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JX18-44 【JX18-44】机夹刀片分拣机械手设计二维+三维+论文

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这一块齿轮用下面的画发画图里面的所有螺钉的螺帽螺纹都要画这一块要画到中间底座这一块的链接方式要画出来这种尺寸图里面有的标出来 手爪只装配图有，其他图的手爪要加上去。论文查重40%以下，格式我自己改，6月8号交。摘要机器人是一种典型的机电一体化产品，垂直多关节机器人是机器人研究领域的热点。研究垂直多关节机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。本文对一种使用在垂直多关节机器人的腰部关节进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。 关键词： 结构设计，机器臂，关节型机器人，结构分析2外文摘要AbstractRobot is a typical mechatronic product，and the vertical multi joint robot is a hot spot in the field of robot research. Research on vertical multi joint robot needs to be combined with mechanical，electronic，information theory，artificial intelligence， biology and computer science and many other disciplines，and its own development has also contributed to the development of these disciplines.In this paper，a design of the waist joint used in the vertical multi joint robot is designed，and the general assembly drawing and the drawing of the part drawing are completed. Mechanical analysis of the robot model is required to estimate the torque and power of each joint，and the selection of the motor and reducer is completed. Second，from the motor and reducer connection and fixed starting，the design of joint structure，and the important parts of the body to check the strength. Keywords ：Structure design，Robot arm，Structure analysis目 录1 绪论11.1 引言11.2 机器人的发展及技术21.2.1 机器人的发展21.2.2 机器人技术21.3 垂直多关节机器人研究概况31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.5 主要内容52 总体方案设计12.1 机器人工程概述12.2 工业机器人总体设计方案论述22.3 机器人机械传动原理32.4 机器人总体方案设计32.5 垂直多关节机器人工作空间的计算52.6 本章小结63 机器人大臂部结构13.1 大臂部结构设计的基本要求13.2 大臂部结构设计23.3 大臂电机及减速器选型23.4 减速器参数的计算33.5承载能力的计算73.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算73.5.2 柔轮疲劳强度的计算8总结与展望1参 考 文 献21 绪论1.1 引言 机器人是一种典型的机电一体化产品，垂直多关节机器人是机器人研究领域的热点。研究垂直多关节机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机器人是垂直多关节机器人的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，垂直多关节机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。，喷涂机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给喷涂机器人下的定义：喷涂机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对喷涂机器人作如下定义：喷涂机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。喷涂机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。喷涂机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用喷涂机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机器人的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的ConsolidatedContr01公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学哈尔滨工程大学硕十学位论文。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和机器人技术等。1.3 垂直多关节机器人研究概况1.3.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.3.2 国内研究现状国内机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机器人，先研制成功静态双足机器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机器人37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型 KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机器人，实现静态功能13，14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机器人。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。1.5 主要内容第1章 绪论 主要介绍机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计，介绍该机器人各部分的相关知识和总体设计.第3章 机器人各部分设计的介绍第4章 机器人大臂的结构设计2 总体方案设计2.1 机器人工程概述机器人工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以机器人设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机器人的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行机器人设计时，不仅要重视组成机器人系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机器人的功能要求，将组成机器人系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机器人产品。在比较复杂的工业机器人系统中大致包括如下:操作机，它是完成机器人工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机器人的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机器人能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机器人等一起形成了各种不同形式地工业机器人技术综合体地工业机器人系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机器人系统亦是如此。2.2 工业机器人总体设计方案论述（一） 确定负载目前，国内外使用的工业机器人中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、喷涂工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。（二） 驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机器人的运动和位置控制精度。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机器人机械传动原理该方案结构设计与分析该垂直多关节机器人的本体结构组成如图垂直多关节机器人本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件，承受垂直多关节机器人的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证垂直多关节机器人工作时的稳定运行。 垂直多关节机器人的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。2.4 机器人总体方案设计工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种机器人坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达7KG，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机器人的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机器人手臂运动范围大，且有较高的定位准确度，要求设计的机器人为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。2.5 垂直多关节机器人工作空间的计算对于垂直多关节机器人工作空间和喷枪轨迹的计算是相对比较复杂的过程，可参考查阅的研究资料较多，因此在本课题的设计中不作详细的研究。根据已给出的技术要求工作空间为 900700500mm3， 确定垂直多关节机器人在长、宽、高三个方向的极限位置，从二维空间工作图中模拟喷枪的轨迹，如图2.3所示，即可通过联立方程组（2.1）求出大、小臂长度的近似值。图2.3 垂直多关节机器人工作空间示意图图中，、分别为大臂、小臂的长度。列出方程组计算： （2.1）经过计算圆整得出大、小臂长度：为500mm，为300mm。2.6 本章小结本章主要完成对机器人大臂系统设计，通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机器人的总体设计方案后，就要针对机器人的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。3 机器人大臂部结构3.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是垂直多关节机器人的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)喷涂，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，垂直多关节机器人常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系垂直多关节机器人位置精度高;关节式垂直多关节机器人的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。本文采用铝合金材料设计成薄壁件，一方面保证机械臂的刚度，另一方面可减小机械臂的重量，减小基座关节电机的载荷，并且提高了机械臂的动态响应。砂型铸造铸件最小壁厚的设计。最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表4.1所示：铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 33.5 46 35 68 表4.1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm）以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。本文机械臂壳体采用铸造铝合金。具体尺寸见总装配图。3.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。大臂部结构如图4.1所示3.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2设大臂速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T - 旋转开始时转矩 N.mJ 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：则： (3.4)若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.53.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS 刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取2.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。考虑到轮齿扭矩，使轮齿间隙减小的值为： （扭转弹性模数G=80GPa）其中：W0m=0.89810-5Zr2Cnmaxm为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 其中： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算得到的，为了继续进行计算，可取2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 其中（齿顶高系数，径向间隙系数）柔轮齿顶圆直径： 其中（查表得）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。即：刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 选取插齿刀齿数，插齿刀变位系数（中等磨损程度的插齿刀），插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀的制造啮合角：查渐开线函数表和三角函数表得则刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：可见沿波发生器长轴，在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中是偏心距：（刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.5承载能力的计算3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：接触强度计算公式： 输出转矩柔轮节圆半径柔轮轮齿宽刚轮压力角接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。3.5.2 柔轮疲劳强度的计算柔轮材料采用 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示：已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法相力1) 求垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算4） 绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=62.57 N.m8) 求轴传递的转矩： N.mm9) 求危险截面的当量转矩 如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6，带入上式可得：10） 计算危险截面处轴的直径轴的材料选用45钢，调质处理，由表14-1查得B=650Mp，由表 14-3查得-1b=60Mpa，则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，故：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力-1b=60Mpa，-1b，强度满足要求。总结与展望总结本文对机器人的机械臂结构系统进行了设计，并对机械臂进行了性能分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望： (1)机械结构优化问题在机器人设计过程中，包括机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪费。（2）计算机的有限元的分析没有做。通过对计算机有限元软件的更深层次挖掘，对零件的强度和刚度和臂部的力学分析，会得到最优的结构。这个以后可以作为后续学习的方向。 (3) 机械臂自主控制系统的建立有待于进一步研究，以及它的运动控制技术，路径规划技术，实时视觉技术，定位和导航技术，多传感集成和数据融合技术，高性能计算技术，无线通信与因特网技术问题也是多个有待研究的方面。机器人在未来生活中应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对机器人机械臂系统设计，在整体系统的各各方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进机器人将走向成熟和实用化。参 考 文 献1 包志军. 垂直多关节机器人运动特性研究D. 上海交通大学博士论文 .2000: 14-48.2 姜山，程君实，陈佳品，包志军. 基于遗传算法的机器人步态优 化J.上海交通大学学报. 1999，vo1.33(10): 12801283 .3 刘志远. 机器人动态研究D. 哈尔滨工业大学博士论文. 1991.4 刘志远，戴绍安，裴润，张栓，傅佩深. 零力矩点与机器人动态稳 定性的关系J. 哈尔滨工业大学学报. 1994，vol.26(1):3842.5 纪军红. HIT-I机器人步态规划研究D. 哈尔滨工业大学博士论 文，2000:1571.6 麻亮，纪军红，强文义，傅佩深. 基于力矩传感器的双足机器人在线模糊步 态调整器设计J. 控制与决策. 2000，Vol.15(6):734736.7 竺长安. 机器人系统分析、设计及运动控制D. 国防科技大学博 士论文. 1992.8 马宏绪. 机器人动态研究D. 国防科技大学博士论文. 1995.9 马宏绪，应伟福，张彭. 机器人姿态稳定性分析J. 计算技术与 自动化. 1997，vol.16(3):1418.10 马宏绪，张彭，张良起.机器人动态的步态控制与实时时位控 制方法机器人. 2005，vo120(l):1018.11 绳涛，马宏绪，王越. 仿人机器人未知地面控制方法研究N. 华中科 技大学学报. 2004年31期:161163.12 Mae GeerT. Passive Dynamie Walking of Roboties ResearehD. 1990，9(2): 6282. 13 包志军. 垂直多关节机器人运动特性研究D. 上海交通大学博士论文 .2000: 14-48.摘要目前的许多大型生产企业中，80%的公司都对产品加工过程中的质量及品质非常的看中，同时也考虑到整个公司的生产速度，由于工业机器人的自动化能满足企业的需求，工业机器人慢慢获得人们的青睐同时在公司中开始应用。技术等级与使用工业机器人的状况能够在一定角度体现国家工业自动化的水准。当下工业机器人一般被用来从事运输、焊接、堆垛与喷涂等，很多劳动强度较大抑或需要反复操作的工作也开始逐渐使用工业机器人。通常工作中均会选择教学再现。本课题研究的内容是一个关节型工业机器人的研究与设计，其工作场合是在某一企业的生产线上，本次设计的机械手主要功能就是将某个产品从一条输送带放置到另一条输送带上。 关键词：结构设计，机器臂，关节型机器人，结构分析35外文摘要AbstractAt present, in many large production enterprises, 80% of the companies are very aware of the quality and quality of the process of product processing. At the same time, the production speed of the whole company is taken into account. As the automation of industrial robots can meet the needs of the enterprises, industrial robots are slowly gaining peoples favor and starting to apply in the company. Technology level and the use of industrial robots can reflect the level of national industrial automation from a certain angle. At present, industrial robots are generally used in transportation, welding, stacking and spraying, and many work intensity or repeated operations have begun to gradually use industrial robots. Teaching reappearance is usually chosen in the work. The research content of this topic is a cylindrical coordinate industrial robot research and design, its working situation is in the production line of a certain enterprise. The main function of this design is to put a product from one conveyor belt to another conveyor belt. Keywords：Structure design，Robot arm，Structure analysis目 录1 绪论11.1 引言11.2 机器人的研究成果11.3 机器人发展趋势31.4 主要内容32 总体方案设计42.1 机械手基本形式的旋转42.1.1 直角坐标系机器人42.1.2 圆柱坐标系机器人42.1.3 极坐标系机器人52.1.4 多关节型机器人52.2驱动装置的旋转62.2.1 液压驱动62.2.2 气压驱动72.2.3 电机驱动72.3工业机器人的设计分析82.3.1 设计要求82.3.2 总体方案拟定82.3.3机械手主要技术性能参数92.4 垂直多关节机器人工作空间的计算102.5 本章小结113 机器人机械系统设计123.1 机械手的动作简介123.2 大臂部结构设计133.2.1手臂的设计要求133.2.2手臂电机及减速器选型133.2.3减速器参数计算143.3承载能力的计算183.3.1 柔轮齿面的接触强度的计算183.3.2 柔轮疲劳强度的计算194.1 控制系统的功能要求244.2 硬件系统配置244.2.1 PLC选型254.2.2 PLC的I/O配置264.3 软件系统设计274.3.1 总体设计流程274.3.2 梯形图设计284.3.3 主程序初始化梯形图284.3.4 机械手运转过程梯形图294.3.5 电机脉冲程序梯形图32总结与展望35参 考 文 献361 绪论1.1 引言 在现代社会的工业化制造中，怎么样将机器的智能生产与安装已然演变成一类亟待解决的问题。生产环节里的自动化持续性问题当下已然获得相应的处理对策。不过在机械工业里装配、加工且生产并不持续。专用机属于一类具备相应效率的方法，能够大规模的制造数控、程控机床，同时此类具备自动化的机械能够更具效用的处理多品类、小批次的产品。不过在装配、装卸、搬运等方面，依然并不具备机械化特征。自动化的机器人设计开发已经在当代工业中开始大批量的使用，提供了完善的自动化生产基础。“自动机械手”：通常指可以按照人类控制指令完成各种复杂的动作，如拿取物品、移动物品的设备。通常将能够实现至少一种动作，并且是通过程序控制的设备称为机器人。机器人其跟其他设备相比，拥有机构不复杂，设计成本低，方便后期维修等优点，但是缺点就是功能较少，也很难适应多种复杂环境。当下国内一般将具备以上所提优点的设备称为机器人。综上所述，机器人的最终形式是解放人们的双手，用机器来取代，将产品从一个位置移动到另一个位置，或者完成其他所需要的动作。 设计自动化机器人，一般应当具备的最为简易的要素是：抓获同时移动手臂的装置执行，和肌肉非常相似的驱动臂输送；能够管控和指挥的系统运算中枢。此类系统与机器人功用有着直接关联。通常来讲，机器人的组成部分是执行程序、驱动传动体系与控制体系，具体参照图1。图1 结构组成表1.2 机器人的研究成果当初是美国人最早开始设计工业机器人，美国联控企业研发了全球首个机器人。其构架特征是机器人中配备了回转长臂，底下则配备通过电磁机理运作的工件抓取装置，控制部分程序则属于演示模式。在世界范围内，日本对本国的工业化非常看重。他目前已拥有众多先进的机器人，发展速度大大超过其他国家。但是美国也不甘示弱，在购买了其两种具有代表意义的工业机器人后，也开始专注于研究自动化机器人。现在在很多企业中普遍应用的机器人仍然是比较落后的第一代产品。很大部分仍然通过工人手动完成动作；与第一代机器人相比，我们现在研究机器人可以主要从改善方向和降低成本，提高精度等方面进行研究。第二代机器人目前正处于研发阶段。其存在一类微信电脑用做控制体系，和人类的思考模式非常吉尼斯。同时机器人应当具备视觉与触觉，甚或要具备听觉以及思考的功能，因此传感器的使用也就成为一种必然。研究各种传感器的技术，将传感器装配于机器人，继而机器人会将感觉的讯息通过传感器反应到控制器，这样一来，就可以使得机器人有人类相似的各种感官功能。第三代机器人是最先进的一类，他不需要工人或者电脑控制，可以自主动作。其能够确保和电视抑或电脑装置连通，同时逐渐演变成柔性生成体系FMS与柔性生产基元FMC的一类构成组分。伴随工业机器人全球学术交流的逐渐盛行，欧美等国通过这样的会展，彼此之间交流了大量的经验，积累了众多研发能力。另外，ISIR在每年的年中都会邀请各国的先进企业参加会议，互相交流，讨论在研发中遇到的问题并问题和研究更多适合工业生产的机器人。当前在许多外国先进的生产企业里，工业机器人已经被大量的应用，研发速度也非常迅猛。现在已经在机床、焊接、喷涂、锻造等行业广泛使用，在世界范围内，日本对本国的工业化非常看重。他目前已拥有众多先进的机器人，发展速度大大超过其他国家。但是美国也不甘示弱，在购买了其两种具有代表意义的工业机器人后，也开始专注于研究自动化机器人。伴随着世界上先进的技术发展，机器人运作程序开始逐渐完善，程序的持续发展也能够保证其具有更加完善的作用。电脑集成生产（CIM）的机器人在程序方面需要自动化装置于车间中予以规整。封闭体系改装价格异常高昂，假如无法再度设定，在一般技术层面其并不具备可行性。现在在很多企业中普遍应用的机器人仍然是比较落后的第一代产品。很大部分仍然通过工人手动完成动作；与第一代机器人相比，我们现在研究机器人可以主要从改善方向和降低成本，提高精度等方面进行研究。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的越来越先进，工业机器人设计生产能力得到加强，特别是工业机器人制造和柔性生产体系互相联结。此类技术将导致当下机械生产人工操控过程开始转变，能够大幅增加生产效能。操作人员的安全也有所保证。 从当下的实际状况来讲当代工业机器人的发展趋向为： a)在满足机器人运行稳定性的前提下，尽可能的使得其工作速度加快，定位精度更准确，同时也必须要考虑到设备的体积及加工运输成本，开发越来越小巧的工业机器人。 b)研制各种新型结构用于不同类型的场合。比如，开发各种行走的机器人，使其能够在各类场合里应用。c)研发制造各种传感器与测试组件。通过传感器传输的讯息来管控机器人，让机器人具备五感。1.4 主要内容第1章 绪论 主要介绍机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计，介绍该机器人各部分的相关知识和总体设计.第3章 机器人各部分设计的介绍第4章 机器人大臂的结构设计2 总体方案设计2.1 机械手基本形式的旋转 在目前所应用的制造行业中，通常人们会通过机械手来完成各种工序，机械手各部件的结构方式大致可以分为以下几类，结构简图如图2所示：（1）坐标方式为直角型的机械手；（2）坐标方式为圆柱型的机械手；（3）坐标方式为极型的机械手；（4）坐标形式为多个活动关节的机械手。2.1.1 直角坐标系机器人一般来说，这种类型的机械手在三个坐标X、Y、Z中的动作必然是要互相独立，三个关节均要能够移动，关节位置的轴线则需要互相垂直，其一般用来让制造装置能够更好的上料下料，也能够用做精确度较高的装配与测试。这种结构方式的最重要特点是： (1)在三个方向上进行直线运动，结构形式很容易实现。 (2)设计非常的简单。 (3)由于结构可以在两边支撑，当应用在比较长的情况下，其结构最为稳固。 (4)设计时必须拥有少量的行程余量，这样就造成整个机构会比较占地方。 (5)这种类型机械手需要有比较大的安装位置。 (6)运动部件暴露在外面，容易沾染灰尘，油污等，密封不容易实现。2.1.2 圆柱坐标系机器人此类机器人中，R、与x属于坐标系中的三个数据，因而R属于机器人手臂的横向移动范围，对应机械手的手臂转动角度，x对应机械手臂竖直方向的行程范围。这种类型的机械手最重要的特点如下：(1)结构形式很容易实现，设计非常的简单。(2)可以非常方便的在设备内部工作。(3)各个方向的定位一目了然。(4)同样运动部件暴露在外面，容易沾染灰尘，油污等，密封不容易实现。 (5)机械手的端部不容易够到某些特定的地方，比如越靠近立柱的地方，或者是地面的位置。2.1.3 极坐标系机器人这种形式的机械手中R、与均是极坐标系里的坐标数值。属于环绕机器人手臂相对于立柱中心轴所转动的角度，为机械手臂在竖直方向上的偏移角度。此类机器人于这类坐标系中移动的行程范围一般来说呈现为半圆形，这种机械手的特点如下： (1)在相对于中心立柱上的移动范围特别广。 (2)这种类型的机械手，其传动部件比较容易实现密封，从而寿命更加长。 (3)机械手运动的范围很广。 (4)这种机械手运动轨迹复杂，比较难以设计。 (5)机械手的端部不容易够到某些特定的地方，比如越靠近立柱的地方，或者是地面的位置。2.1.4 多关节型机器人这种机械手用于把相互有影响的传动部分的角度旋转数据当成多个坐标轴。其中、和属于坐标系的坐标，属于环绕机器人手臂相对于立柱中心轴所转动的角度，对应机械手臂与地面的相对角度，对应手腕和手臂之间的角度。这种类型机械手臂运动范围很大，也很灵活，可以很轻松的伸到任何一个需要实现要求的位置，通过调整手臂及手腕的大小，可以使得机械手能够伸到任意位置工作。这种机械手的特点如下：(1)机械手运动的范围很广。(2)这种类型的机械手决定了传动部件必须密封设计，防止灰尘及油污的侵入。(3)由于密封性做得好，所以应用非常的优秀，甚至可以在水下使用。(4)特别适合电机控制的应用场所。 (5) 这种机械手运动轨迹复杂，比较难以设计。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图2 工业机械手基本结构形式本次设计的机械手类型为垂直多关节型。故接下来的计算按照垂直多关节类型的机械手设计。2.2驱动装置的旋转一般来说，机械手各个部件的驱使模式为液压型、电动型与气动型。以下则把三类驱动机制实施探析对比。2.2.1 液压驱动如果机械手的动力来源于液体的话，这种方式有下面这些好处：（1）液体压力方便控制，结构简单、小巧、精致，并且可以实现很大的动力来源；（2）由于是液压驱动，液体的特点是体积不会被压缩，所以运动过程更加平稳，同时各机构的定位误差也基本没有；（3）由于是液压驱动，机器的能耗，动作灵敏度及移动的位置都可以很容易的实现自己控制；（4）液压驱动的液体通常使用油类物质，这种物质一个很大的特点就是可以防锈，还能自我润滑，不仅满足了动力需求，还能延长设备的使用寿命。液压驱动的缺点是：（1）油类物质会随着温度的升高，其特性也会随之变化，这样一来就会多机械手的使用造成不利的因素，长此以往，会有发生安全事故的风险；（2）另一个最大的困难在于整个液压系统中，由于存在较大的压力，故密封性无法完全做到，总会有或多或少的存在漏油的情况，如果要做到完全的不泄露，那么设备的制造成本将呈现几何倍数的增长；（3）必须搭配相应的动力驱动体系，特别在电力和液体同步驱动系统种，必须配套高规格的设备用来过滤液压油中的杂质，如果没有这个设备，那么整个系统会很容易发生事故。由于是液压驱动，液体的特点是体积不会被压缩，所以运动过程更加平稳，同时各机构的定位误差也基本没有；液体压力方便控制，结构简单、小巧、精致，并且可以实现很大的动力来源，这种方式，通常应用在大型的机械手系统中。2.2.2 气压驱动相比于前面所说的液体驱动方式，压缩空气传动的优点如下：（1）一般来说，气体相对于液体，其运行更加流畅，阻力小，很方便的可以达到很大的速度；（2）目前通常企业中，都配有压缩空气泵，气体接入很方便，能耗也少；（3）压缩气体不会对空气产生污染，使用条件很简单，也很安全，另外对温度没有限制；（4）压缩气体的机构动作时候的压力很小，相对于油液驱动，他的安全标准更低。另一方面，不利的因素如下：（1）压缩气体通常压力范围在46公斤之内，如果要获得一个更加大的动力，就势必要增加设备的成本；（2）高压气体管道布局方便，但是气体流通的效率很难可以做到精确的控制，要实现精准定位比较困难；（3）高压气体有一个特别重要的问题所在，如果设备在使用中出现了故障，气体中含有杂质、油污等，会对管道产生腐蚀，从而影响机械手的整体稳定性，产生故障。另外一方面，气体的排放也会产生比较大的噪声，必须配合消声器使用。2.2.3 电机驱动电力控制的机械手，从电流的特点来说，可以分为直流和交流两类，如果要达到比较高的定位精度，就必须采用直流驱动的电机，目前应用比较广泛的两类直流电机分别是伺服电机和步进电机。 通常来说，交流、直流电机在使用时，需要配合减速机构，从来实现增大扭矩的效果，不过管控性能很低，同时存在一定惯性，能够用于中型机器人。而步进与伺服电机的导出力矩较低，具有优异的管控效能，可以很准确的控制运动速度和精确定位，一般来说在中小型的机械手中应用很普遍。而交流伺服电机通常在闭环管控程序里应用，步进电机则在开合管控程序里应用，通常速率与位置精确度毫无关联。本论文选择电机驱动。2.3工业机器人的设计分析2.3.1 设计要求本次毕业设计需要完成的要求是设计一台垂直多关节系的机械手，要求可以对工业机器人的功能、运动过程、承载能力等进行设计与计算，并且要针对机械手的各个部件进行相应的计算分析，同时完成机械手控制部分的设计和各个零部件的选取。要求通过此次机械手的设计，重新温习相应的机械设计基础知识。原始数据：在某一企业的生产线上，有左右两条输送带，本次设计的机械手主要功能就是将某个产品从一条输送带放置到另一条输送带上。零件重量：7kg。2.3.2 总体方案拟定机械手可以实现多个动作，其中手部的抓取和伸缩是比较关键的动作。为了能保证这两个动作运行的稳定性和准确性，势必要求机械手的结构设计要更加的合理，并且通过电气上面的闭环反馈功能来保证其功能实现。这次我的设计前提就是保证以上这两点主要特征。总体方案如下：首先通过前面分析已经确定了机械手的类型为垂直多关节系，旋转自由度的传动方式采用步进电机配合谐波减速机，这两者相结合，一方面可以保证输出力矩，另一方面可以保证机械手的精确定位；抓手部分的功能实现则使用杠杆式的抓取机构，动力来源采用小型液压缸。所设计的机械手总体结构如图2-3所示。图2-3 机械手示意图2.3.3机械手主要技术性能参数机械手的各项指标是衡量一款机械手是否合格的重要参数。本次设计的机械手主要数据分别为：A、 抓取重量：机械手的最大负载是机械手的一项最重要的数据，如果使用时超过其最大负载，则可能产生的严重后果就可能是安全事故，这个数据通常是指正常情况下机械手所能承受的负载。B、 抓取工件的极限尺寸：所要拿取的物品大小，是用来设计机械手手部的重要参数，每个机械手都有一个极限工作能力，如果物品大小超出设计要求，那么机械手就无法工作了。C、 坐标形式和自由度：坐标类型和自由度可以代表机械手的工作流程，各部分相互配合，即可完成所需要的一系列动作。D、 运动行程范围：设计一台机械手，首先必须要确定好工作范围，这个范围可根据机械手各部分动作配合实现，分析机械手的各个动作行程，即可确定该机械手的最大工作区域。E、 运动速度：用来表示机械手的重要机械性能。一般来说，机械手动作速度越快，那么定位就越不精准。所以，机械手怎么样在最短的时间内完成所需要的动作，这点在设计时是要重点考虑的。目前人们在用的很多机械手，它的移动关键，最快可以在1秒时间内完成1米的移动距离，实际应用时，则并不需要这么快的速度，通常能达到1秒内移动0.20.4米即可；除了平移动作，另外一个重要的就是旋转了，市面上已经有能达到1秒钟旋转180的机械手了，这种机械手，价格昂贵，应用场合特殊，常用的机械手旋转50能够在1秒内完成就已经算不错了。 机械手技术参数见表2-1。表2-1机械手类型垂直多关节型机械手负载7公斤自由度4个自由度机座要求能实现旋转动作，控制方式采用单片机，步进电机驱动腰部机构要求可以实现俯仰动作，控制方式采用单片机，步进电机驱动手臂机构要求能实现旋转动作，控制方式采用单片机，步进电机驱动手部抓取机构控制方式采用行程开关，动力来源通过液压缸2.4 垂直多关节机器人工作空间的计算对于垂直多关节机器人工作空间和喷枪轨迹的计算是相对比较复杂的过程，可参考查阅的研究资料较多，因此在本课题的设计中不作详细的研究。根据已给出的技术要求工作空间为 900700500mm3， 确定垂直多关节机器人在长、宽、高三个方向的极限位置，从二维空间工作图中模拟喷枪的轨迹，如图2.3所示，即可通过联立方程组（2.1）求出大、小臂长度的近似值。图2.3 垂直多关节机器人工作空间示意图图中，、分别为大臂、小臂的长度。列出方程组计算： （2.1）经过计算圆整得出大、小臂长度：为500mm，为300mm。2.5 本章小结本章主要完成对机器人大臂系统设计，通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机器人的总体设计方案后，就要针对机器人的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。3 机器人机械系统设计3.1 机械手的动作简介通常设计一台工业机械手，需要从以下3部分来确定，机械手运动类型、运动范围和机械手结构特点。 图3-1是本次设计的机械手示意图。图3-1 机构简图a机械手的自由度介绍 我们通常所说机械手的自由度，意思是每个动作机构的类型及传动方式，它是用来确定机械手动作可靠性的重要参数。 本次设计的机械手含有旋转自由度和摆动自由度两类，具体结构为手臂实现俯仰摆动、旋转等动作，底座实现旋转动作。 b机械手动作范围及结构简述 （1）动作范围 动作范围表示机械手工作时，抓手所能够到的最大空间，它是衡量一个机械手的重要指标，动作范围如图3-2。图3-2 动作范围示意图（2）机械结构类型这次设计的机械手具有旋转和摆动动作，机械手类型为垂直多关节型。这种结构的机械手跟其他类型的相比，如直角坐标类型，其结构最紧凑，前提是完成相同的流程。要确保机械手的各个分解动作可以可靠运行，必须依靠合理的机械结构及可靠的电气控制，一台机械手最重要的参数即为其对物品的抓取及定位的准确，这是一台合格的机械手的灵魂所在，必须保证。3.2 大臂部结构设计3.2.1手臂的设计要求a、 一台机械手要能完成相应的工作，手臂的设计至关重要。b、 参考设计要求，分析机械手的动作，手臂必须要设计成越轻巧越好，所以手臂的结构及材料的旋转变得至关重要。c、 手臂应尽可能的设计小巧，减小其在动作过程中，对旋转点所产生的惯量和负载，从而减少驱动机构的负载；增强手臂动作的灵活程度。d、 为了减小机械手各相对运动零件之间的间隙配合，增强机械手的定位精度和动作可靠性。我决定使用缓冲机构来增强机构的可靠性。本机械手其手臂运动方式是电机驱动手臂实现俯仰摆动动作，此结构合理，并且装配简单。3.2.2手臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2设大臂速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T旋转开始时转矩 N.mJ转动惯量 kg.m2角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：则： (3.4)若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.53.2.3减速器参数计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS 刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取2.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。考虑到轮齿扭矩，使轮齿间隙减小的值为： （扭转弹性模数G=80GPa）其中：W0/m=0.89810-5Zr2Cnmax/m为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 其中： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算得到的，为了继续进行计算，可取2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 其中（齿顶高系数，径向间隙系数）柔轮齿顶圆直径： 其中（查表得）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。即：刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 选取插齿刀齿数，插齿刀变位系数（中等磨损程度的插齿刀），插齿刀原始齿形压力角，则刚轮和插齿刀的制造啮合角：查渐开线函数表和三角函数表得则刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：可见沿波发生器长轴，在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中是偏心距：（刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.3承载能力的计算3.3.1 柔轮齿面的接触强度的计算根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：接触强度计算公式： 输出转矩柔轮节圆半径柔轮轮齿宽刚轮压力角接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。3.3.2 柔轮疲劳强度的计算柔轮材料采用 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示：已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法相力1) 求垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算4） 绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加=+41.1=70.1 N.mMA=+MAF=+41.1=62.57 N.m8) 求轴传递的转矩：N.mm9) 求危险截面的当量转矩 如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6，带入上式可得：10） 计算危险截面处轴的直径轴的材料选用45钢，调质处理，由表14-1查得B=650Mp，由表 14-3查得-1b=60Mpa，则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，故：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力-1b=60Mpa，-1b，强度满足要求。4 机器人控制系统设计4.1 控制系统的功能要求传统的机械手用继电器控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手的控制需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这一问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点。传统的机械手无法完成精确的操作工作，所以PLC控制的多关节机械手的应用逐渐广泛起来，并且能够完成动作要求精度高的工作。在机械行业中，大部分产品的装备不是采用工人装备的形式就是采用传统的继电器控制系统，工人劳动强度大，产品质量得不到保证，同时继电器经过长期使用后，容易发生故障，维修工作量大，而且生产控制灵活性差、控制过程复杂、控制过程不易改变。在装备线上采用PLC控制可以完成精确定位的要求，提高产品质量、降低工人工作量。此外由于PLC编程简单、组合灵活、可靠性高、控制灵活度高，可根据控制流程的不同，方便的改变控制顺序来满足工艺要求。其动作过程为：基座旋转手臂旋转手腕旋转手爪抓紧手爪放松多关节机械手完成以上动作主要是通过机器写控制来实现的，即利用PLC来控制电动机的转动，电动机的转动来驱动机械手的左右旋转。（1） 手臂上升：使机械手相对于工作台向上移，以满足抓取工件的高度要求。（2） 手臂下降：使机械手相对于工作台向下移，以满足放置工件的高度要求。（3） 手爪抓紧：使机械手抓紧工件，以完成工件抓起要求。（4） 手爪松开：使机械手放松工件，以完成工件松开要求。（5） 手臂左旋：在不改变工件高度的情况下，完成工件移动任务（6） 手臂右旋：在不改变工件高度的情况下，完成工件移动任务，以便再次抓取工件4.2 硬件系统配置完成了对功能要求的描述设计出如图所示的系统硬件图，在次系统中仅靠PLC主机是无法完成工作的，因此拓展了一个I/O和两个模拟量输入输出模块，以及两个光电开关和一个可控电机。4.2.1 PLC选型根据系统控制要求的经济性和可靠性来考虑，选择西门子系列PLC作为过关节机械手的控制主机。从多关节机械手的控制要求中可以看到，此次需要15个数字量输入，8个数字量输出，共需23点I/O，根据I/O点数，一级程序容量，选择了CPU224作为主机。CPU224具有一下特性：（1）8K字节程序存储器（2）2.5K字节数据存储器（3）1个可插入的存储器子模块（4）14个数字量输入，有四个可以做硬件中断，10个用于高速中断功能（5）10个数字量输出，其中两个可用作本机集成功能。（6）2个8位分辨率的模拟电位器（7）数字量输入/输出，最多可扩展成94个数字量输入，74个数字量输出（8）数字量输入/输出，最多可以扩展成28个模拟量输入和7个模