六自由度电动关节式机械手的设计含12张CAD图
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摘 要根据现代化技术要求设计制造的机械手是能够代替人手，去实现机械化流水线操作的装置。机械手有着良好的稳定性，能够有效提高产品的性能质量，同时提升生产效能；对生产条件的改善与产品的快速更新换代都起着举足轻重的作用。本课题设计的六自由度机械手的主要构造包括腰部回转、大臂小臂俯仰、手腕摆动、手腕回转和手抓伸缩。关于本次课题研究的整体流程，首先是对机械手的运行原理和整体结构进行研究；其次是对应规划了设计方案所采用的六自由度关节型结构；最重要的一步是对主要零部件进行完整设计以及完成校核；随后，对于各个结构所需具体数据参数进行计算以及校核；最后的步骤是通过AutoCAD制图软件来绘制总体装配图和其余具体的零件图。通过本次课题设计，在理论结合实际的锻炼下，能加深大学所学专业知识的理解，为今后的工作打下坚实基础。关键词：六自由度；关节；机械手；手抓AbstractMechanical hand designed and manufactured according to modern technical requirements is a device that can replace manual hand to realize mechanized pipeline operation.Robot hand has good stability, can effectively improve the performance and quality of products, while improving production efficiency; it plays an important role in improving production conditions and rapid product replacement.The main structure of the six-degree-of-freedom robot hand designed in this subject includes lumbar rotation, arm pitch, wrist swing, wrist rotation and hand grip expansion.About the overall process of this subject research, firstly, the operating principle and the overall structure of the manipulator are studied; secondly, the six-degree-of-freedom joint structure adopted in the design scheme is planned; the most important step is to complete the design and check of the main components; then, the specific data parameters required for each structure are calculated and checked; finallyThe step is to draw the general assembly drawing and the rest of the specific parts drawing by using the AutoCAD drawing software.Through the design of this subject, under the combination of theory and practice, we can deepen the understanding of professional knowledge learned in universities and lay a solid foundation for future work.Key words: six-degree-of-freedom; joints; robotic hand; hand grip目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1研究背景及意义11.2机械手概述11.2.1组成部分11.2.2不同种类11.3国内外现况2第2章 总体方案设计42.1 数据分析42.2总体方案设计42.2.1结构方案的选择42.2.2驱动方案的选择52.2.3手臂设计6第3章 机身部分的设计83.1电机的选择83.1.1手腕回转电机的选择83.1.2手腕摆动电机的选择93.1.3小臂俯仰电机的选择103.1.4大臂俯仰电机的选择113.1.5腰部回转电机的选择123.2臂部的设计与校核123.2.1大臂的静力学分析123.2.2小臂的静力学分析143.2.3尺寸结构设计163.3回转底座的设计16第4章 抓爪部分的设计184.1抓取电机的选择184.1.1电机类型的选择184.1.2电机型号选择184.2丝杆螺母副的选型与校核204.2.1型号选择204.2.2校核计算214.3轴承的选择与校核234.3.1轴承选择234.3.2轴承校核234.4手抓伸缩机构设计244.4.1伸缩杆结构设计244.4.2伸缩杆设计计算及校核244.4.3伸缩驱动机构设计25总 结26参考文献27致 谢2829第1章 绪 论1.1研究背景及意义在本课题研究中，电脑与交换机相连，通过交换机，再将系统中的各个模块联合在一起，方达到控制整套系统的目的，这充分展现了工业4.0所倡导的“利用信息化技术促进产业变革”。接下来将从多方面分析机械手与智能化时代的联系。从通用型的角度来讲，机械手可进行编程，支持多自由度的活动，能较为灵活的运用。虽然机械手灵活度不及人类，但相对于很多常见工业自动化专机，机械手的灵活度还是更高。专机在工业上的应用变动不大时，可以通过重新编程来满足新的要求，从而减少在硬件上的大量重新投入。但相应缺点是，它的效率提升不会太高。毕竟专机是为某个应用特制的设备，是通过牺牲了其通用性来实现的效率提升，“产量”的性能达标率几乎能优化到最大值。机械手是一种智能科技自动化的生产设备，近年来发展势头强劲。它拥有较高的稳定性，能高效提高生产效率，有效提升产品的质量，改善加工条件；对于产品的快速发展进程有着不可替代的功效。目前机械手主要应用于机床、锻压机的上料与下料过程中，电焊、喷漆等机械工作中。机械手能够按照预先制定的程序，做完指定的操作完成整个流程，其拥有能不断重复固定动作、不会产生疲劳性、能在危险环境作业的优势。现在，如何提高抓举重物的力量也进入了研究者视线。但是由于机械手目前尚不具备传感反应等反馈的能力，并灵活度相比人手也较差，故对环境的特殊情况进行应变的能力也较差。1.2机械手概述1.2.1组成结构机械手三大组成部分分别为：手部构件、运动机构和控制系统。手部的作用是取持物件，其结构特点有夹持型、吸附型、托持型等，是根据被抓持物品的材质、形态、尺寸、质量和作业要求等而专用的。运动机构是改变被取持物件的位置或姿态的系统，通过手部来完成各种旋转、平移或复合运动等指定运动轨迹。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式也称为机械手的自由度。自由度是机械手设计中的关键参数，自由度越大，相应的机械手的灵活度也越高，能完成的指定动作也越多，通用性随之也更广泛。一般专用的机械手自由度有二或三；此课题为了能实现抓取空间中任意方向和任意位置的物件，需设计有6个自由度。1.2.2不同种类按照适用范围，机械手有专用和通用两种类型；按照驱动方式，机械手可分为电动式、气压式、液压式、机械式等；机械手按照对运动轨迹的控制方式，又可分为点位控制和连续轨迹控制等。通常来说，机械手分为以下三种种类，第一类，是不需要人工进行操控的通用机械手，是一种独立的、不附属于任一主机的设备，除了具备的普通机械的功能以外，还具备通用机械性能与记忆智能。它可以根据作业任务的需要来编制程序，完成指定的操作动作。第二类，是需要人工操作才能运作的，称为操作机。第三类，是专用机械手，一般其工作程序是固定化的，主要附属于自动机床或流水线上，由主机驱动为主机服务的，用来完成机床搬运和箱送工作。1.3国内外现况机械手的研究最早开始于美国。在1958年美国公司开始研发了第一台机械手设备。其具备的具体结构是：将一个具有回转功能的长臂结构放置在基体上，在顶部设置具有电磁快的抓取装置。四年后，美国联合控制公司又成功研制出了一台叫Vewrsatran的机械手和一台名字是Unimate（即万能自动）的机械手。Unimate机械手是数控示教再现式机械手，两种机械手都采用的是气压驱动控制系统。Vewrsatran的机械手中央的立柱可以回转、升降；Unimate的机械臂可以进行平转、伸缩、俯仰等；Unimate机械手控制系统的存储装置是磁鼓。这两种出现在六十年代初的机械手，就是国外搬运机械手发展的起源。在上述机械手的基础上，球坐标系统机械手开始了研制发展。1962年，该公司和普鲁曼公司合并，成立了万能自动公司，致力于生产搬运用机械手。1978年，万能自动公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型搬运机械手，用于进行装配作业，定位误差控制在1毫米以内，装有小型电子计算机来进行控制。1970年，联邦德国机械制造业开始研究制造用于起重、搬运、焊接等作业的机械手。其中的KnKa公司生产了一种使用关节式结构并且用程序控制的点焊机械手。 我国的机械手产业在70年代初开始起步，在之后30年的发展历程中，大致经历了一下以下三个时期：七十年代的萌芽期，八十年代的开发期和九十年代的适用化期。虽然中国的机械手制造业近年来发展迅速，但与国际同行比较，仍然有较为明显的差距。从国际市场占有率看，更无法相提并论。目前关于机械手的许多核心技术我国尚未完全掌握，是我国机械手行业发展的一个重要阻碍。我国第一代机械手主要是为开环式控制的靠人工进行操控的机械手，不具备识智能别能力；当时主要向着减低成本和提高精准度的方向进行改进；第二代机械手也没有运用电子计算机控制系统，故不具备接收视觉信息、声音信息的能力和思考能力。改进方向是致力于研究安装各种传感器，加装接收和处理反馈信息的能力，使机械手拥有感知功能；第三代机械手能与计算机和可视设备保持连接，并能独立完成工作任务，并逐渐发展为柔性系统与柔性制造单元中不可或缺的一部分。第2章 总体方案设计2.1 数据分析本课题旨在设计一种六自由度机械手。机械手实现了将机械化与自动化有效融为一个整体。在工业制造生产的各个环节流程都取得了诶鲳广泛的应用。现对该机械手提出的如下几点主要技术指标要求：（1）本机械手具备6个自由度；（2）机械手最大抓重质量为1Kg。2.2方案选择2.2.1结构方案的选择机械手的结构形式主要分为直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四大类。各结构形式及其对应的优缺点介绍如下：（1）直角坐标型结构 直角坐标机器人对应的空间内运行方式是可以通过3个交叉的直线运动来达到的，如图2-1. a因为直线运动在理论上方便实现全闭环模式的方位控制，所以，直角坐标机器人就能在空间位置的精度上达到很高标准（m级）。（2）圆柱坐标型结构对于圆柱坐标机器人它在整个空间内对应的运动形式是采取中心的回转运动及不同的两个直线方向的位移组合而成，如图2-1.b。这种类型机器人其构造相对简洁，也具备了相应的精度要求，经常在搬运工作中得到运用。它对应的工作空间就是一个圆柱形状的范围。（3）球坐标型结构有关球坐标机器人对应在空间之中的位移是经过两个可以回转的分运动以及一个固定的直线方向大位移来达到的，如图2-1.c。这种类别机器人皆有简单的构造、其对应生产成本也不高，所以对应的精度也不会很高。而且很多在搬运领域得到应用。它对应的工作空间和一个球形很相似（4）关节型结构对应的关节型机器人具备的在空间范围的运动方式是由三个回转运动达到的，如图2-1.d。关节型机器人具有的优点是其运动具有很高的灵活性，构造相对严谨，整体占据空间也不大。其自身尺寸相对于空间来说不需要占据很大的位置。图2-1四种机械手坐标形式根据要求，本次设计的机械手，采用关节型机械手。2.2.2驱动系统的选择机械手按照驱动动力不同，又可分为液压驱动、气压驱动和电力驱动三大类型；根据需求也可采取三种类型复合组合的驱动。以上三类基本驱动系统的主要特点如下所述：（1）液压驱动液压驱动技术已经是一门较为成熟完整的技术，它具有防火防爆、动力大、力矩大、惯量比大、承载能力大、响应快的优点，也易于实现直接驱动。但是，液压系统有一个电能转换液气压能的能量转换过程，通常情况下是运用节流调速进行速度控制，故效率上比电动驱动系统的效率低，同时，液压系统存在液体泄露的隐患，有可能对环境产生污染，工作是也会产生噪音污染。（2）气动驱动其优点是驱动速度快，系统构造简易，维修成本低、价格实惠等；多适合用于中小负荷的机械手，但因其难实现伺服控制，实际多应用于程序控制的机械手中，如上、下料和冲压机械手。（3）电动驱动这类驱动系统不需要进行能量转换，能量利用率高、操作方便，噪声较小，活动灵活，电机后面大多需要安装一个精密的传动机构。由于其惯量低且广泛采用大转矩的交、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），这类驱动系统在机械手中采用十分频繁。虽然直流有刷电机不能直接应用在防爆要求较高的工作环境中，较其他两种驱动系统成本也比较高；但因为电动驱动系统的优点十分突出，因此在机械手中使用范围也十分广泛。以上三种主要的传动方式综合比较见表2.1，综合分析，本课题设计的机械手对精度要求较高，故传动方式最终采用电动驱动方式。表2.1 各传动方式比较表项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度高高较高低输出力较高高低较低定位精度中中高较高动作速度快较快快慢响应速度慢快快一般清洁度好可能污染好一般维护简单复杂专业度高简单价格中较高高中技术要求较低较高高较低控制自由度高高一般低危险性极低火患低较低2.2.3手臂设计本课题设计的机械手臂要求能达到6个自由度，分别是腰部回转，大臂俯仰，小臂俯仰，手腕摆动，手腕回转，手抓伸缩。并且机械手臂的构造采用关节式结构，因此具体选定的设计方案如下所述：机械手臂的上下移动通过三个电机驱动关节转动来实现；手臂整体回转通过底部的回转电机来完成；机械手爪具有3个自由度，分别是手爪伸缩、手爪夹持、手爪回转；手爪伸缩和夹持由电动的正反接驱动丝杠螺母的移动完成，手爪回转通过电机驱动完成。综合上述2.2.12.2.4提出的方案，可以得到本课题设计的六自由度机械手总体方案设计图如下图2-2所示。其六个自由度分别通过图中1、2、3、4、5、6各机构实现。其中2、3、4处关节应用电机驱动，通过谐波轮减速器进行减速。图2-2 六自由度机械手总体结构图1、腰部回转；2、大臂俯仰；3、小臂俯仰；4、手腕俯仰；5、手腕回转；6、手抓伸缩。第3章 机身部分的设计3.1电机的选择此机械手臂设计有五个电机，分别是手臂回转电机，大小臂关节电机、手抓回转电机、手抓俯仰电机，此处以手臂回转电机为例进行选择参数计算，其余电机参数计算类比计算。3.1.1手臂回转电机的选择-被抓取物件质量，-手抓的质量，-手腕的质量，-物品重心到销轴中心的间距，-手腕与手臂连结处到销轴中心的距离，-手腕回转时其中心轴到与之相连的手臂中心轴之间的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对回转轴处的负载转矩为 对回转轴处的负载转矩为 对回转轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为：经过综合分析得到，时，即手腕和手臂处于同一条直线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时，为了使手抓在实际的抓取作业中适应性能更加优异，可以将计算出来的理论负载转矩值乘以一个系数，则电机的实际转矩为：根据计算的实际转矩，初选电机型号为。3.1.2手腕摆动电机的选择-被抓取物件质量， -手抓的质量，-手腕的质量，-手腕电机，-销轴中心到物件重心的间距，-销轴中心到手腕与小臂联结处的距离，-手腕摆动的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 对摆动轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为：经过综合分析得到，时，即手腕和手臂处于同一条直线时，整个手腕受到的负载转矩最大。此时，同时，为了使手抓在实际的抓取作业中适应性能更好，可以用计算的理论负载转矩值乘以一个系数，则机构的实际转矩为：根据计算出来的转矩，初选电机型号为。3.1.3小臂俯仰电机的选择本节设计中，小臂与大臂的联结通过机械关节实现。通过大臂的相对固定，使小臂沿x轴方向转动，则该关节所承载的总力等于手抓和电机的重量、工件的重量以及小臂的重量。-手抓的质量，-手腕电机的质量，-小臂的质量，-手抓到手腕的距离，-小臂的长度，-小臂俯仰的夹角设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则对小臂俯仰轴处的负载转矩为 对小臂俯仰轴处的负载转矩为 对小臂俯仰轴处的负载转矩为 整个系统的负载转矩为：经过分析得到，时，即手腕和手臂处于同一条直线时，整个机械手腕受到的负载转矩最大。此时，总力矩：根据计算得出的转矩，初选电机型号为。3.1.4大臂俯仰电机的选择本节设计中，大臂与腰部之间的联结通过机械关节实现，通过腰部的相对固定，使大臂沿x轴方向进行俯仰，m1手腕和末端的质量：m1=2.5kgm2手臂的质量：m2=1.5kgm3大臂的质量：m3=2kgl1手腕到小臂的距离：l1=60mml2小臂的长度：l2=300mml3大臂的长度：l3=400mm俯仰的角度：=0时，转矩最大设系统的输出转矩为,整个系统的负载转矩为，则m1对小臂连接轴的转矩：m2对大臂连接轴的转矩：m3对大臂连接轴的转矩：负载转动时，可看作是一物体绕其一边轴进行轴运动。因此，其运动的转动惯量为若单片机每秒发出50个脉冲，步进电机初始的步距角度为1.8则所以负载运动时，最大转速值为每秒90，最大加速度即为惯性力矩M02负载运动时产生的惯性力矩总力矩：故电机的选择为3.1.5腰部回转电机的选择根据分析计算，腰部所受的负载转矩。和大臂所受的负载转矩一致，故可选用相同的电机型号RV减速器选择型号RV-6E，减速比为30。3.2臂部的设计与校核3.2.1大臂的静力学分析在做受力分析前，设：旋转臂与大臂间夹角为；大臂与小臂间夹角为；小臂与副臂间的夹角为；大臂的重力为G0=160 N；小臂的重力为G1=180 N；副臂与抓取头的重力为G2=260 N。做出如图3.4的受力分析图。图3.4大臂受力分析图（1）求出F1其中O点为旋转臂的支撑点，所以LAO=810mm；为F与与AO之间的夹角。对A点进行受力分析得：（3.1）根据斜三角形边角关系得： （3.2）把已知的参数数值和公式3.2代入公式3.1中可求出F1得大小。（2）求F1x；F1y；FAx；FAy如图3.5上所示 ，将A点受的力和F1受力分解。根据受力分析图可得：F1x=F1cos；F1y=F1sin。 （3.3）由受力平衡可得：FAx+F1x=0； （3.4） FAy+F1y=G0+G1+G2。 （3.5）联合公式3.3、3.4、3.5计算出F1x、F1y、FAx、FAy。为了求出最大的受力情况，我们取运动角度范围最大值时的取值，则=1600；=1600；=1800；上节我们已经得出，抓取臂1的长度为1660 mm，抓取臂2的长度为1710 mm；副臂长度为1120 mm。则可以计算得：F1=1950 N；F1x=663 N；F1y=1883.56 N；FAx=-663 N；FAy=-383.56 N。3.2.2小臂的静力学分析图3.6小臂受力分析图（1）求F2根据斜三角形的边角关系得： （3.6） 对B点： （3.7）联合公式3.6和3.7，可以计算出F2=1562.7 N。（2）求F2x；F2y；FBx；FBy如图3.6所示 ，将b点受力和F2受力分解。由图可知： （3.8） 由受力平衡可得： （3.9） （3.10）联合公式3.8、3.9、3.10得出：=781.4 N；=1353.3 N；=-781.4 N；=-313 N。（3）分析大臂的受力情况，大臂还受到来自上下电机的两个旋转力矩施加的力、，如图3.8所示。图3.8大臂力F3F4分析图由图可以得出：；。 （3.11）；。 （3.12）取d=900、e=1000；分析图中角度关系可以得出：b=-d、c=-e。 （3.13）此时，、值未知，需要进一步分析计算才能够得出具体值。因为大臂处在受力平衡状态，我们对大臂受力全部进行如图所示正交分解后，可以得出以下结论： (3.14) （3.15）联合公式3.11、3.12、3.13、3.14、3.15可得出：F3x=-105 N；F3y=-1540 N；F4x=-135 N；F4y=165 N。3.2.3尺寸结构设计根据分析荷载，大小臂的结构尺寸设计如下图所示：3.3回转底座的设计抓取臂的底座有传动装置、固定装置两个部分，底座的传动装置是用来控制旋转臂的转动，本设计传动装置选择的是标准件伺服电机（脚架式轴输出单齿条螺旋摆动电机）。摆动缸的原理是，通过过齿条带动齿轮，将电机的直线往返运动转化成轴正反方向的摆动旋转运动，同时把往返运动的旋转力转化为齿轮轴的输出扭矩9。螺旋摆动缸拥有结构紧密、体积占用空间小、安全性能稳定、搭配方便、可旋转范围广、输出的工作扭矩大等特点。固定装置，即旋转臂的支座，是用来固定旋转臂以及传动装置，如图3-10所示。图3-10 底座第4章 抓爪部分的设计4.1抓取电机的选择4.1.1电机类型的选择选择电机主要是利用电机工作时产生的力和力矩，直接驱动负载或者通过减速机构间接地去驱动负载。使用电机作为动力来源，是目前最为普遍的方式，能提高了工作效率，电机主要分为步进电机和伺服电机两类，二者的区别如下表格3-1所示。表 1-1电机对比表步进电机伺服电机力矩范围中小力矩（20Nm以下）大中小力矩速度范围低（转速在2000转以下，）高转速（转速可达5000转）直流伺服电机可达1-2万转矩频特性高速运转时，力矩下降快。力矩特性好。过载特性过载工作时失步可3-10倍负载工作反应速度一般快准确度较低高工作温度运行温度高运行温度一般维修性基本不需维修较好价格低高由以上比较分析，伺服电机的体积比步进电机体积更小，重量更轻，力矩更大，反应速度更快，精准度高更高，负荷更好，寿命更长，应用广泛。所以我们将采用伺服电机。4.1.2电机型号选择因为我们所采用的BF这一系列的伺服电动机是反应式伺服电动机，满足设计需要的全部需求。对于主运动的动力源我们选用了型号GA12-N10、电压范围为8-12V的丝杠电机是反应式伺服电动机。这台机器的额定功率大小是20W。在选择的过程中主要考虑到以下的一些因素：（1）脉冲当量和最大静转矩； (a)步距角第一步选择一批适宜的电机型号，通过查阅手册得知步距角,因为综上所述，时公式成立。(b)电机的距频特性步进电机涉及的一个相关概念最大静转矩Mjmax是描述电机的定位转矩的量。步进电机的名义启动转矩Mmq通过相关运算得到最大静转矩Mjmax的关系式如下：Mmq=关于伺服电机的空载启动这个概念的解释是：描述电机在没有承担外界的工作负荷时启动的过程。步进电机需要的空载启动力矩计算公式为：在这个算式中：Mkq是在空载启动过程中的力矩；Mka是由空载启动时电机的运动部件从静止状态加速达到最大的快进速度的时候，应用到电机轴上面的加速力矩的大小；Mkf是电机在空载状态的时候作用于电机轴上的摩擦力矩的大小；是因为丝杆预紧而作用到电机轴上面的附加摩擦力矩的大小。在我们初步对电机的型号进行筛选的时候就要满足：步进电机的名义启动转矩的大小必须要大于步进电动机所需要的空载启动力矩的大小，数学表示如下：下面对于的各项力矩的值进行计算：加速时的力矩大小空载摩擦力矩附加摩擦力矩（2）对于启动时的矩频特性进行检验因为步进电机的工作状态有三种：启动状态，快速进给运行状态和工进运行状态。我们在此前提到的，不只是说进行完对于电机的初选后，对于电机的最大静转矩进行严格检查分析它是否可以满足设计的需求，但这样确不能够确保电机启动时的时候步调一致。所以，我们还要对于启动矩频的特性做更深程度上的校核。步进电机在启动过程中通常会有突跳启动以及升速启动这两个启动的模式。在突跳启动的过程中，加速的力矩非常大，所以启动过程中无法避免会发生丢步，所以一般不会使用用这种模式。但是升速启动的过程里面，只要保证升速时间足够长，启动过程足够缓慢，那么空载启动力矩中的加速力矩就不会很大，基本上就不会发生丢步现象。4.2丝杆螺母副的选型与校核普通丝杠可以选择专门工厂制造的部件，因此在这里就不再单独设计制造，只要根据使用工作条件选择合适的类型，再根据载荷、转速等参数选定合适的尺寸型号。普通丝杠设计和校核步骤如下：首先对于一些参数做如下说明：轴向变载荷其中的i表示第i个工作载荷，i=1、2、3n ；第i个载荷对应的转速为(r/min);第i个载荷对应的工作时间为 (h) ;丝杆副的最大移动速度(mm/min);丝杆预期寿命。4.2.1型号选择（a）根据使用和结构要求 选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；（b）计算普通丝杠副的主要参数： 根据使用工况，查得载荷系数=1.0系数=1.5； 计算当量转速 计算当量载荷 初步确定导程 ，取4mm计算丝杆工作预期转速计算丝杆所需的额定载荷（c）选择丝杆型号根据初定的和计算的，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杆。查普通丝杠型号表可得本次选定的普通丝杠螺母副型号为：GD801-1。由表2-9得丝杠副参数：公称直径 导程 4.2.2校核计算（a）校核临界转速综上，合格。（b）由于此丝杆是采取竖直放置模式的，因为丝杆受力影响不是很大，受温度变化的影响也较小。故它的力稳定性和温度变形等在此可不做校核。（c）普通丝杆的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或者额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩：（d）稳定性验算丝杠一端采用深沟球轴承和双向球轴承轴向固定；可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动端需要径向约束，故采用深沟球轴承，外圈不限位处理，以保证丝杠在受热变形的情况下可在游动端自由进行伸缩，如下图。 由于长丝杠一端是轴向固定，在工作时可能会发生失稳情况，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许的安全系数S。 丝杠不会失稳的情况下的最大载荷称为临界载荷: 式中，E为丝杠材质的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3，SS，故丝杠是安全的，不会发生失稳情况。 在作业时高速丝杠有可能发生共振，因此需验算其不发生共振时的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速计算公示如下： 式中：为临界转速系数，查表2-10，本题取，； ； ； 即：，所以丝杠在进行作业时不会发生共振现象。 此外普通丝杠副还受值的限制，通常要求计算得：4.3轴承的选择与校核4.3.1轴承选择 在这次设计中使用到的轴要负担一定的沿轴方向力的作用，故轴承选择角接触。 轴左侧：我们从机械设计课程设计里面查阅表15-3，知道了轴承的型号为：6000。外形尺寸为：d1=10mm，D1=24mm，B1=8mm。4.3.2轴承校核1）分析可得，要按照承载负荷大的滚动轴承挑选它的型号，由于支承跨距的间距比较小，最终决定采用从两头固定式的轴承的组装方案。深沟球轴承这个种类比较适合设计的需求，推测轴承的使用寿命长度为：Lh29200h分析上述的计算结果，得知轴在径向承受的力为：Fr1=340.43N，轴向力为：Fa1=159.90N；基本额定静载荷大小为：C0r=63.8KN。2）径向当量动载荷分析 动载荷为，查阅资料得，则有，可以实现需要。4.4手抓伸缩机构设计4.4.1伸缩杆结构设计 伸缩杆的组成部件有内、外管，丝杠，螺母套筒，联轴器还有限位卡套等等的部件拼装成。它的工作原理是由间接装置把电机在空间中做的二维回转运动变成一维直线运动，通过电机做正反转运动和丝杠的连接，使得螺母实现伸缩的功能。图2是管里面的一部分元件。图4-1伸缩杆结构简图4.4.2伸缩杆设计计算及校核 伸缩杆在牵拉物体的过程当中受到力作用，根据力学上面的原理能够知道在这个过程里面杆件会发生弯曲变形，根据材料力学里面对于压杆的介绍，能够把伸缩杆看成一个一头自由而另外一头锁住的压杆。通过欧拉公式计算伸缩杆来对它的稳定性进行检验。在设计方案中选择伸缩杆的材料为304不锈钢，对不锈钢的性能需要是：弹性模量为：E=197Gpa，比例极限为=275MPa,查阅表可得到。它的许用安全应力值是137MPa，通过对上表还有伸缩杆能够承担的最大压力的分析，即为=15N,l=2500mm,直径d=45mm,规定安全因数=6-10；查阅材料力学在第九章出现的公式（9-6），求出=E/=71.64 在这里我们可以把伸缩杆当成一个一头固定而另一头移动的压杆，查阅材料力学能够知道=2，因为伸缩杆横的截面是一个圆环形状：=通过计算得知它的柔度是：=645.16因为，在这个伸缩杆上可以使用欧拉公式计算临界的压力值，得=/A=所以，=A=所以伸缩杆在工作过程中的工作安全系数大小为n=13.462满足稳定性要求。4.4.3伸缩驱动机构设计 伸缩杆驱动机构包括伸缩电机、伸缩丝杠螺母副、轴承，选型计算过程与上一章相同，本节不一一复述，仅展示选型结果。 （1）伸缩伺服电机在本次设计中使用型号是GA12-N20工作的电压范围是8-12V的丝杠电机。选用伺服电动机来作为主运动的能量来源，这个机器的功率大小是30W。（2）伸缩丝杠螺母通过对实际生产需要的研究确定选用型号M8*1.25*1200型号的丝杠。并且在3.1节说明了伸缩杆原材料是铝合金。（3）分析生产的需求确定深沟球轴承的型号是6000。总 结 六自由度机械手是一个比较有科研意义以及实用价值的抓取装置，本文对于整体应用的技术进行了研究，并且在一些重要的部分如手臂部分以及手抓部分做了完整的设计和专业的论证，本文做的工作大致如下： （1）经过对于需要实现功能和制定的任务的研究，确定了六自由度机械手的基本功能结构，并且完成了对于小型六自由度机械手的主体构成还有综合情况的分析。 （2）对于常见的抓取执行装置进行分析与研究，最终选择半圆形抓爪的这种形式来仿生灵长类动物抓取物品的过程。在设计过程中，我对于机械手的设计理念、各种参数、结构设计以及耐用性进行了严谨的研究，对于六自由度机械手所使用的一些重要组件比如驱动轮、减速器、电动机等也做了详细的解释。因为六自由度机械手是中设计以及制造难度比较大的一种用于抓取的装置或者说系统，在整
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