置是由滾珠絲杠構(gòu)成，外加滾動導(dǎo)軌以提高精度并減小轉(zhuǎn)矩。相對于普通絲杠，在相同負(fù)載條件下，滾珠絲杠所需的轉(zhuǎn)矩僅是普通絲杠的三分之一，這對于軸和軸承的設(shè)計(jì)，以及提高機(jī)械裝置的整體性能都大有好處，從而提高機(jī)械裝置壽命。中臂和小臂的連接是靠一個(gè)俯仰副，使得小臂可以相對于大臂上下轉(zhuǎn)動，一邊可以可以是手腕更接近地面。小臂和手腕是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)副連接起來的，以保證手爪旋轉(zhuǎn)，使其更容易抓取物體。 綜上所述，方案二的設(shè)計(jì)更為合理，在此采用方案二的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 2.2設(shè)計(jì)參數(shù)要求 表2.1六自由度機(jī)械手臂的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 序號 運(yùn)動類型 動作范圍 速度 1 基座回轉(zhuǎn) 360 90/s 2 大臂升降 200mm 10mm/s 3 中臂俯仰 -30-45 1.100mm/s 4 中臂伸縮 500mm 100mm/s 5 小臂俯仰 180 100/s 6 腕部回轉(zhuǎn) 360 112.5/s 2.3三維裝配圖正視圖 圖2.4三維裝配圖左視圖 第三章.六自由度移動機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1六自由度移動機(jī)械手臂總體結(jié)構(gòu)組成工作原理 總體結(jié)構(gòu)是通過三個(gè)直流伺服電動機(jī)分別帶動手腕，小臂和基座的運(yùn)動，還有電動推桿帶動大臂的上移以及中臂肘部的轉(zhuǎn)動。其中基座是由直流伺服電動機(jī)通過行星輪減速器、聯(lián)軸器連接到蝸輪蝸桿進(jìn)而改變方向帶動基座主軸旋轉(zhuǎn)的，手腕與基座類似，都是通過直流伺服電機(jī)，連接行星輪減速器進(jìn)而帶動下一個(gè)部件旋轉(zhuǎn)。小臂的上下俯仰角度是，由電動機(jī)通過其直接與行星輪減速器相連接來驅(qū)動，。大臂是由電動推桿構(gòu)成，行程300mm。大臂與中臂連接肘部也是通過電動推桿連接，通過電動推桿推動使得中臂繞肘部上下旋轉(zhuǎn)，使其旋轉(zhuǎn)范圍為。中臂是利用滾珠絲杠傳動進(jìn)行伸縮，現(xiàn)在工業(yè)設(shè)計(jì)大都都應(yīng)用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌，若再采用普通絲杠，不僅是的轉(zhuǎn)矩增大進(jìn)而使軸徑增大，這樣會使機(jī)械結(jié)構(gòu)笨重，也無法滿足實(shí)際精度的要求。 3.2電動機(jī)的選擇 機(jī)械手臂的驅(qū)動電機(jī)均采用上海瑞克科技發(fā)展有限公司的直流伺服電機(jī)： 手腕電機(jī)50SYX03型 額定功率為0.06KW，額定轉(zhuǎn)矩 0.06N.m，額定轉(zhuǎn)速 3000r/min 小臂電機(jī)70SYX03型 額定功率為0.2KW，額定轉(zhuǎn)矩 0.67N.m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min 基座電機(jī)82SYX03型 額定功率為0.25KW，額定轉(zhuǎn)矩 1.7N.m，額定轉(zhuǎn)速1500r/min 電機(jī)型號和技術(shù)參數(shù)如圖所示： 圖3.1 電機(jī)實(shí)物圖 圖3.2 電機(jī)技術(shù)參數(shù) 3.3腕部零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核 3.3.1確定腕部的回轉(zhuǎn)力矩 手腕在回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的力矩大致分成三類：腕部所受的摩擦阻力矩，由于工作重心的偏置而引起的力矩以及腕部在啟動時(shí)產(chǎn)生的慣性阻力矩。計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)力矩的步驟如下: 1.摩擦阻力距 表中 f—— 軸承的摩擦系數(shù)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)滾動軸承取 , —— 軸承的支承反力 —— 軸承直徑 2.由工件重心偏置而引起的偏執(zhí)力矩計(jì)算 式中 ——工件重量（N） e ——偏心距，當(dāng)工作中心與手腕部的回轉(zhuǎn)中心線相重合時(shí)， 3.腕部在啟動時(shí)產(chǎn)生的慣性阻力距 式中 ——在電機(jī)剛啟動的過程中腕關(guān)節(jié)所轉(zhuǎn)過的角度（rad） ——手腕關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)角速度 經(jīng)受力分析的， 取 故 因此手腕處的回轉(zhuǎn)力M最少應(yīng)該為 3.3.2電機(jī)的選用 1. 手腕電機(jī)選型 50SYX03型 額定功率為0.06KW，額定轉(zhuǎn)矩 0.06N.m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min 由于手腕回轉(zhuǎn)速度，故 故 減速器選型 LeenAnson行星減速機(jī)LAELAE42，減速比80 2. 在輸出軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n,轉(zhuǎn)矩T 現(xiàn)在先假設(shè)每級齒輪的傳動效率（其中包括軸承效率） 3. 初步確定軸的最小直徑 取 選軸的最小直徑12mm 查手冊得到聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取=1.3 則 查設(shè)計(jì)手冊，選用GY1,其公稱轉(zhuǎn)矩為25000 取聯(lián)軸器與腕部回轉(zhuǎn)軸相配合長度 L=mm 圖3.3 腕部裝配圖 按照彎矩合成應(yīng)力來校核軸的強(qiáng)度 在進(jìn)行校核的時(shí)候，一般僅僅校核危險(xiǎn)截面，即在軸上承擔(dān)最大的彎矩和扭矩的截面，（取d=14mm） 現(xiàn)確定軸的材料為45鋼，要求調(diào)制處理，由 因，故安全 3.3.3軸承的校核 取=400N 取X=0.4， Y=1.6 取X=0.4， Y=1.6 故N 又，故軸承1被壓緊，軸承2放松 故 對軸承進(jìn)行校核： 計(jì)算軸承壽命，因?yàn)?，采用? 故軸承合格 3.3.4 鍵的校核 1. 選擇平鍵（圓頭） 由直徑d=12mm，從設(shè)計(jì)書中選取鍵B 5x5 GB/T1096 由輪轂的寬度并且參考鍵的標(biāo)準(zhǔn)長度系列，選取L=18mm 2.校核鍵在連接的強(qiáng)度是否滿足要求 輪轂，軸和鍵的材料都選為鋼，許用擠壓應(yīng)力 鍵的工作長度， 輪轂槽與鍵接觸的高度為k=0.5h=0.5x5mm=2.5mm 由式 故鍵安全。 3.4小臂零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核 圖3.4小臂裝配圖 3.4.1電機(jī)的選擇 電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩 且轉(zhuǎn)速n= ， 取 選用電機(jī)70SYX03型 額定功率為0.2KW，額定轉(zhuǎn)矩 0.67N.m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，現(xiàn)要求其使用壽命為12000h 3.4.2兩錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1.錐齒輪設(shè)計(jì) 圖3.5 小錐齒輪 小錐齒輪傳動轉(zhuǎn)矩，小齒輪轉(zhuǎn)速， 大齒輪轉(zhuǎn)速， i=1.875，小輪懸臂支撐，大輪兩端支承，用滲碳，淬火，齒面硬度，齒面粗糙度。 2. 初步設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)公式 載荷系數(shù) ， 齒數(shù)比 在估算的情況下齒輪許用接觸應(yīng)力 式中.錐齒輪的表面接觸疲勞強(qiáng)度極限為 估算時(shí)的安全系數(shù)取1.1 估算結(jié)果 3.幾何計(jì)算 取， 實(shí)際齒數(shù)比 大端模數(shù)，取 齒寬取b=15mm 大端分度圓直徑 圖3.6 大圓錐齒輪 4.對齒根的抗彎疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 計(jì)算公式 ，，， ，，，， 齒根許用強(qiáng)度基本值 齒根彎曲疲勞遷都基本值，壽命系數(shù)1.2， 查取相對齒根彎曲敏感系數(shù)為 查取相對齒根表面狀況系數(shù)為 尺寸系數(shù) ，最小安全系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力值 比較知合格 3.4.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.小錐齒輪軸的計(jì)算 功率 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 求得作用在小錐齒輪上的作用力 （1）.初步確定軸的直徑 ，取 選擇聯(lián)軸器，采用GY1型,其公稱轉(zhuǎn)矩為25000Nmm，軸與聯(lián)軸器相配合時(shí)的轂孔長度為L=35mm，取聯(lián)軸器與軸相配合時(shí)的轂孔長度為L=35mm （2）.軸的校核 所以軸的受力下表所示： 表3.1小錐齒輪受力情況表 載荷 水平面 H 垂直面 V 彎矩M 總彎矩M 扭矩T 按照彎矩合成應(yīng)力原理來校核錐齒輪軸的強(qiáng)度 在進(jìn)行校核的時(shí)侯，一般僅校核危險(xiǎn)截面a，即在軸上承擔(dān)最大的扭矩和彎矩的截面，（取d=40mm） 選取軸的材料為45鋼，要求調(diào)制處理，表面滲碳，由，因，安全 （3）.小錐齒輪軸的軸承校核 取X=1， Y=0 取X=1， Y=0 故N 又，故軸承2壓緊，軸承1放松 故 對軸承進(jìn)行校核： 計(jì)算軸承壽命，因?yàn)?，采用? 故軸承合格 （4）.鍵的校核 選擇平鍵（圓頭），由直徑d=14mm，從設(shè)計(jì)書中選取鍵B 5x5 GB/T1096 由輪轂的寬度并參照鍵的標(biāo)準(zhǔn)長度系列，查取L=16mm 校核鍵連接時(shí)的強(qiáng)度是然否滿足要求 由式 故鍵安全。 2. 大錐齒輪軸的校核計(jì)算 在大錐齒輪軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)矩T （1）.求作用在大錐齒輪上的3個(gè)力： （2）.初步確定大錐齒輪軸的最小直徑，查手冊取 選軸的最小直徑25mm （3）.軸的受力如下表所示： 表3.2小錐齒輪受力表 載荷 水平面 H 垂直面 V 彎矩M 總彎矩M 扭矩T 按照彎矩合成應(yīng)力要求來進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核 在進(jìn)行校核的時(shí)侯，一般僅校核軸上危險(xiǎn)截面a，即實(shí)際承受最大的扭矩和彎矩的截面（取d=34mm） 由因，故安全 （4）.軸承的校核 取X=0.4， Y=1.6 取X=1， Y=0 故N 又，故軸承1被壓緊，軸承2放松 故 對軸承進(jìn)行校核： 計(jì)算軸承壽命，因?yàn)?，采用? 故軸承合格 （5）.鍵的校核 選擇平鍵（圓頭），由直徑d=30mm，選取鍵B 8x7 GB/T1096 按照輪轂的寬度并參照選取鍵的標(biāo)準(zhǔn)長度系列，查手冊選取L=16mm 校核鍵連接的強(qiáng)度 所選輪轂，軸和鍵的材料都采用鋼，查出其許用擠壓應(yīng)力 鍵的工作長度， 計(jì)算得輪轂槽與鍵的理論接觸高度k=0.5h=0.5x7mm=3.5mm 由式 故鍵安全。 3.5 中臂伸縮機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠設(shè)計(jì) 水平鑄件工作臺和安裝工件質(zhì)量： 行程長度: 最高運(yùn)動速度： 加速行程時(shí)間： 減速行程時(shí)間： 定位精度： 軸向游隙：0.15mm 預(yù)計(jì)期望壽命：30000h 伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速： n=1500r/min 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（假設(shè)）： 導(dǎo)軌與工作臺之間的表面摩擦系數(shù)： 導(dǎo)向面的阻力： 初定滾珠絲杠的傳動效率為： 3.5.1選取確定滾珠絲杠的精度 按要求換算為300mm時(shí)的允許誤差為 因此，為了滿足要求的定位精度，需要選取誤差不高于0.090mm300mm的導(dǎo)程精度。對照日本THK公司的樣本資料，確定采用軋制滾珠絲杠 3.5.2選定導(dǎo)程 已經(jīng)知到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n=1500rmin，電機(jī)與絲杠采用直接相連的連接方式，因此減速比為i=1 根據(jù) 從而選取4mm以上的導(dǎo)程 3.5.3 選定支撐方式 工作行程500mm，速度0.1m/s，選定一端固定一端支撐的支撐方式 3.5.4選定絲杠外徑 為滿足軸向游隙小于0.15mm的要求，必須選擇軸向游隙小于0.15mm的滾珠絲杠副。查閱THK公司資料軸向間隙小于0.15mm的軋制滾珠絲杠外徑必須在32mm以下，同時(shí)滿足導(dǎo)程大于2mm（加資料圖） 選擇：規(guī)格（外徑16mm+5mm） 軸向容許載荷的計(jì)算及校核 加速度： 最大軸向載荷 查閱資料，得出絲杠溝槽13.2mm，（加表），與安裝方式有關(guān)有關(guān)的系數(shù)f=15.1， 則臨界轉(zhuǎn)速 直徑規(guī)格由DN決定臨界轉(zhuǎn)速 由導(dǎo)軌及最高速度計(jì)算的實(shí)際轉(zhuǎn)速為 未超過臨界值，可以使用。 3.5.5選定螺母類型 1.螺母允許的最大軸向載荷校核 查閱制造商資料，軋制滾珠絲杠中，絲杠外徑16mm，導(dǎo)程5mm螺母 選擇THK BNT 1605-216 取 普通機(jī)械有沖擊振動取 最小規(guī)格的螺母所允許的最大軸向載荷是 ，安全 2.額定壽命計(jì)算及校核 計(jì)算軸向載荷 先把運(yùn)動過程分為加速、等速、減速三個(gè)階段。返回時(shí)同樣按加速、等速、減速三個(gè)階段，各階段的行走距離分別為。軸向載荷分別為，則各階段行走距離分別為 加速時(shí)行走距離 減速時(shí)行走距離 等速運(yùn)動行走距離 各階段軸向載荷分別為 計(jì)算兩個(gè)方向的平均軸向計(jì)算載荷 正向平均載荷： 負(fù)向平均載荷： 平均軸向載荷 計(jì)算總轉(zhuǎn)數(shù)表示的額定壽命 3.5.6 計(jì)算驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 等速運(yùn)動狀態(tài)下電機(jī)需要的轉(zhuǎn)矩 其軸向負(fù)載 取0 加速運(yùn)動狀態(tài)下電機(jī)所需要的加速轉(zhuǎn)矩 查閱制造商資料，得出絲杠單位長度的轉(zhuǎn)動慣量為 再乘以絲杠長度610mm，即得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 工作臺與工件的轉(zhuǎn)動慣量 將負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)的輸出軸的總轉(zhuǎn)動慣量為 電機(jī)在工作時(shí)實(shí)際最高轉(zhuǎn)速為 角加速度 則加速度扭矩 其中為電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 因此電機(jī)需要的最大驅(qū)動扭矩為加速運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動扭矩 3.5.7選擇電機(jī)型號 根據(jù)以上計(jì)算得出電機(jī)最大負(fù)載扭矩0.9472，將負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機(jī)輸出軸上的總傳動慣量是 由此選擇82SYX03可滿足以上要求 3.6、大臂升降電動推桿選型 由于僅做垂直運(yùn)動，且要求行程為200mm， 所以選擇收縮長度311mm，有效行程200mmLAM3型電動推桿 圖3.7 電動推桿外型 圖3.8電動推桿具體尺寸 圖3.9 電動推桿各型號尺寸 3.7基座零部件的選型和尺寸確定、相關(guān)的計(jì)算和必要的校核 3.7.1 設(shè)計(jì)基座蝸輪蝸桿減速器 基座電機(jī)82SYX03型 額定功率為0.25KW，額定轉(zhuǎn)矩 1.7N.m，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，現(xiàn)規(guī)定其使用壽命12000h 現(xiàn)采取漸開線蝸輪（ZI），蝸桿螺旋齒面需要進(jìn)行表面淬火，其表面硬度為45～55HRC。蝸輪外緣用鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1），采用金屬模鑄造，而齒芯則用灰鑄鐵HT100制造。 1.按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)公式 ： 傳動中心距 現(xiàn)由計(jì)算得出作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 蝸桿軸 按=1，=0.4則 =Nmm=83758Nmm 確定載荷系數(shù) 取=1， =1.5， =1.05 則 彈性系數(shù) ，接觸系數(shù)＝2.9，許用接觸應(yīng)力=258 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 計(jì)算中心距 取中心距a=80mm，因假設(shè)i=80，現(xiàn)取i=82。從設(shè)計(jì)手冊中取模數(shù)m=2mm， 蝸輪蝸桿分度圓直徑=35.5mm，這時(shí)，，故計(jì)算可用。 2..蝸桿與蝸輪的重要幾何尺寸與參數(shù) 蝸桿參數(shù) a. 軸向齒距 b.直徑系數(shù) c.分度圓導(dǎo)程角 d.蝸桿軸向齒厚 蝸輪參數(shù) a.蝸輪齒數(shù) b.變位系數(shù)蝸輪分度圓直徑 3.按照齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 當(dāng)量齒數(shù) 齒形系數(shù) 螺旋角系數(shù) 蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力=56 壽命系數(shù)0.749 所以 則 彎曲強(qiáng)度是滿足的 第四章 六自由度移動機(jī)械手臂三維造型及動畫制作 4．1 UG8.0三維軟件的選擇 UG8.0的軟件功能非常強(qiáng)大，組件很多且容易學(xué)會。UG8.0 能夠?yàn)槲覀兲峁┰S多不同的設(shè)計(jì)方案，為我們提供了很大方便，給我們更直觀的感覺，這樣就減少了設(shè)計(jì)過程中不必要的的錯(cuò)誤以及能夠更有效率地提高產(chǎn)品質(zhì)量。UG8.0 不僅提供如此強(qiáng)大的功能服務(wù)，同時(shí)對每一個(gè)從事機(jī)械工作的人，無論是工程師還是設(shè)計(jì)者來說，操作方法簡單方便而且易學(xué)易用。 4．2 各零件的三維實(shí)體模型 圖4.1蝸輪蝸桿副 圖4.2 上升臂法蘭 圖4.3滾珠絲杠 圖4.4錐齒輪軸 4．3 三維實(shí)體建模與仿真 圖4.5俯仰運(yùn)動 圖4.6水平回轉(zhuǎn) 圖4.7小臂回轉(zhuǎn) 總結(jié) 通過進(jìn)行多種方案的分析比較，以及參考國內(nèi)外以設(shè)計(jì)出的六自由度機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)，本文較為詳細(xì)的闡述了六自由度機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)過程，也分析了不同方案的優(yōu)點(diǎn)和不足，根據(jù)排爆機(jī)器人機(jī)械手臂的功能和特性，確定了六自由度移動機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)方案，也確定了機(jī)械手臂的功能實(shí)現(xiàn)方法和性能指標(biāo)，本文還對其進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動仿真，使方案設(shè)計(jì)顯的更為合理。 經(jīng)過本次設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)了如下的工作： 1. 根據(jù)題目要求查閱了大量相關(guān)資料，對現(xiàn)在機(jī)械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀有了一個(gè)比較詳細(xì)的了解，同時(shí)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出其優(yōu)點(diǎn)和不足，并根據(jù)現(xiàn)在機(jī)械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀來確定結(jié)構(gòu)方案。 2. 完成了六自由度移動機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對驅(qū)動部件，緊固部件，傳動部件進(jìn)行了研究和選擇。 3. 本文采用了UG8.0軟件進(jìn)行了六自由度機(jī)械手臂全部零件的造型設(shè)計(jì)。 展望六自由度機(jī)械手臂的發(fā)展前景，其一定會更加小巧，功能更加強(qiáng)大，當(dāng)然在控制方面也更加智能化，人性化。 參考文獻(xiàn) 1 郭洪紅,賀繼林,田宏宇,席巍.工業(yè)機(jī)器人.西安電子科技大學(xué)出版社,2006 2 車仁煒,呂廣明,孫立寧. 五自由度康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì).第22卷第 4 期,2005 3 蔡自興.機(jī)器人學(xué).第1版.北京：清華大學(xué)出版社，2000 4 鄒湘軍.機(jī)械產(chǎn)品的三維動態(tài)圖形模擬研究.計(jì)算機(jī)仿真第18卷第四期,2001 5 張玉蓮,談國華.三維實(shí)體造型概述.電子機(jī)械工程第三期,2001 6 梁喜鳳，王永為.番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)型綜合研究.農(nóng)機(jī)化研究第3期,2003 7 梁喜鳳 王永維 苗香雯.番茄收獲機(jī)械手避障運(yùn)動規(guī).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).第39卷第11期，2004 8 梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮.果實(shí)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能分析.農(nóng)機(jī) 化研究第2期，2004 10 趙山杉.移動機(jī)械手運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析及仿真.優(yōu)秀碩士論文期刊，2006 11 李斌.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)械手運(yùn)動學(xué)分析.優(yōu)秀碩士論文期刊，2006 12 T.Shamir.The singulariries of redundant robot arms.The international journal of robotics researeh，1990，9(1):113一121 13 TadashiKuroiwa.simulation systems for the design of robot mechanisms?Advanccs 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在撰寫本論文的過程中，要特別感謝我的導(dǎo)師段萍段老師的鞭策與指導(dǎo)，也感謝她的寬容與諒解。如果沒有段老師的幫助指導(dǎo)也就沒有我現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果。求學(xué)歷程是很艱苦的，但卻又是快樂的。同時(shí)也感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中所有指點(diǎn)過我的同學(xué)和老師，他們的指點(diǎn)讓我的畢業(yè)設(shè)計(jì)更上一層樓。三個(gè)月以來，段老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、執(zhí)著追求的敬業(yè)精神時(shí)時(shí)鞭策和啟迪我，使我受益匪淺，時(shí)刻影響著我。在此致以誠摯的敬意和表示深深的感謝!另外，我還要感謝我的父母，謝謝他們對我無微不至的照顧與關(guān)心。在河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院四年的生活中結(jié)識的摯友，是我人生中最大的一筆珍貴財(cái)富。我在此，衷心的感謝他們對我的幫助。 其次，我在這里還要感謝跟我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們，因?yàn)樗麄?，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能進(jìn)展得這么順利，因?yàn)橛辛怂麄兊膸椭椭С?，我才能耐下心來去解決畢設(shè)中遇到的困難，跟他們一起學(xué)習(xí)也使我受益良多。 最后，向評審本次畢業(yè)論文的各位答辯組的老師們祝以衷心感謝。 在本論文中，參考了許多的文獻(xiàn)資料，在此， 向?qū)W術(shù)界的先輩們致敬！ 40