毕业设计（论文）-四自由度的工业机器人机械手的结构设计说明书.docVIP

设计（论文）专用纸 机械手 机械手的结构设计说明书 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产 过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认 同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自 动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并 且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本 文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、 驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统， 包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的 设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性， 最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的 运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机械手；结构设计；经济性分析 设计（论文）专用纸 abstract in the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. the technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. in this paper i will design an industrial robot with four dofs, which is used to carry material for a punch. first i will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. on this foundation, i will design the control system of the robot, including choosing daq card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. the aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. key words: robot, playback, servocontrol, brake 设计（论文）专用纸 机械手机械手.1 机械手的结构设计说明书机械手的结构设计说明书.1 摘摘 要要.1 第一章第一章 绪论绪论5 1.1 机械手的特点 5 1.2 机械手的组成 6 1.3 机械手的应用与发展趋势.6 第二章机械手的结构设计第二章机械手的结构设计.8 2.1 设计初始参数.8 2.2 设计内容.8 2.3 方案设计.9 2.4 各部分参数的选择及校核.11 2.4.1减速电机的选择.11 2.4.2、齿轮的设计及校核12 2.4.3、主轴的设计及校核19 2.4.4、键联接强度校核22 2.4.5、轴承的选择及计算23 2.5 自制结构的设计.26 2.5.1机械手手臂与机身的设计.26 2.5.2手臂和机身的配置形式.26 2.5.3 手臂的结构28 2.5.3 手抓的结构设计28 2.5.4 腕部的设计30 第四章第四章 经济性分析经济性分析.31 设计（论文）专用纸 第五章第五章 总结总结31 致致 谢谢.31 设计（论文）专用纸 第一章 绪论 机器人诞生的历史虽然不长，但它已迅速形成一个巨大的产业大军，并对人类 社会产生着日益重大的影响。自 60 年代末西方国家开始大量使用工业机器人以来， 机器人的制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高。例如欧美国家在 10 年 前制造一个工业机器人的成本费为 11 万美元，而近几年已降到 8 万元左右，其性能 却比 10 年前有很大的提高。由于受价格降低和性能提高的刺激，近几年机器人在全 世界的销量迅速提高。专家预测在未来 3 年之内，全球仅工业机器人可达到 90 万台， 其他机器人的增量也十分可观，它必将形成一个每年几十亿到几百亿美元的庞大产 业。工业机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上,它是机器人家族中最重要 的成员。工业机器人主要由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几 部分构成。工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业机器人、直角坐标型机 器人、圆柱坐标型机器人、球坐标机器人、喷漆机器人、焊接机器人等等。 1.1 机械手的特点 总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是： 1、 对环境适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体 有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料 和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作 用下，以及冲压、灭火等环境中胜任工作。 为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热 处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手或工 业机械人。 2、机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延 伸人的功能。人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意 设计（论文）专用纸 维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。 3、由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品质量，同时又可避免人为 的操作错误。 4、机械手特别是通用机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不 断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置能够十分灵 活快速的予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、 小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。 5、采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。 1.2 机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的。 1、执行机构 由抓取部分、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。 2、驱动机构 有气动、液动、电动和机械四种形式。气动式速度快，结构简单， 成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300n 以下。液动式的出力人，臂力可达 1000n 以上，且可用电液伺服机构，可实 现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目 前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式用于简单的场合。 3、控制系统 有点动和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制， 也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 4、机体（机身） 机体是整个机械手的基础。 1.3 机械手的应用与发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机 设计（论文）专用纸 器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人 工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： 1、提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标 准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机 器人。 2、开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开 发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。 3、研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感 器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模 式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的 系统采用微机进行控制。 在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率可以减轻 劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、 易爆、有毒气体和放射等恶劣的环境下，它代替人进行工作意义更为重大。现代工 业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、 装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而 且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重 影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情 况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能 方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重 点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用 机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机 控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的 发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉 设计（论文）专用纸 等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本 单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横 锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成 规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有 一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时， 即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。 定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3m/s，量产产品达到 6 轴，负载 2kg 的产品系统总重已突破 100kg。更重要的是将机械手、柔性制造系统 和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时， 随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子 信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 第二章机械手的结构设计 2.1 设计初始参数 1、机械手每分钟抓取次数 2 次，每天工作 8 小时，一年工作 300 天无冲击载荷 寿命为 8 年； 2、机械手动作时，须在空间旋转 90； 3、机械手在起点抓取和终点放下目标各需要 10s; 4、机械手抓取目标为100 高 50 的圆柱体，质量为 0.5kg。 设计（论文）专用纸 2.2 设计内容 设计要求完成以下内容： 1、拟定整体方案，特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。 2、根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。 3、各部件的设计计算。 4、零件三维建模与装配。 5、机械手的装配图绘制。 2.3 方案设计 根据课题要求，机械手需要具备夹取、转向、卸载等多种功能，当给其配备控 制系统时，可以全自动重复抓取，因此可采用以下多种设计方案。 1.直角坐标式 如图 2-1(a)所示，这是一种直移型机械手，即所有的运动均为直线运动。 这种机械手，结构简单，直观性强，便于实现一定的精度要求。自动线成直线 布置，机械手空中行走，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单， 自由度少，易于配线，但需要架空行走，所需的空间位置较大，工作范围较小，灵 活性差且油液站不能固定，这使设计复杂程度增加，运动质量增大。 2.圆柱坐标式 如图 2-2（b）所示，这是一种回转型机械手，其手臂除了可以伸缩、可以升降 外，还可以绕立柱回转。这种机械手与直角坐标式机械手相比，占地面积小而活动 范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身 采用立柱式，机械手侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能，自动线仍呈直 线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气、油路定点连接，但机械手 的升降手机械结构的限制，距地面总有一定的距离，因而不能从地面上抓取物体且 手臂悬伸量较大。 设计（论文）专用纸 3.多关节坐标式 如图 2-2（d）这是一种屈伸型机械手，臂部有大臂和小臂组成。除了大臂本身 具有回转和俯仰运动外，小臂相对于大臂还可以屈伸，具有与人体上肢结构相类似 的结构。这种机械手可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体空间范围内任意抓取 物件，灵活性大。它与其他坐标形式的机械手相比，所占空间最小，而且可以绕过 障碍物抓取物件。但其运动直观性差，臂部前端的位置由多个回转运动决定，要达 到较高的运动精度比较困难，为此必须提高制造精度，因而使设计和制造均较为复 杂。 4.球坐标式 如图 2-2（c）这是一种俯仰型机械手，其手臂除了具有回转运动外，还具有俯 仰运动（即上摆动和下摆动） ，这种运动与手臂的伸缩运动组合成一个球状送放空间。 这种机械手与圆柱坐标式相比，在占有同样大小空间情况下，可扩大工作范围，能 将 手臂伸向地面抓取物件。机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、 翻转、转位等功能这种方案具有电液集中、占地面积小等优点，但配线要求较高。 本设计拟采用第 4 中方案。这是一种球坐标式机械手，具有立柱旋转（z） 、手 臂伸缩（x） 、手臂俯仰（y） 、腕部转动（x）四个自由度。 设计（论文）专用纸 图 2-1 机械手的坐标形式 2.4 各部分参数的选择及校核 2.4.1 减速电机的选择 由分析得主轴所受压力 f=1800n，f 通过推力球轴承作用在面 a 上，由于钢 2 n 与钢之间在有润滑的作用下，滚动摩擦系数，轴承外径，计算可0.1u 150mm 得： 1800 0.1 0.062511.25 f tfulnm 主轴所需功率： 2 n 2 11.25 3 3.53 95509550 tn pw 查书知，齿轮传动效率，取， 1 0.96 0.98 1 0.98 一对滚动轴承传动效率，取， 2 0.98 0.995 2 0.98 设计（论文）专用纸 得总效率 12 0.98 0.980.9604 有以上可知减速电机输出轴扭矩：11.250.960411.71tnm 减速电机实际所需功率：。3.53 0.96043.68 d ppw 图 2-2 传动路线图 根据减速电机选型样本选择减速电机主要参数为下表所示： 表 2-1 减速电机的主要参数 m pkw1 min a n a mnmi 1) ra fn b sewf 减速器 型号 电机 型号 m kg 0.12157590.7759302.7rf-37dr6316 设计（论文）专用纸 m6 2.4.2、齿轮的设计及校核 1 初始参数 减速器输出扭矩， 1 75tnm 减速器输出转速， 1 15 / minnr 减速器速比：， 1 90.77i 电机双向运转，每天工作 8 小时，寿命 8 年，一年工作 300 天，无冲击载荷。 由分析可知主轴转速=3。选择 4 极电机，电机转速， ， 2 n/ minr1400 / minnr 有以上可知齿轮的传动比 2 1 14003 5.14 90.77 i i i 2 齿轮类型、精度及材料的选择 （1） 为提高传动平稳性及强度，选用斜齿圆柱齿轮； （2） 因为本机械手抓取目标不重，速度不高，故选用 7 级精度； （3） 有传动方案知可选用闭式软齿面传动； 小齿轮材料：45 号钢调质 1 220hbs 接触疲劳强度极限 lim1 570 h mpa 弯曲疲劳强度极限 1 440 fe mpa 大齿轮材料：45 号钢正火 2 190hbs 接触疲劳强度极限 lim2=400mpa 弯曲疲劳强度极限 2 330 fe mpa （4） 初选小齿轮齿数 ，则 1 23z 设计（论文）专用纸 大齿轮齿数，取， 2 23 5.14118.22z 2 118z （5）初选螺旋角。10 t 3 按齿面接触强度设计 计算公式： mm 1 3 1 21 teh t dah k tz zu d u （1）确定公式内的各计算参数数值 初选载荷系数1.6 t k 小齿轮传递的转矩 4 1 7.5 10tn mma 齿宽系数0.5 d 材料弹性影响系数 1 2 189.8 ea zmp 区域系数2.43 h z ， 1 0.75 a 2 0.88 a 12 1.63 aaa 应力循环系数 7 11 6060 15 28 300 83.46 10 h nn jl 7 7 1 2 2 3.46 10 0.67 10 5.14 n n i 接触疲劳寿命系数1.1，1.15， 1hn k 2hn k 接触疲劳许用应力 取安全系数1 h s 1lim1 1 1.1 570 627 1 hnh h k mpa s a 设计（论文）专用纸 2lim2 2 1.15 400 460 1 hnh h k mpa s a 12 2 543.51.23565.8 2 hh hh mpa 取 543.5 h mpa （2） 计算 1）试算小齿轮分度圆直径 1t d 2 1 3 4 2 3 21( ) 2 1.6 7.5 105.14 12.43 189.8 () 0.5 1.635.14543.5 63.27 he t da h ktzzu d u mm a a 2)计算圆周速度 1 3.14 63.27 15 0.05/ 60 100060000 t d n vm s （3）计算齿宽 b 及模数 mnt 1 0.5 63.2731.64 dt bdmma ， 1 1 cos63.27 cos10 2.71 23 t nt d m z a ，2.252.25 2.716.1 nt hm/5.19b h 3）计算纵向重合度 1 0.318tan0.318 0.5 23 tan100.64 dz 4）计算载荷系数 havhah kkkkk aa 使用系数，由于是电机驱动均匀平稳，故1.0 a k 设计（论文）专用纸 动载系数，由 v=0.05m/s，7 级精度，1.0 v k 按齿面接触强度计算时的齿向载荷分布系数 h k 根据小齿轮为悬臂布置 7 级精度，b=31.64mm，=1.22，0.5 b h k 按齿根弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 f k 由于 b/h=5.19,得=1.17， f k 齿向载荷分配系数 hafa kk、 假定，由 7 级精度，软齿面传动，得，/100/ at kfbn mma 1.4 hafa kk 由以上可知：=111.41.22=1.708 havhah kkkkk aa 5）按实际的载荷系数修正所得的分度圆直径 d1 33 11 1.708 63.2764.66 1.6 h t t k ddmm k （3）按齿根弯曲强度设计 2 1 3 2 1 max 2cos fasa n da f kty y y m z a 1）计算载荷系数 k 1 1 1.4 1.171.708 avfaf kk k kk 2）螺旋角影响系数 y 根据纵向重合度=0.64，得=0.94 y 3）弯曲疲劳系数 fn k 设计（论文）专用纸 ， 1 0.94 fn k 2 0.98 fn k 4）计算弯曲疲劳许用应力 f 去弯曲疲劳安全系数 s=1.4，得： 11 1 0.94 440 295.43 1.4 fnfe f k mpa s a 22 2 0.98 330 231 1.4 fnfe f k mpa s a 5）计算当量齿数 zv 1 1 33 23 24.08 coscos 10 v z z 1 1 33 118 123.56 coscos 10 v z z 6）查取齿型系数和应力校正系数 fa y sa y =2.65 ， =2.16 1fa y 2fa y = 1.58 ， = 1.80 1sa y 2sa y 7）计算并进行比较 fasa f yy a 0.0142 11 1 fasa f yy a 0.0168 22 2 fasa f yy a 得：64.66mm 1 1 22 3 67.14 coscos10.577 n z m dmm 2 2 113 3 344.86 coscos10.577 n z m dmm 设计（论文）专用纸 4)计算齿轮宽度 1 0.5 67.1433.57 d bdmm 圆整后 b1=35mm，b2=30mm 。 (6) 验算 4 1 1 22 7.5 10 2234.14 67.14 t t fn d 与初设相符，设计符合要求 1 2234.14 74.47/100/ 30 at k f n mmn mm b 表 2-2 齿轮参数汇总 齿数模数传动比螺旋角分度圆直径齿宽中心距 z1=22d1=67.14mmb1=35mm z2=113 35.14103436 d2=344.86mmb2=30mm 206 2.4.3、主轴的设计及校核 1 主轴结构示意图 图 2-3 主轴结构示意图 2 轴各段长度确定 （1）段与螺母联接，根据定位要求，取 l=50mm，左侧64mm 有 2mm 的退刀槽，直径 d=64mm 设计（论文）专用纸 （2）段与大齿轮联接，b2=30mm，根据定位要求，取 l=83mm，左 侧有 4mm 的退刀槽，考虑定位轴肩，取 d=90mm （3）段与轴承联接，有定位轴肩，取 l=197mm，d=100mm， 左侧有 2mm 的退刀槽 （4）段与轴承挡圈配合，取 l=50mm，d=120mm （5）取 l=50mm （6）与旋转座联接，根据配合关系取 d=280mm，l=40mm 3 计算轴上载荷 由 22 /11.250.9811.48 f ttnm （1） 作用在齿轮上的力 3 2 2 22 11.48 10 66.58 344.86 t t fn d tan66.58 tan20 24.65 coscos10 3436“ tn r f fn tan66.58 tan10 3436“12.41 at ffn （2） 计算轴上载荷 设计（论文）专用纸 水平方向弯矩 竖直方向弯矩 总扭矩 由以上分析可知： 水平方向： m1=frl=66.5883=6191.94nmm 竖直方向： 设计（论文）专用纸 m2=m3-m4 m3= 2 12.41 344.86 2139.85 22 a f d nmm m4=（正负号代表方向） 2 12.41 344.86 2139.85 22 a f d nmm m2= m3-m4=4279.71nmm 从轴的结构可以看出，危险截面为齿轮所在的截面。 4、按弯扭合成校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。 由轴的材料为 45 钢回火，知许用弯曲应力，取，由公式： 1 60mpa0.6 22 22 1 3 6191.940.6 11.48 22.93 0.1 90 ca mt mpa w 有上可知：轴的强度符合设计要求。 2.4.4、键联接强度校核 一、主轴键的强度校核 1、选择键的类型及尺寸： 根据 d=90mm，b2=30mm，选用 a 型，bh=1610，l=25mm。 2、键的强度校核 键的工作长度，与轮毂键槽的接触高度10lmm0.55khmm 此处键、轴、轮毂的材料都是钢，取，110 p mpa 2 11.48tnm 33 2 2102 11.48 10 5.1 5 10 90 pp t mpa kld 可知键安全合格 二、电机轴强度校核 1、选择键的类型及尺寸： 根据 d=25mm，b1=35mm，选用 a 型，bh=108，l=20mm。 2、键的强度校核 设计（论文）专用纸 键的工作长度，与轮毂键槽的接触高度10lmm0.54khmm 此处键、轴、轮毂的材料都是钢，取，110 p mpa 1 11.71tnm 33 2 2102 11.71 10 22.94 4 10 25 pp t mpa kld 可知键安全合格 2.4.5、轴承的选择及计算 根据受力分析，主轴主要承受轴向向载荷 f，且载荷较小，故选用角接触球轴 承，轴承内圈在轴上可用轴肩或套筒作轴向定位，轴承外圈用轴承盖作轴向固定。 由于：d=100mm，可选轴承代号为 7020c 型， d=100mm，d=150mm，b=24mm。 机械手每分钟抓取次数 2 次，每天工作 8 小时，一年工作 300 天无冲击载荷寿 命为 8 年。得预期寿命为： 8 300 819200 h lh 轴承受力分析如下所示： 设计（论文）专用纸 （1） 轴承所受径向力、轴向力 r f a f ， 1 11.59 r fn 2 13.56 r fn （2） 当量动载荷， 1 p 2 p 已知，取， 3,1 t f 1.1 p f 对于 7020c 型轴承，轴承派生轴向力，其中 e 为判定系数，由确定， dr fef 0 a f c 由于轴向力未知，初选 e=0.4，进行估算： a f 11 0.40.4 11.594.64 dr ffn ， 22 0.40.4 13.565.42 dr ffn 得： 121 max,18005.421805.42 aaedd ffffn 212 max,1795.36 aaedd ffffn 由轴承手册知，得： 0 75000cn 设计（论文）专用纸 1 0 1805.42 0.0231 78000 a f c 2 0 1795.36 0.0231 78000 a f c 对结果进行差值计算：，。再计算： 1 0.0231e 2 0.0231e 11 0.02310.0231 11.590.26 dr ffn 22 0.02310.0231 13.560.31 dr ffn 121 max,18005.421805.42 aaedd ffffn 212 max,1795.36 aaedd ffffn 由上可知计算结果不变，因此确定， 。由于， 1 0.0231e 2 0.0231e ar ffe 得轴承 1 和轴承 2 的径向载荷系数和轴向载荷系数为： ， 12 0.39xx 12 1.43yy 由 pra pfxfyf 得： 1 1.1 (0.39 11.59 1.43 1805.42)2844.89pn 2 1.10.39 13.56 1.43 1795.362819.92pn 由于，所以按轴承 1 的受力验算： 12 pp 由公式： 6 1 10 60 h c l np 得：，所以所选轴承满足设计要求。 3 6 8 1078000 1.15 10 60 32844.89 hh lhl 设计（论文）专用纸 2.5 自制结构的设计 2.5.1 机械手手臂与机身的设计 手臂部件简称臂部或手臂是机械手的主要执行部分，其作用是支承手腕及抓取 机构（包括被抓取的工件或工具） ，有时其它一些装置如传动机构或驱动装置也安装 在手臂上。机身则直接支承和带动手臂部件，并实现手臂的回转、升降、俯仰等运 动。因此，手臂的送放运动越多，机身的结构和受力状况也越复杂。 设计手臂时应注意以下几个问题： 刚度是指手臂和机身在外力作用下抵抗变形的能力。由于机械手的手臂一般都 要悬伸（水平或垂直悬伸） ，因而手臂和机身的刚度十分重要。手臂的悬伸量越大， 刚度就越差，而且刚度随悬伸距离的变化而不断变化，因而悬伸量对机械手的运动 性能、位置精度和负荷能力都有很大的影响。为了提高手臂的刚度，除了尽量缩短 手臂的悬身量外，还应合理的选择使手臂抗弯抗扭能力强的手臂截面形状，并合理 的确定手臂的臂厚和材质，以及合理的布置受力构件的位置和方向。 机械手的精度最终反映在手部的位置精度上，在很大程度上取决于手臂和机身 的精度的因素较多，主要有本体的刚度、手部、腕部与手臂的连接刚度，以及手臂 和机身运动的导向装置和定位装置的精度等。 手臂和机身的质量较大，其运动速度和负荷也较大，因而产生的冲击和振动也 较大。因此，他们的工作平稳性十分重要，将直接影响到机械手的工作质量和寿命， 在设计时应予以足够的重视。设计时除了力求结构合理、紧凑、重量轻、惯性小外， 还应采取有效的缓冲措施，以便吸收冲击能量，提高机械手的工作平稳性。 对于一些在特殊条件下工作的机械手，设计时应满足其它特殊的要求。例如， 在高温环境下工作时， 应考虑热辐射的影响；在腐蚀介质环境下工作时，应考虑防 腐蚀措施；在多用途作业环境下工作时，应考虑控制、检测、维修方便等等。 2.5.2 手臂和机身的配置形式 手臂和机身的配置形式反映了机械手的总体布置形式，主要取决于机械手的工 设计（论文）专用纸 作要求、运动形式和作业环境，大致上归纳以下几种： 1立柱式 这种配置形式适合于回转型、俯仰型或曲伸型机械手，因而是一种最常见的配 置形式。这种配置形式的手臂可以在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围大 的特点。立柱可以安装在生产线上，为一台机床服务，也可以在其上装行走装置， 为多台机床服务。如图 3-2（a）所示，立柱式配置形式的机械手可以做成单臂的， 也可以做成双臂的。后者通过两臂同时升降、交臂伸缩，实现一手上料、一手下料， 使结构简单紧凑。 2机座式 机座式配置形式如图 3-2（b）所示，机身设计成机座的形式，独立自成系统， 便于安装和搬动。也可以在机座上增设行走装置，使机座能在地面专用轨道上移动。 这种配置形式的手臂装在机座的顶端，适合与回转型或俯仰型机械手。这种配置形 式的机械手也可以做成双臂或多臂的，以便同时为几台机床服务。 3屈伸式 屈伸式配置形式如图 3-2（c）所示，小臂相对大臂可以作屈伸运动，大臂又可 相对于机身作回转和俯仰运动。因此，手臂夹持中心的运动轨迹为一空间曲线。这 种配置形式能有效的利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件，但使机械手的结 构复杂。 4悬挂式 悬挂式配置形式如图 3-2（d）所示，机身设有横梁，用于悬挂手臂，这种配置 形式主要用于直角坐标式机械手。横梁可设计成固定的，也可设计成移动的。一般 情况下，衡量可安放在厂房原有的建筑物上。 设计（论文）专用纸 图 3-2 手臂和机座的配置形式 2.5.3 手臂的结构 机械手的手臂包括臂杆、传动装置、驱动装置、导向装置、定位装置、支承连 接装置及检测装置等。 机械手手臂的伸缩、升降和移动（横向或纵向）均属于直线运动。实现手臂的 往复直线运动的机构较多，常用的有液压缸直动机构、汽缸机构、齿轮齿条机构、 丝杠螺母机构，以及活塞连杆组合机构等。由于液压缸直动机构具有体积小、重量 轻、可集中控制、反向运动灵活等优点，因而应用最为普遍。 本次设计采用屈伸式，和液压缸驱动装置。 2.5.3 手抓的结构设计 手抓部分只有两个动作：抓取、卸载物件。 抓取目标 设计（论文）专用纸 送放运动是机械手或机器人最主要的运动，包括手臂、手腕和行走装置的运动， 但不包括机械手或机器人手抓抓取物体的运动。因为抓取运动只有抓取功能，不能 改变被抓物体的位置和方向，因而不是送放运动。送放运动又可分为主运动和辅助 运动两部分，手臂的运动为主运动，手腕的运动和整机的行走运动为辅助运动。主 运动决定送放运动的空间范围的形状和性质，辅助运动可扩大送放范围或改变被送 放物体在空间的方位。 送放范围 机械手或机器人将被抓取的物体（工件或工具）送放到某一位置，其所能达到 的空间范围称为机械手或机器人的送放范围。当送放位置为一点时，称为点位送放； 当送放位置在一个确定的表面内时，这样的送放范围称为体位送放。点位送放、面 位送放、体位送放均由主运动的运动形式、自由度数及组合来决定。 送放图形 送放范围可用送放图形（送放运动的轨迹或空间的形状及大小）来描述。 点位送放的送放位置为确定的点，其主运动只有一个自由度。其运动形式为直 线运动时，送放图形为一直线；为回转运动时，送放图形为一圆狐；为复合运动时， 送放图形为一空间曲线。 面位送放，其送放图形为一确定的表面，由两个参变量决定，故主运动需要两 个自由度。送放图形有三种不同的情况：两个直线运动组合时，送放图形为一矩形； 两个回转运动组合时，送放图形为一组合面圆弧面；一个直线和一个回转运动组合 时，送放图形为一扇形面（如手臂伸缩和手臂回转组合）或圆柱面（如手臂升降和 手臂回转组合） 。 体位送放，其送放图形为一个确定的空间体，主运动有三个自由度。其图形也 有几种不同的情况：三个直线运动组合时，送放图形为一空间立方体；两个直线运 动和一个回转运动组合时，送放图形为为一空间圆柱体；三个回转运动组合时，送 放图形为空间球体或多球体。 送放运动的自由度 设计（论文）专用纸 送放运动具有的独立运动参数的数目，即送放运动的自由度，亦即机械手或机 器人的自由度。它等于主运动自由度和辅助运动自由度数之和。一般情况下，主运 动有 13 个自由度：当主运动有 1 个自由度时，送放图形为点位图形；当主运动有 2 个自由