回形偏交型手腕及斜楔式夾持器的設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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It can also accomplish various works that are very arduous and complicated or even full of danger instead of workers. The different application of industry robots to industrial production is playing an important role of which other machines are unable to take the place. The common robot basically consists of the waist, the arm, the wrist and the hand. Waist and arm control space position, while wrist controls special attitude, and the hand is used to realize grasping or putting objects. The design of this article is the wrist enjambment eccentric and carves the type screw clamp slanting. According to the design requirements a schematic design has been developed with a hydraulic motor controlling the claws from releasing and using the spring to clamp objects, also it has been carried on the structural design to the hand and wrist, simultaneously conducting the choice, the design and the computation to its main spare parts. The contents including the selection of prime movers, design of springs, design and check of gears, belts, and axes. Finally it is proceeding the economic analysis to the feasibility of design proposal. Conclusions can be drawn through the computational analysis and this design can by and large meet the needs of the design request. Key words：wrist；Industrial robot；Gripper；End effector 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 III 頁(yè) 目 錄 摘要. Abstract. 1 緒論.1 1.1 選題的背景、目的和意 義.1 1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況.1 1.2.1 機(jī)器人的定義.1 1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展過程.2 1.2.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究狀況.4 1.2.4 國(guó)外機(jī)器人的最新發(fā)展.4 1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì).7 1.3 課題的研究?jī)?nèi)容與方法.8 2 工作原理及設(shè)計(jì)方案.9 2.1 斜鍥式夾持器工作原理.9 2.2 設(shè)計(jì)方案.9 2.3 可行性分析.10 2.3.1 傳動(dòng)方案的選擇.10 2.3.2 精定位裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想.10 2.4 機(jī)器人回形偏交型手腕的工作原理.11 3 設(shè)計(jì)計(jì)算.12 3.1 夾持器的計(jì)算.12 3.1.1 受力分析.12 3.1.2 夾爪齒輪的計(jì)算.12 3.1.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算.16 3.1.4 液壓馬達(dá)的選擇.17 3.1.5 齒輪齒條傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.18 3.2 腕的計(jì)算.22 3.2.1 電機(jī)的選擇.22 3.2.2 錐齒輪設(shè)計(jì).25 3.2.3 同步帶和帶輪的設(shè)計(jì).30 3.2.4 軸的設(shè)計(jì)及校核.32 4 機(jī)械設(shè)備的環(huán)保、可靠性和經(jīng)濟(jì)分 析.37 4.1 設(shè)備的環(huán)保措施.37 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 IV 頁(yè) 4.2 設(shè)備的可靠性.37 4.2.1 設(shè)備的可靠性定義.37 4.2.2 可靠度的計(jì)算.37 4.2.3 設(shè)備平均壽命.37 4.2.4 機(jī)械設(shè)備的有效度.38 4.3 設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià).39 4.3.1.投資回收期.39 4.3.2 盈虧平衡分析.40 4.3.3 設(shè)備合理的更新期.40 5 結(jié)論及存在的問題.42 5.1 結(jié)論.42 5.2 存在的問題.42 致謝.43 參考文獻(xiàn).44 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 V 頁(yè) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 1 緒論 1.1 選題的背景、目的和意義 現(xiàn) 代 機(jī) 器 人 的 研 究 始 于 20 世 紀(jì) 中 期 ， 其 技 術(shù) 背 景 是 計(jì) 算 機(jī) 和 自 動(dòng) 化 的 發(fā) 展 ， 以 及 原 子 能 的 開 發(fā) 利 用 。 自 1946 年 第 一 臺(tái) 數(shù) 字 電 子 計(jì) 算 機(jī) 問 世 以 來 ， 計(jì) 算 機(jī) 取 得 了 驚 人 的 進(jìn) 步 ， 向 高 速 度 、 大 容 量 、 低 價(jià) 格 的 方 向 發(fā) 展 。 大 批 量 生 產(chǎn) 的 迫 切 需 求 推 動(dòng) 了 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 的 進(jìn) 展 ， 其 結(jié) 果 之 一 便 是 1952 年 數(shù) 控 機(jī) 床 的 誕 生 。 與 數(shù) 控 機(jī) 床 相 關(guān) 的 控 制 、 機(jī) 械 零 件 的 研 究 又 為 機(jī) 器 人 的 開 發(fā) 奠 定 了 基 礎(chǔ) 。 另 一 方 面 ， 原 子 能 實(shí) 驗(yàn) 室 的 惡 劣 環(huán) 境 要 求 某 些 操 作 機(jī) 械 代 替 人 處 理 放 射 性 物 質(zhì) 。 在 這 一 需 求 背 景 下 ， 美 國(guó) 原 子 能 委 員 會(huì) 的 阿 爾 貢 研 究 所 于 1947 年 開 發(fā) 了 遙 控 機(jī) 械 手 ， 1948 年 又 開 發(fā) 了 機(jī) 械 式 的 主 從 機(jī) 械 手 。 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也 同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二 次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也 是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨 著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹碓讲粩嗵接懽匀贿^程中，在改造自然過程中， 認(rèn)識(shí)自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程 中的一個(gè)客觀需要。而在機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算中包含了機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)所學(xué)的大部分專業(yè) 課程內(nèi)容，對(duì)以往的學(xué)習(xí)起到了一個(gè)很好的鞏固和獲得新知識(shí)的作用，對(duì)以后的工作 也會(huì)有很大的幫助。這也是選擇這個(gè)題目的目的。 此課題的研究在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。有些工作會(huì)對(duì)人體造成傷害，比如 噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長(zhǎng)時(shí)間勝任，比如汽車焊接、精 密裝配等；有些工作人無法身臨其境，比如火山探險(xiǎn)、深海探密、空間探索等；有些 工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是 機(jī)器人大顯身手的地方。服務(wù)機(jī)器人還可以為您治病保健、保潔保安；水下機(jī)器人可 以幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜；工程機(jī)器人可以上山入地、開洞筑路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以 耕耘播種、施肥除蟲；軍用機(jī)器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈 1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況 1.2.1 機(jī)器人的定義 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 什么是機(jī)器人呢? 這個(gè)問題是一個(gè)非常有意思的一個(gè)問題。但人們一般的理解，機(jī) 器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器。 它有三個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能 完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)， 就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。它是人造的 機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個(gè)機(jī)器人仍然是個(gè)機(jī)器。但是目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的有 關(guān)機(jī)器人定義，一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某 種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械，這是美國(guó)工程師協(xié)會(huì)定的一個(gè)定義，但日本和其他 國(guó)家也對(duì)機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來看，應(yīng)該 更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、 情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求， 那么比方說機(jī)器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬 運(yùn)，它在生產(chǎn)線中搬運(yùn)玻璃和各種各樣的一些零件的搬運(yùn)的工作，還可以在生產(chǎn)線中 碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來的一個(gè)例子。 1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展過程 1920 年，有一個(gè)捷克斯洛伐克的一個(gè)作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說，叫 羅薩姆的機(jī)器人萬能公司。這本小說中他構(gòu)思了一個(gè)和幻想了一個(gè)機(jī)器人，它的 名字叫羅伯特，也就是我們英文中的 Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知 疲倦地進(jìn)行工作。在 1920 年前后，大家也知道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國(guó)工業(yè) 發(fā)展比較迅速的時(shí)期，我們看到電影摩登時(shí)代，卓別林主演的人變成了機(jī)器人， 在生產(chǎn)線中天天的進(jìn)行勞動(dòng)。人們?cè)谶@種煩躁的體力勞動(dòng)中就幻想有一種能代替人完 成這樣工作的想像、一種需要，這個(gè)小說在 1924 年和 1927 年的時(shí)候被紛紛傳到了日 本、法國(guó)和歐洲國(guó)家，還變成了一種當(dāng)時(shí)的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個(gè)機(jī)器 人的名詞就向全世界鋪展開來，當(dāng)時(shí)人們還認(rèn)為是一個(gè)科幻小說，還沒有把它跟我們 日常的學(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起來。但通過這樣一個(gè)小說，一個(gè)羅伯特這樣一個(gè)名詞， 它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)造出一種機(jī)器，能夠代替人進(jìn)行各種 工作。這種想法是機(jī)器人產(chǎn)生的一種客觀的要求，那么真正機(jī)器人的發(fā)展是在 1947 年， 美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在研究核燃料的時(shí)候，大家知道核燃料，它有 X 射線對(duì)人體是 有傷害的，必須有一臺(tái)機(jī)器來完成像搬運(yùn)和核燃料的處理這樣的工作。在 1947 年產(chǎn)生 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 了世界上第一臺(tái)主從遙控的機(jī)器人，那么 1947 年以后大家知道，是計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā) 展比較迅速的時(shí)期，因此各國(guó)已經(jīng)開始利用當(dāng)時(shí)的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研 究。那么在 1962 年美國(guó)研制成功 PUMA 通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī) 器人走向成熟，應(yīng)該說第一臺(tái)可用的機(jī)器人在 1947 年產(chǎn)生，真正意義的機(jī)器人在 1962 年產(chǎn)生。那么相繼不久，在英國(guó)等國(guó)家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了 20 世紀(jì) 60 年代末，日本人將它的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的汽車工業(yè)與機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，它購(gòu)買了美國(guó)的專 利，在日本進(jìn)行了再次開發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到 20 世紀(jì) 70 年代的時(shí)候，日本已經(jīng)將這 種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像 ABB，MOTOMAN ，還有安川公司，還有很多機(jī)器人公司像 OTC 等等公司。它們都 是已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車工業(yè)，使機(jī) 器人正式的走向應(yīng)用。在 20 世紀(jì) 70 年代到 20 世紀(jì) 80 年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn) 品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開始研究第二代具有感知功 能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的 ABB 公司，德國(guó)的 KUKA 機(jī)器人公司，日本幾家公司和 日本的 FUNAC 公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時(shí)我們也看到機(jī)器人 的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作 業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用。 總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于把機(jī) 器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個(gè)計(jì) 算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀 取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出 這種動(dòng)作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是 重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存 在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它 這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的 機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、 視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí) 候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、 大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過一個(gè)觸覺，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。那 么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和 人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能 的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我 們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。從三代機(jī)器人 發(fā)展過程中，從另一個(gè)方面，我們對(duì)機(jī)器人從應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類，比如說工業(yè)機(jī) 器人，它包括點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工作的這種機(jī)器人，我 們統(tǒng)稱為工業(yè)機(jī)器人，那么從不同的應(yīng)用中，到水下去作業(yè)的叫水下機(jī)器人，到空間 作業(yè)的叫空間機(jī)器人，同時(shí)又存在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對(duì)醫(yī)療機(jī)器人叫醫(yī)用機(jī)器人， 還包括娛樂機(jī)器人，建筑和居室上用的機(jī)器人，所以從應(yīng)用分類，它包括從行業(yè)、應(yīng) 用角度，也可以進(jìn)行這樣簡(jiǎn)單的分類。 1.2.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究狀況 由于我們國(guó)家存在很多其他的各種因素、問題。我們國(guó)家在機(jī)器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時(shí)我們?cè)趪?guó)家北京舉辦一個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這 個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人，這個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的許 多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是這時(shí)候研究，基本上 還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器人研究的時(shí)候，是在七五、八五、九五、 十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時(shí)候，是在 1986 年我們國(guó)家成立了 863 計(jì)劃 是高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國(guó)家投入將近幾個(gè) 億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國(guó)家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速 地發(fā)展。目前主要單位像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱 工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單 位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來看，我們國(guó) 家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方 面的研究，目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī) 器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國(guó)際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家 相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國(guó)家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒 有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面， 我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀?1.2.4 國(guó)外機(jī)器人的最新發(fā)展 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 工業(yè)機(jī)器人 （1）機(jī)器人操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用， 機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器 人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材 料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的 RV 減速器及交流伺服電機(jī)， 使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。 （2）并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī) 器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大 利 COMAU 公司，日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 （3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)器人發(fā)展到 現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友 好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離 線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 （4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用， 并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大 提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本 KAWASAKI、YASKAWA、FANUC 和瑞典 ABB、德國(guó) KUKA、REIS 等公司皆推出 了此類產(chǎn)品。 （5）網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國(guó) KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn) 了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化 應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。 （6）可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的 可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF 一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá) 到 5 萬小時(shí)，幾冬天可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 先進(jìn)機(jī)器人 近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。 像海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自 動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化 和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 （1）水下機(jī)器人：美國(guó)的 AUSS、俄羅斯的 MT-88、法國(guó)的 EPAVLARD 等水下機(jī)器 人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、 以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無纜水下機(jī) 器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 （2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿 大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。如美國(guó) NASA 的空間機(jī)器人 Sojanor 等。Sljanor 是 一輛自主移動(dòng)車，重量為 11.5kg，尺寸 63048mm，有 6 個(gè)車輪，它在火星上的成功 應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。 （3）核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重 量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動(dòng)機(jī)器人。已 完成的典型系統(tǒng)，如美國(guó) ORML 基于機(jī)器人的放射性儲(chǔ)罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操 作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，德國(guó)的 C7 靈巧手等 （4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主 要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技 術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修 用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。 （5）醫(yī)用機(jī)器人：醫(yī)用機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī) 器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開展臨場(chǎng)感外科 （telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、 德等國(guó)家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計(jì)劃、袖珍機(jī)器人（biomed ） 計(jì)劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。 （6）建筑機(jī)器人：日本已研制出 20 多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制 件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有 和。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻 安裝機(jī)器人等型號(hào)的研制、并開展了傳感器、移動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)自動(dòng)化施工方法等基礎(chǔ) 研究。英、德、法等國(guó)也在開展這方面的研究。 （7）軍用機(jī)器人：近年來，美、英、法、德等國(guó)已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、 嗅和角摸能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方 目標(biāo)的功能。如美國(guó)的 Navplab 自主導(dǎo)航車、SSV 半自主地面戰(zhàn)車，法國(guó)的自主式快 速運(yùn)動(dòng)偵察車（DARDS ） ，德國(guó) MV4 爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國(guó) ORNL 正在研制 和開發(fā) Abrams 坦克、愛國(guó)者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人。 可以預(yù)見，在 21 世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類 良好的助手和親密的伙伴。 1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能 化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下 10 個(gè)方面： （1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高 負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 （2）機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、 圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式 控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程 的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 （3）多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題 解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平 穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 （4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 （5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié) 調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯 示進(jìn)行遙控等。 （6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器 人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 （7）多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主 要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和 規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 （8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì) 引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的 影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技 術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 （9）軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器 人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要 求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī) 器人對(duì)人是友好的。 （10）仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一 些基礎(chǔ)研究。 1.3 課題的研究?jī)?nèi)容與方法 本次課題主要是研究回形偏交型手腕和電驅(qū)斜楔式夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為了了解機(jī) 械手的構(gòu)造與工作原理，在老師的帶領(lǐng)下，我和組員一起來到沈陽(yáng)新松機(jī)器人股份有 限公司進(jìn)行參觀和學(xué)習(xí)，實(shí)地考察了該廠生產(chǎn)的機(jī)器人產(chǎn)品，并了解到該產(chǎn)品的多功 能用途在日常生產(chǎn)中的應(yīng)用。經(jīng)過查閱相關(guān)資料結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步 設(shè)計(jì)，并對(duì)各部分的尺寸進(jìn)行初步選取，然后進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)過理論設(shè)計(jì)合格后， 再經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)可行后，才可投入使用。 具體內(nèi)容與方法： 1）了解機(jī)器人手腕及夾持器的工作原理及結(jié)構(gòu)，參閱相關(guān)資料，制定出設(shè)計(jì)方 案并完成外文資料翻譯； 2）根據(jù)給定的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，完成電機(jī)的選擇及傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算； 3）主要零部件的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算（彈簧、夾爪齒輪、錐齒輪、軸、帶輪等） ； 4）其它如系統(tǒng)潤(rùn)滑、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性分析等； 5）繪制工程圖紙：總裝配圖 1 張、部件裝配圖 2 張、零件圖 3-4 張； 6）編制、打印設(shè)計(jì)說明書和圖紙。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 2 工作原理及設(shè)計(jì)方案 2.1 斜鍥式夾持器工作原理 圖2.1 工業(yè)機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu) 斜鍥式夾持器通過圓弧齒輪與齒條嚙合使夾抓開合夾持物品。擺動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū) 動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸帶動(dòng)齒條花鍵軸向下運(yùn)動(dòng)，如上圖 2.1，齒條花鍵軸向下運(yùn) 動(dòng)時(shí)壓縮彈簧并通過圓弧齒輪與齒條嚙合使兩個(gè)夾爪張開；閉合時(shí)，馬達(dá)帶動(dòng)齒條 花鍵軸向上運(yùn)動(dòng)，圖 2.1 中齒條花鍵軸在壓縮彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)使夾抓閉合， 夾持住物體，所需的夾持力是預(yù)先給壓縮彈簧施加的預(yù)緊力。液壓馬達(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒 輪齒條：（見圖 2.1） 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 2.2 設(shè)計(jì)方案 1、實(shí)現(xiàn)齒輪軸旋轉(zhuǎn)； 2、通過齒輪軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條使兩個(gè)夾爪張開，實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作； 3、通過法蘭與手腕的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)空間旋轉(zhuǎn)； 4、通過電機(jī)的反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒條花鍵軸向上運(yùn)動(dòng)，而彈力推動(dòng)活板上的彈簧也恢復(fù) 到預(yù)緊狀態(tài)，從而使夾抓閉合夾緊。 2.3 可行性分析 2.3.1 傳動(dòng)方案的選擇 1、齒輪齒條傳動(dòng)：效率高、精度好，剛度好，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式變化； 2、蝸輪傳動(dòng)：大速比，交錯(cuò)軸，體積小，回差響應(yīng)小，剛度小，轉(zhuǎn)矩大效率低， 發(fā)熱大，常需用價(jià)格較貴的青銅材料，制造精度要求高； 3、諧波傳動(dòng)：大速比，同軸線，響應(yīng)快，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大； 4、方案比較：經(jīng)比較，齒輪齒條和諧波傳動(dòng)較好，但諧波傳動(dòng)定位比較困難， 因此，選用方案 1 齒輪齒條傳動(dòng)。方案 3 備選。 2.3.2 精定位裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想 1、棘輪配合電磁鐵； 2、內(nèi)棘輪配合電磁鐵； 3、超越離合器配合電磁鐵。 驅(qū)動(dòng)方式：采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 通過分析計(jì)算，查閱相關(guān)的資料，利用計(jì)算機(jī)完成各框架部分以及裝配圖和 零件圖的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)解決各種技術(shù)問題。 由于液壓馬達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓馬達(dá)的效率不斷提高，因而使用液壓馬 達(dá)驅(qū)動(dòng)更為可靠方便，設(shè)備的可改造性也更好，可控性，可精密操作性比其他驅(qū) 動(dòng)方式更好因此選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 在電機(jī)的各種種類中，其中一種為液壓馬達(dá)，它比其它種類電機(jī)相比有以下 優(yōu)點(diǎn)： 1、傳動(dòng)效率高、精密性好、重量輕、反應(yīng)快； 2、工作平穩(wěn)，能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，還可以在運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)速； 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 3、已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，具有較大的機(jī)動(dòng)性。 由于傳動(dòng)的精密要求和夾持器的夾抓需要張開一定角度等要求，因此選用液 壓馬達(dá)傳動(dòng)。 綜合比較本方案較好，成本較低，方案合理。 2.4 機(jī)器人回形偏交型手腕的工作原理 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及工作原理 圖 2.2 工作原理圖 （1）置于小臂后部的電機(jī)，通過同步帶 1 傳動(dòng)，帶動(dòng)腕殼轉(zhuǎn)動(dòng)，完成末桿繞自身 軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）置于小臂后部的電機(jī)，通過同步帶 2 傳動(dòng)，經(jīng)錐齒輪副 3、4 嚙合，帶動(dòng)腕殼 轉(zhuǎn)動(dòng)，完成末桿繞自身軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)。 （3）置于手腕后部的電機(jī)，通過聯(lián)軸器 5，經(jīng)錐齒輪副 6、7 嚙合，完成末桿繞自 身軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 夾持器的計(jì)算 3.1.1 受力分析 已知夾持物圓柱體半徑 =50mm，高度 =51mmRh 則被夾持物體的重量 G= N6.308.91.705. 322 g 查得 = ，根據(jù)夾持力計(jì)算公式f136.0 P 2Qf （3.1） 即有 =42.5N，取 =50NPN2136.021N 在豎直方向有 sin =1oo24sin 綜上可解得： 9.8， 則每個(gè)夾爪受力 = 39.8NFo2o1cs3N3cs 夾爪齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 = =39.8118=4696.4N.mmTL 3.1.2 夾爪齒輪的計(jì)算 設(shè)齒條速度 =0.1vsm 初選齒輪的齒數(shù) =21z 初選齒輪為 7 級(jí)精度的直齒圓柱齒輪；材料選用 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼，硬度為 280HBS； 齒條材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：o1 由文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 32)(12.HEdtt ZuTK （3.2） （1）確定公式內(nèi)各計(jì)算參數(shù)數(shù)值 1）試選載荷系數(shù) =1.3tK 2）由于懸臂布置，則取 =0.4d 3）齒條齒輪傳動(dòng)，所以 1u 4）由文獻(xiàn)3表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) =189.8EZ21Mpa 5）由文獻(xiàn)3圖 10-21d 接 MQ 級(jí)質(zhì)量要求查得齒輪的觸疲勞強(qiáng)度極限 Mpa；齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限 580Mpa7501limH lim2H 6）取圓弧齒輪與齒條的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) = =1N280. 7）由文獻(xiàn)3圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 1.21HNK 8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（10-12）得 Mpa825701.lim11 SKHNH （3.3） pa638501.2lim2 SHNH （2）計(jì)算 1）試算圓弧齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值tdH32)(12.Edtt ZuTK =2.32 3 2)638.9(4.0 =25.65mm 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 2）計(jì)算齒寬 b = = tdm26.105.40 （3.4） 3）計(jì)算齒寬與齒高之比 hb/ 模數(shù) mm 2.165.2/zdmtt （3.5） 齒高 mm 7.th （3.6） =10.26/2.75=3.73hb/ 4）計(jì)算載荷系數(shù) a）由于工作機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，則使用系數(shù) 1AK b）據(jù) =0.1m/s、7 級(jí)精度，由文獻(xiàn) 3圖 10-8 查得動(dòng)載系數(shù)v 1VK c）直齒輪，有 = =1HKF d）由文獻(xiàn)3表 10-4 用插值法查得 7 級(jí)精度、圓弧齒輪相對(duì)支承懸臂 布置時(shí)， =1.154；由 =3.73， =1.154 查圖 10-13 得Hhb/HK =1.14F 則 154.1HVAK （3.7） 5）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（10-10a） =24.65mm 33 .1/54.6.2/ttd （3.8） 6）計(jì)算模數(shù) mm17.265.4zdm 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)o2 由文獻(xiàn)3公式 10-（5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 332FSadYzKTm （3.9） （1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值 1）載荷系數(shù) 14.1FVAK 2）由文獻(xiàn)3圖 10-20c 材料按 MQ 級(jí)質(zhì)量要求查得圓弧齒輪的彎曲疲勞 強(qiáng)度極限 ，齒條的彎曲強(qiáng)度極限Mpa6201limF Mpa5702limF 3）按文獻(xiàn)3圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 8.1NK 4）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式（10-12）得 Mpa3.51.62081lim1 SKFNF （3.10） pa325.17082lim2 SFNF 5）由查文獻(xiàn)3表 10-5 取齒形系數(shù) ，6.1FaY06.2Fa 齒輪應(yīng)力校正系數(shù) ，6.1Sa972S 6）計(jì)算齒輪、齒條的 并加以比較F 0126.3.57621FSaY （3.11） ，齒條的數(shù)值大。01256.397.622FSa （2）設(shè)計(jì)計(jì)算： 2FSadYzKTm 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) mm 320156.4.06919. 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算m 的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面解除m 疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 0.91mm 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 =1.0mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 =24.65mm，算出圓弧d 齒輪齒數(shù) = 25z65.240.1md 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng) 度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi) 幾何尺寸計(jì)算o3 （1）計(jì)算分度圓直徑 =251.0=25mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取 =52mm， =2.0mm，則zmd dm =26z （2）計(jì)算齒輪寬度 = =0.452=20.8mmbd （3）齒條幾何尺寸計(jì)算 模數(shù) =2.0mm，壓力角 = ，齒頂高 ，齒根高mo20m2ahm5.2fh 3.1.3 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）圓弧齒輪受的圓周力 N6.18054.69dTFt 每個(gè)彈簧的預(yù)緊力 3.1802t （2）選材：該彈簧在一般載荷條件下工作，選用第類碳素彈簧鋼絲 C 級(jí) （3） 選旋繞比 =6,根據(jù)文獻(xiàn)3式（16-4）算得C 曲度系數(shù) = K25.16.04C （3.12） （4） 根據(jù)螺柱尺寸初選彈簧中徑 =20mm，則 = Ddm3.CD 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) （3.13） 查文獻(xiàn)3表 16-3 得 Mpa805.Mpa160BB， 則 （5）試算彈簧絲直徑，由文獻(xiàn)3式（16-3）可得 KCFdmax. （3.14）1）夾爪夾持物體時(shí)，取彈簧圈數(shù) =20，查表 16-2 得n =81000Mpa，則由G 文獻(xiàn)3式（16-5）算得 彈簧壓縮量： m57.13.81026931 GdnFC （3.15） 2）夾爪完全張開時(shí)，彈簧的壓縮量 2.7360o2d 則 m8.75.12max 3）計(jì)算 ，由式（16-6）得FN80.32068.383maxa nCGd ，圓整得 m7.65.1.16.1axK d=3mm （6）根據(jù)變形條件計(jì)算彈簧工作圈數(shù) ，由式（16-6）得n ,圓整取 =2002.18.30268.83max CFGdn n （7）計(jì)算彈簧相關(guān)尺寸： 中徑 = =63=18mmDd 內(nèi)徑 m2138153-821 dD， 外 徑 節(jié)距 =0.4 =0.418=7.2mmp 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 自由長(zhǎng)度 m15032.7020 dnpH 螺旋角 ，在 5 之間 o36.8.arctnarctDo9 （8）在最大載荷作用下，彈簧各圈之間要保留一定的 ，并且在自由狀態(tài)下，彈1 簧個(gè)圈之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g距 ： = =7.2-3=4.2mmdp 由 得1maxn 0.2m6.1208.34.7max1 n 3.1.4 液壓馬達(dá)的選擇 完成動(dòng)作所需的最小功率為 vFpt （3.16） 此時(shí)夾爪完全張開，每個(gè)彈簧的壓縮力： =302.80NmaxF 則齒輪齒條傳動(dòng)的圓周力： N6.058.322axt W.1.605tvFp 電機(jī)所需要的功率 聯(lián)承齒齒電 2 p W52.13096.8.09.568.022 聯(lián)承齒齒電 pp 因?yàn)閭鬟f功率小，轉(zhuǎn)速低，且能實(shí)現(xiàn)花鍵齒條軸的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù) 文獻(xiàn)4選擺動(dòng)液壓馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置如下： 表 3.1 擺動(dòng)液壓馬達(dá) YMD30 擺角：0 270o 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 額定理論轉(zhuǎn)矩 m.N/排量 1r.L/額定理論起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 N.m/重量 kg/內(nèi)泄漏量 1mL.in/ 71 30 24 5.3 315 （1） 由文獻(xiàn)5式（3-27）得 301Vnq （3.17） 已知容積效率 ，排量 ，轉(zhuǎn)速 r/min97.0rml/3160n 1.86L/min30.61Vnq （2） 由文獻(xiàn)5式（3-29）得功率 = PpVn （3.18） 入口壓力和出口壓力差 Mpa14p =PW206314pVn 此液壓馬達(dá)滿足條件。 3.1.5 齒輪齒條傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 初選齒輪的齒數(shù) =24z 初選齒輪為 7 級(jí)精度的直齒圓柱齒輪；材料選用 40Cr 調(diào)質(zhì)鋼，硬度為 280HBS； 齒條材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)o1 由文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即 32)(12.HEdtt ZuTK （1）確定公式內(nèi)各計(jì)算參數(shù)數(shù)值 1）試選載荷系數(shù) =1.3t 2）計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) m.N1396605.1.9105.936 npT （3.19） 3）由表 10-7，兩支承相對(duì)齒輪做對(duì)稱布置，則取 =1.0d 4）齒條齒輪傳動(dòng)，所以 1u 5）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) =189.8EZ21Mpa 6）由圖 10-21d 接 MQ 級(jí)質(zhì)量要求查得齒輪的觸疲勞強(qiáng)度極限 Mpa；齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限 580Mpa7501limH lim2H 7）取圓弧齒輪與齒條的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) = =1N280. 8）由圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 1HNK 9）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) =1，由式（10-12 ）得SMpa825701.lim11 SKHNH63.2li2 （2）計(jì)算 1）試算圓弧齒輪分度圓直徑 ，代入 中較小的值tdH32)(12.HEdtt ZuTK =2.32 3 2)638.9(0.196 =24.01mm 2）計(jì)算圓周速度 v = v sm075.160.24160ndt （3.20） 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 3）計(jì)算齒寬 b = =tdm01.24.01 4）計(jì)算齒寬與齒高之比 h/ 模數(shù) mm./zmtt 齒高 mm， =24.01/2.25=10.67250125.th hb/ 5）計(jì)算載荷系數(shù) a）由于工作機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，則使用系數(shù) 1AK b）據(jù) =0.075m/s、7 級(jí)精度，由圖 10-8 查得動(dòng)載系數(shù)v 1VK c）直齒輪，有 = =1HKF d）由表 10-4 用插值法查得 7 級(jí)精度、圓弧齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí)， =1.309；由 =10.67， =1.309 查圖 10-13 得Hhb/HK =1.29F 則 309.1.1HVAK 6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（10-10a） =24.07mm 33 ./09.24/ttd 7）計(jì)算模數(shù) mm.17.zm 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)o2 由文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式： 32FSadYzKT （1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值 1）載荷系數(shù) 29.1.1FVA 2）由圖 10-20c 材料按 MQ 級(jí)質(zhì)量要求查得圓弧齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極 限 ，齒條的彎曲強(qiáng)度極限Mpa6201limF Mpa5702limF 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 3）按圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 85.021FNK 4）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) =1.4，由式（10-12）得SMpa3.51.62081lim1 KFNF.72li2SFF 5）查表 10-5 取齒形系數(shù) ，651FaY06.2Fa 齒輪應(yīng)力校正系數(shù) ，8.S971S 6）計(jì)算齒輪、齒條的 并加以比較Fa019.3.58621FSaY ，齒條的數(shù)值大。256.72FSa （2）設(shè)計(jì)計(jì)算 mm 32FSadYzKTm320156.40.139682. 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由吃面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度m 計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) 的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而m 齒面解除疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得 的模數(shù) 0.82mm 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 =1.0mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 =24.07mm，算出圓弧齒輪齒數(shù)d = 25z07.24.1md 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲 勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi) 幾何尺寸計(jì)算o3 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) （1）計(jì)算分度圓直徑 =251.0=25mmmzd （2）計(jì)算齒輪寬度 = =1.025=25mmbd （3）齒條幾何尺寸計(jì)算： 模數(shù) =1.0mm；壓力角 = ；齒頂高 ；齒根高mo20m1ahm25.1fh 按結(jié)構(gòu)對(duì)大齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)o4 分度圓直徑： ，5.4925.0.125.02f ）（）（ dhd 為花鍵軸寬度的一半 由于大齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置，選 =0.9，d =bm95.40.902d 計(jì)算夾爪完全打開的時(shí)間o5 = ，在 0.5s 之內(nèi)。t s36.0752360ovl 3.2 腕的計(jì)算 3.2.1 電機(jī)的選擇 電機(jī)選擇計(jì)算部分由參考文獻(xiàn)3得 1、傳動(dòng) 當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至水平方向時(shí),此傳動(dòng)受摩擦轉(zhuǎn)矩最大,按此轉(zhuǎn)矩來選所需 電機(jī)。計(jì)算軸承摩擦力引起的轉(zhuǎn)矩： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 圖 3-1 力的分析 =3401MmN816024N17.2013682N46G13 = + +TNfr13f2fr =12000.00322+4760.00322+12000.00317.5=173.6 mN 輸出功率： W5.060321.73TPW （3.21）總效率： 9.7.96.33齒帶承總 所需電機(jī)功率： 1.09.5總wr （3.22） 取 ，2.5i帶 1i齒 5.2齒帶減 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) （3.23） 所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩： mN67.5.23019950減nipTrr （3.24） 根據(jù)轉(zhuǎn)矩由參考文獻(xiàn)6選步進(jìn)電機(jī) 36BF003 靜態(tài)力矩：78 mN 2、傳動(dòng) 當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至水平方向時(shí),此傳動(dòng)受轉(zhuǎn)矩最大,按此轉(zhuǎn)矩來選所需電機(jī)。 輸出功率： W5.186032.24Fvpw 總效率： 097.9.26齒帶承總 所需電機(jī)功率： 2185.rP 取 ， ，2.5i帶 1i齒 i2齒 則 3.齒齒帶減 所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩： mN2.513076.295950減inpTrr 根據(jù)轉(zhuǎn)矩由參考文獻(xiàn)6選步進(jìn)電機(jī) 130BYG4501 轉(zhuǎn)矩：27000N.mm 3、傳動(dòng) 由于此傳動(dòng)是完成 自由度的旋轉(zhuǎn),而此自由度主要目的是在手腕進(jìn)行 旋轉(zhuǎn) 時(shí)使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)地面保持不轉(zhuǎn)，所以 的轉(zhuǎn)速與 大小相同但方向相 反，轉(zhuǎn)速 。當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至水平方向時(shí),此傳動(dòng)受摩擦轉(zhuǎn)矩min/30r 最大,按此轉(zhuǎn)矩來選所需電機(jī)。 計(jì)算軸承摩擦力引起的轉(zhuǎn)矩： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 圖 3-2 力的分析mN4152073201 M61NN20745201 m.N1623.21 frfNT 輸出功率： W5.0016TPW 總效率： 92.7.9.44 齒聯(lián)承總 所需電機(jī)功率： 5.02.1總wr 取 ，則1i齒 齒減 i 所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩： mN08.1753.950950減nipTrr 根據(jù)轉(zhuǎn)矩由參考文獻(xiàn)6選步進(jìn)電機(jī) 45BF04 靜態(tài)力矩：196 mN 3.2.2 錐齒輪設(shè)計(jì) （1）選擇齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1）選用標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 2）選用 8 級(jí)精度 3）材料選擇小齒輪 30CrMnSi，調(diào)質(zhì)硬度為 360HBS；大齒輪 30CrMnSi 調(diào)質(zhì)， 硬度為 310HBS 4）取 =22，i=1.2， = = 取 =27。為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，按齒1Z2Z1u.26.42Z 輪接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)算，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 （2）按齒輪接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)算，由文獻(xiàn)3式（10-26）得 3 2R12HEt1 5.0Z9. uKTd （3.25） 1）試選載荷系數(shù) 。3. 2）材料的彈性影響系數(shù) Mpa8.19EZ 3）齒寬系數(shù) .0R 4）由文獻(xiàn)3圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極 限分別是 ，pa851limHpa802limH 5）應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 130.26inrni齒 76180365.10hNjL （3.26） 7712.305.2i （3.27） 6）由文獻(xiàn)3圖 10-19 查得接觸疲勞系數(shù) ，95.01HNK12HN 7）計(jì)算接觸疲勞壽命許用應(yīng)力，取失效率為 1%,安全系數(shù) S=1.1 由文獻(xiàn)3式（10-21）得 Mpa7341.95081Hlim1 SKN （3.28） 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) ，取Mpa721.802Hlim2 SKN2H 8）計(jì)算齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 ，W28.97.09.58221齒承 wP130.26minrni N.mm.5361511 nT （3）計(jì)算 1）試算小齒輪分度圓直徑 3 2R12HEt1 5.0Z9.2uKTd =2.92 3 22 .13.3.8978. =76.41mm 2）計(jì)算圓周速度 m/s14.063.7106ndvtm 3）計(jì)算載荷系數(shù) AVHK 由文獻(xiàn)3表 10-2 得 1AK 由文獻(xiàn)3圖 10-8 中低級(jí)精度和 求得mv02.1VK 齒間載荷系數(shù) 及 可取 1HF 由文獻(xiàn)3表 10-9 得 .beK 則 65.5.1HFK （3.29） =1 AVH83.1.02. （3.30） 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 4）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由文獻(xiàn)3式（10-10a）得 mm 28.3.164.733t1 tKd （3.31） 由于考慮結(jié)構(gòu)和零件安裝和選取，所以取 =90mm1d ，取 =110mmm1082.912id2 5）計(jì)算模數(shù) n ，取 =4mm09.421zm m47.3)05.1(.5. ）（ Rn （3.32） 6）計(jì)算小錐齒輪相關(guān)參數(shù) 齒頂高 mm，41amh 齒根高 mm8.42.0f ）（）（ c 錐距 = mmR9.71.