五自由度機械手結構設計-

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1、 本科生畢業(yè)?設計 題 目：五自由度機?械手結構設?計 院 （系）： 機械工程學?院 班 級： 機電08-3 姓 名： 田國玉 學 號： 5 指導教師： 陳煥林 教師職稱： 講師 - 50 -

2、 摘 要 本課題設計?的多功能機?械手為通用?機械手，主要由手爪?、手腕、手臂、腰部、機座等組成?。本機械手機?身采用機座?式，自動線圍繞?機座布置。具有腰部旋?轉、大臂仰俯、中臂仰俯、小臂仰俯和?腕部旋轉5?個自由度。本次設計的?機械手能對?不同物體完?成多種動作?。工業(yè)機械手?可以代替人?手的繁重勞?動，顯著減輕工?人的勞動強?度，提高勞動生?產率和自動?化水平。工業(yè)生產中?經常出現(xiàn)的?笨重工件的?搬運和長期?頻繁，單調的操作?。如果沒有機?械手,那么工人的?勞動

3、強度是?很高的，有時候還要?用行車員工?件，生產速度大?大延緩，這種情況采?用機械手是?很有效的。此外，它能在高溫?、低溫、深水、宇宙、反射性和其?他有毒、有污染環(huán)境?條件上進行?操作。更顯其優(yōu)越?性，有著廣闊的?發(fā)展前途。 關鍵詞：機械手；關節(jié)型；五自由度 Abstr?act The desig?n of multi?funct?ional? mecha?nical? hand for unive?rsal mecha?nical? hand, mainl?y by the gripp?er, wrist?, arm, fusel?age, and

4、base compo?sitio?n, with feedi?ng, rever?sal and trans?posit?ion of a varie?ty of funct?ions, and accor?ding to the autom?atic line with the unifi?ed produ?ction? cycle? time and produ?ction? progr?am compl?eted more actio?n. The mobil?e phone? body adopt?s the base type, autom?atic line aroun?d the

5、 base layou?t. With the rotat?ion of the waist?, arm pitch?ing, pitch?ing arm, wrist? rotat?ion and flexi?on-exten?sion and 5 degre?es of freed?om. Indus?trial? robot?s can repla?ce the hands? of heavy? labor?, signi?fican?tly reduc?e labor? inten?sity, and impro?ve labor? produ?ctivi?ty and autom?a

6、tion? level?. Indus?trial? produ?ction? often? appea?rs in the heavy? work frequ?ently?, handl?ing and long-term opera?tion, if not drab robot?s that labor? inten?sity is high, somet?imes even with emplo?yees, drivi?ng speed? great?ly retar?d, this kind of circu?mstan?ce using? manip?ulato?r is very

7、 effec?tive. In addit?ion, it can be in high tempe?ratur?e, low tempe?ratur?e, water?, the unive?rse, refle?ctive? and other? toxic?, envir?onmen?tal pollu?tion condi?tion on the opera?tion. More show its super?iorit?y, has broad? prosp?ects. Keywo?rds: mecha?nical? hand； Five degre?es of freed?om

8、 ；Joint? type 目 錄 摘 要 I Abstr?act II 目 錄 III CONTE?NTS V 第1章 緒論 - 1 - 1.1 概述 - 3 - 1.2 國內外發(fā)展?及研究現(xiàn)狀? - 5 - 1.2.1 國內外機械?手技術的發(fā)?展 - 5 - 1.2.2 國內外機械?手的應用狀?況 - 7 - 1.3 本文主要內?容 - 8 - 第2章 關節(jié)型機械?手總體設計? - 9 - 2.1 基本技術參?數 - 9 - 2.1.1 額定負載 - 9 - 2.1.2 工作范圍 - 10 - 2.2

9、 機械結構類?型的選擇 - 10 - 2.2.1 操作機的驅?動系統(tǒng)設計? - 12 - 2.2.2 確定關節(jié)型?機械手手臂?的配置形式? - 13 - 2.3 關節(jié)型機械?手本體結構?設計 - 14 - 2.3.1 機械手本體?結構的傳動?設計 - 14 - 2.3.2 所設計機械?手本體結構?的特點 - 15 - 2.4 本章主要內?容 - 16 - 第3章 關節(jié)型機械?手腰部結構?設計 - 17 - 3.1 電動機的選?擇 - 17 - 3.2 傳動系統(tǒng)設?計 - 19 - 3.3 主要零部件?設計計算 - 20 - 3.3.1 計算各軸轉?

10、速、轉矩和輸出?功率 - 20 - 3.3.2 確定軸的具?體尺寸 - 20 - 3.3.3 Ⅱ軸齒輪傳動?軸校核 - 21 - 3.4 齒輪的設計? - 25 - 3.4.1 選擇材料 - 25 - 3.4.2 壓力角的選?擇 - 25 - 3.4.3 齒數和模數?的選擇 - 25 - 3.4.4 齒寬系數 - 26 - 3.4.5 大齒輪的校?核 - 26 - 3.5 軸承的設計?與選用 - 29 - 3.5.1 軸承選擇的?原則 - 29 - 3.5.2 軸承的選用?與配合 - 30 - 3.5.3 軸承的校核? - 31 - 3.6

11、本章主要內?容 - 33 - 第4章 機械手大臂?、中臂與小臂?的設計 - 34 - 4.1 大臂的設計? - 34 - 4.2 中臂的設計? - 35 - 4.3 小臂的設計? - 37 - 4.4 腕部的設計? - 38 - 4.5 減速機和諧?波減速器的?選擇 - 40 - 4.6 本章主要內?容 - 40 - 第5章 同步帶的選?擇 - 41 - 5.1 同步帶的選?擇及計算 - 41 - 5.1.1 確定計算功?率 - 41 - 5.1.2 選擇同步帶?帶型 - 41 - 5.1.3 帶輪材料的?選擇 - 43 - 5.2 本章主要

12、內?容 - 43 - 第6章 夾持式手部?結構 - 44 - 結 論 - 46 - 致 謝 - 47 - 參考文獻 - 48 - 附 錄 - 50 - CONTE?NTS Take to …………………………………………………………………………….I Abstr?act ……………………………………………………………………… ..III The first? chapt?er Intro?ducti?on …………………………………………… - 1 - 1.1 overv?iew………………………………………………………………….- 3 - 1.2 dom

13、es?tic and forei?gn resea?rch and devel?opmen?t……………………..- 5 - 1.2.1 Manip?ulato?r techn?ology? devel?opmen?t at home and abroa?d………..- 5 - 1.2.2 Manip?ulato?r appli?catio?n statu?s at home and abroa?d ………………- 7 - 1.3 The main conte?nt of this artic?le……………………………………….. - 8 - Chapt?er secon?d joi

14、nt? manip?ulato?r Overa?ll desig?n ………………………..- 9 - 2.1 basic? techn?ical param?eters?……………………………………………….- 9 - 2.1.1 Rated? load……………………………………………………………….- 9 - 2.1.2 Scope? of work………………………………………………………… .- 10 - 2.2 mecha?nical? struc?ture type selec?tion…………………………………....- 10 - 2.2.1 Opera?ting m

15、achi?ne drivi?ng syste?m desig?n…………………………..- 12 - 2.2.2 Deter?minin?g joint? manip?ulato?r arm confi?gurat?ion ………………..- 13 - 2.3 joint? type robot? struc?ture desig?n…………………………………….. - 14 - 2.3.1 Mecha?nical? hand main body struc?ture of the trans?missi?on desig?n. - 14 - 2.3.2 Mecha?nical? h

16、and main body struc?ture chara?cteri?stics? ……………- 15 - 2.4 the main conte?nt of this chapt?er……………………………………- 16 - The third? chapt?er joint?-manip?ulato?r waist? struc?ture desig?n ………..- 17 - 3.1 motor? selec?tion …………………………………………………………- 17 - 3.2 trans?missi?on syste?m desig?n…………………………………

17、…………- 19 - 3.3 desig?n of the main parts?………………………………………………..- 20 - 3.3.1 Calcu?latio?n of the shaft? speed?, torqu?e and power? input? ………….- 20 - 3.3.2 Deter?minat?ion of shaft? concr?ete size…………………………………- 20 - 3.3.3 II shaft? drivi?ng gear shaft?……………………………………………- 21 - 3.4 gear desig?n …………

18、……………………………………………………- 25 - 3.4.1 Mater?ial selec?tion……………………………………………………...- 25 - 3.4.2 Press?ure angle? selec?tion………………………………………………- 25 - 3.4.3 Tooth? numbe?r and modul?us selec?tion ………………………………- 25 - 3.4.4 Tooth? width? coeff?icien?t... ……………………………………………. - 26 - 3.4.5 big gear check? ……………

19、……………………………………………- 26 - 3.5 beari?ng desig?n and selec?tion…………………………………………. .- 29 - 3.5.1 Beari?ng selec?tion princ?iple……………………………………………- 29 - 3.5.2 Beari?ng selec?tion and coope?ratio?n …………………………………- 30 - 3.5.3 Beari?ng check?…………………………………………………………- 31- 3.6 The main conte?nt of this chapt?e

20、r………………………………………- 33 - The fourt?h chapt?er mecha?nical? arm in arm, hand and arm desig?n….- 34 - 4.1 arm desig?n ………………………………………………………………- 34 - 4.2 arm desig?n ………………………………………………………………- 35 - 4.3 small? arm desig?n…………………………………………………………- 37 - 4.4 wrist? desig?n ………………………………………………………...……- 38

21、- 4.5 speed? reduc?er harmo?nic reduc?er selec?tion………………………….…- 40 - The fifth? chapt?er of the synch?ronou?s belt selec?tion ………………..…- 41 - 5.1 synch?ronou?s belt selec?tion and calcu?latio?n……………………………- 41 - 5.1.1 Deter?mine the calcu?latio?n of power? Selec?t…………………………. - 41 - 5.1.2 Sync

22、h?ronou?s belt type…………………………………………………- 41 - 5.1.3 Pulle?y mater?ial selec?tion …………………………………………..…- 43 - 5.2 The main conte?nt of this chapt?er ………………………………………- 43 - The sixth? chapt?er clamp?ing type struc?ture of hand …………………..- 44 - Concl?usion? ………………………………………………………………...…- 46 - Thank?.

23、……………………………………………………………………….- 47 - Refer?ence …………………………………………………………………….- 48 - Appen?dix …………………………………………………………………….- 50 - 第1章 緒論 隨著我國工?業(yè)生產的飛?躍發(fā)展，自動化程度?的迅速提高?，實現(xiàn)工件的?裝卸、轉向、輸送等越來?越需要高科?技來完成。工具進行加?工、裝配等作業(yè)?的自動化，已愈來愈引?起人們的重?視。 工業(yè)機械手?由操作機、控制器、伺服驅動系?統(tǒng)和檢測裝?置構成，是一種仿人?操作、自動控制、

24、可重復編程?、能在三維空?間完成各種?作業(yè)的機電?一體化生產?設備。特別適合于?多品種、變批量的柔?性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質?量、提高生產效?率，改善勞動條?件和產品的?快速更新?lián)Q?代起著十分?重要的作用?。 機械手并不?是在簡單意?義上代替人?工的勞動，而是綜合了?人的特長和?機械手特長?的一種擬人?的電子機械?設備，既有人對環(huán)?境狀態(tài)的快?速反應和分?析判斷能力?，又有機器可?長時間持續(xù)?工作、精度高，抗惡劣環(huán)境?的能力，從某種意義?上說它也是?機器的進化?過程產物，它是先進制?造技術領域?不可或缺的?自動化設備?。 工業(yè)機械手?是近代自動?控制領域中?出現(xiàn)的一項?新技術，并已成為

25、現(xiàn)?代機械制造?生產系統(tǒng)中?的一個重要?組成部分，這種新技術?發(fā)展很快，逐漸成為一?門新興的學?科——機械手工程?。機械手涉及?到力學、機械學、電器液壓技?術、自動控制技?術、傳感器技術?和計算機技?術等科學領?域，是一門跨學?科綜合技術?。 機械手，就其本質上?來說，屬于工業(yè)機?器人的范疇?，機器人學是?近幾十年來?迅速發(fā)展起?來的一門綜?合學科。它集中了機?械工程、電子工程、計算機科學?、自動控制以?及人工智能?等多種學科?的最新研究?成果，體現(xiàn)了光機?電一體化技?術的最新成?就，是當代科學?技術發(fā)展最?活躍的領域?之一，也是我國科?技界跟蹤國?際高技術發(fā)?展的重要課?題。 “機械手”

26、（Mecha?nical? Hand）：多數指附屬?于主機、程序固定的?自動抓取、操作裝置（國內一般稱?作機械手或?專用機械手?）。如自動線、自動機的上?下料，加工中心的?自動換到的?自動化裝置?。 本世紀20?年代,在自動化和?自動線上出?現(xiàn)了可以代?替人力傳遞?和裝卸工件?的機械手,隨后在某些?危險作業(yè)領?域出現(xiàn)了由?操作人員直?接控制或遙?控的操作機?。工業(yè)機械手?是近30年?來在自動操?作基礎上發(fā)?展起來的一?種能模仿人?的某些動作?和控制功能?，并按照可變?的預定程序?和軌跡，操縱工具實?現(xiàn)多種操作?的自動化機?械系統(tǒng)。它綜合了經?了精密機械?、控制傳感和?自動控制技?術等領域的?

27、最新成果。 幾千年前人?類就渴望制?造一種像人?一樣的機器?，以便將人類?從繁重的勞?動中解脫出?來。到了近代，機械手一詞?的出現(xiàn)和世?界上第一臺?工業(yè)機器人?問世之后，不同功能的?機器人也相?繼出現(xiàn)并且?活躍在不同?的領域，從天上到地?下，機器人的種?類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料?未及的。 目前，對全球機器?人技術發(fā)展?最有影響的?國家應該是?美國和日本?。美國在機器?人技術的綜?合研究水平?上仍處于領?先地位，而日本生產?的機器人在?數量、種類方面則?居世界首位?。機器人技術?的發(fā)展推動?了機器人學?的建立，許多國家成?立了機器人?協(xié)會，美國 、日本、英國、瑞典等國家?設立

28、了機器?人學學位。 在機械制造?業(yè)中，工業(yè)機械手?應用較多，發(fā)展較較快?。目前主要應?用于機床。模鍛壓力機?的上下料以?及點焊，噴漆等作業(yè)?，它可按照事?先編制好的?程序完成規(guī)?定的作業(yè)。有些還具備?有傳感反饋?能力，能應付外界?的變化。 1.1 概述 本課題是設?計一款搬運?機械零件的?機械手。工業(yè)機械手?是工業(yè)生產?的必然產物?，它是一種模?仿人體上肢?的部分功能?，按照預定要?求輸送工件?或握持工具?操作的自動?化技術設備?，對實現(xiàn)工業(yè)?生產自動化?，推動工業(yè)生?產的進一步?發(fā)展起著重?要作用。因而具有強?大的生命力?受到人們的?廣泛重視和?歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手?代替人手的

29、?繁重勞動，顯著減輕工?人的勞動強?度，改善勞動條?件，提高勞動生?產率和自動?化水平。工業(yè)生產中?經常出現(xiàn)的?笨重工件的?搬運和長期?頻繁、單調的操作?，采用機械手?是有效的。此外，他能在高溫?、低溫、深水、宇宙、放射性和其?他有毒、污染環(huán)境條?件下進行操?作，更能顯示其?優(yōu)越性，有著廣闊的?發(fā)展前途。 畢業(yè)設計是?學生完成本?專業(yè)教學計?劃的最后一?個極為重要?的實踐性教?學環(huán)節(jié)，是使學生綜?合運用所學?過的基本理?論、基本知識與?基本技能去?解決專業(yè)范?圍內的工程?技術問題而?進行的一次?基本訓練，這對學生即?將從事的相?關技術工作?和未來事業(yè)?的開拓都具?有一定意義?。 隨著現(xiàn)代科

30、?技的迅速發(fā)?展，機械手技術?已廣泛應用?于人類社會?的各個領域?。在制造業(yè)中?誕生的工業(yè)?機器人是繼?動力機、計算機之后?而出現(xiàn)的全?國延伸人的?體力和智力?的新一代生?產工具。應用工業(yè)機?器人技術是?提高生產過?程自動化，改善勞動條?件，提高產品質?量和生產效?率的有效手?段之一，也是新技術?革命的一個?重要內容。機械手的應?用是一個國?家工業(yè)自動?化水平的重?要標志。 工業(yè)技術的?發(fā)展，工業(yè)自動化?技術的提高?，工人工作環(huán)?境和工作內?容同樣也要?求理想化、簡單化。對于一些往?復的工作由?機械手遠程?控制或自動?完成顯得非?常重要，這樣可以避?免一些人不?能接觸物質?對人體造成?傷害，

31、如冶金、化工、醫(yī)院、航天航空等?。目前的先進?機械手其自?動化和人性?化令人嘆為?觀止，它是融合各?種尖端技術?的現(xiàn)代機器??，F(xiàn)代工業(yè)的?發(fā)展趨勢對?機械手技術?的要求越來?越高，工作強度高?，靈活性強，準確可靠，自動檢測和?下達動作命?令，融入先進的?人工智能等?等，已經成為機?械手的發(fā)展?趨勢。機械手的研?發(fā)在以現(xiàn)代?化和人性化?為基礎的社?會對生產，服務，醫(yī)療，國防等領域?的進步和發(fā)?展具有十分?重要的作用?。 歸納起來采?用機械手有?以下主要意?義： (1) 可以改善勞?動條件，避免人身事?故。 在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物?質的環(huán)境場?合，用人手直接?操作是

32、很危?險的甚至是?不可能的。而應用機械?手即可部分?或者全部代?替人完成作?業(yè)，使勞動條件?得以改善。 (2) 穩(wěn)定和提高?產品質量，保證其均一?性。 機械手工作?室，運動位置的?參數都是有?固定程序設?計的，手爪所能到?達的每個位?置都是恒定?的，生產質量穩(wěn)?定。 (3) 生產產品周?期明確。 運用機械手?可以實現(xiàn)連?續(xù)的生產，而大大提高?在生產線的?工作的時間?，從而能大幅?提高勞動的?生產率。機械手的生?產節(jié)拍是固?定的，容易控制產?品質量，因此安排生?產計劃非常?明確 (4) 可以減少人?力，并便于有節(jié)?奏的生產。 應用機械手?代替人手進?行作業(yè)，這是直接減?少人力的一?個

33、側面，同時應用機?械手可以連?續(xù)的工作，這是減少人?力的另一方?面。因此，在自動化機?床和綜合加?工自動線上?，目前幾乎都?設有機械手?，以減少人力?和更準確的?控制生產的?節(jié)拍，便于有節(jié)奏?的生產。 (5) 可以提高生?產過程的自?動化程度。 應用機械手?有利于在自?動生產線中?實現(xiàn)材料的?傳送、工件的裝卸?、刀具的更換?、以及機器的?裝配等的自?動化程度，從而提高勞?動生產率，降低生產成?本 1.2 國內外發(fā)展?及研究現(xiàn)狀? 1.2.1 國內外機械?手技術的發(fā)?展 1. 國內外研究?現(xiàn)狀和水平?： 機械手經過?幾十年的發(fā)?展，如今已進入?了以通用機?械手為標志?

34、的時代。通用機械手?可以應用于?更加多的場?合，從而節(jié)約了?不少的開發(fā)?以及設計的?成本。由于通用機?械手的發(fā)展?，進而促進了?智能機器人?的研制。通用機械手?涉及的內容?，不僅包括一?般的機械、液壓、氣動等基礎?知識，而且還應用?了一些電子?技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制?、仿生學等，因此它是一?項綜合性較?強的技術。目前國內外?對發(fā)展這一?技術都很重?視。幾十年來，這項技術的?研究和發(fā)展?一直比較活?躍，設計在不斷?的修改，品種在不斷?的增加，應用領域在?不斷的擴大?。雖然在這方?面相對于發(fā)?達國家還有?點落后，但是國內現(xiàn)?在也越來越?感覺到機械?手的重要性?，國家大力支?

35、持相關的設?計及產品的?開發(fā)。在機器人的?發(fā)展以及機?械手的設計?上也取得了?一定的成果?，國內每年都?將舉行機器?人大賽，以增加研發(fā)?單位的交流?與合作。 2. 目前國內外?的發(fā)展趨勢?是： (1) 研制有更多?自由度的機?械手，這樣機械手?就可以變得?更加的靈活?，從而完成更?加多的動作?。 (2) 研制帶有行?走機構的機?械手，這種機械手?可以從一個?工作地點移?動到另一個?工作地點。 (3) 研制維修維?護方便的通?用機械手。 (4) 研制能自動?編制和自動?改變程序的?通用機械手?。 (5) 研制具有一?定感觸和一?定智力的智?能機械手。這種機械手?具有各種傳?感裝置，

36、并配有計算?機。根據仿生學?的理論，用計算機充?當其大腦，使它進行思?考和記憶。用聽筒和聲?敏元件作為?耳朵能聽，用揚聲器作?為嘴能說話?進行應答，用熱電偶和?電阻應變儀?作為觸覺和?感觸。用滾輪或者?雙足式機構?腳來實現(xiàn)自?動移位。這樣的智能?機械手可以?由人的特殊?語言對其下?達命令，布置任務，使自動化生?產線成為智?能化生產線?。 (6) 機械手的外?觀達到美觀?的要求，盡量用最簡?單的結構和?設備能完成?更加多的動?作。 (7)研制具有柔?性系統(tǒng)的通?用機械手。 1.2.2 國內外機械?手的應用狀?況 目前，在國外廣泛?應用的再現(xiàn)?式通用機械?手，雖然一般也?都有記憶

37、裝?置，但其程序都?是預先編好?的，或由人在工?作之前領動?一次，而后機械手?可以按工作?內容正確進?行再現(xiàn)動作?。如果把這種?再現(xiàn)式通用?機械手稱為?第二代機械?手的話，那么現(xiàn)在處?于研制階段?的智能機械?手就是第三?代了?，F(xiàn)在研究的?機械手正在?朝著一種可?以存儲大量?的程序的并?且可以改變?并重新寫入?程序的方向?發(fā)展，而且機械手?具有比原來?的更多的自?由度?，F(xiàn)在國內具?有越來越強?的自主研發(fā)?的單位，我相信在不?久的將來，我國一定能?夠趕上并將?且超越發(fā)達?國家在機械?手乃至整個?機械方面處?于領先地位?。 機械手是工?業(yè)自動控制?領域中經常?遇到的一種?控制對象。機械手可以?完成

38、許多工?作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣?泛。由于通用機?械手能很快?的改變工作?程序，適應性較強?，所以它在不?斷變換生產?品種的中小?批量生產中?獲得廣泛的?引用。 可在機械工?業(yè)中，加工、裝配等生產?很大程度上?不是連續(xù)的?。據資料介紹?，美國生產的?全部工業(yè)零?件中，有75%是小批量生?產；金屬加工生?產批量中有?四分之三在?50件以下?，零件真正在?機床上加工?的時間僅占?零件生產時?間的5%。從這里可以?看出，裝卸、搬運等工序?機械化的迫?切性，工業(yè)機械手?就是為實現(xiàn)?這些工序的?自動化而產?生的。目前在我國?機械手常用?于完成的工?作有：注塑工業(yè)中?從模具中快?速抓

39、取制品?并將制品傳?誦到下一個?生產工序；機械手加工?行業(yè)中用于?取料、送料；澆鑄行業(yè)中?用于提取高?溫熔液等等?。 1.3 本文主要內?容 本課題《五自由度機?械手結構設?計》來源于生產?實踐中。由于現(xiàn)代工?業(yè)生產對產?品的質量和?生產速度等?提出越來越?高的要求，一般工人已?難以勝任快?節(jié)奏的生產?工作，而且勞動強?度的增加和?環(huán)境的惡劣?極易對人體?造成傷害。因而此課題?的提出就有?十分重要的?作用和意義?。課題要求設?計的機械手?具有五個自?由度：（1）腰部關節(jié)旋?轉；（2）大臂關節(jié)仰?俯；（3）中臂關節(jié)仰?俯；（4）小臂關節(jié)仰?俯(5)腕部關節(jié)旋?轉。 此次設計主?要研究設計

40、?關節(jié)型五自?由度機械手?的機械本體?部分，即由腰部、大臂、小臂和腕部?組成的五個?關節(jié)的機械?本體部分的?結構設計。在設計過程?中主要參照?國內外已成?功研制的機?械手本體部?分的設計，依照機械手?的設計要求?和準則，在此基礎上?進行改進和?優(yōu)化，使其結構設?計合理、簡單、緊湊，動作靈活，能夠應用于?自動生產控?制作業(yè)及搬?運與裝配作?業(yè)。 其主要目的?： 一、 培養(yǎng)學生綜?合分析和解?決本專業(yè)的?一般工程技?術問題的獨?立工作能力?，拓寬和深化?學生的知識?。 二、 培養(yǎng)學生樹?立正確的設?計思想，設計構思和?創(chuàng)造思維，掌握工程設?計一般程序?規(guī)范和方法?。 三、 培養(yǎng)學生樹?立正

41、確的設?計思想和時?用技術資料?、國家標準等?手冊、圖冊工具書?進行設計計?算，數據處理，編寫技術文?件等方面的?工作能力。 四、 培養(yǎng)學生進?行調查研究?，面向生產，向工人和技?術人員學習?的基本態(tài)度?，工作作風和?工作方法。 第2章 關節(jié)型機械?手總體設計? 隨著現(xiàn)代科?學技術的發(fā)?展，機械手的應?用也越來越?廣泛。在機械工業(yè)?中，大量應用于?鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以?及裝配等工?種。在其他部門?，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等?工種中也均?有應用?，F(xiàn)代工業(yè)的?發(fā)展趨勢對?機械手技術?的要求越來?越高，工作強度高?，靈活性強，準確可靠，自動檢測和?下達動作命?令，融入

42、先進的?人工智能等?等。機械手的研?發(fā)在以現(xiàn)代?化和人性化?為基礎的社?會對生產，服務，醫(yī)療，國防等領域?的進步和發(fā)?展具有十分?重要的作用?。應用機械手?技術是提高?生產自動化?，改善勞動條?件，提高產品質?量和生產效?率的有效手?段之一，也是新技術?革命的一個?重要內容。機械手的應?用是一個國?家工業(yè)自動?化水平的重?要標志。 2.1 基本技術參?數 2.1.1 額定負載 目前，國內外使用?的機械手中?，其負載能力?的范圍很大?，最小的額定?負載在5N?以下，最大可達9?000N。負載大小的?確定主要是?考慮沿機械?手各運動方?向作用于機?械接口處的?力和扭矩。其中應包括?機械手

43、末端?執(zhí)行器的重?量、抓取工件或?作業(yè)對象的?重量和在規(guī)?定速度和加?速度條件下?，產生的慣性?力矩。本課題的任?務要求是保?證手腕部能?承受的最大?載荷是1.5kg。 2.1.2 工作范圍 工業(yè)機械手?的工作范圍?是根據工作?機械手作業(yè)?過程中的操?作范圍和運?動的軌跡來?確定的,用工作空間?來表示的.工作空間的?形狀和尺寸?則影響機械?手的機械結?構坐標形式?、自由度數和?操作機各手?臂關節(jié)軸線?間的長度和?關節(jié)軸轉角?的大小及變?動范圍的選?擇。 2.2 機械結構類?型的選擇 為實現(xiàn)總體?機構在空間?的位置提供?5個自由度?，可以有不同?的運動組合?，根據本課題?可以將其設?

44、計成以下五?種方案： a. 圓柱坐標型? 這種運動形?式是通過一?個轉動，四個移動，共五個自由?度組成的運?動系統(tǒng)，工作空間圖?形為圓柱型?。它與直角坐?標型相比較?，在相同的空?間條件下，機體所占體?積小，而運動范圍?大。 b. 直角坐標型? 直角坐標型?工業(yè)機械手?，其運動部分?由五個互相?垂直的直線?移動組成，其工作空間?圖形為長方?體。它在各個軸?向的移動距?離，可在各坐標?軸上直接讀?出，直觀性強，易于位置和?姿態(tài)的編程?計算，定位精度高?、結構簡單，但機體所占?空間大、靈活性較差?。 c. 球坐標型 又稱極坐標?型，它由兩個轉?動和三個直?接移動所組?成，即一個回轉?，

45、一個仰俯和?三個伸縮運?動組成，其工作空間?圖形為一個?球形,它可以上下?仰俯運動,并能夠抓取?地面上或較?低位置的工?件,具有結構緊?湊、工作 空間范圍大?的特點，但結構復雜?。 d. 關節(jié)型 關節(jié)型又稱?回轉坐標型?，這種機械手?是手臂與人?體的上肢類?似,其前三個關?節(jié)都是回轉?關節(jié),這種機械手?一般由立柱?個大小臂組?成,立柱與大臂?間形成肩關?節(jié),大臂與小臂?間形成肘關?節(jié),可使大臂做?回轉運動和?大臂作仰俯?擺動，小臂作仰俯?擺動。其特點是工?作空間范圍?大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近?工件的物體?。 e. 平面關節(jié)型? 采用兩個回?轉關節(jié)和三?個移動關節(jié)?；兩個回轉關

46、?節(jié)控制前后?、左右運動，而移動關節(jié)?則實現(xiàn)上下?運動，其工作空間?的軌跡圖形?，它的縱截面?為矩形的同?轉體，縱截面為移?動關節(jié)的行?程長，兩回轉關節(jié)?轉角的大小?決定回轉體?截面積的大?小、形狀。在水平方向?有柔順性，在垂直方向?有較大的剛?性。它結構簡單?，動作靈活，多用于裝配?作業(yè)，特別適合小?規(guī)格零件的?插接裝配。 對以上五種?方案的比較?：方案一不能?完全實現(xiàn)本?課題所要求?的動作；方案二體積?大，靈活性差；方案三結構?復雜；方案五無法?實現(xiàn)本課題?的動作。結合本課題?綜合考慮決?定采用方案?四：關節(jié)型機械?手。此方案所占?空間少，工作空間范?圍大，動作靈活，工藝操作性?高。

47、2.2.1 操作機的驅?動系統(tǒng)設計? 驅動機構是?工業(yè)機械手?的重要組成?部分。根據動力源?的不同, 工業(yè)機械手?的驅動機構?大致可分為?液壓、氣動、電動和機械?驅動等四類?。采用電動機?構驅動機械?手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 因此，機械手的驅?動方案選擇?電動驅動。 關節(jié)型機械?手本體驅動?系統(tǒng)包括驅?動器和傳動?機構，它們常和執(zhí)?行機構聯(lián)成?一體驅動臂?桿和載荷完?成指定的動?作。通常的機械?手驅動方式?有以下四種?； 1.步進電機： 步進電機是?將電脈沖信?號轉變?yōu)榻?位移或線位?移的開環(huán)執(zhí)?行元件。在非超載情?況下，電機的轉速?、停止位置只?取決于脈沖?

48、信號的頻率?和脈沖數目?。這一線性關?系的存在，加上步進電?機只有周期?性誤差而無?累計誤差的?特點，使其在速度?、定位等控制?領域應用得?非常廣泛。 2.直流伺服電?機： 直流伺服電?機具有良好?的調速特性?，較大的啟動?力矩，相對功率大?及快速響應?等特點，并且控制技?術成熟。其安裝維修?方便，成本低。 直流伺服電?動機驅動器?多采用脈寬?調制（PWM）伺服驅動器?，通過改變脈?沖寬度來改?變加在電動?機電樞兩端?的平均電壓?，從而改變電?動機的轉速?。 PWM伺服?驅動器具有?調速范圍寬?、低速特性好?、響應快、效率高、過載能力強?等特點，在工業(yè)機器?人中常作為?直流伺服電?動機驅動

49、器?。 3.交流伺服電?機：交流伺服電?機結構簡單?，運行可靠，時用維修方?便，比步進電機?價格貴一些??？蓪崿F(xiàn)較大?的啟動功率?，提供很高的?響應速度。同直流伺服?電動機驅動?系統(tǒng)相比，同步式交流?伺服電動機?驅動器具有?轉矩轉動慣?量比高、無電刷及換?向火花等優(yōu)?點，在工業(yè)機器?人中得到廣?泛應用。 4．直接驅動：所謂直接驅?動系統(tǒng)，就是電動機?與其所驅動?的負載直接?耦合在一起?，中間不存在?任何減速機?構。 ??同傳統(tǒng)的電?動機伺服驅?動相比，該驅動減少?了減速機構?，從而減少了?系統(tǒng)傳動過?程中減速機?構所產生的?間隙和松動?，極大地提高?了機器人的?精度，同時也減少?了由于減

50、速?機構的摩擦?及傳送轉矩?脈動所造成?的機器人控?制精度降低?。而該驅動由?于具有上述?優(yōu)點，所以機械剛?性好，可以高速高?精度動作，且具有部件?少、結構簡單、容易維修、可靠性高等?特點，在高精度、高速工業(yè)機?器人應用中?越來越引起?人們的重視?。 常用的驅動?器有電機和?液壓、氣動驅動裝?置等。其中采用電?機驅動是最?常用是驅動?方式。電機驅動具?有精度高，可靠性好，能以較大的?變速范圍滿?足機械手應?用要求等特?點。 本課題的機?械手將采用?直流伺服電?機。因為它具有?結構簡單、運行可靠、使用維修方?便、調速性好、伺服性能好?、反應快速、功率重量比?大，穩(wěn)定性好等?特點。 2.2.

51、2 確定關節(jié)型?機械手手臂?的配置形式? 手臂的配置?形式反應了?機械手操作?機的總體布?局。根據任務要?求，要實現(xiàn)機械?手搬運功能?，則機械手的?工作范圍要?廣，所以我選擇?了立柱式是?配置方式。其特點是占?地面積小，工作范圍大?。 2.3 關節(jié)型機械?手本體結構?設計 2.3.1 機械手本體?結構的傳動?設計 結合實際要?要，以及所需要?達到的技術?要求，具體的技術?方案擬定如?下： 本設計的通?用機械手的?結構相對比?較簡單，自由度選擇?為五個。分別為(1)腰關節(jié)回轉?；（2）大臂關節(jié)仰?俯；（3）中臂關節(jié)仰?俯；（4）小臂關節(jié)仰?俯；（5）腕部回轉。 結構簡圖如?圖

52、2.1所示 1.腰部回轉2?.大臂仰俯3?.小臂仰俯4?.小臂仰俯5?.腕部回轉 圖2.1 機械手整體?結構簡圖 原理：腰部的回轉?是通過腰部?電機（直流調速）再經過一級?齒輪傳動來?實現(xiàn)的；大臂、中臂和小臂?的仰俯的通?過諧波齒輪?傳動來實現(xiàn)?的；而腕部的回?轉則通過一?級諧波再經?過二級齒輪?傳動來實現(xiàn)?的。 機械手主要?由腰部與基?座以及大臂?、中臂、小臂和腕部?組成?；剞D基座是?一個鋁制的?整體鑄件，其上裝有腰?關節(jié)的驅動?電機，在基座內安?置了腰關節(jié)?的主軸及其?軸承等。 2.3.2 所設計機械?手本體結構?的特點 所設計的機?械手本體結?構特點如下?; 1. 腰

53、部回轉由?伺服電機通?過同步帶再?通過一級齒?輪傳動組成?。在結構布置?上，電機均固定?在腰座上，小齒輪用鍵?與軸一相連?；而大齒輪用?鍵與軸二相?連。這樣布局對?裝配、潤滑方便，但增大了腰?部回轉的轉?動慣量。大臂、小臂的傳動?原理相同，均采用電機?，諧波減速器?和關節(jié)軸線?同軸的傳動?方式。這樣結構簡?單，傳動路線最?短。腕部則采用?諧波齒輪減?速外加二級?齒輪傳動，這樣有利于?精確控制手?腕的轉動角?度。 2. 底座鑄件結?構形狀簡單?，即用作內部?大齒輪的安?裝固定與主?軸的支撐座?，又兼顧承力?支架。傳遞集中載?荷。這樣不僅節(jié)?約材料，減少加工量?，又使整體質?量減輕。腰部、大、小

54、臂和腕部?機構同樣采?用結構簡單?的鑄件。 3. 腰關節(jié)和大?、小臂關節(jié)處?結構密度大?，多余空隙比?較少，結構緊湊。這樣使總的?尺寸減少，質量減輕。 4. 機械手手臂?材料的選擇?： 機械手手臂?的材料應根?據手臂的工?作狀態(tài)來選?擇，根據設計需?求，機械手手臂?要求完成各?種運動。因此，對材料有一?個要求是作?為運動的部?件，它應該是輕?型材料。另一方面，手臂的運動?過程中往往?會產生振動?，它將大大降?低它的運動?精度。因此，在選擇材料?時，需要對質量?、剛度、阻尼進行綜?合考慮，以便有效地?提高手臂的?動態(tài)性能。 機械手手臂?材料首先應?是結構材料?。手臂承受載?荷時，不應有變

55、形?和斷裂。從力學角度?看，既要具有一?定的強度、手臂材料應?選擇高強度?材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機械手手臂?是運動的，又要具有很?好的受控性?，因此，要求手臂比?較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選?額強度大而?密度小的材?料。在我的設計?中為減輕機?械手本體的?重量選擇用?鑄鋁材料。 2.4 本章主要內?容 本章主要完?成機械手的?整體結構設?計，合理的布局?，通過設計的?機械手本體?結構特點，使機械手按?照預定的工?作條件，完成旋轉、俯仰動作，完成理論方?案的設計，以及材料的?選擇并確定?驅動系統(tǒng)。運用 AutoC?AD件繪制?結構原理簡?圖。 第3章 關節(jié)型機械?手

56、腰部結構?設計 3.1 電動機的選?擇 設大臂中、臂 和小臂水平?展開時對于?腰部關節(jié)的?主軸的轉動?慣量為J1?，根據平衡軸?定理可得繞?腰部關節(jié)軸?的轉動慣量?為： 分別為小臂?以及腕部的?抓取物體后?的負重、中臂和大臂?的重量為5?kg、13.6kg、19.8kg。分別為小臂?、中臂和大臂?水平伸直時?小臂的長度?、中臂的長度?、大臂的長度?，其值分別為?600mm?、420mm?、300mm?。 設腰部自身?繞腰關節(jié)的?轉動慣量為?J。 J=, ，R 分別為腰部?重量和繞主?軸的旋轉半?徑，假設分別為?20kg和?250kg?。 可得繞大臂?關節(jié)的轉動?慣量為：

57、J = = 38.65kg 同理，可得手爪繞?腕部關節(jié)軸?的轉動慣量?： =0.50.025 =0.125kg? 式中：——手爪繞腕部?旋轉的回轉?半徑mm。 由于手指移?動的最大線?速度為3m?/s，當大臂、中臂和小臂?都水平時，腰部旋轉此?時工作端部?的線速度為?最大速度。 此時可得： 為腰部主軸?旋轉的最大?角速度 則旋轉開始?時的轉矩可?表示為： T=J 式中：T——旋轉開始時?的轉矩 　　　――角加速度 使機械手主?軸從0ra?d/s到=2.27rad?/s所需時間?為：，T=J=38.652.

58、27=87.73N?m 若考慮繞機?械手手臂的?各部分重心?軸的轉動慣?量及摩擦力?矩，則旋轉開始?時的啟動轉?矩可定為9?0 N?m 電動機的功?率可按下式?估算 Pm(1.5~2.5) 式中：Pm——電動機功率? ——負載轉矩 ——負載轉速 ——傳動裝置的?效率，初步估算取?=0.650.95=0.57 系數取1.5，則 Pm =1.5358.4 N?m 估算Pm 后可選取電?機，使其額定功?率Pr滿足?下式 PrPm 選擇三菱伺?服電機 HC—

59、—MFS43?(B)交流伺服電?機的參數 型號 轉矩（N?m） 轉速（r/min） 功率(W) 電流(A) HC-MFS 43(B) 1.3 3000 400 7.8 3.2 傳動系統(tǒng)設?計 通過電機的?主軸轉速和?腰部旋轉的?最大角速度?可求得大概?的總傳動比? ia = =138.3 由于傳動比?較大，所以在伺服?電機上采用?配置減速器?的方式直接?調速，再通過齒輪?傳動機構保?證傳動的平?穩(wěn)性，齒輪傳動的?傳動比為 i = =6.15 3.3 主要零部件?設計計算 3.3.1 計算各軸轉?速、轉矩和輸出?

60、功率 a．各軸轉速 Ⅰ軸 n1 =32.64r/min Ⅱ軸 n2 =32.64/2.55=12.8r/min b.各軸輸出功?率 Ⅰ軸 =?=4000.9=360W 為減速機傳?動效率 Ⅱ軸 =3600.95=342W 為齒輪嚙合?效率 c. 各軸輸入扭?矩 Ⅰ軸 =9550=9550(360/32.64)=105.3 N?m Ⅱ軸 =9550=9550(342/12.8)=255.16 N?m 3.3.2 確定軸的具?體尺寸 兩實心軸的?材料均選用?45號鋼，查表得知軸?的許用扭

61、剪?應力[]=30MPa?，由許用應力?確定的系數?為A=115。 Ⅰ軸的結構如?下： 軸各段直徑?和長度： 長度 直徑 20 16 16 32 88 20 40 16 Ⅱ軸的結構如?下： 軸各段直徑?和長度： 長度 直徑 68 32 40 92 60 76

62、12 56 56 48 40 40 32 28 3.3.3 Ⅱ軸齒輪傳動?軸校核 按扭轉強度?條件計算： 此軸是重要?的零件，其上布置有?主動齒輪和?支撐的軸承?。其結構尺寸?要滿足彎曲?和扭轉的要?求 a)軸的材料選?45鋼，調質處理硬?度HBS2?17-255。其機械性能?查表，得， σ=650MP?a，σ＝360 MPa，σ＝270 MPa，т ＝155 MPa，許

63、用疲勞應?力 [σ]＝190MP?a。 b)、軸上力的計?算： 齒輪上的徑?向力、圓周力為： F= F= Ftanα?=26.31×tan20?=9.58N N1 = N 2=35N ，阻力矩 M 1 =M2 = 0.5 N?m，重力N 3 =15 N?m，主動力矩M? 0 =1 N?m。 計算作用于?軸水平面上?的力，由力學知識?可得： R==35.70N R==37.90N 計算作用于?軸的豎直面?上的力，由力學知識?可得： R==4.95N R=N 計算彎矩， M==0.047 N?m M==0.044 N?m 齒輪處：M=35×13.4-35×13-

64、15×0.4= 0.008N?m 計算扭矩： T=T=T=0.5 N?m 計算當量彎?矩， M= A 點處： M(A)===0.137 N?m 齒輪作用集?中處： M(F)===0.206 N?m B 點處： M(B)= ==0.257 N?m c)、軸的尺寸計?算： 按許用彎曲?應力計算軸?頸： d≥=×10=2.354mm? d)、校核軸的強?度： 齒輪作用處?的當量彎矩?最大，對其進行強?度校核： σ==3.526MP?a σ<[σ],故安全。 e)、按疲勞強度?校核安全系?數： 受彎矩作用?的安全系數?計算公式為?： S=≥[S] S

65、= S= 式中，—對稱循環(huán)應?力下的材料?扭轉疲勞極?限 S——只考慮彎矩?作用的安全?系數； S——只考慮扭矩?作用時的安?全系數； σ——對稱循環(huán)應?力時試件材?料的彎曲的?疲勞極限 K，K ——彎曲和扭轉?時的有效應?力集中系數? β——表面質量系?數， ε,ε——彎曲和扭轉?時的絕對尺?寸系數 ,——彎曲和扭轉?時平均應力?拆合為應力?幅的等效系?數 ,σ——彎曲應力的?應力幅和平?均應力 ,——轉應力的應?力幅和平均?應力 S== S== 計算中 σ＝270MP?a, =155MP?a, K =1.66，K =1.45, β＝0.90,ε＝0.91, ε

66、=0.89 , ＝ 0.34, =0.21, =41.02MPa?,σ=41.02MPa?, =9.28MPa?， ＝9.28MPa?。 S== 由表可查得?，[ S ] ＝1.5～1.8，S>[ S ] ，故該軸截面?是安全得的?。 3.4 齒輪的設計? 3.4.1 選擇材料 機構中的齒?輪是開式齒?輪，小齒輪的材?料選用40?Cr，大齒輪選用?45，表面調質處?理，硬度HBS?217-255。 得σ ＝630MP?a。 3.4.2 壓力角的選?擇 由機械原理?可知，增大壓力角?，能使輪齒的?齒厚和節(jié)點?處的齒廓曲?率半徑增大?，可提高齒輪?的彎曲疲勞?強度和接觸?疲勞強度。此處，壓力角可取?。 3.4.3 齒數和模數?的選擇 對軟齒面的?閉合齒輪傳?動，其承載能力?主要取決于?齒面接觸疲?勞強度。而齒面接觸?應力的大小?與小齒輪的?分度圓直徑?有關，即與齒數和?模數的積有?關。因此在滿足?彎曲疲勞強?度的前提下?，宜選擇較小?的模數和較?多的齒數。這樣除能增?大重合度，改善傳動的?平穩(wěn)性外，還因模數的?減小而降低?齒高，從而減小金?屬的切屑量?，減少滑動速