要性不言而喻。小臂主要驅動手腕部分的旋轉以及手腕部分的俯仰等動作。而要實現這樣一個動作就必須要用到機械傳統系統，常用的傳統系統無非是齒輪、皮帶和鏈條。而小臂的結構都是非常緊湊的，而皮帶、鏈條他們能夠適應比較長的中心距之間的傳動，但是結構太不緊湊了，無法安裝到小臂內進行傳動作業，所以我們就采用了齒輪進行傳動。對于機械機構里面齒輪出現的概率非常的高，所以齒輪已經成了機械最直接的代名詞，我們常看到的一些影視作品當中，尤其是在一些古裝的影視作品中，為了表現出古代機關的精巧以及機械的復雜，一般都會把很多齒輪把它疊加在一起。在現實當中的機械傳動不敢說都有齒輪，但可以說九成以上都要依靠齒輪。從齒輪出現的概率我們就不難想象齒輪在機械傳動中的位置。齒輪之所以這么受歡迎，其主要的原因在于齒輪傳動特點就是傳動力矩大，使用壽命長，維護也簡單[6]。而且齒輪傳動它還有好多變形，比如說有不完全齒輪傳動，以及其他一些異形齒輪傳動，這些變形以后的齒輪傳動可以實現比單一圓周旋轉更為豐富多樣的運動。為了讓手腕部分旋轉的速度可調，本設計采用多個電機驅動不同傳動比的齒輪副實現轉速的調節。其實實現轉速調節還有一個很典型的辦法，就是通過一個電機驅動變速齒輪傳動系統通過滑移齒輪改變鎳和齒輪的傳動比，從而實現轉速的調節。這個方法是比較傳統的，最典型的應用就是車床的床頭箱，這個方法看似節約了電機數量，其實它增加了傳動系統的復雜程度，讓傳動系統變的不緊湊，而且也增加了設計難度。而機械手要求傳動系統機構緊湊，而且要求結構要盡可能的簡單一些，同時方便實現自動控制。因此采用多個電機獨立驅動不同的齒輪副實現變速，更加符合本設計機械手的設計要求。因此本設計采用三個獨立的電機驅動三個不同傳動比的齒輪副實現手腕轉速的調節，如下圖2-2所示。圖2-2變速驅動系統4.手腕部分機械手手腕部分本身要旋轉，他不光要有圓柱齒輪傳動，還需要有錐齒輪傳動，通過錐齒輪傳動帶動手腕部分進行旋轉。圖2-3手腕部分的傳動結構5.末端執行器由于本設計機械手它主要是應用在工業生產行業的，所以它的末端執行器擔負的作用一般是工業的，所以它的第一要務就是要能夠對工業用料進行夾緊和松開，因此它的末端執行器是卡爪式的結構。末端執行器采用氣缸進行驅動，它的結構也是比較成熟，是通過氣缸的伸縮拉動拉桿，拉桿帶動兩側的卡爪實現開合。將上述各部分結合起來，就得到了本設計工業送料機械手的整體結構，如下圖2-4所示。圖2-4整體結構三、工業送料機械手的設計計算（一）機械手底座的設計1.底座設計要求工業送料機械手的底座，它承擔了整個機械手的重量，同時如果機械手夾持重物的話，那么它還要承擔重物的重量，這就要求機械手的底座必須具有足夠的強度和剛性，一般來說像底座支座之類的零件都采用鑄造，材料往往采用非常容易鑄造成型的灰鑄鐵。加上灰鑄鐵具有良好的吸振的性能，所以在很多大型的機械上都采用灰鑄鐵鑄造底座。但是灰鑄鐵要發揮出良好的抗壓減振性能必須要具有足夠的體量，而工業送料機械手底座尺寸有限，即使使用灰鑄鐵鑄造也難以滿足使用要求，因此底座采用強度更高的鑄鋼材料來制造。材料選用ZG200-400，外形設計為薄壁結構，以減輕自身的質量[7]。2.底座電機選擇小手臂轉動慣量： J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2=23.43kg.m2 （3-1）大手臂轉動慣量：J2=（a2+臂2+c2+d2）+mp2=（0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.352=5.742kg.m2（3-2）兩電動機的轉動慣量： J電=J電1+J電2=34×0.22+8.5×0.42=2.72kg.m2 （3-3）減速箱的轉動慣量： J減=150×0.452=30.375kg.m2 （3-4）腰部本身的轉動慣量：J1=mp2=250×0.252=40kg.m2（3-5）所以，總的轉動慣量為J總=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392kg.m2（3-6）而轉動角加速度為ε=7.854°/s2輸出軸的轉矩為M=J總ε=150.392×7.854=1181.179N·m（3-7）轉換到電機上的轉矩為M電=17.71N·m根據要求M電<M額，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機，額定轉矩為28.4N·m。（二）機械手手臂的設計1.手臂電機選擇大手臂的轉動慣量，由上可知; J2=5.742kg.m2 （3-8）電動機轉動慣量 J電2=8.5×0.42=1.366kg.m2 （3-9）擺線減速器轉動慣量： J減=150×0.452=30.375kg.m2 （3-10）大手臂總慣量：J總=5.742+1.366+30.375=40.602kg.m2（3-11）所以電動機的轉矩為M電=14.17N.m根據要求M電<M額，選P=2.5kw，n=1000r/min的GY2.5型電機小手臂的轉動慣量 J3=34×0.22=1.36kg.m2 （3-12）電動機轉動慣量 J電3=100×0.52=25kg.m2 （3-13）擺線減速器轉動慣量 J減3=150×0.452=30.375kg.m2 （3-14）所以小手臂總的轉動慣量為J總=23.43+1.36+25+30.375=80.165kg.m2（3-15）對應在電動機上M電=9.45N.m根據要求M電<M額，選P=2.2KW，Y-H系列電機，轉速n=800r/min2.小臂設計經過上面的分析，小臂的俯仰實際上是通過電機驅動連桿從而拉動小臂進行擺動，這實際上就是一個曲柄搖桿機構。如圖3-1所示。圖3-1四桿機構示意圖3.手臂齒輪的設計計算取小齒輪齒數=24，則=5×24=120，大齒輪齒數Z2＝120。按齒面接觸疲勞強度設計選擇小齒輪材料40Cr，調質處理，硬度241-286H臂S。大齒輪材料ZG35CrMo，調制處理，硬度190-240H臂S，精度8級。確定各個參數數值（1）T=9.55×10×=9.55×10×(0.4/0.75)×0.99=5.04×10Nmm（2）初選=1.4；=1；ZE=188.9；=2.5（6）小齒輪的接觸疲勞強度極限為=1150MPa，大齒輪為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應力循環次數N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齒輪的應力循環次數N2=N1/5=5.7×（8）查表取接觸疲勞壽命系數為=1.08，=1.19（9）取安全系數為=1==1242MPa （3-16）==1332.8MPa（3-17）確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm（2）按K值對進行修正由圓周速度 =2.28m/s （3-18）查機械設計手冊得到=1.075，為=1.2。=1.07，=1.00所以載荷系數K==1.38按K值對進行修正==29.04=28.9mm （3-19）（4）確定模數m以及主要尺寸m==1.2mm為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2==216mm分度圓直徑==72mm，==360mm齒寬臂==72mm，取小齒輪齒寬=80mm，大齒輪齒寬=75mm齒頂高===3mm，齒根高===3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強度校核 （3-20）確定各個參數數值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數和應力校正系數=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數=1.25可得==539.6MPa==556.64MPa（5）驗算齒根彎曲疲勞強度===58.48MPa==54.61MPa彎曲疲勞強度足夠了。（三）機械手手腕部分設計（1）確定手腕齒輪連接軸的結構齒輪系統廣泛應用于各類機械設備，而系統中物理參數和幾何參數等的不確定性可能會導致系統運動精度喪失、運動可靠度下降。針對不確定性下齒輪系統運動精度問題，分析了齒輪機構的動態傳遞誤差REF_Ref20967\r\h[8]。齒輪和軸作為傳動系統中關鍵的零部件，他們是直接傳遞動力和扭矩的，可以說是傳動系統中的中流砥柱。所以他們使用的材料都是有講究的，強度剛度要滿足要求自然不用說，另外還要有一定的韌性要求。一般情況下作為軸來說45號鋼和40Gr都是非常合適的材料，之所以這些材料常用，是因為他們的性價比高，調制過后的綜合力學性能非常好價格也不貴。根據上面的分析，本軸的材料為40Cr，調制處理。軸的基本結構如下3-2所示。圖3-2軸的基本結構2.手腕齒輪連接軸的強度校核（1）計算齒輪的受力轉矩T=9.55×10=9.55×10×(3/75)×0.99=378180Nmm圓周力==12606N徑向力==4588.2N（2）計算支撐反力水平面受力圖如圖3.3(a)所示。+= （3-21）×153=×(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力圖如圖3.3(臂)所示。+= （3-22）×(67+153)=×67故=3839.10N，=8766.90N（3）畫軸彎矩圖水平面彎矩圖見圖3.3(c)圖。垂直面彎矩圖見圖3.3(d)圖。合成彎矩M=。（4）畫軸轉矩圖軸受轉矩T=T，轉矩圖見圖3-3(f)圖。（a）（臂）（c）（d）（e）（f）圖3-3手腕齒輪連接軸的受力分析（5）按彎扭合成應力進行強度校核fg段的中間截面為危險截面。取=0.6。當量轉矩=0.6×378180=226908Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以<。因此小軸1的滿足強度要求，所以有安全保障。四、工業送料機械手的控制（一）自動控制方式概述控制系統就是一種控制各種硬件的裝置，并對其進行各種操作功能進行管理的系統。最早控制系統都是由純粹的機械來進行操作控制的，以機械對機械的方式來進行控制硬件運行。工業革命時期國外發明了蒸汽機，就是依靠純粹的機械控制機械的運行，雖然這樣的方法可以是機械得到長久的使用，具有較大的經濟性和實用性，但單純靠機械控制機械不夠靈活。而且機械較小的話還可以進行手動控制，但如果都是大的機械的話，就很不好去調整了，這說明機械對機械的控制靈活性很差，需要耗費很大的人力成本。后來隨著科技的發展，人們對此作出了研究，逐步研發出的是PLC控制系統，這個控制系統是依靠改編程序來實現控制的改變。PLC能夠實現大型設備的控制，尤其對工業上大型機械的控制操作有著非常大的幫助，在許多龐大以及數量復雜的機械中都有很好的應用，在發電廠、化工廠等大型工廠都會運用到PLC，它有著能夠實現自動化的控制系統，初期它的價格也不便宜。隨著信息技術的迅猛發展，集成電路的廣泛應用，人們又研發出了高性能的單片機，單片機同樣是依靠改編程序來實現控制系統的操作運行，單片機與PLC最大的區別就在控制方式的不同。單片機更擅長控制小型的機器，所以它大都應用在電腦內部、電子秤、兒童玩具等這樣的小型控制系統，它的價格很便宜，因此有很多的企業去運用單片機，所以單片機也是一項非常成功的研究。而國內早先是依靠人控制機械的方法，十分落后，后來是依靠機械對機械的控制系統，并一直沿用了很久，雖說很耐用，但是不夠靈活。隨著改革開放之后，中國面向世界，有了更多的科技和文化的交流，人們也發現了PLC和單片機的應用之非常廣，所以國內也決定研發這樣的控制系統，但由于當時的技術較落后，人們苦于研究未果之后，引進了國外先進的控制系統，對其進行消化吸收，在此基礎上做出了大量的研發成果。隨著科技的成熟發展，我國已經能夠自主研發PLC和單片機這樣的控制系統，國內許多大小企業也相繼研發了控制系統，實現機械的自主控制，在工業機械和自動化領域控制系統也得到了廣泛的發展，并且取得了不錯的成績。相信在未來，我國在控制系統的研究上還會取得更大的突破，創造出更加智能化的控制系統。不管是單片機也好還是PLC也好，他們其實都能夠實現自動控制，而本課題研究的他這種工業送料機械手都可以使用這些方法進行控制，不過二者相比PLC要更勝一籌，為什么這么說，因為PLC它更加適合在工業中對于機械手、生產線這種有固定工作程序的設備進行控制。加上plc它具有控制性能穩定，抗干擾能力強這一優點，所以機械手基本上都會選用PLC進行控制，本設計自然是不例外。（二）plc的選型確定了選用PLC，那么使用哪一個類型的plc呢，再選擇PLC時重點要考慮的幾個問題，首先輸入輸出的點數，其次存儲空間，另外就是PLC的功能。輸入輸出點數是非常重要的，首先我們要預估控制系統需要多少輸入輸出點數，選擇的PIC型號要能夠在滿足點數要求的前提下再預留一些點數，作為備用。比如總共需要32個點數，而此型號正好總有32個點數，那么有的人就會認為它是符合要求的，其實不然因為要考慮到后期的擴展問題，至少要有36個才能滿足要求，也就是說要比要求的點數還要多一些才行。同樣的存儲空間也是這個道理，在滿足要求的前提下再放一些。另外就是PLC的控制功能的選擇，選擇的PLC型號所帶有的功能要涵蓋設備控制需求的全部功能才行。采用單片機技術和PＩＤ閉環反饋調節控制技術，設計了一款新型的仿人多指機械手，并設計了機器人的控制系統。其中，控制系統的核心采用了一款性價比較高、使用靈活的ＡＴ８９Ｓ５２單片機。通過測試發現,單片機可以實現機械手指夾緊力信號的收集、處理，并能夠發出動作指令REF_Ref22760\r\h[9]。總結在研究工業送料機械手時，我獲得了很多的啟發，幫我作為機械設計的學生，對于機械設計的知識有了深入的認識，同時對于我所學的這個專業主要從事的工作也有了深刻的了解。更重要的是他讓我把大學4年所學習的各種專業的知識，有了一次實際檢驗的用武之地。但是通過畢業設計也暴露出了許多的問題，比如很多基礎的專業知識沒有掌握，導致在用到他們時感覺到心有余力不足。所以在未來的學習中，我還要進一步刻苦努力提升自己。本課題主要研究的工業送料機械手屬于六自由度機械手的一種。本課題研究的機械手主要用來對工業進行和收集工作，進一步提高工業生產的自動化水平。在研究前首先參考了類似機械手的設計方法，設計思路和要點，然后設計了工業送料機械手的整體方案。在分別設計了工業送料機械手的手部、臂部和末端執行機構，對于機械手的關鍵零部件和傳動系統進行設計