2727 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析

2727 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析,工業(yè),機(jī)械手,設(shè)計(jì),運(yùn)動,結(jié)構(gòu),分析 XXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析系 別： 機(jī)電信息系 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級： 1230203 學(xué) 生： XXXX 學(xué) 號： 123020337 指導(dǎo)教師： XXXX 2011 年 05 月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書系別 機(jī)電信息系 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 123020337 姓名 XXXX 學(xué)號 123020337 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析 2.題目背景和意義： 機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。 ，通過該設(shè)計(jì)旨在鍛煉學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程分析，使學(xué)生受到機(jī)械工程師基本訓(xùn)練。 3.設(shè)計(jì)(論文) 的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：題目內(nèi)容主要包括三個方面，專用機(jī)械手設(shè)計(jì)，建模和工程分析： A. 在設(shè)計(jì)方面要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)線專用機(jī)械手的方案，結(jié)構(gòu)。 B.在建模方面要求建立專用機(jī)械手等的實(shí)體裝配模型。對實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡化。 C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析機(jī)械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對強(qiáng)度進(jìn)行校核。 D. 運(yùn)動分析方面要求提取六自由度機(jī)械手手指的速度，加速度，特性。并輸出運(yùn)動規(guī)律曲線 E. 整個機(jī)械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為 360 度；大臂可做升降運(yùn)動；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為 60-120 度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60 度；手腕的末端安裝一機(jī)械手，機(jī)械手具有開閉能力，用于直徑 30-45mm 工件的抓取，工件長度 350mm，重量 8kg。 4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）： 地點(diǎn)：校內(nèi) 第 1 周：收集資料，借閱參考書，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。 第 2~8 周：要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)線專用機(jī)械手的方案，結(jié)構(gòu)。選擇驅(qū)動電機(jī)。第 8～14 周：建立專用機(jī)械手等的實(shí)體裝配模型。對實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡化。 第 14～16 周：要求合理確定約束條件，分析機(jī)械手在生產(chǎn)中的變形量并對強(qiáng)度進(jìn)行校核。 第 16～18 周：分析結(jié)論撰寫論文。 5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求① 實(shí)驗(yàn)（時數(shù)） *或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 2 周 ② 圖紙（幅面和張數(shù)） *： A01.5 張 ③ 其他要求： 論文（字?jǐn)?shù)）：20000 字左右；外文翻譯（字?jǐn)?shù)）： 不少于 1500 英文單詞 ；參考文獻(xiàn)（篇數(shù)）：不少于 15 篇（其中期刊文獻(xiàn)不少于 5 篇，外文文獻(xiàn)不少于 3 篇，其中一篇外文文獻(xiàn)為外文翻譯內(nèi)容）,要求在正文中標(biāo)注。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日學(xué)生簽名： 年 月 日 系主任審批： 年 月 日說明：1 本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊，一份教師自留。2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。I工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動結(jié)構(gòu)分析摘 要在加速科技進(jìn)步中，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨(dú)立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間） ，將來甚至實(shí)現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點(diǎn)是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機(jī)床制造、機(jī)械手技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機(jī)械手是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機(jī)械制造中，工業(yè)機(jī)械手既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機(jī)械手與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、鍛壓機(jī)床、鑄造機(jī)械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機(jī)械手和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機(jī)械手技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的驚人發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。本次設(shè)計(jì)是根據(jù)對工業(yè)六自由度機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行六自由度工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中 XXXX 老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。限于水平，本設(shè)計(jì)難免有缺點(diǎn)、錯誤，懇請各位老師批評指正。關(guān)鍵詞：自動化生產(chǎn)；工業(yè)機(jī)械手；六自由度IIIndustrial Robot Design And Sports Structure AnalysisAbstractTechnological advances in accelerating the development of the manufacturing industry, mechanical plays a key role, its duty is in industrial production in the process equipment quickly independent modules into automation complexes, production line and automation sections of automation, workshop) even realizes automatic factory in the future. The automation production of the most important features is a flexible, it can predict that the labor-saving (or unmanned) cases, according to the process conditions adjustment to adapt to the various product assembly production. The establishment of contemporary flexible automation production and application, as the catalyst and technological progress depends on the machine manufacturing, manipulator technology, computer technology, microelectronics technology, equipment manufacturing techniques, such as accelerating. Industrial manipulator is varieties replace frequently production process automation general means. In mechanical manufacturing, industrial robots effectively already for a flexible manufacturing system composition technological equipment basic working procedure, also effectively used to assist the operation. Industrial robots and traditional automation means differences in various production is firstly it on the function of universality and readjust the flexible. In flexible production systems, industrial robots are widely used in nc machine tools, forming machins tooles, casting machinery and warehousing equipment to complete transmission equipment and other operations. Industrial robots and basic technology and equipment, the auxiliary means and control devices formed together various forms of manipulator - flexible production technology complex basic system structure module. With the industrial technology and the impressive economic development of industrial robots technology will also, rapid development. Application of industrial robots is to improve the production process automation, improve working conditions, improve product quality and production efficiency means one. The design is based on industrial six degrees of freedom of the manipulator general structure and the transmission system is analyzed and discussed, the structure of the manipulator of industrial design. Mr Qian gave great learning the guidance and assistance in this to cause gratitude. Limited to level, this design has to avoid shortcoming, the error, ask everybody the teacher criticism and corrections. 1Key Words: Automation production; Special manipulator; Six degrees of freedom 1目 錄1 概述 .................................................................................................................................................................11.1 工業(yè)機(jī)械手的含義及技術(shù)概述 ............................................................................................11.2 工業(yè)機(jī)械手的組成 ................................................................................................................11.3 工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 ................................................................................21.4 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求 ...................................................................................................................32 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析................................................................................................................................42.1 總體結(jié)構(gòu)的概述......................................................................................................................................42.2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) ........................................................................................................................52.3 傳動方案的確定......................................................................................................................................63 設(shè)計(jì)計(jì)算 .....................................................................................................................................................84 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ........................................................................................................................104.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ......................................................................................................................104.2 斜齒輪傳動軸上的軸承 ......................................................................................................................225 機(jī)械手各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................................245.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................245.2 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第一臂與底座） .................................................................................255.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu) .......................................................................................................................265.2.2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................................................266 機(jī)械手各自由度的連接過程及工程分析 ..........................................................................266.1 手指和活塞 .............................................................................................................................................266.1.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) .........................................................................................................................................266.1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) .........................................................................................................................................266.2 機(jī)械手的手指運(yùn)動和力分析 .............................................................................................................276.2.1 運(yùn)動分析（adams） ....................................................................................................................276.2.2 位移 ..................................................................................................................................................286.2.3 速度 ..................................................................................................................................................286.2.4 加速度..............................................................................................................................................296.2.5 手指模型應(yīng)力分析 .......................................................................................................................297 總結(jié)..............................................................................................................................................................301參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................................31致謝 ...................................................................................................................................................................32畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 ...................................................................................................33畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 ...........................................................................................341 緒論11 緒論1.1 工業(yè)機(jī)械手的含義及技術(shù)概述到目前為止，世界各國對“工業(yè)機(jī)械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機(jī)械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機(jī)械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機(jī)械手”多數(shù)指程序可變的獨(dú)立的抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置；“機(jī)械手”多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機(jī)的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。工業(yè)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)械手應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)械手并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。1.2 工業(yè)機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖 1-1 所示。目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械手即智能機(jī)械手還處于研究實(shí)驗(yàn)階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械手。a．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手完成握取工件（或工具）實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動的機(jī)械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)。b．驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機(jī)械式。c．控制系統(tǒng) 1 緒論1控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手或機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2求進(jìn)行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若控制的運(yùn)動軌跡來分，有兩種：點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。1.3 工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢工業(yè)機(jī)械手是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強(qiáng)的柔性自動化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展十分迅速。國外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：a.工業(yè)機(jī)械手的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修） ，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬美元。b.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速器、檢測系統(tǒng)三為一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)械手整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品問世。c.工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)控制向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。d.機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、聲覺、力覺觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。e.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)械手。f.當(dāng)代遙控機(jī)械手系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)械手的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)械手走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)械手就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。h.機(jī)械手化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)械手從 80 年代“七五”計(jì)劃科技攻堅(jiān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻堅(jiān)，目前已基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手；其中有 130 多臺套噴漆機(jī)械手在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得廣泛應(yīng)用，弧焊機(jī)械手已應(yīng)用在汽車制造西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2廠的焊西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)械手應(yīng)用工程起步比較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)與國外比還有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)械手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)械手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計(jì)” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)械手和特種機(jī)械手在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)械手，6000 米水下無纜機(jī)械手的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)械手、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)械手、爬壁機(jī)械手、管道機(jī)械手等機(jī)種。在機(jī)械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)械手、智能裝配機(jī)械手、機(jī)械手化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在二十一世紀(jì)立于世界先進(jìn)行列之中。1.4 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求本次設(shè)計(jì)是針對六自由度工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 主要設(shè)計(jì)要求如下： 機(jī)械臂：大臂可升降，小臂相對大臂可擺動，范圍為 60 ～120 ；??底 座：轉(zhuǎn)角范圍為 0～360 。?2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析2.1 總體結(jié)構(gòu)的概述目前，世界上已有許多工業(yè)機(jī)械手，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機(jī)械手稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機(jī)械手就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機(jī)械手，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還為數(shù)不多。在實(shí)際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)械手，示教再現(xiàn)型還是較多。一般的機(jī)械手，它由機(jī)械手的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機(jī)構(gòu)部分有機(jī)械手和移動機(jī)構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機(jī)械手自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機(jī)械手運(yùn)動的裝置，只要不是自主型移動機(jī)械手，它通常放在與機(jī)械手不同的地方，通過導(dǎo)線連接。在工業(yè)機(jī)械手的控制裝置中，有電動機(jī)驅(qū)動電路、PTP 運(yùn)動目標(biāo)點(diǎn)和 CP 運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機(jī)械手本體相連，多用于智能機(jī)械手。如圖 2.1，該機(jī)械手具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。該六自由度機(jī)械手運(yùn)動的情況說明如下：首先，由電動機(jī) M1 經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機(jī)械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動；而后另一手臂由電動機(jī) M2 直接驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機(jī) M3 直接驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機(jī)驅(qū)動。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）52.2 第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖 2.1）及其傳動原理簡圖（圖 2.2）：圖 2.1 大臂的結(jié)構(gòu)圖西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6圖 2.2 及其傳動原理簡圖第一臂，也即大臂，該手臂實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，整個系統(tǒng)由伺服電動機(jī)驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)傳動的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，整個減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機(jī)座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機(jī)構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機(jī)又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動機(jī)、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。2.3 傳動方案的確定根據(jù)工業(yè)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機(jī)械手的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當(dāng)然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案：方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動方案比較論證首先，已知各種傳動的傳動比 u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用 15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級） 。然后估算各軸的傳動比，初選轉(zhuǎn)速為 1500r/min 的原動機(jī)，則 u1=1500/15=100,u2=1500/20=75。第一軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點(diǎn)：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很??；2）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時也增加了轉(zhuǎn)時的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6四級傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點(diǎn)：a.嚙合性能好b.重合度大，傳動平穩(wěn)；c.結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。第二軸傳動的確定：由各傳動系統(tǒng)的傳動比可知，第二軸的傳動應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動。擺線針輪行星齒輪傳動有如下優(yōu)點(diǎn)：a.傳動比大。一級傳動比 11～87，二級傳動比為 121～7569，三級傳動比可達(dá)446571；b.結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小 1/2～2/3，重量約減輕 1/2～1/3 以上；c.效率較高。一般效率為 0.92～0.94，最高可達(dá) 0.97；d.傳動平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動的性能較好；e.工作可靠，壽命長。但是這種傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難?？偵纤?，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級斜齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）93 設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計(jì)算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機(jī)。下面計(jì)算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量：如圖 3.1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為 ob 線，則在這種情況下， FG213NMOb圖 3.1 軸線圖第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm243.)15cos(.980. 223 ??????mJO第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：2222 )(1?mdcba（3.1） 2222 35.084)06.1.0.(84 ????Kgm27.5兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm27.4.058.342221 ?????電電電 JJ兩個行星輪系的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm215.8..0221輪輪輪減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm2375.4.5??減J第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量：Kgm20.221??m所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為：375.0415.87.4.53??總J西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9Kgm239.150?西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9而轉(zhuǎn)動角加速度 為：?1/s2854.720?????tvV則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為 由式（3-1-7）得：MNm19..39.15?總J轉(zhuǎn)換到電動機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為：Nm7.6.80. ???u電根據(jù)要求 < ，選 P=3KW，n=1000r/min 的 MGMA 型伺服電機(jī)， 為電 額 額M28.4Nm。4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算164 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機(jī)的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比 u=1000/15=66.67。已知斜齒輪的傳動比 u≤6，再根據(jù)傳動減速時前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.4 4.87 5.7。?第一級斜齒輪的傳動設(shè)計(jì)計(jì)算：已知電動機(jī)的功率 P=3KW，n=1000r/min ，傳動比u=2.4。a. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)(1) 齒輪傳動按照傳動方案的設(shè)計(jì)要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。(2) 齒面的選擇考慮減速設(shè)計(jì)的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。(3) 選用精度等級因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88 )。(4) 齒數(shù)選小齒輪齒數(shù) Z1=35，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=2.4 35=84。?(5) 選取螺旋角初選螺旋角 。??4?b. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即≥ mm td1321)][(2HEdt ZuTK??????（4.1）（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值1）載荷系數(shù)試選 。6.?tK2）選取區(qū)域系數(shù)由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ3）端面重合度4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算16由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度 得 ， 。 =??82.01?84.0????6.18.02.1????西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）164）計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 10865.203950????nPTm?5）圓柱齒輪齒寬系數(shù)選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；6) 彈性影響系數(shù)由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa7) 接觸疲勞強(qiáng)度極限齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度極限 = =1170Mpa；1HLim?2li8) 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 106.4)53082(060 ?????hjLnN992 7.4.4?u9) 由接觸疲勞壽命系數(shù)查得 ；8.1HNK；702?10) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H 2.106786.01lim??SN[ ] = MPa2 9..2liKH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1012Mpa?12(2) 計(jì)算1) 試算小齒輪分度圓直徑 td1≥ mmtd1 1548.26)9.0178432(.6.9085.34 ????根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及電動機(jī)的輸出軸徑，取 =50mtd2) 計(jì)算圓周速度m/s618.2065106?????ndt3) 計(jì)齒寬 及摸數(shù)bntmmm49.1td?西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16mm39.154cos0cs1????zdmtnt?2..25.nth 4.hb4) 計(jì)算縱向重合度 ??98.1359.018.318.0?????tgtgzd???5）計(jì)算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查49.2?得動載荷系數(shù) KV=1.07；由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =2.728，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算?HK?H的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =2.45。?FF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，HAAF故載荷系數(shù)=1×1.07×1.2×2.728=3.5??FVK?6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 mm91.64.53031 ??ttd7) 計(jì)算模數(shù) nm= 79.cos.cos1??zd?3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式 ≥ mm （3.2）nm321][csFSadYzKT??????(3) 確定計(jì)算參數(shù)1)計(jì)算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 2.45=3.2???FaVA?2) 縱向重合度根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.88。498.2?? ?Y3) 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)31.84cos5331???zv 95.14cos8332??zv4) 查取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44； =2.196FaYSaY1Fa2FaY5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =1.654； =1.782aSa1Sa2Sa西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）166) 彎曲疲勞強(qiáng)度極限由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖,查得 Mpa。68021?FE?7) 彎曲疲勞壽命系數(shù)由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.86， =0.87；1FNK2FN8) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得417.714MPa?SFENF11][?422.571MPaKFEF22][9) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較FSaY][?=1][FSa097.74.652??=2][FSaY?4.51.89得出小齒輪的數(shù)值大。(4) 幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算中心距 a mm64.12cos2)8435(cos2)(1 ???????nmz將中心距圓整為 =122.5mma2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 729.135.2)843(arcos2)(rcos1zn?因 值改變不大,故參數(shù) 等不必修正。HZK、、 ???3) 計(jì)算大小齒輪的分度圓直徑mm06.729.13cos51???nmzdmm4..842??n4)計(jì)算齒輪寬度 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16mm 圓整后取 B2=65 mm；B 1=70 mm。854.60.7291???db?第二級的傳動條件：電機(jī)的功率為 P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比 u=4.87，具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：5) 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒面由查表(常用齒輪材料及其機(jī)械特性表)選得大、小齒輪的材料均為 40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為 48～55HRC。選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選 7 級精度(GB10095-88) 。6）齒數(shù)選小齒輪齒數(shù) Z1=24，大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=4.87 24=117。?7）選取螺旋角初選螺旋角 。??4?c. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值1）試選 6.1?tK2）區(qū)域系數(shù)由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。43.2?HZ3）端面重合度由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度 圖表，查得 ??， ，則 =78.01???87.02??? 65.187.0.21??4）計(jì)小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩N411 69..4395???nPT?m?5) 圓柱齒輪齒寬系數(shù)選取齒寬系數(shù) ?d=0.9；6) 彈性影響系數(shù)由材料的彈性影響系數(shù) 表，查得 =189.8 ；EZEMPa7) 接觸疲勞強(qiáng)度極限齒輪接觸疲勞強(qiáng)度圖表，按齒面硬度中間值 52HRC 查得大、小的接觸疲勞強(qiáng)度= = Mpa；1HLim?2li708) 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 108.)538(.4660 ?????hjnN92 18.u9) 由接觸疲勞壽命系數(shù)查得 ； ；.1HNK.02HN西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1610) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為 1%，安全系 S=1,由下式得[ ] = MPa?1H105378.01lim??SKN[ ] = MPa2 6.299.2liH則取[ ]H=([ ] +[ ] )/2=1017.5Mpa?1?2(2) 計(jì)算1) 試算小齒輪分度圓直徑≥ mmtd1 92.3)5.107843.2(856.19023 24 ????2) 計(jì)算圓周速度m/s8.106492.3106????ndt3) 計(jì)算齒寬 及摸數(shù)bntmmm3.29.391td?mm1.4coscos1 ????ztnt?2.31.25.ntmh 894.hb4) 計(jì)算縱向重合度 ?? 713.9.08.318.0?????tgtgzd??5) 計(jì)算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) 。A根據(jù) ，7 級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得動載荷系數(shù) KV=1.05；18.0?由接觸強(qiáng)度計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)( )表，查得 =1.41，由彎曲強(qiáng)度計(jì)算?HK?H的齒向載荷分布系數(shù)( )圖，查得 =1.37。?FF由齒向載荷分配系數(shù)( 、 ),查得 = =1.2，故載荷系數(shù):HAKAF=1×1.07×1.2×1.41=1.78?VAK?6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑mm13.46.78150331 ??ttd7) 計(jì)算模數(shù) nm西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16= mmnm379.124cos13.cos1????zd?(3) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（3.2）來計(jì)算：1)計(jì)算載荷系數(shù)1 1.07 1.2 1.37=1.726???FaVAK?2）縱向重合度根據(jù)縱向重合度 ，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。73.?? ?Y3）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)27.614cos331???zv08.332?zv4) 取齒形系數(shù)由齒形系數(shù) 及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158FaYSaY1Fa2FaY5) 取應(yīng)力校正系數(shù)由齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =1.596； =1.792aSa1Sa2Sa6) 齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限圖查得 Mpa。68021?FE?7）彎曲疲勞壽命系數(shù)由彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.87， =0.9；1FNK2FN8）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由下式得422.571MPa?SFENF11][?437.143MPaKFEF22][9）計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較SaY?=1][FSa098.571.4269??=2][FSaY?.3.8小齒輪的數(shù)值大。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16≥ mmnm 257.1098.65.1249.0)4(cos876.123 2?????對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度,最后取 =1.5mmnm(4) 幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算中心距 mm987.104cos25.)7(cos2)(1 ???????nmza將中心距圓整為 =108.5a2) 按圓整后的中心距修正螺旋角??????? 93.125.082)74(rcos2)(arcos1zn?因 值改變不大,故參數(shù)