商 丘
工學(xué)院
2015-JXLW
專(zhuān)業(yè)代碼-編號(hào)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
吸盤(pán)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
學(xué) 院
小三號(hào)黑體居中（下同）
專(zhuān) 業(yè)
學(xué) 號(hào)
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
提交日期
年 月 日
誠(chéng) 信 承 諾 書(shū)
本人鄭重承諾和聲明:
我承諾在畢業(yè)論文撰寫(xiě)過(guò)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)論文(設(shè)計(jì))中均系本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成,沒(méi)有剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果,沒(méi)有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點(diǎn)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)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：
年 月 日
摘要
機(jī)械手技術(shù)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，吸盤(pán)抓取機(jī)械手成為一個(gè)領(lǐng)先的研究課題，目前應(yīng)用在不同領(lǐng)域，如機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，生物學(xué)和計(jì)算機(jī)，知識(shí)等諸多領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)械接頭端的設(shè)計(jì)，機(jī)械手也導(dǎo)致了這些學(xué)科的發(fā)展。關(guān)節(jié)型機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文采用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，并完成圖紙和零件圖總裝配圖。為機(jī)械手模型的要求被分析以估計(jì)的每個(gè)關(guān)節(jié)，充分的選擇電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩和功率。完成關(guān)節(jié)型機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型操盤(pán)分析，檢查，分析機(jī)械手模型，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)機(jī)械手模型做的過(guò)程中強(qiáng)度的關(guān)鍵部件，繪制2D圖，3D圖，完整的運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手，電機(jī)
3
Abstract
Robot technology is a mechanical and electrical integration products, sucker crawling robot into a leading research, the current application in different fields, such as machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology and computer knowledge, and many other developments in the field of mechanical coupling end design, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronic products, a hot process more articulation arm movement more areas of collaborative research. Many disciplines mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer, but the development of its multi-agency convergence desired combination therapy also led to the development of these disciplines.
In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. To require the robot model is analyzed to estimate each joint, full selection of the desired motor torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, kinematics model Trader analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production of the robot model the process of doing strength drawn 2D drawings, 3D maps, complete Motion Simulation.
Key Words： arm, structural design, mechanical hand sucker joints, motor
目 錄
1 緒論 1
1.1引言 1
1.2 吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況 2
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.3 吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手工程概述 5
2.2 工業(yè)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 5
2.3 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 6
2.4 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 7
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 10
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 10
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.3 大臂電機(jī)及傳動(dòng)齒輪選型 11
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.1 腕部設(shè)計(jì) 15
4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 15
4.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 21
4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.3 小臂電機(jī)選型 23
4.4 傳動(dòng)選擇 23
4.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 27
4.6 軸的受力分析及計(jì)算 28
4.7 軸承的壽命校核 28
4.9 軸的強(qiáng)度校核 29
4.10 各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核 30
5 機(jī)身設(shè)計(jì) 31
5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 31
5.1.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 31
5.1.2 確定各軸傳動(dòng)比 33
5.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 33
5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 35
5.2.1 高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 35
5.2.2 低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 39
5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 42
5.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 42
5.3.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 44
5.3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 46
5.4 軸承的校核 48
5.4.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 48
5.4.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 49
5.4.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)算 50
5.5 鍵的選擇和校核 51
5.5.1 鍵的選擇 51
5.5.2 鍵的校核 51
5.6 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 52
5.6.1 機(jī)身箱體材料的選擇 52
5.6.2 機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝 52
總結(jié)與展望 53
致 謝 54
參考文獻(xiàn) 55
1 緒論
1 緒論
1.1引言
關(guān)節(jié)型機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，工藝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)熱點(diǎn)手臂運(yùn)動(dòng)更多的領(lǐng)域進(jìn)行合作研究。機(jī)械，電子，信息理論，人工智能，知識(shí)和生物和計(jì)算機(jī)許多學(xué)科，但其發(fā)展的多機(jī)構(gòu)銜接所需組合治療也促成了這些學(xué)科的發(fā)展。多臂關(guān)節(jié)領(lǐng)導(dǎo)的多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)。
1959年成為世界上第一個(gè)工業(yè)多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)的誕生，創(chuàng)造發(fā)展胳膊的新時(shí)代的多關(guān)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)研究部門(mén)的應(yīng)用多聯(lián)快速發(fā)展。加藤一郎，日本早稻田大學(xué)手臂關(guān)節(jié)和更多的世界知名專(zhuān)家，教授說(shuō)：“一個(gè)很大的特點(diǎn)，多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有工作?！钡姆绞绞牵谧詣?dòng)化程度高的，電力系統(tǒng)更復(fù)雜。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“神造人的兩條腿是最美麗的杰作?！痹撓到y(tǒng)具有豐富的動(dòng)態(tài)環(huán)境的要求非常低，無(wú)論是在地面上，而且在非結(jié)構(gòu)化地形復(fù)雜，適應(yīng)性良好的環(huán)境狀態(tài)。為了延長(zhǎng)多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的功能和應(yīng)用開(kāi)辟無(wú)限廣闊的發(fā)展前景。
研究關(guān)節(jié)型機(jī)器人的原因和目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：機(jī)構(gòu)的發(fā)展，使他們對(duì)結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性的工作，許多圈子，而不是個(gè)人或更新和人類(lèi)活動(dòng)的領(lǐng)域擴(kuò)展;希望更多的人有一個(gè)內(nèi)在的理解和認(rèn)識(shí)，并使用這些功能對(duì)個(gè)人服務(wù)，如假肢。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與在此領(lǐng)域豐富的研究，其研究和臂運(yùn)動(dòng)更加危險(xiǎn)的機(jī)器的擴(kuò)展，多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)可以作為一個(gè)多關(guān)節(jié)臂的移動(dòng)智能播放在人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要的角色。
多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)的定義，世界上唯一的格式是不一樣的。手臂運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)與更多的企業(yè)的聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化最近在他的手臂采用了國(guó)際對(duì)美國(guó)帶來(lái)的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的定義：操作臂多聯(lián)合演習(xí)是一個(gè)多功能可編程的操作系統(tǒng)，你可以改變?cè)摮绦虻牟僮魍瓿筛鞣N各樣的工作，尤其是對(duì)物料輸送，傳動(dòng)部件。參照國(guó)際定義，和語(yǔ)言的組合的中國(guó)多臂關(guān)節(jié)的定義如下：
機(jī)械手的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)獨(dú)立的行動(dòng)，更自由，靈活地改變程序，它可以放置在任何地方，自動(dòng)化程度高的機(jī)器的自動(dòng)化。汽車(chē)油漆或其他涂料行業(yè)鉸接多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)E'可用。
多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)臂高剛性臂，與其它可能的相比，必須要快，能夠進(jìn)行重的東西，且精度非常高，可以基于外部信號(hào)，各種自動(dòng)操作的。
處理的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)可編程的自動(dòng)控制裝置的控制下。使用的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)操作臂是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和工作的生產(chǎn)率，生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，改善了工作條件，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度的有效手段。誕生和多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，雖然只有30歲，但已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)，民間的技術(shù)，應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
人類(lèi)和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理的第一個(gè)系統(tǒng)研究是邁布里奇發(fā)明了照相機(jī)跟單，即設(shè)定的觸發(fā)相機(jī)的電源，并在1877年他成功地參加了四足和連續(xù)運(yùn)行的許多照片。后來(lái)，這種方法使用的相機(jī)是用來(lái)研究人體運(yùn)動(dòng)Demeny。從1930年到1950年，蘇聯(lián)也伯恩斯坦從深入人類(lèi)和動(dòng)物研究的生物動(dòng)力機(jī)制的角度看，并提出??的議案非常形象化的描述。
真正研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)全面，系統(tǒng)于1960年推出至今，聯(lián)合多月的手臂比較完整的理論體系只有形成，并在一些國(guó)家，如日本，美國(guó)和“蘇聯(lián)已成功開(kāi)發(fā)出可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的，多臂樞軸原型。在這一節(jié)中，我們介紹了1960年至1985年期間，臂多關(guān)節(jié)實(shí)地達(dá)到的運(yùn)動(dòng)的最重要的進(jìn)展的團(tuán)隊(duì)。
在20世紀(jì)60年代和70年代，武裝多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制理論產(chǎn)生三種類(lèi)型的控制方法是非常重要的，這限制了國(guó)家控制，控制參考模型和控制算法。這三種控制的方法對(duì)所有類(lèi)型的吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手都是適用的。國(guó)家控制是通過(guò)在1961年提出的模型的參考檢查于1975年由美國(guó)法恩斯沃思南斯拉夫托莫維奇限制，該算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊爾?羅多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)專(zhuān)家鮑賓控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有這三種類(lèi)型的控制方法之間的內(nèi)在關(guān)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)控制參考模型，并且該控制算法是這種情況[1]的中心。
在搜索步態(tài)，蘇聯(lián)Bessonov和Umnov定義“最佳步態(tài)”，Kugushev和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)胳膊多條腿多企業(yè)的動(dòng)向。在這些中，對(duì)于自由路徑的步驟的條件的規(guī)則。如果地形是非常粗糙的，所以運(yùn)動(dòng)臂多關(guān)節(jié)，下一步應(yīng)放在哪里腳不能基于對(duì)步驟序列來(lái)加以考慮，但應(yīng)通過(guò)步驟以便攀登者去步驟通過(guò)一些優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定哪個(gè)是所謂的自由速度。
穩(wěn)定性研究手臂動(dòng)作的多關(guān)節(jié)，美國(guó)Hemami，該提議的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的控制的簡(jiǎn)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(wèn)題的向前運(yùn)動(dòng)。此外，減少了控制的考慮，Hemami，誰(shuí)也研究手臂運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)“減少型”問(wèn)題的復(fù)雜性進(jìn)行了研究。
此前我們指出了系統(tǒng)的Vukobratovic還人形能量分析，但它的力量是有限的關(guān)節(jié)和隨時(shí)間的整個(gè)系統(tǒng)的變化，并沒(méi)有太多涉及這個(gè)問(wèn)題的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一個(gè)有用的結(jié)論，即平滑的姿態(tài)，類(lèi)人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)前機(jī)器人起步較晚，我國(guó)自1980年以來(lái)，在體育領(lǐng)域的多臂共同研究和應(yīng)用。 1986年，國(guó)家啟動(dòng)了“規(guī)劃綱要”的研究多動(dòng)關(guān)節(jié)臂，中國(guó)的高科技“863”水平運(yùn)動(dòng)臂包括于1987年。目前聯(lián)合研發(fā)，中國(guó)移動(dòng)手臂多企業(yè)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用單位主要與高校和科研院所。初步調(diào)查多關(guān)節(jié)型機(jī)器人技術(shù)的主要目的是更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)跟蹤國(guó)際風(fēng)險(xiǎn)手臂的運(yùn)動(dòng)，然后取得了一些成績(jī)。
1986年哈爾濱工業(yè)大學(xué)，他開(kāi)始研究最為關(guān)節(jié)臂，腳靜手臂運(yùn)動(dòng)HIT-I和110厘米高，體重70千克多的企業(yè)，率先成功開(kāi)發(fā)進(jìn)度有10個(gè)自由度，以到達(dá)地面上的線，左，右，以及運(yùn)動(dòng)，上下樓梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量為42千克，長(zhǎng)度103厘米，它是12個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)步驟每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在開(kāi)發(fā)第四樂(lè)章的下一個(gè)多關(guān)節(jié)臂，身體52度的自由，這是一個(gè)偉大的運(yùn)動(dòng)和速度的平衡三臂，多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[3-7]。
在1988年春國(guó)防科技大學(xué)成功具有六個(gè)自由度的平面雙足運(yùn)動(dòng)臂多關(guān)節(jié)KDW-1，可以向前，向后和上下樓梯，每秒40厘米，四步開(kāi)發(fā)的最大速度，在1989年今年的步伐，我們開(kāi)發(fā)了一種空間KDW-II，具有10個(gè)自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的來(lái)回，上下樓梯和周?chē)慕o態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。 1990年兩縱縫互聯(lián)網(wǎng)KDW-II，在KDW-Ⅲ開(kāi)發(fā)的，有12個(gè)自由度，并添加函數(shù)曲線，以獲得完整的測(cè)試環(huán)境。 1995年在步驟20厘米0.8秒?22厘米，13度的最大角度動(dòng)態(tài)的步伐。 2000年KDW-III中國(guó)的第一個(gè)人形的手臂的“排頭兵”的成功結(jié)束的發(fā)展的基礎(chǔ)上，在一個(gè)不確定的環(huán)境下微小的變化動(dòng)態(tài)每秒，兩步周期，1.4男，為20 kg的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作，有頭，眼睛，頸部，身體，手臂，腳，和一定程度的語(yǔ)言功能[8-13]中。
此外，清華大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一個(gè)人形的手臂培育更多升學(xué)銜接THBIP-I，高七米，體重130千克，32自由度的支持清華大學(xué)985項(xiàng)目，該項(xiàng)目是。南京航空航天大學(xué)有八個(gè)自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)間隙靜態(tài)函數(shù)[13,14]的發(fā)展。
本文從“首屆全國(guó)研究生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”多關(guān)節(jié)手臂動(dòng)作。此時(shí)，單臂，多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)通常在車(chē)輪的形式是為了實(shí)現(xiàn)功能相。事實(shí)上，模仿人類(lèi)行走手臂和腿部的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作并不多，但也有六條腿，已經(jīng)出現(xiàn)四腿臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，但多關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)尚不多見(jiàn)。我們的問(wèn)題，簡(jiǎn)單地探索設(shè)計(jì)巧妙的機(jī)械設(shè)備和簡(jiǎn)單的控制來(lái)模擬人的手臂的多關(guān)節(jié)的動(dòng)作。子功能是：替代大步，搖搖頭，擺動(dòng)手臂，擺臂。
1.3 吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人和部分整體關(guān)系的概述：
它主要由機(jī)械系統(tǒng)（執(zhí)行系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)），探測(cè)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。
（1）執(zhí)行系統(tǒng)：公用部分的執(zhí)行系統(tǒng)管理部門(mén)，機(jī)械零件最全面的定義，以必要的各種運(yùn)動(dòng)，包括手，手腕，來(lái)獲得身體。
1.末端執(zhí)行用于執(zhí)行，并且配置的工作直接涂漆。
2.手腕，手和連接元件的臂，具有安排作為任務(wù)或工作的端部的方向的改變。
3.臂和連接基團(tuán)的手的手臂，手腕支撐體時(shí)，執(zhí)行負(fù)荷管理塊，手的空間位置，臂操作空間的變化滿足多個(gè)關(guān)節(jié)，在基座的任何類(lèi)型的動(dòng)力傳輸。
D：機(jī)身，多鉸接臂基部，支撐輥，由臂部件支承，并具有使所述臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，起重或傾斜運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：提供電力的各種組件的系統(tǒng)是活動(dòng)的，以及供應(yīng)單元設(shè)備。通用機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)和電氣，氣動(dòng)，電動(dòng)。
（3）操作系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的根據(jù)工作，故障報(bào)警或錯(cuò)誤的信號(hào)的要求執(zhí)行。
（4）檢測(cè)系統(tǒng)：經(jīng)由各種傳感裝置，控制器官運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，保證作用，如果有的話反饋到控制系統(tǒng)相對(duì)于該組的運(yùn)動(dòng)的要求。
實(shí)踐證明，該小組可以取代繁重的體力勞動(dòng)的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，顯著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化。經(jīng)常處理和工業(yè)生產(chǎn)在長(zhǎng)期內(nèi)往往體積龐大件，單調(diào)的操作，單臂，多聯(lián)合演習(xí)是有效的。此外，它可在高溫，低溫，深水，宇宙，環(huán)境條件和其他有毒放射性污染進(jìn)行操作，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景[4-8]。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手工程概述
吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手是一個(gè)技術(shù)集成的跨學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)器，機(jī)制，機(jī)械，氣動(dòng)，液壓技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域。在科人得到有效解決組合問(wèn)題綜合工程被稱為“系統(tǒng)工程”。手臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，例如，系統(tǒng)工程，應(yīng)作為一個(gè)綜合的方法來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)外關(guān)系的系統(tǒng)，并從整個(gè)有機(jī)聯(lián)系的手臂運(yùn)動(dòng)環(huán)境的研究，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部部分多接頭。
從復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，包括一定的規(guī)則的功能系統(tǒng)結(jié)合多個(gè)子系統(tǒng)，它是一個(gè)不可分割的整體。如果你失去了開(kāi)放的系統(tǒng)，可根據(jù)特定的一組。因此，在一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，概念啟動(dòng)機(jī)器，系統(tǒng)必須具有以下特征：
（1）機(jī)械系統(tǒng)完整的完整性機(jī)械系統(tǒng)由幾個(gè)子系統(tǒng)具有不同的整體性能應(yīng)具有的特定功能。
（2）作用的子系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系，包括有機(jī)，相互關(guān)聯(lián)的。
（3）每個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)必須具有明確的目標(biāo)和系統(tǒng)的功能，結(jié)構(gòu)，功能，目標(biāo)和手段，決策系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。
（4）系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是適應(yīng)環(huán)境在某些情況下，我們必須能夠適應(yīng)變化的外部環(huán)境中。
所以，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，不僅要注意關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部件的整個(gè)多部件設(shè)計(jì)臂應(yīng)根據(jù)視工程系統(tǒng)的角度來(lái)看，這取決于一個(gè)單一的多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的功能要求，子系統(tǒng)，多臂關(guān)節(jié)，合理，產(chǎn)品的性能，需要在多關(guān)節(jié)臂的動(dòng)作的作業(yè)的所有組件。一般來(lái)說(shuō)，最復(fù)雜的行業(yè)手臂關(guān)節(jié)如下：在操作機(jī)器，是最大的，單臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的任務(wù)，其中包括基地，手臂，手腕，副作用機(jī)構(gòu)。傳輸系統(tǒng)，其中包括幾個(gè)傳輸零點(diǎn)電源，控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)包括電子控制裝置的操作，記憶功能（計(jì)算機(jī)或其它版本控制裝置可編程），操作員接口裝置（鍵盤(pán)，學(xué)習(xí)盒等），數(shù)據(jù)處理裝置和各種傳感器，放大離線傳輸，傳感器編程接口設(shè)備通??信的I / O 14]內(nèi)部和外部傳感器和其他設(shè)備（一般或特別。
特征行業(yè)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是普遍的調(diào)整，靈活的臂工業(yè)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的發(fā)送處理單元組件或材料或其它柔性制造系統(tǒng)（例如，機(jī)床，鍛壓，吸附，裝配等生產(chǎn)設(shè)備），輔助設(shè)備，控制系統(tǒng)，多關(guān)節(jié)臂運(yùn)動(dòng)，各種不同形式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組建多聯(lián)技術(shù)工藝機(jī)械行業(yè)其他生產(chǎn)部門(mén)。生產(chǎn)，如建筑，開(kāi)采，生產(chǎn)和輸送臂移動(dòng)多關(guān)節(jié)是參考系統(tǒng)。
2.2 工業(yè)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述
（一）確定負(fù)載
目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)用運(yùn)動(dòng)的多關(guān)節(jié)臂，負(fù)載能力，最小額定負(fù)載5N或更小范圍很大，最多的為9000N。這篇文章5公斤載荷。
負(fù)載的大小主要取決于由于運(yùn)動(dòng)的沿的作用力和夫婦的機(jī)械接口上的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)的方向。其中下臂應(yīng)該包括端部執(zhí)行器的更關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（重量），和工件的重量或處理對(duì)象接縫預(yù)定速度和加速度的條件下，產(chǎn)生的慣性力等。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)參考設(shè)計(jì)初步估算表明，這一項(xiàng)目可能屬于一個(gè)小負(fù)荷。
（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于伺服電機(jī)具有良好的控制性能，檢查的靈活性，允許速度，位置，環(huán)境，體積小，效率高，適用于更為苛刻的運(yùn)動(dòng)控制沒(méi)有影響的精確控制小臂運(yùn)動(dòng)多企業(yè)等特點(diǎn)，因此，該項(xiàng)目采用的是伺服電機(jī)。
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)臂多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以緊湊，重量輕，慣性小，傳動(dòng)鏈條應(yīng)考慮采取措施縮小差距，提高手臂多的移動(dòng)和位置創(chuàng)業(yè)精密運(yùn)動(dòng)控制。臂傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)多關(guān)節(jié)通常使用齒輪，蝸桿，滾珠絲杠，皮帶，鏈條傳動(dòng)，行星齒輪，傳動(dòng)齒輪和諧波鋼等，由于傳動(dòng)齒輪具有效率高，準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，與大學(xué)學(xué)習(xí)和掌握更扎實(shí)的傳輸，所以這個(gè)設(shè)計(jì)選擇的旅行。
（四）工作范圍
操作過(guò)程中的工業(yè)手臂動(dòng)作的工作范圍是多關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)取決于所述扇區(qū)的操作領(lǐng)域和確定的軌跡，用表示的工作空間。形狀和有關(guān)該結(jié)構(gòu)的工作空間的大小坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的多吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手，其大小和在數(shù)量和程度每個(gè)臂的自由操縱器公共軸線的長(zhǎng)度的變化程度和所選擇的關(guān)節(jié)軸的每個(gè)角的
（五）運(yùn)動(dòng)速度
每個(gè)鉸接機(jī)械臂更堅(jiān)定的臂的最大行程，按照循環(huán)時(shí)間來(lái)確定每個(gè)操作的時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，可以進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的速度，單位為米/秒（°）/ s的，時(shí)間每個(gè)運(yùn)動(dòng)分配考慮在順序地或同時(shí)地等進(jìn)行許多因素，如每個(gè)操作序列之間的周期的總時(shí)間長(zhǎng)度。表做他們的操作時(shí)間，操作時(shí)間分配之外的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，以考慮分配請(qǐng)求有關(guān)的過(guò)程，它也必須考慮慣性的行程的大小和驅(qū)動(dòng)和控制，定位和精度要求。
2.3 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理
該吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖2.1
圖2.1 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手本體組成
各部分部件的作用??：
基座：
基座構(gòu)件包括底座，齒輪，軸承，步進(jìn)電機(jī)。的基本作用是一個(gè)構(gòu)件，支撐構(gòu)件和支撐所述樞轉(zhuǎn)臂，支撐比基片的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)和行李的工作壓力的重量必須具有足夠的強(qiáng)度，剛度和承載能力。此外，圖書(shū)館還需要綽綽有余了實(shí)質(zhì)性的安裝基礎(chǔ)，以確保輸送臂在工作場(chǎng)所和穩(wěn)定運(yùn)行聯(lián)合決議。
通過(guò)正相分量關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂（例如，一個(gè)氣缸，氣缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)，一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，并且螺旋機(jī)構(gòu)等）和用于移動(dòng)所述臂多于一個(gè)鉸鏈臂（例如一個(gè)驅(qū)動(dòng)源，液壓或氣動(dòng)臂誘導(dǎo)固定移動(dòng)協(xié)作等），以實(shí)現(xiàn)不同的臂運(yùn)動(dòng)
手臂大臂以及小臂組成。其中所述臂是一棵樹(shù)，加速度分量和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的構(gòu)件上形成。由臂，驅(qū)動(dòng)軸和同步帶等部件臂構(gòu)件。手腕殼體，傳動(dòng)齒輪和軸，從現(xiàn)有的機(jī)械連接的手腕部。
2.4 吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
在關(guān)節(jié)工業(yè)用機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的形式，其主要由以下四個(gè)：構(gòu)造直角坐標(biāo)，圓柱坐標(biāo)，球面坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)，鉸接結(jié)構(gòu)為四。每個(gè)結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能列舉如下[3]所述。
（1）直角坐標(biāo)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手
直角坐標(biāo)關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂空間坐標(biāo)多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)的三個(gè)相互垂直的方向，如圖2-2（a）在該直線運(yùn)動(dòng)的位置控制是容易實(shí)現(xiàn)，笛卡爾坐標(biāo)臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)往往是一個(gè)高的位置精度要獲得（微米）。對(duì)于多關(guān)節(jié)臂的在這方面的尺寸移動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)直角坐標(biāo)，所述一個(gè)臂的空間多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，是比較小的。為了獲得運(yùn)動(dòng)的一定的自由，該結(jié)構(gòu)在垂直于多關(guān)節(jié)臂的尺寸坐標(biāo)多關(guān)節(jié)臂比其它結(jié)構(gòu)的大小。
工件笛卡爾坐標(biāo)移動(dòng)多關(guān)節(jié)臂矩形空間。笛卡爾臂運(yùn)動(dòng)最常見(jiàn)的是主要用于收集和處理交易，笛卡爾坐標(biāo)在三個(gè)懸臂龍門(mén)式結(jié)構(gòu)的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)。
（2）圓柱形的坐標(biāo)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手
空間運(yùn)動(dòng)臂圓柱坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)線性和多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2-2（b）中。此多臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是相對(duì)簡(jiǎn)單的，精度，通常可以在處理中使用。他的工作空間是一個(gè)圓柱形空間。
（3）球坐標(biāo)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手
多運(yùn)動(dòng)空間球面坐標(biāo)關(guān)節(jié)可動(dòng)臂通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，如2-1（C）來(lái)獲得。這個(gè)簡(jiǎn)單的手臂的動(dòng)作的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，成本低，但精度不高。主要用于加工。他們的工作空間是一個(gè)球形的空間。
（4）聯(lián)合多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
三個(gè)多關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間鉸鏈臂運(yùn)動(dòng)的要求，以便獲得，例如，2-2（d）如圖手臂關(guān)節(jié)聯(lián)合行動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。多關(guān)節(jié)臂相對(duì)于所述相對(duì)較大的工作空間的主體尺寸。這樣的多關(guān)節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，如吸附，涂裝,,裝配等行為被廣泛用于這種類(lèi)型的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的。
多關(guān)節(jié)機(jī)器人鉸接結(jié)構(gòu)是由兩種格式的水平和垂直關(guān)節(jié)表示。
(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖2.2 四種吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手坐標(biāo)形式
根據(jù)任務(wù)書(shū)和具體要求，我們選擇（四）普通型。
具體地，對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诳紤]設(shè)計(jì)要求，考慮到使用的操作的具體要求的工藝設(shè)計(jì)的具體形式，對(duì)系統(tǒng)的要求，并作為符合盡可能質(zhì)量工件以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，成本也降低并提高了可靠性。多結(jié)臂的運(yùn)動(dòng)，并且定位的精確度更高，設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到臂的運(yùn)動(dòng)的臂范圍需要六個(gè)自由度，這是一個(gè)程度的腰，臂的旋轉(zhuǎn)自由度和??臂的俯仰臂自由和手腕自由旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)度字段的自由度。本文檔中的得到大關(guān)節(jié)臂，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臂的大小將因此該臂機(jī)構(gòu)自由轉(zhuǎn)動(dòng)地音調(diào)的詳圖。
多關(guān)節(jié)機(jī)器人的特征在于，相對(duì)大尺寸的工作，靈活性和通用性，更為結(jié)構(gòu)緊湊，可以從事基礎(chǔ)對(duì)象的附近。合作機(jī)構(gòu)提出使用和包括以下的技術(shù)參考
技術(shù)要求：（1）設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人系統(tǒng)中執(zhí)行，旨在滿足重多臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的操作期間是同時(shí)滿足技術(shù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)等方面的要求短，效率高，速度和多功能性，柔韌性等性能要求。 （2）裝配圖，零件圖按照機(jī)械設(shè)計(jì)，尺寸，公差，幾何公差的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽嚴(yán)格繪制有合理的技術(shù)要求，規(guī)格。簡(jiǎn)單不同端部（3），并進(jìn)行所述機(jī)器人手臂與聯(lián)接的端部。 （4）寫(xiě)的論文要求的明確描述，書(shū)寫(xiě)規(guī)范。
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3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
臂部部件是吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求:
（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工
字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。
（2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。
為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施:
(a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料;
(b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸
(c) 減少回轉(zhuǎn)半徑
(d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置
(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。
為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
(4)位置精度要高。
一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。
本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類(lèi)和鑄件的大小，見(jiàn)表3.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200~500×500
＞500×500
5~8
10~12
15~20
3~5
4~10
10~15
4~6
8~12
12~20
3~5
6~8
—
3~3.5
4~6
—
3~5
6~8
—
表3.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見(jiàn)總裝配圖。
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。
3.3 大臂電機(jī)及傳動(dòng)齒輪選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：
M2=2Kg， M3=4Kg
J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
式中：T - 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m
J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：
(3.4)
若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波傳動(dòng)齒輪所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(3.5)選擇
設(shè)傳動(dòng)齒輪的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
軸的計(jì)算校核
畫(huà)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
法相力
1) 求垂直面的支撐反力：
2) 水平面的支撐反力：
3） F在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動(dòng)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(jiàn)（7）的計(jì)算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產(chǎn)生的彎矩圖：
a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：
7) 求合成彎矩圖：
考慮最不利的情況，把與直接相加
MA=+MAF=
+41.1=70.1 N.m
M'A=+MAF=
+41.1=62.57 N.m
8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
N.mm
9) 求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為：
如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得：
10） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑
軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對(duì)軸的消弱，將d值加大5%，故：
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(shí)作用有轉(zhuǎn)矩
，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面
其彎曲截面系數(shù)為：
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(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為：
由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 腕部設(shè)計(jì)
腕部能夠連接機(jī)械手的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。
按自由度分類(lèi)可將工業(yè)機(jī)械手手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手實(shí)際使用的工作性能要求來(lái)確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)械手手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自由度的手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤(pán)上，再通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。
4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算
手腕的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。
（1）選擇步進(jìn)電機(jī)
手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（4.1）
（4.2）
（4.3）
（4.4）
（4.5）
（4.6）
（4.7）
（4.8）
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長(zhǎng)度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過(guò)兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；
滾子鏈傳動(dòng)效率；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；
錐齒輪傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （4.9）
根據(jù)計(jì)算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖4.1和圖4.2所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖4.1 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖4.2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
（2）設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)
（a） 計(jì)算、分配傳動(dòng)比
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)及其對(duì)應(yīng)的矩頻特性曲線，所選步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩為4.5 N·m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為r/min。
由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度r/s，已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min，由此推出總的傳動(dòng)比。
已確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式是通過(guò)兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)和一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，需將總傳動(dòng)比進(jìn)行分配。綜合考慮帶輪的尺寸和手臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間，取小臂鏈傳動(dòng)比，大臂鏈傳動(dòng)比，錐齒輪傳動(dòng)比，。
（3）設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)
根據(jù)噴漆機(jī)器人的工作要求，將腕部最末端的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計(jì)成一體，圓錐大齒輪單獨(dú)設(shè)計(jì)，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計(jì)這類(lèi)齒輪傳動(dòng)時(shí)按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過(guò)大，避免引起小端齒頂過(guò)薄，齒根圓角半徑過(guò)小，應(yīng)力集中過(guò)大。
根據(jù)手冊(cè)[16]，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（4.10）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—?jiǎng)虞d系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；
查手冊(cè)[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。
大端模數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度圓模數(shù)，取。
圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算[16]：
（4.11）
（4.12）
（4.30）
（4.13）
（4.14）
（4.15）
（4.16）
式中：
—大端分度圓直徑；
、—節(jié)錐角；
—錐距；
—中點(diǎn)分度圓直徑；
—當(dāng)量齒數(shù)；
—平均模數(shù)。
齒寬，取mm。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：mm
mm
mm
mm
mm
根據(jù)大、小臂兩級(jí)鏈輪的減速，錐齒輪傳動(dòng)中主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速r/min。
中點(diǎn)分度圓上的圓周力N。
（b）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核
計(jì)算接觸用單位齒寬上的載荷
MPa （4.17）
查[16]手冊(cè)，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。
計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力
MPa （4.18）
計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
（4.19）
式中：
—壽命系數(shù)；
—潤(rùn)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)。
查手冊(cè)[16]得到，，。
所以，MPa。
計(jì)算接觸安全系數(shù)
，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。
（c）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核
計(jì)算彎曲用單位齒寬上的載荷
MPa
變位系數(shù)
取，則。
應(yīng)力集中校正系數(shù)
由及可查表得，由及可查表得。
齒形系數(shù)
由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。
彎曲計(jì)算應(yīng)力
根據(jù)公式：
（4.20） （4.21）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
MPa
取安全系數(shù)
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
查[16]手冊(cè)，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。
許用應(yīng)力：
（4.22）
（4.23）
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa
MPa
因此、，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理[17]。
4.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（4.24）
、、分別為10kg(包括負(fù)載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（4.25）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（4.26）
式中：——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機(jī)械手主軸從到/s所需時(shí)間為:則：
若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為
電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算
（4.27）
式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式
（4.28）
選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表4-2 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級(jí)
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。
4.3 小臂電機(jī)選型
本吸盤(pán)吸盤(pán)關(guān)節(jié)機(jī)械手小臂部?jī)蓚€(gè)自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因?yàn)閷⒈凵扉_(kāi)呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （4.29）
其中：M1，M2，M3分別為負(fù)載2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分別其長(zhǎng)度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計(jì)，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J1= M1L12+M2L22+M3L32 (4.30)
=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422
=1.46kg.m2
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。
J2=M2L42+M3L52 (4.31)
=1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時(shí)間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：
(4.32)
若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波傳動(dòng)齒輪所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(4.33)
4.4 傳動(dòng)選擇
（1）設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)
根據(jù)噴漆機(jī)器人的工作要求，將腕部最末端的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計(jì)成一體，圓錐大齒輪單獨(dú)設(shè)計(jì)，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計(jì)這類(lèi)齒輪傳動(dòng)時(shí)按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過(guò)大，避免引起小端齒頂過(guò)薄，齒根圓角半徑過(guò)小，應(yīng)力集中過(guò)大。
根據(jù)手冊(cè)[16]，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（4.34）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—?jiǎng)虞d系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；
查手冊(cè)[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到