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XXX设计（XX）中期检查表学生姓名学号指导教师选题情况课题名称多自由度机械手结构设计及分析难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度出勤情况好一般差工作进度快正常慢解答问题情况优良中差中期成绩评定：良专家组意见：该同学能够明确设计任务，并按照进度完成相关设计任务，设计工作有一定的进展；读书笔记内容合格，外文翻译能够按要求进行修改完成，且能够和课题相结合。开题报告表明该同学对机械手的相关知识有一定的了解和认识；同意继续进行毕业设计相关工作。 负责人： 2XX年4月21日XXX设计中期答辩记录学生姓名(+学号)：班级：课题名称多自由度工业机械手臂的机械结构设计 答辩组教师答辩时间20XX年5月15日答辩过程：（课题自述包含课题研究进展情况课题研究中所遇问题课题研究后续工作计划，80-100字；教师现场提问；学生回答）课题自述：目前已经完成了外文翻译、开题报告、读书笔记以及机械臂的三维造型和机械臂手抓的精设计。 遇到的问题有（1）如何实现自动化；（2）驱动装置的选择；（3）装配中的细节问题。 后续工作计划：（1）完成二维装配图；（2）对整体装配图进行爆炸图演示；（3）对机械臂进行静力学分析、动力学分析；（4）撰写毕业设计说明书。教师现场提问：1.问：机械手的结构？答：关节型机械手结构。2.问：如何选择机械爪？答：在网络上查阅大量资料，并结合相关书籍确定排样方案，选用连杆式手抓。3. 问：机械手驱动方式？答：电机、液压、气压三种驱动方式答辩组组长（签字）： XXX设计（论文）任务书学生姓名: 学 号: 专 业： 所在学院： 班 级： 设计(论文)题目： 多自由度工业机械手臂结构设计 起 迄 日 期: 20XX年 3 月 29日 7月 4 日 指 导 教 师: 院长（系主任）: 发任务书日期: 20XX 年 3 月 29 日XX设 计（XX）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：能够应用自然科学知识以及机械工程等相关领域的专业知识，解决机械装置或产品所面临的复杂工程问题；通过文献研究、实验试验、数学建模等方法，识别和判断工程问题的关键环节和参数，以获得数学模型，在设计阶段提供合理或最优化的解决方案；并能够在设计环节中体现创新意识，能够应用新知识、新技术、新方法解决实际机械装置问题，并综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。选择与使用恰当的现代工程工具和信息技术工具，对机械系统复杂工程问题进行分析与模拟，发现并理解其局限性。开展有效沟通与交流，提升团队合作能力；具有外文阅读与翻译能力、编纂工程文件和表达能力；能够通过应用现代网络与电子数据库等工具进行自主学习，了解机械设计的前沿理论及发展动态，不断适应机械工程领域快速发展和社会发展的需要。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求、成果要求等）：1)课题任务(1)对多自由度工业机械手臂结构进行设计；(2)建立机械手三维仿真模型；(3)进行机械手过程的运动学及动力学分析；(4)对前期设计进行机构或结构方面的改进和分析。2)技术及成果要求(1)定性要求：熟练掌握机械专业主要三维建模方法；加深对系统运动及动力学分析的理解；能综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识，提高学生工程分析能力。(2)定量要求：基于机械手基本原理，利用机械专业常用三维建模及工程分析软件，建立机械手仿真模型，进行机械手抓取过程的运动学及动力学分析，进行其结构设计的修改和完善，实现夹取装置的基本功能。要求所建模型由两个以上基本机构组成，零部件设计合理且符合工程应用标准；论文应对设计过程及分析结果进行合理的描述和阐释，并包含关键零部件的初步工程分析，形成符合要求的本科学位论文。XX 设 计（论 文）任 务 书3主要参考文献：1 宋吉来，俞建成等轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计J北京：微计算机信息2011 ,10(30):25-27.2 张毅刚，赵光权，孙宁等.TMS320LF240X系列DSP原理、开发与应用J .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2011 ,3(9):36-40.3 Jin Feng Sun,Xiao Yu Li,Wen Jun Li,Yong Zhang Zhu,Jun Wang,Quan Wang.Structure Design of Manipulator for Pot Seedling Transplanter andSimulation AnalysisJ. Applied Mechanics and Materials.J ,2014 ,6(20):35-58.4 Charlat, S. et al. Male-illing bacteria trigger a cycle of increasing male fatigue and female promiscuity. Curr.Biol.J ,2017 ,35(9):273-279.5 Hornett, E. A. et al. Evolution of male-killer supressionin a natural population. PLoS Biol.J , 2016 ,23(3):28-38.6 Jaenike, J Spontaneous emergence of a new Wolbachia phenotype.J ,2017 ,61(12): 2244-2252.7 Hurst, G. D., Johnson, A. P., Schulenburg,J. H. & Fuyama, Y. Malekilling Wolbachia in Drosophila: a temperature-sensitive trait with a threshold bacterial density.J，2015 ,56(1):699-709. 8 Hotopp,J.C.D.et al.Comparative genomics ofemerging human ehrlichiosis agents.PLoS Genet.2016 ,47(8):423-450.9 王建军.搬运机械手仿真设计和制作.J ,2012,9(23):98-102.10 高峰,冯培恩,高宇,周波,张强.挖掘机器人液压传动的伺服控制策略J. 北京：液压与气动.2018,7(30):54-66.11 熊新民，曹毅等智能机器人运动关节集成驱动控制器研究J北京：微计算机信息2012,20(15):84-90.12 机械制造专业毕业设计指导J.北京：化学工业出版社.2013,42(7):160-170.13 王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社.2018,5(6):36-45.14 张慧鹏,刘小琴，贾毅朝.基于PLC控制的工业机械手设计.J,2017,8(13):45-68.15 孙志礼.机械设计.M沈阳：东北大学出版社.2016,10(6):70-90.4本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2021年第45周3月29日4月11日明确课题任务，整理收集资料，查阅与课题有关的近5年的文献资料30篇左右，含外文资料10篇，互联网搜索；第67周4月12日4月26日撰写开题报告：学生应认真阅读指导教师指定的或自选的与毕业设计课题有关的、有代表性的参考文献资料，完成开题报告，开题报告格式应满足学校统一规定。外文翻译：学生应根据指导教师的要求，搜索毕业设计课题相关外文文献，并完成文献翻译，翻译内容应符合工程技术语言要求，文字流畅，格式应满足学校统一规定。第89周4月27日5月10日课题研究前期：依据设计参数，完成初始方案设计；完成初始模型构建；按要求完成读书笔记；形成论文章节初始安排；第1011周5月11日5月25日课题研究中期：依据设计要求，完成模型仿真、相关参数分析及模型修正改进；仿真数据整理；按要求完成读书笔记； 第1213周5月26日6月8日课题研究后期：比对设计任务，完善模型、仿真分析及相关数据处理，补充完善不足部分，对关键点进行设计改进。第1415周6月9日6月23日完成毕业设计并撰写毕业设计论文：学生应根据课题研究结果或设计成果，撰写毕业设计论文，其格式应满足学校统一规定。第1617周6月24日7月4日毕业答辩：学生应根据课题研究内容，完成相关资料整理，论文答辩所在系审查意见：负责人： 2021年3月25日学院意见：系领导： 2021年3月26日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，必须经过所在系主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（99级为7位数），不能只写最后2位或1位数字；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2003年3月21日”或“2003-03-21”。题目多自由工业机械手臂的机械结构设计学院专业学生姓名学号指导教师职称 XX完成时间：20XX年6月摘 要摘 要随着机械制造行业朝着自动化和智能化发展，工业机械手成为智能化工装置的重要组成部分，以机械手为代表的高端自动化装备得到了很好的发展，并且成为了工业机器人极其重要发展方向，多自由度机械手是这个大领域的研究对象中的重中之重。机械手替代人类做危险行为或精准行为，很大程度上拓宽了人们的活动范围，使人们可以更好的认识世界和适应世界，从危险、繁重或无聊重复的工作中脱离出来。通过毕业选题，确定了本次的毕业设计的题目是“多自由度工业机械臂手的机械结构设计”，本文通过一系列计算和构思，最终设计了一款电机、液压、气压联合驱动的多自由度工业机械手臂，类型为关节式，主要用于物料的搬运。本文对机械手大臂、小臂、腰座、腕部等进行了设计与分析，而且完成了总体装配图和二维图纸的绘制。对机械手的各零件进行力学计算来选择合适的零件，通过计算和校核扭矩和功率等，选择了合适的驱动元件。最后通过有限元分析对选型的结果进行了校核。关键词：四自由度；机械手；结构设计；有限元分析 - I -ABSTRACTMechanicalStructureDesignofIndustrialRobotArmwithMultiple DegreesofFreedomABSTRACTWithmachinerymanufacturingindustrytowardsautomationandintelligentdevelopment,industrialrobotsbecomeanimportantpartofintelligentchemicalplant,representedbymanipulatorofhigh-endautomationequipmenthasbeenverygooddevelopment,andhasbecomeanimportantdevelopmentdirection,industrialrobotsistheoneinthefieldofmultidegreeoffreedommanipulatorresearchobjectinthelist.Manipulatorinsteadofhumantododangerousbehaviororaccuratebehavior,toalargeextent,broadenthescopeofpeoplesactivities,sothatpeoplecanbetterunderstandtheworldandadapttotheworld,fromdangerous,heavyorboringrepetitiveworkout.Throughthegraduationtopicselection,determinethethegraduationdesigntopicismoredegreesoffreedomthemechanicalstructuraldesignofindustrialmechanicalarmhand,inthispaper,throughaseriesofcalculationanddesign,finaldesignwithamotor,hydraulicandpneumaticuniteddrivemoredegreesoffreedomofindustrialmechanicalarm,typeofjointtype,itismainlyusedformaterialhandling.Inthispaper,themanipulatorarm,arm,waistseat,wristandsoonweredesignedandanalyzed,andcompletedtheoverallassemblydrawingandtwo-dimensionaldrawing.Themechanicalcalculationofthepartsofthemanipulatortochoosetheappropriateparts,throughthecalculationandcheckthetorqueandpower,choosetheappropriatedrivingcomponents.Finally,theresultsofselectionarecheckedbyfiniteelementanalysis.Key Words：Fourdegreesoffreedom; Manipulator; Structuredesign; Finiteelementanalysis- V -目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论51.1 选题背景51.2 机械手研究概况21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 本次课程设计的意义和目的3第2章 机械手臂的设计方案62.1机械手的总体设计62.1.1 机械手结构类型62.1.2 机械臂总体设计方案72.2 机械臂腰部结构的设计82.2.1 机械手腰座结构的设计要求82.2.2 设计具体采用方案82.3 机械手手臂的结构设计92.3.1 机械手手臂的设计要求92.3.2 设计具体采用方案102.4 机械手腕部的结构设计112.4.1 机器人手腕结构的设计要求112.4.2本设计具体采用方案112.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计132.5.1机械手末端执行器的设计要求132.5.2机械臂末端执行器的运动和驱动方式142.5.3 机械臂末端执行器的典型结构142.5.4设计具体采用方案142.6机械手的机械传动机构的设计142.6.1机械臂传动机构设计应注意的问题152.6.2工业机器人常用的传动机构形式162.6.3 设计具体采用方案162.7机械手的驱动机构的设计172.7.1机械臂传动机构设计应注意的问题172.7.2工业机器人常用的传动机构形式172.7.3工业机器人常用的传动机构形式18第3章 理论分析和设计计算193.1液压传动系统设计计算193.1.1确定液压系统基本方案193.1.2确定液压系统的主要参数203.1.3计算和选择液压元件223.2 电机选型有关参数计算233.2.1有关参数的计算233.2.2电机型号的选择24第4章 机械手的关键零部件有限元分析264.1 有限元步骤及使用方法264.2 机器人主要零部件有限元分析284.2.1 轴的的有限元分析284.2.2 圆锥齿轮的有限元分析304.3 本章小结33第5章 总结与展望345.1总结345.2展望345.3机械手的经济性分析34参考文献36致 谢38- III -XXX- I -第1章 绪论1.1 选题背景机械臂是模仿人手和臂动作以完成规定作业的自动化操作装置，自从2013德国提出“工业4.0”的概念和中国印发“制造2025”战略计划以来中德合作进入新时代，两国在工业制造方面的对接越来越频繁，以机械手为代表的高端自动化装备得到了很好的发展，并且成为了工业机器人极其重要发展方向。工业机械手大都是机电一体化的产品，多自由度机械手是机械手这个大领域的研究对象中的重中之重。机械手的研究领域很多，包揽了机械领域、电子领域、信息理论、人工智能领域、生物领域、以及计算机科学领域，它是这些理论的结合，这些领域与机械手相符相承，早期这些领域的发展促进了机械手这门科学的发展对机械手的出现创造了条件，后来机械手的发展同样促进了这些领域的发展。我们为什么要研究机械手，我们研究机械手的目的是什么，在时间的长河中，我们一直不断地探索，不断地去发现与研究。我们希望发展机械手，因为当人们处于危险的工作时，或者要求极其准确的工作方式时，机械手可以上阵来替代人类需要做的危险行为，或者精准行为。在这个时候机械手很大程度上拓宽了人们的活动范围，使人们可以更好的认识世界和适应世界，实现机械自动化，从而让人们从危险、繁重或无聊重复的工作中脱离出来，这很大程度上是为人类的福祉而努力。机械手正在逐渐变得智能化，在人工智能发挥着重要作用的今天，操纵者与人工智能之间的联系正在不断深化。与人类相比，机械手具有运动速度快、承载重物、定位精度高等优点，还可根据外部信号自动进行各种操作。机械手是通过计算机编程来控制的机械装置，通过这种编程的机械手，我们在很大程度上提高了产品的质量，实现了生产的自动化，提高了生产效率。现在这个高新技术发达的时代，机械手的发展也需要不断加快脚步。机械手的诞生直至发展虽然只有短短的30年，然而它已近成熟渗透到国民经济、民用技术等诸多领域，具有十分广大的应用前景，甚至我们的生产生活已近完全离不开机械手，机械手焕出了十分强大的生命力。1.2 机械手研究概况1.2.1 国外研究现状H Fujimoto提出了一种基于采样间干扰抑的六自由度机械手视觉伺服控制方法。在控制器中，针对采样频率受限的一般数字控制系统，采用了作者提出的多- 27 -XXXXX速率采样间干扰抑制算法。所提出的具有开环估计和开关函数的前馈控制方案能够在不牺牲闭环特性的情况下抑制干扰。建立了视觉伺服系统中延迟问题的一个新的精确表达式，即图像处理延迟、摄像机信号采样周期与关节伺服系统控制周期之差以及内环关节伺服系统的延迟。通过引入新的多回路控制方案和深度辨识，提出的采样间干扰抑制控制器适用于具有运动目标点的六自由度机械手的复杂视觉伺服问题。SArima对六自由度机械手进行了详细的研究，通过运动学和动力学分析、逆运动学仿真和数据分析对轨迹的正确规划进行研究分析。因为运动算法的正确性不能直观展现出来，他通过使用C+来分析机械手的运动轨迹和空间运动路径的规划，基于MFC和OpenGL图形库开发了3D运动仿真软件系统IDE。他使用正向运动学，和运动仿真中结合轨迹规划的算法，并根据多项式的求导计算等数学方法建立数学立模型轨迹规划，使机械手得到了很大程度上的优化和提升。AGJ Kouabon和Melingui提出了一种求解高自由度冗余度机器手逆运动学问题的学习框架。这些有几种可能的组合来获得末端效应器（EE）姿势。因此，对于给定的EE姿势，可以关联多个关节角度向量。然而，对于给定的EE位姿，如果将一组关节角参数化，则冗余度机械手的IK问题可以归结为非冗余度机械手的IK问题，从而可以应用为非冗余度机械手开发的闭式解析方法来获得IK解。通过对冗余度机械臂的工作空间聚类和位形空间聚类，实现了冗余度机械臂关节的参数化。工作空间聚类采用生长型神经网络（GNG），配置空间聚类采用邻域函数（NF）。通过对冗余度机械手的仿真和实验，验证了该方法的有效性。1.2.2 国内研究现状我国机械手在很晚的时候才发展机械手，所以我国机械手的研发相对落后。80年代我国对机械手的研究才算正式启动。 1986年春天，我国正式启动了“七五”研究高新机械产品的规划，这成为解决我国机械手问题的关键一步。1987年的时候，我们国家研究人员将机械臂列入了“863”高新技术计划的研发项目。在当时，我国很多高校和研究机构都开始对机械手进行深度的研究，国家开始重视 和鼓励科技创新，所以我国机械手的研究在很短的时间里就取得了显著的成果。空间kdw-ii于1989年被开发，它甚至拥有惊人的10自由度，它全长69cm，重量为13kg，质量很轻。实现了前、后、上、和下楼梯时候的稳定状态和左右移动的稳定状态。在20世纪90年代科学家在kdw的平台卡座上多加了两组垂直接头零件，使机械手发展成为具有12个自由度和转弯功能的kdw，实现了机械手自由度的突破，并得到了长远的发展。 1996年科学家们使机械手实现了每秒0.8次的机械手抓取次数，步长20厘米-22厘米，最大工作坡度为19度。21世纪初期，我国第一台仿人机械手“先锋”在kdw-iii的基础上研制成功，可用于偏差小、不确定度小的动态环境，周期为每秒两步，高度1.4米，重量20公斤，具有头、眼、颈、身、臂、脚等功能，并具有一定的语音功能。老旧的机械手是欠驱动的，当抓取比较小的物体时。第一，物体很难被夹起，第二物体容易从手爪上面脱落。对于这个问题，马江涛提出一种新型的机械手结构，是一种欠驱动方式的夹取机器，对之前的机械手进行了优化和提升。他充分的介绍了他设计的欠定义型机械臂机械手抓和驱动机械手抓运动的伺服控制系统。创新了手爪的结构，通过对手指的静态分析，证实了手爪的灵活性和可操作性。他根据对刚度的计算公式，和矩阵势能模型，确定了机械手运行的合理范围，确定了机械手最佳抓取形状。通过多次的实验，他设计的机械手可以轻松的应对抓取物品的尺寸的变化。我们都知道，传统的机械手工作的范围十分的有限。通过团队的协作徐顶峰等人研究出了一款可变手掌机械手，这种机械手拥有双五杆滑块，滑块是并联安装的机构。,利用多目标遗传算法优化目标尺寸.结果表明曲柄的长度对机械手抓取范围影响最大,并确认了机构死点位置。近年来，著名的清华大学在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形机械手thbip-i。清华大学学生在985项目科研工作计划的不断推动下，对于机械手的研究日新月异。1.3 本次课程设计的意义和目的在研究机械手的机械结构和主要作用时，穿插着机械手型号、自由度，电机的选择，电路的设计和各零部件安装位置的确定都是十分有意义的。动作复杂的机械手的设计需要我们学习很多新知识并结合已学知识，使得设计的成果能更好东北电力大学本科毕业论文展现出来。机械手在我们的生活中已经占据了非常重要的地位，机械手的发展水平很大程度上决定了社会的发展水平。但是现阶段，我国很多原本可以由机械臂XXXXXX代替的工作却仍然由工人操作，这就导致我国普遍存在的一个问题是工人的劳动强度大而工作效率低下。所以我在选择毕业设计项目的时候就选择了机械手，希望能把我大学四年学的知识得到一个综合应用，希望我得到能力的提升。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统也很容易改变，这有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 这次设计中我对大学四年所学知识做了一个整合，希望能完成一个比较完善的机械手臂，能体现机械设计制造及其自动化专业学生的理论研究水平和实际动手能力。本设计的机械臂可以用于搬运、夹取工件，还可以和数控机床或者加工中心联合使用，以期获得降低劳动强度、提高劳动生产率的的效果。第2章 机械手臂的设计方案2.1 机械手的总体设计2.1.1 机械手结构类型目前，机械手的分类标准有很多种形式，常见的是按机械手结构分类，大体可以分为：关节型机械手结构，直角坐标系下机械手，圆柱坐标系机械手，球坐标系机械手，下面来介绍各种机械手机械手的结构和功能特点。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2.1 四种类型机械手示意简图(1) 直角坐标机械手结构 直角坐标机械手结构，顾名思义就是在直角坐标系下控制的机械手，这种机械手属于比较常见的机械手类别。空间对这种机械手的影响较小，且这种机械手的尺寸远远大于其他机械手。所以一般适用于机床加工时的换刀操作，运动形式较为死板。对本次毕设不太适用，如2.1(a)图所展示就是这种机械手结构。(2) 圆柱坐标机械手结构圆柱坐标控制的机械手可以实现以此旋转运动和两次直线运动，这是一种比较简单的控制方式，如2.1(b)图所展示的机械手结构。这种机械手的结构相对于其他机械手的结构来说是简单的，但是他的精度不错，可以很好地实现抓取的运动，工作的空间形状为圆柱形。(3) 球坐标机械手结构求坐标系机械手运动，两次旋转，一次直线运动，如图2.1（c）所示这种工作形式的机械手结构也相对简单，然而机械手抓取的精度和其它的相比也相对较低，所以这种机械手不经常被人们所使用。其主要的作用是作一些简单的抓取工作，并且在一个球形的工作区域内工作。(4) 关节型机械手结构关节类型的机械手就向我们的手臂一样灵巧，通过大臂带动着小臂一起运动，由三个回转体组成，如图2.1（d）所示。关节型的手的动作非常灵巧，他能简单地实现很多动作。而且他体积小，这部手的研究非常受欢迎。相对于机械手主体的尺寸，机械运作时候所需的空间大。这样的机械手适合被运用在机器制造业中，XXX例如机械手用于焊接技术、自动汽车喷漆涂漆、快递搬运等。2.1.2 机械臂总体设计方案关节式机械手是目前应用最广泛的电动机械臂，上世纪80年代发明的适合装配的平面关节机械手约占总机械手的1/2。综合考虑各种结构类型机械臂的优缺点，本次设计最终选择多关节型机械手臂。对机械臂来说自由度是一个非常重要的参数，自由度将直接决定了机械臂的类型和结构，甚至决定到机械臂能否按预期规划完成规定的动作、是否会出错等等关键问题。机械手的作用和机械手的工作环境决定机械手的自由度，机械手的自由度越是高，动作就越灵活，能完成的动作就越多。然而，自由度的增加必然使机械手的结构更加复杂，实现难度加大。因为此次毕业所涉设计的工业搬运机械手完成指定的搬运工作只需要4个自由度，所以本文设计了这种关节式的四自由度多功能搬运机械手，本设计中的机械手总共有四种动作，一是机械手臂的伸长缩短的直线运动，二是手臂的升高降低的直线运动，三是机械手的臂的回转运动，四是机械臂末端执行器需要的旋转运动（便于末端执行器的抓取工件），总共是四个自由度，对于多关节机械臂的要求是能实现两个方向的转动，和两个方向的自由平动。图2.2 机械手工作布局图以上全部关于自由度的安排是在综合考虑机械手臂的全面布局、具体细节和要满足具体工艺的条件下做出的，这样能够使得机械臂的结构比较简洁，也能具有较高的可靠度。为了减小成本，降低工艺流程，在尽量满足数控机床及加工中心的具体形式的情况下作出决定，令机械臂具有结构简单、手臂运动空间范围较大、机械臂手臂的定位精度较高。作出机械臂工作时候的简单布局图，如上图2.2所示。2.2 机械臂腰部结构的设计确定了总体布局方案后，对机械臂的各个部分进行分解分析，分解为底座、腰部、腕部、手爪，然后逐一进行详细的分析设计，首先进行机械手腰座的设计。2.2.1 机械手腰座结构的设计要求关节型工业机器人的腰部是圆柱坐标机器人、球坐标机器人和直角坐标系机器人的旋转基座，是关节型机器人的第一个旋转关节，机器人的所有运动部件都安装在该部位上，要承受机器人的全部重量，在设计机器人的腰部结构时，我们应该遵循以下设计原则：1.腰部底面也就是底板必须足够大，否则难以承受机器人全部重量。2.机械臂的腰座、腰部链接轴、和运动轴承的构造必须要能充分的低档运动时所产生的的阻力。3.机器人的腰是关节型机器人的第一个旋转关节，对机器人末端的动作精度产生最大影响，因此，特别需要注意腰轴系统和传动链的精度和刚性。4.腰椎的旋转需要驱动装置（电、油压、气压）链接减速器，驱动装置通常有速度、位置传感器和制动器。5.腰部的构造要便于安装和调整。腰和手的关节需要可靠的定位基准面，确保各关节的相互定位精度。设置调整机构，调整腰椎轴承的间隙和减速器的传动间隙。6.为了减小机器人运动部分的惯性，为了提高机器人的控制精度，腰的旋转部分的外围通常采用小铝合金。静止部分的底座可以采用铸铁和铸钢。2.2.2 设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势一般是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2.3所示：图2.3 腰座结构图2.3 机械手手臂的结构设计2.3.1 机械手手臂的设计要求手臂是一个重要部分，它的作用即是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械臂所规定的一定工作空间内的确定运动。通俗来说，就是它支撑被拿工件、其余关节和末端执行器、使得末端执行器能够拿取所需工件并且根据预先规定的路径将工件搬送到规定地方。机械臂的结构形式是由其运动情况、完成动作需要的自由度、被抓取工件的重量、抓取时候的受力情况和其余一些影响因素来决定的。以上这些因素导致机械臂整个系统质量一般比较大，受力情况较复杂。所以我们在设计机器人手臂时，一般应遵循以下几个通用原则：1.机械臂的刚度必须要足够，否则在运动过程中有可能会因为刚度不够而变形，也要合理规划手臂横截面应该有的形状。2.导向性好，为了避免运动过程中不必要的运动，手臂可以设计成正方形或花键。如果可能的话，我们应该使所有关节的轴线尽可能平行。如果有相互垂直的轴，它们也应该在一点相交。这一要求是为了简化机械手系统的正、逆运动学操作和机械手的控制动作。3.机械臂的尺寸必须满足工作空间。工作空间由机械臂的长度和机械臂关节的旋转角度决定。但是，机器人手臂边缘的工作空间不考虑机器人手臂的空间姿势。对于机器人手臂的姿势有具体要求的话，不考虑上述手腕的姿势，手腕边上的空间比工作空间小。4.尽量减小运动部件的质量，使偏扭矩小。在保证机械臂强度和刚度的前提下，降低机械臂的重量。你可以选择较轻的材料，如高强度铝合金，使武器。国外研究采用的碳纤维复合材料具有抗拉强度高、抗振性好、比重小（其比重相当于钢的1/4、铝合金的2/3）等优点。但是，这种材料很难获得，而且价格昂贵，经济性低。因此，设计一个好的机械手一般都要进行有限元分析，优化以减轻机械手的重量。5.机械手臂各个零件之间的空隙应该保持得小，来减少间隙带来的机械手精确度的问题。所以在选择每一个零件的时候要保证零件的可靠性，配合的稳定性。6.关节回转轴上机械臂的重量应该做到相对均衡，否则对电机负载的减小和机械臂响应速度的提升是非常不利的。设计过程中可以在机械臂上加装小的机电元器件或者小的机电装置来平衡手臂的不平衡重量，做到静平衡和动平衡。7.各关节要有限位开关还要设置有缓冲能力的限位块，要充分考虑到驱动元件、传动装置和其他必要元件的安装位置。本设计中采用的是多关节型机械臂，针对需要的搬运和夹取功能，它有十分突出的优点，动作灵活性好，动作角度范围大，工作的空间范围广。2.3.2 设计具体采用方案 机械手装置实现伸长，缩短，抬高，下降，都属于平面直线运动，可以实现这种功能的机械装置有电动机配合滚珠丝杠、气动传动、液压传动等。这里将机械臂的大小臂的配合运动看做一组直线运动，综合考虑工作环境及工作状况、需要抓取的工件重量的大小、机械臂刚度及强度要求和动态性能能否满足机械臂的使用要求。为了让机械手的工作状态更加的具有灵活性，和良好的运行性能，经过多次的比较、讨论后，该设计选用液压驱动方式作为大小臂的驱动方式，选用液压缸直接对大小臂进行驱动控制，可以很好的实现大小臂的直线运动。另外，液压缸由于其能提供很大驱动力矩的特性，可以很好的保证足够驱动力。为了满足机械手强度的刚度的要求，手臂上液压缸应该选择比较大一点。但是这些都要在整体结构允许的条件下才能进行，所以这块的设计要谨慎一点，综合考虑各种影响因素的影响，也要对机械臂的大小臂进行强度校核。与此同时，考虑到整体的结构水平，手臂不能太大。因此，底座部分选用双液压泵，增加刚度，这样机械手的运动刚度和稳定性能得以保证，机械臂的外形比较整齐美观，整体结构也比较紧凑。此次设计的机械臂在结构上，充分汲取了挖掘机原理中的优点，并作改进以期达到受力更加均衡的效果。如下图2.4即为具体的机械臂臂部结构。图2.4 手臂部位结构示意图2.4 机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。2.4.1 机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。2.4.2本设计具体采用方案通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度。本设计手腕和小臂设计在一起，可以简化设计工作量，实践证明这是完全能满足作业要求的，4个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕结构见图2.5。图2.5 手爪联结结构2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。末端执行器可以说是机器手的外围设备，及机械手臂末端工具（EOA）。本设计中末端执行器主要是对物料进行夹取及释放，因此，最终的效果必须设计有足够的夹紧力和驱动力，手指必须有一定的开闭范围，保证工件在手指中的夹紧精度，结构紧凑，重量轻，效率高，以考虑普遍性和特殊性要求。2.5.1机械手末端执行器的设计要求末端执行器作为安装在手腕上的附加装置,种类旁多,能够满足机器人不同工作情况和功能要求,一般用于搬运、喷涂、焊接和装配等。所以末端执行器有以下设计原则:1.作为安装在手腕上的附加装置，TEM最终效果可以满足机器人不同的工作条件和功能要求。通常用于搬运、喷涂、焊接和安装。本项目采用搬运的最终效果，可以调整工件和抓取要搬运的物体。加工的最终效果配有喷涂臂、焊接臂等， 用于相应的加工，最终效果设计原则如下：末端执行器应该根据操作要求设计，不同的工作场所需要不同的末端执行器。现在出现了一种机器人末端执行器快换装置，能够实现像加工中心刀库一样的功能。末端执行器的万能性较复杂，比如人手一样的手爪，难以实用化。目前，我国着重研发专用型末端执行器，着重提高其工作效率。2.机械手总的载荷能力是由末端执行器质量、所夹取工件质量等决定的。因此机器人末端执行器应该做到大小适宜、较为轻便、结构相对较为紧凑。3.机械手的多功能性意味着一个机械手可以执行多种功能，而机械手的多功能性则意味着最终效果适合不同的机器人，要实现最终效果的良好多功能性需要一个标准的机械接口使最终的效果达到规范性和通用性。通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。4.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。2.5.2机械臂末端执行器的运动和驱动方式最后的手爪一般称为夹持器，它有两个手指的挤压和多个手指的挤压，根据手指的运动方式，可分为旋转式和移动式，根据爪夹方式，可分为外钳式和内支撑式，有三种方式进行最后的效果：1.气动式，电磁阀控制末端执行器运动方向，气流阀来调节末端执行器运动速度。由于气体的可压缩性，气缸压缩气体时动作缓慢，比较柔顺，对于上下料来说，这一点弥足珍贵。另外，气动驱动系统普遍价格低廉，可以极大程度上满足经济性要求。2.电动式，目前来看，电动驱动系统驱动末端执行器是十分常见的。采用直流伺服电机或步进电机配合减速器，十分便捷灵敏。另外电动驱动方式使得末端执行器对于力与位置控制变得十分简单。当然电动式驱动方式有个致命的缺点就是电机会产生热量和火花，故而不能用于有防爆要求的条件下。3.液压式，液压驱动方式有传动功率大、低速平稳、有过载保护、传动布置灵活等优点。但是存在压力损失、工作性能受温度影响大，一般在高温或者低温环境下工作较为困难、对操作维护人员水平要求高等缺点。2.5.3 机械臂末端执行器的典型结构机械手末端执行器的典型结构是：抓握楔形杠杆，即利用楔形杠杆和杠杆来抓取工件；卡扣式、柱塞式、滑块式配合压住集尘器，具有启闭打击大、适用于抓取不同尺寸工件的优点；连杆式；在活塞的驱动下，连杆和杠杆使夹钳产生钳子运动或松脱，由于杠杆能施加很大的力，夹钳能产生较大的紧力，通常与弹簧配合使用；齿轮齿条集电器通过活塞驱动齿条，齿条带动齿轮转动，产生紧、松夹钳的动作；平行杠杆挤压，平行四边形机构可保证驾驶员双手在无导向架的情况下平行运动，摩擦力小。2.5.4设计具体采用方案结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆使手爪张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2.6机械手末端执行机构结构图所示：图2.6 机械手执行手爪结构示意图2.6机械手的机械传动机构的设计手臂部分在进行工作时，对于传动准确性的要求十分的严格，传动比必须的到确保才能使得机械手臂的平稳和良好的运行。结构紧凑这是机械手的必要的要求，如果机械手零件之间存在太多的间隙，那么机械手的精度下降，并且机械手的可靠性降低。紧凑的结构设计可以提高机械手在工业生产中的工作效率同时延长机械臂使用寿命，因此采取相应的措施使得机械臂结构更加紧凑是十分必要的。2.6.1机械臂传动机构设计应注意的问题在涉及传动机构的设计时我遇到了如下的问题，工作时如何提高运行速度和对物体控制的精度。之后我分析总结如下:1.各个零部件的选择材料时，在强度适宜的材料之中更轻更小的，结构更加紧密的，同时也应当充分考虑经济性。2.传动链及运动副中必须采用间隙调整以减小运动误差。3.静摩擦力要尽可能的小而动摩擦力应尽可能作成正斜率，基于此采用低摩擦阻力的传动部件如滚珠丝杠副等就显得十分必要。4.缩短传动链，提高传动与支承刚度。5.尽可能选用最佳传动比，这样可以大幅度提高加速能力。2.6.2工业机器人常用的传动机构形式机器人常用的传动方式为线传动、链传动、带传动、滚珠丝杆传动、齿轮齿条传动、气压传动等等。线传动的优点是机构精巧、制造简单，安装方便、维护方便，占地小；但也有易磨损、传动比不准确和需要预紧等缺点。链传动具有传递功率大，过载能力强，平均传动比准确等优点，也具有传动平稳性差，易跳齿，质量大等缺点。带传动有传动平稳，缓冲减振能力好，传递速度快，传动比大等优点，但是也有对于安装精度要求很高然而承载载荷的能力小的缺点。齿轮齿条传动的特点是动力大、功率高、响应快、传动比大；工作平稳、可靠，传动比精确，传动位置精确，易于控制，安装精度要求较高，几乎没什么缺点。气压传动，特点：成本低、质量轻、响应快、动作快；可重复次数少；接口处易漏气；输出力不大。谐波齿轮传动具有结构简单、体积小，传动比大，精度高、误差小、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。螺旋传动主要就是将旋转运动变换为直线运动，优点是传动比大，传动效率高。2.6.3 设计具体采用方案本设计中的手臂部分由液压缸直接驱动，此时的液压缸不仅是关节机构，还是动力元件，因此不需要中间传动机构。这样机械臂的结构比较简单，精度也得以提升。机械手腰部的回转运动采用进电机驱动，此处步进电机的选用是最为经济合适的，但是选用步进电机的缺点是，步进电机必须采用传动机构来减小速度和增大扭矩。经过综合考虑选择圆柱齿轮传动作为传动机构，这样不仅可以保证精确度较高，还可以增大扭矩和降低电机转速。在这种情况下机械手的运行是比较平稳的。圆柱齿轮传动采用一级齿轮传动，大传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。机械臂的末端执行器（手爪）则采用气缸驱动，利用活塞杆带动手爪的四杆机构形成夹取运动。2.7 机械手驱动系统的设计2.7.1 机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。液压驱动系统由于是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。2.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.7.3 设计具体采用方案具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为手臂重量较大，故大小臂均采用液压驱动；要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过气缸驱动来实现，即手爪在气缸推力作用下使手爪张开和闭合。第3章 理论分析和设计计算3.1 液压传动系统设计计算3.1.1确定液压系统基本方案液压传动有五个基本部件：驱动装置、泵、控制阀、发动机和负载。驱动装置是电动机或其他动力机器。液压发动机的功能与泵的功能完全相反。它将液压输入能转换为机械输出能，以促进装药的往复旋转或运动。将机械能转换为液压能的装置是一个能量元件，如液压泵；将液压能转化为机械能的装置是执行元件，如液压缸、液压机等，液压缸作直线运动，液压机作旋转运动。将二者对比如下表3.1所示。表3.1 液压系统对比表名 称特 点适 用 场 合双杆活塞缸双向对称双向工作的往复运动单杆活塞缸双向不对称往返不对称的直线运动柱塞液压缸结构简单单向工作靠重力返回摆动液压缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动小于180的摆动齿轮马达结构简单高速、低转矩回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转矩大低速、小功率大转矩回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动XXX本文设计中选用了液压驱动方式作为大小臂的驱动方式，可以很好的实现大小臂的直线运动。由于单杆活塞缸双向不对称、往返不对称的直线运动的特点，本次设计中液压缸则均采取单活塞杆液压缸以实现大小臂所需要的直线运动。3.1.2 确定液压系统的主要参数流量和压力在液压系统中起着决定性的作用，是确定液压元件和选择液压系统的基础数据，在液压系统中，压力决定外部载荷，零件的尺寸和结构特性决定流量。在液压系统主要参数的设计中，重点研究了液压系统的压力和流量，基于上面的话，通过以下的计算过程来确定液压系统的基本参数。1.液压缸载荷的计算与设计通过观察和计算液压缸的受力情况，通过式（3.1）计算液压缸的总载荷 （3.1）式中，外部施加的载荷，液压缸活塞伸缩时收的力；容器密封的摩擦阻力；液压缸导向装置阻力；回程回油阻力；（1）计算液压缸活塞伸缩时收的力 （3.2）启动的时间取做0.2s，将已知数值带入式（3.2），计算得液压缸活塞伸缩时收的力=1.02N（2）计算容器密封的摩擦阻力 （3.3）XXXX因为该液压缸在工作时的实际压力小于16MPa，在液压书上查得=0.2MPa；机器启动时的容器密封的摩擦阻力：564N机器运动时的容器密封的摩擦阻力：282N（3）计算液压缸导向装置阻力液压缸在水平方向上工作时，机械臂存在着内外两个逆向导管，北外导管之间的摩擦力可通过公式3.4求解 （3.4）式中的摩擦系数取0.1，把已知数据代入公式中得：=98N（4）计算回程回油阻力回程回油阻力通过以下公式计算： （3.5）式中，背向压力，通常取在0.30.5MPa ，我们取=0.3MPa ；两边差动比为2。将已知各个数据带入式3.5中，可得回程回油阻力N，通过总结计算，总结液压缸在不同时候的受力情况，得到液压缸的机械载荷总和为N。2.液压缸结构参数的确定 机械手的结构特点决定着液压缸的数值，机械手各部分的刚度和准确性能十分的重要。大臂和小臂液压缸在选择的时候也不尽相同。刚度在进行液压缸的选择是显得十分重要，通过适当的刚度以使得机械手的运动更加的安全与稳定。总和各种条件，选择液压钢的基本参数如下表：表3.2 大臂液压缸结构参数缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa4010254002 表3.3 小臂液压缸结构参数缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa4010251001臂液压缸主要承受轴向力，同时液压泵也作为臂部机构。它既是关节机构，又是动力元件。通过对比数据以及设计需要最终确定选两个大臂液压泵，和选两个小臂液压泵。3.1.3 计算和选择液压元件1.液压泵的计算与选择（1）通过计算来确定液压泵的工作压力 （3.12）式中，为4MPa；取为1MPa。通过上式计算清楚的看出液压泵的工作压力为 MPa （3.13）（2）确定液压泵的流量 （3.14）式中为泄露因数取1.1 （3.15）经计算得=3.140带入上式得L/min （3）计算得出液压泵电机的功率为 （3.16）式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L/min；液压泵实际工作压力，5MPa；为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。2.液压缸控制元件的选择和设计液压系统的最高工作载荷和最大实际流量，决定着元件的选择与装配，这部分考虑到时间的紧迫性和元件库元件的繁多性吧，这里选择跳过这一环节。3.2 电机选型有关参数计算3.2.1有关参数的计算1.若传动负载作回转运动负载额定功率： （3.17）负载加速功率： （3.18）负载力矩（折算到电机轴）： （3.19）负载GD（折算到电机轴）： （3.20）东北电力大学本科毕业论文起动时间： （3.21）制动时间： （3.22）具体到本文的计算数据，因为电机的主要作用是驱动机械臂的回转与动作，运动的传递形式属于第二种运动方式。下面对这些运动方式进行具体的计算。由于机械臂中间位置的运动只存在回转力矩，不存在其他形式的力，如此一来在回转轴上就存在如下的力矩； （3.23）计算得=0.12；同时，机械手臂中间位置的旋转速度为=5r/min；传动比定为1/120；并且，将已知数据代入求得：=10.45667。将其带入上式，得：W；W；启动的时间ms； 制动的时间ms；通过折算归结到电机轴上的负载转矩时：Nm。3.2.2电机型号的选择1.腰部电机型号选择根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301 ,该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下表3.4为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机相关技术参数，下图3.3为该步进电机矩频特性曲线。驱动方式：升频升压；步距角：0.36；其中步距角0.36，同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相当高的，完全能满足机械手的定位精度要求。表3.4 所选电机相关参数型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻（）保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）110BYG550B-SAKRMA-030150.36/0.7230.780.5图3.3 110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线2.臂部电机型号选择由于臂部电机负载较小，综合考虑，选用57STH76-2804A型号步进电机。下表3.6为57STH76-2804A型步进电机的相关技术参数。表3.5 57STH76-2804A型步进电机技术参数电机型号步距角（）相电压（V）相电流（A）相电阻（）相电感（mH）保持转矩（Nm）57STH41-2006A1.8/0.92.821.41.45057STH41-2804A5557STH56-2006A3.621.82.59057STH56-2804A2.512657STH76-2006A4.522.253.618957STH76-2804A33.6189XXXX第4章 机械手的关键零部件有限元分析通过上文对机械手的设计，我们初步的计算出设计的合理性，得出机械手部分材料的选择，本章将对前面的选型进行有限元分析，以证明设计的零件能够满足设计要求。4.1 有限元步骤及使用方法有限元方法的步骤：对于不同的具体物理数学特征量的性质问题及其相应数学特征模型的构成问题，有限元代数求解计算方法的理论基础和计算步骤都应该是一样的，只是具体计算公式的逻辑推导与代数运算构成求解题的方法不一样。有限元问题求解法是问题的一个基础求解步骤一般可以定义如下为：第一步：对具体问题和其用于求解问题领域的模型定义：我们依据数学实践理论中的具体问题近似模型来定义确定其用于求解问题领域的具体物理现象特征与具体几何现象类型。第二步：对于求解域的网络离散化:我们将所要求解的零部件进行严格的网格划分，使得它们有着符合性能的形状并且相互之间有联系，习惯上被我们可以统称定义为对于每个有限元的整个网络空间进行离散划分。显然每个计算单元越小(它的网格就越细)则其对于每个离散域的近似性优化程度就一定会变得更好，计算的最终结果也就越准确，但是由于计算出来数据的准确质量及其中的误差程度都会逐渐性的增大，因此对于求解域的近似性以及离散域优化被广泛认为已经是有限元法中最重要的几个核心技术之一。第三步：分析确定所在状态变量和其边界控制的基本方法：有一个微分物理边界的问题，这个问题通常都认为是问题可以通过使用其中一组基于包括一个问题所在状态变量的物理边界控制条件在内的多个微分方程式函数来进行表示，而通常为了得到适合一个有限元的物理求解，这个时候，一个完全等价的微分函数是完全可以很简单的简化出来的。第四步：进行单元矩阵推导：对一个单元矩阵进行直接构造一个数量相当于单元适合的简单近似数的求解，即通过单元推导有限多个单元的顺序排列，其中主要研究内容应该包括如何正确选择合理的一个单元作为坐标系，建立一个单元测试温度函数，以某些数学方法来作为理论基础的并给出一个单元各种不同状态XXXX量之间的一种离散向量关系，从而单元可以直接形成一个新的单元矩阵(在分子结构学和动力学中被广泛称为刚性柔度阵或简称柔度阵)。为了能够保证一个问题代数求解的正确收敛性，单元式方程中的代数推导计算方法中还有很多基本设计原则也都需要我们严格研究遵循。对于信息工程实际的教学应用来说，重要的一点问题就是我们是否应该充分地高度关心每一个解题单元的主要解题方法特性与其中的约束力。因此，单元的物理形状主要还是需要有严格的规则，不能拥有畸形，因为在单元畸形时不但计算精度较低，而且可能存在单元缺秩危险，将来也会直接影响造成单元无法及时进行正确求解。第五步:将一个离散单元的连续总装求解构造为基于离散域的一个集合函数矩阵求解方程(称为联合矩阵方程的数组)，反映了对于每个近似域的求解域中每个离散域的统一要求，即每个离散单元集合函数的各种连续性质都需要同时满足一定的连续求解条件。总装置的工作通常是在两个时间相邻的计算单元的连结点之间- 37 -直接进行，状态变量和它们的时间导出函数(如果那么有可能)的连续性将会通过某些方法结合起来。第六步：联立方程组的解和结果描述：通常通过有限元方法导出联立方程组。联立方程式的解有直接法、迷迭香代替变换法、随机变换法。计算的状态求解器变量的结论被定义为一个单元和部件连接点的中心位置处的状态变量近似。关于整个计算过程结果的处理精度和计算质量将来都会直接通过跟工程设计质量准则所要求提供的较高容忍度数据进行定量比较，以便我们确定这些较高容忍度数据是否必须同时进行具有重复性的计算。有限元分析主要分成了三个阶段，这三个阶段都有各自存在的意义，它们分别是前置处理、计算求解以及后置处理。前置处理就是本文之前所提到的网格划分，计算求解则顾名思义，通过软件进行计算，再用后置处理进行分析，使使用者得到需要的结果，也可以通过流程图4.1反映。图4.1 有限元分析流程图4.2 机器手主要零部件有限元分析机械手主要的工作是实现抓取和递送，机械手有很多零件会受力，比如轴、圆锥齿轮以及大小臂等等，其它机构相互连接，由于轴是传递的关键，所以对轴的有限元分析就极为重要，并且圆锥齿轮也是机械手的关节部分，所以本文主要选择了对轴和圆锥齿轮的有限元分析。4.2.1 大臂部件的有限元分析通过ANSYS对轴的静力学分析步骤如下：（1） 将大臂部件的的几何模型导入ANSYS。首先打开SolidWorks将模型另存为x_t格式后导入ANSYS。（2） 定义材料属性。大臂部件的材料为铝合金，该材料轻，刚度高，具有很高的抗弯强度，并且坚固耐用，弹性模量E=20600MP。（3）划分网格建立有限元模型。本文对轴的划分网格方法是自由划分，点击ANSYS中的mesh后，直接进行网格的划分，最终得到的有限元模型如图4.2所示。（4）定义约束。设置大臂部件的一段为固定。（5）施加载荷。在机械手工作的过程中，大臂部件主要受到的力就是两链接部件之间产生的里，所以我们给轴外部加了一个10N的压力，并施加了载荷。（6）求解并分析结果。设置好上诉所需条件，我们对求解需要的结果中加入了总应变、等效弹性应变以及等效应力，在进行计算，可得到的结果如图4.3，图4.4，图4.5所示。图4.2 大臂部件划分网格处理图4.3 大臂部件总应变图4.4大臂部件的弹性应变图4.5 大臂部件的应力根据总应变图所示，大臂部件最大变形量应该发生在中间部位，最大变形值为很小，而此最大变形值很低，说明所选材料碳钢的变形能力很适合在此处经过，能有效地承受力。根据轴应力图分析，轴最大应力为1.92MPa，远远小于铝合金的屈服应力480MPa，大臂部件的强度能满足要求。4.2.2 腰部主轴的有限元分析将腰部主轴的的几何模型导入ANSYS。首先打开SolidWorks将模型另存为x_t格式后导入ANSYS。定义材料属性。轴的材料为40Cr，该材料加工容易，经过适当的热处理后会得到一定的韧性、塑性和耐磨性，并且坚固耐用，弹性模量达到20000MPa。之后再次划分网格建立有限元模型。本文对轴的划分网格方法是自由划分，点击ANSYS中的mesh后，直接进行网格的划分，最终的有限元模型如图4.6所示。然后定义约束。设置摇杆的一段为固定。图4.6腰部主轴生成网格划分在机械手工作的过程中，腰部主轴主要受到的力就是两链接部件之间产生的里，所以我们给轴外部加了一个5N的压力，并施加了载荷。求解并分析结果。设置好上诉所需条件，我们对求解需要的结果中加入了总应变、等效弹性应变以及等效应力，在进行计算，可得到的结果如图4.7，4.8，4.9所示的结果。图4.7 腰部主轴总应变图4.8 腰部主轴的弹性应变图4.9 腰部主轴的应力分析根据总应变图所示，轴最大变形量应该发生在底部附近，最大变形值也十分小，说明所选4Cr的变形能力很适合在此处经过，能有效地承受力。根据轴应力图分析，轴最大应力为2.349MPa，远远小于屈服应力，所以腰部主轴的强度能满足要求。4.3 本章小结本章主要是基于ANSYS，对机械手的大臂部件和腰部主轴进行了静力学分析和模态分析，分析检查摇杆是否存在结构缺陷，以便于做出修改方案，最后通过分析结果，验证了设计的合理性。第5章 总结与展望5.1总结总结本文设计了机械手的机械臂结构系统，并对机械手的性能进行了分析。由于作者的水平有限，而且对有些相关学科，如传感器技术、控制技术等并不是很了解，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更加深入的研究与展望：本文设计的机械手结构简单，大量使用标准件进行各零件的连接，可靠性高，维护拆卸方便，成本低；工作时间长，无人体疲劳，重复连续劳动，维持流