数控锡丝焊接机结构设计

I分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕 业 设 计 (论 文 )数控锡丝焊接机结构设计所 在 学 院 机 械 与 电 气 工 程 学 院专 业 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化班 级姓 名学 号指 导 老 师2012 年 3 月 31 日II诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文数控锡丝焊接机结构设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）： 年 月 日I摘 要随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如 PCB 板数控锡丝焊接机、大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，数控锡丝焊接机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将数控锡丝焊接机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。因此数控锡丝焊接机的设计对于解决这一难题至关重要。本课题主要完成数控锡丝焊接机运动学的逆解、车体的总体设计、电机的选择等方面。完成对整个数控锡丝焊接机的总体设计。通过对小车的受力分析完成对车轮、车体的设计。根据实际操作中遇到的问题对完成对电机的选择。最后对所选的齿轮进行校核，使之能完成具体的操作要求。关键词：焊接技术 机构设计 运动学逆解 强度校核 IIAbstractWith the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems. The main subject of the completion the robot inverse kinematics solution, the body design, the choice of motor and so on. The main robot inverse kinematics from the perspective of a cycle through the end of the known actuator position posture against the solution of the coordinates of the joints, and then completed the whole set up of the robot. Force analysis of the completed car wheels, car body design. According to the actual problems encountered in the operation of the completion of the motor choice. Finally, the gear selected for verification, so that it can complete the specific operating requirements.Key Words: Robot technology The goes against solution Intensity is proofreadedIII目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第一章 绪论.11.1 选题的依据及意义 .11.1.1 选题的依据 .11.1.2 选题的意义 .11.2 研究现状及发展趋势 .21.2.1 移动数控锡丝焊接机的研究现状及发展趋势 .21.2.2 数控锡丝焊接机机构设计的研究现状及发展趋势 .31.3 本课题的研究设计内容及方法 .31.3.1 三自由度数控锡丝焊接机机构运动学分析 .41.3.2 数控锡丝焊接机结构设计 .4第二章 数控锡丝焊接机构总体设计.62.1 工业机器人机械臂概述 .62.2 机械臂设计原理 .62.3 导向杆手臂机构的选用要点 .62.4 方案讨论 .72.5 本章小结 .7第三章 数控锡丝焊接机结构设计.83.1 小车行走结构设计 .83.1.1 车体结构方案的比较与选择 .83.1.2 小车驱动电机功率的确定 .93.1.3 齿轮、齿条传动的校核 .123.2 其他部位结构设计 .143.2.1 齿轮间隙的调整机构 .14宁波大红鹰学院毕业设计（论文）IV3.2.2 末端执行器的设计 .163.2.3 末端执行器设计要求 .163.2.4 末端执行器的设计 .173.2.5 电机的选型与计算 .173.2.6 腕部结构设计 .183.2.7 机械臂电机的选型与计算 .193.2.8 整体结构设计 .203.3 本章小结 .21总结与展望.22致 谢.23参 考 文 献.24第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题的依据及意义1.1.1 选题的依据PCB（PrintedCircuitBoard） ，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷 ”电路板。针对 PCB 板焊接自动化水平低的现状：目前用于焊接 PCB 板自动焊专机，我国的 PCB 研制工作始于 1956 年，1963-1978 年，逐步扩大形成 PCB 产业。改革开放后 20 多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板 和多层板均获得快速发展，国内 PCB 产业由小到大逐步发展起来。中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相对较低，成为发展势头最为强劲的区域。2002 年，成为第三大 PCB 产出国。2003 年，PCB 产值和进出口额均超过60 亿美元，首度超越美国，成为世界第二大 PCB 产出国，产值的比例也由 2000 年 的 8.54%提升到 15.30%，提升了近 1 倍。2006 年中国已经取代日本，成为全球产值最大的 PCB 生产基地和技术发展最活跃的国家。我国 PCB 产业近年来保持着 20%左右的高速增长，远远高于全球 PCB 行业的增长速度。 从产量构成来看，中国 PCB 产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多层板，而且正在从 46 层向 68 层以上提升。随着多层板、 HDI 板、柔性板的快速增长，我国的 PCB 产业结构正在逐步得到优化和改善。然而，虽然我国 PCB 产业取得长足进步，但目前与先进国家相比还有较大差距，未来仍有很大的改 进和提升空间。首先，我国进入 PCB 行业较晚，没有专门的 PCB 研发机构，在一些新型技术研发能力上与国外厂商有较大差距。其次，从产品结构上来看，仍然 以中、低层板生产为主，虽然 FPC、HDI 等增长很快，但由于基数小，所占比例仍然不高。再次，我国 PCB 生产设备大部分依赖进口，部分核心原材料也只能依靠进口，产业链的不完整也阻碍了国内 PCB 系列企业的发展脚步。1.1.2 选题的意义通过完成该课题，即设计出 PCB 板数控锡丝焊接机及对其进行运动学分析，能够解决在焊接过程中焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为宁波大红鹰学院毕业设计（论文）2同一速度，进而能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高 PCB 板的生产质量。1.2 研究现状及发展趋势这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的 PCB 板三自由度数控锡丝焊接机（为移动数控锡丝焊接机）是为提高焊接自动化水平的，故这里为移动数控锡丝焊接机的研究现状及发展趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法 5。1.2.1 移动数控锡丝焊接机的研究现状及发展趋势这里所设计的移动数控锡丝焊接机为有轨移动数控锡丝焊接机，只是现有的移动数控锡丝焊接机技术在 PCB 板焊接中的应用，是该领域的焊接自动化水平低的缘故，而当前的移动数控锡丝焊接机技术有相当的发展。随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，数控锡丝焊接机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将数控锡丝焊接机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。当前国内外在移动数控锡丝焊接机方向研制的几个典型移动数控锡丝焊接机如下：(1) 韩国 Pukyong 国立大学的 Kam B O 等研制的舱体格子形构件焊接移动数控锡丝焊接机这种数控锡丝焊接机能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程,能够自动寻找焊缝的起始点。在遇到格子框架的拐角焊缝时,在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下,能够自动调整数控锡丝焊接机本体和十字滑块的位置 4。(2) 日本庆应大学学者 Suga 等为平面薄板焊接研制的自主性移动数控锡丝焊接机该数控锡丝焊接机能够直线前进,还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯,它装焊枪的臂可以伸缩，可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状,如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等 5。(3) 日本庆应大学学者 Suga 等研制了管道焊接自主移动数控锡丝焊接机该数控锡丝焊接机可以沿着管道移动 ,根据 CCD 摄取的图象信息,在焊前可以自第一章 绪论3动寻找并识别焊缝,然后使数控锡丝焊接机本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置 5。(4) 清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式移动数控锡丝焊接机该数控锡丝焊接机的焊炬跟踪精度可达0.5mm,能够满足实际工程应用 3。(5) 上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接移动数控锡丝焊接机该数控锡丝焊接机在焊前,小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态；在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪 8。当前绝大多数移动数控锡丝焊接机还能焊缝跟踪,焊前必须通过人为的方式,把数控锡丝焊接机放到坡口附近合适的位置,并且通过手动将数控锡丝焊接机本体、十字滑块等调整到合适的待焊状态 ,也就是说数控锡丝焊接机的自主性还很低,基本上还不具有自主的运动规划能力。未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是移动数控锡丝焊接机的控制所采用。1.2.2 数控锡丝焊接机机构设计的研究现状及发展趋势在当前，数控锡丝焊接机的机构设计绝大部分还是采用依据具体的情况来设计专用数控锡丝焊接机，称之为固定结构的传统数控锡丝焊接机，其运动特性使特定数控锡丝焊接机仅能适应一定的范围,不利于数控锡丝焊接机的发展。解决这一问题的方法就是利用关节模块和连杆模块,根据具体的要求开发可重构数控锡丝焊接机系统。下面为当前一些人所做的研究：(1) Benhabib 等人建立的数控锡丝焊接机库,将模块分成模块单元连接器、连杆模块、主关节模块和末端关节模块四类 13；(2) 1999 年 DanielaRus 等提出了一种由晶体结构 “分子”组成的可自重构数控锡丝焊接机系统 13；(3) 上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等对模块化数控锡丝焊接机的构形设计进行了研究 13。1.3 本课题的研究设计内容及方法宁波大红鹰学院毕业设计（论文）4本课题所涉及的内容主要是两块，分别为关于PCB板三自由度数控锡丝焊接机机构的运动学分析，该数控锡丝焊接机车体结构的设计。1.3.1 三自由度数控锡丝焊接机机构运动学分析(1) 机构方案根据实际的PCB板的焊接条件，我们采用三个运动关节的数控锡丝焊接机：左右平移的数控锡丝焊接机本体1、上下平移的十字滑块2和做摆动运动的末端效应器3（如图1.2） 。图 1.2 三自由度数控锡丝焊接机关节模型（俯视图）(2) 证明该方案能够求出三个关节的运动学逆解，并且该解满足一定的约束，能够有效的解决在PCB板在直线段中焊接的焊缝成形与在波内斜边段中焊接的焊缝成形不一致。(3) 所要解决的问题熟悉运动学逆解的方法、建立运动学模型、找出变换关系、逆解。(4) 方法齐次坐标变换方法。1.3.2 数控锡丝焊接机结构设计由于在这里借用了一个现成的运动关节上下平移的十字滑块，故这里所做的设计主要为小车行走机构（即左右平移的数控锡丝焊接机本体1） 。所要解决的问题及任务：小车行走机构：车体结构方案的确定，驱动电机功率的估计，驱动电机的选择传动第一章 绪论5的校核。其它：摆动关节电机的选择等。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）6第二章 数控锡丝焊接机构总体设计2.1 工业机器人机械臂概述随着科技的发展人类的生活也向自动化靠拢，作为自动化中不可缺少的机器人渐渐地融入我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一部分。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。在自动化生产领域中，工业机械人是近几十年发展起来的，而工业机器人的各个部件也随之发展。工业机械臂的是从工业机器人中分支出来的。机械臂是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。手臂机构是工业机器人间接与工件、工具等接触的部件，它能帮助手爪完成人手的部分功能。手臂以辅助手爪为主，并且承受手爪的全部重量，包括手爪抓取重物后重物的质量。目前，根据被抓区工件、工具等的重量 、所要到达的位置等，现有的机械臂有导向杆导向式和燕尾槽导向式两种。也有少数的特殊形式。2.2 机械臂设计原理机械臂的设计原理是以人的手臂为基础，以机械拉伸和收缩来实现人的动作，它的动作由以下两部分来实现：手臂轴向的伸长、手臂总体的以末端为支点的俯仰动作。工业机械手臂的结构是基于模组块系统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。在设计上考虑维修的简单性。维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。2.3 导向杆手臂机构的选用要点由于工业生产中导向杆机械臂的应用较为广泛，因此本设计着重对导向杆机械臂机构进行研究。1. 应具有足够的推拉力 机器人的手臂机构靠液压缸的液压力实现手部结构的伸缩和升降，便把工件从一个位置移动到另一个位置，由于工件本身的重量以及移动过第二章 数控锡丝焊接机运动学分析7程中产生的惯性力和振动等，液压缸必须具有足够大的液压力，才能防止工件在移动过程中摆动。一般要求液压力 N 为工件以及手臂重量的 23 倍。2. 应具有足够的俯仰角 手臂为了实现升降以及伸缩，必须具有足够大的俯仰角度来适应较大的移动范围，对于移动式手部要有足够大的移动范围。3. 应能保证工件的可靠定位 为了使工件、工具与目的地保持准确的相对位置，必须根据要求的目的地，选用相对应的液压缸来定位。4. 应具有足够的强度和刚度 手臂除了受到工件、工具的重量，还要受到液压缸本身的重量，还受到机器人手不在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度会发生折断或弯曲变形，因此对于受力较大的手臂应进行必要的强度、刚度计算。5. 应适应被抓取对象的要求 为了适应工件的载荷，可以选用 V 型、燕尾型、园柱导向杆型的导轨。6. 尽可能具有一定的通用性 手臂一般专用性较强，在可能的情况下，应考虑到产品零件的变换。为适应不同形状和尺寸的要求，可将手臂制成组合式结构，迅速更换不同的手臂部件及附件来扩大手臂机构的使用范围。也可在设计时适当选取其结构尺寸和参数以扩大其使用范围。2.4 方案讨论导向杆制造工艺性、导向性好，可以承受较大的轴向力，且其适用场合是轻型机械；燕尾槽导向的导轨尺寸紧凑，用镶条调整见习 ，比较方便，但是制造比较复杂，磨损不能自动补偿，且一般用于高度小的部件中；V 型导轨有利于排屑，但不易保存润滑油，而且一般用于低速。本设计做的是工业机器人机械臂设计，而工业机器人体现的就是快速性以及准确性，所以工业机器人都是轻型为主。综合以上情况，该设计选用导向杆导向。2.5 本章小结本章主要介绍数控锡丝焊接机结构机械臂的机械结构方案的设计及方案的选择和确定。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）8第三章 数控锡丝焊接机结构设计3.1 小车行走结构设计这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。3.1.1 车体结构方案的比较与选择根据一些移动数控锡丝焊接机本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：方案 1：其中传动顺序为：电机 齿轮箱 车轮轴上齿轮 （通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动数控锡丝焊接机本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。方案 2：其中传动顺序为：电机 圆柱齿轮 固定齿条 （通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。方案间的比较：表 1 两车体机构方案的比较方案比较 方案 1 方案 2设计方面 较复杂 较简单结构方面 稍复杂 稍简单布置方面 对称点 有点偏移效率方面 较低 较高精度方面 高 稍差 3 机械手臂的设计 9用材方面 一般 有长齿条根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车的移动效率高一点，精度要求并不是很高， 。故可从表 1 可选择出方案 2 作为该小车的设计结构方案。3.1.2 小车驱动电机功率的确定(1) 电机功率的估计根据数控锡丝焊接机的重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。这里先分析车轮的受力情况： vPXmgUN图 3.1 车轮受力简图假设在运动过程中，轮子做纯滚动。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）10设小车运动时的加速度为 ，相应的车轮角加速度为 。dvt dwt根据 可推得：vwr1wdvtr其中 v 为小车速度，w 为车轮角速度，r 为车轮的半径。图 3.1 画出了该小车的车轮在运动过程中的受力简图，图中P 车轮上的载荷， m 车轮的质量，N 地面对车轮的法向反作用力，U 为车轮的切向反作用力，X 车轮轴的车轮的推力。根据平衡条件有dvUt（3.1） fwrMJt（3.2）为车轮滚动阻力矩，其值为 ；J 为车轮的转动惯量。f N根据式（3.1） 、 （3.2）有（3.3）2fMJdvXmrt由此可知，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力 和由旋转质量产生的加速阻dvmt力 所组成。2Jdvrt齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为 ， 进而可将dM理解为小车的实际驱动力， 为齿轮的半径。dMr r故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得：（3.4）04()ddvXmrt其中 为数控锡丝焊接机总质量。0将式（3.4）中的 X 带入上式得； 3 机械手臂的设计 110244fdMJdvmrtr（3.5）由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和数控锡丝焊接机的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。可根据式（3.5）粗估出驱动力矩：其中：车轮半径 ， （查理论力学 P120 表 5.2 滚动60rm2摩阻系数 。 ） ， ； 4t估为 40kg ,车轮质量估计为 0.8kg ,J 估计为 ，0m 2-4mkg10.6N；(0.8)1944gN由于这里的焊接速度为 ，故可一定程度上估出 。min2. 2dvst将上述数据带入式（3.5）得：29.4Md进而根据要求的运行速度为 v ,初步确定电机的功率 P：dvKMr（3.6）其中：K 为估计系数，考虑到该数控锡丝焊接机其上的关节的运动，可取为 5。解之得：P =645w(2) 电机的选择前面已初步估计出了驱动力矩，电机的功率。在实际的操作中，数控锡丝焊接机的驱动，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到步进电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在数控锡丝焊接机无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）12这里选定步进电机为驱动电机，考虑到在实际的选择中应考虑到一定的裕度。这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机：型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；电压：120-310v相数：2 ；电流：6 A;静转矩：270 ；cmkg空载运行频率： ；18转动惯量： ；23.1.3 齿轮、齿条传动的校核这里齿轮、齿条的传动是按照结构联系上来设计的，故这里对齿轮进行弯曲强度校核、接触强度校核。其参数为：齿轮直径 ，齿宽为 ，模数为 ，齿数为 80。m8035m1前面也对驱动力矩做出估计并给出转速， ， 。29.4Mdvin.这里参考机械设计P209 里的带式输送机减速器的齿轮传动设计进行校核。由于这里的齿条可以理解为半径无穷大的圆柱齿轮，故不存在疲劳强度是否符合要求，对齿条的强度无需校核，这里只需校核齿轮的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度。选定齿轮类型、精度等级、材料(1) 这里以直齿圆柱齿轮齿条传动。(2) 该数控锡丝焊接机速度不高，故选用 7 级精度（GB10095-8 ） 。(3) 由机械设计表 10.7 选择齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为280HBS，齿条材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者材料硬度差为40HBS。按齿面接触强度校核 3 机械手臂的设计 13按照机械设计公式（10.9a）进行校核：2132. EdHKTZu（3.7）(1) 确定公式内的各计算数值(a) 计算载荷系数 K根据 ，7 级精度，由表 10.8 查得动载系数 ；min2.1v 05.1Kv由机械设计表 10.2 查得使用系数 ；1A直齿轮，调质，及 。查机械设bFtA mN06.3540129. 计表 10.8 的 ； .HK由机械设计表 10.4 查的 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时， 31.2080.21H b2d（ +.6）将数据带入后得： K由 查机械设计图 10.3 得 ；35.6,.2.1Hbh 1.0FK故载荷系数。1.051.6.345AvH（b）齿宽系数 。0.4357d（c）由机械设计 表 10.6 查得材料的弹性影响系数 。8.19ZE21Mpa（d）由机械设计图 10.21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限。60limHMpa（e）由机械设计 式 10.13 计算应力循环次数。716031(2405)6.4810hNnjL（f）由 机械设计图 10.19 查得接触疲劳系数 。9HNK（g）JI 计算接触疲劳许用应力宁波大红鹰学院毕业设计（论文）14取失效概率 1%，安全系数 ，由机械设计式（10.12）得1Slim0.95670HNKMPa（h）由于这里是齿轮、齿条传动，故可认为传动比 u将上面计算的各项数据带入式（3.7）得： 19.4d而这里设计该传动的齿轮半径 ，显然满足接触疲劳强度。m80按齿根弯曲疲劳强度校核这里按照机械设计公式（10.5）进行校核： 132FaSdYKTz(1) 确定公式内各计算数值(a) 由机械设计图 10.20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 50FEMpa(b) 由机械设计 图 1.18 查得弯曲疲劳寿命系数 .92FNK(c) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 ，由式（10.12）得1.4S10.92538.64FNEK(d) 计算载荷系数 K 1.051.05AvF(e) 查取齿形系数由机械设计表 10.5 查得 2.8FaY（f）查取应力校正系数由机械设计表 10.5 可查的得 1.73Sa(2）计算 0.23m而这里设计的是 ，显然满足弯曲疲劳强度，故校核结果符合要求。1结论综上，所设计的齿轮参数(齿轮直径 ，齿宽为 ，模数为m8035 3 机械手臂的设计 15)符合要求。m13.2 其他部位结构设计3.2.1 齿轮间隙的调整机构(1)为了保证较高的传动精度，其各对齿轮都设计有消除齿轮间隙的调整机构。选择偏心套筒， 其调整方法为：首先松开锁紧螺母，将专用扳手插入调整孔转动偏心衬套 ，以调整齿轮啮合的偏心距，消除传动间隙，最后拧紧锁紧螺母。(2)在转轴的连接上，采用了一种结构新颖，工艺简单的弹性万向联轴器， 轴 承 ; 2-偏 心 套 ; 3调 整 孔 4-机 体 ; 5锁 紧 螺 母 ; 6-圆 锥 齿 轮 ; 7-联 轴 器76543211-轴承；2-偏心套；3-调整孔；4 机体；5-锁紧螺母； 6-圆锥齿轮；7-联轴器图 3 间隙调整结构宁波大红鹰学院毕业设计（论文）16这种联轴器由金属整体加工而成。其两端为夹紧轴的结构，有两个螺钉，一个用来顶紧轴，防止轴相对转动；一个用来锁紧，防止轴的轴向松动。联轴器中段为刻有螺旋槽的弹簧式结构，使其在轴向、周向都有较大的柔性，以致能朝任意方向弯曲。能补偿两轴不同轴的偏斜以及轴向长度偏差。此外它还能起到缓和冲击、衰减振动的作用。为了保证手臂操作过程中安全可靠，在关节 1、2、3 电机轴上各装有一个电磁制动阀。当手臂切断电源时，关节 1、2、3 产生制动，使手臂保持原有姿态，电磁制动阀原理如下图所示。当手臂电源被切断时，弹簧 1 把活动压块紧压锥形块 4 ，而锥形块 4 与轴 5 是固连的。由于摩擦，轴 5 被锁住。当手臂电源接通时，电磁铁 8 通电产生磁力，把活动压块 6 吸向电磁铁，即与锥形快 4脱开，于是轴 5 便能自由转动。由于手腕重量和尺寸都非常小，故其关节4、5、6 上没有设置这种制动阀。3.2.2 末端执行器的设计机器人的关节结构分为转动关节和移动关节两种形式。本文中采用转动关节形式，这种结构简单，控制容易。参考人的手臂，本文机械手臂设计成两个摆动和一个回转关节。如图 3.1 所示。机器人的机械臂是由基座、手臂、手腕和末端执行器组成。1-弹 簧 ; 2支 柱 3-螺 母 ; 4锥 形 块5轴 6活 动 压 块 7定 位 块 8电 磁 阀9电 机 支 撑 件 0电 动 机 51098671-弹簧；2-支柱；3-螺母；4-锥形快；5-轴；6-活动压块；7-定位快；8-电磁阀；9-电机支撑件；10-电动机图 3.2 电磁制动阀工作原理图 3 机械手臂的设计 171.摆动关节 2.摆动关节 3.回转关节 4.末端执行器 图 3.3 机械手臂的模型3.2.3 末端执行器设计要求末端执行器结构形式多样，但总的设计都有以下几点基本要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，手指握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏抓取物体；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落等现象。在确定握力时，除考虑抓取物体重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。（2）手指应具有一定的开闭范围，手应具有一定的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭范围（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离） ，以便于抓取或退出物体。（3）应保证抓取物体在手指内的夹持精度，应保证每个被抓取的物体在手指内都有准确的相对位置（4）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证自身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以便于减轻手臂的负载。宁波大红鹰学院毕业设计（论文）183.2.4 末端执行器的设计机械中提供驱动的装置和方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，丛中选择适合移动机械手的驱动方式。电机驱动机械手可以避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高。电机系统将电动机、测速机、编码器以及制动器组装在依次加工的课题里，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。而液压和气压驱动系统组成机构烦琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于移动机器人来说也是个无法实现的问题，对于移动机器人操作机械手臂所要求的位置精度，液压和气压驱动也很难满足。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。3.2.5 电机的选型与计算表 3.1 主要工程材料摩擦系数摩擦副材料 静摩擦系数黄 铜 0.27青 铜 0.22钢 0.3胶 木 0.34钢 纸 0.32树 脂 0.28硬橡胶 0.25铝合金石 板 0.26从表 3.1 可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于 0.3，所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数 ，则：0.3（3-1）螺纹增力比（3-2）1tanpQiMr式中 当量摩擦角， = ；tcf螺纹升角， = 1a2r98.GN第三章 数控锡丝焊接机结构设计19带入数据,得 , 得195.7pi（3-3）.12pQMmNi选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了北京和利时电机公司生产的 28BYG250C-SAFSM-L007 型步进电机，它的保持转矩为 90 ，满足设计要求。mN3.2.6 腕部结构设计手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。本文设计的手腕结构是回转结构，它可在空间内 旋转，进而扩大机械手的工360作范围。腕部采用伺服电机驱动，通过电机伸出轴和末端执行器连接，借助轴承来达到力矩的传递。通过轴承座将力传到壳体上，使电机轴只能传递力矩而不受其它力的作用。其结构如图 3.5 所示。1.末端执行器 2.手腕连接件 3.轴承 4.轴承座 5.电机 6.壳体 7.杆件 A图 3.4 腕部结构图手臂部分是机械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。臂部设计的基本要求：（1）承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲（而且不是一个方向的弯曲） ，也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以臂部做成空心的，这可以减轻自重，也提高了刚性，其内部可以布置各种机构，这样就是结构紧凑、外型整齐。（2）臂部运动速度要高，惯性要小宁波大红鹰学院毕业设计（论文）20在一般情况下，手臂的移动要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。（3）臂动作应灵活。（4）位置精度要高。本文设计的手臂是摆动关节，杆件 B 是为装配舵机设计成如图 3.6 所示结构，此时舵机自身也参与了杆件的组成，这样既节约了材料和设计空间，又增加了机械臂的刚度。杆件 C 是为了支撑舵机轴而设计，它与舵机的配合形成了机械臂的摆动关节，关节处无轴承配合，而是通过舵机摇臂和舵机主体之间的相对主动来实现关节驱动的。1杆件 B 2. 舵机 3.杆件 C图 3.5 杆件 B 与舵机配合图杆件 A 和杆件 B 通过螺栓连接即可形成一个完整的杆件，通过杆件 A 和 B 的组合设计具有以下几个优点：（1）使关节间距可调。通过调节 A 和 B 的长度，就可以调整机械臂中两关节的距离，使机械臂的长度可调。（2）调节机械臂的重心位置：舵机的内部结构是未知的，因此其重心可能不在其几何中心，而调整两者之间的距离可以平衡掉重心位置造成的不良影响。通过摆动关节和回转关节的组合就可以形成完整的机械手臂。3.2.7 机械臂电机的选型与计算人们往往关心的是机器人的末端位置和姿态，而舵机有非常好的位置可控性，带有精密的减速器，具有其他同等尺寸的电机无可比拟的输出力矩，因此我们选择舵机作为关节驱动器。机械臂的结构如图 3.7 所示，其中第