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壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 小型搬運(yùn)工機(jī)器人 摘 要 機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，搬運(yùn)機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究搬運(yùn)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。 本文對(duì)一種使用在搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)型機(jī)械手，結(jié)構(gòu)分析 Abstract The robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines. In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength. Keywords：Structure design, Robot arm, Structure analysis 目錄 第1章 緒論 5 1.1 機(jī)械手的歷史與發(fā)展 5 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 5 1.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 5 1.2 機(jī)械手的組成 7 1.3 機(jī)械手的分類 8 第2章總體方案設(shè)計(jì) 9 2.1 機(jī)械手工程概述 9 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 11 2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 12 2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 12 第3章機(jī)械手大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 15 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 16 第4章機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 4.1 腕部設(shè)計(jì) 18 4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 4.3小臂電機(jī)及減速器選型 23 第5章機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 24 5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 29 5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 37 5.4機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 45 第6章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 46 6.1 控制系統(tǒng)模式的選擇 46 6.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 47 6.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理 49 6.4 步進(jìn)電機(jī)的控制 50 結(jié)論與展望 54 參考文獻(xiàn) 55 致謝 57 第1章 緒論 1.1 機(jī)械手的歷史與發(fā)展 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中所說的泥土巨人等等，這些優(yōu)美的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把優(yōu)美的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械木偶人。 到了近代 ，機(jī)器人這一詞語(yǔ)的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入平常的百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、可重復(fù)編程、自動(dòng)控制、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上的代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種模擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 所以就有了就有了很多國(guó)家地區(qū)制造出來(lái)工業(yè)機(jī)器人，而如今我設(shè)計(jì)的題目就是機(jī)器人的一個(gè)簡(jiǎn)單部位——機(jī)械手。 1.1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： （1） 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單個(gè)工業(yè)機(jī)器人價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)美元。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位的一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，這就便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的易操作性，可維修性和可靠性。 （4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。 （6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實(shí)例。 （7）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。然而這是一種錯(cuò)誤的想法。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的海洋開發(fā)、宇宙開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出裝配、噴漆、點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有150多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線或生產(chǎn)站上獲得了規(guī)模的應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、成本比較高、供貨周期長(zhǎng)，而且可靠性、質(zhì)量不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果在世界上處于領(lǐng)先水平，還開發(fā)出雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、直接遙控機(jī)器人、管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等幾種機(jī)器人；在機(jī)器人視覺、觸覺、力覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上耗費(fèi)了不少時(shí)間與工作量，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則才剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，作出比較突出的改變，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以其在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2 機(jī)械手的組成 一般來(lái)說，機(jī)械手主要有以下幾部分組成： 1. 手部(或稱抓取機(jī)構(gòu))：包括手爪、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 傳送機(jī)構(gòu)(或稱臂部)：包括手臂、手腕等，主要起到改變物件方向和位置的作用。 3. 驅(qū)動(dòng)部分：它是前兩部分的動(dòng)力，因此也稱為動(dòng)力源，常用的有氣壓、液壓、電機(jī)和電力四種驅(qū)動(dòng)形式。 4. 控制部分：它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，是機(jī)械手的核心部位，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)間(甚至速度與加速度)等。 5. 其它部分：如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、液壓裝置、步進(jìn)機(jī)、傳感裝置和行程檢測(cè)裝置等。 1.3 機(jī)械手的分類 機(jī)械手從使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式以及臂力大小四個(gè)方面的分類分別為： 1. 按使用范圍分類： (1) 專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無(wú)單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。 (2) 通用機(jī)械手 指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。 2. 按驅(qū)動(dòng)方式分類： (1) 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)； (2) 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)； (3) 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)； (4) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。 3. 按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類： (1) 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))； (2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)； (3) 球坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))； (4) 多關(guān)節(jié)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。 4. 按機(jī)械手的臂力大小分類： (1) 微型機(jī)械手 臂力小于1㎏； (2) 小型機(jī)械手 臂力為1－10㎏； (3) 中型機(jī)械手 臂力為10－30㎏； (4) 大型機(jī)械手 臂力大于30㎏。 我所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人能夠抓取50g左右的物體，并且用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)器人的每個(gè)自由度。該機(jī)器人擁有六個(gè)自由度。 1）可搬重量 最大50g 2）速度 最大10cm/s 3）臂的長(zhǎng)度 總高要求<500mm 4）機(jī)器人本體重量 小于25kg 5）驅(qū)動(dòng)電機(jī) 六臺(tái)步進(jìn)電機(jī) 6）位置再現(xiàn)精度 士1.0mm 第2章總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手工程概述 機(jī)械手工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來(lái)用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)械手設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究、開發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手的整體出發(fā)來(lái)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。 從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來(lái)看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性： （1）整體性由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。 （2）相關(guān)性系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。 （3）目的性每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。 （4）環(huán)境適應(yīng)性任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。 因此，在進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。 工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)械手能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來(lái)完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械手系統(tǒng)亦是如此。 2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 （一） 確定負(fù)載 目前，國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)械手中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。 （二） 驅(qū)動(dòng)方式 由于步進(jìn)電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)。 （三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。 （四）工作范圍 工業(yè)機(jī)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇 （五）運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 該搬運(yùn)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖 圖2.1 搬運(yùn)機(jī)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(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部件,承受搬運(yùn)機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證搬運(yùn)機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。 搬運(yùn)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng) 手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件：包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。 2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。 (1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 (2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 (a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2-2 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式 根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。 圖2-3 機(jī)械手坐標(biāo)示意圖 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)50g，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)范圍小,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。 第3章機(jī)械手大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是搬運(yùn)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說臂部設(shè)計(jì)基本要求: （1）臂部應(yīng)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(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)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，搬運(yùn)機(jī)械手常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，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(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)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(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料; (b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 (3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來(lái)說，直角和圓柱坐標(biāo)系搬運(yùn)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式搬運(yùn)機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。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 ＜200200 200200~500500 ＞500500 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(jì)（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量： M2=1Kg， M3=1Kg J1=M2L42+M3L52=10.052+10.12=0.0125kg.m2 大臂平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速度為10r/min ，轉(zhuǎn)化角速度為1.047rad/s為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T - 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則： 若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為0.03N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3.2) 選擇步進(jìn)電機(jī)： 根據(jù)上面算的T01輸出轉(zhuǎn)矩大于該數(shù)值的步進(jìn)電機(jī)，考慮到該機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較小，抓取的物件較輕，轉(zhuǎn)矩也不大，所以選取體積比較緊湊，轉(zhuǎn)矩較小的BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)，而且其供電電壓為5-12V，兼容單片機(jī)供電電壓，方便控制，其具體的參數(shù)如圖3.1所示。 圖3.1 BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)一覽表 由上圖知，24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的牽入轉(zhuǎn)矩為34.3mNm，減速比為64:1，經(jīng)過齒輪減速器后的轉(zhuǎn)速比為：轉(zhuǎn)矩*減速比，即34.364=2.1952Nm，遠(yuǎn)大于式（3.2）所算的轉(zhuǎn)矩。故我們選擇24BYJ48步進(jìn)電機(jī)。 第4章機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 腕部設(shè)計(jì) 腕部能夠連接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。 腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。 按自由度分類可將工業(yè)機(jī)器人手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的工作性能要求來(lái)確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自由度的手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤上，再通過兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。 圖4.1 ＢＢ型手腕示意圖 本課題研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人廣泛用于進(jìn)行汽車車身等噴涂作業(yè)，腕部作用于工作空間的最前端，有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖3.2所示。 圖4.2 手腕外形尺寸示意圖 4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 手腕的偏轉(zhuǎn)是通過后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。 （1）選擇步進(jìn)電機(jī) 手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]： （4.1） （4.2） （4.3） （4.4） （4.5） （4.6） （4.7） （4.8） 式中： —手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（Nm）； —摩擦阻力矩（Nm）； —負(fù)載阻力矩（Nm）； —手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（Nm）； —工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2）； —手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2）； —手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）； —手腕質(zhì)量（kg）； —負(fù)載質(zhì)量（kg）； —啟動(dòng)時(shí)間（s）； —手腕部分材料密度（kg/m3）； —手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）； —手腕的長(zhǎng)度（m）； —手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。 根據(jù)已知條件：m=50kg，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(shù)據(jù)代入計(jì)算得： r/s 因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得： 彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率； 滾子鏈傳動(dòng)效率； 滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）； 錐齒輪傳動(dòng)效率； 計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。 電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩（4.9） 根據(jù)上面計(jì)算的M電對(duì)步進(jìn)電機(jī)選型，參照?qǐng)D3.1 BYJ系列永磁式步進(jìn)電機(jī)一覽表 可知28byj48步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后的轉(zhuǎn)矩為2.1952Nm，大于M電，滿足驅(qū)動(dòng)要求。故我們依舊選擇28byj48步進(jìn)電機(jī)。 圖4.3 28byj48型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 4.1.2電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （4-1） 、、分別為10kg(包括負(fù)載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為46.25mm、200mm、375mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （4-2） 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: = 式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 （4-3） 式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 ——角加速度 使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則： 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算 （4-4） 式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ； ——負(fù)載力矩 ； ——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ； ——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9； 系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5 估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式 （4-5） 根據(jù)圖4.1 28BYJ48選型一覽表，依舊選擇28byj-48步進(jìn)電機(jī) 4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 4.3小臂電機(jī)及減速器選型 本關(guān)節(jié)機(jī)器人小臂部?jī)蓚€(gè)自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因?yàn)閷⒈凵扉_呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖4-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32（4.1） 其中：M1，M2，M3分別為負(fù)載0.05Kg，手臂0.5Kg，腕部0.5Kg；L1，L2，L3分別其長(zhǎng)度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計(jì)，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1= M1L12+M2L22+M3L32(4.2) =0.050.1432+0.50.4452+0.50.5422 =0.393kgm2 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=2Kg，L4=24.25mm；M3=4Kg，L5=48.5mm。 J2=M2L42+M3L52 (4.3) =10.024252+40.04852 =0.16kg.m2 設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時(shí)間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為： 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為0.3N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 選擇步進(jìn)電機(jī)選型，根據(jù)表4.1，我們依舊選擇28BYJ48，經(jīng)過減速比后的扭矩為2.1952Nm，大于0.6Mm，所以符合要求。 第5章機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)身系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （1）支撐架的設(shè)計(jì) 支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設(shè)計(jì)大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設(shè)計(jì)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)支撐架?？紤]機(jī)身回轉(zhuǎn)時(shí)的偏心力，合理設(shè)計(jì)支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。 （2）機(jī)座的設(shè)計(jì) 機(jī)座在中間軸對(duì)應(yīng)的位置處加工一個(gè)軸承固定座，其他無(wú)特殊要求。 機(jī)身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要參照《機(jī)械設(shè)計(jì)》[14]。 5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 5.1.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 （5.1） （5.2） （5.3） （5.4） （5.5） （5.6） ——慣性力矩 ——摩擦力矩 ——輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ——大臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——小臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——機(jī)身自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——啟動(dòng)時(shí)間 =0.5s =0.8m/s =0.125m 1.6 rad/s 當(dāng)大小臂的位置關(guān)系如圖5.1所示位置時(shí)，大小臂處于動(dòng)作可以達(dá)到的極限位置，此時(shí)需要的數(shù)值最大。 圖5.1 大小臂處于極限位置 由同組成員計(jì)算出的大臂質(zhì)量及相關(guān)大臂相對(duì)中心線oa的垂直距離得出： =100mm， =10kg， 代入式（5.5）得： =0.053kgm 由同組組員算出的小臂質(zhì)量及相關(guān)小臂相對(duì)oa線的垂直距離得出： =250mm， m=1kg， 代入式（5.5）得： =0.335kgm m 計(jì)算相關(guān)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值得出：m圓盤=5kg； 代入式（5.6）得： =0.2kgm 代入（5.2）得到=44.86Nm 帶入（5.1）得到 =1.2Nm 選擇二級(jí)圓柱齒輪減速器i=9 （5.7） =0.99 ——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率 =0.96 ——齒輪傳動(dòng)效率 =0.98 ——軸承傳動(dòng)效率 代入式（5.7）得到： 0.807 所以M電=M/i=1.2/9*0.807=0.11Nm 5.1.2 確定各軸傳動(dòng)比 總傳動(dòng)比=9 ，根據(jù)推薦的傳動(dòng)副傳動(dòng)比合理范圍，?。? 高速級(jí)傳動(dòng)比=3 ，低速級(jí)傳動(dòng)比=3 5.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 由圖3.2，各軸由高速至低速依次設(shè)計(jì)為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。 圖5.2 傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖 各軸轉(zhuǎn)速 （5.8） （5.9） =1.6rad/s =15.3r/min 代入式（5.8）、式（5.9）得： 45.9r/min，137.7r/min 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 （5.10） 1.07Nm 代入式（5.7）得： 0.8Nm 同理得到： =0.76Nm =0.86Nm =0.73Nm 由圖4.1，依舊選擇28BJY48步進(jìn)電機(jī)，其頻矩曲線如下圖所示。 圖5.3 運(yùn)行矩頻特性 由計(jì)算得到所需： =1.5Nm，137.7r/min 該電機(jī)可以滿足要求。 根據(jù)前面計(jì)算，選擇北京和利時(shí)電機(jī)電器廠的28BJY48型步進(jìn)電機(jī)。 由電機(jī)輸出軸尺寸選擇TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，主從動(dòng)端均選用型軸孔。 5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 5.2.1 高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù) 按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 由資料（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），表面硬度為240HBS。 選擇7級(jí)精度，， （2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即： （5.11） ——載荷系數(shù) ——輸入軸承受扭矩 ——齒寬系數(shù) ——重合度系數(shù) ——彈性影響系數(shù) ——接觸疲勞許用應(yīng)力 確定上式中各參數(shù)： 試選載荷系數(shù)=1.3， 小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27Nm 查表10-7，選齒寬系數(shù)=1； 查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8， 查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。 計(jì)算應(yīng)力循環(huán): （5.12） ——輸入軸轉(zhuǎn)速 ——工作時(shí)間 137.7r/min =10000h 雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，取=2 代入式（5.12）得： =1.65108次 =4.96108次 查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù) 1.15，1.26； 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則 =690MPa， =693MPa 計(jì)算 設(shè)計(jì)公式中代入中較小值，得5.43mm 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度 0.17m/s 計(jì)算齒寬b =5.435mm 計(jì)算齒寬與齒高之比： b/h （5.13） 模數(shù) 0.22mm 齒高 =0.5mm 代入式（5.13）得： =10.67 計(jì)算載荷系數(shù) （5.14） 查圖10-8，由v=0.17m/s，7級(jí)精度，得： =1.0 查表10-4，得： 1.2 查表10-2，得： =1.25 查表10-3，得： =1.30 查圖10-13，得： =1.28 以上代入式（5.14）得： 1.95 按實(shí)際載荷系數(shù)修正 6.21mm （5.15） 計(jì)算模數(shù)m： 1.04mm 按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由公式（10-5 ） （5.16） ——彎曲疲勞壽命系數(shù) ——彎曲疲勞需用應(yīng)力 ——齒形系數(shù) ——應(yīng)力校正系數(shù) 由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa； 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97 計(jì)算載荷系數(shù) ==1.92 計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得： =332.1MPa =263.3MPa 查取齒形系數(shù)，由表10-5得： =2.65；=2.226 查取應(yīng)力校正系數(shù)，由表10-5查得： =1.58；=1.764 =0.013 =0.015 大齒輪對(duì)應(yīng)數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得： 0.86 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=0.86，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1，前面計(jì)算得=6.21mm,得小齒輪的齒數(shù)： 6.217 =19 幾何尺寸計(jì)算： 分度圓直徑 （5.17) 將模數(shù)、齒數(shù)代入式（5.17）得： 7mm；19mm 中心距 （5.18） 將，代入式（5.18）得： 16.5mm 齒輪寬度 （5.19） 由式（5.19）得： =6.25mm；=7.5mm 5.2.2 低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1） 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料與齒數(shù) （a） 按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 （b）由表10-1小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。 （c）選擇7級(jí)精度，， （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 試選載荷系數(shù)： =1.3 小齒輪傳遞的扭矩為： =17.7Nm 查表10-7，選齒寬系數(shù) =1 查表10-6，得彈性影響系數(shù) =189.8； 查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限為MPa。 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) =5.5108次 =1.84107次 查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù)1.26，1.31； 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則： =756MPa， =720.5MPa 計(jì)算 設(shè)計(jì)公式中代入中較小值，得： 7.46mm 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度 0.072m/s 計(jì)算齒寬b =7.46mm 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù)0.34mm 齒高=0.7mm =10.67 計(jì)算載荷系數(shù) 查圖10-8，由v=0.07m/s，7級(jí)精度，得： =1.0 查表10-4，得： 1.2 查表10-2，得： =1.25 查表10-3，得： =1.30 查圖10-13，得： =1.28 所以載荷系數(shù) 1.95 按實(shí)際載荷系數(shù)修正 8.54mm 計(jì)算模數(shù)m 1.42mm 按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式（10-5）得： 由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪彎曲強(qiáng)度極限=380MPa； 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.93，=0.97 計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得： =332.1MPa =263.3MPa 計(jì)算載荷系數(shù) ==1.92 查取齒形系數(shù)。 由表10-5得： =2.65；=2.226 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5查得： =1.58；=1.764 =0.013 =0.015 大齒輪對(duì)應(yīng)數(shù)值大 將以上數(shù)值代入得： 0.86 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強(qiáng)度算得的m=1.21，并取圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5，前面計(jì)算得=29.85mm,得小齒輪的齒數(shù) 24.6725 =75 幾何尺寸計(jì)算 分度圓直徑 9.37mm；28.2mm 中心距 =18.75mm 齒輪寬度 =9.37mm；=10.7mm 5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 5.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.456kW 137.7r/min 6.27Nm （2） 初估軸直徑 （5.20） 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，并將數(shù)據(jù)代入式（5.20）得： =4.25mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 輸入軸的最小直徑與先前計(jì)算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （5.21） 垂直方向： ； （5.22） 對(duì)錐齒輪： ,（5.23） 對(duì)直齒輪： ，（5.24） 將輸入軸參數(shù)代入式（5.24）得： 538.2N,138.5N 501.6N,182.6N 代入得： 408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N 作出輸入軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.6： 圖5.6 輸入軸的受力分析圖 從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是輸入軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如 表5.4。 表5.4 截面Ⅱ處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 408.6N 867.2N 514.8N 558.9N 彎矩 44.8Nm 0.7Nm 總彎矩 44.8Nm 扭矩 6.27Nm 5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 （5.25） 式中：——軸的計(jì)算應(yīng)力 ——軸受得彎矩 ——軸所受的扭矩 ——軸的抗彎截面系數(shù) （5.26） 校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度，取1，將各數(shù)值代入式（5.25）、（5.26）得： 7.66MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。 5.3.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.429kW 45.9r/min 17.7Nm （2） 初估軸直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得： 6.25mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.7。 圖5.7 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （5.27） 垂直方向： ；（5.28） 對(duì)直齒輪： ， 將輸入軸參數(shù)代入得： 472N,171.8N 944N,343.6N 代入得： 35.8N,436.2N 13N,158.7N 作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖： 圖5.8 中間軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表5.5。 表5.5 截面Ⅱ處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 35.8N 436.2N 13N 158.7N 彎矩 31.7Nm 11.51Nm 總彎矩 33.7Nm 扭矩 17.7Nm （5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面Ⅱ處的強(qiáng)度 2.01MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。 5.3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1） 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.404kW 15.3r/min 49.85Nm （2） 初估軸直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得： 8.25mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)尺寸，輸出軸的直徑與齒輪直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （5.29） 垂直方向： ；（5.30） 對(duì)直齒輪： ， 將輸入軸參數(shù)代入得： 886.2N,322.6N 代入得： 1364.4N,478.1N 496.6N,174N 作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖5.10： 圖5.10 輸出軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算結(jié)果如表3.7。 表5.7 截面處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 13