自动化生产线搬运机械手的设计和控制【含10张cad图纸+文档全套资料】

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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 its multi-agency convergence desired combination of joint development also contributed to the development of these disciplines. In this paper, the structural design of the articulated robot and complete drawings and part drawings assembly drawing. Requirements for the robot model is analyzed to estimate the motor of each joint, full selection of the desired torque and power. Complete articulated robot programming, design, structural design, manipulator kinematics model analysis, inspection, analysis robot models, key components design and production process of doing robot model intensity, plotted in Fig. 3D. Keywords: arm, structural design, articulated robot, motor 目 录 摘 要 II Abstract 1 1 绪论 1 1.1引言 1 1.2 搬运机械手研究概况 2 1.2.1 国外研究现状 2 1.2.2 国内研究现状 2 1.3 搬运机械手的总体结构 3 2 总体方案设计 5 2.1 技术参考数据 5 2.2 搬运机械手工程概述 5 2.3 工业搬运机械手总体设计方案论述 6 2.4 机械手机械传动原理 7 2.5 机械手总体方案设计 8 2.6 本章小结 9 3 机械手大臂部结构 10 3.1 大臂部结构设计的基本要求 10 3.2 大臂部结构设计 11 3.3 大臂电机及减速器选型 11 3.4 减速器参数的计算 12 3.5承载能力的计算 16 3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 16 3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 16 4 小臂结构设计 21 4.1 手指的相关设计与计算 21 4.2 手爪结构设计与校核 21 4.3 结构分析 23 4.4计算分析 23 4.5 腕部设计 24 4.5.1 手腕偏转驱动计算 24 4.5.2 手腕俯仰驱动计算 34 4.5.3 电动机的设得 35 4.6 小臂部结构设计 37 4.7 小臂电机及减速器选型 37 4.7.1.传动结构形式的设得 38 4.7.2.几何参数的计算 38 4.8 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 39 4.8.1柔轮齿面的接触强度的计算 39 4.8.2柔轮疲劳强度的计算 40 4.9 轴结构尺寸设计 41 4.10 轴的受力分析及计算 42 4.11　轴承的寿命校核 43 5 机身设计 46 5.1 步进电机设得 46 5.1.1 计算输出轴的转矩 46 5.1.2 确定各轴传动比 48 5.1.3 传动装置的运动和动力参数 48 5.2 齿轮设计与计算 51 5.2.1 高速级齿轮设计与计算 51 5.2.2 低速级齿轮设计与计算 55 5.3 轴的设计与计算 58 5.3.1 输入轴的设计与计算 58 5.3.2 中间轴的设计与计算 61 5.3.3 输出轴的设计与计算 63 5.4 轴承的校核 65 5.4.1 输入轴上轴承寿命计算 65 5.4.2 中间轴上轴承寿命计算 66 5.4.3 输出轴上轴承寿命计算 67 5.5 键的设得和校核 69 5.5.1 键的设得 69 5.5.2 键的校核 69 6 液压系统图 70 7　搬运机械手PLC控制系统设计 71 7.1 搬运机械手的工艺过程 71 7.2 PLC 控制系统 71 7.2.1 确定输入/输出点数并设得 PLC 型号 71 7.2.2 分配 PLC 的输入/输出端子 72 7.2.3 所需元器件明细表 72 7.3 PLC 控制系统程序设计 73 总 结 77 参考文献 78 致 谢 79 1 绪论 1.1引言 搬运型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多搬运运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂搬运领导的多搬运臂运动。 1959年成为世界上第一个工业多搬运手臂运动的诞生，创造发展胳膊的新时代的多搬运。随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展。加藤一郎，日本早稻田大学手臂搬运和更多的世界知名专家，教授说：“一个很大的特点，多搬运手臂运动应该有工作。”的方式是，在自动化程度高的，电力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过，“神造人的两条腿是最美丽的杰作。”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低，无论是在地面上，而且在非结构化地形复杂，适应性良好的环境状态。为了延长多搬运型机器人的功能和应用开辟无限广阔的发展前景。 研究搬运型机器人的原因和目的，主要表现在以下几个方面：机构的发展，使他们对结构性和非结构性的工作，许多圈子，而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务，如假肢。系统动力学与在此领域丰富的研究，其研究和臂运动更加危险的机器的扩展，多搬运臂的运动可以作为一个多搬运臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。 多搬运臂的运动的定义，世界上唯一的格式是不一样的。手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多搬运运动的定义：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作，尤其是对物料输送，传动部件。参照国际定义，和语言的组合的中国多臂搬运的定义如下： 机械手的多搬运运动是一个独立的行动，更自由，灵活地改变程序，它可以放置在任何地方，自动化程度高的机器的自动化。汽车油漆或其他涂料行业铰接多搬运运动E'可用。 多搬运运动臂高刚性臂，与其它可能的相比，必须要快，能够进行重的东西，且精度非常高，可以基于外部信号，各种自动操作的。 处理的多搬运臂的运动是一个计算机可编程的自动控制装置的控制下。使用的多搬运运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率，生产过程的自动化，改善了工作条件，并降低了劳动强度的有效手段。诞生和多搬运手臂运动的发展，虽然只有30岁，但已经应用到国民经济的许多部门，民间的技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力[1-2]。 1.2 搬运机械手研究概况 1.2.1 国外研究现状 人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出​​的议案非常形象化的描述。 真正研究机构运动多搬运全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多搬运实地达到的运动的最重要的进展的团队。 在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的搬运机械手都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔•罗多搬运运动学专家鲍宾控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况[1]的中心。 在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro- shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。 稳定性研究手臂动作的多搬运，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多搬运“减少型”问题的复杂性进行了研究。 此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的搬运和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。 1.2.2 国内研究现状 国内前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动搬运臂，中国的高科技“863”水平运动臂包括于1987年。目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多搬运型机器人技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩。 1986年哈尔滨工业大学，他开始研究最为搬运臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70千克多的企业，率先成功开发进度有10个自由度，以到达地面上的线，左，右，以及运动，上下楼梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量为42千克，长度103厘米，它是12个自由度，以实现一个步骤每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在开发第四乐章的下一个多搬运臂，身体52度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多搬运运动[3-7]。 在1988年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂多搬运KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，每秒40厘米，四步开发的最大速度，在1989年今年的步伐，我们开发了一种空间KDW-II，具有10个自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990年两纵缝互联网KDW-II，在KDW-Ⅲ开发的，有12个自由度，并添加函数曲线，以获得完整的测试环境。 1995年在步骤20厘米0.8秒〜22厘米，13度的最大角度动态的步伐。 2000年KDW-III中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期，1.4男，为20 kg的多搬运的动作，有头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，和一定程度的语言功能[8-13]中。 此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接THBIP-I，高七米，体重130千克，32自由度的支持清华大学985项目，该项目是。南京航空航天大学有八个自由度机械手搬运间隙静态函数[13,14]的发展。 本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多搬运手臂动作。此时，单臂，多搬运运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多搬运的动作并不多，但也有六条腿，已经出现四腿臂多搬运运动，但多搬运手臂运动尚不多见。我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多搬运的动作。子功能是：替代大步，摇摇头，摆动手臂，摆臂。 1.3 搬运机械手的总体结构 搬运型机器人和部分整体关系的概述： 它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统。 1.执行系统：公用部分的执行系统管理部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。 1.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆。 2.手腕，手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。 3.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个搬运，在基座的任何类型的动力传输。 D：机身，多铰接臂基部，支撑辊，由臂部件支承，并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务。 2.驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备。通用机械传动，机械传动和电气，气动，电动。 （3）操作系统：驱动控制系统，该系统的根据工作，故障报警或错误的信号的要求执行。 （4）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置，保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。 实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多搬运运动，显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作，单臂，多联合动作是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势，具有广阔的发展前景[4-8]。 2 总体方案设计 2.1 技术参考数据 一个底座，一个搬运型机械手。式子里，，机械手的末端为夹板型，夹板的尺寸要求能夹起一箱伊利纯牛奶（4×4盒），其他尺寸视情况自拟。 图2.1　机械手 经常测量市场上某一箱伊利纯牛奶（4×4盒）的外形尺寸为220mmX220mm. 2.2 搬运机械手工程概述 搬运机械手是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人找出有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多搬运运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。 从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征： 1.机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。 2.作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。 （3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。 （4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。 所以，在设计机器人时，不仅要注意搬运运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多搬运臂的动作的功能要求，子系统，多臂搬运，合理，产品的性能，需要在多搬运臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂搬运如下：在操作机器，是最大的，单臂多搬运的运动来完成的任务，式子里，包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，式子里，包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通​​信的I / O 14]内部和外部传感器和其他设备（一般或特别。 特征行业臂多搬运运动是普遍的调整，灵活的臂工业多搬运运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，焊接，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多搬运臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多搬运是参考系统。 2.3 工业搬运机械手总体设计方案论述 （一）确定负载 目前，国内工业用运动的多搬运臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章5公斤载荷。 负载的大小主要取决于由于运动的沿的作用力和夫妇的机械接口上的多搬运臂的运动的方向。式子里，下臂应该包括端部执行器的更搬运运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。 （二）驱动系统 由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多企业等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。 （三）传动系统 动臂多搬运运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多搬运通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波钢等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握更扎实的传输，所以这个设计设得的旅行。 （四）工作范围 操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多搬运的多搬运臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多搬运机械手，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所设得的搬运轴的每个角的 （五）运动速度 每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（°）/ s的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表做他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。 2.4 机械手机械传动原理 搬运机械手的本体结构组成如图： 图2.2　搬运机械手本体组成 本节描述的所有以下列方式的组件和功能。 基本单位： 基座构件包括底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。基本作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，承受的工作负载的总重量和搬运机器人，所述碱必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外，该碱也需要一个足够大的安装基础，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。 搬运机器人臂，通常会导致驱动臂运动（例如，液压，气动或一个马达）和一个驱动源（例如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等各种运动臂组成的组件的） 手臂大臂和小臂。繁荣的成员如下：动臂和齿轮件，驱动电机。在臂构件：臂，驱动轴，皮带，定时等，以手腕运动用步进固定臂的电动机驱动的一端。腕部分：包含列表壳体，传动齿轮和轴，所述机械接口。 2.5 机械手总体方案设计 搬运机械手的结构形式的机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标的结构，该多接头结构4。的结构和它们的相应特征中的每一个，如下所述[3]。 1.直角坐标结构 运动空间直角坐标机器人，它是那么容易落实到闭环位置控制的线性运动，由于如图2-1（一），直角坐标机器人可以达到非常高的位置，实现各有三个其他存在的由垂直的直线运动精度（[μ]中号步骤）。然而，直角坐标相对于空间机器人的运动有关的机器人的结构的尺寸，这是比较小的。因此，为了实现恒定的空间运动，大于机器人比其他类型的矩形机器人结构尺寸的组织尺寸坐标。 直角坐标机器人的工作区是矩形空间。直角坐标机器人主要用于组装和搬运，直角坐标机器人的业务，它具有悬臂门，三起重机类型的结构。 2.圆柱坐标结构 如在图2-1（B）中，空间气缸所示，调整直线运动的运动并实现两个旋转运动和机器人。这种机器人的结构相对简单，并且能够在精度一般操作的处理中使用。它的工作空间是圆柱形的空间。 3.球坐标结构 如图2-1（c）中，该空间的运动是球形坐标机器人组成的直线运动实现两个旋转运动的。这个简单的机器人结构，成本低，精度不高。它将在主要业务的处理中使用。他们的工作空间是球形的空间。 4. 搬运型结构 如在2-1（d）所示，为了实现一个空间移动搬运机器人包括三个旋转运动。多搬运机器人的运动是一个灵活，结构紧凑，占地面积小。规模相对机械手本体，其相对较大的工作空间。这种机械手是广泛焊接，涂装，搬运，组装，以及使其它操作被广泛用于在这种类型的机器人的，它是在工业中使用。 搬运型机械手结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 搬运型 图2-1 四种机械手坐标形式 根据任务书和具体要求，我们，事实上，设得了搬运型（D）。 特定的形状和特定的要求机器人数控机布局，设计要求兼顾处理工件到5KG质量能够简化结构，降低只要，由于考虑到会议系统的技术要求的前提下，以改善这种设计的可靠性和具体的成本。大机器人臂的运动范围和更高的定位精度，用一个腰部转动自由度六个自由度，以及自由设计的悬臂和臂腕音调的转动节距自由前臂，转动自由度的机械手。在本文的臂结构的设计要求的尺寸，因此，需要实现一个大热潮，俯仰自由，在该臂的详细设计的旋转臂机构的自由。 2.6 本章小结 为了确定解决方案，才能做出最终决定，通过设得多种方案，完成设计的机器人系统，本章后面英寸如，以确定机器人的整体设计，机器人，手臂，手腕，端部的腰部，中详细做了的设计的各个部分。 3 机械手大臂部结构 3.1 大臂部结构设计的基本要求 臂部件的主要成分是搬运机器人。它的作用是支持的手，带领他们腾出运动。臂移动类型：任意点的运动的空间范围内的一个手柄部。如果你已经改变了手（方位）合资的态度，以手臂来实现的自由。因此，我们设计成一般臂的基本要求。 1.手臂，能力，需要加载刚度好，重量轻 它通常是在臂，不仅弯曲（在一个方向上，而不是仅仅弯曲），由反向，由需要设得的高弯曲和横截面形状的抗扭刚度。显然，基本相同的按横截面，钢铁，工程单位重量的面积 字槽钢和转动惯量，比圆形大得多。因此，在搬运机器人的无缝钢管，不仅提高了在许多情况下（如图4.1和4.2）导杆，如工字钢，或所述臂的刚度，非常减少臂的重量，中空只更确切地说，被用作支撑槽钢，内置驱动器，因此，清爽使在紧凑，以及传输管道的外观，它可以被放置。 2.在臂的速度高时，也有小的惯性 在统一的手臂一般，运动，请求启动和力臂端，移动的减速时间开始，否则，冲击和振动，加速度和终止请求之前没有太大的影响为了减少，它已经改变了。 为了减小转动惯量，必须采取以下措施。 （A）成分，降低臂的重量以移动使用铝等轻质高强度材料。 （B）以减少手臂运动部件的总体尺寸 （C）减少转弯半径 （D）驱动系统中设有缓冲装置 （3）的运动的臂应该是灵活的。 为了减少摩擦和滑动摩擦的运动部件之间的摩擦力尽可能臂滚动代替。 （4）位置精度要高。 最困难的搬运转移机器人控制的位置，精度很差，通常是高直角坐标加上设置装置，用于搬运机器人的圆筒形位精度，检测臂上这意味着位置，可以控制一个更好的位置精度。 在本文中，其它机器人臂的刚度，减少了电机负载的底部接头，减少了臂的重量，以确保它能够提高机器人手臂的动态响应，一方面，薄铝设计合金构件。铸造铸型砂的设计的最小厚度。最小壁厚：具有其铸造合金，分别不同的铸造合金铸造的合适的厚度，“最小厚度可以是”浇铸，取决于类型的尺寸和合金铸件，相同是否，见表4.1所示： 铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 ＜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4.1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm） 它简单地砂铸造厂的结构设计，一个特殊的铸造工艺，铸造结构对应于每个不同的铸件和特性应根据来设计。在本文中，通过使用铸铝外壳手臂。具体尺寸，请参阅总装图。 3.2 大臂部结构设计 大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。 3.3 大臂电机及减速器选型 假设小臂及腕部绕第二搬运轴的重量： M2=2Kg， M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942 =0.16kg.m2 大臂速度是10r/min ，则旋转开始时的转矩用以下式表达：： 式子里，T - 旋转开始时转矩 N.m J --- 转动惯量 kg.m2 --- 角加速度rad/s2 使机械手大臂从到需要的用时：则： (3.4) 鉴于关于重心的机器人手臂的转动惯量的摩擦转矩轴的各个部分的，开始转动10N.m起动转矩，可以假设2的安全指数，期望的输出的谐波减速器最小转矩为： (3.5)设得谐波减速器： ⑴型号：XB3-50-120 （XB3型扁平式谐波减速器） 额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6) 设得BF反应式步进电机 型号：55BF003 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 3.4 减速器参数的计算 刚轮、柔轮的材料都是锻钢，小齿轮用45＃的材质，，硬度250HBS。 刚轮材料为45钢（调质），硬度220HBS。 1.齿数的确定 柔轮齿数： 刚轮齿数： 已知模数：，则 柔轮分度圆直径： 钢轮分度圆直径： 柔轮齿圈处的厚度： 重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将δ1计算值增加20%，即 柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度： 轮毂凸缘长度：取 柔轮筒体长度： 轮齿过渡圆角半径： 为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取 2.啮合参数的计算 由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数请看以下式子。 因轮齿扭矩的因素，使轮齿间隙减小的值为： （扭转弹性模数G=80GPa） 式子里，： W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m 为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 式子里，： 径向变形系数： 则： 径向变形系数： 柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算找出的，继续计算，设得2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。 柔轮齿根圆直径： 式子里，齿顶高系数;径向间隙系数 柔轮齿顶圆直径： 式子里，（找到相应表格设出） 相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。 即： 刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 设出插齿刀齿数，插齿刀变位系数，插齿刀原始齿形压力角，则 刚轮和插齿刀的制造啮合角： 找到渐开线函数表和三角函数的表格设出 那么刚轮和插齿刀的制造中心距： 插齿刀的齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙： 即： 可见沿波发生器长轴,在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径： 那么： 轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的 轴承内环厚度： 内环滚道深度： 式子里的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径： 为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。 则凸轮圆弧半径： 式子里，ｅ是偏心距： （---刚轮分度圆直径，---柔轮分度圆直径） 则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴： 凸轮短半轴： 3.5承载能力的计算 3.5.1 柔轮齿面的接触强度的计算 按照在非常靠近柔轮直线的谐波传动齿轮比特性和刚性轮比的齿数多的齿。因此，通过工作表面的齿侧的最大接触应力，主要的负载能力的实际谐波驱动的限制软。因此，谐波传动齿轮齿的软边，应符合下列条件的接触强度。 接触力计算公式： ---输出转矩 ---柔轮节圆半径 ---柔轮轮齿宽 ---刚轮压力角 ---接触系数（0.4~0.9） 对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力: 则： 所以满足齿面的接触强度要求。 3.5.2 柔轮疲劳强度的计算 柔轮材料采用 ,调制硬度229~269。 计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为: 截面处正应力： 切应力： 由扭矩产生的剪切应力： 式子里： 则： 验算安全系数： 疲劳极限应力： 应力安全系数： 式子里，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数： 达到疲劳强度要求。 轴的计算校核 画轴的受力分析图，轴的受力图请见下图： 已知：作用在刚轮上的 圆周力 径向力 法相力 1) 算出垂直面的支撑反力： 2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算 4） 绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 算出合成弯矩图： 按最坏的状态，把与直接相加 MA=+MAF= +41.1=70.1 N.m M'A=+MAF= +41.1=62.57 N.m 8) 算出轴传递的转矩： N.mm 9) 算出危险截面的当量转矩 请见下图，a-a截面最危险，其当量转矩为： 如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，设折合系数a=0.6，带入式子得出： 10） 算出危险截面处轴的直径 轴是45＃钢材，调质处理，从表格14-1找到并设出δB=650Mp,从表格 14-3找到并设出[δ-1b]=60Mpa,则： 考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，由此得出： d=22.8*1.05=24mm<32mm 满足条件 因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面。 它的弯曲截面系数是： 抗扭截面系数为： 弯曲应力为： 扭切应力为： 按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为： ， 从表格找到并设出45钢，调质处理，抗拉强度极限=640Mpa，则从表格找到并设出轴的许用弯曲应力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],强度满足要求。 4 小臂结构设计 4.1 手指的相关设计与计算 除了当满足抓取要求的设计的手中，不仅满足下列要求。 1.，从而使手指抓握的大小适合 确定握指（即夹紧力），它要么必须做缓慢的工作，以确保它不会脱落，但生产操作或发送工作过程中，应考虑和振动的重量和惯性力，握太浪费，可能会伤害到工作。 2.，它必须确保它是可能的，或者离开工作进入一个手指来平滑 伸缩手指容易抓地力，以确保有足够的夹紧间隔为工件的释放，其必须足够大以容纳直径大的开口角的范围。机动颚足够大范围的移动。 （3）具有其自身的重量和足够的强度和刚性的光 当由等于惯性力在工件运动，振动，被夹持在的反应的影响，但有足够的强度和刚度抵抗弯曲或断裂，需要机器人，结构简单紧凑，它必须是重量轻，并且手腕的扭转力矩，以便最小化，并且集中在旋转手腕轴。 （4），该操作是快速，灵活，精确，它也有必要容易地交换普遍机械手 这可以根据手，手吸附或把持类应用的手的专用工具（喷枪，扳手，焊接工具）的种类进行划分。 您正在使用的夹式设计，这样的分析和比较后的手中。手，从而形成结构类型的多样性，机器人直接抓取把手（或吸附）对象或特殊工具，部件应基于任务的工作的要求来设计，结构，手的大小它是执行把持作业的任务。手可以模仿动作已被安装在臂的前端。 握持手型 工件的夹手抓取形状具有很大的适应性，它已被广泛使用。这将随着钢丝钳或类似设备移动。 二，结构 剪辑手柄汽车，传输和手指（或脚），它意味着它是其它组分。最活塞筒驱动单元。公共传输链路机构，滑动机构，齿条和小齿轮机构或类似物可以被提及。两个手指共同手指，并且有许多其它形式的装置。手指的手指，工件和直接接触，形状结构的一部分，或者根据工件的形状被夹紧。通过模仿手指时，旋转运动的手的人力资源结构，可分为便携形式。分析，并在此设计选定的移动齿条 - 小齿轮手的比较。 4.2 手爪结构设计与校核 手爪类别分为： 1.连杆杠杆式手爪 夹紧夹具（放松）为该夹持器，连接杆的运动，杠杆发力由活塞推力放大，夹持器产生杠杆，以便能够产生大的夹紧力。在一般情况下，它与弹簧结合使用。 2.楔块杠杆式手爪 它是在为了实现爬行工作，以实现疏松夹持器，请使用楔和杠杆开启。 3.齿轮齿条式手爪 活塞架，这种夹持器，以产生一个夹持器夹紧和松开的行为由齿条驱动齿轮的旋转驱动。 4.滑槽式手爪 当活塞向前移动时，推夹持器销，当活塞已经移动向后夹持器释放，夹紧力和钳位操作的结果，并通过合并滑动。大为了应付这种夹持器开口和不同尺寸的关闭行程的对象的抓取。 5.杠杆平行气爪 轨比是在夹持导轨摩擦小得多平行移动，因此，不需要能够保证在两个手指夹持器平行移动的平行四边形机构。 与特定的工作条件相结合，可使用夹持器的连杆的类型。活塞往复，活塞杆端的齿条，以驱动手指以打开或关闭的中间机架和机架风扇。它被设置为通过手指工件的最小孔径。设计成根据与绳索绑使用50毫米设计的最大重量的直径。 A.适当的夹紧力 手在工作场所，不会对工件加工表面的损伤，以保证小的变形的一个稳定可靠的抓地力，必须具有适当的夹紧力。对于工件的夹紧力刚性差的大小应该被认为是一种安全自锁装置应设计成可调笨重的工件。 B.有足够的空间用于打开和关闭 操作上，手指张开，闭合位置打开和关闭被称为范围内的最大变化量。手指握住手，你将有开闭装置。可用的快门角度和表示的长度的指握结束。开口和旋转手手指闭范围，在要求的相关的一些因素的手指的开闭范围 C.它是一种结构简单，重量轻，请在小 运动以引导整个液压机械手，重把持，影响定位精度，速度和其它性能，结构的结构，不同的重量和体积时。由于在手腕的前沿手，在设计的手工作，它是一种结构简单，重量轻，必须是一个小的尺寸。 D.手指必须有一定的强度和刚度 从而馈送两个的手指的最常用盒之外使用，单作用液压缸中，当释放时，根据工件的形状，液压操纵夹具，其常闭弹簧夹具夹紧爪的方法。这样的结构是很容易简单的制造。 汽缸油的右腔室时，油被释放到工件中，当停止液压缸右腔室。 4.3 结构分析 机械手是最重要的执行，并用于容纳所述工件的部分。其原理可分为两类的保持吸附类型，普通手柄，这个主题采用了夹持手。它抽搐，手牵手，你可以把Puropufukku和春季。抽搐选题是，它是工业机器人手的最常见形式。手旋转致动器可分为平动式及面包的类型。对象背部过渡的特征在于，所述夹持器夹紧，释放手指旋转运动时。改变捕获的直径的物体，以保持不变的对象的中心位置，如果有必要调整把持位置。翻译类型平行四指传动机构，夹持器夹持的功能，用于翻译，被释放的对象，相同的手指的手势。和，旋转夹紧器作为保持中心向对象的大小被夹紧直径的变化。翻译类型是独立的在特性的变化和时间的工件直径工件保持夹具，以释放手指的平移运动，它会继续保持在固定的中心。为了便于麻烦固定中心的保持，如图4-1，使用翻译类型，翻译槽是通过保持手指引导。 图4-1 手部装配图 4.4计算分析 根据工件体重增加率由于夹紧力的计算的情况下 线性和机器人臂以基于状态的停止的旋转运动的组合包括这样的速度和加速度。工作的加速度按体重而变化，并且。在驱动力的中心线的长度方向机器人手部是P，让我们应用于Pη×使用压力×=气缸有效横截面面积。 （沿着手指的移动方向）作用在指尖夹紧力Q.你的手指，摩擦μQ，让我们的工作重量G =毫克黛咪。拾取单个手指工件被计算，有必要强制问答 图2-2，创建不对应于式必须建立一个工作，显示了工件的垂直加速度上升. 得 代入数据，得 设出活塞杆直径d=0.5D,设得油缸工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），设出液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为: D=630.5=31.5mm，设出d=32mm 为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。 手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从20-30mm。 4.5 腕部设计 手腕和手，并支持机械臂连接，改变手的态度。 手腕的设计要求如下。结构紧凑，重量轻，动作灵活，平稳，定位精度高，材料强度，高刚度，手臂和搬运的手结构合理，传感器和执行器和设备的合理布局安装。 4.5.1 手腕偏转驱动计算 腕偏转来实现偏压的变化，通过步进电动机的驱动器，它设置在后臂的下方，并随后通过一个锥齿轮传动接合两个链条驱动滑轮。从步进电动机驱动的手腕力，需要的扭矩偏转计算的第一腕部，并计算马达的输出转矩，它计算与步进电机式的驱动器和链传动伞齿轮的设计参数相关联的尺寸然后，它被确定。 1.步进电动机设置 腕偏转，摩擦力矩，以克服的工作负载电阻扭矩和手腕的启动的转动惯量。 根据转矩的计算公式[15]： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） 式子里， ---手腕偏转所需力矩（N·m）； ---摩擦阻力矩（N·m）； ---负载阻力矩（N·m）； ---手腕偏转启动时惯性阻力矩（N·m）； ---工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m2）； ---手腕部分对回转轴线的转动惯量（kg·m2）； ---手腕偏转角速度（rad/s）； ---手腕质量（kg）； ---负载质量（kg）； ---启动时间（s）； ---手腕部分材料密度（kg/m3）； ---手腕部分外径和内径（m）； ---手腕的长度（m）； ---手腕偏转末端的线速度（m/s）。 前面已提到：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。 把数值代到式子算出： kg r/s kg·m2 kg·m2 N·m N·m N·m 因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以找到对应书本[15]得： 弹性联轴器传动效率：； 滚子链传动效率：； 滚动轴承传动效率：（一对）； 锥齿轮传动效率：； 计算得传动的装置的总效率：。 电机在工作中实际要求转矩： N·m （3.9） 根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图3.3和图3.4所示,设得90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。 图3.3 90BYG步进电机技术数据 图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线 2.设计链传动 （a） 计算、分配传动比 对照电机的数据，所选步进电机工作转矩:4.5 N·m，对应的转速：r/min。 由于腕部偏转的角速度r/s，已经算出，所以腕部末端偏转转速r/min，由此推出总的传动比。 手腕的偏转是由极确定和驱动滑轮的链条驱动的伞齿轮必须是总比率分配。鉴于滑轮臂的内部空间的大小和结构，设小臂链传动比，大臂链传动比，锥齿轮传动比，。 （b） 算出小臂链传动功率 kW （3.10） （c）设得带轮的齿数 为使小臂中的两个带轮结构更加紧凑，设得小带轮齿数，大带轮齿数，、取奇数，链节数为偶数，可使链条和带轮轮齿磨损均匀。 （d）设得链条类型 从相关书本[15]进行链传动计算： kW （3.11） kW （3.12） mm ， （3.13） mm， （3.14） mm （3.15） mm （3.16） mm （3.17） mm （3.18） m/s （3.19） N （3.20） N （3.21） 式子里， ---工况系数； ---主动带轮齿数系数；