5自由度、五自由度工业机械手设计【5轴机械手】【含CAD图纸、三维模型、说明书】
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5轴机械手
含CAD图纸、三维模型、说明书
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摘 要本文设计了一个五自由度串联机器人，首先通过计算得到执行端所需要的驱动力矩，再以此为依据选出该关节所需的减速器和伺服电动机，设计出外壳和关节的连接结构，绘制3D图，通过软件的测量求出设计好的部分重心，求出下一个关机所需的驱动力矩，选出所需的减速器和伺服电动机，以此类推最终完成总体设计，并且绘制了串联五自由度机器人的工程图。关键词：五自由度 串联机器人 总体设计 伺服电动机 IVAbstractThis paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And finalcomplete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing.Key words: 5-dof serial manipulator overall design Servo motor II目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论1 1.1概述11.1.1机器人定义11.1.2机械手的应用简况11.1.3发展趋势1 1.2研究内容2第2章 搬运机械手结构设计3 2.1 机械手的组成3 2.1.1执行机构3 2.1.2驱动机构3 2.2 机械手的分类3 2.3机械结构设计与分析4 2.4传动、驱动方式的分析与选择4第3章 机器人手部的设计6 3.1手部设计要求6 3.2 驱动力的计算6 3.3两支点回转式钳爪的定位误差的分析8 3.4 手抓夹持范围计算8第4章 总体设计10 4.1总体设计参数10 4.2 设计原理10 4.3 传动设计10 4.4 关节处设计11 4.5 手臂设计12 4.6 整体设计13第5章 静力矩估算与电机、减速器的选择14 5.1 电机、减速器的选择14 5.1.1 手腕转动14 5.1.2手臂俯仰16 5.1.3小臂俯仰17 5.1.4大臂俯仰19 5.1.5大臂转动21 5.2手臂的校核计算22 5.3轴的校核23致 谢27参考文献28第1章 绪论1.1概述1.1.1机器人定义机器人、工业机器人、机械手，这些名词术语代表着不同的事物类别，但在概念上没有明确的区分，说明它们又有相似之处。参阅相关资料，世界各国对于这些名词术语至今还没有做出统一的明确定义，只有国际标准化组织以及各国工业协会提出的相关定义。美国机器人工业协会提出的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手”。尽管这一定义较实用，但并不全面。国际标准化组织的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机”1-3。关于我国机器人的定义，蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”工业机器人与机械手的主要区别是前者具有独立的控制系统，可通过编程方法实现动作程序的变化；而后者则只能完成简单的搬运、抓取及上、下料工作，一般作为自动机或自动线上的附属装置，其程序固定不变4-5。由此可见，不论如何进行定义，它们都有一个共性，即：都是一种集机构学、控制学、计算机学、信息学和传感技术学等多学科于一体的自动化装置。1.1.2机器人的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法10-12。1.1.3发展趋势目前国内工业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8-9。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、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，相应地发展通用机械手，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式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及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6-7。1.2研究内容在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。本文的主要研究内容为： 第一章从课题研究背景、机器人的国内外现状、机器人的主要发展趋势等方面给大家做一个简要的介绍；第二章为搬运机械手的结构设计，给出机械手的总体设计参数，传动方式，总体结构的设计；第三章机械手的详细设计重点介绍了机械手的手爪部分的设计,对此机械手的部分零件进行了展示与分析；第四章机械手的详细设计重点介绍了机械手的总体设计，传动设计；第五章机械手的详细设计重点介绍了机械手的电机选择，轴的校核； 第2章 搬运机械手结构设计2.1 机械手的组成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。2.1.1 执行机构手臂的内孔中装有传动轴，可以吧动作传递给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中二指的应用最为广泛。可根据夹持对象的大小和形状配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘13-15。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的3个自由度都要精确的定位。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。2.1.2驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。液压驱动机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统。气压驱动式，其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成。其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。电气驱动是目前机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型持重以达400kg），信号检测、传动、处理方便，并且可以采用多种灵活的控制方案。机械驱动式 只适用于动作固定的场合，一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确定可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其它还有采用混合驱动的，即液气或电液混合驱动。2.2 机械手的分类一、按用途分类为：（1）专用机械手专用机械手是专门为一定设备服务的。简单实用，目前在生产中运用的比较广泛。它一般只能完成一两种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编写控制程序来获得更多的工作程序，以适应多种作业的需要。（2）通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的，它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性16-18。2.3机械结构设计与分析机械结构设计包括末端执行器，手臂、腕部、机座和行走机构的设计。本机械手的机械结构设计主要涉及如下四部分内容：1、 末端执行器，俗称手爪，是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。 2、腕部，又称手腕，是连接手臂和末端执行器的部件。其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由腕部来实现末端执行器在作业空间的姿态坐标。3、臂部，又称手臂，由动力关节和连接杆件等构成，用来支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。4、机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式和移动式两种。其直接支承和驱动手臂部件，实现臂部回转。2.4传动、驱动方式的分析与选择传动方式的选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。驱动源常用的方式主要有：液压驱动、气压驱动、直流电机驱动和步进电机驱动四种基本类型。交流电机驱动是新近发展起来的一种驱动方法19-21。经分析比较并考虑系统的整体平衡性，本机械手拟采用远距离连接传动、间接驱动。驱动源采用步进电机和液压缸，传动装置采用齿轮传动。各关节所采用的传动方式分别为：(1)机座回转的腰关节：由步进电机进行传动，将垂直回转转换为水平回转。(2)大臂俯仰的肩关节：由关节装置直接驱动。(3)小臂俯仰的肘关节：同大臂俯仰传动方式。(4)手腕摆动的腕关节：由电机驱动，与齿轮相连接，将电机的旋转运动转换成手腕的旋转运动。另外，手爪回转由直流电机直接连接液压缸驱动，手爪开合由液压驱动气缸实现。经综合分析，构型和自由度分配图如图2-1所示。图2-1 构型和自由度分配图第3章 机器人手部的设计3.1手部设计要求(1)应具有足够的握力在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(2)手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。(3)应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(4)应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。3.2 驱动力的计算如图3-1所示为滑槽式手部结构。拉杆3端部固定安装着圆柱销2，当拉杆3向上拉时，圆柱销就在两个手指1的滑槽中移动，带动手指1绕O1与O2两支点回转，夹紧工件。拉杆3向下推时，使手指1松开工件。图3-1 滑槽杠杆式手部受力分析 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于O1OB和O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 (3-1) (3-2) (3-3)销轴对手指的作用力为P1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 (3-4)因为 (3-5) 所以 (3-6)式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=300-400。这里取角=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： (3-7)式中 手部的机械效率，一般取0.85-0.95； K1安全系数，一般取 1.2-2； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120，=30时，拉紧油缸的驱动力P和Pc计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 (3-8)把已知条件代入得当量夹紧力为由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 (3-9)得 (3-10) 取 , , 则 3.3两支点回转式钳爪的定位误差的分析如图3-2所示，钳口与钳爪的连接点E为铰链联结，如图示几何关系，若设钳爪对称中心O到工件中心O的距离为，则 (3-11)当工件直径变化时，x的变化量即为定位误差，设工件半径R由Rmax变化到Rmin时，其最大定位误差为 (3-12) 其中l=68.5mm ，b=5mm ，a=30mm ，2=120 ，Rmin=15mm ，Rmax=30mm代入公式计算得最大定位误差=68.34-68.07=0.270.8故符合要求。图3-2 带浮动钳口的钳爪3.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为34mm，手指长为100mm。当手抓没有张开的时候，如图3-3(a)所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R1=25mm，当张开60如图3-3(b)所示，最大夹持半径R2计算如下：所以机械手的夹持半径从。(a) (b) 图3-3 钳口持半径第4章 总体设计4.1总体设计参数根据此次设计的机器人具体应用场合和实际应用要求，主要的设计参数要求如下：(1)抓取的重物：5kg；(2)机械手的自由度数：5个；(3)运动参数： 底座旋转： 角速度：3.14rad/s； 支撑杆俯仰：线速度：0.3m/s； 上杆旋转： 角速度：3.14rad/s；(4)运动行程： 底座旋转： 360 ； 支撑杆俯仰：60120； 上杆旋转： 3600 上杆俯仰： 0 -904.2 设计原理本设计结构上总体采用了关节型设计，关节型的好处是传动原理简单、结构紧凑、所占空间体积小、相对的工作空间大、还能绕过基座周围的一些障碍物等特点。机器人的腰部和手腕都采用了关节型，这对与某些需要精细操作、精确定位同时操作又要简单快捷的工作是相当有好处的。4.3 传动设计因为底座需要驱动整个机械手，转动惯量和质量都很大，伺服电机的额定转矩一般比较小，达不到要求，所以采用大功率直流电机驱动，经减速箱减速，再驱动机器人腰部以上结构，结构图如图4-1和图4-2所示。 图4-1 底座内部结构图 图4-2底座传动内部结构图 直流电机安装在底座的箱体边，箱体中是减速器结构，用于减速和提供更大的扭矩。电机与箱体固定，电机输出的扭矩传导到减速器上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，从而推动箱体及其以上部分转动。4.4 关节处设计腕部，又称手腕，是连接手臂和末端执行器的部件。其功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由腕部来实现末端执行器在作业空间的姿态坐标。腰部结构用来连接底座与大臂。腕部结构如图4-3所示，腰部结构如图4-4所示。 图 4-3 腕部结构 图 4-4 腰部结构 4.5 手臂设计臂部的设计要求：结构和尺寸应满足作业任务的工作空间要求；根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和力矩，以减少驱动装置的负荷：减少运转的动载荷与冲击，提高运动的响应速度；设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动精度和刚度，提高定位精度。大臂结构如图4-5所示，小臂结构如图4-6所示。 图 4-5 大臂结构 图4-6 小臂结构4.6 整体设计该机械手的设计如下：腰转电机M1通过谐波减速器直接驱动腰部转动，为了减小惯量，大臂电动机M2和大臂M3电机分别布置在大臂关节两侧，并分别通过谐波减速器直接驱动各臂摆动。小臂，手腕，通过回转电动机M4、M5连接谐波减速器实现回转运动，手腕的摆动通过电动机连接双输出轴齿轮实现。结构图如图4-7所示。 图 4-7 整体结构第5章 静力矩估算与电机、减速器的选择在电机、减速器的选型中，首先要确定负载的工况。在此基础上对负载进行计算，从而确定配套的电机减速器型号，进而可以根据安装需要确定电机、减速器的安装结构。5.1 电机、减速器的选择5.1.1 手腕转动手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 (5-1)式中： M驱驱动手腕转动的驱动力矩（Nm）；M惯惯性力矩（Nm）；M偏参与转动的零部件的重量对转动轴线所产生的偏重力矩（Nm）；若手腕启动过程按等加速度运动，则所产生的惯性力矩： M惯=（J5+J51）（Nm） (5-2)式中 ：J6工件对手腕转动轴线的转动惯量。J61参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量；手腕转动时的角速度；t启动过程中所用的时间。盘状回转惯量计算： J=mr2(kgm2) (5-3)圆柱回转惯量计算： J= (kgm2) (5-4)杆绕端点回转惯量计算： J=mL2 (kgm2) (5-5)参与手腕转动的部件的质量m1=10kg,长100mm,质量密度等效均匀地分布在一个半径为50mm的圆盘上，那么转动惯量： J51=m1r2=0.0125 kgm2工件是质量m为5kg的普通碳钢棒料，质量分布情况为长200mm，直径66mm，那么转动惯量(仅考虑没有偏心距的情况M摩、M偏忽略不计）： J5= = =0.0167 kgm2所以： M驱= M惯=（J5+J51）=（0.0125+0.0167）=0.918Nm减速比 选用型号CS-8-50-U-G-A1-I的谐波减速器,其参数如表5-1所示。表 5-1 谐波减速器参数表规格单位CS-8-50-U-G-A1-I减速比150额定输出力矩Nm1.4起停允许最大转矩Nm2.6瞬时允许输入最大转矩Nm5.3最大输入转速rmp7000额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑油脂防滑等级IP65安装方向任意方向噪音值db63质量Kg0.56减速器的输入转矩： Ti=To/i=1.4/(90%50)=0.0311Nm式中： PW减速器的输入功率w T工作机转矩(Nm) n转速（r/min）电机输出功率为：电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD5AZG1，相关参数如表5-2所示。表 5-2 伺服电机参数表规格单位MSMD5AZG1电源电压V100额定转速rmp2000额定转矩Nm0.16额定电流A1.1额定功率kW0.05允许最高转速rmp5000质量Kg0.325.1.2手臂俯仰手腕俯仰时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱=M惯+M偏+M摩 M惯=（J4+J41+J42）（Ncm） (5-6)式中： J5工件对手腕俯仰轴线的转动惯量;J51腕部结构对俯仰轴线的转动惯量;J52参与手腕转动的部件对俯仰轴线的转动惯量。腕部结构由壳体、减速机、电机构成，质量分别为2.289kg、0.56kg、0.32kg，所以该部分结构总质量m2为3.169kg，总长度为165mm. 因为手腕平水行时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。设手腕、手部、工件绕自己的重心轴的转动惯量分别为JG2、JG1、JG，根据平行轴定理可得绕手腕关节轴的转动惯量的计算如下： J= J4+J41+J42= JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22 (5-7) 由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22，故可忽略不计，转动惯量为：J=m2L22+ m1L12+ mL2 =3.1690.07272+50.24562+100.39562=1.883kgm2惯性力矩 M惯=（J4+J41+J4）=1.883=7.9（Nm）减速机选用型号PAW055A-L2-100-2P-S1-B1-Y的减速器,其参数表如表5-3所示。表 5-3 谐波减速器参数表规格单位PAW055A-L2-100-2P减速比1100额定输出力矩Nm10瞬时允许输入最大转矩Nm30传递效率185%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑油质量Kg2.1安装方向任意方向噪音值db68减速器的输入转矩： Ti=To/(i)=10/85=0.1176Nm减速器的输入功率为： 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD5AZG1，相关参数如下5-4所示。表 5-4 伺服电机参数表规格单位MSMD5AZG1电源电压V100额定转速rmp2000额定转矩Nm0.16额定电流A1.1额定功率kW0.05允许最高转速rmp5000质量Kg0.315.1.3小臂俯仰机械手小臂俯仰运动的力矩的计算为: M惯=（J3+J31+J32+J33）（Nm） (5-8)式中： J3 工件绕关节3处转动轴转动惯量J31手部结构绕关节3处转动轴转动惯量J3腕部结构绕关节3处转动轴转动惯量J33小臂绕关节3处转动轴转动惯量小臂俯仰运动的角速度处于水平位子时，小臂最大转动惯量为： J=J3+J31+J32+J33=JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32 (5-9)式中: JG工件绕自身重心转动惯量JG1手部绕自身重心转动惯量JG2手腕绕自身重心转动惯量JG3小臂绕自身重心转动惯量L 工件重心与关节3处转动中心距离L1手部重心与关节3处转动中心距离L2手腕重心与关节3处转动中心距离L3小臂重心与关节3处转动中心距离由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22、JG3m3L32，故可忽略不计，转动惯量为：J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32 =8.5690.1832+3.1690.4482+50.5802+100.732=0.287+0.636+1.682+5.329=7.934kgm2M惯=（J3+J31+J32+J33）=7.934=27.69Nm选用谐波减速器型号CS-11-100-U-G-A1，其参数表5-5所示。表 5-5谐波减速器参数表规格单位CS-11-100-U-G-A1减速比1160额定输出力矩Nm32瞬时允许输入最大转矩Nm118传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg0.98安装方向任意方向噪音值db65减速器的输入转矩： Ti=To/i=32/（90%160）=0.222Nm减速器的输入功率为： 电机输出功率为： 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-6。表 5-6 伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32质量Kg8.1额定功率w100允许最高转速rmp3000按扭转强度法初算轴的直径： (5-10)式中: P轴传递功率kw n轴的转速r/min C由轴的材料和受载情况确定的系数（轴的材料为45钢，通常取C=106117） 轴段截面上有一个键槽，d增大5%,实取17mm。5.1.4大臂俯仰机械手大臂俯仰运动的力矩的计算为: M惯=（J2+J21+J22+J23+J24）（Nm） (5-11)式中： J2工件绕关节2处转动轴转动惯量；J21手部结构绕关节2处转动轴转动惯量；J22腕部结构绕关节2处转动轴转动惯量；J23小臂绕关节2处转动轴转动惯量；J24大臂绕关节2处转动轴转动惯量；大臂俯仰运动的角速度。处于水平位子时，大臂最大转动惯量为：J2+J21+J22+J23+J2=JG+mL2+JG1+m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32+JG4+m4L42式中： JG4大臂绕自身重心转动惯量；L 工件重心与关节2处转动中心距离；L1手部重心与关节2处转动中心距离；L2手腕重心与关节2处转动中心距离；L3小臂重心与关节2处转动中心距离；L4大臂重心与关节2处转动中心距离。由于JGmL2、JG1m1L12、JG2m2L22、JG3m3L32，JG4m4L42故可忽略不计，转动惯量为：J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32+ m4L42=22.714kgm2大臂俯仰惯性力矩为： M惯=J=22.714=23.804Nm选用谐波减速器型号LCS-20-160-C-I，其参数如表5-7所示。表 5-7谐波减速器参数表规格单位LCS-20-160-C-I减速比1160额定输出力矩Nm32瞬时允许输入最大转矩Nm87传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg0.98安装方向任意方向噪音值db65容许输入最大转速rmp6000减速器的输入转矩： Ti=To/i=32/(90%160)=0.222Nm减速器的输入功率为： 电机输出功率为： 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-8所示。表 5-8伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32额定电流A25.9额定功率w100允许最高转速rmp3000质量Kg8.1按扭转强度法初算轴的直径：轴段截面上有一个键槽，d增大5%,实取17mm。5.1.5大臂转动机械手大臂转动的力矩的计算为: M惯=（J1+J11+J12+J13+J14）（Nm） (5-12)式中: J1工件绕关节1处转动轴转动惯量J11手部结构绕关节1处转动轴转动惯量J12腕部结构绕关节1转动轴转动惯量J13小臂绕关节1处转动轴转动惯量J14大臂绕关节1处转动轴转动惯量 腰部旋转运动的角速度机械手大臂转动总的转动惯量为： J=J1+J11+J12+J13+J14= J1+J11+J12+J13+JG4+m4e42 (5-13)式中: JG4大臂件绕自身重心转动惯量e4大臂重心到转动轴线偏心距J1= =0.0167 kgm2 J11=m1r2=0.0125 kgm2 J12= =0.0092 kgm2 J13= =0.1129 kgm2 JG4=2.185kgm2大臂偏转惯量为： m4e42= 81.0440.3132=7.94 kgm2大臂驱动力矩为： M驱=J=53.848Nm选用谐波减速器型号LCS-25-160-C-I，其参数表表5-9所示。表5-9谐波减速器参数表规格单位LCS-25-160-C-I减速比1160额定输出力矩Nm64瞬时允许输入最大转矩Nm251传递效率190%额定输入转速rmp2000润滑全合成润滑脂质量Kg1.47安装方向任意方向噪音值db69容许输入最大转速rmp4000减速器的输入转矩： Ti=To/i=64/(90%160)=0.444Nm减速器的输入功率为： 电机输出功率为： 电机选用MSMD松下伺服电机，型号为MSMD012G1U，相关参数如表5-10所示。表 5-10伺服电机参数表规格单位MSMD012G1U电源电压V100V额定转速rmp2000额定转矩Nm0.32额定电流A25.9额定功率w100允许最高转速rmp3000质量Kg8.15.2手臂的校核计算一、手臂强度校核把手臂的截面设计成方形中空形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻手臂重量，使其经济、轻巧。手臂理论重，手臂长为450mm。较核：取51N。其受力如图5-1图所示。图5-1 手臂受力图图中，表示手部与工件总重； 表示手臂重量；表示机身关节处零件推力。取整130N 其中h为臂部的高度，b为臂部的腰宽，Q为所受的力。所以臂部结构满足要求。5.3轴的校核两实心轴的材料均选用45号钢，查表知轴的许用扭剪应力= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120。A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩T = 34.9N /m ；= 2680r /min ；P = 980W 8.9mm 因为轴是齿轮轴，所以可以将轴的轴径加工的大一点，以满足齿轮啮合时强的要求。齿轮的分度圆直径为40mm，齿轮两端装有轴承，加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为滚动轴承7003C，内径为17mm。b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。求作用在齿轮上的力 d=mtz=240=80mmFr=Fttan=246.75tan20089.8N 计算轴的支承反力在水平面上 FR2H=Fr-FR1H= 65.9N 在垂直面上 在水平面上，设定剖面为a,则a -a 剖面左侧 a -a 剖面右侧在垂直面上 合成弯矩，a-a 剖面左侧 a -a 剖面右侧 转矩已求解完成 判断危险截面a-a 截面左右的合成弯矩左侧和右侧一样大，扭矩为T，只要判断一侧如左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力a -a 截面右侧 c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数=0.2 ，=0.1a -a 截面左侧 查得，；查得绝对尺寸系数= 0.95，0.92；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 应力幅 平均应力 切应力 安全系数 查许用安全系数S=1.31.5，显然S S，则a -a 剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩T = 384.2， 转速 n = 237.5r/min ， 传递功率为P = 9.55598kw ，则=16.08mm 安装轴承部分轴径最小，由于整个轴上零件较复杂，在两轴承之间有齿轮，以及轴套和轴承，所以d 可取大一点，这里取d = 17mm，轴承部分= 17mm，轴承选为滚动轴承，轴承型号为滚动轴承7003C，其余根据结构确定。由于载荷不大，轴承选的较大，强度足够，这里不再详算。致 谢本文研究工作是在我的导师韩书葵副教授的耐心指导和不断督促下完成的，从开题到论文撰写到绘图结束，我所取得的每一个进步、绘制的每一幅图都无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪，从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。在此我要向我的导师韩书葵副教授致以最衷心的感谢和深深的敬意！在大学学习期间，机械设计制造及其自动化教研室的每位老师对我的学习、生活和工作都给予了热情的关心和帮助，使我的水平得到了很大的提高，取得了长足的进步。在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。参考文献1 郭洪红工业机械人技术J西安：西安电子科技大学出版社，2006,12:21-242 陈锡伍，袁亮，吴金强.串联机械臂的设计与仿真J.机床与液压，2015，43（9）：24-27.3 胡正义.桁架片搬运机械手优化设计及计算机仿真D. 武汉理工大学4王三秀,俞立,徐建明,邢科新,王正初.机械臂自适应鲁棒轨迹跟踪控制.J控制工程, 2015,3,22(02):241-245.5 国家 863 计划智能机器人专家组机器人博览M北京：中国科学技术出版社，200116 董克，刘明锐仿造人类智能M上海：上海交通大学出版社，200487 孙迪生，王炎机器人控制技术J北京：机械
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