摘 要
本文設(shè)計了一個五自由度串聯(lián)機(jī)器人，首先通過計算得到執(zhí)行端所需要的驅(qū)動力矩，再以此為依據(jù)選出該關(guān)節(jié)所需的減速器和伺服電動機(jī)，設(shè)計出外殼和關(guān)節(jié)的連接結(jié)構(gòu)，繪制3D圖，通過軟件的測量求出設(shè)計好的部分重心，求出下一個關(guān)機(jī)所需的驅(qū)動力矩，選出所需的減速器和伺服電動機(jī)，以此類推最終完成總體設(shè)計，并且繪制了串聯(lián)五自由度機(jī)器人的工程圖。
關(guān)鍵詞：五自由度 串聯(lián)機(jī)器人 總體設(shè)計 伺服電動機(jī)
IV
Abstract
This paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And final?complete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing.
Key words: 5-dof serial manipulator overall design Servo motor
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1概述 1
1.1.1機(jī)器人定義 1
1.1.2機(jī)械手的應(yīng)用簡況 1
1.1.3發(fā)展趨勢 1
1.2研究內(nèi)容 2
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 3
2.1 機(jī)械手的組成 3
2.1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3
2.1.2驅(qū)動機(jī)構(gòu) 3
2.2 機(jī)械手的分類 3
2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 4
2.4傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇 4
第3章 機(jī)器人手部的設(shè)計 6
3.1手部設(shè)計要求 6
3.2 驅(qū)動力的計算 6
3.3兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 8
3.4 手抓夾持范圍計算 8
第4章 總體設(shè)計 10
4.1總體設(shè)計參數(shù) 10
4.2 設(shè)計原理 10
4.3 傳動設(shè)計 10
4.4 關(guān)節(jié)處設(shè)計 11
4.5 手臂設(shè)計 12
4.6 整體設(shè)計 13
第5章 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇 14
5.1 電機(jī)、減速器的選擇 14
5.1.1 手腕轉(zhuǎn)動 14
5.1.2手臂俯仰 16
5.1.3小臂俯仰 17
5.1.4大臂俯仰 19
5.1.5大臂轉(zhuǎn)動 21
5.2手臂的校核計算 22
5.3軸的校核 23
致 謝 27
參考文獻(xiàn) 28
第1章 緒論
1.1概述
1.1.1機(jī)器人定義
機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手，這些名詞術(shù)語代表著不同的事物類別，但在概念上沒有明確的區(qū)分，說明它們又有相似之處。參閱相關(guān)資料，世界各國對于這些名詞術(shù)語至今還沒有做出統(tǒng)一的明確定義，只有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以及各國工業(yè)協(xié)會提出的相關(guān)定義。美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會提出的定義：機(jī)器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手”。盡管這一定義較實(shí)用，但并不全面。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”[1-3]。關(guān)于我國機(jī)器人的定義，蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械手的主要區(qū)別是前者具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實(shí)現(xiàn)動作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運(yùn)、抓取及上、下料工作，一般作為自動機(jī)或自動線上的附屬裝置，其程序固定不變[4-5]。由此可見，不論如何進(jìn)行定義，它們都有一個共性，即：都是一種集機(jī)構(gòu)學(xué)、控制學(xué)、計算機(jī)學(xué)、信息學(xué)和傳感技術(shù)學(xué)等多學(xué)科于一體的自動化裝置。
1.1.2機(jī)器人的應(yīng)用簡況
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法[10-12]。
1.1.3發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要[8-9]。
因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。
將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。
現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)[6-7]。
1.2研究內(nèi)容
在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。
本文的主要研究內(nèi)容為：
第一章從課題研究背景、機(jī)器人的國內(nèi)外現(xiàn)狀、機(jī)器人的主要發(fā)展趨勢等方面給大家做一個簡要的介紹；
第二章為搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出機(jī)械手的總體設(shè)計參數(shù)，傳動方式，總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
第三章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計重點(diǎn)介紹了機(jī)械手的手爪部分的設(shè)計,對此機(jī)械手的部分零件進(jìn)行了展示與分析；
第四章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計重點(diǎn)介紹了機(jī)械手的總體設(shè)計，傳動設(shè)計；
第五章機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計重點(diǎn)介紹了機(jī)械手的電機(jī)選擇，軸的校核；
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。
2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可以吧動作傳遞給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)3種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中二指的應(yīng)用最為廣泛。可根據(jù)夾持對象的大小和形狀配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤[13-15]。
手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的3個自由度都要精確的定位。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
2.1.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)
驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。
液壓驅(qū)動機(jī)械手通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)。
氣壓驅(qū)動式，其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。其特點(diǎn)是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。
電氣驅(qū)動是目前機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型持重以達(dá)400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并且可以采用多種靈活的控制方案。
機(jī)械驅(qū)動式 只適用于動作固定的場合，一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點(diǎn)是動作確定可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其它還有采用混合驅(qū)動的，即液—?dú)饣螂姟夯旌向?qū)動。
2.2 機(jī)械手的分類
一、按用途分類為：
（1）專用機(jī)械手
專用機(jī)械手是專門為一定設(shè)備服務(wù)的。簡單實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用的比較廣泛。它一般只能完成一兩種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編寫控制程序來獲得更多的工作程序，以適應(yīng)多種作業(yè)的需要。
（2）通用機(jī)械手
通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯訹16-18]。
2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括末端執(zhí)行器，手臂、腕部、機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計。本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要涉及如下四部分內(nèi)容：
1、 末端執(zhí)行器，俗稱手爪，是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。
2、腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由腕部來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標(biāo)。
3、臂部，又稱手臂，由動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，用來支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。
4、機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用，可分為固定式和移動式兩種。其直接支承和驅(qū)動手臂部件，實(shí)現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)。
2.4傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇
傳動方式的選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式。
驅(qū)動源常用的方式主要有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動四種基本類型。交流電機(jī)驅(qū)動是新近發(fā)展起來的一種驅(qū)動方法[19-21]。
經(jīng)分析比較并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機(jī)械手?jǐn)M采用遠(yuǎn)距離連接傳動、間接驅(qū)動。驅(qū)動源采用步進(jìn)電機(jī)和液壓缸，傳動裝置采用齒輪傳動。各關(guān)節(jié)所采用的傳動方式分別為：
(1)機(jī)座回轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)：由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行傳動，將垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為水平回轉(zhuǎn)。
(2)大臂俯仰的肩關(guān)節(jié)：由關(guān)節(jié)裝置直接驅(qū)動。
(3)小臂俯仰的肘關(guān)節(jié)：同大臂俯仰傳動方式。
(4)手腕擺動的腕關(guān)節(jié)：由電機(jī)驅(qū)動，與齒輪相連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
另外，手爪回轉(zhuǎn)由直流電機(jī)直接連接液壓缸驅(qū)動，手爪開合由液壓驅(qū)動氣缸實(shí)現(xiàn)。經(jīng)綜合分析，構(gòu)型和自由度分配圖如圖2-1所示。
圖2-1 構(gòu)型和自由度分配圖
第3章 機(jī)器人手部的設(shè)計
3.1手部設(shè)計要求
(1)應(yīng)具有足夠的握力
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
(2)手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
(3)應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(4)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
3.2 驅(qū)動力的計算
如圖3-1所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。拉桿3端部固定安裝著圓柱銷2，當(dāng)拉桿3向上拉時，圓柱銷就在兩個手指1的滑槽中移動，帶動手指1繞O1與O2兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)，夾緊工件。拉桿3向下推時，使手指1松開工件。
圖3-1 滑槽杠桿式手部受力分析
1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座
在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和
P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OB和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即
(3-1)
(3-2)
(3-3)
銷軸對手指的作用力為P1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得
(3-4)
因?yàn)?
(3-5)
所以
(3-6)
式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心線的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=300-400。這里取角α=30度。
這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動力P實(shí)際應(yīng)按以下公式計算，即：
(3-7)
式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85-0.95；
K1——安全系數(shù)，一般取 1.2-2；
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，，其中a為被抓取工件運(yùn)動時的最大加速度，g為重力加速度。
本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°，α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和Pc計算如下：
根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式
(3-8)
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式
(3-9)
得
(3-10)
取
, ,
則
3.3兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析
如圖3-2所示，鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié)，如圖示幾何關(guān)系，若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為，則
(3-11)
當(dāng)工件直徑變化時，x的變化量即為定位誤差△，設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時，其最大定位誤差為
(3-12)
其中l(wèi)=68.5mm ，b=5mm ，a=30mm ，2=120° ，Rmin=15mm ，Rmax=30mm
代入公式計算得
最大定位誤差△=∣68.34-68.07∣=0.27＜0.8
故符合要求。
圖3-2 帶浮動鉗口的鉗爪
3.4 手抓夾持范圍計算
為了保證手抓張開角為60°，活塞桿運(yùn)動長度為34mm，手指長為100mm。當(dāng)手抓沒
有張開的時候，如圖3-3(a)所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑R1=25mm，當(dāng)張開60如圖3-3(b)所示，最大夾持半徑R2計算如下：
所以機(jī)械手的夾持半徑從。
(a) (b)
圖3-3 鉗口持半徑
第4章 總體設(shè)計
4.1總體設(shè)計參數(shù)
根據(jù)此次設(shè)計的機(jī)器人具體應(yīng)用場合和實(shí)際應(yīng)用要求，主要的設(shè)計參數(shù)要求如下：
(1)抓取的重物：5kg；
(2)機(jī)械手的自由度數(shù)：5個；
(3)運(yùn)動參數(shù)：
底座旋轉(zhuǎn)： 角速度：3.14rad/s；
支撐桿俯仰：線速度：0.3m/s；
上桿旋轉(zhuǎn)： 角速度：3.14rad/s；
(4)運(yùn)動行程：
底座旋轉(zhuǎn)： 360° ；
支撐桿俯仰：60°~120°；
上桿旋轉(zhuǎn)： 3600
上桿俯仰： 0°~ -90°
4.2 設(shè)計原理
本設(shè)計結(jié)構(gòu)上總體采用了關(guān)節(jié)型設(shè)計，關(guān)節(jié)型的好處是傳動原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間體積小、相對的工作空間大、還能繞過基座周圍的一些障礙物等特點(diǎn)。機(jī)器人的腰部和手腕都采用了關(guān)節(jié)型，這對與某些需要精細(xì)操作、精確定位同時操作又要簡單快捷的工作是相當(dāng)有好處的。
4.3 傳動設(shè)計
因?yàn)榈鬃枰?qū)動整個機(jī)械手，轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量都很大，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩一般比較小，達(dá)不到要求，所以采用大功率直流電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)減速箱減速，再驅(qū)動機(jī)器人腰部以上結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖4-1和圖4-2所示。
圖4-1 底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖4-2底座傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
直流電機(jī)安裝在底座的箱體邊，箱體中是減速器結(jié)構(gòu)，用于減速和提供更大的扭矩。電機(jī)與箱體固定，電機(jī)輸出的扭矩傳導(dǎo)到減速器上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，從而推動箱體及其以上部分轉(zhuǎn)動。
4.4 關(guān)節(jié)處設(shè)計
腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由腕部來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標(biāo)。腰部結(jié)構(gòu)用來連接底座與大臂。腕部結(jié)構(gòu)如圖4-3所示，腰部結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。
圖 4-3 腕部結(jié)構(gòu) 圖 4-4 腰部結(jié)構(gòu)
4.5 手臂設(shè)計
臂部的設(shè)計要求：結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足作業(yè)任務(wù)的工作空間要求；根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和力矩，以減少驅(qū)動裝置的負(fù)荷：減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高運(yùn)動的響應(yīng)速度；設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動精度和剛度，提高定位精度。
大臂結(jié)構(gòu)如圖4-5所示，小臂結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。
圖 4-5 大臂結(jié)構(gòu) 圖4-6 小臂結(jié)構(gòu)
4.6 整體設(shè)計
該機(jī)械手的設(shè)計如下：腰轉(zhuǎn)電機(jī)M1通過諧波減速器直接驅(qū)動腰部轉(zhuǎn)動，為了減小慣量，大臂電動機(jī)M2和大臂M3電機(jī)分別布置在大臂關(guān)節(jié)兩側(cè)，并分別通過諧波減速器直接驅(qū)動各臂擺動。小臂，手腕，通過回轉(zhuǎn)電動機(jī)M4、M5連接諧波減速器實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，手腕的擺動通過電動機(jī)連接雙輸出軸齒輪實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示。
圖 4-7 整體結(jié)構(gòu)
第5章 靜力矩估算與電機(jī)、減速器的選擇
在電機(jī)、減速器的選型中，首先要確定負(fù)載的工況。在此基礎(chǔ)上對負(fù)載進(jìn)行計算，從而確定配套的電機(jī)減速器型號，進(jìn)而可以根據(jù)安裝需要確定電機(jī)、減速器的安裝結(jié)構(gòu)。
5.1 電機(jī)、減速器的選擇
5.1.1 手腕轉(zhuǎn)動
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 (5-1)
式中： M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩（N·m）；
M慣——慣性力矩（N·m）；
M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩（N·m）；
若手腕啟動過程按等加速度運(yùn)動，則所產(chǎn)生的慣性力矩：
M慣=（J5+J51）（N·m） (5-2)
式中 ：J6——工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
J61——參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；
ω——手腕轉(zhuǎn)動時的角速度；
Δt——啟動過程中所用的時間。
盤狀回轉(zhuǎn)慣量計算： J=mr2(kg·m2) (5-3)
圓柱回轉(zhuǎn)慣量計算： J= (kg·m2) (5-4)
桿繞端點(diǎn)回轉(zhuǎn)慣量計算： J=mL2 (kg·m2) (5-5)
參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量m1=10kg,長100mm,質(zhì)量密度等效均勻地分布在一個半徑為50mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
J51=m1r2==0.0125 kg·m2
工件是質(zhì)量m為5kg的普通碳鋼棒料，質(zhì)量分布情況為長200mm，直徑66mm，那么轉(zhuǎn)動慣量(僅考慮沒有偏心距的情況M摩、M偏忽略不計）：
J5= = =0.0167 kg·m2
所以： M驅(qū)= M慣=（J5+J51）=（0.0125+0.0167）×=0.918N·m
減速比
選用型號CS-8-50-U-G-A1-I的諧波減速器,其參數(shù)如表5-1所示。
表 5-1 諧波減速器參數(shù)表
規(guī)格
單位
CS-8-50-U-G-A1-I
減速比
1
50
額定輸出力矩
Nm
1.4
起停允許最大轉(zhuǎn)矩
Nm
2.6
瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩
Nm
5.3
最大輸入轉(zhuǎn)速
rmp
7000
額定輸入轉(zhuǎn)速
rmp
2000
潤滑
全合成潤滑油脂
防滑等級
IP65
安裝方向
任意方向
噪音值
db
≤63
質(zhì)量
Kg
0.56
減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/ηi=1.4/(90%×50)=0.0311N·m
式中： PW——減速器的輸入功率w
T——工作機(jī)轉(zhuǎn)矩(Nm)
n——轉(zhuǎn)速（r/min）
電機(jī)輸出功率為：
電機(jī)選用MSMD松下伺服電機(jī)，型號為MSMD5AZG1，相關(guān)參數(shù)如表5-2所示。
表 5-2 伺服電機(jī)參數(shù)表
規(guī)格
單位
MSMD5AZG1
電源電壓
V
100
額定轉(zhuǎn)速
rmp
2000
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
0.16
額定電流
A
1.1
額定功率
kW
0.05
允許最高轉(zhuǎn)速
rmp
5000
質(zhì)量
Kg
0.32
5.1.2手臂俯仰
手腕俯仰時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩
M慣=（J4+J41+J42）（N·cm） (5-6)
式中： J5——工件對手腕俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量;
J51——腕部結(jié)構(gòu)對俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量;
J52——參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對俯仰軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
腕部結(jié)構(gòu)由殼體、減速機(jī)、電機(jī)構(gòu)成，質(zhì)量分別為2.289kg、0.56kg、0.32kg，所以該部分結(jié)構(gòu)總質(zhì)量m2為3.169kg，總長度為165mm.
因?yàn)槭滞笃剿袝r轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。設(shè)手腕、手部、工件繞自己的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG2、JG1、JG，根據(jù)平行軸定理可得繞手腕關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量的計算如下：
J= J4+J41+J42= JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22 (5-7)
由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22，故可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為：
J=m2L22+ m1L12+ mL2
=3.169×0.07272+5×0.24562+10×0.39562
=1.883kg·m2
慣性力矩 M慣=（J4+J41+J4）=1.883×=7.9（N·m）
減速機(jī)選用型號PAW055A-L2-100-2P-S1-B1-Y的減速器,其參數(shù)表如表5-3所示。
表 5-3 諧波減速器參數(shù)表
規(guī)格
單位
PAW055A-L2-100-2P
減速比
1
100
額定輸出力矩
Nm
10
瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩
Nm
30
傳遞效率
1
85%
額定輸入轉(zhuǎn)速
rmp
2000
潤滑
全合成潤滑油
質(zhì)量
Kg
2.1
安裝方向
任意方向
噪音值
db
≤68
減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/(ηi)=10/85=0.1176Nm
減速器的輸入功率為：
電機(jī)選用MSMD松下伺服電機(jī)，型號為MSMD5AZG1，相關(guān)參數(shù)如下5-4所示。
表 5-4 伺服電機(jī)參數(shù)表
規(guī)格
單位
MSMD5AZG1
電源電壓
V
100
額定轉(zhuǎn)速
rmp
2000
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
0.16
額定電流
A
1.1
額定功率
kW
0.05
允許最高轉(zhuǎn)速
rmp
5000
質(zhì)量
Kg
0.31
5.1.3小臂俯仰
機(jī)械手小臂俯仰運(yùn)動的力矩的計算為:
M慣=（J3+J31+J32+J33）（N·m） (5-8)
式中： J3 ——工件繞關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J31——手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J3——腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J33——小臂繞關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
ω——小臂俯仰運(yùn)動的角速度
處于水平位子時，小臂最大轉(zhuǎn)動慣量為：
J=J3+J31+J32+J33=JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32 (5-9)
式中: JG——工件繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量
JG1——手部繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量
JG2——手腕繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量
JG3——小臂繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量
L ——工件重心與關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動中心距離
L1——手部重心與關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動中心距離
L2——手腕重心與關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動中心距離
L3——小臂重心與關(guān)節(jié)3處轉(zhuǎn)動中心距離
由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22、JG3〈〈m3L32，故可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為：
J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32
=8.569×0.1832+3.169×0.4482+5×0.5802+10×0.732
=0.287+0.636+1.682+5.329=7.934kg·m2
M慣=（J3+J31+J32+J33）
=7.934×=27.69N·m
選用諧波減速器型號CS-11-100-U-G-A1，其參數(shù)表5-5所示。
表 5-5諧波減速器參數(shù)表
規(guī)格
單位
CS-11-100-U-G-A1
減速比
1
160
額定輸出力矩
Nm
32
瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩
Nm
118
傳遞效率
1
90%
額定輸入轉(zhuǎn)速
rmp
2000
潤滑
全合成潤滑脂
質(zhì)量
Kg
0.98
安裝方向
任意方向
噪音值
db
≤65
減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/ηi=32/（90%×160）=0.222N·m
減速器的輸入功率為：
電機(jī)輸出功率為：
電機(jī)選用MSMD松下伺服電機(jī)，型號為MSMD012G1U，相關(guān)參數(shù)如表5-6。
表 5-6 伺服電機(jī)參數(shù)表
規(guī)格
單位
MSMD012G1U
電源電壓
V
100V
額定轉(zhuǎn)速
rmp
2000
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
0.32
質(zhì)量
Kg
8.1
額定功率
w
100
允許最高轉(zhuǎn)速
rmp
3000
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法初算軸的直徑：
(5-10)
式中: P——軸傳遞功率kw
n——軸的轉(zhuǎn)速r/min
C——由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)（軸的材料為45鋼，通常取C=106～117）
軸段截面上有一個鍵槽，d增大5%,
實(shí)取17mm。
5.1.4大臂俯仰
機(jī)械手大臂俯仰運(yùn)動的力矩的計算為:
M慣=（J2+J21+J22+J23+J24）（N·m） (5-11)
式中： J2——工件繞關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量；
J21——手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量；
J22——腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量；
J23——小臂繞關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量；
J24——大臂繞關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量；
ω——大臂俯仰運(yùn)動的角速度。
處于水平位子時，大臂最大轉(zhuǎn)動慣量為：
J2+J21+J22+J23+J2=JG+mL2+JG1+m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32+JG4+m4L42
式中： JG4——大臂繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量；
L ——工件重心與關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動中心距離；
L1——手部重心與關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動中心距離；
L2——手腕重心與關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動中心距離；
L3——小臂重心與關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動中心距離；
L4——大臂重心與關(guān)節(jié)2處轉(zhuǎn)動中心距離。
由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22、JG3〈〈m3L32，JG4〈〈m4L42故可忽略不計，轉(zhuǎn)動慣量為：
J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32+ m4L42
=22.714kg·m2
大臂俯仰慣性力矩為： M慣=J=22.714×=23.804N·m
選用諧波減速器型號LCS-20-160-C-I，其參數(shù)如表5-7所示。
表 5-7諧波減速器參數(shù)表
規(guī)格
單位
LCS-20-160-C-I
減速比
1
160
額定輸出力矩
Nm
32
瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩
Nm
87
傳遞效率
1
90%
額定輸入轉(zhuǎn)速
rmp
2000
潤滑
全合成潤滑脂
質(zhì)量
Kg
0.98
安裝方向
任意方向
噪音值
db
≤65
容許輸入最大轉(zhuǎn)速
rmp
6000
減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/ηi=32/(90%×160)=0.222N·m
減速器的輸入功率為：
電機(jī)輸出功率為：
電機(jī)選用MSMD松下伺服電機(jī)，型號為MSMD012G1U，相關(guān)參數(shù)如表5-8所示。
表 5-8伺服電機(jī)參數(shù)表
規(guī)格
單位
MSMD012G1U
電源電壓
V
100V
額定轉(zhuǎn)速
rmp
2000
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
0.32
額定電流
A
25.9
額定功率
w
100
允許最高轉(zhuǎn)速
rmp
3000
質(zhì)量
Kg
8.1
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法初算軸的直徑：
軸段截面上有一個鍵槽，d增大5%,
實(shí)取17mm。
5.1.5大臂轉(zhuǎn)動
機(jī)械手大臂轉(zhuǎn)動的力矩的計算為:
M慣=（J1+J11+J12+J13+J14）（N·m） (5-12)
式中: J1——工件繞關(guān)節(jié)1處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J11——手部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)1處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J12——腕部結(jié)構(gòu)繞關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J13——小臂繞關(guān)節(jié)1處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
J14——大臂繞關(guān)節(jié)1處轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動慣量
ω——腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角速度
機(jī)械手大臂轉(zhuǎn)動總的轉(zhuǎn)動慣量為：
J=J1+J11+J12+J13+J14= J1+J11+J12+J13+JG4+m4e42 (5-13)
式中: JG4—大臂件繞自身重心轉(zhuǎn)動慣量
e4—大臂重心到轉(zhuǎn)動軸線偏心距
J1= ==0.0167 kg·m2
J11=m1r2==0.0125 kg·m2
J12= ==0.0092 kg·m2
J13= ==0.1129 kg·m2
JG4===2.185kg·m2
大臂偏轉(zhuǎn)慣量為： m4e42= 81.044×0.3132=7.94 kg·m2
大臂驅(qū)動力矩為： M驅(qū)=J=53.848N·m
選用諧波減速器型號LCS-25-160-C-I，其參數(shù)表表5-9所示。
表5-9諧波減速器參數(shù)表
規(guī)格
單位
LCS-25-160-C-I
減速比
1
160
額定輸出力矩
Nm
64
瞬時允許輸入最大轉(zhuǎn)矩
Nm
251
傳遞效率
1
90%
額定輸入轉(zhuǎn)速
rmp
2000
潤滑
全合成潤滑脂
質(zhì)量
Kg
1.47
安裝方向
任意方向
噪音值
db
≤69
容許輸入最大轉(zhuǎn)速
rmp
4000
減速器的輸入轉(zhuǎn)矩： Ti=To/ηi=64/(90%×160)=0.444N·m
減速器的輸入功率為：
電機(jī)輸出功率為：
電機(jī)選用MSMD松下伺服電機(jī)，型號為MSMD012G1U，相關(guān)參數(shù)如表5-10所示。
表 5-10伺服電機(jī)參數(shù)表
規(guī)格
單位
MSMD012G1U
電源電壓
V
100V
額定轉(zhuǎn)速
rmp
2000
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
0.32
額定電流
A
25.9
額定功率
w
100
允許最高轉(zhuǎn)速
rmp
3000
質(zhì)量
Kg
8.1
5.2手臂的校核計算
一、手臂強(qiáng)度校核
把手臂的截面設(shè)計成方形中空形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕手臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。
手臂理論重，手臂長為450mm。較核：
取51N。其受力如圖5-1圖所示。
圖5-1 手臂受力圖
圖中，表示手部與工件總重；
表示手臂重量；
表示機(jī)身關(guān)節(jié)處零件推力。
取整130N
其中h為臂部的高度，b為臂部的腰寬，Q為所受的力。
所以臂部結(jié)構(gòu)滿足要求。
5.3軸的校核
兩實(shí)心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力[τ]= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。
A. 第一根軸設(shè)計及校核
a.此軸傳遞扭矩T = 34.9N /m ；= 2680r /min ；P = 980W
8.9mm
因?yàn)檩S是齒輪軸，所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn)，以滿足齒輪嚙合時強(qiáng)的要求。齒輪的分度圓直徑為40mm，齒輪兩端裝有軸承，加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號為滾動軸承7003C，內(nèi)徑為17mm。
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)行校核計算。計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
求作用在齒輪上的力
d=mtz=2×40=80mm
Fr=Fttanα=246.75×tan200≈89.8N
計算軸的支承反力
在水平面上
FR2H=Fr-FR1H= 65.9N
在垂直面上
在水平面上，設(shè)定剖面為a,則a -a 剖面左側(cè)
a -a 剖面右側(cè)
在垂直面上
合成彎矩，a-a 剖面左側(cè)
a -a 剖面右側(cè)
轉(zhuǎn)矩已求解完成
判斷危險截面
a-a 截面左右的合成彎矩左側(cè)和右側(cè)一樣大，扭矩為T，只要判斷一側(cè)如左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力
a -a 截面右側(cè)
c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)=0.2 ，=0.1
a -a 截面左側(cè)
查得，；查得絕對尺寸系數(shù)= 0.95，0.92；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
查許用安全系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S >[S]，則a -a 剖面安全。其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。
B.中間軸設(shè)計
此軸傳遞扭矩T = 384.2， 轉(zhuǎn)速 n = 237.5r/min ， 傳遞功率為P = 9.55598kw ，則
=16.08mm
安裝軸承部分軸徑最小，由于整個軸上零件較復(fù)雜，在兩軸承之間有齒輪，以及軸套和軸承，所以d 可取大一點(diǎn)，這里取d = 17mm，軸承部分φ= 17mm，軸承選為滾動軸承，軸承型號為滾動軸承7003C，其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強(qiáng)度足夠，這里不再詳算。
致 謝
本文研究工作是在我的導(dǎo)師韓書葵副教授的耐心指導(dǎo)和不斷督促下完成的，從開題到論文撰寫到繪圖結(jié)束，我所取得的每一個進(jìn)步、繪制的每一幅圖都無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的各科知識、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對我的教誨和鼓勵，盡自己最大的努力取得更好的成績。
在此我要向我的導(dǎo)師韓書葵副教授致以最衷心的感謝和深深的敬意！
在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化教研室的每位老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進(jìn)步。
在此，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！
衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。
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