无锡职业基于钢材仓库搬运机械手的设计带机械图
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分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)S-2壳体柔性装配机械手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xx机自x班姓 名学 号指导老师 2017 年 3 月 31 日27摘 要本文将设计S-2壳体柔性装配机械手结构设计，主完成装配线上抓取工件，进行工件组装。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计技术是机电一体化产品，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计成为一个领先的研究课题。运用在不同领域，其发展的多机构衔接所需组合也促成了这些学科的发展。本文采用在结构设计上的S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计，并完成图纸和零件图总装配图。为S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型的要求被分析以估计电机的负载，充分的设得所需要的转矩和功率。完成S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的程序设计，总体设计，结构设计，运动学模型分析，检查，分析S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型，设计和生产S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计模型做的过程中强度的关键部件，绘制装配图和零件图。关键词：机械臂，结构设计，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计，电机AbstractIn this paper, the structure design of the S-2 shell flexible assembly manipulator is designed. The main work is to finish the workpiece on the assembly line. First of all, this paper will design the robot base, big arm, small arm and flexible manipulator assembly design of S-2 shell structure, and then choose proper drive method and transmission method, structure of robot platform; S-2 shell flexible assembly manipulator structure design technology is the integration of mechanical and electrical products, tool change S-2 shell flexible assembly machine the hand design has become a leading research topic. The use of different areas, the development of the combination of multi institutional cohesion also contributed to the development of these disciplines.In this paper, the structural design of the S-2 shell flexible assembly manipulator structure design, and complete the drawings and parts of the assembly drawing. The requirements for the structural design and design model of the S-2 flexible assembly manipulator are analyzed in order to estimate the load of the motor, and the required torque and power are adequately set. Complete the program design, hand structure design S-2 shell flexible assembly mechanical design, structure design, kinematics analysis, inspection, analysis of design of S-2 shell flexible assembly mechanical model, the key components of strength design and manufacturing process of S-2 shell flexible assembly manipulator structure design model of the assembly drawing and part drawing.Key words: manipulator, structure design, S-2 shell flexible assembly manipulator structure design and design, motor目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 机械手定义11.2 机械手研究现状11.3 装配机械手研究目的及意义11.4 工业机械手的驱动形式22 总体方案设计52.1 技术参考数据52.2 S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计方案论述52.4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计机械传动原理62.5 S-2壳体柔性装配机械手装置设计总体方案设计72.6 本章小结83 手爪夹持器结构设计与校核93.1手爪夹持器种类93.2夹持器设计计算103.3 夹持装置液压缸设计计算113.3.1 初步确系统压力113.3.2液压缸计算113.3.3 活塞杆的计算校核143.3.4 液压缸工作行程的确定144 S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂部结构164.1 大臂部结构设计的基本要求164.2 大臂部结构设计174.3 大臂电机及减速器选型174.4 减速器参数的计算185小臂结构设计235.1 吸盘设计要求及选型235.2 腕部设计235.2.1 手腕偏转驱动计算245.2.2 手腕俯仰驱动计算345.2.3 电动机的选择355.3 小臂部结构设计365.4小臂电机及减速器选型375.5.1.传动结构形式的选择385.5.2.几何参数的计算385.9 轴承的寿命校核395.10 轴的强度校核39总结42致 谢43参 考 文 献441 绪论1 绪论1.2 机械手研究现状机械手是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作区完成作业，程序可按需要变动，所以适合多品种小批量生产。机械手能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。机械手在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机械手。工业机械手主要承担着焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。目前我国行业比较缺乏机械手，因此，该产品在我国有较好的发展前景。机械手由横向手臂、直立手臂、支撑杆、摆动液压缸、支承工作台、气缸、喷枪等部分组成，它的主要功能是配合液压控制系统完成产品表面的工作。1.3 装配机械手研究目的及意义本课题所设计的机械手适合目前我国生产的要求，能够达到质量好、工作性能稳定等目的。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。1.4 工业机械手的驱动形式 机械手所用的驱动机构主要有4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。 图1-1 某型号双臂机械手外形图 图1-2 某型号关节多自由度机械手外形图 图1-3 某型号搬运机械手外形图1、液压驱动式液压驱动式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，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。2、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。3、电气驱动式电力驱动是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（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。4、机械驱动式机械驱动只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。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。2 总体方案设计2 总体方案设计2.1 技术参考数据根据机床操作和工艺流程，分析和设计能满足的S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计。主要完成如下设计任务： 设计一款用于生产线上摆臂式装配机械手，完成装配线上抓取工件，进行工件组装。 （1）完成机械手自由度的确定 （2）完成机械手的各执行机构设计，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，既可以用夹持式手指来抓取棒料工件，又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。2.4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计机械传动原理该方案结构设计与分析：该S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的本体结构组成如图：S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件,承受S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计工作时的稳定运行。 S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。2.5 S-2壳体柔性装配机械手装置设计总体方案设计工业S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构 直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的运动空间相对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸要比其他类型的S-2壳体柔性装配机械手装置设计的结构尺寸大得多。直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的工作空间为一空间长方体。直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构圆柱坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种S-2壳体柔性装配机械手装置设计构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构球坐标S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型S-2壳体柔性装配机械手装置设计动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对S-2壳体柔性装配机械手装置设计本体尺寸，其工作空间比较大。此种S-2壳体柔性装配机械手装置设计在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的S-2壳体柔性装配机械手装置设计。S-2壳体柔性装配机械手装置设计结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(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S-2壳体柔性装配机械手装置设计坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。2.6 本章小结本章主要完成对S-2壳体柔性装配机械手装置设计系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了S-2壳体柔性装配机械手装置设计的总体设计方案后，就要针对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。6 机身设计3 手爪夹持器结构设计与校核3.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为S-2壳体柔性装配机械手装置设计在工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 20；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；选取缸内径为40mm3.3 夹持装置液压缸设计计算3.3.1 初步确系统压力表3.2 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455由表3.2和表3.3可知，初选液压缸的设计压力P1=1MPa3.3.2液压缸计算估算要驱动的负载大小为300N，考虑到液压缸未加载时实际所能输出的力，受液压缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前液压缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究液压缸的性能和确定液压缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表3.4：表3.4 液压缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=50mm/s，取=0.60，所以实际的液压缸缸负载的大小为：F=F0/=500N（2） 液压缸内径的确定表3.5 液压缸内径确定公式项目计算公式缸径双作用液压缸推力拉力 表1 液压缸内径系列GB/T2348-1980mm810121620253240506380100125160200250320400500按GB/T2348-1980，取标准值D=40mm；本来可以取32的，考虑不可预测的超载等因素，故在这取的略微大一些。查气传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。活塞杆直径d=0.45D=18mm 取d=18（标准直径）表2 活塞杆直径系列4568101214161820222528323640455056637080901001101251401601802002202502803203604003） 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。式中，实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1 MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。缸筒材料许用应力，N/mm。=，为材料的抗拉强度。注：1.额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=1MPa2.最高允许压力PmaxPmax1.5Pn=1.251=1.25MPa液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：b=600MPa安全系数n按气传动与控制手册P243表210，取n=5。则许用应力=120MPa = =0.2083mm则液压缸缸体外径为50mm。3.缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底接，构成密封的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关6。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用结构便于装配、拆卸和维修的接形式，缸筒内外径应根据标准进行圆整。3.3.3 活塞杆的计算校核2.活塞杆强度计算： 90mm （4-4）式中 许用应力；（Q235钢的抗拉强度为375-500MPa，取400MPa，为位安全系数取5，即活塞杆的强度适中）4 S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂部结构4.1 大臂部结构设计的基本要求臂部部件是S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的: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)关节，则臂部自由度加以实现。因此，一般来说臂部设计基本要求: （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻臂部通常即受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢（如图4.1和4.2所示）或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置以及管道，这样就使结构紧凑、外形整齐。（2)臂部运动速度要高，惯性要小在一般情况下，手臂的要求匀速运动，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，否则引起冲击和振动。 为减少转动惯量，应采取以下措施: (a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料; (b) 减少手臂运动件的轮廓尺寸 (c) 减少回转半径 (d) 驱动系统中设有缓冲装置(3)手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。(4)位置精度要高。一般来说，直角和圆柱坐标系S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计位置精度高;关节式S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度。4.2 大臂部结构设计大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。4.3 大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg， M3=4KgJ2=M2L42+M3L52 =10.0972+40.1942=0.16kg.m2大臂速度为10r/min ，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T - 旋转开始时转矩 N.mJ 转动惯量 kg.m2- 角加速度rad/s2使S-2壳体柔性装配机械手装置设计大臂从到所需的时间为：则： (3.4)若考虑绕S-2壳体柔性装配机械手装置设计手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.54.4 减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS 刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取5小臂结构设计5.1 吸盘设计要求及选型（1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器1 吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。选择65CW36吸盘。5.2 腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。5.2.1 手腕偏转驱动计算手腕的偏转是通过后置于大臂底部一侧的步进电机驱动，两级带轮传动，再经过锥齿轮啮合传动改变方向来实现偏置的。手腕的驱动力来自步进电机，首先要计算手腕偏转所需要的转矩，再计算电机的输出转矩，确定步进电机的型号，从而计算设计传动以及锥齿轮传动的传动参数及相关尺寸。（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式中： 手腕偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕部分对回转轴线的转动惯量（kgm2）；手腕偏转角速度（rad/s）；手腕质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；手腕部分材料密度（kg/m3）；手腕部分外径和内径（m）；手腕的长度（m）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册15得：弹性联轴器传动效率；滚子传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩 Nm （3.9）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图3.3 90BYG步进电机技术数据图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线（2）设计传动（a） 计算、分配传动比根据步进电机型号及其对应的矩频特性曲线，所选步进电机工作转矩为4.5 Nm，对应的转速为r/min。由于腕部偏转的角速度r/s，已经通过计算得出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。已确定的手腕偏转传动方式是通过两级带轮传动和一级锥齿轮传动，需将总传动比进行分配。综合考虑带轮的尺寸和手臂内部结构空间，取小臂传动比，大臂传动比，锥齿轮传动比，。（b） 计算小臂传动功率 kW （3.10） 5.2.2 手腕俯仰驱动计算手腕的俯仰是通过后置于大臂底部另一侧的步进电机驱动，两级带轮传动来实现的。与手腕偏转驱动的计算方法一样，先进行步进电机的选型，再确定传动的传动参数和相关尺寸。经过设计计算，手腕俯仰驱动选择与手腕偏转驱动相同的步进电机型号90BYG5200B-SAKRML-0301。传动参数与相关尺寸计算结果如下：带轮参数：，mm，mm，mm。带轮尺寸：mm mm mm mm mm mm mm mm mm5.2.3 电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: （3-1） 、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.9； 系数1.52.5为经验数据，取1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择QZD-08串励直流电动机表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励B605.3 小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。5.4小臂电机及减速器选型本S-2壳体柔性装配机械手结构设计设计小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52 (3.3)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为： (3.7) 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=100 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6)选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.55.5.1.传动结构形式的选择该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角的渐开线齿廓。 5.5.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取5.9 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。5.10 轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。参考文献总结总结本文对S-2壳体柔性装配机械手装置设计的机械臂结构系统进行了设计，并对机械臂进行了性能分析。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： (1)机械结构优化问题在S-2壳体柔性装配机械手装置设计设计过程中，包括机械臂，采用模块化设计，不同功能结构分别进行设计，各模块之间连接采用最优方式。但是在模块各零件设计过程中，各参数计算选择主要从结构强度和刚度要求出发，很多零件为了匹配，比实际需求尺寸大很多。包括一些非关键零件设计，均是根据前人经验设计，选择尺寸。这种设计不仅增加了整个系统质量，同时增加了电机负载，造成了资源浪
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