搬箱機械手結構設計機械機電專業(yè)畢業(yè)設計.doc

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1、 畢 業(yè) 設 計 搬箱機械手結構設計  畢 業(yè) 設 計 任 務 書 搬箱機械手結構設計 題目名稱：搬箱機械手結構設計 任務內容（包括內容、計劃、時間安排、完成工作量與水平具體要求） 一． 具體任務 1 運動功能方案設計 2 傳動系統方案設計 3 結構布局方案設計 4 設計參數： 紙箱尺寸 522419122mm 紙箱重量 5kg 最大工作半徑 900mm 最大上升范圍 300mm 二． 時間安排 1．1-3周 調研、撰寫開題報告 2．4周 畢業(yè)實習 3．5-6周 熟悉軟件開發(fā)環(huán)境，確定設

2、計方案 4．7-10周 設計搬箱機械手，確定各零部件尺寸 5．11-12周 對搬箱機械手各零部件進行設計建模，并裝配成整體模型，導出整體裝配圖 6．13-15周 撰寫畢業(yè)論文 7．16周 準備答辯 三．完成工作量 1)畢業(yè)實習報告、開題報告一份、設計任務書一份、論證報告一份。 2)搬箱機械手設計二維CAD、手繪A1圖紙一份、零件圖數份。 3)設計說明書一份。 四．水平具體要求： 1）綜合運用所學的知識解決實際工程設計和實驗研究課題； 2）能獨立設計計算、分析、繪圖、實驗數據處理撰寫技術報告； 3）學習機械設計的設計方法和科學研究的基本方法，學會查閱科學文獻、論文

3、資料、機械手冊工具書等。 4）對總體方案設計及研究的確定與實施，確定主要系統和主要部件的設計依據。 其中： 參考文獻篇數： 說明書字數： 圖紙張數： 10篇以上 6 000字以上 折合A0圖紙4張，其中至少1張裝配圖 專業(yè)負責人意見 簽名： 年 月 日 搬箱機械手結構設計 摘要 鑒于目前我國的發(fā)展狀況，對外對內經濟的繁榮發(fā)展，對于物流運輸越來越依賴，運輸的自動化提高對于目前國內發(fā)展情況的提高至關重要。因此工業(yè)機器人在工業(yè)生產、運輸中更多更靈活的運用就是最好的提高方法。工業(yè)機器人種類繁多功能各不同。根據本設計需要，參考紙箱重量、紙箱尺寸，工作

4、范圍合理選擇傳動與驅動裝置，從而設計出一種搬運紙箱的機械手。最終完成任務實現了預期目標設計出可靠可行的搬箱機械手。本機械手結構簡單、制造、裝配方便成本較低、占空間較小、工作范圍較大、運動靈活、操作簡便，可大批量生產用于搬運工作，柔性度較高，可匹配多種負載。 本題目涉及到理論力學、機械設計、工程材料、工程制圖、互換性測量、液壓與氣壓傳動、機械原理、計算機輔助設計等方面的知識內容。 關鍵詞：　機械手；搬箱；結構設計  The structural design of manipulator for moving box Abstract In view of the pre

5、sent state of development in China.The internal and external economic prosperity.More and more dependent on logistics and transport.Transportation automations improvment of the domestic development is essential to improve the current situation.So its the best way to use industrial robot in industria

6、l production and transportation more and flexibler.Industrial robots have a lot of variety and feature.According to the design requirement and weight、size of boxes,working range choose the transmission and drive device in reason to design out a manipulator for moving boxes.At last complete the task

7、and achieve the desired objectives to design reliable and feasible to move the box manipulator.The manipulator is simple,easy to manufacture and rig out,low price .Can be used for handling high-volume work and many situation. The completing design manipulator has the small covered area,big working

8、 range,simple structure,low cost,merits of the vivid movement and simple operation etc.Therefore,its suitable for use in reality production. Keywords：　Manipulator;Moving box;Structure design 目錄 摘要 Abstract 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機器人定義 1 1.2 工業(yè)機械手的組成與分類 1 1.2.1 工業(yè)機械手的組成 1 1.2.2 工業(yè)機械手的分類

9、1 1.3 選題背景 2 1.4 設計目的 2 2 總體設計方案論證 3 2.1 機械手的總體方案 3 2.1.1 機械手總體結構方式 3 2.1.2 確定方案 4 2.2 機械手腰部方案確定 4 2.2.1 機械手腰部結構設計要求 4 2.2.2 確定方案 4 2.3 機械手手臂方案確定 5 2.3.1 機械手手臂結構設計要求 5 2.3.2 確定方案 5 2.4 機械手手腕連接方式 6 2.5 機械手手部方案確定 6 2.5.1 機械手手部設計要求 6 2.5.2 機械手夾持器的運動和驅動方式 6 2.5.3 機械手夾持器的典型結構 6 2.5.4 確定

10、方案 7 2.6 機械手機械傳動方案確定 7 2.6.1 機械手傳動結構設計應注意的問題 7 2.6.2 機械手傳動機構常見形式 7 2.6.3 確定方案 8 2.7 機械手驅動系統方案確定 8 2.7.1 機械手各類驅動系統的特點 8 2.7.2 確定方案 9 2.8 機械手手臂平衡機構選擇 10 3 主要結構設計計算 11 3.1 液壓缸氣缸設計計算 11 3.1.1 手部氣缸設計計算 11 3.1.2 手臂液壓缸設計計算 13 3.1.3 升降液壓缸設計計算 15 3.2 電機選型參數計算 16 3.2.1 相關參數的計算 16 3.2.2 電機型號選擇

11、18 3.3 齒輪傳動強度校核 19 結論 21 參考文獻 22 致謝 23 1 緒論 1 緒論 1.1 工業(yè)機器人定義 機器人是一個擁有很多自由度的，能夠實現許多模擬人動作和肢體結構功能的機器；工業(yè)機器人則是在實際生產中應用的機器人。 1.2 工業(yè)機械手的組成與分類 1.2.1 工業(yè)機械手的組成 各類工業(yè)機器人一般都由操作機（執(zhí)行機構）、驅動裝置、控制系統組成。 (1) 操作機（執(zhí)行機構） 操作機具有和人臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。 1) 末端執(zhí)行器（手部） 是執(zhí)行最重要動作的操作機部件，能

12、裝配夾持機構、執(zhí)行機構等構件。夾持器可分為機械加緊、真空抽吸、液壓張緊和磁力等多種。 2) 手腕 是用來支承并調整手部姿態(tài)，擁有2~3個自由度的起連接作用的部件，可增大手部的轉動范圍。有的專用機器人可以沒有手腕而直接降末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。常采用齒條傳動及輪系結構。 3) 手臂 是由操作機的連接桿件和關節(jié)組成，用于支持和協調手腕及末端執(zhí)行器的位置。手臂有時不止一條，還可以包括肘關節(jié)和肩關節(jié)。一般將靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)稱為小臂，靠近機座的稱為大臂。手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的運動范圍。 4) 腰部 稱為立柱，是承載手臂的元件，手臂依靠它來位移，用來擴大手臂地工

13、作半徑。 5) 機座 是固定不動并承受各種應力、力的的元件。分為固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝行走機構，可擴大機器人的工作范圍；行走機構多為滾輪或履帶，分為有軌與無軌兩種。近些年來發(fā)展的步行機器人，其行走機構多為連桿機構。 (2) 驅動裝置 機器人的驅動設備用來驅動機器人工作，根據能量源的不同分為電子式、液壓式和氣壓式三種，其中執(zhí)行機構電動機、液壓缸和氣缸可以與操作機直接相連，也可通過齒輪、諧波減速器和鏈條裝置等傳動機構與操作機連接。 (3) 控制裝置 控制系統根據動作要求可分為開環(huán)和閉環(huán)控制系統。很多工業(yè)機器人采用計算機控制，一般分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的

14、功能是識別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P節(jié)坐標協調變化的規(guī)律，分配給各關節(jié)的伺服系統；執(zhí)行級給出各關節(jié)伺服系統執(zhí)行給定的指令。 1.2.2 工業(yè)機械手的分類 (1) 按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1) 專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點。 2) 通用機械手 它是一種具有獨立控制系統的程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大定位精度高通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。 (2)

15、按驅動方式分 1) 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。 2) 氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。 3) 機械傳動機械手 即由機械傳動機構驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。 4) 電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)

16、行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (3) 按控制方式分 1) 點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。 2) 連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。 1.3 選題背景 鑒于目前我國的發(fā)展狀況，對外對內經濟的繁榮發(fā)展，對于物流運輸越來越依賴，運輸的自動化提高對于目前國內發(fā)展情況的提高至關重要。

17、因此工業(yè)機器人在工業(yè)生產、運輸中更多更靈活的運用就是最好的方法。鑒于現如今工業(yè)的自動化程度體現了一個國家的整體工業(yè)現代化水平，因此對于工業(yè)自動化的多樣性、靈活性等體現明顯的工業(yè)機械手就成為世界主流的發(fā)展方向。工業(yè)的現代化體現一個國家是否強大，能否抵御外敵讓百姓過上和平快樂安逸富足的生活。目前中國消費者網上購物的次數是歐洲消費者的4倍，是美國和英國消費者的兩倍左右。在2012年前3季度，中國網上購物市場交易規(guī)模達7788億元人民幣，超2011年的全年總數;2013年網上零售總額將占整體社會消費品零售總額6%左右。由此可見，市場對于工業(yè)機械手的需求量如此之大，如此大的產業(yè)需要有充沛的“后勤”保障，

18、對于機械手的設計是非常有意義的。 1.4 設計目的 現在，機械手以不僅僅應用于生產在物流領域里也應用廣泛。為了能夠靈活迅速的運輸商品不僅需要快速的傳送軌道，還要有穩(wěn)定靈活的搬運機器人完成運輸不同階段的交接。本次設計就是要設計一個搬運紙箱的機械手，在結構上力求簡單實用滿足結構剛度和強度要求，來完成目前繁忙的搬運工作，節(jié)約了勞動力的同時提高了搬運效率，減少諸多不確定且對人體健康不利的因素。運用大學四年學習的專業(yè)知識完成本次畢業(yè)設計，體現出機械設計制造及其自動化專業(yè)學生的素質也是本次畢業(yè)設計的目的之一。 - 25 - 2 總體設計方案論證 2 總體設計方案論證 2.1 機

19、械手的總體方案 2.1.1 機械手總體結構方式 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標式，圓柱坐標式，球坐標式，關節(jié)型結構四種。各個結構的特點與形式，介紹如下。 (1) 直角坐標式機械手 如圖2-1，其手臂的運動方式由直線位移構成，即沿X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。它特點是結構簡單，定位精度高，適用于的場合是主機的坐標規(guī)律排列。但是它的占地面積較大而工作范圍較小且運動不太靈活導致它的使用率不高。 圖2-1 直角坐標機械手 圖2-2 圓柱坐標機械手 (2) 圓柱坐標式機械手 如圖2-2，

20、其手臂運動方式由直線位移和旋轉擺動構成，即朝X軸的遠近位移，朝Z軸的上下位移和繞Z軸的旋轉。它占用底層水平二維空間小、工作空間大、機構不復雜可以完成比較高的定位精度應用廣泛。 (3) 球座標式機械手 如圖2-3，其手臂的運動方式由直線位移和圓周擺動構成，即X軸的位移、繞Y軸的俯仰、繞Z軸的旋轉。這種機械手動作靈活、工作范圍大、占地面積小。它適用于沿伸縮方向向圓周外側作業(yè)的傳動形式。 (4) 關節(jié)式機械手 如圖 2-4，其機械手可以做幾個自由度的旋轉，它由大臂和小臂以及腰部組成，大小兩臂的連接為肘關節(jié)，大臂與立柱的鏈接為肩關節(jié)，各關節(jié)均由鉸鏈構成以實現轉動，手臂的運動系由三個回轉運

21、動所組成，即大臂的俯仰、小臂的俯仰、大臂的回轉。它工作范圍大、動作靈活、通用性強，能夠繞過機體與工作主機抓取物體。它的手指控制位置精度不高，需要多個關節(jié)同時轉動來提供姿態(tài)并且其輔助設施、結構都較很復雜。 緒論 圖2-3 球坐標機械手 圖2-4 關節(jié)式機械手 2.1.2 確定方案 具體到本設計，設計為搬運尺寸、毛重5kg紙箱，用傳送帶運輸，考慮在滿足要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。根據動作要求，把紙箱從一個傳送帶上抓取下來放到更大的紙箱中進行裝箱，在裝箱的過程中

22、要求有X軸的伸縮來排列紙箱，要求有繞Z軸的旋轉來完成從傳送帶上去下紙箱并進行裝箱，要求要有沿Z軸的升降來完成對紙箱進行層層碼垛，并且結構簡單為宜便于安裝維修，同時對于手部的設計要求可以根據紙箱的不同位置可以用不同的姿態(tài)來完成抓取，即手腕處要求有一個繞Z軸的旋轉。綜上所述，要求的自由度為3個外加一個手腕的旋轉自由度，所以選擇圓柱坐標式即一個繞Z軸的旋轉、一個沿Z軸的上下移動、一個沿X軸的伸縮，其特點是：結構比較簡單，手臂運動范圍大，且有較高的定位準確度。 2.2 機械手腰部方案確定 2.2.1 機械手腰部結構設計要求 (1)要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性 (2)腰部承

23、受機器人全部重力和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力。 (3)腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此，腰部與手臂的連接要有可靠的定位基準面，要有調整軸承間隙和傳動間隙的調整機構。 2.2.2 確定方案 腰座回轉的驅動形式只有電機減速機構以及擺動液壓缸或液壓馬達。因為電動機驅動系統采用低轉動慣量、大轉矩交直流伺服電動機及其配套的伺服驅動器，又具有不需要能量轉換、使用方便控制靈活等特點。考慮到腰座的回轉對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。經考慮采用大傳動比的齒輪傳動系統進行減速和扭矩的放大。選用一級齒輪傳動來減小齒側間隙導致的誤差，

24、并且為了減少空間加強機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰部升降的驅動形式采用液壓升降，因為液壓缸既是驅動元件又是執(zhí)行元件，并且液壓缸的液壓桿自帶導程無需額外的光杠輔助導程，液壓缸的強度也很大可以保證機械手因旋轉產生的扭矩，且動力大能夠承受機械手的全部重量，技術成熟并且便于用計算機實現直接控制。腰部具體結構如圖2-5所示。 2 總體設計方案論證 1.齒輪 2.圓錐滾子軸承 3.鎖緊螺母 4.回轉電機 5.升降液壓缸 圖2-5 機械手腰部結構 2.3 機械手手臂方案確定 2.3.1 機械手手臂結構設計要求 (1)手臂的結構設計要符合動作

25、需求。 (2)根據手臂所受載荷和結構特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度材質材料。 (3)要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精準性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 2.3.2 確定方案 手臂的運動是沿X軸的伸縮運動，是直線運動。直線運動的實現一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現。氣壓傳動的運動平穩(wěn)性不高，對于本次設計的精度考慮不宜采用，電機驅動精度高但是電機本身無法直接完成動作需要另外的執(zhí)行元件，因此結構比較復雜且成本較高。液壓驅動穩(wěn)定性好，精度較高，主要是液壓元件既是驅動元件又是可以執(zhí)行元件較之電動元件結構簡單節(jié)約了空間，而且液壓缸有良好的剛度符合

26、本次設計對于機械手手臂剛度的要求。液壓缸的驅動力較大，能夠提供很好的伸縮運動的動力。對于不同級別的負載更換元件也比較方便。所以手臂采用液壓缸驅動。 2.4 機械手手腕連接方式 通過對實際情況分析，機械手手部與手臂連接無需自由度，采用固連即可。本設計通過中心孔帶有螺紋的法蘭與手部用螺栓連接，手臂與法蘭螺紋連接并通過鎖緊螺母使手部保持豎直狀態(tài)。具體設計結構如圖2-6所示。 1.法蘭 2.鎖緊螺母 3.活塞桿 圖2-6 手腕連接方式 2.5 機械手手部方案確定 2.5.1 機械手手部設計要求 (1)末端執(zhí)行器要能夠實現動作需要的夾持力以及按要求可以達到的位置精

27、度。 (2)應盡可能使末端執(zhí)行器的結構簡單、緊湊、質量輕，以減輕手臂的負荷。提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。 (3)夾持范圍要與工件相適應，動作要快速靈活。 (4)結構應簡單、重量輕、強度可靠、易磨損處應便于更換。 2.5.2 機械手夾持器的運動和驅動方式 工業(yè)機器人中應用的夾持器多為雙指手抓式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型?；剞D型手爪又可分為單支點回轉型和雙支點回轉型，按夾持方式可分為外夾式和內撐式。機械式夾持器按驅動方式可分為電動（或電磁）、液壓和氣動三種。 2.5.3 機械手夾持器的典型結構 (1)楔塊杠桿式夾持器 利用楔塊與連桿的相對運動來實

28、現手爪的張、緊來完成抓取工件的動作。 (2)連桿杠桿式夾持器 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧一起使用。 (3)齒輪齒條平行連桿式夾持器 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 (4)平行杠桿式夾持器 采用平行四邊形機構，不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，但是比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 2 總體設計方案論證 2.5.4 確定方案 結合具體的工作情況，本次設計任務為搬運兩側為平面的紙箱，因此選擇齒輪齒條平行連桿式夾持器較為

29、合適，通過對齒條的驅動可以使帶有齒輪的連桿繞定軸轉動，通過平面機構帶動夾塊的移動實現對紙箱的夾緊，由于這種夾持方式對紙箱的夾緊力有限所以在夾持器下方選擇有帶翻邊的夾塊。具體設計結構如圖2-7所示。 1.平行連桿 2.吊環(huán) 3.扇形齒輪連桿 4.諧波減速器 5.回轉電機 圖2-7 末端夾持器結構圖 2.6 機械手機械傳動方案確定 2.6.1 機械手傳動結構設計應注意的問題 (1)為了提高并控制機械手的運動速度及準確度，要求機械手各元件的質量小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，質量輕，體積小。 (2)傳動部件應盡量降低靜摩擦力，保證小的正斜率動摩擦否則會出現爬行

30、現象，傳動精度失準。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 (3)采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施縮小反向死區(qū)誤差。 2.6.2 機械手傳動機構常見形式 (1) 帶傳動 帶傳動又分為平帶傳動、V帶傳動和多楔帶傳動 1) 平帶傳動 應用較多的情況為傳動中心距較大的情況。常用的平帶有橡膠布帶、縫合棉布帶、棉織帶和毛織帶等數種。其中以橡膠布帶應用廣泛。 2) V帶傳動 V帶傳動的結構更緊湊，V帶已經大量標準化生產且可以承受較大的傳動比等優(yōu)點，因而V帶傳動的應用最廣泛。 3) 多楔帶傳動 結構尺寸小，傳動平穩(wěn)，常用于傳遞功率

31、較大，有要求結構緊湊的場合。 (2) 鏈傳動 由于沒有彈性滑動和打滑現象，鏈傳動比帶傳動更能保持準確的平均傳動比；傳動效率高，能達到98%；又因鏈條與鏈輪之間不用張得很緊，所以作用于軸上的壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動的承載能力也比帶傳動強；適于遠距離傳動，中心距可達十幾米；鏈傳動的結構較為緊湊，且成本低廉，可在溫度較高、濕度較大、有油污、腐蝕等惡劣條件下工作。 (3) 齒輪傳動 齒輪傳動的特點：1.效率高2.結構緊湊3.工作可靠、壽命長4.傳動比準確、恒定5.適用的速度和功率范圍廣6.要求加工精度和安裝精度較高，制造時需要專用工具和設備，因此成本比較高。7.不適合在兩軸中心距大的

32、情況下使用。 (4) 蝸桿傳動 可以達到大的傳動比，噪音小，傳動穩(wěn)定可靠，具有自鎖能力，但是安裝時對中心距的尺寸精度要求較高。 2.6.3 確定方案 具體到此次設計兩個直線自由度和一個旋轉自由度，末端夾持器直線運動應用氣動方式無需傳動機構轉換，手臂直線自由度采用液壓缸驅動直接當作執(zhí)行元件無需傳動機構簡化結構并且增強剛度，腰部的旋轉用步進電機驅動，必須要有傳動機構來減速并增大扭矩。經分析采用圓柱齒輪，利用一級齒輪傳動來減小齒輪傳動因尺側間隙導致的傳動誤差，故齒輪需要更高的強度來完成既定的動作。 2.7 機械手驅動系統方案確定 2.7.1 機械手各類驅動系統的特點 機械手關節(jié)的驅動方

33、式有液壓式、氣壓式和電動式。 (1) 液壓驅動 機械手的驅動方式采用液壓驅動有以下幾個優(yōu)點： 1）液壓容易達到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩； 2）液壓系統介質可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，可以獲得較高的位置精度。 3）液壓傳動中比較容易控制速度和力并使之自動化。 4）液壓的介質為油液，具備潤滑和防銹能力，可以增加使用年限和提高機械效率。 液壓系統的不足之處是： 油液的黏度隨溫度變化而變化影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；造價較高；容易引起故障 (2) 氣動驅動 與液壓驅動相比，氣壓驅動的特點是： 1）壓縮空氣黏度小容易達到高速 2）動力來源

34、易取得，可集中控制 3）空氣可應用于高溫工作的情況 4）氣壓元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低 它的不足之處是： 1）壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6Mpa較低。 2）空氣壓縮性大工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很難 3）除水問題處理不當會使鋼類零件生銹，導致機械手失靈，排氣還會造成空氣污染。 (3) 電動機驅動 電動機驅動可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。普通交、直流電動機驅動如果不加減速器無法提供足夠的有效力矩，且運動不易控制，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出較小的力矩，慣性小易于控制，可以實現速度與位置

35、的精確控制，用于中小型機器人更合適。不同驅動各種特點見表2-1。 表2-1各種驅動方式在不同方面的特點比較 驅動方式 特點 輸出力 控制性能 維修使用 結構體積 使用范圍 制造成本 液壓驅動 壓力高，可獲得大的輸出力 輸出力大，穩(wěn)定，容易控制，可無級調速 維修方便，液體對溫度變化敏感 在輸出力相同的情況下比氣壓驅動體積小 中小型及重型機器人 液壓元件成本較高，油路比較復雜 氣壓驅動 壓力低，輸出力小 可高速，沖擊大，精確定位困難，阻尼差，低速難控制 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境下使用，泄漏無污染 體積較大 中小型機器人 結構簡單，能源方便

36、，成本低 電動驅動 異步、直流電機 輸出力較大 控制性能交差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 需要減速裝置，體積較大 速度低，特重大的機器人 成本低 步進、伺服電機 輸出力較小或較大 響應快，定位精度高，控制系統復雜 維修使用較復雜 體積較小 程序復雜，運動軌跡要求嚴格 成本較高 2.7.2 確定方案 具體到本設計，考慮到腰部的回轉關聯末端執(zhí)行器的定位精度，所以應用定位精度高并且響應速度快的步進電機?；剞D下方的升降元件用液壓元件，考慮到承載能力以及垂直布置，可以利用重力實現下降，所以選用柱塞缸。手臂無法利用重力且對于驅動力要求不是非常大選用單活塞液壓缸。末

37、端執(zhí)行器的回轉也要求高定位精度，快速的反應能力、靈活的轉動，輸出力要求不高選用步進電機?？紤]到夾持器的驅動氣壓元件垂直放置而且對于工作環(huán)境要求較高，由于液壓元件的漏油是無法避免的元件的結構導致無法經常拆卸維護，所以選用單作用活塞桿式氣壓缸。氣缸通過活塞桿帶動齒條使扇形齒輪轉動來完成手爪的擴張合攏。 2.8 機械手手臂平衡機構選擇 除了關節(jié)坐標機械手都可以通過合理布局，使手臂自身可能達到平衡。關節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。本設計采用圓柱坐標結構，由于手部結構較多而且還有負載，考慮到機械手自身結構根據實際情況選擇配重塊平衡機構。 3

38、主要結構設計計算 3 主要結構設計計算 3.1 液壓缸氣缸設計計算 3.1.1 手部氣缸設計計算 (1)手爪氣缸驅動力的計算 紙箱重量 ，摩擦系數為 1)根據手部結構，其驅動力為: （3-1） 得 式中，FN——為沿水平方向X軸作用于紙箱的力，N FP——為氣缸沿Z軸的驅動力，N l ——為連桿的長度，m R——為扇形齒輪的節(jié)圓半徑，m α——為連桿與豎直方向的夾角 2)實際驅動力:

39、 （3-2） 因為傳遞力的機構為齒輪齒條機構，故取機械效率，并取。若被抓取工件的最大加速度，則: 夾持工件時所需驅動力為 (2)氣缸的直徑的設計 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，氣缸活塞桿的輸出力需要克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （3-3） 式中，F1 ——活塞桿上的推力，N Ft ——彈簧反作用力，N Fz——氣缸工作時的總阻力，N P ——氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用計算:

40、 （3-4） （3-5） (3-6) 緒論 式中，Gf——彈簧剛度，N/m l —— 彈簧預壓縮量，m s —— 活塞行程，m

41、 d1——彈簧鋼絲直徑，m D1——彈簧平均直徑，m n —— 彈簧有效圈數 G—— 彈簧材料剪切模量，一般取 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: (3-7) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3-8) 代入有關數據，可得 所以 查《機械手冊》圓整

42、，得D=70mm 由d/D=0.3~0.5，可得活塞桿直徑:d=（0.3~0.5)D=21~35mm 圓整后，取活塞桿直徑d=20mm校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足設計要求。 (3)缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (3-9) 式中，——缸筒壁厚，mm ——液壓缸內徑，mm ——實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa

43、 代入己知數據，則壁厚為: 3 主要結構設計計算 取，則缸筒外徑為: 3.1.2 手臂液壓缸設計計算 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性、密封等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅動力。 (1) 液壓缸活塞的阻力的計算 F= F1F2+F3F4+F5+F6 (3-10) 式中，F1——作用在活塞桿上的工作阻力，N，無 F2——液壓缸在啟動制動換向時的慣性阻力，F2=Ma,N M——活塞及運動部件總質量，kg

44、 a ——加速度，m/s2 F3——除液壓缸外運動元件的摩擦阻力，N，無 F4——運動部件自重，N F5——活塞缸活塞及活塞桿處的密封摩擦力，一般由缸體的機械效率來表示，通常取ηm=0.95，N F6——回油背壓阻力，N，取0.05F 1) 手臂慣性力的計算 本設計手臂平動是v=0.3m/s,在計算慣性力的時候,設置啟動時間，啟動速度, (3-11)

45、 2) 運動部件自重 (3-12) 3) 密封裝置的摩擦阻力 (3-13) 經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力（阻力）： (2) 液壓缸工作壓力和結構的確定 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=231.1N，查表選擇液壓缸的工作壓力P=0.8MPa 1) 確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖3-1所示： 圖3-1 雙作用液壓缸示意圖 緒論 當

46、油進入無桿腔， (3-14) 當油進入有桿腔中， (3-15) 液壓缸的有效面積： 故有 （3-16） （有桿腔） （3-17） 式中，P——活塞的驅動力

47、，N P1——油缸的工作壓力，MPa d——活塞桿直徑，mm,本案初設d=D/2 D——油缸內徑，mm η——油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取η=0.96 據上述計算，F=2311N P=0.8MPa，按有桿腔進行計算，其結果必然滿足無桿腔的力學要求。 將有關數據代入： 查表油缸內徑系列（GB/T2348-93），選擇標準液壓缸內徑， D=72mm 活塞桿直徑d=72/2=36mm 2) 液壓缸外徑的設計 本案液壓缸考慮到具體結構，最小壁厚不小于3mm，而驅動力又偏低，故最大壁厚不超過10mm。按中等壁厚進行計算(16>D/δ>3.2)：

48、 （3-18） 式中，——強度系數(當為無縫鋼管時取值為1) C——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度 ——油缸材料的許用應力(MPa)；，其中為材料的抗拉強度，n為安全系數，一般n=3～5 一般常用缸體材料的許用應力 為： 鍛鋼 鑄鋼 無縫管 代入數據： 圓整為4mm，即缸體外徑80mm 3.1.3 升降液壓缸設計計算 (1) 計算升降液壓缸的總機械載荷 根據機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為：

49、 （3-19） 式中，——外加的載荷； ——活塞上所受的慣性力； ——密封阻力； ——導向裝置的摩擦阻力； ——回油被壓形成的阻力； 1）的計算 （3-20） 式中，——液壓缸的負載總重，取為50kg； ——重力加速度， ； ——速度變化量,； ——啟動或制動時間，一般為0.01~0.5s，取0.2s 將各未知數帶入上式，得： 2）的計算 （3-21） 式中，——克服液壓缸活塞及活塞桿處密封摩擦阻力所需空載壓力，如該液

50、壓缸工作壓力<16 MPa，查相關機械手冊取0.2MPa ； ——為進油工作腔有效面積； 啟動時： 運動時： 3）的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算： （3-22） 式中，——為回油背壓，一般為，取 ——為有桿腔活塞面積，兩邊差動比取2； 將各值帶入上式有， 分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為： (2) 液壓缸強度的較核 1）缸筒壁厚的較核 當缸體由脆性材料制造時，

51、液壓缸壁厚按第二強度理論計算： （3-23） 式中，——為缸筒內徑； 緒論 ——為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取； ——為缸筒材料的許用應力，，為材料抗拉強度，經查機械手冊取為600MPa，為安全系數，此處取n=4； 帶入數據計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。 2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為： （3-24） 式中， ——為活塞桿上作用力； ——為活塞桿材料的許用應力，此處； 帶入數值，計算校核上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工

52、作要求。 3.2 電機選型參數計算 3.2.1 相關參數的計算 (1) 若傳動負載作直線運動（滾珠絲杠）則有 負載額定功率： （3-25） 負載加速功率： （3-26） 負載力矩（電機軸）： （3-27） 負載（電機軸）： （3-28） 起動時間： （3-29） 制動時間：

53、 （3-30） (2) 若傳動負載作回轉運動 負載額定功率： （3-31） 負載加速功率： （3-32） 負載力矩（電機軸）： （3-33） 負載GD（電機軸）： 3 主要結構設計計算 （3-34） 起動時間： （3-35） 制動時間：

54、 （3-36） 式中，——額定功率，Kw； ——加速功率，Kw； ——負載軸回轉速度，r/min； ——電機軸回轉速度，r/min； ——負載的速度，m/min； ——減速機效率； ——摩擦系數； ——負載轉矩（負載軸），； ——電機啟動最大轉矩，； ——負載轉矩（電機軸），； ——負載的，； ——負載（電機軸），； ——電機的，； 下面進行具體的計算 由于腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他轉矩，則在回轉軸上有：

55、 （3-37） 式中，——滾動軸承摩擦系數，取0.005； ——機械手本身與負載的重量之和，最大取80； ——大齒輪分度圓半徑，R=180； 帶入數據，計算得 =0.045； 同時，腰部回轉速度為=30r/min；傳動比定為； 且， 帶入數據得： =10.45667。 將其帶入上（3-31）—（3-37）得： 啟動時間 ； 緒論 制動時間 ； 折算到電機軸上的負載轉矩為：。 由于手部旋轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉

56、軸上有； （3-38） 式中，——滾動軸承摩擦系數，取0.01； ——機械手本身與負載的重量之和，最大取7.5； ——傳動齒輪分度圓半徑，R=90； 帶入數據，計算得 =0.00675； 同時，手爪回轉速度為=120r/min 且， 帶入數據得： =10.45667。 將其帶入上（3-7）~（3-13）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ； 折算到電機軸上的負載轉矩為：。 3.2.2 電機型號選擇 根據上述計算

57、，考慮諸多因素，腰部電機選擇北京和利時電機技術有限公司的步進電機，具體型號為：90BYG550B-SAKRML-0301 該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好。手爪旋轉電機選擇國產北京和利時電機技術有限公司的步進電機，具體型號為：90BYG550A-SAKRML-0301 下表為步進電機相關技術參數，如表3-1所示 表3-1 步進電機相關參數 貨物編號 規(guī)格型號 相數 步距角（） 靜態(tài)相電流（A） 相電阻（Ω） 相電感（mH） 保持轉矩（Nm） 定位轉矩（Nm） 重量（Kg） 轉動慣量（gcm2） 000270 90BYG550A-SAKRML-0301

58、5 0.36/0.72 3 0.2 2.0 2.0 0.1 2.2 2300 000280 90BYG550B-SAKRML-0301 5 0.36/0.72 3 0.4 4.0 4.0 0.2 3.4 4500 3 主要結構設計計算 下圖為步進電機矩頻特性曲線，如圖3-2所示 圖3-2 步進電機矩頻特性曲線 3.3 齒輪傳動強度校核 (1) 確定齒輪材料、熱處理方式、精度等級和齒數 因傳動尺寸無嚴格要求，傳動功率較大，查手冊得，小齒輪采用，齒面硬度為，取；大齒輪采用45鋼調質，齒面硬度為，??；精度等級7級。取，一天工作16小時，電

59、機轉速1000r/min (2) 確定許用應力 查手冊得 取 查手冊接觸疲勞強度計算的壽命系數得 查手冊彎曲疲勞強度計算的壽命系數得 查手冊尺寸系數得 (3-39) (3-40) (3-41) (3-42) (3) 齒面接觸疲勞強度計算 1）計算工作轉矩：

60、 (3-43) 2）初步計算小齒輪直徑 (3-44) 查手冊??；齒寬系數 取d1=55，則b=33mm 3） 按齒面接觸疲勞強度設計 (3-45) 因工作均勻平穩(wěn)，查手冊工作情況系數得 設計齒輪精度7級， 查手冊取 齒輪對稱布置，； (4) 校核輪齒彎曲疲勞強度 查手冊齒形系數得，； 查手冊應力修正系數得，； 因，所以得 由彎曲強度校核公式得 大小齒輪彎曲疲勞強度滿足要求 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。“結論

61、”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。 結論 結論 通過本次設計，我完成了以下工作： （1）手部設計選擇了能夠完成搬箱任務的平行連桿齒輪齒條式氣動末端執(zhí)行器，根據紙箱的大小設計了連桿的尺寸、連桿轉動的范圍，根據實際要求選擇了合適的驅動系統?？紤]到實際工作環(huán)境及要求增加了末端執(zhí)行器的繞Z軸回轉自由度，由步進電機驅動完成動作，可以很好的控制旋轉角度達到定位精度要求。 （2）手臂本設計選用液壓缸直接驅動并執(zhí)行動作，同樣對于小負載，選擇更合理結構利用電動方式驅動更好，而本設計的好處是簡化了結構在達到設計要求的前提下，相對的節(jié)約了成本。并且液壓缸的剛度可靠對于本設計的要求十分夠用。 （3）

62、腰部選用電機驅動齒輪傳動，可以很好的控制旋轉角度和速度，可以選用大功率電機，也可選用夠用的電機，對于本機械手的升級十分方便。升降系統選用液壓柱塞缸，液壓柱塞缸的驅動力很大，剛度也很大，本身有導向套導向，所以本人認為合理可靠。 同時也有很多不足之處 （1）對于末端執(zhí)行器相比其他結構，結構靈活，易實現設計的要求動作且可以很好的抓取側面為平面的物體，如果在結構剛度即材料上有所改進可以抓取更重一些的物體，對于驅動方式由于本人學術非常有限沒能設計處更合理的方式，較理想的驅動方式是電機傳動，電機傳動可以非常好的控制手爪的張角，對于負載不大的機械手十分靈活可靠。 （2）如果對于機械手的整體材料進行改進

63、可以更靈活、經濟。比如全部用鋁合金材料，雅馬哈就有全鋁合金機械手在各方面都很不錯。 對于本設計的結構也存在復雜不合理之處，由于本人技術有限，對于錯誤誠懇希望老師指出。 結論 參考文獻 [1] 呂宏,王慧.機械設計[M].北京:北京大學出版社,2009. [2] 王慧,呂宏.機械設計課程設計[M].北京:北京大學出版社,2009. [3] 關慧貞,馮辛安.機械制造裝備設計第3版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012. [4] 左健民.液壓與氣壓傳動第4版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011. [5] 鄭堤，唐可洪.機電一體化設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. [6]

64、 張建民.機電一體化系統設計（修訂版）[M].北京:北京理工大學出版社,2011. [7] 張鐵.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社,2000. [8] 龔正等.液壓傳動與控制[M].上海：上海科學技術出版社,1989. [9] 徐灝.機械設計手冊[J].北京：機械工業(yè)出版社, 1991. [10] 張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州:華南理工大學出版社,2001. [11] Suat Genc,Rob.Research in Engineering Disgn[C].Springer:Verlug London Limited,1998. [12] HEWITT J A.

65、 Technical services [J].Library Resource Services,1984,28(3):205-218. 致謝 結論 建議成績： 指導教師（簽字）： 年 月 日 建議成績： 評閱人（姓名、職稱）:

66、 年 月 日 建議成績： 評閱人（姓名、職稱）: 年 月 日 答辯委員會意見: 答辯委員會(教師姓名、職稱)： 畢業(yè)設計成績： 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。