搬箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)電專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 搬箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 搬箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 題目名稱：搬箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 任務(wù)內(nèi)容（包括內(nèi)容、計(jì)劃、時(shí)間安排、完成工作量與水平具體要求） 一． 具體任務(wù) 1 運(yùn)動(dòng)功能方案設(shè)計(jì) 2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 3 結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì) 4 設(shè)計(jì)參數(shù)： 紙箱尺寸 522419122mm 紙箱重量 5kg 最大工作半徑 900mm 最大上升范圍 300mm 二． 時(shí)間安排 1．1-3周 調(diào)研、撰寫開題報(bào)告 2．4周 畢業(yè)實(shí)習(xí) 3．5-6周 熟悉軟件開發(fā)環(huán)境，確定設(shè)

2、計(jì)方案 4．7-10周 設(shè)計(jì)搬箱機(jī)械手，確定各零部件尺寸 5．11-12周 對搬箱機(jī)械手各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并裝配成整體模型，導(dǎo)出整體裝配圖 6．13-15周 撰寫畢業(yè)論文 7．16周 準(zhǔn)備答辯 三．完成工作量 1)畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告、開題報(bào)告一份、設(shè)計(jì)任務(wù)書一份、論證報(bào)告一份。 2)搬箱機(jī)械手設(shè)計(jì)二維CAD、手繪A1圖紙一份、零件圖數(shù)份。 3)設(shè)計(jì)說明書一份。 四．水平具體要求： 1）綜合運(yùn)用所學(xué)的知識解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究課題； 2）能獨(dú)立設(shè)計(jì)計(jì)算、分析、繪圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理撰寫技術(shù)報(bào)告； 3）學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法和科學(xué)研究的基本方法，學(xué)會查閱科學(xué)文獻(xiàn)、論文

3、資料、機(jī)械手冊工具書等。 4）對總體方案設(shè)計(jì)及研究的確定與實(shí)施，確定主要系統(tǒng)和主要部件的設(shè)計(jì)依據(jù)。 其中： 參考文獻(xiàn)篇數(shù)： 說明書字?jǐn)?shù)： 圖紙張數(shù)： 10篇以上 6 000字以上 折合A0圖紙4張，其中至少1張裝配圖 專業(yè)負(fù)責(zé)人意見 簽名： 年 月 日 搬箱機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 鑒于目前我國的發(fā)展?fàn)顩r，對外對內(nèi)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，對于物流運(yùn)輸越來越依賴，運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化提高對于目前國內(nèi)發(fā)展情況的提高至關(guān)重要。因此工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸中更多更靈活的運(yùn)用就是最好的提高方法。工業(yè)機(jī)器人種類繁多功能各不同。根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，參考紙箱重量、紙箱尺寸，工作

4、范圍合理選擇傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)裝置，從而設(shè)計(jì)出一種搬運(yùn)紙箱的機(jī)械手。最終完成任務(wù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)設(shè)計(jì)出可靠可行的搬箱機(jī)械手。本機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、制造、裝配方便成本較低、占空間較小、工作范圍較大、運(yùn)動(dòng)靈活、操作簡便，可大批量生產(chǎn)用于搬運(yùn)工作，柔性度較高，可匹配多種負(fù)載。 本題目涉及到理論力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程材料、工程制圖、互換性測量、液壓與氣壓傳動(dòng)、機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的知識內(nèi)容。 關(guān)鍵詞：　機(jī)械手；搬箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  The structural design of manipulator for moving box Abstract In view of the pre

5、sent state of development in China.The internal and external economic prosperity.More and more dependent on logistics and transport.Transportation automations improvment of the domestic development is essential to improve the current situation.So its the best way to use industrial robot in industria

6、l production and transportation more and flexibler.Industrial robots have a lot of variety and feature.According to the design requirement and weight、size of boxes,working range choose the transmission and drive device in reason to design out a manipulator for moving boxes.At last complete the task

7、and achieve the desired objectives to design reliable and feasible to move the box manipulator.The manipulator is simple,easy to manufacture and rig out,low price .Can be used for handling high-volume work and many situation. The completing design manipulator has the small covered area,big working

8、 range,simple structure,low cost,merits of the vivid movement and simple operation etc.Therefore,its suitable for use in reality production. Keywords：　Manipulator;Moving box;Structure design 目錄 摘要 Abstract 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人定義 1 1.2 工業(yè)機(jī)械手的組成與分類 1 1.2.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 1 1.2.2 工業(yè)機(jī)械手的分類

9、1 1.3 選題背景 2 1.4 設(shè)計(jì)目的 2 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 3 2.1 機(jī)械手的總體方案 3 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)方式 3 2.1.2 確定方案 4 2.2 機(jī)械手腰部方案確定 4 2.2.1 機(jī)械手腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 4 2.2.2 確定方案 4 2.3 機(jī)械手手臂方案確定 5 2.3.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 5 2.3.2 確定方案 5 2.4 機(jī)械手手腕連接方式 6 2.5 機(jī)械手手部方案確定 6 2.5.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)要求 6 2.5.2 機(jī)械手夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 6 2.5.3 機(jī)械手夾持器的典型結(jié)構(gòu) 6 2.5.4 確定

10、方案 7 2.6 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)方案確定 7 2.6.1 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 7 2.6.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常見形式 7 2.6.3 確定方案 8 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 8 2.7.1 機(jī)械手各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 8 2.7.2 確定方案 9 2.8 機(jī)械手手臂平衡機(jī)構(gòu)選擇 10 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.1 液壓缸氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.1.1 手部氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.1.2 手臂液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 13 3.1.3 升降液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.2 電機(jī)選型參數(shù)計(jì)算 16 3.2.1 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 16 3.2.2 電機(jī)型號選擇

11、18 3.3 齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度校核 19 結(jié)論 21 參考文獻(xiàn) 22 致謝 23 1 緒論 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人定義 機(jī)器人是一個(gè)擁有很多自由度的，能夠?qū)崿F(xiàn)許多模擬人動(dòng)作和肢體結(jié)構(gòu)功能的機(jī)器；工業(yè)機(jī)器人則是在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人。 1.2 工業(yè)機(jī)械手的組成與分類 1.2.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 各類工業(yè)機(jī)器人一般都由操作機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)組成。 (1) 操作機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)） 操作機(jī)具有和人臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。 1) 末端執(zhí)行器（手部） 是執(zhí)行最重要?jiǎng)幼鞯牟僮鳈C(jī)部件，能

12、裝配夾持機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)件。夾持器可分為機(jī)械加緊、真空抽吸、液壓張緊和磁力等多種。 2) 手腕 是用來支承并調(diào)整手部姿態(tài)，擁有2~3個(gè)自由度的起連接作用的部件，可增大手部的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。有的專用機(jī)器人可以沒有手腕而直接降末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。常采用齒條傳動(dòng)及輪系結(jié)構(gòu)。 3) 手臂 是由操作機(jī)的連接桿件和關(guān)節(jié)組成，用于支持和協(xié)調(diào)手腕及末端執(zhí)行器的位置。手臂有時(shí)不止一條，還可以包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。一般將靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)稱為小臂，靠近機(jī)座的稱為大臂。手臂與機(jī)座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴(kuò)大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)范圍。 4) 腰部 稱為立柱，是承載手臂的元件，手臂依靠它來位移，用來擴(kuò)大手臂地工

13、作半徑。 5) 機(jī)座 是固定不動(dòng)并承受各種應(yīng)力、力的的元件。分為固定式和移動(dòng)式兩類，移動(dòng)式機(jī)座下部安裝行走機(jī)構(gòu)，可擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍；行走機(jī)構(gòu)多為滾輪或履帶，分為有軌與無軌兩種。近些年來發(fā)展的步行機(jī)器人，其行走機(jī)構(gòu)多為連桿機(jī)構(gòu)。 (2) 驅(qū)動(dòng)裝置 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)備用來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人工作，根據(jù)能量源的不同分為電子式、液壓式和氣壓式三種，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)、液壓缸和氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可通過齒輪、諧波減速器和鏈條裝置等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操作機(jī)連接。 (3) 控制裝置 控制系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)作要求可分為開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。很多工業(yè)機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)控制，一般分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的

14、功能是識別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策略級將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令。 1.2.2 工業(yè)機(jī)械手的分類 (1) 按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1) 專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)。 2) 通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大定位精度高通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 (2)

15、按驅(qū)動(dòng)方式分 1) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。 2) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 3) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。 4) 電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)

16、行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (3) 按控制方式分 1) 點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 2) 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。 1.3 選題背景 鑒于目前我國的發(fā)展?fàn)顩r，對外對內(nèi)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，對于物流運(yùn)輸越來越依賴，運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化提高對于目前國內(nèi)發(fā)展情況的提高至關(guān)重要。

17、因此工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸中更多更靈活的運(yùn)用就是最好的方法。鑒于現(xiàn)如今工業(yè)的自動(dòng)化程度體現(xiàn)了一個(gè)國家的整體工業(yè)現(xiàn)代化水平，因此對于工業(yè)自動(dòng)化的多樣性、靈活性等體現(xiàn)明顯的工業(yè)機(jī)械手就成為世界主流的發(fā)展方向。工業(yè)的現(xiàn)代化體現(xiàn)一個(gè)國家是否強(qiáng)大，能否抵御外敵讓百姓過上和平快樂安逸富足的生活。目前中國消費(fèi)者網(wǎng)上購物的次數(shù)是歐洲消費(fèi)者的4倍，是美國和英國消費(fèi)者的兩倍左右。在2012年前3季度，中國網(wǎng)上購物市場交易規(guī)模達(dá)7788億元人民幣，超2011年的全年總數(shù);2013年網(wǎng)上零售總額將占整體社會消費(fèi)品零售總額6%左右。由此可見，市場對于工業(yè)機(jī)械手的需求量如此之大，如此大的產(chǎn)業(yè)需要有充沛的“后勤”保障，

18、對于機(jī)械手的設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.4 設(shè)計(jì)目的 現(xiàn)在，機(jī)械手以不僅僅應(yīng)用于生產(chǎn)在物流領(lǐng)域里也應(yīng)用廣泛。為了能夠靈活迅速的運(yùn)輸商品不僅需要快速的傳送軌道，還要有穩(wěn)定靈活的搬運(yùn)機(jī)器人完成運(yùn)輸不同階段的交接。本次設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)搬運(yùn)紙箱的機(jī)械手，在結(jié)構(gòu)上力求簡單實(shí)用滿足結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度要求，來完成目前繁忙的搬運(yùn)工作，節(jié)約了勞動(dòng)力的同時(shí)提高了搬運(yùn)效率，減少諸多不確定且對人體健康不利的因素。運(yùn)用大學(xué)四年學(xué)習(xí)的專業(yè)知識完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的素質(zhì)也是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的之一。 - 25 - 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 2.1 機(jī)

19、械手的總體方案 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)方式 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)式，圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與形式，介紹如下。 (1) 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 如圖2-1，其手臂的運(yùn)動(dòng)方式由直線位移構(gòu)成，即沿X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。它特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于的場合是主機(jī)的坐標(biāo)規(guī)律排列。但是它的占地面積較大而工作范圍較小且運(yùn)動(dòng)不太靈活導(dǎo)致它的使用率不高。 圖2-1 直角坐標(biāo)機(jī)械手 圖2-2 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手 (2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 如圖2-2，

20、其手臂運(yùn)動(dòng)方式由直線位移和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)構(gòu)成，即朝X軸的遠(yuǎn)近位移，朝Z軸的上下位移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。它占用底層水平二維空間小、工作空間大、機(jī)構(gòu)不復(fù)雜可以完成比較高的定位精度應(yīng)用廣泛。 (3) 球座標(biāo)式機(jī)械手 如圖2-3，其手臂的運(yùn)動(dòng)方式由直線位移和圓周擺動(dòng)構(gòu)成，即X軸的位移、繞Y軸的俯仰、繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手動(dòng)作靈活、工作范圍大、占地面積小。它適用于沿伸縮方向向圓周外側(cè)作業(yè)的傳動(dòng)形式。 (4) 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 如圖 2-4，其機(jī)械手可以做幾個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)，它由大臂和小臂以及腰部組成，大小兩臂的連接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱的鏈接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)

21、動(dòng)所組成，即大臂的俯仰、小臂的俯仰、大臂的回轉(zhuǎn)。它工作范圍大、動(dòng)作靈活、通用性強(qiáng)，能夠繞過機(jī)體與工作主機(jī)抓取物體。它的手指控制位置精度不高，需要多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)來提供姿態(tài)并且其輔助設(shè)施、結(jié)構(gòu)都較很復(fù)雜。 緒論 圖2-3 球坐標(biāo)機(jī)械手 圖2-4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 2.1.2 確定方案 具體到本設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為搬運(yùn)尺寸、毛重5kg紙箱，用傳送帶運(yùn)輸，考慮在滿足要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。根據(jù)動(dòng)作要求，把紙箱從一個(gè)傳送帶上抓取下來放到更大的紙箱中進(jìn)行裝箱，在裝箱的過程中

22、要求有X軸的伸縮來排列紙箱，要求有繞Z軸的旋轉(zhuǎn)來完成從傳送帶上去下紙箱并進(jìn)行裝箱，要求要有沿Z軸的升降來完成對紙箱進(jìn)行層層碼垛，并且結(jié)構(gòu)簡單為宜便于安裝維修，同時(shí)對于手部的設(shè)計(jì)要求可以根據(jù)紙箱的不同位置可以用不同的姿態(tài)來完成抓取，即手腕處要求有一個(gè)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，要求的自由度為3個(gè)外加一個(gè)手腕的旋轉(zhuǎn)自由度，所以選擇圓柱坐標(biāo)式即一個(gè)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)、一個(gè)沿Z軸的上下移動(dòng)、一個(gè)沿X軸的伸縮，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較簡單，手臂運(yùn)動(dòng)范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。 2.2 機(jī)械手腰部方案確定 2.2.1 機(jī)械手腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 (1)要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性 (2)腰部承

23、受機(jī)器人全部重力和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。 (3)腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大。因此，腰部與手臂的連接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動(dòng)間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 2.2.2 確定方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式只有電機(jī)減速機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、大轉(zhuǎn)矩交直流伺服電動(dòng)機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器，又具有不需要能量轉(zhuǎn)換、使用方便控制靈活等特點(diǎn)?？紤]到腰座的回轉(zhuǎn)對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)考慮采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。選用一級齒輪傳動(dòng)來減小齒側(cè)間隙導(dǎo)致的誤差，

24、并且為了減少空間加強(qiáng)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰部升降的驅(qū)動(dòng)形式采用液壓升降，因?yàn)橐簤焊准仁球?qū)動(dòng)元件又是執(zhí)行元件，并且液壓缸的液壓桿自帶導(dǎo)程無需額外的光杠輔助導(dǎo)程，液壓缸的強(qiáng)度也很大可以保證機(jī)械手因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，且動(dòng)力大能夠承受機(jī)械手的全部重量，技術(shù)成熟并且便于用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)直接控制。腰部具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 1.齒輪 2.圓錐滾子軸承 3.鎖緊螺母 4.回轉(zhuǎn)電機(jī) 5.升降液壓缸 圖2-5 機(jī)械手腰部結(jié)構(gòu) 2.3 機(jī)械手手臂方案確定 2.3.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 (1)手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合動(dòng)作

25、需求。 (2)根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度材質(zhì)材料。 (3)要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 2.3.2 確定方案 手臂的運(yùn)動(dòng)是沿X軸的伸縮運(yùn)動(dòng)，是直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。氣壓傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性不高，對于本次設(shè)計(jì)的精度考慮不宜采用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度高但是電機(jī)本身無法直接完成動(dòng)作需要另外的執(zhí)行元件，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且成本較高。液壓驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性好，精度較高，主要是液壓元件既是驅(qū)動(dòng)元件又是可以執(zhí)行元件較之電動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡單節(jié)約了空間，而且液壓缸有良好的剛度符合

26、本次設(shè)計(jì)對于機(jī)械手手臂剛度的要求。液壓缸的驅(qū)動(dòng)力較大，能夠提供很好的伸縮運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對于不同級別的負(fù)載更換元件也比較方便。所以手臂采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。 2.4 機(jī)械手手腕連接方式 通過對實(shí)際情況分析，機(jī)械手手部與手臂連接無需自由度，采用固連即可。本設(shè)計(jì)通過中心孔帶有螺紋的法蘭與手部用螺栓連接，手臂與法蘭螺紋連接并通過鎖緊螺母使手部保持豎直狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。 1.法蘭 2.鎖緊螺母 3.活塞桿 圖2-6 手腕連接方式 2.5 機(jī)械手手部方案確定 2.5.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)要求 (1)末端執(zhí)行器要能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作需要的夾持力以及按要求可以達(dá)到的位置精

27、度。 (2)應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。 (3)夾持范圍要與工件相適應(yīng)，動(dòng)作要快速靈活。 (4)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、重量輕、強(qiáng)度可靠、易磨損處應(yīng)便于更換。 2.5.2 機(jī)械手夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的夾持器多為雙指手抓式，按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手爪又可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式。機(jī)械式夾持器按驅(qū)動(dòng)方式可分為電動(dòng)（或電磁）、液壓和氣動(dòng)三種。 2.5.3 機(jī)械手夾持器的典型結(jié)構(gòu) (1)楔塊杠桿式夾持器 利用楔塊與連桿的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)

28、現(xiàn)手爪的張、緊來完成抓取工件的動(dòng)作。 (2)連桿杠桿式夾持器 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧一起使用。 (3)齒輪齒條平行連桿式夾持器 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。 (4)平行杠桿式夾持器 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，但是比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 2.5.4 確定方案 結(jié)合具體的工作情況，本次設(shè)計(jì)任務(wù)為搬運(yùn)兩側(cè)為平面的紙箱，因此選擇齒輪齒條平行連桿式夾持器較為

29、合適，通過對齒條的驅(qū)動(dòng)可以使帶有齒輪的連桿繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過平面機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾塊的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對紙箱的夾緊，由于這種夾持方式對紙箱的夾緊力有限所以在夾持器下方選擇有帶翻邊的夾塊。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。 1.平行連桿 2.吊環(huán) 3.扇形齒輪連桿 4.諧波減速器 5.回轉(zhuǎn)電機(jī) 圖2-7 末端夾持器結(jié)構(gòu)圖 2.6 機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)方案確定 2.6.1 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 (1)為了提高并控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及準(zhǔn)確度，要求機(jī)械手各元件的質(zhì)量小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，體積小。 (2)傳動(dòng)部件應(yīng)盡量降低靜摩擦力，保證小的正斜率動(dòng)摩擦否則會出現(xiàn)爬行

30、現(xiàn)象，傳動(dòng)精度失準(zhǔn)。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 (3)采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等措施縮小反向死區(qū)誤差。 2.6.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常見形式 (1) 帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)又分為平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng) 1) 平帶傳動(dòng) 應(yīng)用較多的情況為傳動(dòng)中心距較大的情況。常用的平帶有橡膠布帶、縫合棉布帶、棉織帶和毛織帶等數(shù)種。其中以橡膠布帶應(yīng)用廣泛。 2) V帶傳動(dòng) V帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，V帶已經(jīng)大量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)且可以承受較大的傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)，因而V帶傳動(dòng)的應(yīng)用最廣泛。 3) 多楔帶傳動(dòng) 結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動(dòng)平穩(wěn)，常用于傳遞功率

31、較大，有要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合。 (2) 鏈傳動(dòng) 由于沒有彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，鏈傳動(dòng)比帶傳動(dòng)更能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比；傳動(dòng)效率高，能達(dá)到98%；又因鏈條與鏈輪之間不用張得很緊，所以作用于軸上的壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動(dòng)的承載能力也比帶傳動(dòng)強(qiáng)；適于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)十幾米；鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)較為緊湊，且成本低廉，可在溫度較高、濕度較大、有油污、腐蝕等惡劣條件下工作。 (3) 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：1.效率高2.結(jié)構(gòu)緊湊3.工作可靠、壽命長4.傳動(dòng)比準(zhǔn)確、恒定5.適用的速度和功率范圍廣6.要求加工精度和安裝精度較高，制造時(shí)需要專用工具和設(shè)備，因此成本比較高。7.不適合在兩軸中心距大的

32、情況下使用。 (4) 蝸桿傳動(dòng) 可以達(dá)到大的傳動(dòng)比，噪音小，傳動(dòng)穩(wěn)定可靠，具有自鎖能力，但是安裝時(shí)對中心距的尺寸精度要求較高。 2.6.3 確定方案 具體到此次設(shè)計(jì)兩個(gè)直線自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，末端夾持器直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用氣動(dòng)方式無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，手臂直線自由度采用液壓缸驅(qū)動(dòng)直接當(dāng)作執(zhí)行元件無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)并且增強(qiáng)剛度，腰部的旋轉(zhuǎn)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須要有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來減速并增大扭矩。經(jīng)分析采用圓柱齒輪，利用一級齒輪傳動(dòng)來減小齒輪傳動(dòng)因尺側(cè)間隙導(dǎo)致的傳動(dòng)誤差，故齒輪需要更高的強(qiáng)度來完成既定的動(dòng)作。 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 2.7.1 機(jī)械手各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方

33、式有液壓式、氣壓式和電動(dòng)式。 (1) 液壓驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1）液壓容易達(dá)到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩； 2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，可以獲得較高的位置精度。 3）液壓傳動(dòng)中比較容易控制速度和力并使之自動(dòng)化。 4）液壓的介質(zhì)為油液，具備潤滑和防銹能力，可以增加使用年限和提高機(jī)械效率。 液壓系統(tǒng)的不足之處是： 油液的黏度隨溫度變化而變化影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；造價(jià)較高；容易引起故障 (2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是： 1）壓縮空氣黏度小容易達(dá)到高速 2）動(dòng)力來源

34、易取得，可集中控制 3）空氣可應(yīng)用于高溫工作的情況 4）氣壓元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低 它的不足之處是： 1）壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6Mpa較低。 2）空氣壓縮性大工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很難 3）除水問題處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)械手失靈，排氣還會造成空氣污染。 (3) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)如果不加減速器無法提供足夠的有效力矩，且運(yùn)動(dòng)不易控制，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出較小的力矩，慣性小易于控制，可以實(shí)現(xiàn)速度與位置

35、的精確控制，用于中小型機(jī)器人更合適。不同驅(qū)動(dòng)各種特點(diǎn)見表2-1。 表2-1各種驅(qū)動(dòng)方式在不同方面的特點(diǎn)比較 驅(qū)動(dòng)方式 特點(diǎn) 輸出力 控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本 液壓驅(qū)動(dòng) 壓力高，可獲得大的輸出力 輸出力大，穩(wěn)定，容易控制，可無級調(diào)速 維修方便，液體對溫度變化敏感 在輸出力相同的情況下比氣壓驅(qū)動(dòng)體積小 中小型及重型機(jī)器人 液壓元件成本較高，油路比較復(fù)雜 氣壓驅(qū)動(dòng) 壓力低，輸出力小 可高速，沖擊大，精確定位困難，阻尼差，低速難控制 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境下使用，泄漏無污染 體積較大 中小型機(jī)器人 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便

36、，成本低 電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 異步、直流電機(jī) 輸出力較大 控制性能交差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 需要減速裝置，體積較大 速度低，特重大的機(jī)器人 成本低 步進(jìn)、伺服電機(jī) 輸出力較小或較大 響應(yīng)快，定位精度高，控制系統(tǒng)復(fù)雜 維修使用較復(fù)雜 體積較小 程序復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格 成本較高 2.7.2 確定方案 具體到本設(shè)計(jì)，考慮到腰部的回轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)末端執(zhí)行器的定位精度，所以應(yīng)用定位精度高并且響應(yīng)速度快的步進(jìn)電機(jī)?；剞D(zhuǎn)下方的升降元件用液壓元件，考慮到承載能力以及垂直布置，可以利用重力實(shí)現(xiàn)下降，所以選用柱塞缸。手臂無法利用重力且對于驅(qū)動(dòng)力要求不是非常大選用單活塞液壓缸。末

37、端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)也要求高定位精度，快速的反應(yīng)能力、靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出力要求不高選用步進(jìn)電機(jī)?？紤]到夾持器的驅(qū)動(dòng)氣壓元件垂直放置而且對于工作環(huán)境要求較高，由于液壓元件的漏油是無法避免的元件的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法經(jīng)常拆卸維護(hù)，所以選用單作用活塞桿式氣壓缸。氣缸通過活塞桿帶動(dòng)齒條使扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來完成手爪的擴(kuò)張合攏。 2.8 機(jī)械手手臂平衡機(jī)構(gòu)選擇 除了關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手都可以通過合理布局，使手臂自身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，由于手部結(jié)構(gòu)較多而且還有負(fù)載，考慮到機(jī)械手自身結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況選擇配重塊平衡機(jī)構(gòu)。 3

38、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 液壓缸氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1 手部氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)手爪氣缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 紙箱重量 ，摩擦系數(shù)為 1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)力為: （3-1） 得 式中，F(xiàn)N——為沿水平方向X軸作用于紙箱的力，N FP——為氣缸沿Z軸的驅(qū)動(dòng)力，N l ——為連桿的長度，m R——為扇形齒輪的節(jié)圓半徑，m α——為連桿與豎直方向的夾角 2)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:

39、 （3-2） 因?yàn)閭鬟f力的機(jī)構(gòu)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，故取機(jī)械效率，并取。若被抓取工件的最大加速度，則: 夾持工件時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力為 (2)氣缸的直徑的設(shè)計(jì) 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，氣缸活塞桿的輸出力需要克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: （3-3） 式中，F(xiàn)1 ——活塞桿上的推力，N Ft ——彈簧反作用力，N Fz——?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N P ——?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa 彈簧反作用計(jì)算:

40、 （3-4） （3-5） (3-6) 緒論 式中，Gf——彈簧剛度，N/m l —— 彈簧預(yù)壓縮量，m s —— 活塞行程，m

41、 d1——彈簧鋼絲直徑，m D1——彈簧平均直徑，m n —— 彈簧有效圈數(shù) G—— 彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: (3-7) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3-8) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以 查《機(jī)械手冊》圓整

42、，得D=70mm 由d/D=0.3~0.5，可得活塞桿直徑:d=（0.3~0.5)D=21~35mm 圓整后，取活塞桿直徑d=20mm校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足設(shè)計(jì)要求。 (3)缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3-9) 式中，——缸筒壁厚，mm ——液壓缸內(nèi)徑，mm ——實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa

43、 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 取，則缸筒外徑為: 3.1.2 手臂液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性、密封等幾個(gè)方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。 (1) 液壓缸活塞的阻力的計(jì)算 F= F1F2+F3F4+F5+F6 (3-10) 式中，F(xiàn)1——作用在活塞桿上的工作阻力，N，無 F2——液壓缸在啟動(dòng)制動(dòng)換向時(shí)的慣性阻力，F(xiàn)2=Ma,N M——活塞及運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量，kg

44、 a ——加速度，m/s2 F3——除液壓缸外運(yùn)動(dòng)元件的摩擦阻力，N，無 F4——運(yùn)動(dòng)部件自重，N F5——活塞缸活塞及活塞桿處的密封摩擦力，一般由缸體的機(jī)械效率來表示，通常取ηm=0.95，N F6——回油背壓阻力，N，取0.05F 1) 手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)手臂平動(dòng)是v=0.3m/s,在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度, (3-11)

45、 2) 運(yùn)動(dòng)部件自重 (3-12) 3) 密封裝置的摩擦阻力 (3-13) 經(jīng)過以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力（阻力）： (2) 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=231.1N，查表選擇液壓缸的工作壓力P=0.8MPa 1) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖3-1所示： 圖3-1 雙作用液壓缸示意圖 緒論 當(dāng)

46、油進(jìn)入無桿腔， (3-14) 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， (3-15) 液壓缸的有效面積： 故有 （3-16） （有桿腔） （3-17） 式中，P——活塞的驅(qū)動(dòng)力

47、，N P1——油缸的工作壓力，MPa d——活塞桿直徑，mm,本案初設(shè)d=D/2 D——油缸內(nèi)徑，mm η——油缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取η=0.96 據(jù)上述計(jì)算，F(xiàn)=2311N P=0.8MPa，按有桿腔進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果必然滿足無桿腔的力學(xué)要求。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 查表油缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-93），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑， D=72mm 活塞桿直徑d=72/2=36mm 2) 液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 本案液壓缸考慮到具體結(jié)構(gòu)，最小壁厚不小于3mm，而驅(qū)動(dòng)力又偏低，故最大壁厚不超過10mm。按中等壁厚進(jìn)行計(jì)算(16>D/δ>3.2)：

48、 （3-18） 式中，——強(qiáng)度系數(shù)(當(dāng)為無縫鋼管時(shí)取值為1) C——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度 ——油缸材料的許用應(yīng)力(MPa)；，其中為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般n=3～5 一般常用缸體材料的許用應(yīng)力 為： 鍛鋼 鑄鋼 無縫管 代入數(shù)據(jù)： 圓整為4mm，即缸體外徑80mm 3.1.3 升降液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 計(jì)算升降液壓缸的總機(jī)械載荷 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為：

49、 （3-19） 式中，——外加的載荷； ——活塞上所受的慣性力； ——密封阻力； ——導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； ——回油被壓形成的阻力； 1）的計(jì)算 （3-20） 式中，——液壓缸的負(fù)載總重，取為50kg； ——重力加速度， ； ——速度變化量,； ——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01~0.5s，取0.2s 將各未知數(shù)帶入上式，得： 2）的計(jì)算 （3-21） 式中，——克服液壓缸活塞及活塞桿處密封摩擦阻力所需空載壓力，如該液

50、壓缸工作壓力<16 MPa，查相關(guān)機(jī)械手冊取0.2MPa ； ——為進(jìn)油工作腔有效面積； 啟動(dòng)時(shí)： 運(yùn)動(dòng)時(shí)： 3）的計(jì)算 回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算： （3-22） 式中，——為回油背壓，一般為，取 ——為有桿腔活塞面積，兩邊差動(dòng)比取2； 將各值帶入上式有， 分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為： (2) 液壓缸強(qiáng)度的較核 1）缸筒壁厚的較核 當(dāng)缸體由脆性材料制造時(shí)，

51、液壓缸壁厚按第二強(qiáng)度理論計(jì)算： （3-23） 式中，——為缸筒內(nèi)徑； 緒論 ——為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，??； ——為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查機(jī)械手冊取為600MPa，為安全系數(shù)，此處取n=4； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。 2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為： （3-24） 式中， ——為活塞桿上作用力； ——為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處； 帶入數(shù)值，計(jì)算校核上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工

52、作要求。 3.2 電機(jī)選型參數(shù)計(jì)算 3.2.1 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 (1) 若傳動(dòng)負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)（滾珠絲杠）則有 負(fù)載額定功率： （3-25） 負(fù)載加速功率： （3-26） 負(fù)載力矩（電機(jī)軸）： （3-27） 負(fù)載（電機(jī)軸）： （3-28） 起動(dòng)時(shí)間： （3-29） 制動(dòng)時(shí)間：

53、 （3-30） (2) 若傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 負(fù)載額定功率： （3-31） 負(fù)載加速功率： （3-32） 負(fù)載力矩（電機(jī)軸）： （3-33） 負(fù)載GD（電機(jī)軸）： 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 （3-34） 起動(dòng)時(shí)間： （3-35） 制動(dòng)時(shí)間：

54、 （3-36） 式中，——額定功率，Kw； ——加速功率，Kw； ——負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； ——電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； ——負(fù)載的速度，m/min； ——減速機(jī)效率； ——摩擦系數(shù)； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），； ——電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩（電機(jī)軸），； ——負(fù)載的，； ——負(fù)載（電機(jī)軸），； ——電機(jī)的，； 下面進(jìn)行具體的計(jì)算 由于腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有：

55、 （3-37） 式中，——滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005； ——機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，最大取80； ——大齒輪分度圓半徑，R=180； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.045； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度為=30r/min；傳動(dòng)比定為； 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。 將其帶入上（3-31）—（3-37）得： 啟動(dòng)時(shí)間 ； 緒論 制動(dòng)時(shí)間 ； 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。 由于手部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)

56、軸上有； （3-38） 式中，——滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.01； ——機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，最大取7.5； ——傳動(dòng)齒輪分度圓半徑，R=90； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.00675； 同時(shí)，手爪回轉(zhuǎn)速度為=120r/min 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。 將其帶入上（3-7）~（3-13）式，得： 啟動(dòng)時(shí)間 ； 制動(dòng)時(shí)間 ； 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。 3.2.2 電機(jī)型號選擇 根據(jù)上述計(jì)算

57、，考慮諸多因素，腰部電機(jī)選擇北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：90BYG550B-SAKRML-0301 該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好。手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇國產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：90BYG550A-SAKRML-0301 下表為步進(jìn)電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表3-1所示 表3-1 步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù) 貨物編號 規(guī)格型號 相數(shù) 步距角（） 靜態(tài)相電流（A） 相電阻（Ω） 相電感（mH） 保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 重量（Kg） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（gcm2） 000270 90BYG550A-SAKRML-0301

58、5 0.36/0.72 3 0.2 2.0 2.0 0.1 2.2 2300 000280 90BYG550B-SAKRML-0301 5 0.36/0.72 3 0.4 4.0 4.0 0.2 3.4 4500 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 下圖為步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線，如圖3-2所示 圖3-2 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 3.3 齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度校核 (1) 確定齒輪材料、熱處理方式、精度等級和齒數(shù) 因傳動(dòng)尺寸無嚴(yán)格要求，傳動(dòng)功率較大，查手冊得，小齒輪采用，齒面硬度為，?。淮簖X輪采用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為，?。痪鹊燃?級。取，一天工作16小時(shí)，電

59、機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min (2) 確定許用應(yīng)力 查手冊得 取 查手冊接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)得 查手冊彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)得 查手冊尺寸系數(shù)得 (3-39) (3-40) (3-41) (3-42) (3) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 1）計(jì)算工作轉(zhuǎn)矩：

60、 (3-43) 2）初步計(jì)算小齒輪直徑 (3-44) 查手冊??；齒寬系數(shù) 取d1=55，則b=33mm 3） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) (3-45) 因工作均勻平穩(wěn)，查手冊工作情況系數(shù)得 設(shè)計(jì)齒輪精度7級， 查手冊取 齒輪對稱布置，； (4) 校核輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度 查手冊齒形系數(shù)得，； 查手冊應(yīng)力修正系數(shù)得，； 因，所以得 由彎曲強(qiáng)度校核公式得 大小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求 千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y(jié)論

61、”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 結(jié)論 結(jié)論 通過本次設(shè)計(jì)，我完成了以下工作： （1）手部設(shè)計(jì)選擇了能夠完成搬箱任務(wù)的平行連桿齒輪齒條式氣動(dòng)末端執(zhí)行器，根據(jù)紙箱的大小設(shè)計(jì)了連桿的尺寸、連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍，根據(jù)實(shí)際要求選擇了合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到實(shí)際工作環(huán)境及要求增加了末端執(zhí)行器的繞Z軸回轉(zhuǎn)自由度，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成動(dòng)作，可以很好的控制旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到定位精度要求。 （2）手臂本設(shè)計(jì)選用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)并執(zhí)行動(dòng)作，同樣對于小負(fù)載，選擇更合理結(jié)構(gòu)利用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)更好，而本設(shè)計(jì)的好處是簡化了結(jié)構(gòu)在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，相對的節(jié)約了成本。并且液壓缸的剛度可靠對于本設(shè)計(jì)的要求十分夠用。 （3）

62、腰部選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)，可以很好的控制旋轉(zhuǎn)角度和速度，可以選用大功率電機(jī)，也可選用夠用的電機(jī)，對于本機(jī)械手的升級十分方便。升降系統(tǒng)選用液壓柱塞缸，液壓柱塞缸的驅(qū)動(dòng)力很大，剛度也很大，本身有導(dǎo)向套導(dǎo)向，所以本人認(rèn)為合理可靠。 同時(shí)也有很多不足之處 （1）對于末端執(zhí)行器相比其他結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求動(dòng)作且可以很好的抓取側(cè)面為平面的物體，如果在結(jié)構(gòu)剛度即材料上有所改進(jìn)可以抓取更重一些的物體，對于驅(qū)動(dòng)方式由于本人學(xué)術(shù)非常有限沒能設(shè)計(jì)處更合理的方式，較理想的驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)傳動(dòng)，電機(jī)傳動(dòng)可以非常好的控制手爪的張角，對于負(fù)載不大的機(jī)械手十分靈活可靠。 （2）如果對于機(jī)械手的整體材料進(jìn)行改進(jìn)

63、可以更靈活、經(jīng)濟(jì)。比如全部用鋁合金材料，雅馬哈就有全鋁合金機(jī)械手在各方面都很不錯(cuò)。 對于本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也存在復(fù)雜不合理之處，由于本人技術(shù)有限，對于錯(cuò)誤誠懇希望老師指出。 結(jié)論 參考文獻(xiàn) [1] 呂宏,王慧.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009. [2] 王慧,呂宏.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009. [3] 關(guān)慧貞,馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)第3版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012. [4] 左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)第4版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011. [5] 鄭堤，唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. [6]

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65、 Technical services [J].Library Resource Services,1984,28(3):205-218. 致謝 結(jié)論 建議成績： 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 建議成績： 評閱人（姓名、職稱）:

66、 年 月 日 建議成績： 評閱人（姓名、職稱）: 年 月 日 答辯委員會意見: 答辯委員會(教師姓名、職稱)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)成績： 千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。