機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)論文-

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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：自動(dòng)上下料機(jī)械手及主要零部件設(shè)計(jì) 姓 名：管明亮 學(xué) 號(hào)： 1465101255680 教育層次： 本科 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 分 校：北京路 指導(dǎo)教師： 朱乾隆老師 　 2016年05月30日 摘要：機(jī)械手能代替人工操作，起到減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。在實(shí)用的基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，其中分為三個(gè)部分，手爪、手腕、直臂。設(shè)計(jì)手爪為平移型夾持式手爪，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為滑動(dòng)絲桿。手腕為回轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0-180，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿。直臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為滾珠絲桿。整體機(jī)械手為直角坐標(biāo)型，驅(qū)動(dòng)均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，精度高。 關(guān)鍵詞 ：機(jī)械手；直臂與夾持部件；Pro/e三維設(shè)計(jì)；CAD二維設(shè)計(jì) Abstract： Mechanical arm can replace manual operation, reduce the labor intensity of workers,save processing time,improve the production efficiency, reduce the production cost.On the basis of the practical,the design of automatic up-down material manipulator, which is divided into three parts, hand,wrist,arm straight.Design of clamping type hand claw gripper for translation,for sliding screw transmission structure.Wrist for transformation,rotation Angle of 0-180 ,for the worm gear and worm drive structure.Straight arm for the ball screw transmission structure. Integral type manipulator for rectangular coordinates, drive for motor drive,structure simple, reliable and high precision. Key Word：Mechanical arm; Straight arm and clamping parts; Pro/e 3 d design; 2 d CAD design  目 錄 第一章 緒論 1 1.1前言和意義 1 1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史 1 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 3 1.4 本章小結(jié) 4 第二章 機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計(jì) 5 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 5 2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 5 2.3傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇 6 2.4 機(jī)械手的基本形式選擇 7 2.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動(dòng) 8 2.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 9 2.8 本章小結(jié) 10 第三章 機(jī)械手手爪的三維設(shè)計(jì) 11 3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 11 3.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 11 3.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.3.1選擇手爪的類型及夾緊裝置 11 3.3.2 手爪夾持范圍計(jì)算 12 3.3.3 滑動(dòng)絲杠設(shè)計(jì) 13 3.3.4 直齒輪設(shè)計(jì) 16 3.3.5電機(jī)選型 16 3.4 機(jī)械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖 18 3.5 本章小結(jié) 20 第四章 機(jī)械手手腕部分的三維設(shè)計(jì) 21 4.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求 21 4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 21 4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) 21 4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 22 4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4.3.1 蝸輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4.3.2 蝸輪齒輪設(shè)計(jì) 24 4.3.3 步進(jìn)電機(jī)選型 26 4.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖 27 4.5本章小結(jié) 33 第五章 直臂部分的三維設(shè)計(jì) 34 5.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 34 5.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì) 34 5.3 錐齒輪設(shè)計(jì) 37 5.4 電機(jī)選型 40 5.5 機(jī)械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 41 5.6 本章小結(jié) 44 總 結(jié) 45 參考文獻(xiàn) 46 致 謝 48 中央電大畢業(yè)論文 第一章 緒論 1.1前言和意義 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。 德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。 第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： 1．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)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 2．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)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。 3．機(jī)器人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)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 4．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； 5．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 本章小結(jié) 本章介紹了機(jī)械手的基本概念，工業(yè)發(fā)展簡史，發(fā)展機(jī)械手的重要性及設(shè)計(jì)的目的，并介紹了機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。 第二章 機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計(jì) 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 （1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型。手部是用來抓取工件的部件，根據(jù)被抓取物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸附型和夾持型，吸附型主要是針對(duì)于一些正方形表面光滑、輕質(zhì)的工件或物料，夾持型主要是針對(duì)圓柱形狀或者是別的一些比較復(fù)雜形狀的工件或物料。傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜槭杠桿式、絲杠螺母式、齒輪齒條式、重力式和彈簧式。 （2）腕部，即連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部姿態(tài)的作用，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、左右擺動(dòng)、上下擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （3）臂部 ，手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(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)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 可分為以下四類： （1）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 氣壓機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。 （2）液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏、抓取力大。但是這種機(jī)械手對(duì)密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護(hù)、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會(huì)導(dǎo)致對(duì)其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴(yán)格，成本高。 （3）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 它是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，動(dòng)力是由工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為：運(yùn)動(dòng)精確，動(dòng)作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。 （4）電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 它是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：運(yùn)動(dòng)速度快，行程長，定位精度高，易于維護(hù)、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。按照各驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)以及機(jī)械手的工作環(huán)境經(jīng)討論我們采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 2.3傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇 （1）齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。 （2）諧波齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對(duì)錯(cuò)齒來傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。 （3）螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。 絲杠螺母傳動(dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。 （4）同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，無彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動(dòng) 鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動(dòng)效率高。 （6)鏈傳動(dòng) 在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。 （7)鋼絲繩輪傳動(dòng) 鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 2.4 機(jī)械手的基本形式選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。 圖2.1 機(jī)械手基本形式 按照機(jī)械手的工作環(huán)境采用直角坐標(biāo)型機(jī)械手，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度高，比較滿足設(shè)計(jì)要求。 2.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動(dòng) 在直角坐標(biāo)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度 即：手爪張合；手腕回轉(zhuǎn)；直臂升降；橫臂平移4個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和4個(gè)電機(jī)組成：（1）手部，采用絲桿螺母結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)90~180（3）臂部，采用滾珠絲杠，電機(jī)帶動(dòng)絲桿使螺母在橫臂上移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng)，帶動(dòng)絲桿螺母使絲桿在直臂上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂升降。 圖2.2 機(jī)械手直臂與夾持部件總裝三維圖 圖2.3 二維示意圖 2.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) （1）用途：數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料 （2）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重:600g (夾持式手部) 2、自由度數(shù):4個(gè)自由度 3、坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)型 4、橫臂手臂長度:2180mm 5、手臂最大高度:2769.5mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 升降行程：920mm 升降速度：167mm/s 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 0-180 2.8 本章小結(jié) 本章對(duì)機(jī)械手的整體部分進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)分析，從中選擇了機(jī)械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并給出了設(shè)計(jì)中機(jī)械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以此進(jìn)行。 第三章 機(jī)械手手爪的三維設(shè)計(jì) 3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 （1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。 （2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。 （3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 （4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 3.2 典型的手部結(jié)構(gòu) （1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 （3）平面平移型。 3.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1選擇手爪的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)抓取圓柱形物塊的機(jī)械手。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板和圓柱類材料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差為零。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)型手爪，采用絲杠螺母這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式。 運(yùn)行方式為電機(jī)帶動(dòng)直齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)繼而帶動(dòng)手爪接觸塊移動(dòng)，從而形成手爪的張合，當(dāng)手爪抓到零件時(shí)，電機(jī)停止，手爪形成自鎖，帶動(dòng)零件移動(dòng)。 圖3.1 二維手爪結(jié)構(gòu)圖 3.3.2 手爪夾持范圍計(jì)算 加工毛坯尺寸：Φ20-Φ30 長度：100左右 毛坯質(zhì)量（以鋼材的密度計(jì)算）：約246g-555g（按最大600g計(jì)算） 裝夾深度：約25mm 縱向定位精度：0.1mm 橫向定位精度：1mm 手爪接觸塊為橡膠，橡膠具有彈性大，定伸強(qiáng)度高，抗撕裂性和電絕緣性優(yōu)良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特點(diǎn)。 圖3.2 手爪橡膠 3.3.3 滑動(dòng)絲杠設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)條件： 需自鎖 絲杠長度 145mm 最大質(zhì)量共計(jì)約1100g。 絲杠載荷：絲杠豎直時(shí)承受最大軸向力，G=mg (g取10N/kg)。 設(shè)計(jì)計(jì)算：（計(jì)算部分由小組成員張益完成本人參與討論） （1） 牙型、材料和許用應(yīng)力 采用梯形單頭螺紋 螺桿材料選45鋼，調(diào)制處理，，由機(jī)械手冊(cè)查表可得 許用拉應(yīng)力 .................................................................（3.1） 手爪部分為輕載，螺母材料選耐磨鑄鐵。由機(jī)械手冊(cè)查表可得 許用彎曲應(yīng)力， 取 ； 許用剪應(yīng)力 由機(jī)械手冊(cè)查表可得 許用壓強(qiáng)，取 （2） 按耐磨性計(jì)算螺桿中徑 由表中公式，， ....................................................................................（3.2） 采用整體螺母式，取， 由GB/T 5796.3-1986，可選，，，，，的梯形螺紋、中等精度。螺桿左右兩端分別采用不同的旋向，螺旋副標(biāo)記分別為： ，。 螺母高度，取 則螺紋圈數(shù)圈 （3） 自鎖性驗(yàn)算 由于單頭螺紋，導(dǎo)程，故螺紋升角為 ........................................................................（3.3） 由機(jī)械手冊(cè)查表可得鋼和耐磨鑄鐵的，取，可得 ...................................................................（3.4） ，故自鎖可靠。 （4） 螺桿強(qiáng)度校核 由機(jī)械手冊(cè)查表可得，螺紋摩擦力矩 ， ...................（3.5） 代入以下公式得 ...（3.6） （5） 螺母螺紋強(qiáng)度校核 因螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋強(qiáng)度即可。 由機(jī)械手冊(cè)查表可得 牙根寬度，基本牙高 代入以下中的公式得 ...........................................（3.7） ................................................（3.8） （6） 橫向振動(dòng)校核 對(duì)于鋼制螺桿 ...........（3.9） 應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速 （7） 效率 由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)時(shí) .........（3.10） 效率取為 3.3.4 直齒輪設(shè)計(jì) 表3.1 直齒輪參數(shù)表 項(xiàng) 目 符號(hào) 齒輪1 單位 單位 齒 輪2 單位 幾何參數(shù)： 齒數(shù) Z 20 35 法 向 模 數(shù) m n 1.5 毫米 法 向 壓 力 角 αn 20 度 有 效 齒 寬 b 12 毫米 齒 頂 高 系 數(shù) ha* 1 頂 隙 系 數(shù) c* 0.25 標(biāo) 準(zhǔn) 中 心 距 a0 41.2 毫米 中 心 距 a 42 毫米 分 度 圓 直 徑 d 30 毫米 52.5 毫米 基 圓 直 徑 d b 28.191 毫米 49.33 毫米 頂 圓 直 徑 d a 33 毫米 57 毫米 根 圓 直 徑 d f 26.25 毫米 50.34 毫米 齒 頂 高 h a 1.452 毫米 2.25 毫米 齒 根 高 h f 1.875 毫米 1.077 毫米 全 齒 高 h t 3.33 毫米 弧 齒 厚 S t 2.356 毫米 2.93 毫米 名 義 轉(zhuǎn) 矩 T 0.0539 Nm 0.09 Nm 名 義 功 率 P 0.02 Kw 0.04 Kw 轉(zhuǎn) 速 n 3500 r / min 1998 r / min 材 質(zhì) 支 承 形 式 非對(duì)稱支承 3.3.5電機(jī)選型 計(jì)算條件：空行程最長，夾緊時(shí)間不超過1.2s 設(shè)計(jì)計(jì)算：（電機(jī)選型部分和組長商量而定） 螺母移動(dòng)平均速度， .....................................................（3.11） 絲杠的平均轉(zhuǎn)速 摩擦轉(zhuǎn)矩 .................（3.12） ........................................................（3.13） 故........................................................（3.14） 選用轉(zhuǎn)速為的直流電機(jī)，速比 齒輪傳動(dòng)效率、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)效率 總效率 電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩： ............................................................（3.15） 電機(jī)軸輸出功率： ............................................................................（3.16） 電機(jī)選用40ZY-02直流電動(dòng)機(jī) 3.4 機(jī)械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖 圖3.3 手爪三維圖 圖3.4 直齒輪絲桿 圖3.5 電機(jī)齒輪 圖3.6 齒輪箱 圖3.7 手爪接觸塊連接件和絲桿螺母 圖3.8 手爪裝配件 3.5 本章小結(jié) 本章對(duì)機(jī)械手手爪的類型及夾緊裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。先對(duì)絲杠螺母式的手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，然后對(duì)手爪滑動(dòng)絲杠進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)直齒輪和電機(jī)進(jìn)行了選型。最后用Pro/e畫出三維圖,用AutoCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 第四章 機(jī)械手手腕部分的三維設(shè)計(jì) 4.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求 （1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3） 必須考慮工作條件 對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。 4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) (1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270）。 (2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。 (4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)90或180，則腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)是一種步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 故手腕結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)：其主要功能是帶動(dòng)手爪的轉(zhuǎn)向，使其能準(zhǔn)確的抓取零件和放置零件。 運(yùn)行方式為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到一定角度(90或180)時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。 4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 計(jì)算條件：夾取工件重量600g左右，回轉(zhuǎn)180。 4.3.1 蝸輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算：（計(jì)算部分由小組成員張益完成） （1）選擇軸的材料 選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械手冊(cè)表6-1-1查得：，，， （2）初步確定最小軸徑 按表選取 由機(jī)械手冊(cè)得 .....................................（4.1） （3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖4.1 蝸輪軸結(jié)構(gòu)圖 （4）鍵的選擇與校核 1、蝸輪連接鍵 選擇普通平鍵 查機(jī)械手冊(cè)可得 ..........................................（4.2） 查機(jī)械手冊(cè)可得 所以 2、軸端連接鍵 選擇普通平鍵。 查機(jī)械手冊(cè)可得 .........................................（4.3） 查機(jī)械手冊(cè)可得 所以 （5）軸的強(qiáng)度校核 其條件為 ....................（4.4） 其中 —— 軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa； M —— 軸所受的彎矩，Nmm ； ............................（4.5） T —— 軸所受的扭矩，Nmm； W —— 軸的抗彎截面系數(shù)，； —— 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力，其值按表計(jì)算 ..........................................................................................................................................（4.6） 即＝270MPa，故安全。 4.3.2 蝸輪齒輪設(shè)計(jì) 計(jì)算條件： 蝸輪軸輸出功率，轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)比。工作壽命 設(shè)計(jì)計(jì)算： 1選擇材料和加工精度 蝸桿選用45鋼、蝸輪選用ZCuAl10Fe3、加工精度7級(jí) 1. 初選幾何參數(shù) ， 2. 計(jì)算蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率及蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩 粗算傳動(dòng)效率 .................................（4.7） 蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩 ..............................................（4.8） 蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩 ...................................................（4.9） 3. 確定許用接觸應(yīng)力 蝸桿輸入功率 ......................................................（4.10） 滑動(dòng)速度、、 、 ..............................................（4.11） ..................................（4.12） 4. 求載荷系數(shù)K 動(dòng)載荷系數(shù)、嚙合質(zhì)量系數(shù)、小時(shí)載荷率、小時(shí)載荷率系數(shù)、環(huán)境溫度系數(shù)、工作情況系數(shù) 由于不帶風(fēng)扇， 所以： .......................（4.13） 5. 計(jì)算m和q值 .......................（4.14） 取 ，，16 7.蝸輪齒面接觸強(qiáng)度校核驗(yàn)算 ....................................（4.15） 接觸強(qiáng)度足夠。 4.3.3 步進(jìn)電機(jī)選型 計(jì)算條件：手腕電機(jī)載荷約為85N，蝸輪軸轉(zhuǎn)速 設(shè)計(jì)計(jì)算： 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間約為， 期間做功 .........................................................................（4.16） 蝸輪軸輸出功率 ...................................................（4.17） 渦輪軸轉(zhuǎn)矩 .................................................（4.18） 電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩 .................................................（4.19） 電機(jī)軸輸出功率 ................................................（4.20） 步距角取。 ...................................................................（4.21） 靜力矩 ............................（4.22） 選用永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)57BYG450C 4.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖 圖4.2 手腕三維圖 圖4.3 手腕法蘭 圖4.4 蝸桿 圖4.5 蝸輪 圖4.6 蝸輪軸 圖4.7 軸端法蘭 圖4.8 蝸輪蝸桿箱體 圖4.9 蝸輪蝸桿箱蓋 圖4.10 蝸輪軸承蓋 圖4.11 蝸輪軸承蓋開口 圖4.12 嵌入式軸承蓋 圖4.13 嵌入式軸承蓋開口 4.5本章小結(jié) 本章對(duì)機(jī)械手手腕的類型及回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。先對(duì)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了選型。然后用Pro/e畫出三維圖,用AutoCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 。 第五章 直臂部分的三維設(shè)計(jì) 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本次設(shè)計(jì)主要講直臂的升降。 5.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手的手臂升降伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。 我們選用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的手臂，螺母帶動(dòng)絲杠進(jìn)行升降和平移，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如下圖：中間為絲杠，兩邊為光桿。 運(yùn)行方式為電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪，繼而帶動(dòng)絲杠螺母，絲杠螺母是固定點(diǎn)，相對(duì)的絲杠做上下移動(dòng)。 5.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì) （計(jì)算部分由小組成員張益完成本人參與討論和數(shù)據(jù)修改） （1）選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)為：磨制絲杠(右旋) 上固定端到螺母間距離(臨界長度) 下固定端到螺母間距離(臨界長度) 設(shè)計(jì)后絲杠總長 最大行程 支承方式為兩端固定 定位精度： 由表得，有效行程內(nèi)目標(biāo)行程公差，行程變動(dòng)量 由表得，任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量，2π弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 絲杠精度為5級(jí)，可靠性90%。 （2）計(jì)算載荷 手腕手爪部分重量 （重力加速度?。? ..........................（5.1） 軸向載荷 （3）初算導(dǎo)程： 絲杠螺母轉(zhuǎn)速，直臂移動(dòng)速度 初算導(dǎo)程，所以取 （4） 選工作壽命： （5）由表得， ， .............................................................（5.2） 式中，查機(jī)械手冊(cè)得，精度系數(shù) 查機(jī)械手冊(cè)得，可靠性系數(shù) 查機(jī)械手冊(cè)得，載荷性質(zhì)系數(shù) 查機(jī)械手冊(cè)得，預(yù)加載荷系數(shù) 所以， （6） 靜載計(jì)算：由機(jī)械手冊(cè)得，，式中 ..........................（5.4） （7）選取滾珠絲杠型號(hào)：采用外循環(huán)導(dǎo)珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型，。 其中，，，， 滿足承載能力要求。 （8）計(jì)算預(yù)緊力：， ................................................（5.5） （9）值校驗(yàn) 由機(jī)械手冊(cè)得，，符合要求。 （10）臨界轉(zhuǎn)速校核 ....................................................................................（5.6） 式中，查機(jī)械手冊(cè)得， 滿足轉(zhuǎn)速要求 （11） 螺桿強(qiáng)度： 螺桿材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，其許用應(yīng)力 螺桿當(dāng)量應(yīng)力： ....（5.7） 式中， 符合強(qiáng)度要求 (12)系統(tǒng)剛度計(jì)算 剛性為機(jī)械剛度的指標(biāo)，滾珠絲杠的剛性取決于螺桿與螺母之間軸向負(fù)荷珠槽接觸剛性及螺桿軸的剛性來決定。機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總剛性的慣性經(jīng)由測試，可將螺帽—螺桿及鋼珠—珠槽兩者間的剛性合二為一，成為螺帽剛性，因此 ....................................................................................................（5.8） 5.3 錐齒輪設(shè)計(jì) 錐齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實(shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng),兩軸交角S稱為軸角，其值可根據(jù)傳動(dòng)需要確定，一般多采用90。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖所示。由于這一特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)"圓柱"在錐齒輪中就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動(dòng)（＜5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點(diǎn)，用于高速重載的場合。本節(jié)采用S=90的標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)。 圖5.4 錐齒輪 計(jì)算條件：負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直線錐齒輪，傳動(dòng)比為，錐齒輪轉(zhuǎn)速 材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HBS=217~255，齒面粗糙度 錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算：（計(jì)算部分由組員張益完成本人參與數(shù)據(jù)討論修改） 1.初步計(jì)算： 電機(jī)軸端齒輪轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù) 齒數(shù)比 估算時(shí)，安全系數(shù)， 接觸疲勞強(qiáng)度極限 因此估算時(shí)的齒輪許用接觸應(yīng)力 ...................（5.9） 估算結(jié)果： 所以 考慮到絲杠需從錐齒輪2中心穿過，且所選用絲杠的公稱直徑，絲杠螺母，故取， 2.幾何計(jì)算 齒數(shù)：取 大端模數(shù)： .....................................................................................（5.10） 3.強(qiáng)度校核 1）.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 其條件為 .....................................................................（5.11） 其中 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) 齒寬系數(shù) 查機(jī)械手冊(cè)得 ＝1 查圖得 ＝1.09 查機(jī)械手冊(cè)得 ＝1.4 查表得 ＝1.2 可得 ＝2.1 可得 ＝1.5 取常用值1/3 代人計(jì)算得 .......................（5.12） 即，故安全。 2）.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 其條件為 ................................................（5.13） 其中 彈性影響系數(shù) 查機(jī)械手冊(cè)得＝ 代人計(jì)算得 .....................................................................................................................................（5.14） 即，故安全。 5.4 電機(jī)選型 計(jì)算條件：絲杠軸向工作載荷約為，絲杠移動(dòng)速度 圓錐齒輪傳遞效率 設(shè)計(jì)計(jì)算： 絲杠工作的功率： ...................................................（5.15） 絲杠轉(zhuǎn)矩 電機(jī)選用同步轉(zhuǎn)速的三相異步電機(jī)，速比 電機(jī)輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 電機(jī)輸出軸功率 ..........................................................................（5.16） 電機(jī)選用YS5012三相異步電動(dòng)機(jī) 5.5 機(jī)械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 圖5.1 直臂結(jié)構(gòu)三維圖 圖5.2 直臂部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖 圖5.3 滾珠絲桿螺母 圖5.4 直臂套筒 圖5.5 光桿絲桿連接件 圖5.6 直臂箱體 圖5.7 直臂箱蓋 5.6 本章小結(jié) 本章對(duì)機(jī)械手直臂的類型及升降裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。先對(duì)滾珠絲桿結(jié)構(gòu)和錐齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)分析計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了選型。然后用Pro/e畫出三維圖,用AutoCAD畫出二維圖（二維圖見附錄）。 總 結(jié) 通過近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)整體的深層次的理解，同時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)這門專業(yè)的理解更加深刻和準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)過程中盡量使用標(biāo)準(zhǔn)的配件，降低成本，每一個(gè)設(shè)計(jì)都小心謹(jǐn)慎，仔細(xì)計(jì)算，最終能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過程中上下料的自動(dòng)化。 參考文獻(xiàn) [1]于傳浩,章滌峰.一種氣動(dòng)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].武漢：武漢化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，2003.10 [2]何芹,原政軍 姚龍?jiān)? 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