五自由度机械手结构设计本科生毕业设计论文.doc

五自由度机械手结构设计本科生毕业设计论文第1章 绪论随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送等越来越需要高科技来完成。工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。工业机械手由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量、提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机械手特长的一种拟人的电子机械设备，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精度高，抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是先进制造技术领域不可或缺的自动化设备。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。“机械手”（Mechanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装置。本世纪20年代,在自动化和自动线上出现了可以代替人力传递和装卸工件的机械手,随后在某些危险作业领域出现了由操作人员直接控制或遥控的操作机。工业机械手是近30年来在自动操作基础上发展起来的一种能模仿人的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序和轨迹，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。它综合了经了精密机械、控制传感和自动控制技术等领域的最新成果。几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。到了近代，机械手一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。 目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国 、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较较快。目前主要应用于机床。模锻压力机的上下料以及点焊，喷漆等作业，它可按照事先编制好的程序完成规定的作业。有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。1.1 概述本课题是设计一款搬运机械零件的机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，他能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更能显示其优越性，有着广阔的发展前途。毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练，这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。随着现代科技的迅速发展，机械手技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全国延伸人的体力和智力的新一代生产工具。应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。机械手的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业技术的发展，工业自动化技术的提高，工人工作环境和工作内容同样也要求理想化、简单化。对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要，这样可以避免一些人不能接触物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医院、航天航空等。目前的先进机械手其自动化和人性化令人叹为观止，它是融合各种尖端技术的现代机器。现代工业的发展趋势对机械手技术的要求越来越高，工作强度高，灵活性强，准确可靠，自动检测和下达动作命令，融入先进的人工智能等等，已经成为机械手的发展趋势。机械手的研发在以现代化和人性化为基础的社会对生产，服务，医疗，国防等领域的进步和发展具有十分重要的作用。归纳起来采用机械手有以下主要意义：(1) 可以改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。(2) 稳定和提高产品质量，保证其均一性。机械手工作室，运动位置的参数都是有固定程序设计的，手爪所能到达的每个位置都是恒定的，生产质量稳定。(3) 生产产品周期明确。运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。机械手的生产节拍是固定的，容易控制产品质量，因此安排生产计划非常明确(4) 可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。 (5) 可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本 1.2 国内外发展及研究现状1.2.1 国内外机械手技术的发展1. 国内外研究现状和水平：机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。2. 目前国内外的发展趋势是：(1) 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。(2) 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3) 研制维修维护方便的通用机械手。(4) 研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。(5) 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6) 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。(7)研制具有柔性系统的通用机械手。1.2.2 国内外机械手的应用状况目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。1.3 本文主要内容本课题五自由度机械手结构设计来源于生产实践中。由于现代工业生产对产品的质量和生产速度等提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任快节奏的生产工作，而且劳动强度的增加和环境的恶劣极易对人体造成伤害。因而此课题的提出就有十分重要的作用和意义。课题要求设计的机械手具有五个自由度：（1）腰部关节旋转；（2）大臂关节仰俯；（3）中臂关节仰俯；（4）小臂关节仰俯(5)腕部关节旋转。此次设计主要研究设计关节型五自由度机械手的机械本体部分，即由腰部、大臂、小臂和腕部组成的五个关节的机械本体部分的结构设计。在设计过程中主要参照国内外已成功研制的机械手本体部分的设计，依照机械手的设计要求和准则，在此基础上进行改进和优化，使其结构设计合理、简单、紧凑，动作灵活，能够应用于自动生产控制作业及搬运与装配作业。其主要目的：一、 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。二、 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创造思维，掌握工程设计一般程序规范和方法。三、 培养学生树立正确的设计思想和时用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。四、 培养学生进行调查研究，面向生产，向工人和技术人员学习的基本态度，工作作风和工作方法。 第2章 关节型机械手总体设计随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。现代工业的发展趋势对机械手技术的要求越来越高，工作强度高，灵活性强，准确可靠，自动检测和下达动作命令，融入先进的人工智能等等。机械手的研发在以现代化和人性化为基础的社会对生产，服务，医疗，国防等领域的进步和发展具有十分重要的作用。应用机械手技术是提高生产自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。机械手的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。2.1 基本技术参数2.1.1 额定负载目前，国内外使用的机械手中，其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械手各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机械手末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是1.5kg。2.1.2 工作范围工业机械手的工作范围是根据工作机械手作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的.工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和关节轴转角的大小及变动范围的选择。2.2 机械结构类型的选择为实现总体机构在空间的位置提供5个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：a. 圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，四个移动，共五个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型相比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。b. 直角坐标型 直角坐标型工业机械手，其运动部分由五个互相垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间大、灵活性较差。c. 球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和三个直接移动所组成，即一个回转，一个仰俯和三个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形,它可以上下仰俯运动,并能够抓取地面上或较低位置的工件,具有结构紧凑、工作 空间范围大的特点，但结构复杂。d. 关节型 关节型又称回转坐标型，这种机械手是手臂与人体的上肢类似,其前三个关节都是回转关节,这种机械手一般由立柱个大小臂组成,立柱与大臂间形成肩关节,大臂与小臂间形成肘关节,可使大臂做回转运动和大臂作仰俯摆动，小臂作仰俯摆动。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近工件的物体。e. 平面关节型 采用两个回转关节和三个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面积的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业，特别适合小规格零件的插接装配。对以上五种方案的比较：方案一不能完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：关节型机械手。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作性高。2.2.1 操作机的驱动系统设计 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用电动机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 因此，机械手的驱动方案选择电动驱动。关节型机械手本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体驱动臂杆和载荷完成指定的动作。通常的机械手驱动方式有以下四种；1.步进电机： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。2.直流伺服电机： 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制（PWM）伺服驱动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压，从而改变电动机的转速。 PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。3.交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，时用维修方便，比步进电机价格贵一些。可实现较大的启动功率，提供很高的响应速度。同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。4直接驱动：所谓直接驱动系统，就是电动机与其所驱动的负载直接耦合在一起，中间不存在任何减速机构。同传统的电动机伺服驱动相比，该驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而该驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起人们的重视。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用是驱动方式。电机驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机械手应用要求等特点。本课题的机械手将采用直流伺服电机。因为它具有结构简单、运行可靠、使用维修方便、调速性好、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等特点。2.2.2 确定关节型机械手手臂的配置形式手臂的配置形式反应了机械手操作机的总体布局。根据任务要求，要实现机械手搬运功能，则机械手的工作范围要广，所以我选择了立柱式是配置方式。其特点是占地面积小，工作范围大。2.3 关节型机械手本体结构设计2.3.1 机械手本体结构的传动设计结合实际要要，以及所需要达到的技术要求，具体的技术方案拟定如下：本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为五个。分别为(1)腰关节回转；（2）大臂关节仰俯；（3）中臂关节仰俯；（4）小臂关节仰俯；（5）腕部回转。 结构简图如图2.1所示1.腰部回转2.大臂仰俯3.小臂仰俯4.小臂仰俯5.腕部回转图2.1 机械手整体结构简图原理：腰部的回转是通过腰部电机（直流调速）再经过一级齿轮传动来实现的；大臂、中臂和小臂的仰俯的通过谐波齿轮传动来实现的；而腕部的回转则通过一级谐波再经过二级齿轮传动来实现的。机械手主要由腰部与基座以及大臂、中臂、小臂和腕部组成。回转基座是一个铝制的整体铸件，其上装有腰关节的驱动电机，在基座内安置了腰关节的主轴及其轴承等。2.3.2 所设计机械手本体结构的特点所设计的机械手本体结构特点如下;1. 腰部回转由伺服电机通过同步带再通过一级齿轮传动组成。在结构布置上，电机均固定在腰座上，小齿轮用键与轴一相连；而大齿轮用键与轴二相连。这样布局对装配、润滑方便，但增大了腰部回转的转动惯量。大臂、小臂的传动原理相同，均采用电机，谐波减速器和关节轴线同轴的传动方式。这样结构简单，传动路线最短。腕部则采用谐波齿轮减速外加二级齿轮传动，这样有利于精确控制手腕的转动角度。2. 底座铸件结构形状简单，即用作内部大齿轮的安装固定与主轴的支撑座，又兼顾承力支架。传递集中载荷。这样不仅节约材料，减少加工量，又使整体质量减轻。腰部、大、小臂和腕部机构同样采用结构简单的铸件。3. 腰关节和大、小臂关节处结构密度大，多余空隙比较少，结构紧凑。这样使总的尺寸减少，质量减轻。4. 机械手手臂材料的选择：机械手手臂的材料应根据手臂的工作状态来选择，根据设计需求，机械手手臂要求完成各种运动。因此，对材料有一个要求是作为运动的部件，它应该是轻型材料。另一方面，手臂的运动过程中往往会产生振动，它将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机械手手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，既要具有一定的强度、手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机械手手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选额强度大而密度小的材料。在我的设计中为减轻机械手本体的重量选择用铸铝材料。2.4 本章主要内容本章主要完成机械手的整体结构设计，合理的布局，通过设计的机械手本体结构特点，使机械手按照预定的工作条件，完成旋转、俯仰动作，完成理论方案的设计，以及材料的选择并确定驱动系统。运用 AutoCAD件绘制结构原理简图。第3章 关节型机械手腰部结构设计3.1 电动机的选择设大臂中、臂 和小臂水平展开时对于腰部关节的主轴的转动惯量为J1，根据平衡轴定理可得绕腰部关节轴的转动惯量为：分别为小臂以及腕部的抓取物体后的负重、中臂和大臂的重量为5kg、13.6kg、19.8kg。分别为小臂、中臂和大臂水平伸直时小臂的长度、中臂的长度、大臂的长度，其值分别为600mm、420mm、300mm。设腰部自身绕腰关节的转动惯量为J。J=,，R 分别为腰部重量和绕主轴的旋转半径，假设分别为20kg和250kg。可得绕大臂关节的转动惯量为：J = 38.65kg同理，可得手爪绕腕部关节轴的转动惯量： =0.50.025 =0.125kg式中：手爪绕腕部旋转的回转半径mm。由于手指移动的最大线速度为3m/s，当大臂、中臂和小臂都水平时，腰部旋转此时工作端部的线速度为最大速度。此时可得： 为腰部主轴旋转的最大角速度则旋转开始时的转矩可表示为： T=J式中：T旋转开始时的转矩角加速度使机械手主轴从0rad/s到=2.27rad/s所需时间为：，T=J=38.652.27=87.73Nm 若考虑绕机械手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定为90 Nm 电动机的功率可按下式估算 Pm(1.52.5)式中：Pm电动机功率 负载转矩负载转速传动装置的效率，初步估算取=0.650.95=0.57系数取1.5，则 Pm =1.5358.4 Nm 估算Pm 后可选取电机，使其额定功率Pr满足下式 PrPm选择三菱伺服电机 HCMFS43(B)交流伺服电机的参数型号转矩（Nm）转速（r/min）功率(W) 电流(A)HC-MFS 43(B)1.3 30004007.83.2 传动系统设计通过电机的主轴转速和腰部旋转的最大角速度可求得大概的总传动比 ia = =138.3由于传动比较大，所以在伺服电机上采用配置减速器的方式直接调速，再通过齿轮传动机构保证传动的平稳性，齿轮传动的传动比为 i = =6.153.3 主要零部件设计计算3.3.1 计算各轴转速、转矩和输出功率a各轴转速 轴 n1 =32.64r/min 轴 n2 =32.64/2.55=12.8r/minb.各轴输出功率轴 =4000.9=360W 为减速机传动效率轴 =3600.95=342W 为齿轮啮合效率 c. 各轴输入扭矩 轴 =9550=9550(360/32.64)=105.3 Nm轴 =9550=9550(342/12.8)=255.16 Nm3.3.2 确定轴的具体尺寸两实心轴的材料均选用45号钢，查表得知轴的许用扭剪应力=30MPa，由许用应力确定的系数为A=115。轴的结构如下：轴各段直径和长度： 长度 直径20 1616 3288 2040 16轴的结构如下： 轴各段直径和长度： 长度 直径68 32 40 92 60 76 12 56 56 48 40 40 32 283.3.3 轴齿轮传动轴校核按扭转强度条件计算：此轴是重要的零件，其上布置有主动齿轮和支撑的轴承。其结构尺寸要满足弯曲和扭转的要求a)轴的材料选45钢，调质处理硬度HBS217-255。其机械性能查表，得，=650MPa，360 MPa，270 MPa， 155 MPa，许用疲劳应力 190MPa。b)、轴上力的计算：齿轮上的径向力、圆周力为：F=F= Ftan=26.31tan20=9.58NN1 = N 2=35N ，阻力矩 M 1 =M2 = 0.5 Nm，重力N 3 =15 Nm，主动力矩M 0 =1 Nm。计算作用于轴水平面上的力，由力学知识可得：R=35.70NR=37.90N计算作用于轴的竖直面上的力，由力学知识可得：R=4.95NR=N计算弯矩， M=0.047 NmM=0.044 Nm齿轮处：M=3513.4-3513-150.4= 0.008Nm计算扭矩：T=T=T=0.5 Nm计算当量弯矩，M=A 点处：M(A)=0.137 Nm齿轮作用集中处： M(F)=0.206 NmB 点处：M(B)= =0.257 Nmc)、轴的尺寸计算：按许用弯曲应力计算轴颈：d=10=2.354mmd)、校核轴的强度：齿轮作用处的当量弯矩最大，对其进行强度校核：=3.526MPa S ，故该轴截面是安全得的。3.4 齿轮的设计3.4.1 选择材料机构中的齿轮是开式齿轮，小齿轮的材料选用40Cr，大齿轮选用45，表面调质处理，硬度HBS217-255。 得 630MPa。3.4.2 压力角的选择由机械原理可知，增大压力角，能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大，可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处，压力角可取。3.4.3 齿数和模数的选择对软齿面的闭合齿轮传动，其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关，即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下，宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度，改善传动的平稳性外，还因模数的减小而降低齿高，从而减小金属的切屑量，减少滑动速度，减少磨损，提高抗胶合能力，轴上齿轮齿数取20，大齿数取123，模数m取3。3.4.4 齿宽系数查表可知，取齿宽系数=0.3，根据公式 =0.360=18计算结果圆整为5的整数倍，作为大齿轮的齿宽，小齿轮齿宽取=+（510）mm，以补偿加工装配误差。所以，轴上小齿轮=32mm与之啮合的轴上大齿轮齿宽=24mm。3.4.5 大齿轮的校核（1）许用应力计算：=式中， 许用弯曲应力； 齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值；Y 抗弯强度计算的寿命系数；Y相对齿根圆角敏感系数；Y相对表面状况系数；Y 抗弯强度计算的尺寸系数；S F min 弯曲强度最小安全系查图表计算各参数值： 630MPa，Y 2.5， Y 1，Y 0.9，Y X 1.0， S F min 1.25。计算得：=1134MPa（2）计算齿轮上的作用力：分度圆上的圆周力为：F=F= Ftan=26.31tan20=9.58N（3）按弯曲疲劳强度计算：m12.6式中，m齿轮模数；K载荷系数；T1 齿轮传递的额定转矩；Y 复合齿形系数；齿宽系数；z齿数；许用弯曲应力。查图表计算各参数值，K=1.4，T180N m g ,Y FS 3.73，10， z 123，1134MPa，计算得：m12.6=12.6考虑传动形式为开式，应增大齿轮得模数，标准化后选择齿轮的模数为m=3 精度为6级。（4）计算弯曲应力：=式中， 计算弯曲应力；F t 分度圆上圆周力；b齿宽；m模数；K使用系数；K 动载荷系数；K齿向载荷分布系数；K齿间载荷分布系数；Y 复合齿形系数；Y抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数。查图表计算各参数值： F t 26.31N，b=11，m=3, K=1, K 1.05， K1.394，K1.1， Y 3.73，Y0.75。带入公式计算得：= =19.65MPa,符合设计的要求。大齿轮的设计计算符合设计要求。3.5 轴承的设计与选用3.5.1 轴承选择的原则在选轴承方面，我们一般根据以下几个方面的因素来选择轴承类型。1. 轴承所承受载荷的大小和方向轴承所受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。当轴承承受大载荷时，应优先选用滚子轴承；承受小载荷时应优先选用球轴承。当承受径向载荷时，一般选用向心轴承；当承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当既承受径向又承受不大轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的向心推力轴承；当既承受径向载荷又承受较大的轴向载荷时，可选用接触角较大的向心推力轴承，也可选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构。2. 轴承的传递球轴承比滚子轴承油较高的极限速度，故高速时应优先选用球轴承。因为超轻、特轻、轻系列的轴承外径尺寸相对较小，离心惯性力小，故适于高速时选用；而重系列及特重系列的轴承只适于低速时选用。推力轴承的极限转速较低，故只适用低速。除此之外，保持架的材料和结构对轴承能承受的转速也有较低的影响，实体保持架所能承受的转速要高些。3. 当轴的中心线与轴承中心线不重合或轴的弯曲变形大时,应采用由一定调心能力的调心轴承。如10000、20000型等。4. 装拆方便当轴承座没有剖分面而必须沿轴线安装和拆卸轴承部件时,可优先选用内、外圈可分离的轴承。如N0000、30000型等。5. 经济性公差等级越高，轴承越贵，所以选用高公差等级轴承必须慎重。3.5.2 轴承的选用与配合（一） 轴承的选择综合设计要求，考虑到腰部关节承受的径向载荷和轴向载荷，在腰部关节选择的轴承为圆锥滚子轴承（30000型）GB/T 297-1994。同时考虑到腰部的定位和轴上零件能够顺利工作，采用一对圆锥滚子轴承背对背两端固定的方式。在这种固定方式中，两端成对称配置能各限制一个方向的轴向移动，同时能够承受双向轴承承载。这种固定方式结构简单，调整方便。同理，大臂、中臂、小臂以及腕部关节由于不受轴向载荷则应采用一对深沟球轴承（GB/T 276-1994）两端固定的方式。（二） 轴承的尺寸轴上的轴承： 轴承类型：圆锥滚子轴承 轴承内径：16mm轴承外径32mm 轴承宽度：12mm 轴承类型：圆锥滚子轴承 轴承内径：12mm轴承外径32mm 轴承宽度：12mm轴上的轴承： 轴承类型：圆锥滚子轴承 轴承内径：12mm轴承外径32mm 轴承宽度：12mm 轴承类型：圆锥滚子轴承 轴承内径：12mm轴承外径32mm 轴承宽度：12mm3.5.3 轴承的校核由设计计算可得两处支撑力不大，其基本额定动载荷 C r 5.58KN，基本额定静载荷C0r2.85KN。预期使用寿命L h 10000h。对轴承受力分析计算：F=F=因2轴承的径向力较大，故只需对B轴承进行校合因其所受的轴向力相对径向力很小，故只需考虑径向力对轴承的影响。轴承的当量动载荷：P=XF+XF=157.52=57.52N寿命计算：L=式中， L 10h基本额定寿命；C基本额定动载荷；P当量动载荷；f t 温度系数；n转速；寿命指数。带入数据计算，得：L=15976h大于10000h，满足设计要求。额定静载荷校核计算：C式中， C 额定静载荷；S 安全系数； P 当量动载荷。C=2.85kN, 满足设计要求。其它轴承照此计算符合要求。3.6 本章主要内容本章主要设计和计算了机械手手臂的长度和质量，并根据所算结果选择腰部电机，并对传动系统进行设计。另外对主要零部件进行设计、计算及校核。第4章 机械手大臂、中臂与小臂的设计4.1 大臂的设计由于考虑到大臂仰俯时需要考虑自重以及中臂、小臂和负载产生的阻力矩，并且当大臂、中臂和小臂工作状态处于水平位置是产生的阻力矩最大。此时静力矩为：T=分别为小臂及手腕和负载的质量、中臂与大臂的质量，分别为6kg，13.6kg，19.8kg分别为小臂负载后小臂中心、中臂中心和大臂关节轴的距离，分别为1170mm，810mm，300mm。g取10N/kg可得 T=19.8100.3+13.60.8110+6101.17 =239.76 Nm由公式 可得大臂所需功率。式中为大臂最大角速度，可由端部的最大线速度获得。=2.27rad/s则 P=239.762.27=544.26W考虑摩擦等因素，取=600W电机所需功率由公式 求得；式中为总的传动效率，取= ，其中、为减速机和滚动轴承的传递效率，分别为0.9和0.95。 求得 =600/(0.90.95)=701.8W根据，选择三菱系列交流伺服电机 HC-KFS 73(B) HC-KFS 73(B) 交流伺服电机技术参数型号转矩（Nm）转速（r/min）功率(W) 电流(A)HC-KFS 73(B)2.4 30007505.84.2 中臂的设计由于考虑到中臂仰俯时需要考虑自重以及小臂和负载产生的阻力矩，并且当中臂和小臂工作状态处于水平位置是产生的阻力矩最大。此时静力矩为： 式中：分别为小臂及手腕和负载的质量及中臂的质量，分别为6kg，13.6kg，分别为小臂负载后小臂中心和中臂中心的距离，分别为570mm，210mm。g取10N/kg可得 =13.6100.21+6100.57 =62.76Nm由公式 可得中臂所需功率。式中为中臂最大角速度，可由端部的最大线速度获得。=4.17rad/s则 P=62.764.17=261.5W考虑摩擦等因素，取=300W电机所需功率由公式 求得；式中为总的传动效率，取= ，其中、为减速机和滚动轴承的传递效率，分别为0.9和0.95。 求得 =300/(0.90.95)=350.8W根据，选择三菱系列交流伺服电机 HC-SFS 52(B) HC-SFS 52 (B) 交流伺服电机技术参数型号转矩（Nm）转速（r/min）功率(W) 电流(A)HC-SFS 52(B)2.39 20005009.004.3 小臂的设计由于考虑到小臂仰俯时需要考虑自重以及负载产生的阻力矩，并且当小臂工作状态处于水平位置是产生的阻力矩最大。此时静力矩为： 式中：分别为小臂及手腕和负载的质量为6kg，为小臂负载后的一半长，为170mm。g取10N/kg可得 =6100.17 =10.2 Nm由公式 可得小臂所需功率。式中为小臂最大角速度，可由端部的最大线速度获得。=10rad/s则 P=10.210=102W考虑摩擦等因素，取=120W电机所需功率由公式 求得；式中为总的传动效率，取= ，其中、为减速机和滚动轴承的传递效率，分别为0.9和0.95。 求得 =120/(0.90.95)=140.35W根据，选择三菱系列交流伺服电机 HC-MFS 23(B) HC-MFS 23 (B) 交流伺服电机技术参数型号转矩（Nm）转速（r/min）功率(W) 电流(A)HC-MFS 23(B)0.64 30002001.54.4 腕部的设计由于考虑到腕部回转时需要考虑自重以及负载产生的阻力矩。此时静力矩为： 式中：为手腕和负载的质量为2kg。为腕部、手爪总长的一半长，为70mm。g取10N/kg可得 =2100.07 =1.4 Nm由公式 可得腕部所需功率。式中为腕部最大角速度，可由端部的最大线速度获得。=21.43rad/s则 P=1.421.43=30W考虑摩擦等因素，取=35W电机所需功率由公式 求得；式中为总的传动效率，取= ，其中、为减速机和滚动轴承的传递效率，分别为0.9和0.95。 求得 =350/(0.90.95)=40.93W根据，选择三菱系列交流伺服电机 HC-MFS 053(B) HC-MFS 053(B) 交流伺服电机技术参数型号转矩（Nm）转速（r/min）功率(W) 电流(A)HC-MFS053(B)0.16 3000500.854.5 减速机和谐波减速器的选择通过电机的主轴转速和大臂旋转的最大角速度可求得大概的总传动比 = =138.32根据传动比，确定腰部行星齿轮减速机的类型HC-KFS 73(B),传动比为20，以此来怎大扭矩。同理， 可以确定大臂关节选用XB1单级谐波减速器，120型，传动比为200。可以确定中臂关节选用XB1单级谐波减速器，100型，传动比为200。可以确定小臂关节选用XB1单级谐波减速器，60型，传动比为160。可以确定腕部关节选用XB1单级谐波减速器，32型，传动比为160。4.6 本章主要内容 本章主要对大臂、中臂、小臂以及腕部进行设计和计算。通过计算选择每个手臂所需要的电机型号和尺寸。另外对相应电机连接的谐波减速器进行选择。确定所需型号和尺寸。第5章 同步带的选择带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用。同步带的横截面呈矩形或近似矩形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，同步带的失效形式是同步带疲劳断裂，带齿的剪切和压溃以及同步带两侧、带齿的磨损。同步带传动设计时主要限制单位齿宽的拉力，必要时才校核工作齿面的压力。5.1 同步带的选择及计算5.1.1 确定计算功率因为电动机型号为HCMFS43(B)，额定功率P=0.4Kw，转速n=3000r/min，一天运转 8h. 由表得工作状况系数=1.5,故 = P =1.50.4=0.6Kw 5.1.2 选择同步带带型 由表得选择XL型同步带，节距为：5.08mm，基准宽度为：9.5mm。1. 小带轮齿数=122. 确定小带轮节圆直径和基准直径 取主动轮基准直径=18.9。=19.4mm 从动轮基准直径=i=19.4 验算带的速度V= =30.458m/s50m/s带的速度合适。 3.确定同步带的基准长度和传动中心距 根据0.7(+) 2(+),初步确定中心距=192。 根据式（820）计算带所需的基准长度 =444.9由表选带的基准长度=450。 4. 验算主动轮上的包角 得 = 主动轮上的包角合适。5.1.3 带轮材料的选择带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200，在此次设计中，选择两带轮的材料均为HT150。5.2 本章主要内容通过计算本章主要对同步带进行选型和带轮的设计。第6章 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式、电磁铁式等。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式