【JX17-82】一种scara机器人结构设计（二维+三维+论文）
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JX17-82
【JX17-82】一种scara机器人结构设计二维+三维+论文
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摘 要通过对机械设计、制造及其自动化专业课程的学习，总结大学四年所学的知识，对机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的应用情况，设计了一种SCARA的机械手。重点针对机械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分机械结构以及机械手的密封性进行了详细的设计。 关键词：SCARA机械手，自由度，密封性 27AbstractBased on the mechanical design, manufacturing and automation professional courses, reviewing the study four years of university knowledge, discussion and analysis of the manipulator mechanical structure and function of each part, and the actual operation of the application, the design of a SCARA manipulator. The mechanical design of manipulator, wrist, arm, waist seat, and the tightness of manipulator are mainly discussed in detail. Key Words：SCARA manipulator, degree of freedom, sealing property目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论51.1 引言51.2国内外机器人领域研究现状及发展趋势51.3SCARA机器人简介61.4 平面关节型机器人关键技术71.4.1 操作机构设计与传动技术71.4.2 机器人计算机控制技术81.4.3 检测传感技术91.5 主要研究内容及意义101.6 课题要求及本文主要工作101.6.1 课题要求10第2章 机械手总体结构分析112.1机械手总体设计112.1.1 机械手设计原则112.1.2 机械手本体的模块化设计122.1.3 机械手本体的模块化设计122.2机械手驱动方案132.2.1 机械手驱动方式132.2.2 控制电机的类型、特点132.3机械手转动关节设计142.4机械手移动关节设计152.5滚珠丝杠选型设计与计算152.6本章小结18第3章 转动关节设计计算203.1 转动关节减速机的设计计算203.2 电机的设计计算203.3 同步齿形带的设计计算21第4章 机械手的密封性设计24结 论26参考文献27致 谢28 第1章 绪论1.1 引言机器人技术是集计算机、控制论、机械论、信息与传感技术、人工智能、仿生学等学科于一体的高新技术。其实质是感知、决策、行动、互动四种技术的融合。这是一个非常活跃和广泛使用的当代研究领域。机器人应用水平是国家工业自动化水平的重要标志。该工业机器人具有操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器、仿人操作、自动控制、再编程、全自动操作的三维空间各种生产设备。目前，机器人应用领域主要集中在汽车行业，占机器人总数的2.89%。其次是电气制造业，约占16.4%，而化学工业占11.7%。此外，工业机器人在食品、制药、设备、航空航天和金属加工等方面也有较多的应用。随着工业机器人的发展，其应用领域开始扩大，从制造业向非制造业，在原有的制造业同时是深穿透连续、大、薄、软、窄、厚，硬加工领域的深化、扩展。新型木家具、畜牧渔业、建筑、桥梁、医疗、办公、家庭教育研究等非制造业领域的应用领域。一般来说，机器人系统可以根据功能分为四个部分：（l）机械机构和执行机构：包括机体、传动机构、操作机构、机架、机械连接等在内的内部支撑结构。2）电源部分：包括电源、电机等驱动装置及其驱动电路。3）检测传感器装置：包括传感器及其相应的信号检测电路。4）控制和信息处理装置：由硬件和软件组成的机器人控制系统。1.2国内外机器人领域研究现状及发展趋势 （1）工业机器人的性能改善（高速、高精度、高可靠性、方便操作和维护），且单价继续下降，平均单价从10万3000美元下降到91美元的2005美元。2）机械结构模块化和可重构。例如，伺服电机、减速器、关节检测系统等模块在三者的集成；由关节模块和连杆模块与重组机器人构成；国外有模块化机器人产品要求城市。（3）工业机器人控制系统以开放式控制系统为发展方向，基于CP机，易于标准化，网络设备集成化，控制柜结构紧凑，模块化，提高了系统的可靠性、可操作性和可维护性。（4）机器人传感器的作用起着越来越重要的作用，除了位置、速度和加速度传感器的传统，装配、焊接机器人还用于视觉、触觉传感器和融合技术的远程控制机器人视觉、声音、环境建模和决策控制力觉、触觉等多传感器；多传感器融合技术已经成熟，在产品的系统配置中的应用。（5）虚拟现实技术在机器人技术中的作用已经从模拟和排练发展到过程控制，如操纵机器人在远程操作环境中的参与感。（6）当代遥控机器人系统的发展特点是非自治系统的人机交互控制的追求，而是致力于操作者和机器人，即远程监控远程操作系统和地方自治，形成一个完整的体系，走出实验室进入实用阶段的智能机器人。在Mars的“寄居的机器人，最著名的例子是发射系统的成功应用。（7）机器人的机械化开始兴起。自1994美国研制出“虚拟轴机床”以来，该装置已成为国际上研究的热点之一，并对其实际应用领域进行了探索和发展。1.3SCARA机器人简介SCARA机器人（图1-1）很类似人的手臂的运动，包括肩、肘、腕关节来实现水平和垂直运动，在平面和定位是一种固定式工业机器人。它有四个自由度，其中三个是旋转自由度，一个是运动自由度。3旋转接头，其轴线相互平行，手腕的参考点的位置是由角位移，确定和PZ，和位移Z运动的两个转动关节。这种机器人结构简单，响应速度快。例如，Adeptl SCARA的机器人可以在速度为10m/s的举动，比常规的多关节机器人快几倍。它可以实现平面运动，整个手臂的刚性在垂直方向上是大的，并且在水平方向上的灵活性是大的和灵活的。图1-1SCARA机器人图1-2 SCARA机器人装配线图1-3 SCARA机器人SCARA机器人是最适合水平定位和广泛应用在垂直装配。广泛应用于高效装配、焊接、密封、搬运等领域，具有刚性高、精度高、速度快、安装空间小、工作空间大等优点。由于组件数量少，工作更可靠，维护更少。有两种安装方式的地板安装和顶部安装，易于安装在各种空间。它们可以直接用作焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高、占地面积小，基本免维护。1.4 平面关节型机器人关键技术1.4.1 操作机构设计与传动技术由于机器人运行速度快，定位精度高，需要设计和计算运动学和动力学来解决机械手的结构设计和传动链设计问题。包括：（l）重量轻、刚性好、机械结构设计和制造的小型惯性技术是普遍采用的、布局合理的结构设计，如驱动电机安装在底座上，它可以减少手臂的惯性，增强机体的刚度；在不影响使用性能的情况下，尽可能使用各种组件的中空结构。此外，材料的选择是至关重要的整体性能。（2）设计、制造工艺及调节精度传动轴直接由伺服电机驱动，无间隙，无间隙，摩擦少，磨损少，提高刚性、精度和可靠性；轴承采用预紧措施，保证传动精度和稳定性。（3）传动平稳，精度高，结构紧凑，传动设计效率高，制造和调整技术由于在解决机械结构的问题，往往提出了更高的要求，对传动机构，有时有多级传输，因此要实现上述目的，常用的方法有：钢带传动，实现无摩擦、高精度无间隙传动；滚珠丝杠传动，可提高传动效率和传动平稳，起动和低速性能，摩擦磨损小；使用RV减速器传动链短、伸缩。同时，合理设置检测系统的位置，进一步提高系统精度。1.4.2 机器人计算机控制技术由于自动化生产线和装配精度的要求和外围设备的限制，装配机器人的控制过程非常复杂，末端运动稳定，位置轨迹准确。在这个阶段，机器人有两种主要控制方式：首先，专用的控制系统，如FANUC、德国Motoman，工人等；二是基于PC机的运动控制结构，如库卡、ABB、工程、RCS等。控制领域经常涉及的关键技术包括：（l）采用点控制和轨迹控制的双控制技术，为装配机器人安装高级编程语言和操作系统。常用的编程方法有教学编程和离线编程。另一方面，合理选择关节驱动功率和可变比，终端基点密度和基点插值方法，使运动精度和轨迹平滑。（2）装配机器人的柔顺运动控制由于机器人柔顺运动控制是一种变参数的非线性控制，它可以使机器人末端执行器与工作对象或环境之间的运动和状态满足给定的要求。这种控制的关键是选择一个合适的控制算法。（3）误差建模技术在机器人运动中，机器人的制造误差、传动间隙和控制算法误差会导致机器人末端位置误差。因此，有必要对机器人运动进行误差补偿，建立合理可靠的误差模型，优化公差分配，校准系统误差，并采用适当的误差补偿环节。（4）控制软件技术如阻尼算法、前馈控制、预测算法等先进的现代控制理论引入机器人控制器使机器人具有更准确的定位，固定外形、速度快、调整时间短，甚至可以在低刚性机器人结构实现无振动的特点，有助于提高机器人的性能。1.4.3 检测传感技术传感器技术是检测传感技术的关键。它主要用于检测机器人本身和作业对象和工作环境的状态，并向控制器提供信息以确定系统动作。传感器的精度、灵敏度和可靠性在很大程度上决定了系统的性能。检测传感技术包含两个方面：一是传感器本身的研究与应用，二是检测设备的研发。包括：（1）多维ligio传感器技术多维力传感器是当今世界研究的热点，涉及的内容多、难度大。它可以同时检测三维空间的全部信息。它广泛应用于精密装配，双手协调，零力演示等。本实用新型包括弹性体、传感器头、集成莲藕单元、数据处理单元、专用电源等。（2）视觉科技视觉与触觉视觉技术与传感器技术的关系类似于人类，与触觉相比，视觉信息处理技术具有复杂和高速能力，成本高，触觉相对简单，可靠，易于实现。但在某些情况下，视觉可以完成物体的形状和姿态的识别，可以更全面的获取环境数据，在一些特殊的场合如装配，具有很大的优势定位，尤其是自主无人驾驶遥控组件，组件，组件和其他干预条件。因此，如何利用合适的硬件系统进行信息的采集和传输，并对数据进行分析、处理和识别，以获得有用的信息，是控制的关键问题。（3）多传感器信息融合技术由于装配机器人采用各种传感器采集信息，获取的信息也多种多样，必须采用有效的手段对信息进行处理，才能获得有用的信息。因此，信息融合技术已成为制约检测技术发展的瓶颈。（3）传感设备的集成与智能化技术传感装置的集成可以构成复合传感器或矩阵传感器，传感器与测量装置的集成可以构成集成传感器。这些方法可以使传感器的功能越来越小，提高检测和传感系统的性能，更加稳定可靠。传感装置的智能化是将微型计算机或微处理器添加到传感装置中，使其具有自动判断、自动处理和自动操作的功能。加快系统响应，消除或减少环境因素的影响，提高系统精度，延长平均无故障时间。1.5 主要研究内容及意义本课题是设计一个SCARA教学机器人。作为工业机器人SCARA有很多成熟的产品，但是他们中的大多数驱动伺服电机驱动系统采用RV减速器，价格是由这些组件是昂贵的，不适合作为教学使用。但教学机器人相对于运动精度要求比工业机器人场合要求精度低，对速度和稳定性要求不高，它只需要具备机器人的基本要素，就可以达到一定的精度。事实上，步进电机组成的开环系统精度高，能满足教学需要，且成本远低于伺服电机组成的闭环和半闭环系统。谐波传动也是一种精度高、传动稳定、非常成熟的传动技术。因此，研制低成本的教学机器人是非常有意义的。机器人的发展，以步进电机为动力装置，以谐波减速器为传动链的主要部分，辅以同步齿带和滚珠丝杠等零件，构成机器人的机械本体。1.6 课题要求及本文主要工作1.6.1 课题要求1. 机械臂具有三个转动关节，一个移动关节，所有关节的轴线都平行。2. 转动空间最大直径1000mm，移动行程800mm3. 传动机构及本体的设计；4. 机械臂运动空间分析和控制方案5. 传动方式：直流伺服电机，直流步进电动机，螺旋转动6. 驱动方式：直流伺服电机7. 材料：铝合金8. 总质量：6kg 末端载荷：2kg第2章 机械手总体结构分析机械手总体结构见图2-1。考虑机械手的操作功能和范围，采用旋转关节结构设置四个自由度，即大臂活动关节、中臂旋转关节、小臂旋转关节和手旋转关节。此外，还有一个抓手打开和关闭。机械手的每个关节由电动机构成，直流伺服电机作为驱动元件。锥齿轮作为减速器，输入输出轴为90度。机器人必须满足耐高压、耐腐蚀、重量轻、等，由于铝合金比重小，具有很高的耐腐蚀性，所以本文采用铝合金作为机械体的材料，同时采用圆柱壳的形状，从而充分利用内部空间，而且减少流体阻力运动。同时，提高结构的耐高压性。机械手的内部空间是有限的，控制器，驱动器和电源放置在与外螺旋电缆接头机械手的机械手密接插件。图2-1 SCARA机械手总体结构图2.1机械手总体设计2.1.1 机械手设计原则为了保证传动精度和工作稳定性的力学系统，在机械手本体的设计，应做到以下几个方面。1减少或消除传动间隙。如消除变形引起的间隙的预紧方法的使用或穿弹性螺母驱动。2提高刚度。应选择刚性更好的材料，并合理选择手臂截面形状和轮廓尺寸。3提高抗振动。提高静刚度，阻尼，固有频率增加的改进措施可以提高抗振系统。4减少摩擦。使用传输部件的摩擦阻力小，导向轴承零件，如滚珠丝杠，动压导轨支撑等。5缩小体积紧凑。如高强度轻质复合材料的使用。2.1.2 机械手本体的模块化设计随着机械手应用领域的不断扩大，机械手产品也向多品种，小批量，低成本等方向发展，这提出了新的要求，对机械手本体的设计和生产。机械手本体的设计应标准化，模块化，从而缩短开发和生产周期，降低生产成本。模块化设计可以有效地提高设计的可重用性，增加系统的可靠性，并根据客户的需要系统的合理配置，以满足市场的不同需求。2.1.3 机械手本体的模块化设计CAD（计算机辅助设计）技术的应用与发展对现代制造业的重要影响。它利用计算机技术作为一种工具，帮助工程设计人员进行产品设计，从而使设计人员从繁琐，费时，效率低，传统的手工绘制的图形的精度低，降低设计人员的劳动强度，大大提高了设计效率，缩短产品的设计周期和制造周期，提高产品整体质量，因此被广泛地应用于机械，电子，汽车，飞机，船舶，建筑等行业，已成为现代工程设计领域的一项关键技术。二维CAD的主要功能是计算机辅助绘图，使用二维CAD绘图技术的工程图纸不能完全表达设计师的设计思想，零件材料，颜色，形状的表达，硬度和其他信息，而不是二维CAD技术的实现。在许多情况下，二维图纸是不完整的，只能表达信息，而不是直接的，它带来了画画的困难。因此，应运而生的三维CAD技术。三维CAD技术来满足人们的设计思维习惯，它可以直观，零件信息的完整表达，有效地提高产品的设计效率，还可完成装配干涉分析，空间运动分析，质量属性分析，有限元分析，自动生成二维工程图，等处理分析，很快得到推广和应用。三维CAD已成为产品设计的一个重要技术。目前，三维CAD领域有三个主流系统；PTC公司的Pro/Engineer，EDS的UG和达索SolidWorks。SolidWorks是基于特征的三维CAD专业软件，具有功能强大的三维造型设计，自由曲面设计，二维图纸，文档数据的管理生产，计算机辅助制造，仿真和分析。三维建模是机械手机构设计的一个重要组成部分。利用Solidworks三维CAD软件可以快速的机械手本体的机械零件的设计和装配，建立三维模型。同时，也可以根据需要进行装配干涉，对机械手本体的分析和模拟空间运动，质量属性，动态性能。因此，设计的机械系统，我们使用solidworks设计机械手，并利用SolidWorks和AutoCAD进行二维工程图设计。2.2机械手驱动方案2.2.1 机械手驱动方式常用的机械手驱动方式主要有液压驱动气压驱动和电力驱动三种。1液压传动。以液体为工作介质的液压驱动，通过将电能转换为液压能转变为流动的油压电磁阀，使液压驱动机构的运动。液压驱动输出功率大，精度高，速度快，运行稳定，但需要独立的液压源，和液体易泄漏，设备难以小型化，因此不能满足机械手的驱动装置体积小，重量轻，要求。2气压传动。工作原理和液压传动一样，压力由压缩空气驱动作为工作介质，具有工作速度高，成本低，无泄漏污染，但功率小，动作不够稳定，不易小型化，难以实现精确控制。和机械手需要加工精度高，驱动功率较大，所以压力驱动为机械手的驱动方式也有一定的局限性。液压传动和气压传动用于工业机械手Unimate机械手早，最早是由液压驱动的工作模式。3电气传动。它是将电能转化为电磁力，电磁力驱动执行机构运动的。电力驱动，控制精度高，响应速度快，操作简单方便，无污染，这些特征更好地满足机械手的设计要求。因此，电力驱动成为机械手的主要驱动方式，所述控制电机是最常见的执行器。2.2.2 控制电机的类型、特点为了减小机械手的体积，降低了驱动装置的重量，同时满足控制精度的要求，我们选择电驱动机械手的驱动方式，并选取控制电机作为驱动装置。控制电机可分为步进电机，直流伺服电机和交流伺服电动机三。他们有不同的特点。1，步进电机。也被称为电脉冲电动机，它是电脉冲信号转换成转子的机械角位移的执行元件，角位移的大小和速度分别与电脉冲数的输入频率成正比。步进电机没有积累误差，长期定位准确，不易失步，具有成本低，结构简单，控制性能好，机电一体化系统，因此它被广泛地应用在开环结构。2，直流伺服电机。整流器的直流伺服电动机的电刷和换向器由磁场产生的，磁动势和电枢磁动势正交，从而产生转矩。它具有较高的响应速度，精度和频率，具有优良的控制特性，但其机械结构复杂，而且由于电刷和换向器的使用寿命短，因此需要经常修理。3，交流伺服电机。交流伺服电机的大小和方向的气隙磁场的检测，而不是换向器和电刷的电力电子变换器，并通过励磁电流、气隙磁场的方向相同，有效电流的垂直方向与气隙磁场来控制主磁通和转矩。它具有稳定可靠的特点，输出转矩恒定，过载能力强，加速和良好的动态性能，而且由于闭环控制的使用，从而达到较高的控制精度和可靠的控制性能可以。交流伺服电动机已广泛应用在工业自动化控制领域。为了满足机械手的运行速度快，高动态性能和良好的设计精度控制，采用日本安川公司II系列交流伺服电机作为驱动装置，并驱动伺服电机与伺服电机配合控制电机运行的选择。2.3机械手转动关节设计目前，机器人的传动系统中主要是使用VR减速器或谐波减速器。VR减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，VR减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于VR减速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本设计中采用谐波减速机。SCARA机器人大小臂均要承受轴向压力和倾覆力矩，所以大臂和小臂均采用谐波减速机加推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构。而推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力与径向扭矩，与谐波减速机配合正符合SCAAR机器人大小臂高刚性及高的抗倾覆力矩的要求。这样有利于缩短传动链，简化结构设计。由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现Z轴方向直线运动和绕Z轴的回转运动，并要求结构紧凑、重量轻。经过比较，选择同步齿形带加滚珠丝杠来实现Z轴上下运动，而用同步齿形带加带键的滑动轴套来实现Z轴旋转运动。2.4机械手移动关节设计移动机械手用于直线升降运动，机械手本体部分传动连接，从而在垂直方向实现末端执行器的定位装置。常见的线性驱动方式主要有液压驱动，气压驱动，直线电机驱动，旋转电机和丝杠螺母副联合驱动等。滚动丝杠螺母具有小的摩擦力矩传动的特点，传动效率高，结构紧凑，刚性好，传动精度高，使用寿命长等特点，已广泛应用于机电一体化系统，与滚动导轨副精度高，摩擦系数小，润滑方便，使用寿命长。因此，我们使用电机联合滚动丝杆螺母机构和滚动导轨副设计机械手。本次设计机械手的手臂移动关节如下，电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠轴承两端固定在圆筒支架上，手臂固定在丝杠螺母座上。当电机转动时，电机的输出轴带动滚珠丝杠旋转，驱动丝杠螺母沿螺杆轴线方向作直线运动，实现手臂的移动运动。初选丝杠的基本技术参数，如表2-1所示。表2-1 丝杠轴的基本技术参数名称公称直径螺距接触角摩擦系数螺纹类型数值16mm4450.1梯形螺纹则以上参数可得：螺旋升角当量摩擦角螺纹阻力矩上式中，表示摩擦系数，Q表示可承载丝杠轴面的平均直径，因而取螺母内外径的平均值，取为，所以：丝杠所受力矩安全系数2，最小力矩电机输出。2.5滚珠丝杠选型设计与计算（1）滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，精度高，经久耐用等优点，同步的特点，从而满足设计要求。首先，滚珠丝杠连接装置质量的工作条件：m1为4kg，工件（末端执行部分）质量m2为2kg，行程长度Ls为800mm，最大速度V为6m/min，加速时间t为0.5s，步进电机转速1250r/min，导向面摩擦系数为0.003，步进电机转动惯量Jm为0.8N.M，丝杠传动精度0.03mm，额定工作寿命时间Lh为10000h。（2）丝杠导程精度的选择+ 0.3mm定位精度的C7，滚珠丝杠的精度水平，针对实验室环境和经济的要求，对滚珠丝杠的选择。（3）滚珠丝杠的导程及长度选择从表2-3显示，电机转速1250r /分钟，提升联合线性运动速度100mm/s，即6m/min，滚珠丝杠导程，查看现代机械设计手册，所以我们应该选择5mm。（4）丝杠直径的选择这样，通过丝杆的长度和导程P = 5mm，可选的螺杆直径为16mm。（5）最大轴向负荷的计算加速度： 各状态下的受力情况如表2-2所示表2-2各个状态的受力情况表作用在滚珠丝杆上的最大轴向负载为：。计算载荷求解：根据表2-3所示：选取，。表2-3 求解载荷的参数表（6）支撑方式的选择由于丝杠行程800mm，6m/min，最大速度，所以支撑螺旋轴选择固定支撑。（7）额定动载荷计算计算寿命： =（2-22）（8）滚珠丝杠副选择名义上的滚珠丝杠动态负荷等于或略大于选择原则，THK滚动预压滚珠丝杠BTK2005-2.6，Ca=6KN。BTK2005-2.6的参数主要为：丝杠轴外径d=16mm，导程P=5mm，钢球中心直径dp=16.5mm，沟槽谷径d1=14.2mm，基本额定载荷Ca=6KN，C0a=16.5KN，刚性K=150N/m；螺旋升角为3.64。（9）滚珠丝杠的刚度验算变形是确定工作负载和扭矩，因为两者的结合，所以，在一定程度上引导过程，偏移和在实际过程中，取，这将确保在最坏的情况下，铅的最大变形预测。所以：pp式中，A为丝杠截面积，；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa； 在上式中，为平均工作负载，表示摩擦系数，T表示转矩，取摩擦系数为0.0025，则=840； 工作是在由导程误差引起的弹性变形的杆的长度 通常要求丝杠误差应小于12传动精度，即： ，该丝杠满足刚度要求。（10）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为: 要求在 90%95%之间，所以所选的丝杠副合格。2.6本章小结本章主要对机械手的技术参数和基本要求，在实验室环境中进行分析，完成了机械手的本体设计。首先确定传动方案，然后采用自底向上的设计原理，SolidWorks环境下的三维建模；然后是关键部件的选型计算，从而确定结构模型的主要结构和部件，与整体一致的设计原则。一般来说，结构和布局的模块化制造方便，该模块可以应用在一些精度和结构尺寸组合运动结构设计要求。第3章 转动关节设计计算3.1 转动关节减速机的设计计算大臂的转动速度为角速度1.8rad/s，电机初选四通步进电机，两相混合式86BYG250B-0402。最高转速为30OORPM，设计电机按1500RPM工作，则:初选谐波减速器为北京中技克美谐波传动有限责任公司的机型为60的XB3扁平型谐波减速器，其传动比可以是100(XB3-60系列组件的规格和额定数值见下表)表3-1 XB3-60-100的规格和额定数值表机型速比最高输入转速rpm输入转速3000rpm半流体润滑脂油润滑输入功率Kg输出功率kg输出扭矩N.m6010030000500000.14530303.2 电机的设计计算轴(机座旋转轴)的等效转动惯量为式中:初拟机座的外径为150mm，内径为100mm，带轮直径60mm，宽40mm.设谐波减速器转动惯量 电机的转子惯量86BYG250B-0402电机的转子惯量因此自由度弓传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量为电机轴扭矩为T=因为所选材料的摩擦系数f=0.002取响应时间T=o.045，则所选两相混合式步进电机86BYG25OBN一0402电机在3O00rpm时扭矩为06N.m，满足要求，其余几个电机的选择计算类似，第二自由度选择86BYG25OAN，第三和第四自由度是两个56BYG25OB。表3-2步进电机技术数据序号型号相数步距角（。）静态相流（A）相电电阻相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(Kg)186BYG250BN20.9/1.841.1115.00.082.6286BYG250BN20.9/1.83.60.97.20.40.081.5356BYG250B20.9/1.82.40.92.40.650.030.483.3 同步齿形带的设计计算考虑到整体结构，选择一对直径60mm左右的带轮同步齿型带传递的设计功率随载荷性质、速度增减和张紧轮的配置而变化。令凡为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数，KZ为考虑增速的修正系数，K为考虑张紧轮的修正系数。设计功率为：2、 选择带型和带轮节径及齿数参照“同步带选型图”选择带型为L型，则选择带轮20L050，节3、 节径60.64mm，外径59.88mm，齿数为20，节距P=9.525mm。接下来验算带速，同步带传动速度为查表知L型带带速限制为Vmax=4050m/S。所以带轮满足要求。(3)同步带的节线长度Lp，齿数Zb及传动中心距初选中心距取=89.7702(4)确定实际啮合齿数Zm(5)确定实际同步带宽度（1） 选取同步带的宽度为12.7mm，带轮宽度为14+2mm。第4章 机械手的密封性设计由于机械手在户外，设备的密封性成为设计中最重要的部分。在各种静密封或动密封的应用中，O形密封圈是一种高效经济的密封元件，是一种具有双向功能的密封件。安装时，径向或轴向初始压缩使O型密封本身具有初始密封能力。系统的密封力和初始密封力产生总的密封力，随着系统压力的增大而增大。O型密封圈结构紧凑，外形小巧，安装方便。适用于解决多种密封问题。机械手与非水环境机械手最大的区别是必须保护机械手不受腐蚀和密封。机械手的防腐主要从材料考虑。手指和手掌的外壳采用铝合金，铝合金具有良好的耐蚀性，机械加工完成后，合金表面经阳极氧化处理，进一步提高了耐蚀性。锥齿轮的小部分，轴承和轴的关键采用铬镍不锈钢材料，该材料不仅耐大气腐蚀，水，蒸汽，耐腐蚀性可以硝酸，硫酸和盐酸，并具有优良的冷加工性。通常，密封分为两部分：相对静止接头和相对运动之间的静密封，以及接合面之间的动态密封。解决静密封问题并不难。通常采用“O”型密封圈的方法。这是很难解决的问题，移动和密封。动密封是指电机轴的延伸密封，因为电机轴只要转动，轴与壳体就会有间隙，很容易漏气。在机械手上，电机除了涉及动密封外，其余均为静密封。最重要的是在轴延伸的动态密封。由于电机功率较低，有必要对这种密封方式的摩擦损耗进行估算，又因为机械手在抓取时转速非常低，所以不考虑摩擦功率损失，只对其摩擦损耗力矩进行估算. 取接触圆环面作为研究对象，建立如图4-1所示的极坐标系。图4-1 极坐标系在圆环面上取一微元区域S，可得到该微元上摩擦损耗力矩为：式中：P为接触面的压力（包括水压合压盖预紧力）；f为接触面的摩擦系数。化简可得：舍去二次微小量，上式变为：所以整个圆环面上的摩擦损耗力矩为：根据设计结果，；取压盖的预紧力和转动关节处锥齿轮副的作用力为20N，则，取；在半液摩擦状态时摩擦系数，因此有：根据前面所述的电机计算转矩损失率为：由此可见，这种密封方式的转矩损失率较小，对机械手影响不大。结 论本设计通过结合机械设计制造及其自动化专业本科四年的知识，来完成特定的功能，满足了机器人设计的特殊要求，更好地反映和机械自动化专业的毕业生理论研究层面的设计制造，实践能力和专业的精神和态度，较强的针对性和明确的实施，实现理论与实践的有机结合。本文研制了四自由度机械手。在分析了机械手工作环境及作业性能的基础上，本文进行了机械手关节驱动方式的设计，并从机械手关节动力装置、传动装置以及密封件等方面，对关键器件进行了选型。设计说明机械手具
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