多關節(jié)工業(yè)機器人總體設計

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1、 曲膏錄我梢汗羌#說天啊# it lianhe College ofGuangDong Polytechnic Normal University 畢業(yè)論文（設計） 題目：機床上料多關節(jié)工業(yè)機器人總體設計 （英文）： Overall design of machine tool feeding multi-joint industrial robot 二級學院： 機電工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動 化 姓 名： 黃景鑫 學 號： 20160301430411 指導教師： 曹照均 日 期： 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計(論

2、文) 2機械手的概述 2.1機械手的定義 機械手(mechanical hand)顧名思義就是和人類的手相似，具有人類手臂的各種結(jié)構(gòu) 能實現(xiàn)模仿人手的各種功能。機械手能夠根據(jù)編輯好的程序去執(zhí)行各種動作，例如抓取， 搬運物件，或者操作工具等，是一種自動操作裝置。 2.2機械手的原理 機械手是由pic、單片機等控制系統(tǒng)進行控制，多關節(jié)機械手有著五個大的部分，底座， 腰部，肩部，腕部以及手部，每一個部位都基本有一個驅(qū)動裝置，底座的電機通過聯(lián)軸器 和減速器驅(qū)動腰部的轉(zhuǎn)動，腰部的電機驅(qū)動肩部的轉(zhuǎn)動，肩部的電動機驅(qū)動大臀的轉(zhuǎn)動， 小臂的電動機驅(qū)動腕部的轉(zhuǎn)動。由控制系統(tǒng)進行控制而達到模擬

3、人手的功能，進行作業(yè)。 底座電機*械手對_二―肩部電機 囂嵩本林手房 ",肘部電機手晶 2-1機械手的原理 2. 3機械手的結(jié)構(gòu) 2-2機械手的結(jié)構(gòu)簡圖 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 輸入部分，動作執(zhí)行部分和程序控制部分共同組成了機械手。 1、 動作執(zhí)行部分：底座，腰部，肘部，手腕和夾持部分。 a、 底座：底座是支撐整個機械手的重要部位，機械手各部件的運動都離不開底座 的支撐，底座內(nèi)部設有傳動機構(gòu)（齒輪和軸）與電機相連接推動機械手腰部進 行轉(zhuǎn)動。 b、 腰部：腰部主要連接底座和肘部，通過電機和聯(lián)軸器以z軸為轉(zhuǎn)軸，帶動機身 旋轉(zhuǎn)。 C、肘部：通過大

4、臂支撐與腰部連接，通過小臂連接手腕和夾持部分，可較為準確 的對手腕進行定位。 d、手腕：手腕是機械手控制的末端，機械手的精度受它的影響是最大的，手腕由 兩個電機控制其上下轉(zhuǎn)動，手腕末端連接著夾持部分。 C、夾持部分：夾持部分為手爪，本次設計是機床上料機器人，夾持的是棒料，所 以夾持部分使用手抓而不是負壓吸盤式的。 2、 動力輸入部分：動力輸入時機械手能夠動起來的基礎，動力輸入時不能直接與動 作執(zhí)行部件相連，而是需要減速機構(gòu)或者是聯(lián)軸器。 3、 程序控制部分：程序控制是機械手的靈魂，空有骨架和動力沒有運動的目標的話亦 是無用的，機械手能夠發(fā)揮出其巨大的優(yōu)勢，和控制系統(tǒng)分不開，現(xiàn)

5、階段主要是 用單片機和pic來為機械臂開發(fā)控制系統(tǒng)。 2.4機械手的工作特點 機械手有以下幾個優(yōu)勢： 1、 機械手能夠在惡劣的環(huán)境下進行工作而不受其影響，是人類勞動無法企及的； 2、 機械手能夠穩(wěn)定地進行高強度和高重復性工作； 3、 機械手能夠達到極高的精度，在要求高精度的工作場合下，機械手的運用及其重 要； 4、 對于人力成本，機械手的成本更低，亦能夠提高效率，增加企業(yè)的效益； 5、 機械手可編程，能夠根據(jù)程序的設置而去運動，所以能夠適應多種不同的工作； 2. 5機械手種類的選取 按使用的方式分類，機械手可以分為專用機械手和通用機械手兩種，通用機械手顧名 思義就是能

6、夠運用在多種場合的機械手，所以適應能力極強，能夠能夠進行獨立控制，可 編程，其有著極大的靈活性，占地面積小，能夠適應多種產(chǎn)品的生產(chǎn)，多關節(jié)機械手就是 一種通用型機械手。 專用機器人就是一種專業(yè)性極強，為某一個工步專門設計的機械手，其結(jié)構(gòu)簡單，有 著固定的程序而不像通用型機械手一樣有獨立的控制系統(tǒng)，不能適應其它產(chǎn)品種類的需求, 但其有著穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低等優(yōu)勢。 根據(jù)需求，本次設計的是通用型機械手，多關節(jié)機械手更能夠適應機床上下料的環(huán)境 和要求，末端的執(zhí)行機構(gòu)采用夾持式。 圖2-3專用型機械手 圖2-4通用型機械手 2. 6本章小結(jié) 本章主要對機械

7、手的定義進行了闡述，對機械手的原理和結(jié)構(gòu)進行了分析，明確了本 次畢業(yè)設計是設計一種通用型機械手，末端的執(zhí)行機構(gòu)采用夾持式，能夠更好的夾取棒料。 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 3機械手的機械設計部分 3.1機械手的整體結(jié)構(gòu)設計 機械手的整體設計的好壞決定機械手是否實用，本次設計的5自由度機械手包含底座、 減速器，連接塊，大小手臂，及腕部等機械手的重要部分，每一個機構(gòu)都有著不可或缺的 作用，就像底座看似簡單，但其作用不小，底座的底部與地板固定，防止機身發(fā)生抖動等 不良狀況，對機械手的穩(wěn)定工作具有著及其重要的作用。各個部件的組合形成了功能完善 的機械手，以下是機械手的自

8、由度簡圖和三維模型。 圖3-2機械手的整體建模模型 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 3. 2機械手各部件的結(jié)構(gòu)設計及選型 3. 2.1機械手的底座設計 機械手的底座的主要功能有以下幾點：1、將機械手裝置固定，使機械手在運動時能夠 有所支撐，避免機械手的振動。2、放置電路及簡單的控制系統(tǒng)。3、與腰部及電機進行連 接，為腰部提供支撐。根據(jù)以上幾點初步將機械手的結(jié)構(gòu)設計為如圖3-2所示。 底座的材料選擇:機械手底座承受的載荷較大，機械手的運動會對底座的強度剛度和減 震性能進行巨大的考驗，所以要選取減震性能好，強度較高的材料，HT200灰鑄鐵能夠很 好地符合

9、這個要求，其常被用于制造機床底座，發(fā)動機氣缸，汽車車身等承受壓力和振動 的部件，所以綜上所述底座材料選擇HT200灰鑄鐵最為合適。 圖3-2機械手的低座的結(jié)構(gòu)設計 3. 2.2機械手腰部的設計 機械手腰部主要有以下部分組成：電機，傳動機構(gòu)，連軸器和連接塊.唯有確定好輸入 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 形式和傳動機構(gòu)的形式才能夠更好地對腰部連接塊進行結(jié)構(gòu)設計，接下要對傳動機構(gòu)進行 確定。 3.2.2. 1機械手腰部傳動機構(gòu)的確定 多年以來，機械手的發(fā)展和運用逐漸成熟，有著很多能夠借鑒的經(jīng)驗，為機械手的設 計提供了大量基礎的數(shù)據(jù)，根據(jù)前人的經(jīng)驗能讓人們設計

10、難度大大降低，避免了很多不必 要的錯誤，通過查閱資料，我得知機械手腰部的傳動形式有以下兩種：諧波減速器傳動， 和RV減速器傳動。通過對這兩種傳動機構(gòu)的分析，選出最為合適的本次設計的傳動機構(gòu)。 1、諧波減速速器傳動 諧波減速器是一種較為特殊的齒輪傳動機構(gòu)，主要運用于軍工和對傳動機構(gòu)的精度有 較高要求的行業(yè)，有著以下特點：1、不僅承載能力強，其精度亦是很高，因其特殊的結(jié)構(gòu)， 其傳動誤差只有普通齒輪的1/4左右，意味著其傳動精度要比普通齒輪精確四倍。2、其有 著極其平穩(wěn)的傳動性能，因為柔輪和鋼輪的嚙合過程都是漸進、漸出的所以諧波減速器有 著噪音小，無沖擊的特點。3、諧波減速器只有三個

11、基本部件，分別為柔輪、剛輪、波發(fā)生 器，和其他的傳動機構(gòu)對比其結(jié)構(gòu)過分簡單，而且它體積小使用壽命長是運用于機械極好 的裝置。4、諧波減速器的傳動比極大，傳動效率有著其他傳動機構(gòu)無可比擬的優(yōu)勢。5、 安裝調(diào)整方便。 圖5.1-1諧波減速器的基本結(jié)構(gòu) 1 一諧波發(fā)生器2—柔輪3—剛輪 圖3-3諧波減速器的結(jié)構(gòu) 2、RV減速器傳動 RV減速器是由擺線針輪和行星支架組成的，其有著傳動比大，負載能力高，能夠抵抗 較高的沖擊力，傳動精度高，定位精度高，減速性能好，傳動平穩(wěn)，RV減速器的各種性能 參數(shù)基本都要比諧波減速器要好，可是其定位精度要求很高，安裝比較困難，結(jié)構(gòu)復雜， 設

12、計難度高，且價格昂貴。 m6.2-ll HVMifB 的內(nèi) l-￡M 2-?? 3—■出?承 4一充體偵輪)?-??■ 1

13、波減速器作 為機械手腰部的傳動機構(gòu)。 3. 2. 2. 2機械手腰部連接塊的設計 確定了腰部的傳動機構(gòu)以后，就能夠?qū)ζ溥M行結(jié)構(gòu)設計了。腰部的連接塊起到固定腰 部的諧波減速器，電機作用。連接塊還作為肩部轉(zhuǎn)動機構(gòu)的固定支架。連接塊需要在電機 的帶動下進行轉(zhuǎn)動，所以回轉(zhuǎn)的部分設計成圓形，方便其回轉(zhuǎn)，連接塊和機座連接在一塊 起到連接底座和機身的作用其承受的載荷和扭矩是非常大的，機身的運動也會產(chǎn)生振動， 對連接塊的結(jié)構(gòu)和材料都是巨大的考驗，所以連接塊要選擇減震性能好，強度高的材料， 查資料可以了解到，HT200灰鑄鐵能夠很好地滿足要求 圖3-5腰部連接塊的結(jié)構(gòu) 圖3-6

14、機械手腰部結(jié)構(gòu) 3. 2. 2機械手Z軸手臂結(jié)構(gòu)設計 3. 2. 2. 1機械手Z軸驅(qū)動方式的選擇 機械手大臂的驅(qū)動有以下兒種：1、液壓驅(qū)動，2、氣壓驅(qū)動，3、電氣驅(qū)動 各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點： 1、液壓驅(qū)動 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 液壓驅(qū)動的輸出力大，在很多的重型機械中都能看到液壓驅(qū)動的身影，挖掘機，起重 機的手臂驅(qū)動方式基本都是液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動的可以實現(xiàn)無極調(diào)速，其傳動比極大甚至 能達到1:1000,而且其調(diào)速性能極好，完全不受功率大小的限制。 液壓驅(qū)動亦有著難以避免的缺點，由于使用的是液壓油，所以難免會發(fā)生油液泄露的 危險，如若發(fā)生油液泄露，可能

15、會使機械手的動作不精確，動力不足，亦會使工作環(huán)境變 得惡劣，液壓油易燃，可能還會發(fā)生火災等危險事故。為了防止液壓油泄露，液壓元件的 精度就會很高其制造成本隨之升高，為了達到控效果，其油路也會變得復雜。 圖3-5液壓驅(qū)動機械手 2、 氣壓驅(qū)動 氣壓驗動是以空氣作為驗動介質(zhì)，推動氣壓缸運動進而達到工作目的的一種裝置，氣 壓馬區(qū)動有著能夠高速運行的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉而且壽命高，工作時需要的氣體 可直接在環(huán)境中抽取工作后的廢氣亦可以直接排出，不會對環(huán)境造成影響安全可靠，而旦 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)可以適應各種惡劣的環(huán)境應用廣泛。 氣壓驅(qū)動亦有著一些缺點，因為其是把氣體當為工作介質(zhì)，

16、而氣體的可壓縮性很強， 氣壓驅(qū)動的平穩(wěn)性差，沖擊嚴重，其運動的精度也很難調(diào)整，在對精度有一定要求的機構(gòu) 上不適合用氣壓驅(qū)動。氣壓驅(qū)動的輸出壓力較小，氣壓驅(qū)動如果想達到液壓驅(qū)動的輸出力 的話其結(jié)構(gòu)尺寸會很大，所以氣壓驅(qū)動不適合運用于要求輸出力很大的機構(gòu)。 3、 電氣驅(qū)動 電機驅(qū)動是運用最廣，最為常見的一種驅(qū)動方式，其有著諸多特點。電機的結(jié)構(gòu)緊湊， 效率很高，動態(tài)響應與過載能力很強，有著很高的可靠性，在運行的時候幾乎不用什么維 護費用，電動機也是有著體積小重量輕的特點，易于控制而且控制精度要比氣壓驅(qū)動和液 壓驅(qū)動高得多，能夠很方便地和控制系統(tǒng)連接，在機械手行業(yè)得到廣泛的應用。

17、摘要 本文主要是對多關節(jié)機床上下料機器人進行總體設計，車床的上料是一件簡單的重復 性工作，其枯燥乏味很容易讓人覺得疲勞工作效率不高甚至容易發(fā)生危險，讓工業(yè)機器人 代替人工上料能夠保證工人們的安全，更能夠提高工作效率，減少人工的開支，提高經(jīng)濟 效益。所以對工業(yè)機器人的研究設計變得非常必要。 本文的設計內(nèi)容有以下幾點：1、對機械手的總體結(jié)構(gòu)和工作原理進行設計。2、選擇 合適的電機。3、設計傳動機構(gòu)。4、減速器的選取。5、腕部結(jié)構(gòu)的設計。6、對各部件的 強度校核。 關鍵詞：多關節(jié)機械手；傳動設計；電機選取；結(jié)構(gòu)設計 關鍵詞：6個自由度；關節(jié)機械手；機械結(jié)構(gòu) 圖3-6電

18、氣驅(qū)動機械手 對比結(jié)果： 各種驅(qū)動方式都各有優(yōu)缺點，此次是設計一臺多關節(jié)機床上下料機器人，要求其結(jié)構(gòu) 簡單，體積不需要那么大，而且能夠達到一定的控制精度，液壓傳動要比電氣傳動的結(jié)構(gòu) 更加復雜，而且難以維護，氣壓驅(qū)動的平穩(wěn)性差，沖擊嚴重，運動精度難以把握，綜上液 壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動的方案就不適合了，所以機械手手臂的驅(qū)動方式選擇電氣驅(qū)動。 3. 2. 2. 2機械手Z軸手臂驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)設計 由上文可知，機械手z軸選用電機驅(qū)動，傳動機構(gòu)選著諧波減速器，電機與諧波減速 器通過聯(lián)軸器相接合，機械手Z軸的手臂起到連接腰部連接塊以及X軸的作用，機械手的 z軸手臂通過諧波減速器與腰部的連接塊

19、相連。驅(qū)動原理：電機輸出動力，通過聯(lián)軸器將 動力傳輸給諧波減速器，經(jīng)過諧波減速器的減速之后將動力傳輸給Z軸手臂，從而使轉(zhuǎn)軸 手臂能夠轉(zhuǎn)動。 圖3-7Z軸手臂驅(qū)動部分結(jié)構(gòu) 3. 2. 2機械手Z軸手臂結(jié)構(gòu)設計 Z軸手臂是連接腰部和X軸手臂的重要部件，大臂的兩頭需要與諧波減速器連接所 以兩頭設計的扁平，設計大臂時不僅要考慮其結(jié)構(gòu)的合理性，也要考慮其重量。在保證其 結(jié)構(gòu)合理性盡量降低重量的指導思想下，大臂中間壁厚降低，兩側(cè)增加肋板，這樣的結(jié)構(gòu) 不僅使重量大大降低，而且結(jié)構(gòu)強度也足夠。大臂工作轉(zhuǎn)動時會承受很大的負載和扭矩， 所以需要強度足夠高的材料，選擇HT200灰鑄鐵

20、作為大臂的材料，因為其減震性能好，強 度很高。 3. 2. 3機械手Z軸與X軸的連接塊 此連接塊是連接機械手Z軸和X軸的重要部件，其作用有以下幾點：1、 3. 2. 3機械手Z軸與X軸的連接塊 圖3-7機械手Z軸與X軸部分的連接塊 機械手的Z軸立柱與X軸手臂的連接塊部分，在連接塊中固定了驅(qū)動X軸的電機、諧波減速器以 及驅(qū)動機械手手腕部分的電機、諧波減速器，起到連接的作用，鑄造材料為灰鑄鐵，由于步進電機作動 力源，由于使用步進電機會導致機械手運動的時候抖動范圍比較大，而灰鑄鐵有減震，耐磨的作用，雖 然不能從源頭解決震動問題，但是可以在用料上減少機械運動過程中的震動。 3

21、. 2.4 X軸機械手臂的結(jié)構(gòu)設計 圖3-8機械手X軸部分的手臂 機械手X軸的手臂部分，連接著Z軸立柱，由步進電機驅(qū)動，經(jīng)過諧波減速器傳遞動力從而驅(qū)動 手腕部分的上下移動的動作。 圖3-9機械手X軸部分的手臂 機械手X軸的手膂的驅(qū)動方式與Z軸手臂的驅(qū)動方式一樣，通過電機提供動力，經(jīng)諧波減速器減速, 波發(fā)生器與連接塊的螺釘連接，從而驅(qū)動X軸手臂的上下擺動。 3. 2. 5機械手手腕的結(jié)構(gòu)設計 手腕的傳動結(jié)構(gòu)設計 圖3-10機械手的手腕部分 機械手的手腕部分包括手腕，兩個帶傳動、錐齒輪傳動以及兩個小電機，傳動路線 為單片機程序控制電機轉(zhuǎn)動，電機提供動力，

22、電機的輸出軸連接著錐齒輪，通過錐齒輪與 錐齒輪之間的傳動以及傳動比改變動力傳動的方向以及傳動速度，另一個錐齒輪連接著皮 帶輪帶動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳遞動力到另-?個連接著手腕的皮帶輪，從而帶動手腕 的上下轉(zhuǎn)動。 圖3-11機械手的手腕的傳動部分 機械手的手腕部分通過兩個小型電機為其提供動力，經(jīng)過錐齒輪與皮帶的傳動，從而實現(xiàn)手腕部分的上下擺動。 3. 3本章小結(jié) 本章主要對機械手的整體方案設計以及各部分結(jié)構(gòu)進行三維設計以及驅(qū)動原理設計。 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 4機械手具體參數(shù)的計算 4.1機械手的技術(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)類型：關節(jié)型機械手；自由度數(shù)：

23、6自由度；負載：2KG；移動范圍：高1000mm. 寬650mm、長450mm；機械手的本體質(zhì)量為28KG;機械手的安裝方式為水平方式安裝。 4.2電動機的選型 4. 2.1電動機種類的選擇 電機的種類有很多，運用于機械手的電機一般有伺服電機和步進電機兩種。步進電機 有著優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應特性，電機的壽命長，沒有電刷可靠性高，壽命容易控制，電 機壽命只受內(nèi)部軸承影響，定位精度高，有著較高的轉(zhuǎn)速范圍，容易控制。結(jié)構(gòu)簡單，價 格較低，有著很好的經(jīng)濟效益。 伺服電機精度很高，與步進電動機相比伺服電動機不存在失步問題，高速性能好，有 著極好的穩(wěn)定運行的能力，而且其抗過載能力很強，但

24、是其結(jié)構(gòu)復雜，造價高昂。 對比來看雖然伺服電動機的大部分性能要比步進電機好，可是設計一樣產(chǎn)品不是性能 越強就越好，很多時候會造成性能浪費，造成大牛拉小車的現(xiàn)象。步進電動機的結(jié)構(gòu)簡單 價格較低，其性能要求也完全能夠滿足本次設計的需求，所以本次設計選用步進電機作為 機械手的動力裝置。 4. 2.2電動機的選型計算 折算到電機軸上的總慣量為: Je = Jz+Jw 本次設計將會選擇六個電動機，此次將機械手大臂下部的電動作為典型進行選型計算。 本機械手大臂的最大轉(zhuǎn)動慣量為 / _ m(a2+」2)_ 28x(0.12+0.122) _ 允 _ 12 _ 12 10-4化g

25、m2 式4T 計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 通過查表可得聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量為Av = 8 x 10-4^.m2 =3.36 x 10一4 + 8x 10一4 = 11.36 x 10~4kg.m2 取手臂的轉(zhuǎn)速為佑=—,換算過來就是180° = 3S min Me = Mga + M. + Mamax 式 4-3 Mamax代表電機加速加速通過聯(lián)軸器的加速力矩 其中Me代表回轉(zhuǎn)力矩，M”代表機械手啟動和停止時的慣性力矩，Mf代表摩擦力矩 介牛* 式4-4 其中：ta -加速時間，取ta - 3s； ]￡-折算到電機軸上的總慣量，約為11.36 X 10-4*g.m2

26、 八、、皿. 2 x 3.14 x 625 代入數(shù)據(jù)得 Mamax = 11.36 x 10-4 60 x 0.03 =2.47（n.m） 計算啟停時的力矩： Mga =蓿 式 4-5 W代表在電機啟動過程中的角速度變化量，即工作時的角速度 3 =吻 式4_6 =10 （r/min） =1x2 n /60 = 1.047 （rad/s） t-代表手臂在啟停的時間，在本次畢業(yè)設計中取t = 3 （s） n-Mf與Mga的轉(zhuǎn)化系數(shù)：n = 0.85、0.95本次畢業(yè)設計中取兩個轉(zhuǎn)動慣量n = O.85/o但是在選用電機是應該要準確的選用轉(zhuǎn)動慣量，因此把電機最大轉(zhuǎn)矩相對提高。

27、 7（）=扣1彳+ l^2r2 式 4-7 =：x 15 X 0.42 + ：X 15 x 0.42 3 3 =^.iKg.m2 在公式中：mi_X軸手臂不包括氣爪的重量（kg）,本機械手的mi = 15kg； m2_Z軸手臂的質(zhì)量（kg）,本機械手的m2 = 15kg；其中：m1 + m2^臂 的質(zhì)量都作為長桿來計算轉(zhuǎn)動慣量；其中弓七與mi?n2相對應的長度（m）； 將上文數(shù)據(jù)代入得： 9.7 X 1.047 0.3 式4-8 33.853(N.m) 式4-9 峋=崇=碧泊9.827 (N.m) Mf = Mga + Mf + Mamax = 33.85

28、3 + 39.827 + 2.47 = 76.15 (N.m) 手臂電機通過諧波減速器連接轉(zhuǎn)動軸，諧波減速器的傳動比為i = 100 因此 式 4-10 斜.7625 (N.m) a)ip=a)B x i = 1.047 x 100 = 104.7 (rad/s) 式 4-11 上式中：M]p-負載峰值轉(zhuǎn)速(學)，如上面的計算：M* = 0.7625 (N.m) 電動機的功率為： p 一 m T] 0.7625 x 104.7 =2 X 0.8 =199.580 式中：Pm-步進電機的功率(w)； W|p-負載峰值轉(zhuǎn)速(rad/s)； 由前面的計算：WLP =

29、 104.7(rad/s),M/p -負載峰值力矩(N.m) 由前面的計算M也= 0.7625(N.m)；入一計算系數(shù)，其中一-般入=1.5、2.5, 本設計中取入=2； T]-諧波減速器的減速效率，估算為門0.7?0.9,本機械手取門=0.8 1根據(jù)負載峰值力矩＜最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步距角為3。的步進電機90BF003, 其最大靜轉(zhuǎn)矩為1.96N.m滿足要求， 松下電機90BF003的參數(shù)如下所示： 品硬/型號:YIMA/90BF003 麒功率：相數(shù)3 ( kW) W 嵌定電壓:60 (V) V 額定轉(zhuǎn)速：電流5A (rpm ) r/min 外形尺寸:145 ( mm ) m

30、m 產(chǎn)品認證:IS09001-2000 圖4-1 90BF003電機參數(shù) 4. 2.3聯(lián)軸器的驗算 電動機的功率為P = 200W,轉(zhuǎn)速n = 600r/min 公稱轉(zhuǎn)矩：T = 9.55 x 106- = 9.55 x 106 —N.mm = 318(N.mm) 式 4.12 N 600 根據(jù)機械設計14 - 1查得％ = 1.3, 計算的轉(zhuǎn)矩為： Kca = KaT = 1.3 x 318N.mm = 4.138N,m 式 4-11 所以根據(jù)GB4323 - 2002中查得YG1合適用在該電機中 4. 3諧波減速器的設計 4. 3. 1諧波減速器的基本結(jié)構(gòu)

31、諧波減速器主要由三個部分組成，分別為：柔輪、鋼輪和波發(fā)生器⑴【38】。如下圖所示 3 I 2 圖4-1諧波減速器的結(jié)構(gòu)簡圖 1 ■柔輪2 .鋼輪3 .波發(fā)生器 鋼輪是一個圓周上加工有連接孔的剛性內(nèi)齒圈器齒數(shù)一般比柔輪略多兩個或四個 時38】。柔輪有較大的彈性，能夠產(chǎn)生變形，其形狀有水杯型禮帽型和薄餅型，工作時與鋼 輪嚙合。波發(fā)生器是由凸輪和滾子軸承構(gòu)成的1111381,波發(fā)生器分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)，內(nèi)側(cè)是一 個橢圓形的凸輪，外側(cè)是一個有著較大彈性的滾子軸承。 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計(論文) 圖4-2諧波減速器實物圖 1-波發(fā)生器2-柔輪3-鋼輪 4. 3. 2

32、諧波減速器的減速原理 諧波減速器中的三個部件可以任意固定一個，剩下的兩個部件，一個可以作為輸入另 一個即可作為輸出，但固定的部件不同其傳動比亦不相同。鋼輪的內(nèi)齒要比柔輪多兩到四 個齒。波發(fā)生器是橢圓的，裝在柔輪內(nèi)使彈性較大的柔輪發(fā)生變形，變形后橢圓柔輪的長 軸與鋼輪內(nèi)齒嚙合，轉(zhuǎn)動從而達到減速效果。 4. 3. 3波發(fā)生器種類的選擇 波發(fā)生器主要有以下三種結(jié)構(gòu)形式：行星壓輪式，偏心輪式，凸輪式。 圖4-3波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式 這三種形式的波發(fā)生器的形式不一樣，但是其原理都是一樣的，都是使得柔輪產(chǎn)生變 形而去使柔輪和鋼輪嚙合。應偏心輪結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，所以本次設計波發(fā)生器

33、選用偏 心輪式。 4. 3.4柔輪和鋼輪齒數(shù)模數(shù)的確定 由4.2.2可知，本次設計諧波減速器的具體參數(shù)為：傳動比i=10(),輸入轉(zhuǎn)矩為1.96N.m 諧波減速器的鋼輪與機械手的機架固定，波發(fā)生器與步進電機相連接輸入轉(zhuǎn)矩，柔輪 輸出轉(zhuǎn)矩。 傳動比為： Zr i = - ? ? = 100 Abstract This article is mainly to the overall design of multi-joint robot machine and material feeding lathe is a simple repetitive work, its

34、boring, it's easy to let a person feel fatigue work efficiency is not high and even prone to danger, for industrial robots instead of artificial feeding can ensure the safety of the workers, more can improve the work efficiency, reduce artificial cost, improve the economic benefit.Therefore, it i

35、s necessary to research and design industrial robots. The design of this paper has the following points: 1、the overall structure and working principle of the manipulator design.2、Choose the right motor.3、Design the transmission mechanism.4^ Selection of reducer.5. Wrist structure design.6、Check t

36、he strength of each component. Key words: multi-joint manipulator;?ransmission design;Motor selection;The structure design 波發(fā)生器波數(shù)為2,可得： U = Zg — Zr = 2 所以鋼輪柔輪的齒數(shù)為： Zg = 202, Zr = 200 Zg -鋼輪齒數(shù) Zr -柔輪齒數(shù) 目前己有兒種規(guī)格的雙波滾刀，插刀定型生產(chǎn)，其波高(mm) 為 0.4、0.6、1.0、1.5、2.0、 2.5、2.75 等。 本次設計選用波高d = 2.75mm的雙波滾刀，

37、插刀生產(chǎn) 故柔輪鋼輪的模數(shù)為： d m = — = 1.375 2 齒輪廓工作高度/in-?取值為1.3?1.6m 本方案取如=1.5m=2.06mm 4. 3. 5柔輪和鋼輪幾何尺寸的計算 波數(shù)：n = 2 波高：d = 2.5mm 模數(shù):m = 1.375mm 齒距：p = irm = 4.31mm 頂隙：s = 0.125d = 0.3125 分度圓齒厚：St = 0.4375t = 0.4375 x — = 1.17mm n 柔輪的計算： 齒數(shù):Zr = 200 分度圓直徑：dr = mzr = 1.375 x 200mm = 275mm 7 7

38、齒頂圓直徑：dar = dr + —d = 275 + — x 2.5mm = 227.19mm 8 8 9 齒根圓直徑：dfr = dr d = 162.19mm / 8 柔輪的壓力角0廠=29.2° 鋼輪的計算 齒數(shù):Zg = 202 分度圓直徑：dr = mZg = 1.375 x 202mm = 277.75mm _ 7 7 齒頂圓直徑：dag = dg + -d = 277.5 + - x 2.5mm = 279.94mm 8 8 柔輪的壓力角：0g = 28.6。 4. 3. 6柔輪的結(jié)構(gòu)尺寸設計 此次設計柔輪采用杯型結(jié)構(gòu)，如下圖所示: 圖4-4

39、柔輪的結(jié)構(gòu)簡圖 其具體尺寸如下： 柔輪長度： L =（0.7?1.2）—,取 L = 193mm 柔輪的壁厚： hr =（0.01 ?0.0145）.,取九1 = 1.6mm 光滑筒體壁厚： h2 1.1 1.3 =1.6771771 齒圈寬度 b =(pddr -齒寬系數(shù)，一般取0.1~0.2,取代= 0.15 b = 0.15dr = 41.25 取齒圈寬為42. 柔輪內(nèi)徑： drd = dfr — 2九1 = 275mm - 2 x 0.15mm = 274.7mm 4. 3. 6鋼輪的結(jié)構(gòu)設計 鋼輪的結(jié)構(gòu)簡圖如下： 對鋼輪進行選型

40、 機型 b C Be A Ai A2 G Q 32,40 8 2 12 50 44 38 6 3.5 50 14 3 20 70 60 54 6 3.5 60 16 3 22 85 75 67 6 4.5 80 20 3 26 110 100 90 6 5.5 100 25 4 33 135 120 110 6 6.6 120 30 4 38 170 150 135 6 9 160 40 5 50 215 195 177 6 11 200 50

41、6 62 265 240 218 6 11 250 60 6 72 330 290 272 6 14 圖4-6鋼輪的型號 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的要求，選擇250號鋼輪 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 4. 3. 7波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設計 本次波發(fā)生器設計采用偏心圓盤式的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如下 圖4-7偏心盤式波發(fā)生器結(jié)構(gòu) 具體參數(shù)如下： 包角： 26 = 60。?70。，取 P = 30° 偏心距： e =（2.3?3.6）,取 e = 3mm 偏心盤直徑： Dp = d + 2 （co。一 e） + △, △為偏心圓盤軸承徑向間隙

42、，取小=0.03mm Dp = 156mm 4. 3. 8柔輪疲勞強度的運算 應力狀態(tài)柔輪的安全系數(shù)： S = > 1.5 （$澄 + 丫度）°'5 S,= 、玲 + 0.2Tm &溫 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） Zr，分別表示正應力的應力幅及平均應力幅 玲,Zm一分別表示切應力的應力幅及平均應力幅 S。一正應力安全系數(shù) Sr—切應力安全系數(shù) = 0.55b_i Yz計算軸向應力影響的系數(shù)，i般 偷一正應力應力集中系數(shù) 虬一切應力應力集中系數(shù)，匕= （0.7?0.9）& 將各數(shù)值代入計算得： 島=*捉5 Sr = = 4.132

43、 虬Ta + 0?2以 S（y + Sr S = = 1.9 > 1.5 ? 2 05 （S/+YzS*） 滿足疲勞強度需求。 4.7本章小結(jié) 本章主要對諧波減速器的內(nèi)部的三個主要結(jié)構(gòu)進行設計對其尺寸進行計算，并對其進行疲 勞強度校核。 參考文獻 [1] 杜祥瑛.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991:52-57P. [2] 曲道奎張念哲.機械手技術(shù)的新進展[EB] [3] 羅輯，杜柳青，袁冬梅，曾宇丹.機電一體化技術(shù)在機械工程上的應用及發(fā)展趨勢 [J].機床與液壓，2006, 9(1)： 25-28P. [4] 卞正崗.動化技術(shù)和機電一體化技

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47、京：中國水利水電出版社,2004： 33-39P. [20] [日]三浦宏文.機電一體化實用手冊[M].北京:科學出版社，2001： 169-188. [21] 成大先.機械設計手冊國].北京：化學工業(yè)出版社，2004： 466-572P. [22] 商大中.理論力學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007： 122-132P. [23] 劉艷磊，張建中.大學物理教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010： 51-67P. [24] 楊在林.工程力學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010： 13-24P. [25] 武清璽，許慶春，趙引.動力學基礎[M].江蘇：河海

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50、C應用[M].電子工業(yè)出版社,2015. 1. [38] 龔仲華.工業(yè)機器人從入門到應用國].北京：機械工業(yè)出版社，2016.3 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 致謝 本次畢業(yè)設計涉及的全部內(nèi)容是在指導老師的悉心指導下完成的。感謝老師給我提供 了良好的課題條件，讓我從這次設計中得到了很好的鍛煉。同時也為我講解了不少難題， 在此特別感謝。老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、平易近人的作風和認真負責的工作態(tài) 度讓我們受益非淺。從老師處我們學到了許多的專業(yè)知識和相關的設計方法。在此，謹向 恩師表示最真誠的感謝。感謝他在百忙中給予我們的指導。當然還有本院其他老師的指導。 在此我

51、向各位給予我指導的老師表示忠心的感謝和致敬。 在此論文最終完成之際，向所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友表示深深感謝！ 首先感謝學院和學院的領導和老師對我的關心和幫助，感謝他們?yōu)槲姨峁┍憷臈l件，使 我的畢業(yè)設計能順利完成。 同時，我要衷心感老師，從畢業(yè)設計的開始到畢業(yè)論文的最終定稿，在此期間老師給 了我細心的指導和幫助，老師淵博的知識、誠懇的為人、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度深深感染了我， 讓我終生受用。在此，我向我的指導老師致以誠摯的謝意和深深的敬意。 此外，在我撰寫論文期間，還得到了同學們的支持和鼓勵，每當我遇到困難進行不下 去的時候，他們都能耐心細致地給我講解，幫助我度過了一個又一

52、個難關我的畢業(yè)設計和 論文才得以順利地進行，在此我衷心地對他們說聲：“謝謝”。 在此謹向各位評審老師致謝！ 目錄 摘 要 II ABSTRACT Ill 目錄 IV 1緒論 1 1.1研究背景以及意義 1 1.2機械手在國內(nèi)外的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 2 1.2. 1機械手在國內(nèi)的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 2 1.2.2機械手在國外的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 2 13本論文設計的方向和思路 3 2機械手的概述 4 2. 1機械手的定義 4 2.2機械手的原理 4 2.3機械手的結(jié)構(gòu) 4 2.4機械手的工作特點 5 2.5機械手類型的選擇 6 2. 6本章小結(jié) 7 3機械手的機

53、械設計部分 8 3. 1本體結(jié)構(gòu)布局設計 8 3. 2機械手各部件的結(jié)構(gòu)設計 9 3. 2. 1機械手機座機構(gòu) 9 3.2.2機械手大臂 12 3.2.3機械手Z軸與X軸的連接塊 16 3. 2.4機械手X軸手臂部分 16 3. 2. 5機械手手腕部分 17 3. 3本章小結(jié) 18 4機械手的驅(qū)動控制部分 19 4. 1各關節(jié)驅(qū)動傳動方案確定 19 4. 1. 1減速傳動方案的確定 23 4. 3. 2驅(qū)動方案的確定 錯誤!未定義書簽。 4.2諧波減速器減速驅(qū)動 錯誤!未定義書簽。 4.3聯(lián)軸器的選擇 錯誤!未定義書簽。 4.4電動機的選型 28 4.4. 1

54、手臂電機選型 錯誤!未定義書簽。 4.4.2聯(lián)軸器的驗算 21 4.5底座電機的選型 錯誤!未定義書簽。 4.6底座齒輪傳動設計和校核 錯誤!未定義書簽。 4.7本章小結(jié) 28 5基于UG機械手仿真 錯誤!未定義書簽。 29 參考文獻 致謝 31 1.1研究背景以及意義 21世紀是高度信息化的時代，而制造業(yè)也不例外，工業(yè)機器人與工業(yè)自動化的發(fā)展和 需求息息相關，工業(yè)機器人已經(jīng)運用到了制造業(yè)的各個領域，給人們的生活帶來翻天覆地 的變化。 自1962年美國制造了第一臺工業(yè)機器人，人們對工業(yè)機器人的探索就從未停止，經(jīng)過 多年的發(fā)

55、展，工業(yè)機器人變得更加靈活和具有更多樣化的功能，能夠很好的適應生產(chǎn)線的 工作，工業(yè)機器人是生產(chǎn)線十分常見的自動化設備，代替了繁重枯燥的重復性勞動，增加 了工作效率，減輕了工人的勞動強度，對生產(chǎn)經(jīng)營活動有著重大的影響。因工業(yè)機器人有 著人們所不具有的特殊性，工業(yè)機器人可以在一些惡劣的環(huán)境下進行高強度工作，亦可不 受時間影響所以其優(yōu)越特性使人們將工業(yè)機器人運用在了各個領域，也極大地使機器人在 各大領域中得到很好的發(fā)展和應用。 我國是當今世界上制造業(yè)最為發(fā)達的國家，隨著社會的發(fā)展，人口老齡化勞動力不足 的問題開始在我們國家出現(xiàn)，而發(fā)展自動化，使用機器人來代替人工的勞動變得不可或缺，

56、機械手在操作精度方面亦大大超越人類，是人們不可企及的，使用機器人亦有助于提高產(chǎn) 品的質(zhì)量，提高工作效率，降低人力成本，使企業(yè)的利潤大大提升，百利而無一害，自動 化的發(fā)展才是我們國家制造業(yè)發(fā)展的未來。 工業(yè)機器人亦能夠在人們難以忍受的環(huán)境下無障礙地工作，工業(yè)機器人的程序是預設 好的，所以不需要燈光，能夠給企業(yè)省下很多的資源，工業(yè)機器人還可以在高危險的環(huán)境 下工作，在焊接，噴涂作業(yè)等作業(yè)中有著巨大的作用。 在需要大量人力和重復性勞動中工業(yè)機器人亦發(fā)揮著重大的作用，例如：碼垛機器人， 它有著無可比擬的優(yōu)勢，不僅比人力更加的快捷，而且工業(yè)機器人的出錯率會更低。 正是因為工業(yè)機器人相對于

57、人力來說有著眾多無可比擬的優(yōu)越性，所以工業(yè)機器人的 發(fā)展前景一片大好，研充和設計工業(yè)機器人亦有著很重大的意義，我們國家想要產(chǎn)業(yè)升級， 發(fā)展的更快的話，大力發(fā)展工業(yè)機器人是個絕對正確的選擇。 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計(論文) 1.2機械手在國內(nèi)外的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 1.2.1機械手在國內(nèi)的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 我國的工業(yè)機器人在20世紀70年代初期起步，發(fā)展到現(xiàn)在國內(nèi)研發(fā)出了一大批具有 優(yōu)秀性能的工業(yè)機器人，如切料機器人、點焊機器人、搬運機器人、上料機器人等等。國 家對高新科技的發(fā)展也十分重視2015年5月19 S,國務院發(fā)布了《中國制造2025》計劃， 該規(guī)劃指出，為了加

58、快智能化自動化產(chǎn)品的開發(fā)。提高國家的科技水平實力，有必要研發(fā) 出具有較高人機交互功能的智能機器人，使工業(yè)機器人更廣泛地應用在制造業(yè)領域和高端 研發(fā)領域。2016年5月4日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會以及財政部聯(lián)合印 發(fā)《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》為國內(nèi)機器人的發(fā)展指明了方向?，F(xiàn)階段隨著 5G技術(shù)和AI技術(shù)的發(fā)展工業(yè)機器人的性能將會更加強大，在國內(nèi)科技高速發(fā)展的和政策 扶持的沃土上工業(yè)機器人的發(fā)展前景無可估量，即使現(xiàn)在國內(nèi)機器人的應用和發(fā)展還比不 上發(fā)達國家，但有國內(nèi)技術(shù)、大量的人才儲備和政策的扶持國內(nèi)的工業(yè)機器人亦會奮起直 追，達到世界領先水平。 1

59、.2.2機械手在國外的發(fā)展以及研究現(xiàn)狀 自1985年，美國的聯(lián)合控制公司研制了第一款機械手UNIMATE,工業(yè)機器人的發(fā)展 就從未停歇，經(jīng)過50多年的發(fā)展，世界各國對工業(yè)機器人的研究開發(fā)日益成熟。目前工業(yè) 機器人發(fā)展較為先進的國家有：美國、德國、法國和日本，其中美國在工業(yè)機器人的研究 當中一直處于國際領先地位。進入20世紀后，世界上的各個工業(yè)強國都意識到機器人在未 來各個領域的發(fā)展有著及其重大的作用，各個工業(yè)強國都制定了相應的計劃和戰(zhàn)略，德國 提出了 “工業(yè)4.0”的發(fā)展戰(zhàn)略，這個戰(zhàn)略得到了外界的強烈的反響“工業(yè)4.0”也成為了 德國生產(chǎn)力的一個標簽，這個概念在全球范圍內(nèi)掀起了一

60、輪工業(yè)轉(zhuǎn)型的狂潮，美國在2011 年推出了 “先進制造伙伴計劃”，2014年美國互聯(lián)網(wǎng)巨頭和傳統(tǒng)制造業(yè)聯(lián)手成立了 “工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)同盟”，2012年韓國推出了 “機器人未來戰(zhàn)略展望2022”期望增強韓國機器人產(chǎn)業(yè) 實力，2013年日本提出了 “日本產(chǎn)業(yè)重振計劃”以期待能夠通過設備和研發(fā)來重振制造業(yè), “火花”由歐盟提出，目的是研發(fā)明用機器人。 美國工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機器人是由美國率先研發(fā)的，當時的美國并不很重視工業(yè)機器人的實際應用。 廣東技術(shù)師范大學天河學院畢業(yè)設計（論文） 1980年后，政府開始重視工業(yè)機器人在制造業(yè)中的應用，高端技術(shù)在美國一直有著深厚的 積累，加上

61、政府的鼓勵投資，使得美國的工業(yè)機器人能夠快速發(fā)展，并占有著全球市場， 現(xiàn)階段比較優(yōu)秀的工業(yè)機器人公司有愛德普機器人公司 日本工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 日本工業(yè)機器人的發(fā)展要比美國晚上幾年，但是其發(fā)展毫不遜色。由于日本的特殊 國情，缺乏勞動力，使得工業(yè)機器人在日本的各個領域飛速發(fā)展，日本對工業(yè)機器人的發(fā) 展有著舉足輕重的地位，日本有眾多優(yōu)秀機器人公司例如：安川電機、發(fā)那科、川崎重工 業(yè)，那智公司，日本有著強大的工業(yè)體系，工業(yè)機器人的關鍵零部件都能夠生產(chǎn)，使得日 本擁有著世界第一的工業(yè)機器人產(chǎn)量及安裝量，而且日本也是工業(yè)機器人的主要零部件的 供應國，為工業(yè)機器人的發(fā)展做出了巨大的貢獻，

62、也為自己創(chuàng)造了巨大的利潤。 德國工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 德國工業(yè)機器人的發(fā)展亦是和其當時的基本國情密切相關的，德國的勞動力短缺使 得政府更加重視和發(fā)展工業(yè)機器人，為機器人的發(fā)展應用提供了有力的條件，此外德國規(guī) 定一些有毒、危險、有害環(huán)境的崗位必須要以機器人來代替人來操作，這使得工業(yè)機器人 很快在的國發(fā)展起來，德國的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略使得德國的工業(yè)機器人更加具有發(fā)展前景, 德國的工業(yè)機器人在國際市場上也具有著重要的地位，在國際上比較有競爭力的公司有庫 卡公司。 1.3本論文設計的方向和思路 設計的機械手內(nèi)部傳動系統(tǒng)中的傳動方式主要以齒輪傳動方式為主，其運動形式為關 節(jié)式，包括機

63、身的旋轉(zhuǎn)運動、大臂以及小臂的轉(zhuǎn)動以及手腕的轉(zhuǎn)動。本設計的機床上料多 關節(jié)機械手外形尺寸值為：高1000mm、寬650mni、長450mm,重約為28kg；具體的要求如 下所示： 1、 了解機械手的原理、結(jié)構(gòu)和工作特點，最終完成總體方案的設計； 2、 對總體設計包括機械設計部分和控制驅(qū)動裝置設計； 3、 要求結(jié)構(gòu)整體緊湊，機械手內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳動效率高且傳動過程平穩(wěn)； 4、 用ug建立一個三維模型，并在相關軟件下完成運動的工作仿真分析。 研究思路：了解機械手實際應用中的意義和該類機械手的發(fā)展現(xiàn)狀，對6個自由度小 型機械手的原理、構(gòu)造、運動軌跡有全面的認識，以及控制系統(tǒng)設計和總體配置。深入了 解和分析本課題，選擇一個方便、穩(wěn)定、安全、高效的方案，可應用于實際批量生產(chǎn)中， 完成機械手爪的設計。