基于PLC調速控制系統(tǒng)研究---界面設計.doc

學號 200xxxxxxx 密級_xxxxxxxxxx本科畢業(yè)論文多自由度機械手的虛擬樣機設計院（系）名 稱：xxxxxxxxxx專 業(yè) 名 稱 ：機械設計制造及其自動化學 生 姓 名 ：xxx指 導 教 師 ：xxxx 二一三年五月鄭 重 聲 明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產(chǎn)權歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期：摘要機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，有長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化。機械手涉及計算機科學、機械學、電子學、自動控制、人工智能等多個方面的學科，它代表了機電一體化的最高成就。它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。現(xiàn)今，機械手已經(jīng)運用到各個領域，特別是在裝配作業(yè)方面。本文將設計一臺六自由度的機械手，主要對機械手進行結構，重點設計機械手夾持部位和大臂的傳動。本次設計的機械手主要是用于教學。關鍵詞：機械手，結構設計，傳動，教學abstractmanipulator is the first industrial robots, as well as the first modern robot, there is long time continuous operation, high accuracy and ability to resist bad environment, it can be hard work instead of people to achieve the mechanization and automation of production.manipulator involving computer science, mechanics, electronics, automatic control, artificial intelligence, and other aspects of the discipline, it represents the highest achievement of electromechanical integration. it is one of the important production industry and the industry and service facilities, is an indispensable automation equipment of the advanced manufacturing technology. today, the manipulator has been applied to various fields, especially in the case of assembly operations.this paper will design the main structure of the six degrees freedom manipulator, the key design of manipulator clamping part and the big arm drive. the design of the manipulator is mainly used in the teaching.keywords: mechanical, structural design, transmission, teaching目 錄abstract3目 錄4第1章 緒論511機械手概述51.2機械手的組成和分類51.2.2機械手的分類81.3機械手市場前景101.4機械手的發(fā)展趨勢10第2章 機械手的總體整體設計方案132.1設計任務書132.1.1設計的目標132.1.2技術要求132.2機械手總體設計中總體方案的論證132.3 機械手機械傳動原理142.4整體方案設計152.41初擬設計方案152.42 最終設計效果圖162.43 機械手各關節(jié)結構圖17第3章 結構設計與計算233.1機械結構的部分計算233.2傳動零件設計計算253.2.1 i軸齒輪傳動強度設計253.2.2 ii軸齒輪傳動強度設計323.2.3 iii軸齒輪傳動強度設計37結論46參考文獻47致 謝48附錄49第1章 緒論11機械手概述機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機械手技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.在生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，機械手能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作。適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2機械手的組成和分類1.2.1 機械手的組成機械手主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、執(zhí)行機構以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-2所示。圖1-2機械手的組成方框圖1. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。2.驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。3.執(zhí)行機構執(zhí)行機構包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。（1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪)和傳動機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、v形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳動機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳動機構型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.（2）手腕手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和v形槽、燕尾槽等導向型式。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立住通常是固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。（5）行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。（6）機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 4.位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.2.2機械手的分類目前，我國對機械手尚無統(tǒng)一的分類標準。一般可按機械手的規(guī)格、功能、使用范圍和驅動方式來分。1按規(guī)格（所搬運的工件重量）分類（1）微型的搬運重量在1kg以下。（2）小型的搬運重量在10kg以下。（3）中型的搬運重量在50kg以下。（4）大型的搬運重量在500kg以下。目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1-30kg。最小的為0.5kg，最大的已達800kg。2按功能分類（1）簡易型工業(yè)機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓或擋塊轉鼓控制，可變程序用插銷板或轉鼓控制來給定程序。這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，價格便宜。只適用于程序較簡單的點位控制，但作為一般單一服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。（2）記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手這種工業(yè)機械手有人工通過示教裝置運動一遍，有記憶元件（如磁盤、磁帶或存儲器）把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。這是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者相比較，有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較強。（3）計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手可通過更換穿孔帶或其它記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作程序，還可以進行多機控制（dnc）。計算機可以是可編程序控制器或微型計算機。（4）智能工業(yè)機械手有計算機通過各種傳感元件等進行控制，具有視覺、熱覺、觸覺、行走機構等。3按使用范圍分類（1）專用機械手附屬于主機的，具有固定的程序而無獨立的控制系統(tǒng)的機械裝置。這種機械手工作對象不變，動作固定，結構簡單，實用可靠，適用于成批、大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動線或專機作為自動上、下料用。（2）通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。4按驅動方式分（1）氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。（2）液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，液壓油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。（3）機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。（4）電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便1.3機械手市場前景機械手是機器人的重要組成部分，從20世紀下半葉起，世界機器人工業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭，進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10%左右。據(jù)聯(lián)合國頒布的最新調查顯示，2000年世界機器人工業(yè)增長率達到15%左右，一年增加了近10萬臺機器人，使世界機器人總擁有量達到75萬臺以上，世界機器人市場呈現(xiàn)出日益興旺的大好態(tài)勢，目前為止，工作在世界各領域的工業(yè)機器人將突破百萬臺。1.4機械手的發(fā)展趨勢機械手在許多生產(chǎn)領域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀，機械手行業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應用。從近年世界機械手產(chǎn)品看，未來機械手具有如下的發(fā)展趨勢：1重復高精度精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。2模塊化有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。3節(jié)能化為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。4機電一體化由“可編程控制器傳感器液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而plc的輸出功率在增大，由plc直接控制線圈變得越來越可能。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。隨著科學與技術的發(fā)展，機械手的應用領域也不斷擴大。目前，機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫(yī)療康復等服務業(yè)領域中。第2章 機械手的總體整體設計方案2.1設計任務書2.1.1設計的目標使機械手能夠在一定范圍內某一位置w1抓取物體，并在另一任意位置w2放下該物體。2.1.2技術要求名稱技術參數(shù)結構形式關節(jié)式自由度數(shù)6軀干旋轉0360大臂轉動-180+180小臂轉動-90+90手腕上下擺動-90+90手腕左右旋轉0360總體定位精度2mm手爪最大張開距離100mm手爪加緊方式旋轉變直線運動2.2機械手總體設計中總體方案的論證1.確定負載目前，國內外使用的機械手中，負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5n以下，最大可達9000n。負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設計給的設計參數(shù)手爪最大張開距離為100mm，可初估本次設計機械手屬于小型機械手。2.工作范圍機械手的工作范圍是根據(jù)其作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機械手的機械結構坐標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。3.驅動方式由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人等特點，故本次設計采用了伺服電機驅動4.傳動系統(tǒng)設計機械手傳動裝置中應盡可能做到結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機械手的運動和位置控制精度。機械手常采用的機械傳動機構有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結構緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，故本次設計選用齒輪傳動。5.運動速度在機械手手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅動和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 機械手機械傳動原理本課題設計的是一種小型機械手。該機器人為平面多關節(jié)型，具有六個自由度。采用伺服電機驅動，因此控制簡單，編程操作方便。機身采用薄壁整體鑄件，這樣可以使結構輕巧，使用靈活。內部鑄件既作為內部齒輪安裝殼體與軸的支撐座，又作為承力骨架，這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體減少質量。為了保證較高的傳動精度和較好的加工工藝性，其傳動均采用齒輪傳動。2.4整體方案設計2.41初擬設計方案 如圖2-1所示，為初擬機械手結構簡圖圖2-1 機械手結構簡圖2.42 最終設計效果圖 如圖2-2所示，為多自由度機械手虛擬樣機最終效果圖。圖 2-2 機械手效果圖2.43 機械手各關節(jié)結構圖1.手爪1-軸f1 2-平鍵 3-蝸輪 4-聯(lián)軸器 5-電機支架 6-電機 7-擋板j3 8-齒條j1 9-夾具jz 10-齒輪z17m1.5 11-夾具jy 12-支架j2 13-手腕f1 14-端蓋et 15-軸承6202 16-蝸桿 17 手腕f2圖2-3機械手手爪結構圖2.手腕1- 手腕e2 2-軸e1 3-軸承6202 4-平鍵 5-蝸輪 6-軸套et1 7-電機支架 8-電機 9-聯(lián)軸器 10-手腕e1 11-蝸桿 12-端蓋et 圖2-4 機械手手腕結構圖3小臂1-小臂d2 2-軸承6202 3-軸套d1t1 4-連接臂d-e1 5-軸套d1t2 6-連接臂d-e27-端蓋et 8-蝸桿 9-蝸輪 10-小臂d1 11-聯(lián)軸器 12-電機支架 13-電機圖2-5 機械手小臂結構圖4.大臂1-電機 2-電機支架 3-大臂c2 4-軸承6202 5-軸套c1t2 6-連接臂c-d 7-軸套c1t18-軸c1 9-齒輪z128m1 10-大臂c1 11-軸c2 12-齒輪z100m1 13-齒輪z20m114-軸套c2t 15-聯(lián)軸器圖2-6 機械手大臂結構圖5底座1-底座b2 2-電機 3-電磁制動閥 4-聯(lián)軸器 5-軸套a1t2 6-軸承6200 7-軸套a0t 8-軸a0 9-齒輪z105m0.5 10-齒輪z35m0.5 11-齒輪z33m0.8 12-軸a1 13-軸承6200 14-底座b1 15-軸套a1t1 16-軸承6202 17-軸套a2t1 18-軸a2 19-齒輪z132m0.8 20-軸承6204 21-軸a3 22-齒輪z128m1 23-軸套a3t24-軸套a2t2 25-齒輪z32m1圖2-7機械手底座b（大臂傳動）結構圖 1-底座ax 2-齒輪z132m0.8 3-齒輪z32m1 4-軸a2 5-軸套a2t2 6-軸承6202 7-軸套a3t 8-軸承6204 9-軸a3 10-齒輪z128m1 11-齒輪z33m0.8 12-軸ma 13-軸套a0t 14-軸套a2t1 15-底座ag 16-底座as 17-底座bb 18-電機19-聯(lián)軸器 20-電機支架圖2-8機械手底座a結構圖第3章 結構設計與計算3.1機械結構的部分計算機械手大臂傳動原理如下圖所示圖3-1 機械手大臂傳動結構簡圖圖3-2 機械手大臂傳動最終效果圖3.1.1大臂的設計計算 由于系統(tǒng)的整體性能主要取決于機座及大臂部分的驅動及傳動能力，因此必須對其進行詳細的設計計算。下面是大臂傳動部分的設計計算。1.選擇電動機由大臂及機器人的大概尺寸和本體質量15kg，初步估計大臂及小臂、手腕及爪的總質量m=10kg，質心離轉動軸距離l為400mm，故大臂轉動的阻力矩大臂的轉動速度初步設定為為聯(lián)軸器的傳動效率, 為一對圓柱齒輪的傳動效率, 為一對滾動軸承的傳動效率,為大臂的總傳動效率,故初步選定電動機滿載轉速滿載轉矩2.計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比(1) 傳動裝置總傳動比(2) 分配傳動裝置的傳動比為關節(jié)2中錐齒輪的傳動比,為大臂中第一對圓柱齒輪的傳動比, 為大臂中第二對圓柱齒輪的傳動比.為大臂中第三對圓柱齒輪的傳動比。為使齒輪外廓尺寸不致過大 取傳動比分配3.計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)(1)各軸轉速i 軸 ii 軸 iii 軸 大臂輸出轉速 (2) 各軸功率i軸ii軸iii軸3.2傳動零件設計計算3.2.1 i軸齒輪傳動強度設計 51 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）選用直齒圓柱齒輪傳動（2）機械手為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（gb 1009588）。（3）材料選擇由文獻5選擇小齒輪材料為45鋼（調質）,硬度為240hbs，大齒輪材料為45鋼（表面正火），硬度為200hbs，二者材料硬度相差40hbs。（4）由于是半開式軟齒面齒輪傳動，選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)2 按齒面接觸疲勞強度設計由設計計算公式進行計算(1)確定式中各項數(shù)值1）因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù)2）小齒輪傳遞的扭矩3）由表10-7,選取4）由表10-6,查得 5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限大齒輪的接觸疲勞強度極限6）計算應力循環(huán)次數(shù)。預設工作壽命20年，每年300天，每天4小時。7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)8）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1，由式10-20得（2）計算1)試算小齒輪分度圓直徑。代入中較小的值。2)計算圓周速度。3）計算齒寬b。4）計算齒寬與齒高之比。模數(shù)齒高 5）計算載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度、由圖10-8查得動載系數(shù)；直齒輪，；由表10-2查得使用系數(shù)；由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置，由， 查圖10-13得；故載荷系數(shù)6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑。7）計算模數(shù)。3按齒根彎曲強度設計彎曲強度設計公式（1）確定公式內的各計算數(shù)值1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限。2）由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；。3）計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，得4）計算載荷系數(shù)k。5)查取齒形系數(shù)。由表10-5查得 ；。6）查取應力校正系數(shù)。由表10-5查得；。7）計算大、小齒輪的并加以比較。大齒輪的數(shù)值較大。（2）設計計算對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.436并就近圓整為標準值m=0.5mm，按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑,算出小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)。4.幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑（2）計算中心距 （3）計算齒輪寬度取，。圖3-2 i軸小齒輪工程圖圖3-3 i軸大齒輪工程圖3.2.2 ii軸齒輪傳動強度設計1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）選用直齒圓柱齒輪傳動（2）選用7級精度（gb 1009588）。（3）材料選擇由表10-1選擇小齒輪材料為45鋼（調質）,硬度為240hbs，大齒輪材料為45鋼（表面正火），硬度為200hbs，二者材料硬度相差40hbs。（4）由于是半開式軟齒面齒輪傳動，選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。2 按齒面接觸疲勞強度設計由設計計算公式進行計算（1）確定式中各項數(shù)值1）因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù)。2）小齒輪傳遞的扭矩。3）由表10-7,選取。4）由表10-6,查得。5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。6）計算應力循環(huán)次數(shù)。7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)（允許點蝕）；。8）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1，由式10-20得（2）計算1)試算小齒輪分度圓直徑。代入中較小的值。2)計算圓周速度。3）計算齒寬b。4）計算齒寬與齒高之比。模數(shù) 齒高 5）計算載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度、由圖10-8查得動載系數(shù)；直齒輪，；由表10-2查得使用系數(shù)；由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置，由查圖10-13得；故載荷系數(shù)6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑。7）計算模數(shù)。3按齒根彎曲強度設計彎曲強度設計公式（1）確定公式內的各計算數(shù)值1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限。2）由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；。3）計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，得4）計算載荷系數(shù)k。5)查取齒形系數(shù)。由表10-5查得 ；。6）查取應力校正系數(shù)。由表10-5查得；。7）計算大、小齒輪的并加以比較。大齒輪的數(shù)值較大。（2）設計計算取m=0.8mm，按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑,算出小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)。4.幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑（2）計算中心距（3）計算齒輪寬度取，。圖3-4 ii軸小齒輪工程圖圖3-5 ii軸大齒輪工程圖3.2.3 iii軸齒輪傳動強度設計1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）選用直齒圓柱齒輪傳動（2）選用7級精度（gb 1009588）。（3）材料選擇由表10-1選擇小齒輪材料為45鋼（調質）,硬度為240hbs，大齒輪材料為45鋼（表面正火），硬度為200hbs，二者材料硬度相差40hbs。（4）選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。2 按齒面接觸疲勞強度設計由設計計算公式進行計算（1）確定式中各項數(shù)值1）因載荷平穩(wěn),可初選載荷系數(shù)。2）小齒輪傳遞的扭矩。3）由表10-7,選取。4）由表10-6,查得。5）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。6）計算應力循環(huán)次數(shù)。7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)（允許點蝕）；。8）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1，由式10-20得（2）計算1)試算小齒輪分度圓直徑。代入中較小的值。2)計算圓周速度。3）計算齒寬b。4）計算齒寬與齒高之比。模數(shù) 齒高 5）計算載荷系數(shù)根據(jù)，7級精度、由圖10-8查得動載系數(shù)；直齒輪，；由表10-2查得使用系數(shù)；由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置，由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑。7）計算模數(shù)。3按齒根彎曲強度設計彎曲強度設計公式（1）確定公式內的各計算數(shù)值1）由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限。2）由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；。3）計算彎曲疲勞許用應力。取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，得4）計算載荷系數(shù)k。5)查取齒形系數(shù)。由表10-5查得 ；。6）查取應力校正系數(shù)。由表10-5查得；。7）計算大、小齒輪的并加以比較。大齒輪的數(shù)值較大。（2）設計計算取彎曲強度算得的模數(shù)0.896并就近圓整為標準值m=1mm，按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑,算出小齒輪的齒數(shù)大齒輪齒數(shù)。4.幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑（2）計算中心距（3）計算齒輪寬度取，。圖3-6 iii軸小齒輪工程圖圖3-7 iii軸大齒輪工程圖3.3機械手爪的設計由于任務書要求手爪采用旋轉變直線運動，結合機械手的手爪傳動形式，本次采用齒輪齒條式手爪加緊裝置。齒輪齒條式加緊裝置的優(yōu)點在于機械手的夾具運動方向為平行移動，運動軌跡為一條直線。這樣可以提高機械手的精度。其結構如下圖3-8所示。1-擋板； 2-支架； 3-齒輪； 4-齒條； 5-夾具圖3-8 齒輪齒條式機械手爪裝配圖3.4 結構設計的特點1.為了實現(xiàn)機械手大臂有360旋轉，故而大臂在底座支架的一側。這樣就會使得底座受力不均勻，從而對底座的旋轉軸及其連接在軸上的軸承的受力相對增大。 為了解決這個問題，本次設計把底座設計成圓形，底座的旋轉軸在底座中心，底座外圍有一個半圓的槽，與底座轉軸連接的部件也有一個半圓槽，并且與底座相互配作，形成一個圓槽，中間可以放入滾珠，從而減小底座轉軸的彎矩。其裝配結構如下圖3-9所示。1-基座上部； 2- 滾珠 3.基座中部圖3-9 基座部分裝配圖2. 為了保證手臂操作過程中安全可靠，本次機械手設計時加入的斷電位置保護。具體方案為1） 由于底座是在xoy平面旋轉，當斷電時，機械手就會自然停下，而且底座的傳動比為16，且所選電機轉速較慢，故按一般傳動來設計。2） 機械手大臂是在xoz平面180轉動，當斷電時，由于機械手臂自身重力與工件重力影響，機械手可能會轉動，為了實現(xiàn)機械手大臂的自鎖，在機械手大臂的傳動軸上裝有一個電磁制動閥。當切斷電源時，機械手大臂產(chǎn)生制動，使手臂保持原有姿態(tài)，電磁制動閥原理如下圖所示。當手臂電源被切斷時，彈簧1把活動壓塊緊壓錐形塊4 ，而錐形塊4與軸5是固定的。由于摩擦，軸5被鎖住。當手臂電源接通時，電磁鐵8通電產(chǎn)生磁力，把活動壓塊6吸向電磁鐵，即與錐形塊4脫開，軸5便能自由轉動1-彈簧；2-支柱；3-螺母；4-錐形快；5-軸；6-活動壓塊；7-定位快；8-電磁閥；9-電機支撐件；10-電動機圖 310 電磁制動閥工作原理圖。3） 小臂的處理方式與大臂一樣。4） 機械手手腕的運動范圍為在xoz平面上下180擺動，在yoz平面180轉動，為了實現(xiàn)斷電自鎖，其傳動方式采用蝸輪蝸桿的形式，采用該形式的好處是蝸輪蝸桿傳動的傳動比較大，而且有很好的自鎖能力，