单臂多关节运动机构设计-六自由度机械手【三维SW】【10张cad图纸+说明书完整资料】

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Handling arm multi-joint movement research requires a combination of mechanics, electronics, information theory, artificial intelligence, and many other disciplines biology and computer knowledge, but its development also contributed to the development of these disciplines. In this paper, for use in a multi-arm articulation body structure design, and complete and drawing parts drawing of general assembly drawings. Requirements for multi-articulation arm mechanics analysis models to estimate the joint selection of the desired torque and power, complete motor and reducer. Second, from the motor and gearbox connected and fixed starting joint structure design, and the institutional strength of the important connection check.            Keywords: structural design, single-arm multi-joint movement mechanism, articulated arm multi-joint movement, structural analysis 目 录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 搬运单臂多关节运动研究概况 2 1.2.1 国外研究现状 2 1.2.2 国内研究现状 3 1.3 搬运单臂多关节运动的总体结构 4 1.4 主要内容 5 第2章 总体方案设计 6 2.1 技术参考数据 6 2.2 单臂多关节运动工程概述 6 2.3 工业单臂多关节运动总体设计方案论述 7 2.4 单臂多关节运动机械传动原理 8 2.5 单臂多关节运动总体方案设计 9 2.6 本章小结 10 第3章 单臂多关节运动大臂结构 11 3.1 大臂部结构设计的基本要求 11 3.2 大臂部结构设计 12 3.3 大臂电机及减速器选型 12 3.4 减速器参考数据的计算 13 第4章 单臂多关节运动小臂结构设计 17 4.1 腕部设计 17 4.2 手腕偏转驱动计算 17 4.3 轴分析及计算 20 4.4 轴承的寿命校核 21 4.5 轴的强度校核 21 第5章 单臂多关节运动机身设计 23 5.1步进电机选择 23 5.2键的选择和校核 28 5.3 机身结构的设计 28 总结与展望 29 致 谢 30 参 考 文 献 32 第1章 绪论 1.1 引言 单臂多关节运动是一种典型的机电一体化产品，处理多关节的动作是多领域联合研究的热点手臂运动。处理研究机构多关节运动需要机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机等诸多学科的组合，但其发展也促进了这些学科的发展。手臂多关节运动领导的多关节手臂运动。 1959年，世界第一工业臂多关节运动的诞生，开创了新的发展时代手臂的多关节运动。随着科学技术的多关节快速发展的研究和应用操作臂的发展。加藤一郎早稻田大学多伸缩缝的世界知名教授专家的胳膊说：“一个伟大的功能，多关节手臂运动应具备的功能。”事情是这样的，其中高脚自动化程度，动力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过这样一句话：“上帝创造了人，两条腿是最美妙的杰作。”该系统具有环保要求丰富的动态是非常低的，无论在地面，而且在非结构地形复杂，环境适应性好。为扩大功能与应用的单臂多关节运动开辟无限广阔的发展前景。 研究单臂多关节运动的原因和目的，主要表现在以下几个方面：要发展的机构，使它们能在许多圈子结构性和非结构性的工作，而不是个人或延伸和扩展人类活动的领域;更希望人类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。系统动力学与丰富，这方面的研究，扩大机械的研究和手臂运动多的风险;多关节臂的运动可以用来作为多关节臂移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。 管理多关节臂运动的定义，世界上不仅分类是不一样的。最近通过的联合国国际对美国的手臂运动协会多企业标准化定义在他的手臂多关节运动带来：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，您可以更改程序动作完成各种工作，特别是对材料处理，传输的工件。参考国外定义，与中国的搬运臂多关节运动的语言组合被定义如下： 操作臂多关节运动是独立的行动，更大的自由，该程序可以灵活改变，它可以放在任何地方，机器自动化的自动化程度高。汽车油漆或其他涂料行业关节臂多关节运动E'可用。 搬运臂运动多关节高刚性作为主臂，相对于其他，可以具有移动速度快，能携带较重的东西，并且定位精度非常高，它可以根据外部信号，自动的各种操作。 处理多关节臂的运动是计算机中的可编程的自动化机器的控制下。使用多联合演习的操作臂是提高产品质量和生产效率的工作，生产过程自动化，提高了劳动条件，减轻劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展，虽然只有30多年的历史，但已被应用到国民经济的许多部门，民用技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力[1-2]。 1.2 搬运单臂多关节运动研究概况 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关节全面，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，臂多关节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，武装多关节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单臂多关节运动都是适用的。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•罗多关节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，所以运动臂多关节，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关节，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关节“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关节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 国内单臂多关节运动起步较晚，我国自1980年以来，一个单臂多联合攻关和在体育领域的应用。 1986年，该国在1987年推出了“七五”攻关项目多动关节臂，高新技术中国的“863”水平运动臂包括更多的联合研究和开发。目前，中国移动手臂多企业的研究和应用开发单位主要是高校和科研院所的相关。最初的研究的主要目的进行了单臂多关节运动技术监测先进技术多国际风险运动臂，然后取得了一些成绩。 哈尔滨工业大学1986年他开始研究最关节臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70kg多企业，第一个成功开发具有10个自由度，以实现在地面上的进展，该行的左侧和右侧，以及运动，上下楼梯，跨越45厘米，10秒/步，然后速度成功研制出HIT和HIT-II-III，体重42公斤，身高103厘米，它有12个自由度，以实现一个步骤24厘米，每秒2.3分步调。目前在下臂的HI第四多关节运动的发展，主体可以具有52个自由度，这是优异的运动和平衡三个单臂运动多关节[3-7]的速度方面。 国防科技大学于1988年的春天已经成功开发了六自由度平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，最大速度为40厘米，每秒4个步骤，在1989年的步伐，先后开发了种类空间KDW-II，拥有10个自由度，最高的69厘米，体重13公斤包括更多的来回，上下楼梯和周围的几乎稳定静态动态。 1990增加了平台​​KDW-II的两个垂直缝，在KDW-Ⅲ开发的，具有12个自由度，与函数曲线，以获得一个实验室环境完整。 1995动态步伐，0.8分第二，在步骤20厘米〜22厘米，13度的最大倾斜角。发展在2000年底的KDW-III成功的中国的“急先锋”第一类人手臂的多关节运动的基础上，在不确定的环境中动态的，小的偏差，每秒两步周期，高1.4米，体重20公斤，有一个头，眼，颈，身体，手臂，脚，并有一定程度的语言功能[8-13]的。 此外，清华大学正在开发一个人形的手臂多关节运动THBIP-I，高1.7米，体重130公斤，32自由度，与清华大学985项目的支持下，该项目正在推进。航空航天南京大学已开发出8自由度单臂多关节运动的空间，静态函数[13,14]。 本文拟从“首届全国研究生机械创新设计大赛”臂多关节的动作。目前，单臂，多关节运动大多是在车轮的形式来实现功能的阶段。其实模仿人类行走的腿臂与多关节的运动并不多，但有六足，四足臂多关节运动已经出现，但多关节运动的手臂尚不多见。我们的问题，探索设计巧妙只是机械设备和简单的控制系统可以实现模拟人的手臂的多关节的动作。其子功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。 1.3 搬运单臂多关节运动的总体结构 搬运单臂多关节运动的组成及各部分关系概述： 它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），检测系统和智能控制系统。 （1）执行系统：执行系统管理臂的通用件，机械零件最全面的清晰度，以获得必要的各种运动，包括手，手腕，机身。 1. 末端执行器：以便执行的工作，并构造成直接涂漆的片。 2.手腕，手和臂的连接元件，其作用是调节或改变工作的端部的方向。 3.臂部 所述臂部分的连接基和手，支持手腕构件，被携带的管理块的负载，改变手的空间位置，以满足臂操作空间多关节运动，每种类型的载荷传递到基座。 (d) 机身：的多关节运动臂基座部分，起到支撑作用，这是支持臂的部件，其作用是使所述臂的转动，起重或倾斜运动。 （2）驱动系统：提供电源到正在运行的系统的各种部件，以及其供应单元装置。常用的机械传动，机械传动和电气，气动和电动。 （3）控制系统：该驱动器的控制系统，使该系统的实施按照工作的要求，发出报警信号时的错误或故障。 （4）检测系统：通过各种传感装置，致动装置的运动检测中的作用，如果需要的话反馈到控制系统与该组相比较，以确保遵守该运动的要求。 实践证明，进组多关节运动可以代替繁重的体力劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。频繁的处理和工业生产中的长期经常笨重件，单调的操作，使用单臂多联合演习是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他放射性毒物污染进行操作，同时也显示出优越性，它具有广阔的发展前景[4-8]。 1.4 主要内容 第1章 绪论 主要介绍单臂多关节运动的相关知识和本课题研究的任务和要求. 第2章 总体方案设计,介绍该单臂多关节运动各部分的相关知识和总体设计. 第3章 单臂多关节运动各部分设计的介绍 第4章 单臂多关节运动结构设计 第2章 总体方案设计 2.1 技术参考数据 课题名称：单臂多关节运动机构 技术参考数据：底座旋转角度正负360度，肩关节旋转角度正负120度，肘关节旋转角度正负105度，腕关节旋转角度正负45度，夹持器开关未开/合状态，加持总重5kg 2.2 单臂多关节运动工程概述 单臂多关节运动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。在科人得到有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多关节运动设计，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，不仅要注意关节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关节臂的动作的功能要求，子系统，多臂关节，合理，产品的性能，需要在多关节臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂关节如下：在操作机器，是最大的，单臂多关节的运动来完成的任务，其中包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，其中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。 特征行业臂多关节运动是普遍的调整，灵活的臂工业多关节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，多关节臂运动，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关节是参考系统。。 2.3 工业单臂多关节运动总体设计方案论述 （一）确定负载 目前，国内工业用运动的多关节臂，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关节臂的运动的方向。其中下臂应该包括端部执行器的更关节运动（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。 （B）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。 （C）传动系统 动臂多关节运动可以紧凑，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关节通常使用齿轮，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，所以这个设计选择的旅行。 （四）工作范围 操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多关节的多关节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关节机械手，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选择的关节轴的每个角的 （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 单臂多关节运动机械传动原理 该方案结构设计与分析 该搬运单臂多关节运动的本体结构组成如图 搬运单臂多关节运动本体组成 各零部件的功能介绍： 底座部件： 底座部件包括底座，齿轮件，轴承，步进电机。基本作用是支撑元件，支撑元件和旋转臂，承担着行李臂运动的多关节和工作量的重量，然后将碱必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。此外库也需要大量的安装基础足以保证运动臂运输多关节在工作场所的稳定运行。 搬运单臂多关节运动的手臂通过通常的相位分量（例如气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构和凸轮机构等）以及一个驱动源移动悬臂多关节臂（例如，液压或气动马达的臂致动合作的移动等），以实现各种的臂的运动的 手臂分为大臂和小臂。其中大臂部件是由大臂,齿轮传动部件和驱动电机所构成。小臂部件由小臂、传动轴及同步传动带等组成。手腕部分由手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等所组成。。 2.5 单臂多关节运动总体方案设计 工业单臂多关节运动的结构形式主要是含以下4种:直角坐标结构，圆柱坐标，球面坐标结构，铰接结构为四个。每个结构和相应的特征描述如下[3]。 (1) 直角坐标单臂多关节运动结构 直角坐标单臂多关节运动的空间坐标臂多关节的运动是三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1（a）在闭环位置控制的线性运动是容易实现，所以直角坐标臂多关节运动，可能得到高位置精度（微米级）。然而，对于尺寸多关节臂运动坐标而言的结构的移动相对该单个臂的运动的多关节笛卡尔空间，是比较小的。因此，为了获得运动的一定的自由，结构正交的尺寸协调多个关节臂比其他类型的多关节臂结构尺寸大。 直角坐标臂多关节的矩形空间的工件移动。笛卡尔坐标手臂运动最常见的是主要用于组装和处理操作，笛卡尔坐标多关节臂运动有三种结构悬臂龙门吊型。 (2) 圆柱坐标单臂多关节运动结构 柱面坐标臂的空间运动是两个直线运动和旋转运动的多关节运动来实现的，如图2-1（b）中。多关节单个臂的这种运动是相对简单的，精度可以在处理操作中通常使用的。他的工作空间是一个圆柱形空间。 (3) 球坐标单臂多关节运动结构 可动臂的空间多关节的球形协调运动由两个旋转运动和线性运动来获得，如2-1（c）中。这个简单的单臂运动的多关节结构，成本低，但精度不高。主要用于处理操作。他们的工作空间是一个球形空间。 (4) 关节型单臂多关节运动结构 运动空间关节臂运动多关节由三个旋转运动，以获得，例如2-1（d）所示。关节臂动作多关节运动灵活，结构紧凑，占地面积小。手臂多关节运动相对车身尺寸，其相对较大的工作空间。这样的单臂运动多关节被广泛应用于工业，如焊接，涂装，搬运，组装等作业，被广泛用于在这种类型的单臂多关节运动。 关节型单臂多关节运动结构则是由水平关节型和垂直关节这2种分类。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型 图2-1 四种单臂多关节运动坐标形式 根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。 具体到本设计中，因为在该范围内考虑的工件5公斤的处理的设计要求的质量，同时考虑到用数控机床及的多关节臂的动作的具体要求的布局的具体形式过程，以满足系统的要求，尽量简化结构，降低成本和提高可靠性。臂的运动范围的多结，单臂运动，和更高的定位精度，臂要求运动多关节旨在六个自由度，其具有自由的腰的旋转程度，手臂和俯仰臂自由度度手臂和手腕俯仰的旋转和旋转自由度的自由。在这份文件中，设计出臂的结构的大小，因此，需要获得该臂的机构的详细图的旋转自由的一大关节臂俯仰自由。 单臂多关节运动的特点是工作范围比较大，具有灵活性和多功能性，更紧凑的结构，可以抓住基地附近的对象。合作单位提出使用和特性以下技术参考 技术要求：(1) 所设计的单臂多关节运动系统，旨在满足携带沉重的动作周期的多臂关节运动系统短，效率高，速度快，和通用性，灵活性要求和其他性能，同时满足技术结构，经济等方面的要求。 （2）装配图，绘制零件图应严格按照机械设计，尺寸，公差，形位公差国家标准，标注必须是合理的技术要求，规范。 （3）机器人手臂末端与保持器的联接器的端部执行各种方便。 （4）论文书写要求描述清楚，书写规范。 2.6 本章小结 本章主要完成对单臂多关节运动系统设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了单臂多关节运动的总体设计方案后，就要针对单臂多关节运动的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。 第3章 单臂多关节运动大臂结构 3.1 大臂部结构设计的基本要求 臂构件是一个主要组成部分的单臂多关节运动关节。它的作用是手的支持，并促进其目标的运动臂部，手柄部分的范围内任意移动改变手的位置（方位角），关节臂部自由度，因此通常臂部的基本条件： 通常，这是一个弯曲的臂部（不只是在一个方向弯曲），而且还通过横截面形状的选择和扭转，扭转刚度明显的情况下，基本上相同的横截面积和单位重量的钢管； 惯性矩钢和字线，圆的。所以，单臂多关节运动关节常被用作导杆用无缝钢管、工字钢或通道支撑钢，从而形状规则。一个中空的内部，也可以设置驱动装置，提高臂的刚度，大大降低了手臂的重量， （2）运动速度的臂部分必须是高，低惯性 一般来说，手臂匀速运动，但在立即停止运动，是可变的，以减少冲击要求的启动时间，加速和减速结束前不能太大，否则会造成的冲击和振动。 为了减少转动惯量，应采取以下措施： （一）减轻体重，臂，工件的运动，采用铝合金材料，强度高，重量轻； （C）降低回转半径 （d）驱动系统设有缓冲装置 （3）手臂动作应灵活。 为了减少摩擦阻力元件之间的手臂运动，并尽可能与滚动摩擦代替滑动摩擦。 （4）位置精度高。 铝合金材料设计的薄壁零件，一方面，确保刚性机械臂，单臂多关节运动臂的重量可以减少，另一方面，减轻关节电机的基础，提高动态响应的手臂,砂型铸造铸件壁厚的最小壁每个铸造合金是适当的，壁厚不同的浇注铸造合金铸造的最小壁厚”是不相同的，多样性和大小主要取决于合金铸件 见表4.1所示： 表4.1 砂型铸造铸件最小壁厚计（mm） 以上介绍的砂铸造结构设计的特点，在特殊的铸造方法，将铸件结构设计相应的各种铸造方法及其铸造机械臂壳体铸造铝合金具体尺寸见装配图。 3.2 大臂部结构设计 大臂壳体采用铸铝，质量轻，方形结构，强度大。 3.3 大臂电机及减速器选型 假设小臂及腕部重量： M2=20Kg， M3=40Kg J2=M2L42+M3L52 =10×0.0972+40×0.1942 =1.6kg.m2 假设大臂速度为10r/min ， 则旋转开始时的转矩 表示如下： 式中：T - 旋转开始时转矩 N.m J – 转动惯量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使单臂多关节运动大臂 从到所需的时间为：则： (3.4) 若考虑绕单臂多关节运动手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩， 则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2， 则谐波减速器所需输出的最小转矩为： (3.5)选择谐波减速器： ⑴型号：XB3-50-120 （XB3型谐波减速器） 额定输出转矩：20N.m 减速比：i1=120 设传递效率为：，步进电机应输出力矩为： (3.6) 选择BF反应式步进电机 型号：55BF003 静转矩：0.686N.m 步距角：1.5° 3.4 减速器参考数据的计算 刚性和柔性轮是锻钢，齿轮钢材料淬火硬度250hbs 45） 刚性轮硬度220hbs 45）。 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 轴的计算校核 画轴的受力如图所示： 已知：作用在刚轮上的 圆周力 径向力 法相力 1) 求垂直面的支撑反力： 2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 可按最不利考虑 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) 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加 MA=+MAF= +41.1=70.1 N.m M'A=+MAF= +41.1=657 N.m 8) 求轴传递的转矩： N.mm 9) 求危险截面的当量转矩 如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为： 如认为轴脉动循环应变力，取折合系数a=0.6， 带入上式可得： 10） 计算危险截面处轴的直径 轴选用45钢材料，调质处理， 查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,则： 考虑到键槽影响轴的尺寸，将d值加大5%，故： d=22.8*1.05=24mm<32mm 满足条件 因a-a处剖面左侧弯矩大，有转矩 ，且有键槽，故a-a左侧为危险截面 其弯曲截面系数为： 抗扭截面系数为： 弯曲应力为： 扭切应力为： 根据合成强度计算 使转换系数＝0.6的当量应力：由表查得45钢调质，抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴应力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],满足要求。 第4章 单臂多关节运动小臂结构设计 4.1 腕部设计 腕部使手臂和手的机器人可以连接，支撑和改变手姿态。 材料强度和刚度的结构连接部分和臂部和手合理，传感器和控制装置的合理布局和安装等等。 根据自由度的工业机器人的手腕分类可分为单自由度手腕，手腕上的两个或三个自由度的手腕。并不是所有的手腕必须有三自由度和工作性能，但根据实际使用的机器人工业的要求课题研究设计机器人手腕的摆动和转动两个自由度。手腕的两自由度可以由一个密封件和密封R B由国家联合实施Br，或由两个关节的关节实现B成分BB，但不是由两个RR腕关节由两个自由度，因为两个关节功能的R是重复的，事实上，有着独特的作用自由设计要求的手腕，俯仰和déviat离子，即BB在手腕上，如图所示5.1.en局限性的研究和发展阶段，目前在生产工艺不可能直接驱动电机，关节，以减少整体重量的手臂，步进电机在不需要手腕后间接驱动，底部安装在臂固定在盘体，然后由两传动链链直接驱动摆动手腕，另一条链传动带轮的传动锥齿轮轴的齿轮传动的旋转带动手腕手腕的水平，但可以旋转时产生的额外的摆，但可以通过控制步进电机控制的干扰。 4.2 手腕偏转驱动计算 手腕的偏转是靠安装在大臂步进电机驱动,通过带轮、两级传动链，然后通过锥齿轮啮合传动的偏振方向变化的手腕的驱动力来自步进电机，首先计算所需要的力矩偏转的手腕，然后计算出电机的输出转矩，确定型步进电机，从而计算参考数据设计链传动和齿轮传动和尺寸。 （1） 选择步进电机 （2） 手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、惯性力矩负荷启动力矩时的强度和手腕。 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） 式中： —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）； —工件负载对手腕转动惯量（kg·m2）； —手腕部分转动惯量（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）。 根据已知条件：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。 将数据代入计算得： kg r/s kg·m2 kg·m2 N·m N·m N·m 因为腕部通过两级一级锥齿轮、带轮传动实现的，所以查取手册[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） 根据计算转矩偏转手腕的要求，基于频率特性曲线的技术数据和生产对北京和利时电机科技有限公司五相混合式步进电动机90系列，例如，3.3和图3所示的步骤，选择90BYG5200B-SAKRML-0301步进电机类型。 图5.3 90BYG步进电机技术数据 图5.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线 4.3 轴分析及计算 轴的受力模型简化(见图7)及受力计算 图 轴的受力分析知： 4.4 轴承的寿命校核 考虑到实际的调整空间，采用轴承。默认情况下，轴承寿命在12480h 3年。 校核步骤及计算结果见下表: 表1 轴承寿命校核步骤及计算结果 计算步骤及内容 计算结果 6014 A端 B端 由手册查出Cr、C0r及e、Y值 Cr=98.5kN C0r=86.0kN e=0.68 计算比值Fa/Fr FaA /FrA e 确定X、Y值 XA=1 YA =0 查载荷系数fP 1.2 计算当量载荷 P=Fp(XFr+YFa) PA=5796.24 PB=6759.14 计算轴承寿命 763399h 大于 12480h 计算6014ac轴承，6007轴承均合格，最终选择6014轴承。 4.5 轴的强度校核 在分析过程中，C、D两处可能的危险截面， 现来校核这两处的强度： （1）、合成弯矩 （2）、扭矩T图 （3）、当量弯矩 （4）、校核 由手册查材料45的强度参考数据 C截面当量弯曲应力： 由计算结果可见C截面安全。 每个轴键、键槽的选择及其校核 由于减速装置中的链路连接是静态的，因此，只有通过验证的压应力。 电机连接，选择和检查： 连接带滑轮：根据轴的直径和长度在轴选键键长b8x7 50 GB / t1096 作为连接材料，分别为：45钢、40Cr（关键）（树） （1）在轮刚性连接：根据轴径和中心轴线的选择键b14x9gb / t1096 作为连接材料，分别为（中心）：很，45钢（关键），非常（树） 现在，耦合的关键技能。 （2）输出轴键：按直径联接轴和轴的长度选择键键长16×10、100 Gb / t1096 作为连接材料，分别为：45钢（耦合器），45钢（关键），45（树） 其中键的的强度最低，所以其许用应力进行校核,查手册其 该键联结合格. 第5章 单臂多关节运动机身设计 结构设计系统组件的机身。 （1）设计的支架结构 主支撑架的所有部分的重量负荷对左手臂大臂、平衡弹簧设计固定连接孔，右端与驱动电机设计的支撑臂。偏心力在考虑设计合理的机身旋支撑圆盘，使其旋转更平衡e.afin减轻重量，zl401材料。 （2）机座设计 机械加工轴对应的位置固定轴承座，其他没有特殊的要求。 室内设计主体系统的计算和验证设计传动系统各部件，其设计计算的主要参考《机械设计》 机身系统的内部设计主要是对传动系统的各部件进行设计计算与校核，其设计计算主要参照《机械设计》[14]。 5.1步进电机选择 1 计算输出轴的转矩 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） ——惯性力矩 ——摩擦力矩 ——输出轴转动角速度 ——大臂转动惯量 ——小臂转动惯量 ——机身自身转动惯量 ——启动时间 =0.5s =0.8m/s =0.5m 1.6 rad/s 当臂之间的位置关系的尺寸如图3中的位置时，手臂的位置操作可以达到极限，此时需要的最大值。 图3.1 大小臂极限尺寸 计算出的大臂质量及相关大臂相对中心线oa的垂直距离得出： =400mm， =30kg， 代入式（3.5）得： =1.6kgm 由算出的小臂质量及相关小臂相对oa线的垂直距离得出： =1000mm， m=20kg， 代入式（3.5）得： =6.67kgm m 计算相关机身设计数值得出：kg 代入式（3.6）得： =5.75kgm 代入（3.2）得到=44.86Nm 带入（3.1）得到 =49.85Nm = =6.86Nm 选择二级圆柱齿轮减速器i=9 （3.7） =0.99 ——联轴器传动效率 =0.96 ——齿轮传动效率 =0.98 ——轴承传动效率 代入式（3.7）得到： 0.807 2 确定各轴传动比 总传动比=9 ，根据推荐的传动副传动比合理范围，取： 高速级传动比=3 ，低速级传动比=3 3 传动装置的运动和动力参考数据 由图3.2，各轴由高速至低速依次设计为Ⅰ轴（输入轴）、Ⅱ轴（中间轴）、Ⅲ轴（输出轴）。 图3.2 传动示意简图 各轴转速 （3.8） （3.9） =1.6rad/s =15.3r/min 代入式（3.8）、式（3.9）得： 45.9r/min，137.7r/min 转矩计算 （3.10） 49.85Nm 代入式（3.7）得： 17.7Nm 同理得到： =17.7Nm =6.27Nm =6.66Nm 北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表3.1。 表3.1 步进电机产品系列及技术参考数据 型号 相数 步距角 (DEG.) 电压 (V) 电流 (A) 静转矩 (N.m) 空载运行频率 (KHZ) 转动惯量 (Kg.cm2) 备注 86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 3.6 2.4 ≥15 0.56 86BYG250BN 2 0.9°/1.8° 110 4 5.0 ≥15 1.2 86BYG250CN 2 0.9°/1.8° 110 5 7.0 ≥15 4.28 利时电机有限公司转矩曲线的运行矩频特性曲线阶梯型86BYG250CN和步进电机图3.3。 图3.3 运行矩频特性 由计算得到所需： =6.86Nm，137.7r/min 该电机可以满足要求。 北京和利时电机电器有限公司86BYG250CN型步进电机的外型简图如图3.4。 图3.4 步进电机外形简图 根据前面计算，选择北京和利时电机电器厂的86BYG250CN型步进电机。 由电机输出轴尺寸选择TL2型弹性套柱销联轴器，主从动端均选用型轴孔[16]。 5.2键的选择和校核 1 键的选择 根据齿轮和轴的参考数据，参考《机械设计》选择设计键。 电机输出轴键：； 中间轴的键Ⅰ：； 输出轴的键Ⅱ：。 2 键的校核 键45钢材料， 查得许用挤压应力MPa 根据公式 （3.25） 得到： 键Ⅰ：工作长度mm，接触高度3.3mm，17.7Nm 25.5MPa，安全。 键Ⅱ：工作长度mm，接触高度3.8mm，49.85Nm 23.9MPa，安全。 5.3 机身结构的设计 1、选择机身箱体材料动作，制造工艺要求不高，选择HT250灰铸铁制造。在灰铸铁凝固收缩率小，抗冲击性能好。这可以提高机身其稳定性制造，以及经济性。 2、考虑加工工艺设计 机身结构决定了其形状较为复杂，所以使用铸造的方法协调内部零件，便于安装，右上打开盖子。因为这是一个发动机的水平放置，考虑到电机的质量，在左侧板支撑发动机。电机轴延伸，连接和锥齿轮轴的一端连接，实现以锥齿轮与输入轴满足传输要求改变电机的伸出轴用联轴器输入三输出轴中间垂直放置，实现两级减速传动。由于车轮悬架所需的圆螺母和垫圈，由于齿轮悬置对稳定的基本设计可用圆形，沉头螺钉和行走机构连接。 总结与展望 总结本文对单臂多关节运动结构系统进行了设计，由于作者的水平有限，对相关议题，如技术和控制技术的传感器是不好的，仍有许多问题需要解决，还有许多问题值得进一步讨论和更深入的研究和展望： （1）优化问题的机械结构 在机器人的设计方法，包括机械臂，采用模块化设计，不同的设计结构和各功能模块之间的连接，分别优化模式。但在每个模块的零件设计，计算参考数据选取主要结构的强度和刚度的基本要求，许多零件配合的实际需求，大很多。设计包括非核心部分，是根据前人的实验设计，选择大小。这种设计不仅可以提高整体素质系统，增加发动机负荷，造成资源的浪费。 （2）有限元分析的计算机没有更深入。通过有限元法对计算机软件的一部分，力学分析的强度、刚度和最佳的臂部结构。这可以作为后续研究的方向。 （3）机械臂控制系统必须研究和自主技术，运动控制，路径规划技术，视觉技术实时导航定位技术和数据融合技术的多传感器组合，计算技术，高性能问题，因为无线通信技术，特别是网络也有待研究。 单臂多关节运动在未来生活中的应用越来越广泛。包括在军事领域的应用是必然的发展方向之一，我们的工业和科学技术的关键是系统设计中的机械臂，部分地区是累了整个系统的设计经验比较丰富，我相信，通过不断的发展和完善的单臂多关节运动和成熟的做法。 致 谢 最后学习阶段的毕业设计，首先我要特别感谢我的导师关爱无限和指导。过了许久，终于比较成功地完成了设计任务。回顾日日夜夜，我脾气后的感觉，通过方法的书籍，网络，教师，学生和其他可用，巩固了自己的专业知识。理解和运用所学知识有更深刻的认识。 在这一刻，我要感谢我的导师的精心指导下，不仅指导我们解决的关键技术问题，更重要的是为我们引导设计思路，并解释我们在实际的工程设计经验应用于设计因此，不仅如此，教师的敬业精神深深地感染了我，我爱和未来奉献骨刺的工作，导师是真的做的传道，授业，解惑。 精心准备的长途跋涉大学几个月了，终于到了时间的论文计划期间，像往常一样，救援的心脏，但写作过程中的感觉经常出现无力折腾和徘徊。先花那么多时间和这么多精力去完成的论文具有一定的学术价值，这是很难说的艰辛和困难，但曲终要离开的味道幕后，这是值得我一生留连忘返。 敲完最后一个字符，再次从仔细阅读文本已经并不陌生，我感觉好多。虽然不是特别值得一提的成就来炫耀，但对我来说，是宝贵的。这是无数的教诲，关心他人，乐于助人的结果。 我要感谢我的导师XX老师。虽然教师负责教学，科研任务，还需要一段时间，不时有门，叫我劝功课，从第一稿到最终版本，耐心，再审，大章偏颇布局，小一审缺陷报表格式，都可以指出。他教我各方面的知识，拓宽我的知识，培养我的技能，完成论文是不无裨益。我还要感谢所有的大学老师教给我的，是你让我成熟和壮大;感谢学院的工作人员，他的细致工作，让我的同学，有序的学习和生活。 我的父母和家人想表达我诚挚的谢意。他们是我的生命永远依靠和支持他们的关怀和爱护，是我前进的动力;他们的殷切希望，激励着我继续说下去。没有他们就没有我，我的成绩已经从他们来的点点滴滴。 我也舍不得你的好友，与门和室友。我需要帮助时，他们伸出温暖的手，在最大的帮助。他们可以见面，相交，相知是人生一大幸事。 本论文的完成远未结束，不足和肤浅的地方的文字是我的新征程的新起点。 我会继续前进！ 我们也感谢其他同学，老师和同事们的热心帮助，感谢我们的教师的重视和关注课程设计的领导，为我们提供了绘图工具和选项。 参 考 文 献 [1] 包志军. 关节单臂多关节运动运动特性研究[D]. 上海交通大学博士论文 .2000: 14-48. [2] 姜山，程君实，陈佳品，包志军. 基于遗传算法的单臂多关节运动步态优 化[J].上海交通大学学报. 1999，vo1.33(10): 1280～1283 . [3] 刘志远. 单臂多关节运动动态研究[D]. 哈尔滨工业大学博士论文. 1991. [4] 刘志远，戴绍安，裴润，张栓，傅佩深. 零力矩点与单臂多关节运动动态稳 定性的关系[J]. 哈尔滨工业大学学报. 1994，vol.26(1):38～42. [5] 纪军红. HIT-I单臂多关节运动步态规划研究[D]. 哈尔滨工业大学博士论 文，2000:15～71. [6] 麻亮，纪军红，强文义，傅佩深. 基于力矩传感器的双足单臂多关节运动在线模糊步 态调整器设计[J]. 控制与决策. 2000，Vol.15(6):734～736. [7] 竺长安. 单臂多关节运动系统分析、设计及运动控制[D]. 国防科技大学博 士论文. 1992. [8] 马宏绪. 单臂多关节运动动态研究[D]. 国防科技大学博士论文. 1995. [9] 马宏绪，应伟福，张彭