自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)（三維SolidWorks三維建模、說明書文檔）
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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
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專 業(yè):
題 目:
搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
2016 年 4 月
摘 要
機(jī)器人技術(shù)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，關(guān)節(jié)機(jī)器人成為一個(gè)領(lǐng)先的研究課題。運(yùn)用在不同領(lǐng)域，如機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計(jì)算機(jī)，知識等諸多領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)械接頭端的設(shè)計(jì)，機(jī)器人也導(dǎo)致了這些學(xué)科的發(fā)展。關(guān)節(jié)型機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合關(guān)節(jié)也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文采用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機(jī)器人模型的要求被分析以估計(jì)電機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)，充分的選擇所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。完成關(guān)節(jié)型機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型操盤分析，檢查，分析機(jī)器人模型，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)機(jī)器人模型做的過程中強(qiáng)度的關(guān)鍵部件，繪制3D圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)機(jī)械手，電機(jī)
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(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù) 5
2.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手工程概述 5
2.3 工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 6
2.4 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 7
2.5 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 8
2.6 本章小結(jié) 9
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 10
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 10
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 11
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 12
3.5承載能力的計(jì)算 16
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 16
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 16
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
4.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 21
4.3 結(jié)構(gòu)分析 23
4.4計(jì)算分析 23
4.5 腕部設(shè)計(jì) 24
4.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 24
4.5.2 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)計(jì)算 34
4.5.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 35
4.6 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 37
4.7 小臂電機(jī)及減速器選型 37
4.7.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 38
4.7.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 38
4.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 39
4.8.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 39
4.8.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 40
4.9 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 41
4.10 軸的受力分析及計(jì)算 42
4.11 軸承的壽命校核 43
5 機(jī)身設(shè)計(jì) 46
5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 46
5.1.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 46
5.1.2 確定各軸傳動(dòng)比 48
5.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 48
5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 51
5.2.1 高速級齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 51
5.2.2 低速級齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 55
5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 58
5.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 58
5.3.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 61
5.3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 63
5.4 軸承的校核 65
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 65
5.4.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 66
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)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(guān)節(jié)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 71
7.1 關(guān)節(jié)機(jī)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(diǎn)數(shù)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(xì)表 72
7.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 73
總 結(jié) 77
參考文獻(xiàn) 78
致 謝 79
1 緒論
1.1引言
關(guān)節(jié)型機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。多臂關(guān)節(jié)領(lǐng)導(dǎo)的多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)。
1959年成為世界上第一個(gè)工業(yè)多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時(shí)代的多關(guān)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營研究部門的應(yīng)用多聯(lián)快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學(xué)手臂關(guān)節(jié)和更多的世界知名專家，教授說：“一個(gè)很大的特點(diǎn)，多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有工作。”的方式是，在自動(dòng)化程度高的，電力系統(tǒng)更復(fù)雜。偉大的發(fā)明家愛迪生曾經(jīng)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(dòng)態(tài)環(huán)境的要求非常低，無論是在地面上，而且在非結(jié)構(gòu)化地形復(fù)雜，適應(yīng)性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的功能和應(yīng)用開辟無限廣闊的發(fā)展前景。
研究關(guān)節(jié)型機(jī)器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：機(jī)構(gòu)的發(fā)展，使他們對結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的工作，許多圈子，而不是個(gè)人或更新和人類活動(dòng)的領(lǐng)域擴(kuò)展;希望更多的人有一個(gè)內(nèi)在的理解和認(rèn)識，并使用這些功能對個(gè)人服務(wù)，如假肢。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與在此領(lǐng)域豐富的研究，其研究和臂運(yùn)動(dòng)更加危險(xiǎn)的機(jī)器的擴(kuò)展，多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)可以作為一個(gè)多關(guān)節(jié)臂的移動(dòng)智能播放在人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要的角色。
多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)與更多的企業(yè)的聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化最近在他的手臂采用了國際對美國帶來的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的定義：操作臂多聯(lián)合演習(xí)是一個(gè)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(dòng)部件。參照國際定義，和語言的組合的中國多臂關(guān)節(jié)的定義如下：
機(jī)械手的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)獨(dú)立的行動(dòng)，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動(dòng)化程度高的機(jī)器的自動(dòng)化。汽車油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)E'可用。
多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進(jìn)行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號，各種自動(dòng)操作的。
處理的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)可編程的自動(dòng)控制裝置的控制下。使用的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)操作臂是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的生產(chǎn)率，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，改善了工作條件，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度的有效手段。誕生和多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經(jīng)應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，民間的技術(shù)，應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
人類和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理的第一個(gè)系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機(jī)跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機(jī)的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運(yùn)行的許多照片。后來，這種方法使用的相機(jī)是用來研究人體運(yùn)動(dòng)Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類和動(dòng)物研究的生物動(dòng)力機(jī)制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)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(lián)已成功開發(fā)出可以是靜態(tài)或動(dòng)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(guān)節(jié)實(shí)地達(dá)到的運(yùn)動(dòng)的最重要的進(jìn)展的團(tuán)隊(duì)。
在20世紀(jì)60年代和70年代，武裝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制理論產(chǎn)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(guān)節(jié)機(jī)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(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(lián)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(yīng)，而且要適應(yīng)胳膊多條腿多企業(yè)的動(dòng)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(yùn)動(dòng)臂多關(guān)節(jié)，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應(yīng)通過步驟以便攀登者去步驟通過一些優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來確定哪個(gè)是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動(dòng)作的多關(guān)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(zhuǎn)（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題的向前運(yùn)動(dòng)。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰也研究手臂運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)“減少型”問題的復(fù)雜性進(jìn)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(guān)節(jié)和隨時(shí)間的整個(gè)系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個(gè)問題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個(gè)有用的結(jié)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(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)前機(jī)器人起步較晚，我國自1980年以來，在體育領(lǐng)域的多臂共同研究和應(yīng)用。 1986年，國家啟動(dòng)了“規(guī)劃綱要”的研究多動(dòng)關(guān)節(jié)臂，中國的高科技“863”水平運(yùn)動(dòng)臂包括于1987年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國移動(dòng)手臂多企業(yè)的研究和開發(fā)應(yīng)用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多關(guān)節(jié)型機(jī)器人技術(shù)的主要目的是更先進(jìn)的技術(shù)來跟蹤國際風(fēng)險(xiǎn)手臂的運(yùn)動(dòng)，然后取得了一些成績。
1986年哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他開始研究最為關(guān)節(jié)臂，腳靜手臂運(yùn)動(dòng)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(jìn)度有10個(gè)自由度，以到達(dá)地面上的線，左，右，以及運(yùn)動(dòng)，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(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)多關(guān)節(jié)臂，身體52度的自由，這是一個(gè)偉大的運(yùn)動(dòng)和速度的平衡三臂，多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[3-7]。
在1988年春國防科技大學(xué)成功具有六個(gè)自由度的平面雙足運(yùn)動(dòng)臂多關(guān)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(gè)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。 1990年兩縱縫互聯(lián)網(wǎng)KDW-II，在KDW-Ⅲ開發(fā)的，有12個(gè)自由度，并添加函數(shù)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(dòng)態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國的第一個(gè)人形的手臂的“排頭兵”的成功結(jié)束的發(fā)展的基礎(chǔ)上，在一個(gè)不確定的環(huán)境下微小的變化動(dòng)態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多關(guān)節(jié)的動(dòng)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(xué)正在開發(fā)一個(gè)人形的手臂培育更多升學(xué)銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學(xué)985項(xiàng)目，該項(xiàng)目是。南京航空航天大學(xué)有八個(gè)自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)間隙靜態(tài)函數(shù)[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國研究生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”多關(guān)節(jié)手臂動(dòng)作。此時(shí)，單臂，多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)通常在車輪的形式是為了實(shí)現(xiàn)功能相。事實(shí)上，模仿人類行走手臂和腿部的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，但多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)尚不多見。我們的問題，簡單地探索設(shè)計(jì)巧妙的機(jī)械設(shè)備和簡單的控制來模擬人的手臂的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動(dòng)手臂，擺臂。
1.3 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人和部分整體關(guān)系的概述：
它主要由機(jī)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(jī)械零件最全面的定義，以必要的各種運(yùn)動(dòng)，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(wù)或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團(tuán)的手的手臂，手腕支撐體時(shí)，執(zhí)行負(fù)荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個(gè)關(guān)節(jié)，在基座的任何類型的動(dòng)力傳輸。
D：機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)，起重或傾斜運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動(dòng)的，以及供應(yīng)單元設(shè)備。通用機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)和電氣，氣動(dòng)，電動(dòng)。
（3）操作系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報(bào)警或錯(cuò)誤的信號的要求執(zhí)行。
（4）檢測系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的要求。
實(shí)踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動(dòng)的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，顯著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合動(dòng)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(jìn)行操作，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù)
一個(gè)底座，一個(gè)關(guān)節(jié)型機(jī)械手。其中，機(jī)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(jī)械手
經(jīng)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(guān)節(jié)機(jī)械手工程概述
關(guān)節(jié)機(jī)械手是一個(gè)技術(shù)集成的跨學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)器，機(jī)制，機(jī)械，氣動(dòng)，液壓技術(shù)，檢測技術(shù)等領(lǐng)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(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如，系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個(gè)綜合的方法來系統(tǒng)設(shè)計(jì)對外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個(gè)有機(jī)聯(lián)系的手臂運(yùn)動(dòng)環(huán)境的研究，開發(fā)和應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個(gè)子系統(tǒng)，它是一個(gè)不可分割的整體。如果你失去了開放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，概念啟動(dòng)機(jī)器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機(jī)械系統(tǒng)完整的完整性機(jī)械系統(tǒng)由幾個(gè)子系統(tǒng)具有不同的整體性能應(yīng)具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，包括有機(jī)，相互關(guān)聯(lián)的。
（3）每個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)必須具有明確的目標(biāo)和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標(biāo)和手段，決策系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合起來。
（4）系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)是適應(yīng)環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境中。
所以，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，不僅要注意關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部件的整個(gè)多部件設(shè)計(jì)臂應(yīng)根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來看，這取決于一個(gè)單一的多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關(guān)節(jié)，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的作業(yè)的所有組件。一般來說，最復(fù)雜的行業(yè)手臂關(guān)節(jié)如下：在操作機(jī)器，是最大的，單臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來完成的任務(wù)，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機(jī)構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個(gè)傳輸零點(diǎn)電源，控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤，學(xué)習(xí)盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)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(jī)床，鍛壓，焊接，裝配等生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)，各種不同形式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機(jī)械行業(yè)其他生產(chǎn)部門。生產(chǎn)，如建筑，開采，生產(chǎn)和輸送臂移動(dòng)多關(guān)節(jié)是參考系統(tǒng)。
2.3 工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述
（一）確定負(fù)載
目前，國內(nèi)工業(yè)用運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)臂，負(fù)載能力，最小額定負(fù)載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負(fù)載的大小主要取決于由于運(yùn)動(dòng)的沿的作用力和夫婦的機(jī)械接口上的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)的方向。其中下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器的更關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（重量），和工件的重量或處理對象接縫預(yù)定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計(jì)初步估算表明，這一項(xiàng)目可能屬于一個(gè)小負(fù)荷。
（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于伺服電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制沒有影響的精確控制小臂運(yùn)動(dòng)多企業(yè)等特點(diǎn)，因此，該項(xiàng)目采用的是伺服電機(jī)。
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動(dòng)鏈條應(yīng)考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動(dòng)和位置創(chuàng)業(yè)精密運(yùn)動(dòng)控制。臂傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動(dòng)，行星齒輪，傳動(dòng)齒輪和諧波鋼等，由于傳動(dòng)齒輪具有效率高，準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，與大學(xué)學(xué)習(xí)和掌握更扎實(shí)的傳輸，所以這個(gè)設(shè)計(jì)選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過程中的工業(yè)手臂動(dòng)作的工作范圍是多關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其大小和在數(shù)量和程度每個(gè)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(guān)節(jié)軸的每個(gè)角的
（五）運(yùn)動(dòng)速度
每個(gè)鉸接機(jī)械臂更堅(jiān)定的臂的最大行程，按照循環(huán)時(shí)間來確定每個(gè)操作的時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，可以進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時(shí)間每個(gè)運(yùn)動(dòng)分配考慮在順序地或同時(shí)地等進(jìn)行許多因素，如每個(gè)操作序列之間的周期的總時(shí)間長度。表做他們的操作時(shí)間，操作時(shí)間分配之外的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，以考慮分配請求有關(guān)的過程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動(dòng)和控制，定位和精度要求。
2.4 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
該關(guān)節(jié)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖
圖2.2 關(guān)節(jié)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,承受關(guān)節(jié)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，以保證關(guān)節(jié)機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)節(jié)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、油缸、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。
2.5 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）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，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)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，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)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、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2-1 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。
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)5KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(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)范圍大,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。在本論文中，要求設(shè)計(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
2.6 本章小結(jié)
本章主要完成對機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu)
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
臂部部件是關(guān)節(jié)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，關(guān)節(jié)機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)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(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。
一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系關(guān)節(jié)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式關(guān)節(jié)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
＜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(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=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(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：
(3.4)
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10N.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：
(3.5)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(zhuǎn)矩：20N.m
減速比：i1=120
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
型號：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算
剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS
剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS。
1.齒數(shù)的確定
柔輪齒數(shù)：
剛輪齒數(shù)：
已知模數(shù)：，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(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)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(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
2.嚙合參數(shù)的計(jì)算
由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。
考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為：
（扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa）
其中：
W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m
為了消除在的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。
其中：
徑向變形系數(shù)：
則：
徑向變形系數(shù)：
柔輪的變位系數(shù)：
剛輪的變位系數(shù)：
驗(yàn)算相對嚙入深度：
如果計(jì)算得到的，為了繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，可取2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動(dòng)力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計(jì)算，使。
柔輪齒根圓直徑：
其中（齒頂高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)）
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(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)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(shù)，插齒刀變位系數(shù)（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(shù)表和三角函數(shù)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(yàn)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(jì)算
滾珠直徑：
柔輪齒圈處的內(nèi)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(nèi)環(huán)厚度：
內(nèi)環(huán)滾道深度：
式中的是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。
軸承內(nèi)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(nèi)環(huán)內(nèi)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：
（—?jiǎng)傒喎侄葓A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(jì)算
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算
根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件：
接觸強(qiáng)度計(jì)算公式：
—輸出轉(zhuǎn)矩
—柔輪節(jié)圓半徑
—柔輪輪齒寬
—?jiǎng)傒唹毫?
—接觸系數(shù)（0.4~0.9）
對于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力
則：
所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算
柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。
計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為
截面處正應(yīng)力：
切應(yīng)力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：
其中：
則：
驗(yàn)算安全系數(shù)：
疲勞極限應(yīng)力：
應(yīng)力安全系數(shù)：
其中，抗拉屈服極限：
剪切應(yīng)力集中系數(shù)：
則滿足疲勞強(qiáng)度條件。
軸的計(jì)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(diǎn)產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計(jì)算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產(chǎn)生的彎矩圖：
a-a截面F力產(chǎn)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(zhuǎn)矩：
N.mm
9) 求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為：
如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得：
10） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑
軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)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(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩
，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面
其彎曲截面系數(shù)為：
抗扭截面系數(shù)為：
彎曲應(yīng)力為：
扭切應(yīng)力為：
按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為：
由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算
設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)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(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。
（2）、應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開手指
開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)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(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。
（3）、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)過程中的慣性力、振動(dòng)等的影響，要求機(jī)械手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。
（4）、動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部方便
根據(jù)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(jīng)過分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。手部是機(jī)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(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)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(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。
二 、結(jié)構(gòu)
夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。
4.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多
結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設(shè)計(jì)。
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A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(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)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(zhuǎn)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(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)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(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。
4.3 結(jié)構(gòu)分析
機(jī)械手的手部是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(jī)器人最常見的一種手部。手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動(dòng)型和平移型。回轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動(dòng)型的特點(diǎn)是手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。和回轉(zhuǎn)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(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)槽保持手指作平移運(yùn)動(dòng)。
圖4-1 手部裝配圖
4.4計(jì)算分析
因工件運(yùn)動(dòng)速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計(jì)算
機(jī)器人手臂停止?fàn)顟B(tài)開始的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(shè)機(jī)械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動(dòng)力為P，P＝油缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個(gè)指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運(yùn)動(dòng)方向）.設(shè)手指以摩擦力μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計(jì)算的是單個(gè)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(shù)據(jù)，得
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇油缸工作壓力P=0.81MPa,
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm
則活塞桿內(nèi)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(yùn)動(dòng)長度為34mm。
手抓夾持范圍，手指長100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖3.2（b）所示，最
大夾持半徑計(jì)算如下：
機(jī)械手的夾持半徑從20-30mm。
4.5 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。
4.5.1 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)，兩級帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來自步進(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，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]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—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）；
—手腕的長度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)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(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊[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）；
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 N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)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(jìn)電機(jī)。
圖3.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
（2）設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)
（a） 計(jì)算、分配傳動(dòng)比
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)型號及其對應(yīng)的矩頻特性曲線，所選步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩為4.5 N·m，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為r/min。
由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度r/s，已經(jīng)通過計(jì)算得出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min，由此推出總的傳動(dòng)比。
已確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式是通過兩級帶輪鏈條傳動(dòng)和一級錐齒輪傳動(dòng)，需將總傳動(dòng)比進(jìn)行分配。綜合考慮帶輪的尺寸和手臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間，取小臂鏈傳動(dòng)比，大臂鏈傳動(dòng)比，錐齒輪傳動(dòng)比，。
（b） 計(jì)算小臂鏈傳動(dòng)功率
kW （3.10）
（c）選擇帶輪的齒數(shù)
為使小臂中的兩個(gè)帶輪結(jié)構(gòu)更加緊湊，考慮到小臂鏈的傳動(dòng)比較小，而傳動(dòng)距離比較長，選擇小帶輪齒數(shù)，大帶輪齒數(shù)，、取奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，可使鏈條和帶輪輪齒磨損均勻。
（d）選擇鏈條類型
根據(jù)手冊[15]進(jìn)行鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)；
—主動(dòng)帶輪齒數(shù)系數(shù)；
—單排鏈系數(shù)
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