畢業設計（論文）第IV頁目 錄摘要IIISummaryIV1緒論11.1 前言和意義11.2 工業機械手的簡史11.3 國內外研究現狀和趨勢31.3.1 國外發展現狀和趨勢31.4 本課題背景研究意義52總體結構62.1 坐標型式62.1.1 直角坐標型機器人62.1.2 圓柱坐標型機器人62.1.3 球坐標型機器人62.1.4 關節坐標型機器人62.2 驅動形式的選擇72.2.1 氣壓驅動72.2.2 液壓驅動82.2.3 電機驅動82.3 機械手原則設計82.4 自由度82.5 本機械手設計參數92.6 機械手結構原理92.7 機械手整體結構及工作方式說明103 手爪設計123.1 手部設計基本要求123.2 典型的手部結構133.3 機械手手爪的設計計算133.3.1 選擇手爪的類型及夾緊裝置133.3.2 手爪夾持范圍計算153.3.4 滑動絲杠設計163.3.5 直齒輪設計193.3.6 電機選型194 臂部及腕部設計214.1 臂部設計的基本要求214.2 小臂基本結構234.3 小臂轉動部分驅動電機的計算選型234.4 大臂基本結構234.5 大臂轉動部分驅動電機的計算選型244.6 腕部設計244.6.1 手腕設計的基本原則254.6.2 腕部驅動電機選型255 結論27參考文獻28致 謝29抓?。ū诿媾佬校C械手結構設計摘要在當今的大型制造業中，大多數企業都注重生產過程中的機械自動化程度，以提高產品的生產效率，保證產品的質量。工業機器人現在是工業自動化生產線中的重要成員1。 越來越多的公司認可和采用。工業機器人的研發水平和應用技術在一定程度上反映了一個國家的機械自動化水平。同時，許多機器人可以在困難的環境中替換工人。并且可以在許多危險環境中完成工作要求。目前，工業機器人主要從事焊接，噴涂，搬運，堆垛等重復勞動密集型工作2。該設計將在Solidworks的基礎上創建一個抓取機器人，用于在核廢料箱中輸送焊接探測器。首先，本文將設計機械手的手爪，大臂，小臂等結構，然后計算所需的數據，選擇合適的驅動器，傳動裝置和連接裝置。從而完成機器人的整體設計，以滿足設計要求。關鍵詞：驅動模式，傳動方式，抓取機器手Grab (wall crawling) manipulator structure designSummaryIn todays large manufacturing industry, most companies focus on the degree of mechanical automation in the production process, to improve the production efficiency of the product, ensure product quality. Industrial robots are now an important member of industrial automation production lines. More and more companies recognize and adopt. The research and development level and application technology of industrial robots reflect the level of mechanical automation in a country to some extent. Simultaneously, many robots can replace workers in difficult environments. And work requirements can be done in many hazardous environments.At present, industrial robots mainly undertake repetitive and labor-intensive work such as welding, spraying, handling, and stacking. The design will create a grab (wall crawling) robot based on Solidworks,used to transport welding detectors in nuclear waste bins. First of all, this article will design the structure of the manipulators claws, arms, arms, etc, then calculate the required data, choose the right drive, transmission and connecting device. Thereby completing the overall design of the robot, meet the design requirements.Keywords: drive mode，transfer method，grab robot畢業設計（論文）第4頁1緒論1.1 前言和意義機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置3。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更普遍。它適應于中、小批量生產，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。目前我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平低，機械手的研究和開發直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。目前，在國內很多工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發展成為柔性制造系統,適應現代自動化大生產,針對具體生產工藝,利用機器人技術4，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。通過對機械設計制造及其自動化專業大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機械手的設計5，能夠比較好地體現機械設計制造及其自動化專業畢業生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業精神和態度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現理論和實踐的有機結合。核工業用遙控檢測機器人的主要作用是用于核廢液對儲蓄罐的腐蝕情況。它在放射性環境中工作，需要一臺機械手將其送至罐壁面進行檢查工作，待機器人完成檢測工作后，再將其從壁面抓去回來。本文將設計一臺四自由度折疊式機械手，文中將主要介紹這種機械手的結構設計以及驅動方式。 1.2 工業機械手的簡史1.3 國內外研究現狀和趨勢1.3.1 國外發展現狀和趨勢 機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量新產品達到6軸，負載2KG的產品系統總重已突破100KG。更重國外機械手在機械制造行業中應用較多，發展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按照事先指定的作業程序來完成規定的操作。發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。目前已經取得一定成績。目前世界高端工業要的是將機械 手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業發展。概括如下： a. 機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化；由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 b. 工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。 c. 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 d. 關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發； e. 焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，滿足相對具體的任務的工業機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業控制器，市場化、模塊化的元件。1.3.2 國內發展現狀和發展趨勢我國的工業機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近 30 條自動噴漆生產線（站）上獲得規模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距；在應用規模上，我國已安裝的國產工業機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 本課題背景研究意義機械手是能模仿人手和臂的某些功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手并不是簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了仁德特長的機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間工作、精確度高、坑惡劣環境的能力。機械手是最早出現的工業機器人，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，在現今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械手與有人類的手臂最大區別就在于靈活度與耐力度。機械手的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備，作業的準確性和在特殊環境中完成作業的能力。工業機械手機器人的一個重要分支。按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完各種預期的作業，構造和性能上兼有人和機械手機器各自的優點。因而廣泛應用于機械制造、冶金電子、輕工和原子能等部門。機械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產品品質、安全性好。排爆機器人機械手結構，根據機器人機械手合攏于最遠端位置與抓取最大爆炸物位置兩個極限位置19。多關節機械手更具有以下優點:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產的需要，對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。多關節手臂也突破了傳統的概念，其關節數量可以從三個到十幾個重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據不同的場合有所變化，多關節手臂的優良性能是單關節機械手所不能比擬的。機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。我國塑料機械已成為機械制造業發展最快的行業之一，年需求量在不斷的加大。因此。本課題對四自由度折疊式機械手的研究具有積極的現實意義。貴州理工學院畢業設計（論文）第10頁2總體結構2.1 坐標型式機械手依結構復雜程度分為直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人和關節型機器人。2.1.1 直角坐標型機器人直角坐標型機器人是最簡單的關節型機器人，其通過互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。手部在空間三個相互垂直的方向X、Y、Z上作直線運動，運動是獨立的，如圖2.1a所示。它易于實現高定位精度，控制簡單，運動直觀性強，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小。 2.1.2 圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人在水平轉臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運動并可在水平方向伸縮，如圖2.1b所示。其結構簡單，便于幾何計算，工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿著水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。 2.1.3 球坐標型機器人球坐標型機器人的工作臂不僅可繞垂直軸旋轉，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿著手臂軸線作伸縮運動，如圖2.1c所示。其操作靈活，結構緊湊，并能擴大機器人的工作空間，但旋轉關節反映在末端執行器上的線位移分辨率是一個變量。 2.1.4 關節坐標型機器人關節坐標型機器人主要有立柱、前臂和后臂組成。如圖2.1d所示。其全部關節皆為轉動型關節，結構緊湊，操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，所占空間體積小，相對的工作空間最大，還能繞過基座周圍的一些障礙，是機器人中使用最多的一種結構形式，但精度受手臂位姿的影響，實現高精度運動較困難。圖 2.1 關節型機器人坐標型式（a) 直角坐標型機器人 （b) 圓柱坐標型機器人 （c) 球坐標型機器人 （d) 關節型機器人2.2 驅動形式的選擇驅動部分是機器人系統的重要組成部分，機器人常用的驅動形式主要有液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動三種基本類型。2.2.1 氣壓驅動在所有的驅動方式中，氣壓驅動是最簡單的。使用壓力通常在0.4一0.6Mpa，最高可達1Mpa。用氣壓伺服實現高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅動在所有的機器人驅動形式中是質量最輕、成本最低的。氣壓驅動主要優點是氣源方便，驅動系統具有緩沖作用，結構簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環境中工作。其缺點是:功率質量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。2.2.2 液壓驅動液壓驅動是以高壓油作為介質，體積較氣壓驅動小，功率質量比大，驅動平穩，且系統的固有效率高，快速性好，同時液壓驅動調速比較簡單，能在很大范圍實現無級調速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險，這不僅影響工作穩定性和定位精度，而且污染環境，所以需要良好的維護，以保證其可靠性。液壓驅動比電動機的優越性就是它本身的安全性，由于電動機存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統不存在電弧問題。2.2.3 電機驅動電機驅動是利用各種電機產生的力或轉矩，直接或經過減速機構去驅動負載，減少了由電能變為壓力能的中間環節，直接獲得要求的機器人運動。電氣驅動是目前機器人是用得最多的一種驅動方式。其特點是易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，驅動力較大，信號監測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅動效率高，不污染環境，可以采用多種靈活的控制方案。由于本課題所研究的爬行機器人驅動負載小，要求結構簡單、定位精度高，所以選用了電機驅動。2.3 機械手原則設計該抓取機械手設計總的有三條原則：第一是手部要盡可能的覆蓋較大空間；第二是根據抓取物的態勢調整自身姿態；第三是以盡量輕的自身重量達到合適合理的最大負載承載能力。2.4 自由度機械手的設計其實是模仿人臂的功能為基礎，再根據實際應用情況進行具體設計處理。人臂的肩、肘和腕關節共有六個自由度，其中大臂和腕部能做兩個方向的擺動，小臂能做一個方向的擺動和有限的轉動。本設計引入運載車，以使機械手能在罐內移動，可以省略其肩部和腕部的橫向移動運動，故本設計只需四個自由度即可，滿足課題要求。機械手工作方式如圖2.2所示。圖 2.2 機械手工作方式示意圖2.5 本機械手設計參數夾持對象：焊縫檢測器，形狀為矩形。檢測器最小尺寸：200*100*30 mm3 ，重量1.0kg。 檢測器最大尺寸： 300*200*100 mm3 ，重量2.0kg。 機械手類型：關節坐標式。 機械手總高：1000mm。 機械手最大回轉角度：360度。 機械手自由度：4 自由度。2.6 機械手結構原理本機械手原理簡圖如圖2.3所示圖 2.3 機械手結構原理簡圖2.7 機械手整體結構及工作方式說明機械手三維圖如圖2.4所示。灰色部分為運載小車。兩個綠色的部分為小臂和大臂（與小車相連的是大臂，與手爪相連的是小臂）大臂和小車相連部分裝了一個紫色的電機，它是大臂旋轉的動力源（機構第一個自由度）大臂和小臂相連的部分也裝了一個紫色的電機，它是小臂旋轉的動力源（機構第二個自由度）小臂和手爪連接部分的那個紫色的電機是手腕的動力源（機構第三個自由度）。底部透明部分為齒輪室，它有兩個作用：第一，保護齒輪正常運轉；第二，齒輪室的側壁上面開有小孔，用來和連接板相連紫色部分為手爪電機，是手爪的動力源下方有兩個齒輪是配合在一起的藍色部分為絲桿，土黃色部分為推桿和拉桿灰色部分為絲桿螺套，它的作用有兩個：第一，把絲桿和推桿連接起來；第二，絲桿轉動時，會帶動絲桿螺套在豎直方向運動，因為絲桿螺套與推桿是固定在一起的，這時候就會帶動推桿進行豎直方向的運動，從而使推桿上方連接的兩個拉桿開合黑色部分為工作塊，其上裝有紅色的橡膠夾塊，它們會在拉桿的作用下進行水平方向的移動，從而完成對實物的夾持。圖 2.4 機械手三維圖貴州理工學院畢業設計（論文）第19頁3 手爪設計手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業機械手的手部結構多種多樣，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而定的。歸結起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅動裝置為傳動機構提供動力，驅動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現夾緊或放松。夾鉗式手指一般分為平移型和回轉型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適合夾持平板、方料。但這種手指結構比較復雜、體積大，要求加工精度高?；剞D型手指的張開閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉型，為兩個的，稱為雙支點回轉型。這種手指結構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生夾持定位偏差。3.1 手部設計基本要求 a. 應具有適當的夾緊力和驅動力。手指握力（加緊力）大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經濟，甚至會損壞夾持物；力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮夾持物重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性力和震動，以保證夾持安全可靠。面對手部驅動裝置來說，應有足夠的驅動力。應當指出，由于機構傳力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。 b. 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度）或開閉距離（對平移型手指從張開到閉合的直線距離），以便于抓取或退出工件。 c. 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 d. 應保證被夾持物在手指內的夾持精度。應保證每個被夾持的工件，在手指內部都有準確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類的復雜工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度。e. 應考慮通用性和特殊要求。一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法，如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應工作環境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。3.2 典型的手部結構 a. 回轉型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 b. 移動型：移動型即兩手指相對支座作往復運動。 c.平面平移型。3.3 機械手手爪的設計計算3.3.1 選擇手爪的類型及夾緊裝置本設計是設計抓取矩形物體的機械手。常用的工業機械手手部,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。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 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，本設計選擇移動型手爪，采用絲杠螺母這種傳動結構方式，具體結構如圖3.1（三維圖）3.2（二維圖）所示。圖 3.1 機械手手爪三維圖運行方式為電機帶動直齒輪使絲杠轉動繼而帶動手爪接觸塊移動，從而形成手爪的張合，當手爪抓到零件時，電機停止，手爪形成自鎖，帶動零件移動。圖 3.2 手爪二維結構圖3.3.2 手爪夾持范圍計算手爪的夾持部分為由兩跟拉桿控制的工作塊完成，而兩個工作塊上又分別安裝了四個橡膠夾塊，橡膠具有彈性大，定伸強度高，抗撕裂性和電絕緣性優良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特點（見圖3.3）圖 3.3 手爪橡膠下面對夾塊的夾持范圍進行校核：在圖3.1所示中，手爪推桿處于最低位置，即夾塊處于夾持最小距離，可按下式(3.1)計算 (3.1)其中：L為拉桿長度，為推桿處于最低位置時拉桿與上蓋的夾角，a為工作塊厚度，b為夾塊厚度。當兩根拉桿處于水平位置時，夾塊處于夾持最大距離，按下式(3.2)計算 (3.2) 顯然，工作塊的夾持范圍滿足系統要求。3.3.3 夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。手指對工件的加緊力可按公式（3.3）計算 （3.3）安全系數，通常1.2-2.0；本設計取=2 。工作情況系數，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率剑?.4）估算 （3.4）（其中a為重力方向的最大上升加速度）；運載時工件最大上升速度 t響系統達到最高速度的時間，一般選取0.03-0.5s 。方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇 可按下式（3.5）計算 （3.5）式中f=0.20.3，本設計取0.2，則=2.5G被抓取工件所受重力（N)本設計采用的參數值如下：=2；=1+(）/10=1.2 ；=2.5；G=20N故得： FN=21.22.520=120N 3.3.4 滑動絲杠設計設計條件：需自鎖。絲杠長度：140mm 。最大質量共計約1100g。絲杠載荷：絲杠豎直時承受最大軸向力，G=mg (g取10N/kg)。設計計算：（1） 牙型、材料和許用應力采用梯形單頭螺紋螺桿材料選45鋼，調制處理，由機械手冊查表可得。許用拉應力按下式（3.6）計算 （3.6）手爪部分為輕載，螺母材料選耐磨鑄鐵。由機械手冊查表可得許用彎曲應力， 取 ；許用剪應力由機械手冊查表可得許用壓強，取（2） 按耐磨性計算螺桿中徑由表中公式（3.7）知， （3.7）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，螺旋副標記分別為：，。螺母高度，取則螺紋圈數圈（3） 自鎖性驗算由于單頭螺紋，導程，故螺紋升角可按下式（3.8）計算，為 （3.8）由機械手冊查表可得鋼和耐磨鑄鐵的，取，可得 （3.9），故自鎖可靠。（4） 螺桿強度校核由機械手冊查表可得，螺紋摩擦力矩按下式（3.10）計算， （3.10）代入以下公式（3.11）得 （3.11）（5） 螺母螺紋強度校核因螺母材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋強度即可。由機械手冊查表可得牙根寬度：，基本牙高：代入以下中的公式（3.12）（3.13）得 （3.12） （3.13）（6） 橫向振動校核對于鋼制螺桿可按下式（3.14）計算 （3.14）應滿足轉速（7） 效率由回轉運動轉化為直線運動時按下式（3.15）計算 （3.15）效率取為3.3.5 直齒輪設計直齒輪具體參數如表（表3.1）所示表 3.1 直齒輪參數表項 目符號齒輪1單位單位齒 輪2 單位幾何參數：齒數 Z2025法 向 模 數 m n3毫米法 向 壓 力 角 n20度有 效 齒 寬 b12毫米齒 頂 高 系 數 ha*1頂 隙 系 數 c*0.25中 心 距 a67.5毫米分 度 圓 直 徑 d60毫米75毫米轉 速n3500r / min2800r / min3.3.6 電機選型計算條件：空行程最長，夾緊時間不超過1.2s螺母移動平均速度（3.16）， （3.16）絲杠的平均轉速摩擦轉矩按下式（3.17）（3.18）計算（3.17） （3.18） 則按下式（3.19）計算 （3.19）選用轉速為的直流電機，速比齒輪傳動效率、滑動螺旋傳動效率總效率電機軸驅動轉矩按式（3.20）計算： （3.20）電機軸輸出功率按式（3.21）計算： （3.21）電機選用40ZY-02直流電動機。貴州理工學院畢業設計（論文）第25頁4 臂部及腕部設計手臂部件是機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），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉和升降。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現，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、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。機身是直接支承和驅動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等驅動裝置或傳動部件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的結構和受力情況就越復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地而成架空軌道運動。4.1 臂部設計的基本要求臂部的結構形式必須根據機器人的運動形式、抓取質量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時設計時必須考慮到手臂的受力情況，油（氣）缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此臂部設計一般要注意以下要求。 a. 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部的承載能力，通常取決于剛度。一般結構上較多采用懸伸梁式。顯然伸縮臂桿的懸伸長度越大，則剛度越差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負載能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾項：（1） 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機身通常既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲），也受扭矩，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。研究表明，在截面面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性距要比圓鋼大得多。所以，機械手常用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置、傳動機構以及管道，這樣就是結構緊湊，外形整齊。（2） 提高支承剛度和合理選擇支承間的距離 臂桿或機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且與支承件的剛度和支承件間的距離有很大關系。研究表明，當其他條件一定時，如果縮短兩支承件間的距離，可減少臂桿的變形量，但必須注意，這并未未考慮支承的變形。當負荷和懸伸長度一定時，支撐件間距離越小，則兩支承上受力越大，其彈性變形也越大，此時，支承件的剛度成為影響臂桿變形量的主要矛盾。 要提高支承剛度，除從支座的結構形狀、底板的剛度，以及支座與底板的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。（3） 合理布置作用力的位置和方向 在結構設計時應結合具體受力情況，設法是各作用力引起的變形相互抵消。（4） 注意簡化結構 在設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結構簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求的部位合理確定調整補償環節，以減少重要部件的間隙，從而提高剛度。（5） 提高配合精度 水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使稻香桿承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸體內經配合精度，以提高手臂前伸時的剛度。 b. 臂部運動速度要高，慣性要小機械手手臂運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平，一般根據節拍的要求來決定。一般情況下，手臂的移動和回轉、俯仰都要求勻速運動，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的，為減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和震動。 c. 手臂動作應靈活為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦 d. 位置精度要高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高，關節式機械手的位置最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測機構，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環節以減少或消除傳動、齒合件的間隙。 除此之外，要求機械手通用性好，能適合多種作業的要求；工藝性哦那個號，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業區粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。4.2 小臂基本結構小臂的結構主要由一塊臂板和驅動電機組合而成。4.3 小臂轉動部分驅動電機的計算選型小臂轉動部分轉到最前端的距離為400mm，小臂部分約重3kg則： J= 所以參考選擇SM80-024-30LFB,其基本參數見附表4.14.4 大臂基本結構大臂的結構主要由一塊臂板和驅動電機組合而成如圖4.1所示。圖 4.1 手臂三維圖4.5 大臂轉動部分驅動電機的計算選型大臂轉動部分轉到最前端的距離為400mm，小臂部分約重3kg，機構與小臂相同，則：J 所以參考選擇SM80-024-30LFB,其基本參數見附表4.14.6 腕部設計手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的擺動運動。4.6.1 手腕設計的基本原則 a. 力求結構緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 b. 綜合考慮，合理布局腕部作為機械手的執行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調整等問題。 c. 必須考慮工作條件對于高溫作業和腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計時應充分估計環境對腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控原件的耐熱性等）。針對本設計，機械手的工作條件是核廢液儲蓄罐，因工作在腐蝕性的場合中，所以對機械手的腕部材料的選用 316L 耐腐蝕不銹鋼。4.6.2 腕部驅動電機選型腕部連接手爪，其形狀比較復雜，選擇一據扭轉中心最遠距離為半徑，以圓柱形近似計算，腕部及手爪部分約重15kg。則：J 所以參考選擇SM80-013-30LFB，其基本參數見附表4.1表 4.1 電機參數自由度伺服電機型號功率（kw）額定轉矩（Nm）額定轉速（Rpm）重量（kg）小臂轉動SM80-24-30LFB(加NN系列減速器）0.752.430004.2大臂轉動SM80-24-30LFB(加NN系列減速器）0.752.430004.2腕部轉動SM80-013-30LFB(加NN系列減速器）0.41.330004.2貴州理工學院畢業設計（論文）第26頁5 結論經過幾個月的努力，機械手結構設計論文終于完成了。感謝老師在整個設計過程中給予的幫助。在整個設計過程中，出現過很多的難題，但都在老師和同學的幫助下順利解決了，尤其在設計出期，由于對課題了解不足，出現了許許多多的問題，在不斷的學習過程中我體會到：設計剛開始時，由于對機械手知識的不熟悉，導致繞了很多彎路，甚至出現一些錯誤，造成了很多次的返工。但是，正是這一次次的嘗試磨練了我的耐性并加強了我的機械設計知識水平。在這次設計中，我不僅收獲了專業知識，還在與同學的溝通交流方面有了很大提高。寫論文是一個不斷學習的過程，從最初剛寫論文時對機械手問題的模糊認識到最后能夠對機械手機構有比較清晰的認識，我體會到實踐對于學習的重要性，以前只是明白理論，沒有經過實踐考察，對知識的理解不夠明確，通過這次的設計，真正做到理論實踐相結合。總之，通過畢業設計,我深刻體會到要做好一個完整的事情，需要有系統的思維方式和方法，對待要解決的問題，要耐心、要善于運用已有的資源來充實自己。同時我也深刻的認識到，在對待一個新事物時，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步