毕业设计（论文）-水下4自由度抓取机械臂设计-scara机器人

目录摘要 IAbstract II目录 III第1章绪论 11.1选题的背景、目的和意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外水下机械手的研究 11.2.2国内水下机械手的研究 51.3课题要求及本文主要工作 51.3.1课题要求 51.3.2主要工作 6第2章水下机械手动力学模型 72.1单个运动体所受水动力 72.2浮力的计算 82.3水阻力矩和附加质量力矩的计算 92.3.1水阻力矩的计算 92.3.2附加质量力矩的计算 92.4本章小结 10第3章水下机械手总体结构分析 113.1机械手总体设计 113.1.1机械手设计原则 113.1.2机械手本体的模块化设计 123.1.3机械手本体的模块化设计 123.2机械手驱动方案 133.2.1机械手驱动方式 133.2.2控制电机的类型、特点 133.3机械手转动关节设计 143.4机械手移动关节设计 143.5滚珠丝杠选型设计与计算 153.6本章小结 18第4章转动关节设计计算 204.1转动关节电机选型 205.2圆锥齿轮传动设计 205.3齿轮上作用的力 24第5章水下机械手的密封性设计 25结论 27参考文献 28致谢 29PAGE15第1章绪论1.1选题的背景、目的和意义面对着不断锐减的陆地资源，人们逐渐开始开发和利用海洋资源。海洋覆盖了71%的地球表面积，在其拥有的十四亿立方公里体积中蕴藏着丰富的化学资源，其中含铀就有吨。从海水中可以提取食盐、金属化合物、金、银等，即可以解决淡水危机又可以解决资源短缺，同时丰富的矿产资源是海洋另一个巨大的资源宝库，其中多金属结核矿尤其具有开采前景，其在大洋底的总储量达吨，石油和天然气作为经济性较高的矿物资源，在海底的储藏量也很可观。除了海洋石油、天然气和铀等可提供能源的矿物资源之外，波浪、温差、浓度差和海洋潮汐等也蕴藏着巨大的能源。广阔的海洋也为人们带来了更大的发展空间，人们已经有了很多建设海上城市、海中城市和海底城市的构想[1]。海洋环境与陆地环境不同，其自然条件十分苛刻，除海面上变化莫测的惊涛骇浪之外，随着深度的增加而产生的压力和温度的变化给人类探索海洋带来了极大的困难，因此需要开发相应的装备和技术来进行海洋资源的勘测，水下机械手正是在这样的需求下开发的。水下机械手可利用自身的视觉系统和感知系统，通过遥控或自主操作来控制机械手等完成水下作业任务[2]。水下机械手的分类方法有很多，按用途可分为计测用、测量用和作业用水下机械手；按其与母船之间是否有电缆可分为有缆遥控潜水器和无缆自治水下机械手[1]。水下机械手是水下机械手的重要部件，其研发不仅涉及到了机械结构、液压、电子、电磁、流体和计算机等多门学科，同时对水下工程材料、信息处理、密封、自主识别等技术也提出了更高的要求。水下机械手经过不断地发展和完善，现已被广泛地应用到了海洋的研究中。当机械手在水下工作时，水流对机械手产生较大的作用力，并且随着机械手运动速度的增加其作用力也增大，进而影响机械手的定位精度，因此必须在分析水流作用力对机械手影响的基础上建立水环境下的机械手动力学模型。1.2国内外研究现状1.2.1作为水下机械手的载体，水下机械手的发展与机械手的发展是密不可分的，本章首先介绍水下机械手在载人潜水器、有缆遥控潜水器、无缆自治水下机械手上的应用。日本海洋科学技术中心研制的Shinkai6500HOV，如图1.1所示，配备了两个机械手来收集标本，其最大下潜深度为6500m，最大负载为100kg。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的Alvin号，如图1.2所示，近年来下潜工作了4000多次，为海洋的科考做出了巨大的贡献，它配备了两只有七个自由度的液压机械手，最大举力为1KN，最大伸距为1.75m，最大夹紧力矩为40N.M[3]。图1.1日本JAMSTEC的Shinkai6500HOV图1.2美国WHOI的AlvinHOV日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）研制的Hyper-DolphinROV，如图1.3所示，配备了两个主从式七功能机械手，Dolphin3KROV配备了一个开关式五功能机械手和一个主从式七功能机械手，KaikoROV配备了两个主从式七功能机械手[4]。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的Jason2medeaROV配备了两个七功能机械手SchillingOrin和KraftPredatorⅡ，并可以选配多种作业工具包。美国蒙特利海湾研究所研制的VentanaROV配备了两个七功能机械手SchillingTitan3和ISEMagnum，TiburonROV配备了两个具有力反馈功能的七功能机械手SchillingConan和KraftRaptor。加拿大海洋科学研究所研制的RoposROV，如图1.4所示，配备了一个五功能机械手和一个七功能机械手[5]。由法国海洋开发研究院、德国以及英国相关机构研制的水下机械手Victor6000，如图1.5所示，配备了一只开关式五功能机械手和一只主从式七功能机械手，该机械手最大下潜深度为6000m[6]。图1.3日本JAMSTEC的Hyper-DolphinROV图1.4加拿大ISE的RoposROV图1.5法国IFREMER的Victor6000美国夏威夷大学研制的SauvimAUV，如图1.6所示，配备了可以完成水下干预救援工作的水下机械手。法国赛博耐特公司研制的AliveAUV，如图1.7所示，也采用了机械手作业。图1.6美国UH的SauvimAUV图1.7法国Cybernetix的AliveAUV典型ROV用机械手的结构都为6自由度+手爪，其不同之处在于各个关节运动范围的不同。常见的机械手有美国Schilling公司的Conan、Titan、SparesKit、Rigmaster和Orion；美国Kraft公司的Grips、PredatorII和Raptor；英国Hydro-Lek[9]公司的EH4、EH5、HD5、HD6/6B/6R、HLK2MA4、MB4、CRA6；美国WS&M公司的TheArm66及MK37Arm；加拿大ISE公司的Magnum7F。美国西林公司研制的Orion7P七功能作业机械手，如图1.8所示，能够实现伸、缩、张、握、摆、转等功能，具有1.486m的作业半径，97mm的手爪张开最大值，机械手在空气中重52kg，在水中重38kg，常应用在对运载体积要求较高的水下机械手上[7]。图1.9是其生产的Titan4七功能作业机械手，具有97mm的手爪张开最大值，4448N的最大夹持力，在空气中重97kg，在水中重76kg，肩关节、肘关节、腕关节、手爪关节的回转角度分别为120º、270º、180º、360º，目前这两种水下机械手已被广泛用于水下操作[8]。图1.8美国Schilling的Orion7水下机械手图1.9美国Schilling的Titan4水下机械手美国Kraft公司研制的PredatorII机械手，如图1.10所示，该机械手具有2m的最大作业半径，90kg的最大夹持负载，在空气中重80kg，在水中重51kg，200º的腕部俯仰角度使其在满足大负载能力的同时能够满足较宽的作业范围[9]。图1.11是其生产的Raptor七功能机械手，该机械手结构可以承受重载，在空气中重80kg，在水中重44kg[10]。图1.10美国Kraft的PredatorII水下机械手图1.10美国Kraft的Raptor水下机械手英国Hydro-Lek公司研制的Hydro-lek5五功能机械手，该机械手可以承受重载并可在2000m水深下工作，该机械手在空气中重21.5kg，在水中重16.5kg。其生产的HLK-MB4四功能水下作业机械手，适合装配在小型水下机械手上，该机械手不具备剪切功能，手臂长630mm，在空气中重12.5kg，在水中重10kg，可以抓取40kg重的物体[11]。其生产的HLK-HD6水下机械手，手臂长1535mm，可以抓取40kg重的物体，在空气中重27kg，在水中重20kg，目前主要应用在MAXRover和Panther等ROV上[12]。加拿大海洋科学研究所（ISE）研制的Magnum7F七功能水下机械手，该机械手最初应用于ROV恶劣的工作环境中，灵巧的手臂和运动范围使其可以应用于杂物清除、螺栓紧固、电缆切割与修复、生物和地质采样等，可以承受295kg的负载[13]。美国WS&M公司研制的TheArm66水下机械手，通过复杂的力反馈控制系统能够使操作者体会到机械手的感觉，通过采用压力补偿方案使其能在1800m的深海工作[14]。1.2.2我国对水下机械手的研究相对于国外来说比较晚，典型的研究成果有“金鱼1号”、“金鱼2号”、“海人1号”、“CR-01”、“RECON-Ⅳ”等，我国研制的机械手的作业能力较低，一般用于水下观察，较高水平的水下作业机械手还需依赖进口满足需求，如“蛟龙号”HOV配备的水下机械手就是从美国进口的。在国内，华中科技大学作为较早从事水下机械手研究的单位，其先后研制了应用在“鱼鹰Ⅰ号”、“蓝鲸号”、“8A4”ROV上的十余型水下机械手[5]。“鱼鹰Ⅰ号”水下机械手，配备了作业用机械手和攫雷用机械手，多用于打捞水下沉物、抛锚定位、采样、安装、维修等。中科院自动化研究所2005年研制的三功能水下电动机械手，由采用旋转驱动机构的臂关节、肘关节和步进电机驱动的手爪组成[15]。哈尔滨工程大学研制的SIWR-Ⅱ水下机械手的主要部分组成有机械手、工具库和控制系统，其中机械手有五个自由度（四个转动关节和一个绕腕部轴线回转自由度），该机械手可以利用液压对接腕完成多种操作任务。1.3课题要求及本文主要工作1.3.1机械臂具有三个转动关节，一个移动关节，所有关节的轴线都平行。转动空间最大直径1000mm，移动行程800mm传动机构及本体的设计；机械臂运动空间分析和控制方案传动方式：直流伺服电机，直流步进电动机，螺旋转动驱动方式：直流伺服电机材料：铝合金总质量：6kg末端载荷：2kg，水深：30m1.3.21.分析水下机械手的国内外研究现状及水下机械手动力学的发展，明确水下机械手动力学分析的主要问题。2.建立四自由度水下机械手的动力学方程，并建立操作空间动力学方程。3.将水环境影响参数（浮力、水阻力、附加质量力、流体加速力等）融入到一般的机械手动力学方程中。4.主要研究水下机械手的动力学逆问题，以机械手到达指定位置为目的，通过运动学反解求出各关节角度，通过动力学方程求各关节所需的驱动力矩，分析浮力、水阻力、附加质量力对水下机械手动力学性能的影响。5.对本文的研究成果进行总结和分析，并提出下一步的研究方向。第2章水下机械手动力学模型对水下机械手动力学进行研究时还要将水环境的影响考虑在内，通常是将水环境影响参数（浮力、水阻力、附加质量力、流体加速力等）融入到所建立的机械手动力学方程中[20-21]，目前大多应用半经验、半理论的方法分析水下机械手动力学模型[42-43]，本章基于上一章所建立的水下机械手动力学模型进一步建立水下机械手的水动力学模型。2.1单个运动体所受水动力当机械手在水下作业时，将机械手的腰部、大臂、小臂等部件与水流相对运动而导致的机械手所受到的力分为静水环境下由水下机械手自身运动而导致的力和水环境下水下机械手处于静止状态时所受到的水流冲击力[5]。因为本文中的水下机械手处于静水环境中，所以不需要考虑水下机械手所受到的水流冲击力。理论力学可知，单个运动体在有流液压环境中运动时，受到水阻力，附加质量力，升力，浮力，水阻力和升力是由于水和物体的相互运动而产生的，分别为来流速度方向和垂直于来流速度方向，当单个运动体无异形冲角时，不计升力，附加质量力是流体跟随物体一起做加速运动而导致物体受到的反作用力。1950年J.R.Morison[16]等人在研究柱结构上的波浪力时导出了Morison公式，Morison公式在推导中假定：1采用线性波浪理论（即微幅波理论），认为杆件宽与波长之比，波浪特性不受结构存在的影响。2水阻力系数和惯性力系数与所选用的波浪理论一起选取才严格有效，、在稳定流中测定。3桩柱结构为刚性，不考虑结构所具有的动力敏感性。4、值由垂直于结构的纵轴线状态下给出，同时结构表面光滑。其矢量形式为：其中、为作用在单位长度上的水阻力和附加质量力，为流体密度，为水阻力系数，为附加质量力系数，为连杆的等效直径，为连杆在垂直于来流速度方向V的投影面积，为单元厚度。Morison公式中的水阻力系数和附加质量力系数是在一定条件下测得的，Morison等人并未能导出其与波浪运动的直接关系，、本身随所选波浪理论而异，而且还与雷诺数Re，桩柱糙率、桩柱宽径、水质点轨迹速度和加速度有关，因此一般利用实验研究获得、的取值[16，17]。一般来说、的变化范围很小，在本文分析中采用经验值，取、。建立机械手在水环境下的动力学方程，将上式改写为：式中：—加速度惯量项—向心力项和哥氏力项—等效重力项—关节摩擦力矩—机械手关节上的水环境影响力矩—关节驱动力矩2.2浮力的计算由于重力和浮力的方向是相反的，所以假设连杆重心和浮心重合的情况下用一个向下的等效重力来代替重力和浮力，即：式中：—连杆的质量—重力加速度—连杆的有效体积—水的密度—连杆材料密度所以2.3水阻力矩和附加质量力矩的计算2.3.1水阻力矩的计算当连杆在粘性液体中运动时，由于水喝物体的相互运动而产生水阻力，其中切向速度产生切向阻力，法向速度产生法向阻力，如图2-1所示。对于圆柱体来说，切向阻力很小可以忽略不计，所以文章中所分析的水阻力位法向阻力。所以整个关节所产生的水阻力和水阻力矩为：图2-1连杆水阻力分析2.3.2附加质量力是流体跟随物体一起做加速运动而导致物体受到的反作用力，如图2-2所示，根据水动力学可知，连杆产生的附加质量力矩为：所以整个关节所产生的附加质量力矩和附加质量力矩为：图2-2附加质量效应2.4本章小结本章将水环境影响参数（浮力、水阻力、附加质量力、流体加速力等）融入到一般的机械手动力学方程中，通过分析单个运动体所受的水动力，利用Morison公式建立了水下机械手的水动力学模型，通过计算得到了水动力对机械手各关节的力矩。水动力学模型的设计水下机械手提供了理论支持。第3章水下机械手总体结构分析水下机械手总体结构见图3-1。考虑到水下机械手的作业功能和范围，本文采用转动关节式结构，设定四个自由度，分别是大臂移动关节、中臂转动关节、小臂转动关节和手爪转动关节。另外，还有一个手爪的开闭。水下机械手各关节均采用电机内置式结构，直流伺服电机作为驱动元件，圆锥齿轮作为减速装置并使输入、输出轴线成90°。水下作业机械手须满足耐高压、耐腐蚀、重量轻等要求[4，5]，由于硬铝合金比重小，具有较高的耐腐蚀性，因此本文采用硬铝合金作为水下机械手的本体制作材料，另外壳体形状采用圆筒型，这样既充分利用了内部空间，又减小了流体运动阻力，同时提高了结构的耐高压性。由于水下机械手内部空间有限，其控制器、驱动器以及电源都放置在水下机械手外部，采用电缆螺旋接头作为水下机械手的水密接插件。受到水下机械手空间结构的限制，为避免水下环境中各种电缆与水草和其它海中生物的缠绕问题，将动力缆和信号缆全部配置在水下机械手内部，采用关节内部走线结构。图3-1水下四自由度机械手总体结构图3.1机械手总体设计3.1.1为了保证传动精度和工作稳定性的力学系统，在机械手本体的设计，应做到以下几个方面。1．减少或消除传动间隙。如消除变形引起的间隙的预紧方法的使用或穿弹性螺母驱动。2．提高刚度。应选择刚性更好的材料，并合理选择手臂截面形状和轮廓尺寸。3．提高抗振动。提高静刚度，阻尼，固有频率增加的改进措施可以提高抗振系统。4．减少摩擦。使用传输部件的摩擦阻力小，导向轴承零件，如滚珠丝杠，动压导轨支撑等。5．缩小体积紧凑。如高强度轻质复合材料的使用。3.1.2随着机械手应用领域的不断扩大，机械手产品也向多品种，小批量，低成本等方向发展，这提出了新的要求，对机械手本体的设计和生产。机械手本体的设计应标准化，模块化，从而缩短开发和生产周期，降低生产成本。模块化设计可以有效地提高设计的可重用性，增加系统的可靠性，并根据客户的需要系统的合理配置，以满足市场的不同需求。3.1.3CAD（计算机辅助设计）技术的应用与发展对现代制造业的重要影响。它利用计算机技术作为一种工具，帮助工程设计人员进行产品设计，从而使设计人员从繁琐，费时，效率低，传统的手工绘制的图形的精度低，降低设计人员的劳动强度，大大提高了设计效率，缩短产品的设计周期和制造周期，提高产品整体质量，因此被广泛地应用于机械，电子，汽车，飞机，船舶，建筑等行业，已成为现代工程设计领域的一项关键技术。二维CAD的主要功能是计算机辅助绘图，使用二维CAD绘图技术的工程图纸不能完全表达设计师的设计思想，零件材料，颜色，形状的表达，硬度和其他信息，而不是二维CAD技术的实现。在许多情况下，二维图纸是不完整的，只能表达信息，而不是直接的，它带来了画画的困难。因此，应运而生的三维CAD技术。三维CAD技术来满足人们的设计思维习惯，它可以直观，零件信息的完整表达，有效地提高产品的设计效率，还可完成装配干涉分析，空间运动分析，质量属性分析，有限元分析，自动生成二维工程图，等处理分析，很快得到推广和应用。三维CAD已成为产品设计的一个重要技术。目前，三维CAD领域有三个主流系统；PTC公司的Pro/Engineer，EDS的UG和达索SolidWorks。SolidWorks是基于特征的三维CAD专业软件，具有功能强大的三维造型设计，自由曲面设计，二维图纸，文档数据的管理生产，计算机辅助制造，仿真和分析。三维建模是机械手机构设计的一个重要组成部分。利用Solidworks三维CAD软件可以快速的机械手本体的机械零件的设计和装配，建立三维模型。同时，也可以根据需要进行装配干涉，对机械手本体的分析和模拟空间运动，质量属性，动态性能。因此，设计的机械系统，我们使用solidworks设计机械手，并利用SolidWorks和AutoCAD进行二维工程图设计。3.2机械手驱动方案3.2.1常用的机械手驱动方式主要有液压驱动气压驱动和电力驱动三种。1液压传动。以液体为工作介质的液压驱动，通过将电能转换为液压能转变为流动的油压电磁阀，使液压驱动机构的运动。液压驱动输出功率大，精度高，速度快，运行稳定，但需要独立的液压源，和液体易泄漏，设备难以小型化，因此不能满足机械手的驱动装置体积小，重量轻，要求。2气压传动。工作原理和液压传动一样，压力由压缩空气驱动作为工作介质，具有工作速度高，成本低，无泄漏污染，但功率小，动作不够稳定，不易小型化，难以实现精确控制。和机械手需要加工精度高，驱动功率较大，所以压力驱动为机械手的驱动方式也有一定的局限性。液压传动和气压传动用于工业机械手Unimate机械手早，最早是由液压驱动的工作模式。3电气传动。它是将电能转化为电磁力，电磁力驱动执行机构运动的。电力驱动，控制精度高，响应速度快，操作简单方便，无污染，这些特征更好地满足机械手的设计要求。因此，电力驱动成为机械手的主要驱动方式，所述控制电机是最常见的执行器。3.2.2为了减小机械手的体积，降低了驱动装置的重量，同时满足控制精度的要求，我们选择电驱动机械手的驱动方式，并选取控制电机作为驱动装置。控制电机可分为步进电机，直流伺服电机和交流伺服电动机三。他们有不同的特点。1，步进电机。也被称为电脉冲电动机，它是电脉冲信号转换成转子的机械角位移的执行元件，角位移的大小和速度分别与电脉冲数的输入频率成正比。步进电机没有积累误差，长期定位准确，不易失步，具有成本低，结构简单，控制性能好，机电一体化系统，因此它被广泛地应用在开环结构。2，直流伺服电机。整流器的直流伺服电动机的电刷和换向器由磁场产生的，磁动势和电枢磁动势正交，从而产生转矩。它具有较高的响应速度，精度和频率，具有优良的控制特性，但其机械结构复杂，而且由于电刷和换向器的使用寿命短，因此需要经常修理。3，交流伺服电机。交流伺服电机的大小和方向的气隙磁场的检测，而不是换向器和电刷的电力电子变换器，并通过励磁电流、气隙磁场的方向相同，有效电流的垂直方向与气隙磁场来控制主磁通和转矩。它具有稳定可靠的特点，输出转矩恒定，过载能力强，加速和良好的动态性能，而且由于闭环控制的使用，从而达到较高的控制精度和可靠的控制性能可以。交流伺服电动机已广泛应用在工业自动化控制领域。为了满足机械手的运行速度快，高动态性能和良好的设计精度控制，采用日本安川公司II系列交流伺服电机作为驱动装置，并驱动伺服电机与伺服电机配合控制电机运行的选择。3.3机械手转动关节设计机械手共含有3个旋转自由度，为简化设计，均采用同一结构，首先面临的问题就是如何在有限的空间内合理地安装电机，并使电机主轴的输出符合关节运动的要求。考虑到齿轮传动具有效率高、占空间小、结构简单、可靠性高等优点，所以目前应用于水下机械手关节传动的主要是齿轮传动。由圆锥齿轮传动将直流伺服电机的旋转运动减速并改变输出轴方向，使输入、输出轴线成90°，因此，本文采用直齿圆锥齿轮作为传动装置。结构简图如图3-2所示。图3-2水下机械手旋转关节驱动简图3.4机械手移动关节设计移动机械手用于直线升降运动，机械手本体部分传动连接，从而在垂直方向实现末端执行器的定位装置。常见的线性驱动方式主要有液压驱动，气压驱动，直线电机驱动，旋转电机和丝杠螺母副联合驱动等。滚动丝杠螺母具有小的摩擦力矩传动的特点，传动效率高，结构紧凑，刚性好，传动精度高，使用寿命长等特点，已广泛应用于机电一体化系统，与滚动导轨副精度高，摩擦系数小，润滑方便，使用寿命长。因此，我们使用电机联合滚动丝杆螺母机构和滚动导轨副设计机械手。本次设计机械手的手臂移动关节如下，电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠轴承两端固定在圆筒支架上，手臂固定在丝杠螺母座上。当电机转动时，电机的输出轴带动滚珠丝杠旋转，驱动丝杠螺母沿螺杆轴线方向作直线运动，实现手臂的移动运动。初选丝杠的基本技术参数，如表3-1所示。表3-1丝杠轴的基本技术参数名称公称直径螺距接触角摩擦系数螺纹类型数值16445°0.1梯形螺纹则以上参数可得：螺旋升角当量摩擦角螺纹阻力矩上式中，表示摩擦系数，Q表示可承载丝杠轴面的平均直径，因而取螺母内外径的平均值，取为，所以：丝杠所受力矩安全系数2，最小力矩电机输出。3.5滚珠丝杠选型设计与计算（1）滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，精度高，经久耐用等优点，同步的特点，从而满足设计要求。首先，滚珠丝杠连接装置质量的工作条件：m1为4kg，工件（末端执行部分）质量m2为2kg，行程长度Ls为800mm，最大速度V为6m/min，加速时间t为0.5s，步进电机转速1250r/min，导向面摩擦系数µ为0.003，步进电机转动惯量Jm为0.8N.M，丝杠传动精度±0.03mm（2）丝杠导程精度的选择+0.3mm定位精度的C7，滚珠丝杠的精度水平，针对实验室环境和经济的要求，对滚珠丝杠的选择。（3）滚珠丝杠的导程及长度选择从表2-3显示，电机转速1250r/分钟，提升联合线性运动速度100mm/s，即6m/min，滚珠丝杠导程，查看《现代机械设计手册》，所以我们应该选择5mm。（4）丝杠直径的选择这样，通过丝杆的长度和导程P=5mm，可选的螺杆直径为16mm（5）最大轴向负荷的计算加速度：各状态下的受力情况如表3-2所示表3-2各个状态的受力情况表作用在滚珠丝杆上的最大轴向负载为：。计算载荷求解：根据表2-8所示：选取，，。表3-3求解载荷的参数表（6）支撑方式的选择由于丝杠行程800mm，6m/（7）额定动载荷计算计算寿命：（2-22）（8）滚珠丝杠副选择名义上的滚珠丝杠动态负荷等于或略大于选择原则，THK滚动预压滚珠丝杠BTK2005-2.6，Ca=6KN。BTK2005-2.6的参数主要为：丝杠轴外径d=16mm，导程P=5mm，钢球中心直径dp=16.5mm，沟槽谷径d1=14（9）滚珠丝杠的刚度验算变形是确定工作负载和扭矩，因为两者的结合，所以，在一定程度上引导过程，偏移和在实际过程中，取，这将确保在最坏的情况下，铅的最大变形预测。所以：式中，A为丝杠截面积，；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa；在上式中，为平均工作负载，表示摩擦系数，T表示转矩，取摩擦系数为0.0025，则=8'40"；工作是在由导程误差引起的弹性变形的杆的长度通常要求丝杠误差应小于1／2传动精度，即：，该丝杠满足刚度要求。（10）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为:要求在90%~95%之间，所以所选的丝杠副合格。3.6本章小结本章主要对机械手的技术参数和基本要求，在实验室环境中进行分析，完成了机械手的本体设计。首先确定传动方案，然后采用自底向上的设计原理，SolidWorks环境下的三维建模；然后是关键部件的选型计算，从而确定结构模型的主要结构和部件，与整体一致的设计原则。一般来说，结构和布局的模块化制造方便，该模块可以应用在一些精度和结构尺寸组合运动结构设计要求。第4章转动关节设计计算4.1转动关节电机选型在对水下机械手进行了综合分析的基础上，本文采用电气驱动。一般用于水下机械手的电气驱动元件有步进电机、直流力矩电机和直流伺服电机[6]，其各自的适用性能如下:①步进电机不需要位置反馈就可以实现开环位置控制，但步进电机的输出力矩一般比较小，要想获得大的驱动力矩，电机的尺寸和重量都将比较大；②直流力矩电机驱动力矩较大，相应速度也较快，需要通过闭环实现位置控制，但直流力矩电机的径向尺寸一般比较大；③直流伺服电机的速度较高、结构紧凑，一般与减速器、编码器集成在一起，构成伺服机组，减速器的规格有标准的系列，可以根据需要的减速比和输出力矩选配。基于以上分析，本文采用直流伺服电机作为关节驱动元件。直流伺服电机经减速后最后输出的扭矩必须比负载扭矩大，所以电机的输出力矩必须达到一定的要求。另外，由于采用电机内置式结构，电机尺寸直接决定了关节的尺寸，进而决定了水下机械手的结构尺寸，所以选择一款合适的电机非常关键。在分析对比了各类电机的性能之后，本文选用TH37JB555型直流伺服减速电机，其主要性能参数见表4-1。表4-1电机主要性能参数5.2圆锥齿轮传动设计1，选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数（1）通用减速器锥齿轮减速器，它的速度不高，8级精度的选择。（2）从《机械设计材料的选择（第八版）》表10-1选择小齿轮用45钢进行淬火和回火热处理材料，调制后硬度250HBS，大齿轮材料选择45钢调质的，加工后硬度220HBS。2，根据齿面间的接触疲劳强度设计1因为它是软齿面封闭传动，根据齿面间的接触的疲劳的强度来进行计算，其计算的公式如下： 小齿轮传递的扭矩为因v的数值不知道，K的数值也不能确定，所以可先选择载荷系数由表8-19，查得弹性系数从图9-3查表得到的节点区域系数齿轮比值为以齿轮为宽度系数8.最大的接触疲劳度可用下式计算对图10-21390MPa齿面硬度大，接触疲劳强度极限580MPa齿轮接触疲劳极限。周期数应与小齿轮和大齿轮分别由图8-5查得寿命系数，；由表8-20取安全系数，则有取初算小齿轮的分度圆直径，有设计计算计算载荷系数：由表8-21查得使用系数齿宽中点分度圆直径为故由图8-6降低1级精度，按9级精度查得动载荷系数，由图8-7查得齿向载荷分配系数，则载荷系数。对进行修正：因与有较大的差异，故需对计算出的进行修正，即：确定齿数：选齿数，，取，则，，在允许范围内。大端模数：，查表，取标准模数。大端分度圆直径为：＞38.1锥顶距为：齿宽为：。取3、按齿根弯曲疲劳强度设计 齿根弯曲疲劳强度条件为：同前圆周力为齿形系数和应力修正系数则当量齿数为由图8-8查得，；由图8-9查得，。许用弯曲应力：由图8-4查得弯曲疲劳极限应力，。由图8-11查得寿命系数，由表8-20查得安全系数，故：4、计算锥齿轮传动其他几何尺寸5.3齿轮上作用的力1、齿轮传动的作用力已知条件：传动的转矩，转速，小齿轮端面分度圆直径，，，。锥齿轮1的作用力，圆周力为的方向和相反方向的力作用点的圆周速度。径向力为：作用点的方向是指向的1轮受力旋转中心。轴向力为：沿轴线方向的小端的小伞齿轮大端。法向力为：2周力锥齿轮，锥齿轮的径向力和轴向力和2锥齿轮的轴向力的方向1大小相等、方向相反的径向力。第5章水下机械手的密封性设计由于机械手处于水下运动，设备的密封性就成了最重要的设计部分。在不同种类静密封或动密封的应用场合，O型密封圈是一种既有效又经济的密封元件，且是一种具有双向作用的密封元件。安装时径向或轴向的初始压缩赋予了O型密封圈自身的初始密封能力。由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总密封力，它随系统压力的提高而提高。O型密封圈结构紧凑，零件外形较小，安装极为简单，适合于解决许多密封问题。用于水下特别是海洋环境的机械手与非水环境机械手最大的区别就在于必须对水下机械手相关部件进行防腐和密封处理。机械手的防腐主要从材料上考虑。手指及手掌的壳体采用铝合金，铝合金具有良好的耐腐蚀性能，并且在机械加工完成后，对其表面进行阳极氧化处理，进一步提高抗腐蚀能力。锥齿轮、轴承和轴等关键的小部件采用铬镍不锈钢材料，该材料不仅能耐大气、海水、蒸汽的腐蚀，还能耐硝酸、硫酸、盐酸的腐蚀，而且具有良好的冷加工性能。通常水下密封分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封问题不难解决，通常是采取加“O”型密封圈的方法，而动密封问题的解决却比较困难。动密封是指电机轴伸处的密封，因为电机轴只要转动，轴与机壳内就会有间隙，就容易漏水。而且下潜深度越深，压力就越高，也就越容易漏水。在水下机械手中除电机涉及动密封外，其余都是静密封。最重要的还是电机轴伸处的动密封。由于电机功率较低，有必要对这种密封方式的摩擦损耗进行估算，又因为水下机械手在抓取时转速非常低，所以不考虑摩擦功率损失，只对其摩擦损耗力矩进行估算.取接触圆环面作为研究对象，建立如图5-1所示的极坐标系.图5-1极坐标系在圆环面上取一微元区域S，可得到该微元上摩擦损耗力矩为：式中：P为接触面的压力（包括水压合压盖预紧力）；f为接触面的摩擦系数。化简可得：舍去二次微小量，上式变为：所以整个圆环面上的摩擦损耗力矩为：根据设计结果，；；取压盖的预紧力和转动关节处锥齿轮副的作用力为20N，设计水深为30米，则，取；在半液摩擦状态时摩擦系数，因此有：根据前面所述的电机计算转矩损失率为：由此可见，这种密封方式的转矩损失率较小，对水下机械手影响不大。结论本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的水下四自由度机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。为了研究海洋环境下水下机械手智能控制相关技术，本文研制了四自由度水下机械手。在分析了水下机械手工作环境及作业性能的基础上，本文进行了水下机械手关节