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商 丘 工學(xué)院 2016-JX-SJ 080202-115 本科畢業(yè)設(shè)計 一種吸盤式搬運機械手的設(shè)計與研究 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號 4112020407 學(xué)生姓名 周成 指導(dǎo)教師 張保恒 高威 提交日期 2016 年 05 月 23 日 誠　信　承 諾 書 本人鄭重承諾和聲明: 我承諾在畢業(yè)論文撰寫過程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定,恪守學(xué)術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)設(shè)計中均系本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立完成,沒有剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點、思想和成果,沒有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔(dān)一切責(zé)任,接受學(xué)校的處理,并承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 畢業(yè)設(shè)計作者簽名：　　　　　 　　　 年　　　月　　　日　 摘 要 根據(jù)工廠的實際環(huán)境和自動化設(shè)備的布局，設(shè)計了六個自由度的關(guān)節(jié)型吸盤式搬運機械手，它基本能夠到達空間的任意位置，實現(xiàn)物品的準確轉(zhuǎn)移。通過查閱相關(guān)資料，結(jié)合各方面的因素，確定了機械手的總體設(shè)計方案，通過相關(guān)的技術(shù)參數(shù)的查閱，確定了手臂、吸盤等參數(shù)的標準化。在此基礎(chǔ)上通過采樣、分析、計算、校驗，確定了各部件的結(jié)構(gòu)尺寸，以及電機、減速器規(guī)格的選擇。 通過solidworks軟件，根據(jù)相關(guān)尺寸的大小，繪制出機械手的三維實體模型，并且繪制出相應(yīng)的工程圖。對吸盤機械手進行運動學(xué)分析及手臂的位移、速度、加速度等運動仿真，模擬出機械手的運動軌跡，繪制出機械手的運動參數(shù)曲線圖，并能夠?qū)崿F(xiàn)物品迅速準確轉(zhuǎn)移到目的地的動作。 關(guān)鍵詞：吸盤式關(guān)節(jié)型機械手；機器臂結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計；三維設(shè)計；運動學(xué)仿真 ASTRACT According to the layout of the actual plant environment and automation equipment, the design of the six degrees of freedom articulated suction cup type manipulator, which can basically arrive at arbitrary location in space, to realize the accurate transfer. Through access to relevant information, combined with various aspects of factors, to determine the overall design scheme of the manipulator, through access to relevant technical parameters to determine the arm, standardization of disk parameters. On this basis, through sampling, analysis, calculation and validation, to determine the structure size of each component, and the motor, deceleration device specification. By SolidWorks software, according to the size related to the size of the draw the three-dimensional entity model of the manipulator, and draw the corresponding engineering drawings. The manipulator sucker for kinematics analysis and arm of the displacement, velocity and acceleration of motion simulation. Simulation of the trajectory of the manipulator draw manipulator motion of parametric curves, and can realize the goods quickly and accurately transferred to the destination of the action. Key words: Articulated manipulator；Robot arm structure analysis；Structure design；Three-dimensional design;Kinematics simulation 目 錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 關(guān)節(jié)機械手研究概況 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 關(guān)節(jié)機械手的總體結(jié)構(gòu) 3 1.4 主要內(nèi)容 4 1.5 本章小結(jié) 5 2 總體方案設(shè)計 6 2.1 機械手工程概述 6 2.2 工業(yè)機械手總體設(shè)計方案論述 6 2.3 機械手機械傳動原理 7 2.4 機械手總體方案設(shè)計 8 2.5 本章小結(jié) 9 3 機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 10 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3.3 大臂電機及減速器選型 10 3.4 減速器參數(shù)的計算 11 3.5承載能力的計算 15 3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 15 3.5.2 柔輪疲勞強度的計算 16 3.6 本章小結(jié) 20 4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 4.1 腕部設(shè)計 21 4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 21 4.1.2 手腕俯仰驅(qū)動計算 32 4.1.3 電動機的選擇 32 4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 34 4.3 小臂電機及減速器選型 34 4.3.1 傳動結(jié)構(gòu)形式的選擇 35 4.3.2 幾何參數(shù)的計算 35 4.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 36 4.4.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 37 4.4.2 柔輪疲勞強度的計算 37 4.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 38 4.6 軸的受力分析及計算 39 4.7 軸承的壽命校核 40 4.8 本章小結(jié) 42 5 機身設(shè)計 43 5.1 步進電機選擇 43 5.1.1 計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 43 5.1.2 確定各軸傳動比 45 5.1.3 傳動裝置的運動和動力參數(shù) 45 5.2 齒輪設(shè)計與計算 48 5.2.1 高速級齒輪設(shè)計與計算 48 5.2.2 低速級齒輪設(shè)計與計算 52 5.3 軸的設(shè)計與計算 55 5.3.1 輸入軸的設(shè)計與計算 55 5.3.2 中間軸的設(shè)計與計算 58 5.3.3 輸出軸的設(shè)計與計算 61 5.4 軸承的校核 63 5.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 63 5.4.2 中間軸上軸承壽命計算 64 5.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 65 5.5 鍵的選擇和校核 67 5.5.1 鍵的選擇 67 5.5.2 鍵的校核 67 5.6 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 68 5.6.1 機身箱體材料的選擇 68 5.6.2 機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝 68 5.7 本章小結(jié) 68 6 基于solidworks的吸盤式機械手的三維設(shè)計與裝配仿真 69 6.1基于solidworks三維建模的介紹 69 6.1.1 主要零件的三維實體模型的創(chuàng)建及裝配 69 6.2 基于solidworks運動學(xué)仿真部分的操作步驟及仿真結(jié)果 72 6.3 本章小結(jié) 74 總結(jié)與展望 76 致 謝 77 參考文獻 78 1 緒論 1.1 引言 機器人，典型的機電一體化產(chǎn)品，多關(guān)節(jié)型機器人機械手是研究的一個熱點領(lǐng)域。在機械、電子、信息理論、人工智能、生物學(xué)和計算機等領(lǐng)域中，得到了極大的應(yīng)用和推廣，它具有速度快，效率高，應(yīng)用范圍廣等多特點，而且具有廣闊的市場和發(fā)展空間。 1959年，世界上第一臺工業(yè)機器人的誕生，機器人開辟了新的發(fā)展時代。多關(guān)節(jié)機器人科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究和應(yīng)用的發(fā)展。世界著名的機器人專家，加藤一郎教授，在早稻田大學(xué)說：“一個機器人最大的特點，你有需要它的功能”無論是自動化道路腳下程度有多高，這都是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家托馬斯愛迪生曾說過這樣一句話：“機器人，對環(huán)境是有益的?！彼泻芎玫倪m應(yīng)性，它具有非常較高的環(huán)境要求?？梢源蜷_無限廣闊的前景，有必要擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 以下主要是設(shè)計機械手的原因和目的：代替了人類勞動，解放了人的雙手，提高了生產(chǎn)率，而且它們是開發(fā)的一種系統(tǒng)，以便它可以在許多結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性相配合，更重要的是，使用這些功能，像人性化的服務(wù)，需要內(nèi)在的人性化、系統(tǒng)化。在這方面的研究，可以擴大研究機器人的方向和研究機器人的市場，機器人，如智能機器人，可以起到人工智能和服務(wù)人類的重要作用。 關(guān)節(jié)機器人，世界上沒有統(tǒng)一的分類，定義是不一樣的。對于近期標準化的聯(lián)合國國際組織已經(jīng)通過美國協(xié)會的定義為關(guān)節(jié)機械手的機械人：多關(guān)節(jié)機器人，搬運為主料，轉(zhuǎn)移為目的，為了各種工作完成，通過改變動作程序，還需要再編程的多功能操作裝置。外國定義與我們的關(guān)節(jié)型機器人有不同的參考定義。 多關(guān)節(jié)型機器人，獨立的主體可以放在任何地方，動作的自由度，程序可以靈活地改變，高度自動化機器人。它可用于汽車噴漆、涂料、和貨物搬運、碼垛等方面。 關(guān)節(jié)型機器人的臂與主體，相對于人，可以攜帶重物，可以有一個較快的移動速度，有非常高的定位精度，它是自動的，可以執(zhí)行各種操作，它可以是一個外部信號執(zhí)行單元。 多關(guān)節(jié)型機器人是在計算機控制下的可編程自動化的機器。能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，在生產(chǎn)過程，多關(guān)節(jié)機器人是自動化的，在通過改進，改善工作條件下，它是降低了勞動強度的有效手段。機器人誕生和發(fā)展，雖然只有30多年的歷史，但是在一個國家經(jīng)濟領(lǐng)域中，機器人已經(jīng)應(yīng)用于民用工程中，顯示了強大的生命力，未來的發(fā)展不可估量，需要我們進一步努力，開創(chuàng)美好的未來。 1.2 關(guān)節(jié)機械手研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 人類和動物的運動原理的第一個系統(tǒng)研究使邁布里奇發(fā)明了照相機跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機，并在1877年他成功地驗證了他的假定。后來，使用這種方法的相機是用來研究人體運動Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦也深入研究，從人類和動物動力機制的角度看，并提出的理論非常形象化的描述人類和動物的運動機制。 真正研究機構(gòu)運動的大多是全面研究，系統(tǒng)于1960年推出至今，比較完整的理論體系的形成，并在一些國家，如日本，美國和蘇聯(lián)已成功開發(fā)，可以是靜態(tài)或動態(tài)的多臂樞軸原型得到發(fā)展。 在20世紀60年代和70年代，武裝多搬運運動控制理論產(chǎn)生三種類型的控制方法這是非常重要的，這限制了國家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對所有類型的搬運機械手都是適用的。國家控制是在1961年提出的模型的參考，于1975年由美國法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇正式提出，該算法是由著名的南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多搬運運動學(xué)專家鮑賓Vukobratovic博士在1969 - 1972年的教堂中提出。這三種類型的控制方法和他們之間的存在內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實質(zhì)上是一個控制參考模型，并且該控制算法得到了證實和應(yīng)用。 在搜索步態(tài)中，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和美國Jaro-shevskij定義自由的步伐。這兩種步態(tài)不僅能適應(yīng)，而且要適應(yīng)胳膊多和腿多的機器人。在這些中，對于自由路徑的步驟，有他的的條件和規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運動臂多搬運，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對步驟序列來加以考慮，但應(yīng)通過步驟以便攀登者去通過一些優(yōu)化標準來確定哪個是所謂的自由速度。 穩(wěn)定性研究手臂動作的多搬運，美國Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡化模型作為振蕩器，反轉(zhuǎn)（倒立擺），它可以被解釋為在換能器存在的問題中為了向前運動。此外，為了減少考慮，Hemami在研究手臂運動的多搬運“減少型”問題上進行了復(fù)雜性研究。 此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還能進行能量分析，但它的力量是有限的，搬運隨時間的整個系統(tǒng)的變化，并沒有太多涉及這個問題。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。隨著社會的發(fā)展，需求的增加，和實際問題的待解決，國外相繼研究出各種機器人，并且已經(jīng)很好地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，得到了很好地發(fā)展。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)目前機器人起步較晚，我國自1980年以來，在體育領(lǐng)域的多臂機器人的共同研究和應(yīng)用下。 1986年，國家啟動了“規(guī)劃綱要”的研究多動搬運臂，中國的高科技“863”研究項目中的水平運動臂產(chǎn)生于1987年。目前也在積極研發(fā)，中國移動手臂的研究和開發(fā)主要與高校和科研院所合作。 由于我國機器人產(chǎn)業(yè)還很薄弱，機器人研究仍然任重而道遠。我國市場上機器人總共擁有量近萬臺，僅占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)機器人行業(yè)集中度僅為占30%，其余皆為從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進。究其原因，很大程度在于自主品牌不夠，發(fā)展壯大自主品牌及其自動化成套裝備產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)務(wù)之急，由于機器人是最典型的機電一體化、數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進裝備制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車．計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著我國企業(yè)自動化水平的不斷提高、人民生活需求水平的提高，機器人市場也會越來越大，這就給機器人研究、開發(fā)、生產(chǎn)者帶來巨大商機，目前中科院常州中心常州機械電子工程研究所致力于機器人及智能裝備技術(shù)的開發(fā)。 我國機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快機器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個機遇的機會。目前，國際制造業(yè)中心正向中國轉(zhuǎn)移，用信息化帶動工業(yè)化、用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已成為中國制造工業(yè)發(fā)展的必由之路。我國要大力發(fā)展制造業(yè)，必須科技創(chuàng)新，與時俱進，開創(chuàng)美好的未來，未來機器人的發(fā)展是不可估量的，具有非常好的廣闊前景。 這次研究的吸盤式搬運機械手主要由類似人的手和臂組成，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 1.3 關(guān)節(jié)機械手的總體結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)機械手的組成及各部分關(guān)系概述如圖所示： 1.3 機械手的組成和相互關(guān)系 它主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成。 1.執(zhí)行系統(tǒng)：共用部分的執(zhí)行系統(tǒng)部門，機械零件最全面的定義，以必要的各種運動，包括手，手腕，來獲得身體。 A.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的零件直接用于執(zhí)行動作。 B.手腕，手和臂的連接，具有安排作為任務(wù)或工作的端部的方向的改變。 C.臂和連接的手匹配，手腕支撐身體時，執(zhí)行負荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化可以滿足多個搬運，基座里電動機可以提供動力傳輸。 D：機身，多鉸接臂，支撐輥，由臂部件支承，并具有使臂轉(zhuǎn)動，起重或傾斜運動的特性。 2. 驅(qū)動系統(tǒng)：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動，用作機械傳動， 3. 控制系統(tǒng)：驅(qū)動控制系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)的工作，可以把故障報警或錯誤的信號通過顯示器顯示出來，并能及時作出反應(yīng)控制機器正常運行。 4. 檢測系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制運動檢測裝置，反饋給系統(tǒng)，保證運動無誤， 實踐證明，該關(guān)節(jié)機器人可以取代繁重的體力勞動，可以顯著減輕勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，也可以提高我們工業(yè)化水平，并且符合我們國家“工業(yè)10.0”的政策。 1.4 主要內(nèi)容 第1章 緒論 主要介紹機械手的相關(guān)知識和本課題研究的任務(wù)和要求. 第2章 總體方案設(shè)計,介紹該機械手各部分的相關(guān)知識和總體設(shè)計. 第3章 機械手各部分設(shè)計的介紹 第4章 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 第5章 機身合理參數(shù)的選擇 第6章 基solidworks進行三維模型設(shè)計及運動分析與裝配仿真 1.5 本章小結(jié) 介紹了國內(nèi)外機器人的發(fā)展史，闡述了關(guān)節(jié)機器人的總體結(jié)構(gòu)。隨時代進步各國展開研究機器人的浪潮，比如德國工業(yè)4.0，我國隨后也提出了符合我國國情的“工業(yè)10.0”的政策。 2 總體方案設(shè)計 2.1 機械手工程概述 它是一個技術(shù)集成的學(xué)科，涉及計算機技術(shù)和自動化技術(shù)等領(lǐng)域，在機制，機械，氣動，液壓技術(shù)，檢測技術(shù)等領(lǐng)域有了發(fā)展。手臂多搬運運動的設(shè)計，例如系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個綜合的方法來設(shè)計系統(tǒng)，共同致力于系統(tǒng)的研發(fā)和創(chuàng)新。 一個復(fù)雜機械系統(tǒng)，可結(jié)合多個子系統(tǒng)，它是一個不可分割的整體。系統(tǒng)必須具有以下特征： 1.完整的機械系統(tǒng)由幾個子系統(tǒng)并且具有不同的整體性能的特定功能。 2.子系統(tǒng)之間要有機聯(lián)系，不可獨立。 3.每個目標系統(tǒng)必須具有明確的目標和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標和手段，把系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)結(jié)合起來。 4.系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)外部環(huán)境中的變化。 所以，在設(shè)計機器人時，不僅要注重搬運機器人系統(tǒng)的整個部件設(shè)計，還要考慮到單個部件的設(shè)計，要把他們緊密聯(lián)系起來。 2.2 工業(yè)機械手總體設(shè)計方案論述 （一）確定負載 目前，國內(nèi)工業(yè)多用運動搬運臂，負載能力最小額定負載5N或更小范圍，最多的為9000N。這次設(shè)計的機械手為5公斤負荷。 負載的大小主要取決于運動的作用力和機械接口上多搬運臂的運動方向。下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器，根據(jù)相關(guān)參數(shù)和計算得出，這是一個小負荷的機械手。 （二）驅(qū)動系統(tǒng) 由于伺服電機具有良好的控制性能，具有靈活性好，體積小，效率高，適用于運動控制沒有影響的精確控制小臂運動的機器人，因此，我采用了伺服電機。 （三）傳動系統(tǒng) 臂傳遞機構(gòu)的機械運動通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動，行星齒輪，齒輪和諧波傳動等作為傳動載體，由于齒輪傳動具有效率高，準確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點，因此選用齒輪傳動。 （四）工作范圍 操作過程中的工業(yè)手臂動作的工作范圍是與工作空間的大小相關(guān)，其每個臂的自由操縱器公共軸線的長度和所傳動軸的相適應(yīng)。 （五）運動速度 每個鉸接機械臂的最大行程，按照循環(huán)時間來確定每個操作的時間的，可以進一步確定每個動作的速度，單位為米/秒（m/ s）的，每個運動時間分配考慮到許多因素，如每個操作序列之間的周期的總時間長度。操作時間的分配也必須考慮慣性的大小以及驅(qū)動控制，定位和精度要求。 2.3 機械手機械傳動原理 該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 該關(guān)節(jié)機械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖所示： 圖2.1 關(guān)節(jié)機械手本體組成 1-底座 2-大臂 3-小臂 4-手腕 5-吸盤 6-工件 所描述的為下列方式的組件和功能: 基本單位： 基座構(gòu)件包括底座，齒輪傳動件，軸承，步進馬達?；咀饔檬侵С謽?gòu)件，所述支承構(gòu)件旋轉(zhuǎn)臂，能夠承受的工作負載，所述臂必須具有足夠的強度，剛度和負荷能力。此外，該臂也需要一個足夠大的安裝基礎(chǔ)，以確保在工作場所搬運機器人的穩(wěn)定運行。 搬運機器人臂，通常會導(dǎo)致驅(qū)動臂運動（例如，液壓，氣動或一個馬達）和一個驅(qū)動源（例如，燃料箱，燃料箱，齒輪齒條機構(gòu)，連桿機構(gòu)，螺旋機構(gòu)或凸輪機構(gòu)等各種運動臂組成的組件）。 手臂分為大臂和小臂。組成如下：動臂、齒輪件，驅(qū)動電機。在臂構(gòu)件中：臂，驅(qū)動軸，皮帶等，固定到步進電動機的一端。腕部分：包含殼體，傳動齒輪和軸，和所需機械接口。 2.4 機械手總體方案設(shè)計 它是機器人形結(jié)構(gòu)，并調(diào)整圓柱形結(jié)構(gòu)，球面坐標的結(jié)構(gòu)，該多接頭結(jié)構(gòu)和它們的相應(yīng)特征中的每一個一致，如下所述。 1.直角坐標結(jié)構(gòu) 運動空間直角坐標機器人，它是落實到閉環(huán)位置控制的線性運動，由如圖2-1所示，直角坐標機器人可以達到非常高的位置，實現(xiàn)各有三個其他存在的垂直的直線運動精度。然而，直角坐標機器人相對于其他機器人的結(jié)構(gòu)，還算比較小的。因此，為了實現(xiàn)恒定的空間運動，必須調(diào)整好其內(nèi)部架結(jié)構(gòu)。 直角坐標機器人的工作區(qū)是矩形空間。直角坐標機器人主要用于組裝和搬運，直角坐標機器人它具有懸臂門，起重機等類型的結(jié)構(gòu)。 2.圓柱坐標結(jié)構(gòu) 如在圖2-1（b）中，如圖所示，調(diào)整直線運動并實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。這種機器人的結(jié)構(gòu)相對簡單，并且能夠在一般精度操作中使用。它的工作空間是圓柱形的空間。 3.球坐標結(jié)構(gòu) 如圖2-1（c）中，該空間的運動是球形坐標機器人的運動，實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動的。這個簡單的機器人結(jié)構(gòu)，成本低，精度不高。但他們的工作空間是球形的空間。 4. 搬運型結(jié)構(gòu) 如圖2-1（d）所示，為了實現(xiàn)一個空間移動搬運機器人包括三個旋轉(zhuǎn)運動。搬運機器人的運動是靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小的運動方式。這種機械手是廣泛焊接，涂裝，搬運，組裝，它是在工業(yè)中使用。 搬運型機械手結(jié)構(gòu)，有水平搬運型和垂直搬運型兩種。 (a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2-2 四種機械手坐標形式 根據(jù)任務(wù)書和具體要求，我選擇了關(guān)節(jié)型（d）。 機器人的工作范圍是很大的，并且運動靈活，通用性好，結(jié)構(gòu)更緊湊，其特征如下： 用途：物料搬運 自由度數(shù)目：6（腰部回轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)動、小臂轉(zhuǎn)動、小臂回轉(zhuǎn)、腕部擺動、腕部 回轉(zhuǎn)） 坐標形式：垂直關(guān)節(jié)坐標型 額定負荷質(zhì)量（不含末端執(zhí)行器）：10kg(15kg) 最大工作半徑1450mm（1500） 手臂最大中心高1200mm（1000） 本體自重小于160kg（200） 表2-1各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速 最大工作范圍（ ） 工作轉(zhuǎn)速 r/min rad/s /s 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 150（300） 10 1.05 60 大臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 110（150） 10 1.05 60 小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) +170，-150（180） 10 1.05 60 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 180（360） 20 2.1 120 腕部擺動關(guān)節(jié) 130（120） 20 2.1 120 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 360 30 3.14 180 2.5 本章小結(jié) 為了確定解決方案，提出多種方案并驗證后，確定了機器人系統(tǒng)的各個部件，包括：機器人機身、大臂、小臂、手腕、和端部的執(zhí)行器，并做了詳細的分析和設(shè)計。 3 機械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 臂部件的主要作用是聯(lián)接著手，帶領(lǐng)他們騰出運動。我這次設(shè)計成一般臂的基本要求如下。 1.手臂，要剛度好，重量輕 2.在臂的速度高時，也有小的慣性 為了減小轉(zhuǎn)動慣量，必須采取以下措施。 （A）降低臂的重量通過使用鋁等輕質(zhì)高強度材料。 （B）減少手臂運動部件的總體尺寸 （C）減少轉(zhuǎn)彎半徑 （D）驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 3.運動的臂是靈活的。 為了運動平穩(wěn)，運動臂部件之間的摩擦力盡可能減小。 4.位置精度要高。 為了減少電機負載的底部接頭，減少了臂的重量，以確保它能夠提高機器人手臂的動態(tài)響應(yīng)，一方面，采用薄鋁合金構(gòu)件設(shè)計。二是采用砂型鑄造設(shè)計，“最小厚度可以是”澆鑄，取決于不同類型的尺寸和合金鑄件，具體見表3-1所示： 表3-1 砂型鑄造鑄件最小壁厚（mm） 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200200 5~8 3~5 4~6 3~5 3~3.5 3~5 200200~500500 10~12 4~10 8~12 6~8 4~6 6~8 ＞500500 15~20 10~15 12~20 --- --- --- 它是簡單地砂鑄造結(jié)構(gòu)設(shè)計，鑄造結(jié)構(gòu)對應(yīng)于每個不同的鑄件應(yīng)根據(jù)各個特性來設(shè)計。在這次設(shè)計中，使用鑄鋁外殼手臂。具體尺寸，請參閱總裝圖。 3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。 3.3 大臂電機及減速器選型 假設(shè)小臂及腕部繞第二搬運軸的重量： ， 大臂速度是10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩用以下式表達：： 式子里，T - 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩 J --- 轉(zhuǎn)動慣量 --- 角加速度 使機械手大臂從到需要的用時：則： (3.4) 鑒于機器人手臂的轉(zhuǎn)動慣量的摩擦轉(zhuǎn)矩軸的各個部分，開始轉(zhuǎn)動為起動轉(zhuǎn)矩，可以假設(shè)安全指數(shù)為2，輸出的諧波減速器最小轉(zhuǎn)矩為： (3.5) 設(shè)得諧波減速器： ⑴型號： （型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比： 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為： (3.6) 設(shè)得反應(yīng)式步進電機 型號： 靜轉(zhuǎn)矩： 步距角： 3.4 減速器參數(shù)的計算 剛輪、柔輪的材料都是鍛鋼，小齒輪用45＃的材質(zhì)，硬度250HBS。 剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度220HBS。 1.齒數(shù)的確定 柔輪齒數(shù)： 剛輪齒數(shù)： 已知模數(shù)：，則 柔輪分度圓直徑： 鋼輪分度圓直徑： 柔輪齒圈處的厚度： 重載時，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即 柔輪筒體壁厚： 為了提高柔輪的剛度，取 輪齒寬度： 輪轂凸緣長度：取 柔輪筒體長度： 輪齒過渡圓角半徑： 為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 2.嚙合參數(shù)的計算 由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數(shù)請看以下式子。 因齒輪扭矩的因素，使齒輪間隙減小的值為： （扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa） 式子里，： W0／m=0.89＋810-5Zr＋2Cnmax／m 為了消除在的情況下進入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。 式子里，： 徑向變形系數(shù)： 則： 徑向變形系數(shù)： 柔輪的變位系數(shù)： 剛輪的變位系數(shù)： 驗算相對嚙入深度： 如果計算找出的，繼續(xù)計算，設(shè)得2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計算，使。 柔輪齒根圓直徑： 式子里，齒頂高系數(shù);徑向間隙系數(shù) 柔輪齒頂圓直徑： 式子里，（找到相應(yīng)表格設(shè)出） 相對嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個不等式驗算公式。 即： 剛輪齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 設(shè)出插齒刀齒數(shù)，插齒刀變位系數(shù)，插齒刀原始齒形壓力角，則 剛輪和插齒刀的制造嚙合角： 找到漸開線函數(shù)表和三角函數(shù)的表格設(shè)出 那么剛輪和插齒刀的制造中心距： 插齒刀的齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 驗算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙： 即： 可見沿波發(fā)生器長軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 滾珠直徑： 柔輪齒圈處的內(nèi)徑： 那么： 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的 軸承內(nèi)環(huán)厚度： 內(nèi)環(huán)滾道深度： 式子里的是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 軸承外環(huán)外徑： 軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑： 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 則凸輪圓弧半徑： 式子里，ｅ是偏心距： （---剛輪分度圓直徑，---柔輪分度圓直徑） 則凸輪圓弧半徑： 凸輪短半軸： 3.5 承載能力的計算 3.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 按照柔輪直線的諧波傳動齒輪和剛性輪的特性。因此，通過工作表面齒側(cè)的最大接觸應(yīng)力，主要的負載能力的實際諧波驅(qū)動的限制軟。因此，諧波傳動齒輪齒的軟邊，應(yīng)符合下列條件的接觸強度： 接觸強度計算公式： ---輸出轉(zhuǎn)矩 ---柔輪節(jié)圓半徑 ---柔輪輪齒寬 ---剛輪壓力角 ---接觸系數(shù)（0.4~0.9） 對于一般雙波傳動，輪齒寬許用接觸應(yīng)力 則： 所以滿足齒面的接觸強度要求。 3.5.2 柔輪疲勞強度的計算 柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。 計算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 截面處正應(yīng)力： 切應(yīng)力： 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力： 其中： 則： 驗算安全系數(shù)： 疲勞極限應(yīng)力： 應(yīng)力安全系數(shù)： 其中，抗拉屈服極限： 剪切應(yīng)力集中系數(shù)： 則滿足疲勞強度條件。 軸的計算校核 畫軸的受力分析圖，軸的受力分析圖如圖所示： 圖3-1 軸的受力分析圖 已知：作用在剛輪上的 圓周力 徑向力 軸向力 1) 算出垂直面的支撐反力： 2) 水平面的支撐反力： 3） F在支撐點產(chǎn)生的反力： 外力F作用方向與傳動的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算 4） 垂直面的彎矩： 5) 水平面的彎矩： 6) F產(chǎn)生的彎矩： 7) 算出合成彎矩： 按最壞的狀態(tài)，把與直接相加 MA=+MAF= +41.1=70.1 N.m MA=+MAF= +41.1=62.57 N.m 8) 算出軸傳遞的轉(zhuǎn)矩： 9) 算出危險截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為： 如認為軸的扭切應(yīng)力是脈動循環(huán)應(yīng)變力，設(shè)折合系數(shù)a=0.6，帶入式子得出： 10） 算出危險截面處軸的直徑 軸是45＃鋼材，調(diào)質(zhì)處理，從表格14-1找到并設(shè)出,從表格 14-3找到并設(shè)出[],則： 考慮到鍵槽對軸的消弱，將d值加大5%，由此得出： d=22.8*1.05=24mm<32mm 滿足條件 因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時作用有轉(zhuǎn)矩，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險截面。 它的彎曲截面系數(shù)是： 抗扭截面系數(shù)為： 彎曲應(yīng)力為： 扭切應(yīng)力為： 按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為： ， 從表格找到并設(shè)出45鋼，調(diào)質(zhì)處理，抗拉強度極限，則從表格找到并設(shè)出軸的許用彎曲應(yīng)力[],<[],強度滿足要求。 3.6 本章小結(jié) 分析了大臂機構(gòu)設(shè)計，通過計算，合理的選擇了大臂主要結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)： 電機：55BF003型； 諧波減速器：XB3-50-120； 凸輪波發(fā)生器：雙偏心 校核了剛輪、柔輪的接觸強度和疲勞強度，并滿足設(shè)計要求。 4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 腕部設(shè)計 手腕和手，并支持機械臂連接，改變手的姿態(tài)。 手腕的設(shè)計要求如下。結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高，材料強度，高剛度，手臂和搬運的手結(jié)構(gòu)合理，傳感器和執(zhí)行器和設(shè)備的合理布局安裝。 按自由度分類，工業(yè)用機器人手腕分為兩個自由度和三個自由度。所有的手腕不大，但具有三個自由度，必須根據(jù)用于工業(yè)機器人的性能要求來確定實際使用。如圖4-1所示，根據(jù)設(shè)計要求，實現(xiàn)了手腕俯仰。在這個階段，研究國內(nèi)步進電機產(chǎn)品的開發(fā)，在生產(chǎn)技術(shù)上，這是不可能實現(xiàn)的，為了減輕手臂的總重量，腕部采取間接步進電機為一個吊桿錐齒輪，另一條通過鏈聯(lián)接，如圖所示4-1： 圖4-1 BB型手腕示意圖 研究設(shè)計吸盤機器人，在工作空間中，吸盤手腕的動作，是用于搬運的工作，有時為了滿足手腕部結(jié)構(gòu)要求，在狹小的空間的動作緊湊即必須插入，且重量輕，并且在操作靈活性如圖4-2的尺寸所示： 圖4-2 手腕外形尺寸示意圖 4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 腕偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)偏壓的變化，通過步進電動機的驅(qū)動器，它設(shè)置在后臂的下方，并通過一個錐齒輪傳動接合兩個鏈條驅(qū)動滑輪。根據(jù)步進電動機驅(qū)動的手腕力，需要的扭矩偏轉(zhuǎn)計算的第一腕部，并計算馬達的輸出轉(zhuǎn)矩，和各個設(shè)計參數(shù)后，判定相關(guān)尺寸如下。 （1）選擇步進電機 腕偏轉(zhuǎn)，摩擦力矩，以克服的工作負載電阻扭矩和手腕的啟動的轉(zhuǎn)動慣量。 按轉(zhuǎn)矩的式子[15]： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） 式子里， ---手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（）； ---摩擦阻力矩（）； ---負載阻力矩（）； ---手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（）； ---工件負載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）； ---手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）； ---手腕偏轉(zhuǎn)角速度（）； ---手腕質(zhì)量（）； ---負載質(zhì)量（）； ---啟動時間（）； ---手腕部分材料密度（）； ---手腕部分外徑和內(nèi)徑（）； ---手腕的長度（）； ---手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（）。 前面已提到：，，，，，，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度。 把數(shù)值代到式子算出： 因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的，所以找到對應(yīng)書本得： 彈性聯(lián)軸器傳動效率：； 滾子鏈傳動效率：； 滾動軸承傳動效率：（一對）； 錐齒輪傳動效率：； 計算得傳動的裝置的總效率：。 電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩： （3.9） 根據(jù)計算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合90系列的五相混合型步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖4-3和圖4-4所示,設(shè)得90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。 圖4-3 90BYG步進電機技術(shù)數(shù)據(jù) 圖4-4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線 2.設(shè)計鏈傳動 （a） 計算、分配傳動比 對照電機的數(shù)據(jù)，所選步進電機工作轉(zhuǎn)矩:，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速：。 由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度，已經(jīng)算出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，由此推出總的傳動比。 手腕的偏轉(zhuǎn)是由驅(qū)動滑輪的鏈條驅(qū)動的。鑒于滑輪臂的內(nèi)部空間的大小和結(jié)構(gòu)，設(shè)小臂鏈傳動比，大臂鏈傳動比，錐齒輪傳動比，。 （b） 算出小臂鏈傳動功率 （3.10） （c）設(shè)得鏈輪的齒數(shù) 為使小臂中的兩個鏈輪結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)得小鏈輪齒數(shù)，大鏈輪齒數(shù)，、取奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，可使鏈條和鏈輪輪齒磨損均勻。 （d）設(shè)得鏈條類型 從相關(guān)書本進行鏈傳動計算： （3.11） （3.12） ， （3.13） ， （3.14） （3.15） （3.16） （3.17） （3.18） （3.19） （3.20） （3.21） 式子里， ---工況系數(shù)； ---主動帶輪齒數(shù)系數(shù)； ---單排鏈系數(shù) ； ---中心距計算系數(shù)； ---設(shè)計功率（）； ---特定條件下單排鏈條傳遞功率（）； ---節(jié)距（）； ---初定中心距（）； ---鏈條節(jié)數(shù)； ---鏈條長度（）； ---計算中心距（）； ---實際中心距（）； ---鏈條速度（）； ---有效圓周力（）； ---作用在軸上的力（水平或傾斜傳動）（）。 經(jīng)過上述計算，設(shè)得鏈號，節(jié)距的鏈條。 （e）算出帶輪主要尺寸 根據(jù)所選滾子鏈的型號規(guī)格確定一對帶輪基本參數(shù)： ，，，，。 帶輪主要尺寸： （3.22） （3.23） （3.24） （3.25） （3.26） 式子里， ---分度圓直徑； ---齒頂圓直徑； ---齒根圓直徑； ---分度圓弦齒高； ---齒側(cè)凸緣直徑。 把數(shù)值代到式子算出： （3）設(shè)計錐齒輪傳動 根據(jù)工作要求大多數(shù)驅(qū)動器直齒錐齒輪的標準，取小齒輪齒的鍵槽距離為，材料的選擇為45號鋼。選擇硬化齒輪，由于齒輪的齒面的封閉和磨損，宜設(shè)出較小的齒數(shù)，可取。 （a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸 齒數(shù),： 齒數(shù)比，所以設(shè)得,則。 齒寬系數(shù)： ，取。齒寬不能選太大，否則會引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應(yīng)力集中過大。 從相關(guān)書本中查的，基于齒面接觸的疲勞強度小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)： （3.27） 式子里， ---齒輪傳遞的扭矩； ---工況系數(shù)； ---動載系數(shù)； ---齒寬系數(shù)； ---齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力； 從相關(guān)書本找出，,,。 由于，,。 將數(shù)據(jù)代入，找出小齒輪大端分度圓直徑。 大端模數(shù)，設(shè)出。 圓錐齒輪主要計算： （3.28） （3.29） （3.30） （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） 式子里， ---大端分度圓直徑； 、---節(jié)錐角； ---錐距； ---中點分度圓直徑； ---當(dāng)量齒數(shù)； ---平均模數(shù)。 齒寬，取。 把數(shù)值代到式子算出： 根據(jù)大、小臂兩級帶輪的減速，錐齒輪傳動中主動輪轉(zhuǎn)速。 中點分度圓上的圓周力。 （b）基于齒面接觸疲勞強度來驗證 計算接觸用單位齒寬上的載荷 （3.35） 查手冊，，---齒向載荷分布系數(shù)，。 計算接觸疲勞應(yīng)力 （3.36） 計算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 （3.37） 式子里， ---壽命系數(shù)； ---潤滑劑系數(shù)； ---齒面光潔度系數(shù)； ---速度系數(shù)； ---工作硬化系數(shù)； ---尺寸系數(shù)。 從相關(guān)書本找出，，。 所以，。 計算接觸安全系數(shù) ，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強度滿足，參數(shù)合理。 （c）基于齒根彎曲疲勞強度來驗證 計算彎曲用單位齒寬上的載荷 變位系數(shù) 取，則。 應(yīng)力集中校正系數(shù) 由及可找到相應(yīng)表格，設(shè)出，由及可找到相應(yīng)表格，設(shè)出。 齒形系數(shù) 由，據(jù)及可找到相應(yīng)表格，設(shè)出，由及可找到相應(yīng)表格，設(shè)出，而，所以：，。 彎曲計算應(yīng)力 按式子： （3.38） （3.39） 把數(shù)值代到式子算出： 設(shè)得安全系數(shù)值是 找到相應(yīng)書本，設(shè)得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。 找到相應(yīng)書本，設(shè)得彎曲疲勞極限為，。 許用應(yīng)力： （3.40） （3.41） 把數(shù)值代到式子算出： 因此、，彎曲疲勞強度滿足，參數(shù)合理。 4.1.2 手腕俯仰驅(qū)動計算 通過步進電機的相反側(cè)懸臂的底部和手腕兩個滑輪帶傳動來實現(xiàn)。然后將相同的驅(qū)動方法和偏轉(zhuǎn)來計算手腕，確定帶傳動傳輸參數(shù)和步進電機選擇的相關(guān)尺寸。 經(jīng)過設(shè)計計算，手腕俯仰驅(qū)動設(shè)得與手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動的步進電機型號90BYG5200B-SAKRML-0301相同。帶傳動參數(shù)與相關(guān)尺寸計算結(jié)果如下：