機械設計制造及其自動化畢業(yè)論文 - 機械手的設計

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1、 畢業(yè)設計（論文） 自動上下料機械手直臂與夾持部件的三維設計及主要零部件設計 學生姓名 學號 學生專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 系 指導教師 致 謝 大學四年就這樣匆匆過去了，在此我想對培養(yǎng)我四年的母校，傳授我知識的老師，陪我一起度過酸甜苦辣的同學、朋友表示衷心的感謝。 特別感謝我的畢業(yè)論文指導老師張偉老師，是他悉心指導我完成了這個畢業(yè)設計。張老師用他淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W之道，精益求精的工作作風感染著我。從選題到答辯，都有張老師的指導，每次遇到問題，張老師都及時地給我們解答，這篇畢

2、業(yè)論文的順利完成，張老師付出了太多，在此，再次向張老師表示崇高的敬意和真摯的感謝。 這篇論文的順利完成，也離不開我們機械手設計小組的各個成員的共同努力。在此，特別感謝我的組長陳述，組員張益、林日玖、金守勇這四位同學，是他們用汗水澆灌了今天的成果。另外，感謝我們班的同學，感謝他們的關心和幫助。 自動上下料機械手直臂與夾持部件的三維設計及主要零部件設計 摘要：機械手能代替人工操作，起到減輕工人的勞動強度，節(jié)約加工時間，提高生產效率，降低生產成本的特點。在實用的基礎上，對自動上下料機械手直臂與夾持部件進行三維設計，其中分為三個部分，手爪、手腕、直臂。設計手爪為平移型夾持式手

3、爪，傳動結構為滑動絲桿。手腕為回轉型，轉動角度為0-180°，傳動結構為蝸輪蝸桿。直臂傳動結構為滾珠絲桿。整體機械手為直角坐標型，驅動均為電機驅動，結構簡單可靠，精度高。 關鍵詞 ：機械手；直臂與夾持部件；Pro/e三維設計；CAD二維設計 中圖分類號 ：TH24 目次 摘要............................................................................................................................................................

4、...I 目次............................................................................................................................................................III 1緒論 1 1.1前言和意義 1 1.2 工業(yè)機械手的簡史 1 1.3 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 3 1.4 本章小結 3 2機械手直臂部分的總體設計 4 2.1 執(zhí)行機構的選擇 4 2.2 驅動機構的選擇 4 2.3傳動結構的選擇 5 2.4 機

5、械手的基本形式選擇 6 2.5 機械手直臂部分的主要部件及運動 7 2.6 機械手的技術參數(shù) 8 2.8 本章小結 9 3機械手手爪的三維設計 10 3.1 手部設計基本要求 10 3.2 典型的手部結構 10 3.3 機械手手爪的設計計算 10 3.3.1選擇手爪的類型及夾緊裝置 10 3.3.2 手爪夾持范圍計算 11 3.3.3 滑動絲杠設計 12 3.3.4 直齒輪設計 14 3.3.5電機選型 15 3.4 機械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖 16 3.5 本章小結 18 4機械手手腕部分的三維設計 19 4.1腕部設計的基本要求 19 4.2

6、腕部的結構以及選擇 19 4.2.1 典型的腕部結構 19 4.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇 20 4.3 腕部的設計計算 20 4.3.1 蝸輪軸的設計計算 20 4.3.2 蝸輪齒輪設計 22 4.3.3 步進電機選型 23 4.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖 24 4.5本章小結 30 5 直臂部分的三維設計 31 5.1 手臂的結構的選擇及其驅動機構 31 5.2 滾珠絲杠設計 31 5.3 錐齒輪設計 34 5.4 電機選型 36 5.5 機械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 37 5.6 本章小結 40 6.總結 41 學位論文數(shù)據(jù)集.

7、.......................................................................................................................................43 1緒論 和意義 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特

8、別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 目前，在國內很多工廠的生產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應現(xiàn)代自動化大生產,針對具體生產工藝,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞

9、動生產率。通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 1.2 工業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試

10、制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unim

11、ate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。

12、 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占7

13、0%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨

14、著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： 1．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 2．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 3．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置

15、、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 4．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； 5．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其

16、二是與生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 本章小結 本章介紹了機械手的基本概念，工業(yè)發(fā)展簡史，發(fā)展機械手的重要性及設計的目的，并介紹了機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。 2機械手直臂部分的總體設計 2.1 執(zhí)行機構的選擇 （1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型。手部是用來抓取工件的部件，根據(jù)被抓取物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸附型和夾持型，吸附型主要是針對于一些

17、正方形表面光滑、輕質的工件或物料，夾持型主要是針對圓柱形狀或者是別的一些比較復雜形狀的工件或物料。傳力機構形式較多，常用的有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜槭杠桿式、絲杠螺母式、齒輪齒條式、重力式和彈簧式。 （2）腕部，即連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部姿態(tài)的作用，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、左右擺動、上下擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈

18、巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （3） 臂部 ，手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而

19、且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 2.2 驅動機構的選擇 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 可分為以下四類： （1）氣壓傳動機械手 氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結構簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。 （2）液壓傳動機械手 是以油液壓縮的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機械手對密封性要求很高

20、、不易于保養(yǎng)與維護、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會導致對其工作性能產生很大的影響、油液過濾要求非常嚴格，成本高。 （3）機械驅動機械手 它是由機械傳動機構驅動的機械手，是一種附屬于工作主機的專用機械手，動力是由工作機械提供的。其主要特點為：運動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結構較大，保養(yǎng)需求高。 （4）電氣驅動機械手 它是由電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其特點為：運動速度快，行程長，定位精度高，易于維護、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術還不夠成熟、結構較復雜、成本也較高。 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度

21、上取決于驅動方案及其裝置。按照各驅動特點以及機械手的工作環(huán)境經(jīng)討論我們采用電動驅動。 的選擇 （1）齒輪傳動機構 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。 （2）諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質上的差別。 （3）螺旋傳動 螺旋傳動及絲

22、杠螺母，它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結構簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳

23、動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構或制動裝置。 （4）同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有

24、梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。 （6)鏈傳動 在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 （7)鋼絲繩輪傳動 鋼絲繩輪傳動具有結構簡單、傳動剛度大、結構柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 2.4 機械手的基本形式選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形

25、式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; (3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節(jié)型機機械手。 圖2.1 機械手基本形式 按照機械手的工作環(huán)境采用直角坐標型機械手，其特點是結構簡單緊湊，定位精度高，比較滿足設計要求。 2.5 機械手直臂部分的主要部件及運動 在直角坐標型機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，關于機械手具有4個自由度 即：手爪張合；手腕回轉；直臂升降；橫臂平移4個主要運動。 機械手主要由3個大部件和4個電機組成：（1）手部，采用絲桿螺母結構，通過電機帶動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個步進電機帶動蝸輪蝸

26、桿實現(xiàn)手部回轉90°~180°（3）臂部，采用滾珠絲杠，電機帶動絲桿使螺母在橫臂上移動來實現(xiàn)手臂平動，帶動絲桿螺母使絲桿在直臂上移動實現(xiàn)手臂升降。 圖2.2 機械手直臂與夾持部件總裝三維圖 圖2.3 二維示意圖 2.6 機械手的技術參數(shù) （1）用途：數(shù)控機床自動上下料 （2）設計技術參數(shù): 1、抓重:600g (夾持式手部) 2、自由度數(shù):4個自由度 3、坐標型式:直角坐標型 4、橫臂手臂長度:2180mm 5、手臂最大高度: 6、手臂運動參數(shù) 升降行程：920mm 升降速度：167mm/s 7、手腕運動參數(shù) 回轉范圍: 0-

27、180° 2.8 本章小結 本章對機械手的整體部分進行了總體方案設計分析，從中選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設計采用電機驅動，并給出了設計中機械手的一些技術參數(shù)。下面的設計計算將以此進行。 3機械手手爪的三維設計 3.1 手部設計基本要求 （1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 （2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。 （3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手

28、臂的負載。 （4） 應保證手抓的夾持精度。 3.2 典型的手部結構 （1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 （3）平面平移型。 3.3 機械手手爪的設計計算 選擇手爪的類型及夾緊裝置 本設計是設計抓取圓柱形物塊的機械手。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板和圓柱類材料, 且工件徑

29、向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差為零。通過綜合考慮，本設計選擇移動型手爪，采用絲杠螺母這種傳動結構方式。 運行方式為電機帶動直齒輪使絲杠轉動繼而帶動手爪接觸塊移動，從而形成手爪的張合，當手爪抓到零件時，電機停止，手爪形成自鎖，帶動零件移動。 圖3.1 二維手爪結構圖 手爪夾持范圍計算 加工毛坯尺寸：Φ20-Φ30 長度：100左右 毛坯質量（以鋼材的密度計算）：約246g-555g（按最大600g計算） 裝夾深度：約25mm 縱向定位精度： 橫向定位精度：1mm 手爪接觸塊為橡膠，橡膠具有彈性大，定伸強度高，抗撕裂性和電絕緣性

30、優(yōu)良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特點。 圖3.2 手爪橡膠 滑動絲杠設計 設計條件： 需自鎖 絲杠長度 145mm 最大質量共計約1100g。 絲杠載荷：絲杠豎直時承受最大軸向力，G=mg (g取10N/kg)。 設計計算：（計算部分由小組成員張益完成本人參與討論） （1） 牙型、材料和許用應力 采用梯形單頭螺紋 螺桿材料選45鋼，調制處理，，由機械手冊查表可得 許用拉應力 .................................................................（3.1） 手爪部分為輕載，螺母材料選耐磨鑄

31、鐵。由機械手冊查表可得 許用彎曲應力， 取 ； 許用剪應力 由機械手冊查表可得 許用壓強，取 （2） 按耐磨性計算螺桿中徑 由表中公式，， ....................................................................................（3.2） 采用整體螺母式，取， 由GB/T 5796.3-1986，可選，，，，，的梯形螺紋、中等精度。螺桿左右兩端分別采用不同的旋向，螺旋副標記分別為： ，。 螺母高度，取 則螺紋圈數(shù)圈 （3） 自鎖性驗算 由于單頭螺紋，導程，故螺紋升角為 ......

32、..................................................................（3.3） 由機械手冊查表可得鋼和耐磨鑄鐵的，取，可得 ...................................................................（3.4） ，故自鎖可靠。 （4） 螺桿強度校核 由機械手冊查表可得，螺紋摩擦力矩 ， ...................（3.5） 代入以下公式得 ...（3.6） （5） 螺母螺紋強度校核 因螺母材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋強度即可。

33、 由機械手冊查表可得 牙根寬度，基本牙高 代入以下中的公式得 ...........................................（3.7） ................................................（3.8） （6） 橫向振動校核 對于鋼制螺桿 ...........（3.9） 應滿足轉速 （7） 效率 由回轉運動轉化為直線運動時 .........（3.10） 效率取為 直齒輪設計 表3.1 直齒輪參數(shù)表 項 目 符號 齒輪1 單位 單位 齒 輪2

34、 單位 幾何參數(shù)： 齒數(shù) Z 20 35 法 向 模 數(shù) m n 毫米 法 向 壓 力 角 αn 20 度 有 效 齒 寬 b 12 毫米 齒 頂 高 系 數(shù) ha* 1 頂 隙 系 數(shù) c* 5 標 準 中 心 距 a0 毫米 中 心 距 a 42

35、 毫米 分 度 圓 直 徑 d 30 毫米 毫米 基 圓 直 徑 d b 毫米 毫米 頂 圓 直 徑 d a 33 毫米 57 毫米 根 圓 直 徑 d f 毫米 毫米 齒 頂 高 h a 毫米 毫米 齒 根 高 h f 毫米 毫米 全 齒 高 h t 3 毫米 弧 齒 厚 S t 毫米

36、 毫米 名 義 轉 矩 T N·m N·m 名 義 功 率 P Kw Kw 轉 速 n 3500 r / min 1998 r / min 材 質 支 承 形 式 非對稱支承 電機選型 計算條件：空行程最長 設計計算：（電機選型部分和組長商量而定） 螺母移動平均速度， .....................................................（3.1

37、1） 絲杠的平均轉速 摩擦轉矩 .................（3.12） ........................................................（3.13） 故........................................................（3.14） 選用轉速為的直流電機，速比 齒輪傳動效率、滑動螺旋傳動效率 總效率 電機軸驅動轉矩： ............................................................（3.15） 電機軸輸

38、出功率： ............................................................................（3.16） 電機選用40ZY-02直流電動機 3.4 機械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖 圖3.3 手爪三維圖 圖3.4 直齒輪絲桿 圖3.5 電機齒輪 圖3.6 齒輪箱 圖3.7 手爪接觸塊連接件和絲桿螺母 圖3.8 手爪裝配件 3.5 本章小結 本章對機械手手爪的類型及夾緊裝置進行了設計。先對絲杠螺母式的手部結構進行設計分析，然后對手爪滑動絲杠進行計算設計，對直齒輪和電機進行

39、了選型。最后用Pro/e畫出三維圖,用AutoCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 4機械手手腕部分的三維設計 （1） 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 （2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3） 必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工

40、的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 4.2 腕部的結構以及選擇 典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于270°）。 (2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機-

41、液結合的腕部結構。 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉90°或180°，則腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構。步進電機是一種步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 故手腕結構

42、為步進電機帶動渦輪蝸桿運動的結構：其主要功能是帶動手爪的轉向，使其能準確的抓取零件和放置零件。 運行方式為步進電機帶動蝸輪蝸桿轉動，繼而帶動手腕的轉動，轉到一定角度(90°或180°)時電機停止轉動，完成手腕的轉動功能。 4.3 腕部的設計計算 計算條件：夾取工件重量600g左右，回轉180°。 蝸輪軸的設計計算 設計計算：（計算部分由小組成員張益完成） （1）選擇軸的材料 選擇軸的材料為45鋼，調質處理。由機械手冊表6-1-1查得：，，， （2）初步確定最小軸徑 按表選取 由機械手冊得 ..................................

43、...（4.1） （3）軸的結構設計 圖4.1 蝸輪軸結構圖 （4）鍵的選擇與校核 1、蝸輪連接鍵 選擇普通平鍵 查機械手冊可得 ..........................................（4.2） 查機械手冊可得 所以 2、軸端連接鍵 選擇普通平鍵。 查機械手冊可得 .........................................（4.3） 查機械手冊可得 所以 （5）軸的強度校核 其條件為 ....................（4.4） 其中 —— 軸的計算應力，MPa；

44、M —— 軸所受的彎矩，Nmm ； ............................（4.5） T —— 軸所受的扭矩，Nmm； W —— 軸的抗彎截面系數(shù)，； —— 對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力，其值按表計算 ..........................................................................................................................................（4.6） 即＝270MPa，故安全。 蝸輪齒輪設計 計算條件

45、： 蝸輪軸輸出功率，轉速，負載轉矩，傳動比。工作壽命 設計計算： 1選擇材料和加工精度 蝸桿選用45鋼、蝸輪選用ZCuAl10Fe3、加工精度7級 1. 初選幾何參數(shù) ， 2. 計算蝸輪蝸桿傳動效率及蝸桿輸入轉矩 粗算傳動效率 .................................（4.7） 蝸輪輸出轉矩 ..............................................（4.8） 蝸桿輸入轉矩 ...................................................（4.9） 3. 確定許用接觸

46、應力 蝸桿輸入功率 ......................................................（4.10） 滑動速度、、 、 ..............................................（4.11） ..................................（4.12） 4. 求載荷系數(shù)K 動載荷系數(shù)、嚙合質量系數(shù)、小時載荷率、小時載荷率系數(shù)、環(huán)境溫度系數(shù)、工作情況系數(shù) 由于不帶風扇， 所以： .......................（4.13） 5. 計算m和q值 ......

47、.................（4.14） 取 ，，16 ....................................（4.15） 接觸強度足夠。 步進電機選型 計算條件：手腕電機載荷約為85N，蝸輪軸轉速 設計計算： 手腕轉動的時間約為， 期間做功 .........................................................................（4.16） 蝸輪軸輸出功率 ...................................................（4.17） 渦輪

48、軸轉矩 .................................................（4.18） 電機軸輸出轉矩 .................................................（4.19） 電機軸輸出功率 ................................................（4.20） 步距角取。 ...................................................................（4.21） 靜力矩 ....................

49、........（4.22） 選用永磁感應子式步進電機57BYG450C 4.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖 圖4.2 手腕三維圖 圖4.3 手腕法蘭 圖4.4 蝸桿 圖4.5 蝸輪 圖4.6 蝸輪軸 圖4.7 軸端法蘭 圖4.8 蝸輪蝸桿箱體 圖4.9 蝸輪蝸桿箱蓋 圖4.10 蝸輪軸承蓋 圖4.11 蝸輪軸承蓋開口 圖4.12 嵌入式軸承蓋 圖4.13 嵌入式軸承蓋開口 本章對機械手手腕的類型及回轉裝置進行了設計。先對蝸輪蝸桿結構進行設計分析計算設計，對電機進行了選型。然后用Pro/e畫出三維圖,用Au

50、toCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 。 5 直臂部分的三維設計 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運

51、動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和升降。本次設計主要講直臂的升降。 5.1 手臂的結構的選擇及其驅動機構 機械手的手臂升降伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)。 我們選用滾珠絲杠結構的手臂，螺母帶動絲杠進行升降和平移，采用電機驅動。結構如下圖：中間為絲杠，兩邊為光桿。 運行方式為電機帶動錐齒輪，繼而帶動絲杠螺母，絲杠螺母是固定點，相對的絲杠做上下移動。 5.2 滾珠絲杠設計 （計算部分由小組成員張益完成本人參與討論和數(shù)據(jù)修改） （1）選取的滾珠絲杠轉動系統(tǒng)為：磨制絲杠(右旋) 上固定端到螺母間

52、距離(臨界長度) 下固定端到螺母間距離(臨界長度) 設計后絲杠總長 最大行程 支承方式為兩端固定 定位精度： ?? 由表得，有效行程內目標行程公差，行程變動量 由表得，任意300mm行程內行程變動量，2π弧度內行程變動量 絲杠精度為5級，可靠性90%。 （2）計算載荷 手腕手爪部分重量 （重力加速度取） ..........................（5.1） 軸向載荷 （3）初算導程： 絲杠螺母轉速，直臂移動速度 初算導程，所以取 （4） 選工作壽命： （5）由表得， ， ......................

53、.......................................（5.2） 式中，查機械手冊得，精度系數(shù) 查機械手冊得，可靠性系數(shù) 查機械手冊得，載荷性質系數(shù) 查機械手冊得，預加載荷系數(shù) 所以， （6） 靜載計算：由機械手冊得，，式中 ..........................（5.4） （7）選取滾珠絲杠型號：采用外循環(huán)導珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型，。 其中，，，， 滿足承載能力要求。 （8）計算預緊力：， ................................................（5.5）

54、 （9）值校驗 由機械手冊得，，符合要求。 （10）臨界轉速校核 ....................................................................................（5.6） 式中，查機械手冊得， 滿足轉速要求 （11） 螺桿強度： 螺桿材料為45鋼，調質處理，其許用應力 螺桿當量應力： ....（5.7） 式中， 符合強度要求 (12)系統(tǒng)剛度計算 剛性為機械剛度的指標，滾珠絲杠的剛性取決于螺桿與螺母之間軸向負荷珠槽接觸剛性及螺桿軸的剛性來決定。機械驅動系統(tǒng)總剛性的慣性經(jīng)

55、由測試，可將螺帽—螺桿及鋼珠—珠槽兩者間的剛性合二為一，成為螺帽剛性，因此 ....................................................................................................（5.8） 5.3 錐齒輪設計 錐齒輪傳動的特點：錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動,兩軸交角S稱為軸角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用90°。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖所示。由于這一特點，對應于圓柱齒輪中的各有關"圓柱"在錐齒輪中

56、就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設計、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動（＜5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。本節(jié)采用S=90°的標準直齒錐齒輪傳動。 圖5.4 錐齒輪 計算條件：負載轉矩，直線錐齒輪，傳動比為，錐齒輪轉速 材料為45鋼，調質處理，齒面硬度HBS=217~255，齒面粗糙度 錐齒輪設計計算：（計算部分由組員張益完成本人參與數(shù)據(jù)討論修改） 1.初步計算： 電機軸端齒輪轉矩 載荷系數(shù) 齒數(shù)比 估算時，安全系數(shù)， 接觸疲勞強度

57、極限 因此估算時的齒輪許用接觸應力 ...................（5.9） 估算結果： 所以 考慮到絲杠需從錐齒輪2中心穿過，且所選用絲杠的公稱直徑，絲杠螺母，故取， 齒數(shù)：取 大端模數(shù)： .....................................................................................（5.10） 1）.齒根彎曲疲勞強度設計 其條件為 .....................................................................（5.11

58、） 其中 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 應力校正系數(shù) 齒寬系數(shù) 查機械手冊得 ＝1 查圖得 查機械手冊得 ＝1.4 查表得 可得 可得 取常用值1/3 代人計算得 .......................（5.12） 即，故安全。 2）.齒面接觸疲勞強度計算 其條件為 ................................................（5.13） 其中 彈性影響系數(shù) 查機械手冊得＝ 代人計算得 .............................................

59、........................................................................................（5.14） 即，故安全。 5.4 電機選型 計算條件：絲杠軸向工作載荷約為，絲杠移動速度 圓錐齒輪傳遞效率 設計計算： 絲杠工作的功率： ...................................................（5.15） 絲杠轉矩 電機選用同步轉速的三相異步電機，速比 電機輸出軸負載轉矩： 電機輸出軸功率 ................

60、..........................................................（5.16） 電機選用YS5012三相異步電動機 5.5 機械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 圖5.1 直臂結構三維圖 圖5.2 直臂部分傳動機構三維圖 圖5.3 滾珠絲桿螺母 圖5.4 直臂套筒 圖5.5 光桿絲桿連接件 圖5.6 直臂箱體 圖5.7 直臂箱蓋 5.6 本章小結 本章對機械手直臂的類型及升降裝置進行了設計。先對滾珠絲桿結構和錐齒輪進行設計分析計算設計，對電機進行了選型。然后用Pro/e畫出三維圖,

61、用AutoCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 通過近三個月的畢業(yè)設計，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四年所學的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對機械設計這門專業(yè)的理解更加深刻和準確。在設計過程中盡量使用標準的配件，降低成本，每一個設計都小心謹慎，仔細計算，最終能夠實現(xiàn)與數(shù)控機床相配合，實現(xiàn)加工過程中上下料的自動化。參考文獻 [11] 張海英，劉勝明.基于 PLC的自動上下料機械手設計[D].浙江：寧波職業(yè)技術學院，2010 [12] 張祺, 侯力, 劉松, 唐艷

62、, 蔣維旭. 加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究[D]. 四川：四川大學制造科學與工程學院，2010,2 [13]、尹自榮，熊曉紅，駱際煥，王建坤.數(shù)控上下料機械手的研究及應用[J].鍛壓機械 [14]、壽慶豐.一種經(jīng)濟型數(shù)控車床的自動上下料系統(tǒng)[J]. 中國學術期刊出版社， 1999年第 3期 [15]、陳佩云，金茂菁，曲忠萍.我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀[J].機器人技術與應用，2001年第 1期 [16]、張海英，劉勝明.基于PLC 的自動上下料機械手設計[J]. 電氣技術與自動化，2010年 第9期 [17]康立新，馬建華.工業(yè)機械手的設計[J].工程技術 [18]芮延年. 機器人技術及應用[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2008 [19]宗光華. 新版機器人技術手冊[M]. 北京: 科學出版社, 2007 [20]陳心昭. 現(xiàn)代實用機床設計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.