数控机床上下料机械手设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计（论文）任务书 机械设计制造及其自动化专业 1204班 学生： 毕业设计（论文）题目：数控机床上下料机械手设计 毕业设计（论文）内容： 机械手的结构为关节型；分析数控机床的工作要求，简述机器手的工作流程，对机器末端执行器的工作空间进行分析；设计机械结构，选择控制器和电动机，完成装配图设计和主要零件图设计，验证主要零件的强度和刚度。主要技术指标： 5 个自由度，垂直关节，额定负载 5大活动半径 1200 毕业设计（论文）专题部分： （ 1）数控机床上下料机械手的结构原理和工作要 求分析。 （ 2）机器手末端执行器的工作空间分析。 （ 3）机械结构设计，完成装配图和主要零件图。 （ 4）验证主要零件的强度和刚度 （ 5）选择控制器、伺服电动机、驱动器，设计连接电路图。 起止时间： 导教师： 签字 年 月 日 2 本科毕业设计 题 目： 数控机床上下料机械手设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 论文答辩日期： 2016 年 6 月 8 日 2 摘要 通过大学本科四年对机械设计制造及其自动化专业的所学知识进行整理，对工业机器人各部分机械结构设计和功能的论述和分析，设计了一种的用于机床上下料的机械手。 本设计的主要内容是 5R 关节型机械手的结构设计，上下料机械手的主要任务是在各个加工工序的数控机床和自动生产线上运送工件，能实现生产工序上下料自动化。针对各个关节处采用独立的电机驱动。各个操作臂由五个转动副串联而成，操作臂包括基座、腰部、手臂、腕部、手爪。并对各关节的伺服电机的选择和传动进行了设计计算，对进行主要零件校核计算。 关键词 : 关节型 ; 机 械手 ; 多自由度 of to of of a of is R of NC in of to of a by of in of of 目 录 第一章引言 . 1 题背景 . 1 械手的发展动态 . 2 械手的分类 . 3 题研究的意义 . 4 第二章机械手结构原理和工作要求分析 . 5 械手结构原理及工 作要求 . 5 械手机构运动分析 . 6 械手上下料工作空间轨迹分析 . 8 第三章机械手各结构设计 . 10 爪的结构设计 . 10 爪的设计要求 . 10 爪的分类 . 10 爪结构的确定 . 10 腕的结构设计 . 11 腕的设计要求 . 11 腕的结构确定 . 11 臂的结构设计 . 11 臂的设计要求 . 12 、小手臂的结构 . 12 臂结构形式的确定 . 12 座结构的设计 . 13 座结构的设计要求 . 13 臂后箱体结构设计 . 13 杆结构设计 . 13 第四章机械手关键轴的校核 . 14 部输入轴的结构 . 14 部输入轴的校核 . 15 第五章机械手动力参数的计算 . 17 服电机的选型 . 17 步估计机械手的质量 . 17 算各个轴的转速和转矩 . 18 算伺服电机的功率 . 20 齿轮设计 . 21 轮精度、材料 . 21 齿面接触疲劳强度校核 . 21 齿根弯曲强度设计 . 22 齿轮参数计算 . 23 步带轮的设计 . 23 步齿形带传动计算 . 23 轮几何尺寸的计算 . 25 速器的设计 . 26 速器减速比的计算 . 26 速器输出轴径的计算 . 27 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢 3 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 本科毕业设计 题 目： 数控机床上下料机械手设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 6 月 1 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 8 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 毕业设计（论文）任务书 机械设计制造及其自动化专业 1204 班 学生： 毕业设计 （论文）题目：数控机床上下料机械手设计 毕业设计（论文）内容： 机械手的结构为关节型；分析数控机床的工作要求，简述机器手的工作流程，对机器末端执行器的工作空间进行分析；设计机械结构，选择控制器和电动机，完成装配图设计和主要零件图设计，验证主要零件的强度和刚度。主要技术指标： 5 个自由度，垂直关节，额定负载 5大活动半径 1200 毕业设计（论文）专题部分： （ 1）数控机床上下料机械手的结构原理和工作要求分析。 （ 2）机器手末端执行器的工作空间分析。 （ 3）机械结构设计，完成装配图和主要零件图 。 （ 4）验证主要零件的强度和刚度 （ 5）选择控制器、伺服电动机、驱动器，设计连接电路图。 起止时间： 导教师： 签字 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 摘要 通过大学本科四年对机械设计制造及其自动化专业的所学知识进行整理，对工业机器人各部分机械结构设计和功能的论述和分析，设计了一种的用于机床上下料的机械手。 本设计的主要内容是 5R 关节型机械手的结构设计，上下料机械手的主要任务是在各个加工工序的数控机床和自动生产线上运送工件，能 实现生产工序上下料自动化。针对各个关节处采用独立的电机驱动。各个操作臂由五个转动副串联而成，操作臂包括基座、腰部、手臂、腕部、手爪。并对各关节的伺服电机的选择和传动进行了设计计算，对进行主要零件校核计算。 关键词 : 关节型 ; 机械手 ; 多自由度 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 of to of of a of is R of NC in of to of a by of in of of 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 第一章引言 . 1 题背景 . 1 械手的发展动态 . 2 械手的分类 . 3 题研究的意义 . 4 第二章机械手结构原理和工作要求分析 . 5 械手结构原理及工作要求 . 5 械手机构运动分析 . 6 械手上下料工作空间轨迹分析 . 8 第三章机械 手各结构设计 . 10 爪的结构设计 . 10 爪的设计要求 . 10 爪的分类 . 10 爪结构的确定 . 10 腕的结构设计 . 11 腕的设计要求 . 11 腕的结构确定 . 11 臂的结构设计 . 11 臂的设计要求 . 12 、小手臂的结构 . 12 臂结构形式的确定 . 12 座结构的设计 . 13 座结构的设计要求 . 13 臂后箱体结构设计 . 13 杆结构设计 . 13 第四章机械手关键轴的校核 . 14 部输入轴的结构 . 14 部输入轴的校核 . 15 第五章机械手动力参数的计算 . 17 服电机的选型 . 17 步估计机械手的质量 . 17 算各个轴的转速和转矩 . 18 算伺服电机的 功率 . 20 齿轮设计 . 21 轮精度、材料 . 21 齿面接触疲劳强度校核 . 21 齿根弯曲强度设计 . 22 齿轮参数计算 . 23 步带轮的设计 . 23 步齿形带传动计算 . 23 轮几何尺寸的计算 . 25 速器的设计 . 26 速器减速比的计算 . 26 速器输出轴径的计算 . 27 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 1 第一章 引言 题背景 工业机器人是一种新兴的机电一体化生产的工具之一，属于现代化、自动化装备包括机械制造、人工智能、计算机技术、控制、传感器等多种学科的先进技术。由于工业机械手具有各种特性和优点，可以更好的服务于我们的学习和生活。被广泛运用与生物科技和生产制造以及医学技术上等。 美国的科学家曾对传统观念上的机器人进 行了更深的解读，突破了传统，打破了就观念，提出了机器人不应该仅仅局限于模仿人的形状，只要是可以控制并能够代替人类完成我们生产、生活所需工作即可。随着科技技术的进步，在实际生产制造和我们日常生活中，能简单代替人工完成工作的机器人已经满足不了人类的需求，现代的机器人的发展成为一种拥有人类敏捷反应、分析判断能力和机器本身可在恶劣环境中保持高精度并持续工作的特长于一身的电子机械装置。因为现代社会的迅速发展，现代机器人在制作业中运用越来越广泛，与此同时研发出来了各种机器人应用于除制造业以外的各行各业，例如服务型机器人 、农业机器人、水下探测机器人、医疗应用机器人、军事机器人等等。工业机器人是机器人在工业生产中的运用尤为重要，尤其是可在高温高压、多粉多尘、易燃易爆、放射性等恶劣环境以及笨重单调、操作频繁中代替人类完成工作，如电焊、氩弧焊、装配、搬运、上下料、激光加工等等，对提高生产效率、保证产品质量、改善工作环境起到了重要的作用，所以得到人类日益的青睐。而多自由度关节型机械手是工业机器人的一个重要部分，通常由执行机构、驱动和控制系统以及传感器装置构成，是模仿人类手部进行工作的，可以按照给定的程序进行自动控制，可以完成可重复 的动作，可以在三维空间实现自动抓取、搬运等各种动作。本设计正是研究工业上下料多自由度关节型机械手。 械手的发展动态 随着科技的不断进步发展，机械手的性能也不断升级，从可以重复指定动作发展到可以通过运用传感技术对某些外面的信息进行反馈调节的感觉型机械手，再到可以沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 2 像人一样根据理解与感知进行判断不同环境的变化，并且可以顺利完成任务的智能机器人。这个发展的过程标志着人类文明的不断进步和发展，现在智能机器人仍然处于实验研究的阶段。 机器人诞生于美国，并且美国的机器人技术在机器人发展中一直保持着世界领先水平。 1958 年美国研制出第一台机械手。但在 1967这个时间段美国的机器人技术发展处于初级阶段，这是因为机器人适应性差以及造价非常昂贵以及政府并不是太重视机器人的发展，最后导致美国机器人的发展比较缓慢。随着科技的发展，为了迎合市场的多变性以及高效的生产，美国的各个部门开始重视机器人的发展，研发出了比较自动化的机器人，并且主动的推广机器人技术。 德国是从 1970 年开始应用的机械手。重点用于在运输货物、上下料、焊接等工作。日本、瑞士等国也开始重视机械手的研究。尤其是日本，日本的机器人发展过程主要分为三个阶 段，（ 1） 20 世纪 60 年代萌芽期，（ 2） 70 年代的实际应用阶段（ 3）80 年代的推广和提高阶段。日本首先引进美国的机器人，后来美国与日本达成了技术合作协议，引进了日本的机器人，在短短的几年时间里日本在机器人这一领域发生了巨大的反转，实现了真正的国产化。 工业机器人发展得很快，发展至今在国际上主要是欧系和日系的机器人占主导地位。欧系中主要有瑞典的 国的 司等，日系中主要包括不二越、川崎、安川、松下、 司等，这些公司的产品都比较先进。 从 20 世纪 70 年代开始，我国机器人的发展 大概包括一下三个阶段：第一阶段为70 年代的摇篮期，我国在 1972 年开始研发自己的产品，在 1980 年制作出来第一台机器人的样机。第二阶段为 80 年代的发展期，在改革开放的影响下，随着高新技术的不断发展以及国家对科技研究的大力支持，我国的机器人技术受到了社会各界的大力支持和高度的关注。第三阶段为 90 年代的适用期，在我们国家经济等各个方面的不断发展以及在高新技术的大力冲击下，我国工业机器人的研发有了质的飞跃，通过不断地实践操作研制出了适用于上下料、搬运、装配、装卸等各种工业机器人。 我国工业机器人发展事件 年代 事件 1980 研制成中国第一台工业机器人样机 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 3 年代 事件 1985 中国第一台水下机器人“海人一号” 1986 中国第一台下水机器人深海实验成功 1988 中国第一台中型 水下机器人投入使用 1989 水下机器人首次出口于美国 1990 中国第一台通用工业机器人控制器研制成功 1992 第一次运用于柔性制造 1993 中国唯一的国家工程研究中心成立主要用于研究机器人技术 1994 中国第一台高压水切割机器人投入使用（ 5R） 1994 中国第一台 1000 米水下机器人 海试成功 1995 中国第一台点焊机器人开发成功（ 4R） 1995 自主开发 术出口韩国 1995 中国第一台 6000 米水下机器人海试成功（ 1997 自主版权的高性能机器人控制器批量生产 1997 自主开发的冲压自动化线用于一汽大众生产线 1998 中国第一台激光加工机 器人研发成功 械手的分类 机械手一般分为三类：（ 1）无需人工参与操作的一般机械手。是一种独立的、不需要依附属于主机的装置。根据编制程序来完成各项规定的操作。它的优点是具有普通的机械性能以外，同时还具有普通机械、拥有智能记忆的三元机械。（ 2）需要人工参与操作的，叫做操作机。起源于与军事有关的工业，首先通过操作机来完成特定的工作，然后发展到用无线电信号操作机来进行探测工作等。在工业中用的锻造 操作机也属于这一范围。（ 3）是用专用机械手，主要依属于数控机床或生产线上，用来解决数控机床上下料和工件配送。 为附属的主机服务的，并由主机进行驱动；其工作程序通常是固定的，所以是专用的。本次设计的机械手就属于第三类机械手。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 4 题研究的意义 工业机器人开始运用于汽车制造业中，充分发挥人的各个功能，代替人完成坏境恶劣的工作，以及人类无法完成的工作，但目前，在国内工业生产整体的自动化程度相对较差，工件上下料生产线的自动化技术水平低下是主要原因之一。我国的很多工业企业生产的工件是由人手工完成的，再生产过程中存在相当大的安全隐患，其生产效率也较低，而且成本费用很高，原材料的消耗也大，对企业的发展和进步都有巨大的 影响。对于生产设备自动化程度较高的工业车间，研发一套较好的自动生产线可以有效的提高企业的生产效率，上下料的搬运关节型机械手是自动化生产线开发的核心组成部分，本文就主要对自动生产线中上下料的机械手进行设计和研究，其流程图如下： 图 下料流程图 该设计对提高生产效率，改善产品质量，提高原材料的利用率，避免工人出现安全隐患具有深远的意义。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 5 第二章 机械手结构原理和工作要求分析 械手结构原理及工作要求 该设计的机械手在满足工作任务要求的前提下还要保证机械手爪可以精确的到达指定位置。在运送工件的过程中需要保证运动的灵活性和连续性 ，所以在设计时需要减轻重量、减少自身体积，简化传动装置但要保证传动的稳定性。本文设计的关节型机械手在上下料工作中主要技术参数： 自由度数目： 5 个 坐标形式：垂直关节型 额定载荷： 5大活动半径： 1200据主要技术参数和通过查阅相关的资料进行分析研究，本设计采用 5R 关节型的结构， 其结构原理简图如下： 图 节型机械手的结构原理简图 该关节型机械手由五部分组成。分别为基座、大 臂、小臂、腕部、手爪。各部分的驱动方式如下： （ 1） 基座回转的腰关节：由安装在基座内的电机带动整个机械手作 360 度的旋转运沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 6 动。 （ 2） 大臂回转的肩关节：由伺服交流电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的结构绕肩关节作旋转运动，即产生俯仰运动。 （ 3） 小臂回转的肘关节：由伺服交流电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的整体作旋转运动，即产生俯仰运动。 （ 4） 腕部腕关节的旋转运动：由腕内部的伺服电机带动机械手作旋转运动，即回转运动。 （ 5）腕部腕关节的上下运动：由腕内部的交流伺服电机带动腕整体作旋转运动，即 俯仰运动。 该关节型机械手的 5 个自由度，分别为：底座作 360 度的旋转运动；大臂的旋转 运动（左右运动）；小臂的旋转运动（上下运动）；腕部的回转运动（手爪转动）；腕 部的上下运动。 械手机构运动分析 5 个转动副串联成的，一端固定在基座上，另一端装有抓取工件用的机械手爪。通过驱动器来驱动各个关节运动使机械手按照提前设定的运动轨迹实现上下料运动。 机械手的机构组成有 5 个连杆和 5 个转动关节，各个连接杆件包括腰部、大小手臂、腕部、手爪。假设腰部为 1 个连杆、大小手臂 分别为 2、 3 连杆，腕部为 4 连杆，手爪为 5 连杆，基座不看做连杆，假设为 0 连杆，其中关节 2、关节 3、关节 4 可以使其机械手的工作空间形成灵活空间。 1 关节连接 1连杆于基座 0,2 关节连接 2 连杆于 1 连杆， 3 关节连接 3 连杆于 2 连杆， 4 关节连接 4 连杆与 3 连杆， 5 关节连接 5连杆与 4 连杆。机械手初位图如下： 图 械手的初位图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 7 在机械手上建立各个坐标系分别与各连杆固定连接，如下图所示： 图 各连杆固定连接空间坐标系 图 i 为绕 转时22 、分别为 1 连杆 、 2 连杆和 3 连杆的长度。根据图中对机械手的建立的各坐标系进行分析得出各关节变量和各参数如下表所示。 表 械手连杆参数和关节变量 i(关节数） 1i i关节变化范围 1 0 0 0 1 180180 2 0 90 2d 2 9090 3 2a 0 0 3 1800 4 3a0 0 4 18090 5 0 90 0 5 180180 表中：11i x i 到的距离单位为毫米； 11i x i 到的角度单位为度； 方向测量的i 到的距离单位为毫米； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 8 轴旋转的i 到的角度单位为度。 第 1、 2 和 3 关节主要用来确定机械手的末端执行器在空间的位置，关节 4、 5组成手腕机构用来确定末端执行器的姿态。 械手上下料工作空间轨迹分析 在机械手完成上下料的任务之前，要根据技术标准对机械手 的操作步骤、运动轨迹进行预期估计，要考虑到生产现场的实际工作情况，比如有时需要躲避障碍物等。按照工业机械手的作业方式可分为点位走也机械手和路径连续运动机械手， 5R 关节型机械手实现上下料的运动属于点到点的运动，所以需要描述出机械手末端执行器的起始位置姿态和目标位置和姿态。 本次设计选在直角坐标系中先确定机械手运动轨迹的方程，在将直角坐标轨迹转换成关节空间中各关节的运动轨迹，并在空间中用曲线拟定运动曲线。在这其中需要保证机械手运动的平稳性。上下料空间工作路径如图 下料空间工作路径图 机械手各杆的结构尺寸由工作空间确定，本设计确定的五自由度关节型机器人的 具体结构和主要尺寸如图 示 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 9 图 械手的主要尺寸沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 10 第三章 机械手各关节结构的设计 爪的结构设计 爪的设计要求 因为要完成上下料的工作，所以手爪的手指间要张开一定的角度；要保持夹持位置的精度；可以保证工件的准确定位；满足一定的刚度和强度；满足上下料要求的夹持力；在满足上述要求的同时应使机械手手爪的结构相对简单、紧凑、 重量较轻，这样可以减轻手臂的载荷 。 爪的分类 按不同的原理，可分为多种类型的手爪：机械手爪、磁力吸盘、真空式吸盘。 爪结构形式的确定 图 械手爪结构简图 手爪的结构形式与质量主要取决与工件的形状与质量。本次采用的机械手爪如图为气动式 V 字型手爪。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 11 腕的结构设计 械手腕设计的要求 手腕的设计要求：由于腕部位置在手臂的末端，所以为了减轻手臂的负荷，应该尽量让腕部有结构紧凑的部 件，尽量减少其重量与体积；合理的选择腕部的自由度数；提高腕部的精度与传动的刚度，减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差。 该机械手的腕部结构采用两自由度，分别为手爪的转动与腕关节的摆动，从而满足上下料作业时的工作空间要求。将腕关节的驱动电机放置在小臂内可以使腕部的结构简单紧凑。通过传动机构带动腕部结构绕腕关节轴实现摆动。 腕结构形式的确定 图 腕内部结构图 如图夹持臂通过伺服电机为动力绕自身旋转，伺服电机带动同步 齿形带转动，然后通过多级锥齿轮带动夹持臂的转动。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 12 臂的结构设计 臂的设计要求 臂部的设计要求：（ 1）臂部的结构和尺寸应该满足设计任务所需要的工作空间要求；（ 2）根据手臂所受额定载荷，较合理的通过手臂的截面形状选择强度高、质量轻的材料；（ 3）为了减少驱动装置的负荷，应尽量减少手臂重量和相对其关节回转轴的力矩与转动惯量；（ 4）为了提高运动速度，应减少运转的冲击和动载荷；（ 5)为了提高运动精度和刚度，定位精度，应减少间隙引起的运动误差。 本设计机械手的大臂与小臂的结构采用两自由度，分别为大 臂与小臂的两个俯仰自由度，从而满足上下料搬运作业时所要求的空间任务。考虑到其性能参数和需要完成的任务要求本设计选用铝合金材料。考虑转矩、惯性和平衡性要求，为了实现机械手大臂与小臂围绕各自关节的俯仰运动，将各关节驱动源分别放在前一关节处，这样就能通过传动装置带动大、小臂绕各自关节轴实现转动。 、小手臂的结构 机械手臂包括以下几部分结构：臂杆、传动装置、驱动装置、定位装置连接装置及检测装置。按其运动形式分为： 手臂俯仰运动机构 机械手的俯仰运动可通过液压缸和连杆组合来达到目的，也可以直接通 过电机驱动大臂作俯仰运动。 臂结构形式的确定 图 臂的内部结构图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 13 小臂的作用是连接大臂与腕关节，也是使腕关节实现摆动的重要零件。可以将驱动腕关节作回转运动与俯仰运动的两个伺服电机安装在小臂内部。从而达到运动目的。 座结构的设计 座结构的设计要求 基座设计的要求：由于基座承受着机械手的全部重量，运动部分全安装在基座，所以要求有足够大的安装基面，保证搬运工作时的整体稳定性；要有足够高的强度和刚度保证其承载能力。其材料选用铸铁或铸钢材料制成。 臂后箱体结构的设计 小臂后箱体的作用：一方面起连接大臂与小臂的作用，另一方面安装在小臂后箱体内部的伺服电机驱动小臂绕自身轴作旋转运动。 小臂后箱体结构形式的确定： 图 臂后箱体结构图 杆结构的设计 连杆的作用：一方面起连接大臂与小臂的作用，另一方面能够使小臂的运动范围沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 14 更大，转动的更加灵活。 连杆结构形式的确定： 图 接杆件的结构简图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 15 第四章 机械手关键轴的校核 部输入轴的结构 初步确定于从动轮相连接的轴的直径，由公式： 30 选择其轴的材料腕为 45钢，经过调质处理，查表知0A=112。 将 P= =n=3000r/带入上式，得 选取 0 ； 输入轴轴的结构设计如图 部输入轴的校核 带轮传递给轴的的扭转力矩为： 549 （ 4 力矩 和 /F 传送的，应有 /()2 （ 4 / 2 329 （ 4 已知： / 2 5 N 求得 F=， F=12 N 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 16 齿轮法向力 nF=5N。 （ 4 X 轴简化后，在轴线上的横向力F、 /F 引起变形，然后分解成 X、 Y 轴的分量，结果如下： /c o s 2 0 4 2 . 2t a n 2 0 c o s 4 5 1 0 . 9t a n 2 0 s i n 4 5 1 0 . 9c o s 1 . 9 c o s 2 . 5 2 5 . 7 8s i n 1 . 9 s i n 2 . 5 0 . 9 3 F F F F N 做扭矩图如下 ,可判定危险 截面为 B，见下图： 在截面 矩 分别为 ： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 17 220 . 9 50 . 5 7 N 与第三强度理论进行校核，得 222235 7 0 ( 0 . 6 9 5 0 )1 ( ) 4 . 6 7 ( )0 . 1 1 2 T M P a 材料为 45 钢，经过调质处理，由手册可查 1 60M P a ，根据 1 ，故安全。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 18 第五章 机械手动力参数的计算 服电机的选型 相对于工业机械手这种机电一体化的产品来说，伺 服系统是非常重要的。要求伺服系统具有较快的速度，较高的准确性和稳定性，即输出量准确可以迅速的响应指令输入量的变化。按照控制原理可分为开环、半闭环、闭环三大类。开环伺服系统的执行元件大多采用步进电机，闭环伺服系统的大多元件采用直流伺服电机和交流伺服电机。虽然两者在控制方式上都是以脉冲串和方向信号来控制，但是在运用性能和应用场合上并不相同。第一，控制精度不同。交流伺服电机的控制精度是步距角为 步进电机的脉冲当量的 1/655，控制精度更高；第二，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电 机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000 3000内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出；第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力；第五，运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象 ，交流伺服驱动系统为闭环控制控制性能更为可靠；第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200 400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 00W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 总结上述材料，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。而本次设计的机械手要求运行精度高，运转平稳，恒定功率输出，有较强的过载能力，速度响应快，所以选用交流伺服电机作为驱动源。 步估计机械手的质量 计算各 部分体积与质量 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 19 机械手的材料为铝合金，密度为 310 3m V(基 座 )=V（底座） +V（圆柱 1） +V(线盒 )=310 3m V（回转头） = V（底 2） +V（ 圆柱 2） = 222 2 2l h d=310 3m M (回转头 )=310 310 =(下臂 )=(=310 3m M (下臂 )= 310 310 =(上臂后箱体 )= + 0 7 =310 +310 =310 3m M （上臂后箱体） = (上臂 )= =310 3m V(减速器 )= 2=( =310 3m M (减速器 )= 、 S、 1M=7 2M=3T、 3M=机械手质量 M = M (机座 )+ M （回转头） + M （下臂） + M （上臂后箱体） + M（上臂） +M （电机） +M （减速器） =阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 20 算各个轴的转速和转矩 转速与角速度之间关系为： n=602 w（ 5 由 5各轴转速： 2 2 2 2 2 2 轴的转矩： 11 1 . 2U U L G L （ 5 =(7 ( 中 G 为物体重量，1 轴距离，1 1 f T （ 5 = 1 . 2G u r G l =(7 ( 中轴摩擦力矩，u 为摩擦系数， l 为重物重心到手腕水平轴线的距离。 1 L （ 5 =7 阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 21 =中轴的距离。 11 1 f T （ 5 =中1 (7 T=7 ( ( 算伺服电机的功率 功率计算公式为： P T W （ 5 R R W=P= P = P =T P= P = 服电机采用安川电机，根据下表选取 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 22 U 轴采用 轴采用 轴采用 轴采用 轴采用 轴采用 其相应配套伺服驱动器型号 U 轴 机选用 轴机选用 轴 机选用 轴机选用 轴 机选用 轴机选用 齿轮设计 轮精度、材料 机械手运行要求平稳而且有的地方转速较高，所以选用 6 级精度，主动轮采用40过调质 )，硬度为 280 动轮材料为 45 钢 (经过调质 )，硬度为 240 者材料的硬度差为 40 齿面接触疲劳强度校核 由设计计算公式进行 计算： 2 131 22 . 9 2 ( ) ( 1 0 . 5 ) Td u （ 5 计算 各式中未知量的数值： （ 1） H li S （ 5 通过机械手册可知主动轮与从动轮的疲劳极限分别为： 1H=540 2H=517 2）弹性影响系数： 1 21 8 9 . 8 P a沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 23 （ 3）计算载荷系数 K 由公式 a（ 5 得 K= 4）齿宽系数R取 1/3 （ 5）主动轮传递的转矩 : 59 5 . 5 1 0 / 1 1 2 . 3T P n N 齿 轮综上可求得：1 m m初取1d=40 6）校核，由公式： 1 2315 ( 1 0 . 5 ) （ 5 求得： 2 3 7 . 5P ， 符合要求。 齿根弯曲强度设计 由计算公式进行计算： 13 2 2 214(1 0 . 5 ) 1S a F （ 5 计算式中各未知量的数值： （ 1）计算弯曲疲劳应力 F： F N F S （ 5 查机械设计手册可得主动轮与从动轮的接触许用应力分别为： 1F=2F= 2）求主从动轮的齿形系数和应力校正系数： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 24 将以上数值带入，可得： m= m= 3）校核： 由公式： (1 0 . 5 )t F a S Y （ 5 得 1 7 . 4 6 a 3 1 0 . 7 M P P ，符合要求。 齿轮参数计算 选择齿形角 =20； 齿顶高系数 * 1； 顶隙系数 * ； 端面模数 m= 齿数比为 1： 1； 设小齿轮的齿数1 16Z ，变位齿数120，120； 分锥角为 45； 小齿轮的分度圆直径： 11d 6 40 （ 5 大齿轮的分度圆直径： 22 2 . 5 1 6 4 0d m z 齿宽系数 13R ； 齿宽： （ 5 齿顶高： *1 2 1( ) 2 . 5a a ah h h x m （ 5 齿根高： 1 2 1 2 5 . 5 2 . 5f f a ah h h h h h =3 （ 5 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 25 齿顶圆直径： 1 2 1 1 12 c o s 4 0 2 2 . 5 c o s 4 5a a ad d d h = （ 5 步带轮的设计 步齿形带传动计算 计算功率： 1 K 通过机械设计手册表 8取 ，由表 8 0； 模数：根据1取 m= 小带轮齿数：由表 8取1 16Z ； 小带轮节圆直径： 1d =m 1z =16=24带轮齿数： 21 1 . 4 9 1 6 2 3Z i Z （ 5 大带轮节圆直径： 2d =m 2z =23=35定中心距：0a=200 初定胶带节线长度及其齿数： 2210 1 20()2 ( )24a d （ 5( 3 5 2 4 )2 2 0 0 ( 2 4 3 5 )2 4 2 0 0 =表 8取接近： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 26 2210 1 20()2 ( )24a d （ 5 ； 110Z ； 计算中心距： 0 2P O （ 5 =2 沈阳化工大学科亚学院 本科毕业设计 题 目： 数控机床上下料机械手设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 6 月 1 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 8 日 毕业设计（论文）任务书 机械设计制造及其自动化专业 1204 班 学生： 毕业设计（论文）题目：数控机床上下料机械手设计 毕业设计（论文）内容： 机械手的结构为关节型；分析数控机床的工作要求，简述机器手的工作流程，对机器末端执行器的工作空间进行分析；设计机械结构，选择控制器和电动机，完成装配图设计和主要零件图设计，验证主要零件的强度和刚度。主要技术指标： 5 个自由度，垂直关节，额定负载 5大活动半径 1200 毕业设计（论文）专题部分： （ 1）数控机床上下料机械手的结构原理和工作要求分析。 （ 2）机器手末端执行器的工作空间分析。 （ 3）机械结构设计，完成 装配图和主要零件图。 （ 4）验证主要零件的强度和刚度 （ 5）选择控制器、伺服电动机、驱动器，设计连接电路图。 起止时间： 导教师： 签字 年 月 日 摘要 通过大学本科四年对机械设计制造及其自动化专业的所学知识进行整理，对工业机器人各部分机械结构设计和功能的论述和分析，设计了一种的用于机床上下料的机械手。 本设计的主要内容是 5R 关节型机械手的结构设计，上下料机械手的主要任务是在各个加工工序的数控机床和自动生 产线上运送工件，能实现生产工序上下料自动化。针对各个关节处采用独立的电机驱动。各个操作臂由五个转动副串联而成，操作臂包括基座、腰部、手臂、腕部、手爪。并对各关节的伺服电机的选择和传动进行了设计计算，对进行主要零件校核计算。 关键词 : 关节型 ; 机械手 ; 多自由度 of to of of a of is R of NC in of to of a by of in of of 目 录 第一章引言 . 1 题背景 . 1 械手的发展动态 . 2 械手的分类 . 3 题研究的意义 . 4 第二章机械手结构原理和工作要求分析 . 5 械手结构原理及工作要求 . 5 械手机构运动分析 . 6 械手上下料工作空间轨迹分析 . 8 第 三章机械手各结构设计 . 10 爪的结构设计 . 10 爪的设计要求 . 10 爪的分类 . 10 爪结构的确定 . 10 腕的结构设计 . 11 腕的设计要求 . 11 腕的结构确定 . 11 臂的结构设计 . 11 臂的设计要求 . 12 、小手臂的结构 . 12 臂结构形式的确定 . 12 座结构的设计 . 13 座结构的设计要求 . 13 臂后箱体结构设计 . 13 杆结构设计 . 13 第四章机械手关键轴的校核 . 14 部输入轴的结构 . 14 部输入轴的校核 . 15 第五章机械手动力参数的计算 . 17 服电机的选型 . 17 步估计机械手的质量 . 17 算各个轴的转速和转矩 . 18 算伺 服电机的功率 . 20 齿轮设计 . 21 轮精度、材料 . 21 齿面接触疲劳强度校核 . 21 齿根弯曲强度设计 . 22 齿轮参数计算 . 23 步带轮的设计 . 23 步齿形带传动计算 . 23 轮几何尺寸的计算 . 25 速器的设计 . 26 速器减速比的计算 . 26 速器输出轴径的计算 . 27 结论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 1 第一章 引言 题背景 工业机器人是一种新兴的机电一体化生产的工具之一，属于现代化、自动化装备包括机械制造、人工智能、计算机技术、控制、传感器等多种学科的先进技术。由于工业机械手具有各种特性和优点，可以更好的服务于我们的学习和生活。被广泛运用与生物科技和生产制造以及医学技术上等。 美国的科学家曾对传统观念上的 机器人进行了更深的解读，突破了传统，打破了就观念，提出了机器人不应该仅仅局限于模仿人的形状，只要是可以控制并能够代替人类完成我们生产、生活所需工作即可。随着科技技术的进步，在实际生产制造和我们日常生活中，能简单代替人工完成工作的机器人已经满足不了人类的需求，现代的机器人的发展成为一种拥有人类敏捷反应、分析判断能力和机器本身可在恶劣环境中保持高精度并持续工作的特长于一身的电子机械装置。因为现代社会的迅速发展，现代机器人在制作业中运用越来越广泛，与此同时研发出来了各种机器人应用于除制造业以外的各行各业，例如服务 型机器人、农业机器人、水下探测机器人、医疗应用机器人、军事机器人等等。工业机器人是机器人在工业生产中的运用尤为重要，尤其是可在高温高压、多粉多尘、易燃易爆、放射性等恶劣环境以及笨重单调、操作频繁中代替人类完成工作，如电焊、氩弧焊、装配、搬运、上下料、激光加工等等，对提高生产效率、保证产品质量、改善工作环境起到了重要的作用，所以得到人类日益的青睐。而多自由度关节型机械手是工业机器人的一个重要部分，通常由执行机构、驱动和控制系统以及传感器装置构成，是模仿人类手部进行工作的，可以按照给定的程序进行自动控制，可以完 成可重复的动作，可以在三维空间实现自动抓取、搬运等各种动作。本设计正是研究工业上下料多自由度关节型机械手。 械手的发展动态 随着科技的不断进步发展，机械手的性能也不断升级，从可以重复指定动作发展到可以通过运用传感技术对某些外面的信息进行反馈调节的感觉型机械手，再到可以沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 2 像人一样根据理解与感知进行判断不同环境的变化，并且可以顺利完成任务的智能机器人。这个发展的过程标志着人类文明的不断进步和发展，现在智能机器人仍然处于实验研究的阶段。 机器人诞生于美国，并且美国的机器人技术在机器人发展中一直保持着世界领 先水平。 1958 年美国研制出第一台机械手。但在 1967这个时间段美国的机器人技术发展处于初级阶段，这是因为机器人适应性差以及造价非常昂贵以及政府并不是太重视机器人的发展，最后导致美国机器人的发展比较缓慢。随着科技的发展，为了迎合市场的多变性以及高效的生产，美国的各个部门开始重视机器人的发展，研发出了比较自动化的机器人，并且主动的推广机器人技术。 德国是从 1970 年开始应用的机械手。重点用于在运输货物、上下料、焊接等工作。日本、瑞士等国也开始重视机械手的研究。尤其是日本，日本的机器人发展过程主要分 为三个阶段，（ 1） 20 世纪 60 年代萌芽期，（ 2） 70 年代的实际应用阶段（ 3）80 年代的推广和提高阶段。日本首先引进美国的机器人，后来美国与日本达成了技术合作协议，引进了日本的机器人，在短短的几年时间里日本在机器人这一领域发生了巨大的反转，实现了真正的国产化。 工业机器人发展得很快，发展至今在国际上主要是欧系和日系的机器人占主导地位。欧系中主要有瑞典的 国的 司等，日系中主要包括不二越、川崎、安川、松下、 司等，这些公司的产品都比较先进。 从 20 世纪 70 年代开始，我国机器 人的发展大概包括一下三个阶段：第一阶段为70 年代的摇篮期，我国在 1972 年开始研发自己的产品，在 1980 年制作出来第一台机器人的样机。第二阶段为 80 年代的发展期，在改革开放的影响下，随着高新技术的不断发展以及国家对科技研究的大力支持，我国的机器人技术受到了社会各界的大力支持和高度的关注。第三阶段为 90 年代的适用期，在我们国家经济等各个方面的不断发展以及在高新技术的大力冲击下，我国工业机器人的研发有了质的飞跃，通过不断地实践操作研制出了适用于上下料、搬运、装配、装卸等各种工业机器人。 我国工业机器人发展事件 年代 事件 1980 研制成中国第一台工业机器人样机 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 3 年代 事件 1985 中国第一台水下机器人“海人一号” 1986 中国第一台下水机器人深海实验成功 1988 中国第 一台中型水下机器人投入使用 1989 水下机器人首次出口于美国 1990 中国第一台通用工业机器人控制器研制成功 1992 第一次运用于柔性制造 1993 中国唯一的国家工程研究中心成立主要用于研究机器人技术 1994 中国第一台高压水切割机器人投入使用（ 5R） 1994 中国第一台 1000 米水 下机器人海试成功 1995 中国第一台点焊机器人开发成功（ 4R） 1995 自主开发 术出口韩国 1995 中国第一台 6000 米水下机器人海试成功（ 1997 自主版权的高性能机器人控制器批量生产 1997 自主开发的冲压自动化线用于一汽大众生产线 1998 中国第一台激 光加工机器人研发成功 械手的分类 机械手一般分为三类：（ 1）无需人工参与操作的一般机械手。是一种独立的、不需要依附属于主机的装置。根据编制程序来完成各项规定的操作。它的优点是具有普通的机械性能以外，同时还具有普通机械、拥有智能记忆的三元机械。（ 2）需要人工参与操作的，叫做操作机。起源于与军事有关的工业，首先通过操作机来完成特定的工作，然后发展到用无线电信号操作机来进行探测工作等。在工业中用的锻造 操作机也属于这一范围。（ 3）是用专用机械手，主要依属于数控机床或生产线上，用来解决数控机床上下料和工 件配送。为附属的主机服务的，并由主机进行驱动；其工作程序通常是固定的，所以是专用的。本次设计的机械手就属于第三类机械手。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言 4 题研究的意义 工业机器人开始运用于汽车制造业中，充分发挥人的各个功能，代替人完成坏境恶劣的工作，以及人类无法完成的工作，但目前，在国内工业生产整体的自动化程度相对较差，工件上下料生产线的自动化技术水平低下是主要原因之一。我国的很多工业企业生产的工件是由人手工完成的，再生产过程中存在相当大的安全隐患，其生产效率也较低，而且成本费用很高，原材料的消耗也大，对企业的发展和进步都 有巨大的影响。对于生产设备自动化程度较高的工业车间，研发一套较好的自动生产线可以有效的提高企业的生产效率，上下料的搬运关节型机械手是自动化生产线开发的核心组成部分，本文就主要对自动生产线中上下料的机械手进行设计和研究，其流程图如下： 图 下料流程图 该设计对提高生产效率，改善产品质量，提高原材料的利用率，避免工人出现安全隐患具有深远的意义。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 5 第二章 机械手结构原理和工作要求分析 械手结构原理及工作要求 该设计的机械手在满足工作任务要求的前提下还要保证机械手爪可以 精确的到达指定位置。在运送工件的过程中需要保证运动的灵活性和连续性 ，所以在设计时需要减轻重量、减少自身体积，简化传动装置但要保证传动的稳定性。本文设计的关节型机械手在上下料工作中主要技术参数： 自由度数目： 5 个 坐标形式：垂直关节型 额定载荷： 5大活动半径： 1200据主要技术参数和通过查阅相关的资料进行分析研究，本设计采用 5R 关节型的结构， 其结构原理简图如下： 图 节型机械手的结构原理简图 该关节型机械手由五部分组成。分别为 基座、大臂、小臂、腕部、手爪。各部分的驱动方式如下： （ 1） 基座回转的腰关节：由安装在基座内的电机带动整个机械手作 360 度的旋转运沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 6 动。 （ 2） 大臂回转的肩关节：由伺服交流电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的结构绕肩关节作旋转运动，即产生俯仰运动。 （ 3） 小臂回转的肘关节：由伺服交流电机带动齿轮减速器运动，从而带动大臂以上的整体作旋转运动，即产生俯仰运动。 （ 4） 腕部腕关节的旋转运动：由腕内部的伺服电机带动机械手作旋转运动，即回转运动。 （ 5）腕部腕关节的上下运动：由腕内部的交流伺服电机带动腕整体作旋转 运动，即 俯仰运动。 该关节型机械手的 5 个自由度，分别为：底座作 360 度的旋转运动；大臂的旋转 运动（左右运动）；小臂的旋转运动（上下运动）；腕部的回转运动（手爪转动）；腕 部的上下运动。 械手机构运动分析 5 个转动副串联成的，一端固定在基座上，另一端装有抓取工件用的机械手爪。通过驱动器来驱动各个关节运动使机械手按照提前设定的运动轨迹实现上下料运动。 机械手的机构组成有 5 个连杆和 5 个转动关节，各个连接杆件包括腰部、大小手臂、腕部、手爪。假设腰部为 1 个连杆、 大小手臂分别为 2、 3 连杆，腕部为 4 连杆，手爪为 5 连杆，基座不看做连杆，假设为 0 连杆，其中关节 2、关节 3、关节 4 可以使其机械手的工作空间形成灵活空间。 1 关节连接 1连杆于基座 0,2 关节连接 2 连杆于 1 连杆， 3 关节连接 3 连杆于 2 连杆， 4 关节连接 4 连杆与 3 连杆， 5 关节连接 5连杆与 4 连杆。机械手初位图如下： 图 械手的初位图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 7 在机械手上建立各个坐标系分别与各连杆固定连接，如下图所示： 图 各连杆固定连接空间坐标系 图 i 为绕 转时22 、分别 为 1 连杆、 2 连杆和 3 连杆的长度。根据图中对机械手的建立的各坐标系进行分析得出各关节变量和各参数如下表所示。 表 械手连杆参数和关节变量 i(关节数） 1i i关节变化范围 1 0 0 0 1 180180 2 0 90 2d 2 9090 3 2a 0 0 3 1800 4 3a0 0 4 18090 5 0 90 0 5 180180 表中：11i x i 到的距离单位为毫米； 11i x i 到的角度单位为度； 方向测量的i 到的距离单位为毫米； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 8 轴旋转的i 到的角度单位为度。 第 1、 2 和 3 关节主要用来确定机械手的末端执行器在空间的位置，关节 4、 5组成手腕机构用来确定末端执行器的姿态。 械手上下料工作空间轨迹分析 在机械手完成上下料的任务之前，要根据技术标准对机械手 的操作步骤、运动轨迹进行预期估计，要考虑到生产现场的实际工作情况，比如有时需要躲避障碍物等。按照工业机械手的作业方式可分为点位走也机械手和路径连续运动机械手， 5R 关节型机械手实现上下料的运动属于点到点的运动，所以需要描述出机械手末端执行器的起始位置姿态和目标位置和姿态。 本次设计选在直角坐标系中先确定机械手运动轨迹的方程，在将直角坐标轨迹转换成关节空间中各关节的运动轨迹，并在空间中用曲线拟定运动曲线。在这其中需要保证机械手运动的平稳性。上下料空间工作路径如图 下料空间工作路径图 机械手各杆的结构尺寸由工作空间确定，本设计确定的五自由度关节型机器人的 具体结构和主要尺寸如图 示 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析 9 图 械手的主要尺寸沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 10 第三章 机械手各关节结构的设计 爪的结构设计 爪的设计要求 因为要完成上下料的工作，所以手爪的手指间要张开一定的角度；要保持夹持位置的精度；可以保证工件的准确定位；满足一定的刚度和强度；满足上下料要求的夹持力；在满足上述要求的同时应使机械手手爪的结构相对简单、紧凑、 重量较轻，这样可以减轻手臂的载荷 。 爪的分类 按不同的原理，可分为多种类型的手爪：机械手爪、磁力吸盘、真空式吸盘。 爪结构形式的确定 图 械手爪结构简图 手爪的结构形式与质量主要取决与工件的形状与质量。本次采用的机械手爪如图为气动式 V 字型手爪。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 11 腕的结构设计 械手腕设计的要求 手腕的设计要求：由于腕部位置在手臂的末端，所以为了减轻手臂的负荷，应该尽量让腕部有结构紧凑的部 件，尽量减少其重量与体积；合理的选择腕部的自由度数；提高腕部的精度与传动的刚度，减少机械传动系统中由于间隙产生的反转误差。 该机械手的腕部结构采用两自由度，分别为手爪的转动与腕关节的摆动，从而满足上下料作业时的工作空间要求。将腕关节的驱动电机放置在小臂内可以使腕部的结构简单紧凑。通过传动机构带动腕部结构绕腕关节轴实现摆动。 腕结构形式的确定 图 腕内部结构图 如图夹持臂通过伺服电机为动力绕自身旋转，伺服电机带动同步 齿形带转动，然后通过多级锥齿轮带动夹持臂的转动。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 12 臂的结构设计 臂的设计要求 臂部的设计要求：（ 1）臂部的结构和尺寸应该满足设计任务所需要的工作空间要求；（ 2）根据手臂所受额定载荷，较合理的通过手臂的截面形状选择强度高、质量轻的材料；（ 3）为了减少驱动装置的负荷，应尽量减少手臂重量和相对其关节回转轴的力矩与转动惯量；（ 4）为了提高运动速度，应减少运转的冲击和动载荷；（ 5)为了提高运动精度和刚度，定位精度，应减少间隙引起的运动误差。 本设计机械手的大臂与小臂的结构采用两自由度，分别为大 臂与小臂的两个俯仰自由度，从而满足上下料搬运作业时所要求的空间任务。考虑到其性能参数和需要完成的任务要求本设计选用铝合金材料。考虑转矩、惯性和平衡性要求，为了实现机械手大臂与小臂围绕各自关节的俯仰运动，将各关节驱动源分别放在前一关节处，这样就能通过传动装置带动大、小臂绕各自关节轴实现转动。 、小手臂的结构 机械手臂包括以下几部分结构：臂杆、传动装置、驱动装置、定位装置连接装置及检测装置。按其运动形式分为： 手臂俯仰运动机构 机械手的俯仰运动可通过液压缸和连杆组合来达到目的，也可以直接通 过电机驱动大臂作俯仰运动。 臂结构形式的确定 图 臂的内部结构图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 13 小臂的作用是连接大臂与腕关节，也是使腕关节实现摆动的重要零件。可以将驱动腕关节作回转运动与俯仰运动的两个伺服电机安装在小臂内部。从而达到运动目的。 座结构的设计 座结构的设计要求 基座设计的要求：由于基座承受着机械手的全部重量，运动部分全安装在基座，所以要求有足够大的安装基面，保证搬运工作时的整体稳定性；要有足够高的强度和刚度保证其承载能力。其材料选用铸铁或铸钢材料制成。 臂后箱体结构的设计 小臂后箱体的作用：一方面起连接大臂与小臂的作用，另一方面安装在小臂后箱体内部的伺服电机驱动小臂绕自身轴作旋转运动。 小臂后箱体结构形式的确定： 图 臂后箱体结构图 杆结构的设计 连杆的作用：一方面起连接大臂与小臂的作用，另一方面能够使小臂的运动范围沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章机械手各关节结构的设计 14 更大，转动的更加灵活。 连杆结构形式的确定： 图 接杆件的结构简图 沈阳化工大学科亚学院学 士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 15 第四章 机械手关键轴的校核 部输入轴的结构 初步确定于从动轮相连接的轴的直径，由公式： 30 选择其轴的材料腕为 45钢，经过调质处理，查表知0A=112。 将 P= =n=3000r/带入上式，得 选取 0 ； 输入轴轴的结构设计如图 部输入轴的校核 带轮传递给轴的的扭转力矩为： 549 （ 4 力矩 和 /F 传送的，应有 /()2 （ 4 / 2 329 （ 4 已知： / 2 5 N 求得 F=， F=12 N 沈阳化工大学科亚学院学 士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 16 齿轮法向力 nF=5N。 （ 4 X 轴简化后，在轴线上的横向力F、 /F 引起变形，然后分解成 X、 Y 轴的分量，结果如下： /c o s 2 0 4 2 . 2t a n 2 0 c o s 4 5 1 0 . 9t a n 2 0 s i n 4 5 1 0 . 9c o s 1 . 9 c o s 2 . 5 2 5 . 7 8s i n 1 . 9 s i n 2 . 5 0 . 9 3 F F F F N 做扭矩图如下 ,可判定危险 截面为 B，见下图： 在截面 矩 分别为 ： 沈阳化工大学科亚学院学 士学位论文 第四章机械手关键轴的校核 17 220 . 9 50 . 5 7 N 与第三强度理论进行校核，得 222235 7 0 ( 0 . 6 9 5 0 )1 ( ) 4 . 6 7 ( )0 . 1 1 2 T M P a 材料为 45 钢，经过调质处理，由手册可查 1 60M P a ，根据 1 ，故安全。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章机械手动力参数的计算 18 第五章 机械手动力参数的计算 服电机的选型 相对于工业机械手这种机电一体化的产品来说，伺 服系统是非常重要的。要求伺服系统具有较快的速度，较高的准确性和稳定性，即输出量准确可以迅速的响应指令输入量的变化。按照控制原理可分为开环、半闭环、闭环三大类。开环伺服系统的执行元件大多采用步进电机，闭环伺服系统的大多元件采用直流伺服电机和交流伺服电机。虽然两者在控制方式上都是以脉冲串和方向信号来控制，但是在运用性能和应用场合上并不相同。第一，控制精度不同。交流伺服电机的控制精度是步距角为 步进电机的脉冲当量的 1/655，控制精度更高；第二，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电 机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000 3000内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出；第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力，而交流伺服电机具有较强的过载能力；第五，运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象 ，交流伺服驱动系统为闭环控制控制性能更为可靠；第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200 400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 00W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 总结上述材料，交流伺服系统
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