五自由度钣金机械手结构设计含ProE三维及6张CAD图.zip
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自由度
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五自由度钣金机械手结构设计含ProE三维及6张CAD图.zip,自由度,机械手,结构设计,ProE,三维,CAD
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I五自由度钣金机械手结构设计摘 要机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。本设计的是五自由度一种钣金机械手，有五个独立运动臂部回转、臂部伸缩、碗部升降、腕部回转、手部俯仰也就是所说的五个自由度。由臂部回转机构、臂部伸缩机构、碗部升降机构、腕部回转机构、手部俯仰机构组成。本文首先，通过对机械手现状进行全方位调研，在此基础上提出了机械手方案；然后，设计并校核了各主要构成件的结构及强度；最后，通过 AutoCAD制图软件绘制了机械手装配图、主要零件图并采用 Pro/E 软件进行三维设计及运动仿真。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD 制图及 Pro/E 软件进行三维设计软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：关键字：五自由度，钣金，机械手，设计，仿真IIAbstractA manipulator is also known as an automatic hand that can mimic the action functions of the hand and arm, which is used to capture, carry objects or operate tools according to a fixed program. The design is a five degree of freedom of a sheet metal manipulator, with five independent movement arm rotation, arm expansion, bowl lifting, wrist rotation, hand pitching is also said five degrees of freedom. It is composed of arm slewing mechanism, arm telescopic mechanism, bowl lifting mechanism, wrist slewing mechanism and hand pitching mechanism. First of all, through a comprehensive survey of the status of the manipulator, the manipulator scheme is proposed on this basis. Then, the structure and strength of the main components are designed and checked. Finally, the assembly drawing of the manipulator, the main parts drawing and the three-dimensional design and movement using the Pro/E software are drawn through the AutoCAD drawing software. Simulation. Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, and so on. It has mastered the design method of mechanical products and is able to use AutoCAD drawing and Pro/E software to carry out three-dimensional design software skillfully. It is of great significance. Key words: Five degree of freedom, Sheet metal, Manipulator, Design, Simulation.III目 录摘摘 要要 .IABSTRACT.II第第 1 章章 绪绪 论论.11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究及现状 .11.2.1 国内研究现状.11.2.2 国外研究现状.21.3 主要内容 .2第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计.32.1 设计要求 .32.2 结构及原理分析 .32.3 总体方案设计 .32.3.1 驱动方案选择.32.3.2 抓取方案选择.32.3.3 机械臂、机身、机座方案选择.32.4 运动范围的选定 .4第第 3 章章 结构设计及计算结构设计及计算.53.1 臂部回转机构设计 .53.1.1 回转底座设计.53.1.2 回转电机的选择.53.1.3 回转减速器的选择.83.2 手臂伸缩机构设计 .83.2.1 受力分析.83.2.2 伸缩电机及丝杠选择.93.3 腕部升降机构设计 .93.3.1 受力分析.93.3.2 升降电机及丝杠选择.103.4 腕部回转机构设计 .113.4.1 受力分析.113.4.2 回转电机的选择.133.5 吸盘俯仰机构设计及吸盘选择 .133.5.1 俯仰电机及丝杠的选择.133.5.2 吸盘转臂的设计.15IV3.5.3 吸盘的选择.16第第 4 章章 基于基于 PRO/E 的三维设计及仿真的三维设计及仿真.204.1 PRO/E 三维设计软件概述 .204.2 三维设计 .204.2.1 臂部回转机构.204.2.2 臂部伸缩机构.204.2.3 腕部升降机构.204.2.4 腕部回转机构.204.2.5 吸盘俯仰机构.214.2.6 总体装配模型.214.3 运动仿真 .21总总 结结.22参考文献参考文献.23致致 谢谢.241第 1 章 绪 论1.1 研究背景及意义本课题来源于生产实际应用。在汽车等产品生产制造过程中需要用到许多钣金件，而钣金件的加工，比如：冲压、焊接等均要用到机械来实现钣金上下料，这就需要灵活、适用性强、高性能的钣金机械手来配合高节奏的汽车生产线。本课题以五自由度钣金机械手为对象，通过本设计使我们能对大学期间所学知识进行综合应用的训练，达到加深大学期间所学这些知识的理解和应用的目的，使我们逐步掌握机电产品设计的方法，提高实际设计能力和解决问题的能力。通过本课题的研究，进一步发现自己在学习中的薄弱环节，提高理论与实际相结合的能力，为以后在实际工作中从事相关工作打下坚实的基础。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，机械手减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2 机械手概述机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序吸取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及气压技术自身的一些优点，气压机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 1.2.1 机械手的组成2机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如吸附型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了吸取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。1.2.2 机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为气压式、气压式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人1.3 国内外研究及现状1.3.1 国内研究现状钣金机械手最早应用在汽车制造工业，常用于冲压、焊接、上下料和搬运。钣金机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。钣金机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国的钣金机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰3等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。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，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的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。1.3.2 国外研究现状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。国外机械手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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 103 万美元降至 97年的 65 万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索4杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.4 主要内容课题研究的主要内容如下：（1）查阅资料，撰写开题报告，掌握机械产品设计的基本步骤；（2）结合题目进行市场调研，了解现场工程问题，积累相关资料，做好调研笔记；（3）了解钣金机械手工作原理与性能及各部件零件的设计方法，进行设计方案比较后优选；（4）对各机构进行设计与校核。5第 2 章 总体方案设计2.1 设计要求本课题要求设计一款五自由度钣金机械手结构设计，可以用于钣金件的加工工序比如：冲压、焊接等来实现钣金自动上下料，要求灵活、精度可靠、适用性强、性能优良才能配合高节奏的汽车生产线。2.2 结构及原理分析机械手能够模仿人手臂的抓取、搬运、操作等动作，具有延伸人躯体功能的作用。机械手在自动化生产线上有着广泛的应用上，如物料搬运、焊接、加工中心等。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行部分通常由连杆机构、齿轮机构等构成。由抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。机械手的驱动系统，按动力源的不同可以分为：液压、气动和电动三大类，根据需要也可以有三种基本系统组成复合式的驱动系统。搬运机械手的运动控制是整个控制系统的核心，首先启动系统，并进行系统初始化和设置相应的运行参数。根据位置传感器传送的信号由上位机经过判断和运算，发出指令给运动控制卡。最后由运动控制卡发送出脉冲信号给步进电机细分驱动器继而控制步进电机转动，从而实现电机的运动控制。2.3 总体方案设计2.3.1 驱动方案选择驱动系统分为气动、液动、电动和机械式，本次考考虑要求精度高且要求灵活轻便，因此选用电动驱动方式。2.3.2 抓取方案选择（1）方案一：机械手抓取型结构采用机械手结构来进行钣金的抓取，其对不同尺寸钣金的适用性不强，且对于大尺寸的钣金容易在抓取时出现变形而影响零件的成型精度，另外机械手抓的夹持力等也容易损伤零件表面，因此该方案不太适合钣金的抓取。（2）方案二：机械手吸盘型结构吸盘型结构通常可以布置多个，拆装方便，可以根据不同尺寸钣金进行适当增减，适用性强；而且吸盘可布置吸取钣金的任意位置，这也解决了取放钣金时导致钣金变形；另外，吸盘通常为橡胶材质，不会对钣金造成伤害，因此该方案更利于用于钣金的取放。62.3.3 机械臂、机身、机座方案选择（1）机械臂考虑传动精度本次选用丝杆螺母传动、滑块滑槽式机械手臂结构。（2）机座和机身可以选用固定式机座类型，腰部回转传动机构，机身可做 360 度回转运动提供空间上的旋转自由度，其动力靠步进电机供给，并通过机座内部的蜗轮蜗杆减速器提供减速传动比。2.3.4 总体方案确定及工作原理本钣金机械手总体方案如下，五个自由度分别为：臂部回转、臂部伸缩、碗部升降、腕部回转、手部俯仰，其中臂部回转由电机 1 带动涡轮蜗杆传动实现、臂部伸缩由电机 2 带动丝杆螺母传动实现、碗部升降由电机 3 带动丝杆螺母传动实现、腕部回转由直流调速电机 4 直接驱动转动实现、手部俯仰由电机5 带动丝杆螺母传动带动滑槽机构实现，最后手部连接吸盘或者磁盘实现钣金的取放，其方案见图如下图示。图 2.1 五自由度钣金机械手总体方案简图2.4 运动范围的选定考虑到本机械手用于钣金件的加工工序中钣金自动上下料，根据常用汽车钣金件大小可将本机械手各部分的运动范围确定如下：（1）臂部回转：0360 ； （4）腕部回转：0180（2）臂部伸缩：750mm ； （5）吸盘俯仰：0907（3）腕部升降：600mm ； （6）可吸取重量：20Kg第 3 章 结构设计及计算3.1 臂部回转机构设计3.1.1 回转底座设计进行底座结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的底座结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。综合考虑机器的工作时所受的力，我选用机体材料 HT150 铸造底座，力学性能：=200MPa, =340MPa.适于制造箱体、底座类零件。bs3.1.2 回转电机的选择臂部回转运动的驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转不见支撑处的摩擦力矩计算,且启动过程中不是等加速运动,故最小驱动力比理论大些所以 .M 驱=1.3(M 惯 +M 摩 )/其中, 为蜗轮,蜗杆传动效率取 0.85M 惯 启动时的惯性力矩M 摩 摩擦力矩J 臂部零部件对其回转轴线的转动惯量 回转部件的角速度 取 =/6(弧度/s)t 启动过程时间 取 0.5 秒1)计算惯性力矩 M 惯 各部件的重量和距回转轴线的距离见下图8图 3-2 臂部机构力矩分析各部件对回转轴的转动惯量为:J1=J c1+M112=0.51(0.072+0.062)+10.242=0.064Kgm2J2=J c2+M222=0.54(0.072+0.12)+40.182=0.01545Kgm2J3=J c3+M332=0.53(0.072+0.132)+30.122=0.0759Kgm2J4=J c4+M442=2+L2)+M442=2+0.222)+100.222RM3(12409. 03(1210=0.061+0.484=0.545 Kgm2J5=J c5+M552=2+L2)+M552=2+0.12)+20.252RM3(12509. 03(122 =0.0057+0.125=0.1307 Kgm2J5=M552=1.50.0252=0.00047 Kgm22121所以惯性力矩 M 惯=(/t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)(/6/0.5)J =(0.064+0.115+0.076+0.545+0.130+0.0005)(3.14/6/0.5)=0.9405+1.047=1.016(Nm)2)计算摩擦力矩 M 摩 9总图 3-3 摩擦力矩的计算如上图所示可先求出臂部结构的重心位置,在求各部分轴承的支反力,由图可以知L=512505604120318022401iMiMMMMM=1103412505604120318022401MMMMM以 O2 为支点求支反力 N1N1=42(N)llMg110258 . 919可知 N2=N1=42NN,而轴承所受正压力约为 200N所以摩擦力矩 M 摩=(N1 D1+N2D2)= (420.04+420.03)=0.02 Nm2f201. 0所以驱动力矩 M 惯=1.58Nm惯）摩（MM3 . 185.0）02.0106.1（3.110据此,我们选用步进电机为 90BF003 型3.1.3 回转减速器的选择 臂部回转的速度和加速度都不应过大,所以减速环节就要有较大的传动比,这里采用蜗轮、蜗杆一级减速,没有采用多级齿轮减速(其一级减速齿轮太大),其基本参数如下: 传动比:i=62中心距;a=160mm 蜗杆头数 Z2=1,蜗轮齿数 Z2=Iz1=62齿形角 =20 模数 m=1 蜗轮变位系数 X2=0蜗杆轴向齿距 Px=m蜗杆分度圆直径 d1=mz1/tan=18(标准值)蜗杆齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=d1+2ha*=18+21=20蜗杆齿根圆直径 df1=d1-2hf1=d1-2m(ha*+c*)=18-21.2=15.6蜗杆齿顶高: ha1=ha*m=1 ha*=1顶隙 c=c* m=0.2 c*=0.2蜗杆齿根高: hf1=(ha*+ c*)m=(d1-df)=1.221蜗杆齿高: h1=ha1+hf1=(da1-df1)= (20-15.6)=2.22121蜗杆齿宽: b1=50 查表得蜗轮分度圆直径:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=62蜗轮齿顶圆直径:da2=d2+2ha2=62+2=64蜗轮齿根圆直径: df2=d2-2hf2=62-2.4=59.6蜗轮齿顶高:ha2=(da2-d2)/2=m(ha*+ X2)=1蜗轮齿根高: hf2=(d2-df2)=1(1+0.2)=1.221蜗轮齿高:h2=ha2+hf2=1.2+1=2.2蜗轮齿宽:b2=15 查表3.3.4 回转主轴及轴上零件的设计与校核1、尺寸与结构设计计算（1）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料 45 钢，调质处理。3PdCn根据机械设计表 11.3，取，于是得：112C 11mmd5 .141005 . 011231该处开有键槽故轴径加大 510，且传动轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了与减速器输出轴直径保持一致。取；1dmmd341。mmL501（3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足大带轮的轴向定位的要求 2 轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取 2 段的直径，长度。dh07. 0mmh3mmd392mmL472 初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承mmd3926208，故，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩mmdd4073mmll2773高度轴肩高度，取，因此，取。dh07. 0mmh5 . 2mmdd4564 齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度mmd901B=95mm，齿故取。另考虑到齿轮端面与箱体间距 10mm 以及两级齿轮间95l位置配比，取，。mml774mml66（4）轴上零件的周向定位查机械设计表，联接大带轮的平键截面。mmmmmmlhb458102、强度校核计算（1）求作用在轴上的力根据机械设计（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则NtgFFNdTFntrt75.6852007.1884tan07.1884109028.249223NFp5 .1095（2）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 6208 型深沟球轴承，由手册中查得 a=18mm。因此，轴的支撑跨距为 L1=90mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭12矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 MH、MV 及 M 的值列于下表。载荷水平面 H垂直面 V支反力F，NFNH11431NFNH12622，NFNV22371NFNV15162C 截面弯矩 MmmNLFMNHH8518532mmNMLFMaNVV14555132总弯矩mmNMMMVH168646145551851852222max扭矩mmNT 249280（3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，6 . 0轴的计算应力：13MpaMpaWTMca61.28351 . 02492806 . 0168646)(32222已选定轴的材料为 45Cr，调质处理。由表 15-1 查得。因此70MPa1 -，故安全。1 -ca（4）键的选择采用圆头普通平键 A 型（GB/T 10961979）连接，联接大带轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚mmmmmmlhb45810Mpap11076Hr动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。6m3、轴上零件的选择与校核（1）轴承根据前述计算选用的轴承为 6203 型深沟球轴承。 由滚动轴承样本可查得,轴承背对背或面对 面成对安装在轴上时,当量载荷可以按下式计算：22221123418209723511.70ANHNVNRFF0aAF222222231091004925199.37BNHNVRFFN32779129484843aBaaFFFN 计算动量载荷在设计时选用 6208 深沟球轴承,查手册知079.20,65.88CkN CkN根据,查得1 48430.0736065800iA0.27e 48430.192225199.37BAeR查得 所以1,0XY1 25199.37025199.37BPXRYAN 校核轴承的当量动载荷已知,所以28000hLh143366606023.74280002072.227.591010hnLCPkNC故选用该轴承合适。（2）联轴器根据联轴器的计算转矩选择联轴器的类型；联轴器的计算转矩：9550wwwcztztnPTTK KK KK KK KTn式中 理论转矩，N.mT 驱动功率，kWwP 工作转速，r/minn 动力机系数；电动机取 1.0wK 工况系数，查表可得取 1.25K 启动频率，查表可得启动频率120 时，可取 1.0zK 温度系数，查表可得，取 1.0tK 公称转矩，N.m，见各联轴器参数表。nT代入各数据可得：9550131.31 .wwwcztztPTTK KK KK KK KN mn考虑到电动机输出轴的直径是 42mm，主轴端部轴径为 40mm，两端的轴径不同，且必须满足，最终确定联轴器型号为型无沉孔基本型cTnT4JM 联轴器。（3）键 选择键联接的类型和尺寸联轴器处选用单圆头平键，尺寸为mmmmmmlhb3678 校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP120键的工作长度mmbll32283621，合适 PPMPadlkT5 .82243285 . 055. 921021311153.2 手臂伸缩机构设计3.2.1 受力分析P 驱=P 惯+P 摩+P 密 在此估算所有参与臂部伸缩运动零件的总质量为=20KgM（1）P 惯-手臂在运动过程中的惯性力 因演示系统对速度没有严格的要求,故可设正常运动速度 V=0.005m/s,设0.1 秒加速到正常运动速度则启动加速度 a=0.05(m/s2 )所以 P 惯=a=200.05=1(N)M（2）P 摩-摩擦阻力矩P 摩=2fg=20.12209.8=47.02(N)M（3）P 密-本系统对密封并无严格要求,故忽略不计所以 P 驱=P 惯+P 摩+P 密 =1+47.02=48.023.2.2 伸缩电机及丝杠选择在根据结构设计,知螺旋副公称值为 T264即中径 d=26mm 螺距 t=4mm 牙形角 =30所以 中径 d2=d-0.5t=26-0.54=24mm ，螺纹头数 n=1所以，当量摩擦角 v= arctg = arctg =7.04） 2/cos(f15cos12. 0摩擦角 = arctg = arctg =3.042dtn2414.341由此可知摩擦力和惯性立力共同产生的转矩为T1= (P 惯+P 摩) d2/2 tg(+v)/1000 =(1+47) 12tg10.12/1000=0.122(Nm)现在考虑丝杠及其附带零件所产生的惯性矩现在考虑丝杠及其附带零件可以看作是半径 24mm 质量 1.5 千克的光轴,起转动惯量 JS 丝 = m 丝R2 =12221=1.0810-3 Kgcm3丝杠角速度 =25( rad/s)t2 0.00405. 014. 32启动时间为 0.1 秒则丝杠产生的驱动力矩16T2=J 丝 /t=1.0810-4 253.14/0.1=0.085(Nm)所以电机驱动最小力矩为 T 驱=T1+T2=0.122+0.085=0.207( Nm)根据实际需要和整体布局,要选大点的电机使臂部平衡,综合选择 90BF003型步进电机。3.3 腕部升降机构设计3.3.1 受力分析下面来计算腕部升降所需的驱动力手腕腕部结构图 3-4 腕部结构受力分析上图给出了整个腕部的受力情况。随着腕部的移动,由腕部结构的重量Gw，手指和工件的重量 Gs 将在 A、B 两点形成压力 N1、N2，从而形成摩擦力 F1 和 F2,而电机提供的力矩应能克服 F1F2 腕部所有结构的重量 Gqw 。由力矩平衡得： N130=Gw44+Gs(65+44)估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=35N 所以,N1=N2=64.4(N)3010944GsGw3010984. 7445 .24 F1=F2=N1f=64.40.11=7.08(N)所以加在螺母上的全部轴向力 P=Gqw+2F1=35+2*7.08=49.168(N) 考虑启动时的惯性力、震动和机构效率的影响，其实际的驱动力 PSJPK21K17 其中 K1安全系数，取 K1=1.2 V 1.6 K2 工作情况系数，取 K2=1+a/g a: 机构的加速度 机械效率 取 =0.85 所以驱动力矩为 Tq= PSJ(d/2)tg(+v)/1000 =75.978tg(8.247+4.55)/1000=0.138（Nm）3.3.2 升降电机及丝杠选择（1）根据上述驱动力的计算结果，查阅资料，选用 55BF003 型步进电机可满足要求。（2）校核螺旋副的自锁性。根据结构设计，公称尺寸 d=18mm,梯形螺纹牙型角 =30,螺距 t=4mm, 中径 d2=d-0.5t=18-0.54=16mm螺旋副为钢青铜，取摩擦系数 f=0.14所以，当量摩擦角 v= arctg = arctg =8.2） 2/cos(f15cos14. 0摩擦角 = arctg = arctg =4.552dtn1614. 341 v ，满足自锁条件。3.4 腕部回转机构设计3.4.1 受力分析驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕启动所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支撑处的摩擦力距，动件与缸壁、端盖等处的摩擦阻力距，以及由于转动件的重心与转动轴线不重合时所产生的偏重力距。而对于本系统来说，参与手腕转动的零部件很多，如果每一件都去校核的话，即太烦琐，也没有必要。所以我们将整个回转部件分为 4 个部分。 1）转轴，包括与之相连的螺母、垫母、轴承内圈等。2）手部电机，包括电机罩等。3）手部换向变速箱，可将它视为 65*65*70mm 的一个重 0.4mm 的长方体。4）手指工件，可将它看成是一个 70*60*50 的长方体，重 0.8 公斤，重心位置距回转轴线为 65 毫米，由此，手腕回转驱动力矩 Mq=Mg+Mm+Mf 其中：Mg 惯性力矩。 Mp 参与转动的零部件的重量对转轴产生的偏重力矩。18 Mm 手腕的转动轴与支撑处的摩擦力矩。 Mf 手腕密封装置处的摩擦阻力矩。下面我们分别计算上述四个力矩。（1）手腕启动时产生的惯性力矩， Mg 设 手腕转动的角速度 = /6/s 启动过程时间为 t =0.4s 则 J1=1/2M1R2电机罩及电机可看作一个半径是 50mm，重 0.45 公斤的圆柱体。则 J2=1/2M1R2=1/20.45(0.5/2)2变速箱的转动惯量 J3=1/2M3(a2+b2) =1/20.4(0.652+0.652) =1.6910kgcm23 手部机构的转动惯量 J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2 =1/20.8(0.072+0.0.62)+0.80.0652 =6.7810kgcm23由此可知， Mg=(J1+J2+J3+J4) / t =(0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678) /6/0.4=0.0113(NM) （2） 摩擦力距， Mm 先估算两轴承部位所受的压力。图 3-519则根据力的平衡， 所以，N=20.4N256598. 08 . 0 再考虑其他因素影响，附加一定系数， 可令，N1=N2=35（N） 又由轴承部位尺寸， D1= 0.02m D2=0.015m 所以，Mm=f/2(ND1+N2D2) =(0.012/2) 35(0.02+0.015)=0.00735(NM) （3）偏重力矩，Mp根据结构设计知，其余部分重心在回转轴线上，因此不产生偏重力矩，只有手爪部分产生偏重力矩，所以，Mp=G4e=65=0.50(Nm) (4)密封处的摩擦阻力距 本系统是电机驱动，对密封没有严格要求，这部分阻力距可以咯去不计。3.4.2 回转电机的选择综上所述，考虑一定的安全系数。有Mq=1.1(Mg+Mm+Mp)=1.1(0.0113+0.0074+0.50)=0.570(Nm)据此数据，可选用 60LY003 型直流力矩电机。3.5 吸盘俯仰机构设计及吸盘选择3.5.1 俯仰电机及丝杠的选择（1）俯仰力计算由初始设计可知，G=200N则 N=G3K方位系数，他与手指和工件的形状，以及手指夹持攻击的方位有关。3K此处，按手指是水平放置，夹持垂直的工件，V 型指端夹圆形棒料的情况考虑。取=2.7643Kfsin5 . 017. 070sin5 . 0其中 型手指半角 ，由结构设计可知 tg=2.75 故 =70f为其与工件的摩擦系数，取 0.1720所以 N =K3G=2.7645=13.82(N)丝杆通过销轴的向上的拉力（驱动力）是 P，作用与手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 。滑槽对销轴的反作用力为 P1 和 P2。且其延长线交 A 、B 点，由于OB 和 OA 为直角，故 AOC =BOC = 1O2O。根据轴销的力平衡条件得： P1=P2；P=2P1cos由手指的力矩平衡条件得：h=Nb1P 因为 = P1 ，h=1P cosa所以， P= 2b cos N2a 式中， a 手指的回转支点到对称中心距离 工件被夹持时，手指的滑槽方向与两回转支点线间的夹角，结构设计时取a =25 mm ，b =35mm = arctg17/25 = 34.22 所以，销轴或螺母所受力（驱动力的反作用力） P = 2b cos N2a =26.461（N） 考虑工件在加工过程中产生的惯性力、震动及传力机构效率的影响，其实际的驱动力为： Ps P21KK 其中： K1安全系数，一般取 1.21.6， K2工作情况系数，且 K2=1+a/g A:机构的加速度。 机械效率 Ps P=42.2(N)21KK 95. 08 . 9/1 . 015 . 14 .26 （2）扭距计算我们先来计算一下螺旋升角。校核一下此丝杆，螺母机构是否满足自锁条21件。根据结构尺寸，丝杆的公称直径 d=12mm螺距 t=2mm螺纹头数 n=1所以，丝杆中径 d2=d-0.5t=11mm 螺纹升角= arctg=arctg=3.312dtn1114. 321螺纹的当量摩擦角v= arctg = rctg=5.91cosf15cos1 . 0其中：f,是摩擦副间的摩擦系数取 0.1是螺纹牙形半角取 15v 所以，此丝杆螺母机构可安全自锁下面来计算驱动力距Tq=T1+T2+T3其中 T1螺旋副摩擦力矩 T1=F(d2/2)tg(+v) (Nm) F 螺旋副轴向载荷 ,N D2螺旋副中径 ， M v 当量摩擦角 螺旋升角 T2(T3)是端面摩擦力矩，此处不计故 Tq=T1= F(d2/2)tg(+v) =42.2(11/2) tg(3.31+5.91) =0.04N（3）电机的选择至此，根据上述计算，我们得出了丝杆上应具有的扭 距，据此，根据步进电机产品样本手册，选用 45BF003 型电机可以满足要求.3.5.2 吸盘转臂的设计机械手的精度设计要求工件定位准确，吸取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的吸取能。机械手能否准确吸附工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定22位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手吸附误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的吸附误差分析。吸附误差不超过3mm，分析如下：工件的平均半径： =45mmCPR26030吸盘长 L=120mm，取 V 型夹角02120偏转角： =64.341cosLsinRcp1cos60sin12045按最佳偏转角确定： =64.34计算理论平均半径 120sin60cos64.34=45mmcosLsinR0因为 min0maxRRR2222max2max21asinLacossin2)sin(LRLR 2222224044.36sin201404.346cos06sin601202)06sin60(2011.4842222min2min22asinLacossin2)sin(LRLR 222222404.346sin2014044.36cos06sin301202)06sin30(2010.166所以=1.4843吸附误差满足设计要求。3.5.3 吸盘的选择（1）真空吸盘吸持工件的动力学分析在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上，使用真空吸盘来吸取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持，真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需23要配置独力的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是 压空气通过收缩的喷腾后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。真空发生器的结构及参数设计，可以根据需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来吸取物体，可以根据物体的不同形状实现任意角度的传递。在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘的受力分析进行动态分析。如图 3-6 所示为真空吸盘用于水平位置工作时的安装方位。在图 3.1 吸盘水平安装时，除了要吸持住工件负载外，还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。图 3-6 真空吸盘的安装位置 （2）真空吸盘的选取为了确保真空吸盘能完成给定的任务,需考虑一定的安全系数,根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数 N 一般取 2.5，因此,许用提升重量= 理论提升重量/N=垂直提升力/N 表 3.1 吸盘直径、面积、垂直提升力参数表吸盘垂直提升力（N）吸盘直径 D(mm)1013162025324050吸持面积（cm）0.7851.332.013.144.918.0412.619.6吸盘垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.145.328.0412.5619.6432.1650.478.4由上表可知，当工件重量为 2kg 时，许用提升重量为 19.6N，欲使安全系数达到要求，只需满足2.5垂直提升力许用提升重量 （3.1）即可，由表 3.1 选取吸盘直径为 40mm 即可满足考虑到吸附物的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加 10%左右。24因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小 10%。综合上述，所选吸盘参数为：吸盘直径 D=40mm， 吸盘吸持面积A=12.6，吸盘个数 n=1，真空压力 P=0.04MPa。（3）真空发生器设计真空发生器用于产生真空，结构简单，体积小，无可动机械部件，安装和使用都很方便，因此应用很广泛，真空发生器产生的真空度可达到 88kpa，真空发生器的工作原理如图 3-7 所示。它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管 1、负压腔 2、和接收管 3 等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度，在真空口 A 处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。图 3-7 真空发生器的结构原理图真空发生器的结构简单，无可动机械部件，故使用寿命长。真空发生器的耗气量是指供给拉伐尔喷管的流量，它不但由喷嘴的直径决定，还与供气压力有关。同意喷嘴直径，其耗气量随供气压力的增加而增加，如图 3-8 所示。喷嘴直径是选择真空发生器的主要依据。喷起直径越大，抽吸流量和耗气量就越大，真空度越低；喷嘴直径越小，抽吸流量和耗气量越小，真空度越高。25图 3-8 真空发生器耗气量与工作压力的关系图 3-8 所示为真空度特性曲线。由图可知，真空度存在最大值 Pzmax，当超过最大值后，即使增加供气压力，真空度不但没有增加反而下降。实际使用时，建议真空度选为（63%-95%）Pzmax。图 3-9 真空发生器耗气量与工作压力的关系在真空吸盘的选取时，已确定真空压力为 0.04Mpa，由图 3.3、3.4 可得，该真空发生器耗气量和真空度分别取 5L/min，-0.002Mpa。（4）其他元器件的选用一个完整的真空吸附系统还包括真空过滤器 、 供给阀 、 破坏阀等 ， 真空过滤器的选择 ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空发生器的最26大流量 24L/min， 满足需求， 真空节流阀选择 KLA 系列单向节流 KLA-L6，公称通径是 6mm，有效截流面大于 5mm2,泄露量小于 50cm3/min,单向阀开启压力为 0.05Mpa。供给阀设置在压力管路中，选择一般的换向阀 AB31、AB41 系列多流体二位二通直动截止电磁换向阀，型号：AB310-1-6，公称通径 5mm，AB 接管螺纹ZG1/8，有效截面面积 15.3mm2,有效截面面积大于真空发生器喷嘴儿面积的 4倍，供气口得连接管内径大于喷嘴直径的 4 倍，减少供给回路的压力损失。真空换向阀设置在真空回路中，必须选择能用在真空条件下的换向阀，真空换向阀要求不泄露，故选择用截止式和导膜片式结构比较理想，选择09270、09550 系列多种流体二位二通先导膜片式电磁阀，型号：0927000，接管螺纹 1/4in,通径 8mm,换向频率大于 0.5HZ。第 4 章 基于 Pro/E 的三维设计及仿真4.1 Pro/E 三维设计软件概述Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如 ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer 软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0creo2.0 等等都是指软件的版本。Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机27上。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。但是无法在零件模块下隐藏实体特征。（2）基于特征建模Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（3）单一数据库（全相关）Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer28软件的其它模块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。4.2 三维设计4.2.1 臂部回转机构臂部回转机构如下图示：图 4-1 臂部回转机构4.2.2 臂部伸缩机构臂部伸缩机构如下图示：29图 4-2 臂部伸缩机构4.2.3 腕部升降机构腕部升降机构如下图示：图 4-3 腕部升降机构4.2.4 腕部回转&吸盘俯仰机构腕部回转及吸盘俯仰机构如下图示：30图 4-4 腕部回转及吸盘俯仰机构4.2.5 总体装配模型本次设计的五自由钣金机械手的总体装配模型如下图示：图 4-5 总体装配模型4.3 运动仿真在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/E 中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。PROE 的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括 Mechanism design（机械设计）和 Mechanism dynamics（机械动态）两个方面的分析功能。使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动31机，来实现机构的运动模拟。使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等
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