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XX學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
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關(guān)節(jié)機(jī)械手設(shè)計(jì)
2014 年 4 月
72
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，關(guān)節(jié)機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究關(guān)節(jié)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。
本文對(duì)一種使用在關(guān)節(jié)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。
關(guān)鍵詞： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器臂，關(guān)節(jié)型機(jī)械手，結(jié)構(gòu)分析
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Abstract
The robot is a typical mechatronic products, spray painting robot is a hot research field of the robot. Study on the spray painting robot requires a combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, biology and computer science knowledge, at the same time, its development has promoted the development of these disciplines.
In this paper, a design of arm structure used in the painting robot, and complete the general assembly drawing and part drawing. Requirements for the mechanics analysis of the robot model, estimate required on each joint torque and power, complete motor and reducer selection. Secondly, from the motor and reducer connection and fixation of joint structure, design, and the mechanism of important connections check the strength.
Keywords ：Structure design, Robot arm, Structure analysis
目 錄
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況 2
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3
1.4 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 4
1.5 主要內(nèi)容 4
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 機(jī)械手工程概述 5
2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述 6
2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理 7
2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 7
2.5 本章小結(jié) 9
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu) 10
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 10
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型 11
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 12
3.5承載能力的計(jì)算 16
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 16
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 16
4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1 腕部設(shè)計(jì) 21
4.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34
4.3 小臂電機(jī)及減速器選型 34
4.3.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 36
4.3.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 36
4.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 36
4.4.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 37
4.4.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 38
4.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 39
4.6 軸的受力分析及計(jì)算 40
4.7 軸承的壽命校核 41
5 機(jī)身設(shè)計(jì) 43
5.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 43
5.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 48
5.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 55
5.4 軸承的校核 63
5.5 鍵的選擇和校核 66
5.6 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 67
總結(jié)與展望 68
致 謝 69
參 考 文 獻(xiàn) 70
1 緒論
1.1 引言
機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，關(guān)節(jié)機(jī)械手是機(jī)械手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究關(guān)節(jié)機(jī)械手需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。機(jī)械手是關(guān)節(jié)機(jī)械手的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械手發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)機(jī)械手的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)械手專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。功能的具備為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景。
研究機(jī)械手的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)械手的研究方向；機(jī)械手可以作為一種智能機(jī)械手在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
，關(guān)節(jié)機(jī)械手的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)械手協(xié)會(huì)給關(guān)節(jié)機(jī)械手下的定義：關(guān)節(jié)機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)械手作如下定義：
關(guān)節(jié)機(jī)械手是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或關(guān)節(jié)其他涂料的工業(yè)機(jī)械手。
關(guān)節(jié)機(jī)械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。
關(guān)節(jié)機(jī)械手是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。采用關(guān)節(jié)機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。機(jī)械手的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[1-2]。
1.2 關(guān)節(jié)機(jī)械手研究概況
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來(lái)研究人類的運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開(kāi)展機(jī)械手的研究是始于本世紀(jì)60年代．迄今，不僅形成了機(jī)械手一整套較為完善的理論體系，而且在一些國(guó)家，如日本、美國(guó)和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的機(jī)械手樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在機(jī)械手領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。
在60年代和70年代，對(duì)機(jī)械手控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的機(jī)械手都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來(lái)的 ，模型參考控制是由美國(guó)的Farnsworth在1975年提出來(lái)的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機(jī)械手學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問(wèn)提出來(lái)的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于而且也適應(yīng)于多足機(jī)械手。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機(jī)械手在時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機(jī)械手的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立的問(wèn)題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就機(jī)械手的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行了研究。
前面我們?cè)赋鯲ukobratovic也對(duì)類人型系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的功率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個(gè)有用的結(jié)論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)機(jī)械手的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始機(jī)械手領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)械手攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)械手方面的研究開(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)械手研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)械手技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)械手技術(shù)，隨后取得了一定的成就。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1986年開(kāi)始研究機(jī)械手，先研制成功靜態(tài)雙足機(jī)械手HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒/步，后來(lái)又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV機(jī)械手，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機(jī)械手[3～7]。
國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)械手KDW-1，它能前進(jìn)、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。1990年在KDW-II的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)，步速0.8步每秒，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-III的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)械手“先行者”，動(dòng)態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達(dá)每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語(yǔ)言功能[8～13]。
此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)械手THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。
本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中機(jī)械手。目前，機(jī)械手大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)械手還不多，雖有一些六足、四足機(jī)械手涌現(xiàn)，但是機(jī)械手還是鳳毛麟角。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類的機(jī)械手。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.4 關(guān)節(jié)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述：
它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。
(1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是關(guān)節(jié)機(jī)械手完成關(guān)節(jié)工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需
的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。
(a) 末端執(zhí)行器：機(jī)械手為了進(jìn)行作業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，直接噴漆工件。
(b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。
(c) 臂部：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。
(d) 機(jī)身：機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有
機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
(3) 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(4) 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 實(shí)踐證明，關(guān)節(jié)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。
1.5 主要內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹機(jī)械手的相關(guān)知識(shí)和本課題研究的任務(wù)和要求.
第2章 總體方案設(shè)計(jì),介紹該機(jī)械手各部分的相關(guān)知識(shí)和總體設(shè)計(jì).
第3章 機(jī)械手各部分設(shè)計(jì)的介紹
第4章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手工程概述
機(jī)械手工程是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來(lái)用以解決綜合性的工程問(wèn)題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以機(jī)械手設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究、開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，從機(jī)械手的整體出發(fā)來(lái)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。
從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來(lái)看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開(kāi)、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：
（1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。
（2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。
（3） 目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。
（4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
因此，在進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械手的功能要求，將組成機(jī)械手系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的機(jī)械手產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成機(jī)械手工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)接口裝置（鍵盤(pán)、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。
工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機(jī)械手能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來(lái)完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)機(jī)械手等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機(jī)械手技術(shù)綜合體地工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門(mén)，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用機(jī)械手系統(tǒng)亦是如此。
2.2 工業(yè)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案論述
（一） 確定負(fù)載
目前，國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)械手中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)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(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。
（二） 驅(qū)動(dòng)方式
由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。
（四）工作范圍
工業(yè)機(jī)械手的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)械手作業(yè)過(guò)程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇
（五） 運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。
2.3 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)原理
該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
該關(guān)節(jié)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖
關(guān)節(jié)機(jī)械手本體組成
各部件組成和功能描述如下：
底座部件：
底座部件包括底座、齒輪傳動(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部件,承受關(guān)節(jié)機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證關(guān)節(jié)機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)節(jié)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)
手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件：包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。
2.4 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門(mén)式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。
關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式
根據(jù)任務(wù)書(shū)要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)5KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，要求設(shè)計(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
機(jī)械手的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較緊湊，能抓取靠近機(jī)座的物體。協(xié)作單位根據(jù)其用途和特點(diǎn)提出如下技術(shù)參數(shù)
用途:物料搬運(yùn)，注塑，裝配，包裝等
自由度數(shù)目：6
坐標(biāo)形式：垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)型
額定負(fù)荷質(zhì)量（不含末端執(zhí)行器）：10kg(15kg)
最大工作半徑1450mm（1500）
手臂最大中心高1200mm（1000）
本體自重小于160kg（200）
表2-1各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)范圍和最大工作轉(zhuǎn)速
最大工作范圍（ o ）
工作轉(zhuǎn)速
r/min
rad/s
o/s
腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
±150（300）
10
1.05
60
大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)
±110（150）
10
1.05
60
小臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)
+170，-150（±180）
10
1.05
60
小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
±180（360）
20
2.1
120
腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié)
±130（120）
20
2.1
120
腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
±360
30
3.14
180
2.5 本章小結(jié)
本章主要完成對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)多種方案的選擇來(lái)確定最終要確定的方案. 確定了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
3 機(jī)械手大臂部結(jié)構(gòu)
3.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
臂部部件是關(guān)節(jié)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求:
（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工
字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，關(guān)節(jié)機(jī)械手常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，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(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。
（2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。
為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施:
(a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料;
(b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸
(c) 減少回轉(zhuǎn)半徑
(d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置
(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。
為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
(4)位置精度要高。
一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系關(guān)節(jié)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式關(guān)節(jié)機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。
本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見(jiàn)表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜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 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見(jiàn)總裝配圖。
3.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。
3.3 大臂電機(jī)及減速器選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：
M2=2Kg， M3=4Kg
J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
式中：T - 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m
J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2
- 角加速度rad/s2
使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：
(3.4)
若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(3.5)選擇諧波減速器：
⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m
減速比：i1=120
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.4 減速器參數(shù)的計(jì)算
剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS
剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS。
1.齒數(shù)的確定
柔輪齒數(shù)：
剛輪齒數(shù)：
已知模數(shù)：，則
柔輪分度圓直徑：
鋼輪分度圓直徑：
柔輪齒圈處的厚度：
重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長(zhǎng)度：取
柔輪筒體長(zhǎng)度：
輪齒過(guò)渡圓角半徑：
為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
2.嚙合參數(shù)的計(jì)算
由于采用壓力角的漸開(kāi)線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。
考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為：
（扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa）
其中：
W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m
為了消除在的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。
其中：
徑向變形系數(shù)：
則：
徑向變形系數(shù)：
柔輪的變位系數(shù)：
剛輪的變位系數(shù)：
驗(yàn)算相對(duì)嚙入深度：
如果計(jì)算得到的，為了繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，可取2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動(dòng)力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計(jì)算，使。
柔輪齒根圓直徑：
其中（齒頂高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)）
柔輪齒頂圓直徑：
其中（查表得）
相對(duì)嚙入深度和輪齒過(guò)渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)算公式。
即：
剛輪齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
選取插齒刀齒數(shù)，插齒刀變位系數(shù)（中等磨損程度的插齒刀），插齒刀原始齒形壓力角，則
剛輪和插齒刀的制造嚙合角：
查漸開(kāi)線函數(shù)表和三角函數(shù)表得
則剛輪和插齒刀的制造中心距：
插齒刀的齒頂圓直徑：
剛輪齒根圓直徑：
驗(yàn)算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙：
即：
可見(jiàn)沿波發(fā)生器長(zhǎng)軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。
3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算
滾珠直徑：
柔輪齒圈處的內(nèi)徑：
則：
軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無(wú)滾道的
軸承內(nèi)環(huán)厚度：
內(nèi)環(huán)滾道深度：
式中的是考慮到外環(huán)無(wú)滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。
軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬
軸承外環(huán)外徑：
軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑：
為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。
則凸輪圓弧半徑：
其中ｅ是偏心距：
（—?jiǎng)傒喎侄葓A直徑，—柔輪分度圓直徑）
則凸輪圓弧半徑：
凸輪長(zhǎng)半軸：
凸輪短半軸：
3.5承載能力的計(jì)算
3.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算
根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件：
接觸強(qiáng)度計(jì)算公式：
—輸出轉(zhuǎn)矩
—柔輪節(jié)圓半徑
—柔輪輪齒寬
—?jiǎng)傒唹毫?
—接觸系數(shù)（0.4~0.9）
對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力
則：
所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。
3.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算
柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。
計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為
截面處正應(yīng)力：
切應(yīng)力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：
其中：
則：
驗(yàn)算安全系數(shù)：
疲勞極限應(yīng)力：
應(yīng)力安全系數(shù)：
其中，抗拉屈服極限：
剪切應(yīng)力集中系數(shù)：
則滿足疲勞強(qiáng)度條件。
軸的計(jì)算校核
畫(huà)軸的受力分析圖，軸的受力分析分析圖如圖所示：
已知：作用在剛輪上的
圓周力
徑向力
法相力
1) 求垂直面的支撐反力：
2) 水平面的支撐反力：
3） F在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的反力：
外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見(jiàn)（7）的計(jì)算
4） 繪垂直面的彎矩圖：
5) 繪水平面的彎矩圖：
6) F產(chǎn)生的彎矩圖：
a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：
7) 求合成彎矩圖：
考慮最不利的情況，把與直接相加
MA=+MAF=
+41.1=70.1 N.m
M'A=+MAF=
+41.1=62.57 N.m
8) 求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
N.mm
9) 求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為：
如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得：
10） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑
軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則：
考慮到鍵槽對(duì)軸的消弱，將d值加大5%，故：
d=22.8*1.05=24mm<32mm
滿足條件
因a-a處剖面左側(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩
，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面
其彎曲截面系數(shù)為：
抗扭截面系數(shù)為：
彎曲應(yīng)力為：
扭切應(yīng)力為：
按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為：
由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。
4小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 腕部設(shè)計(jì)
腕部能夠連接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。
按自由度分類可將工業(yè)機(jī)器人手腕分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人實(shí)際使用的工作性能要求來(lái)確定。本課題所研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人手腕具有擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。二自由度的手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖3.1所示。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)，所以為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤(pán)上，再通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。
圖3.1 ＢＢ型手腕示意圖
本課題研究設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人廣泛用于進(jìn)行汽車車身等噴涂作業(yè)，腕部作用于工作空間的最前端，有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖3.2所示。
圖3.2 手腕外形尺寸示意圖
4.1.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算
手腕的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。
（1）選擇步進(jìn)電機(jī)
手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—手腕部分材料密度（kg/m3）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長(zhǎng)度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過(guò)兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；
滾子鏈傳動(dòng)效率；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；
錐齒輪傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖3.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
（2）設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)
（a） 計(jì)算、分配傳動(dòng)比
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)及其對(duì)應(yīng)的矩頻特性曲線，所選步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩為4.5 N·m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為r/min。
由于腕部偏轉(zhuǎn)的角速度r/s，已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得出，所以腕部末端偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r/min，由此推出總的傳動(dòng)比。
已確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式是通過(guò)兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)和一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，需將總傳動(dòng)比進(jìn)行分配。綜合考慮帶輪的尺寸和手臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間，取小臂鏈傳動(dòng)比，大臂鏈傳動(dòng)比，錐齒輪傳動(dòng)比，。
（b） 計(jì)算小臂鏈傳動(dòng)功率
kW （3.10）
（c）選擇帶輪的齒數(shù)
為使小臂中的兩個(gè)帶輪結(jié)構(gòu)更加緊湊，考慮到小臂鏈的傳動(dòng)比較小，而傳動(dòng)距離比較長(zhǎng)，選擇小帶輪齒數(shù)，大帶輪齒數(shù)，、取奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，可使鏈條和帶輪輪齒磨損均勻。
（d）選擇鏈條類型
根據(jù)手冊(cè)[15]進(jìn)行鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)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）
式中：
—工況系數(shù)；
—主動(dòng)帶輪齒數(shù)系數(shù)；
—單排鏈系數(shù) ；
—中心距計(jì)算系數(shù)；
—設(shè)計(jì)功率（kW）；
—特定條件下單排鏈條傳遞功率（kW）；
—節(jié)距（mm）；
—初定中心距（mm）；
—鏈條節(jié)數(shù)；
—鏈條長(zhǎng)度（mm）；
—計(jì)算中心距（mm）；
—實(shí)際中心距（mm）；
—鏈條速度（m/s）；
—有效圓周力（N）；
—作用在軸上的力（水平或傾斜傳動(dòng)）（N）。
經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，選擇鏈號(hào)10B，節(jié)距mm的鏈條。
（e）計(jì)算帶輪主要尺寸
根據(jù)所選滾子鏈的型號(hào)規(guī)格確定一對(duì)帶輪基本參數(shù)：
，，mm，mm，mm。
帶輪主要尺寸：
（3.22）
（3.23）
（3.24）
（3.25）
（3.26）
式中：
—分度圓直徑；
—齒頂圓直徑；
—齒根圓直徑；
—分度圓弦齒高；
—齒側(cè)凸緣直徑。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
（3）設(shè)計(jì)錐齒輪傳動(dòng)
根據(jù)噴漆機(jī)器人的工作要求，將腕部最末端的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計(jì)成一體，圓錐大齒輪單獨(dú)設(shè)計(jì)，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計(jì)這類齒輪傳動(dòng)時(shí)按彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。
（a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸
齒數(shù),：
齒數(shù)比，所以選擇,則。
齒寬系數(shù)：
，取。齒寬系數(shù)不宜取過(guò)大，避免引起小端齒頂過(guò)薄，齒根圓角半徑過(guò)小，應(yīng)力集中過(guò)大。
根據(jù)手冊(cè)[16]，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)：
（3.27）
式中：
—齒輪傳遞的扭矩；
—工況系數(shù)；
—?jiǎng)虞d系數(shù)；
—齒寬系數(shù)；
—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力；
查手冊(cè)[16]得到，,,MPa。
由于 N·m，,。
將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。
大端模數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度圓模數(shù)，取。
圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算[16]：
（3.28）
（3.29）
（3.30）
（3.31）
（3.32）
（3.33）
（3.34）
式中：
—大端分度圓直徑；
、—節(jié)錐