工業(yè)機器人執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計含4張CAD圖,工業(yè),機器人,執(zhí)行,履行,系統(tǒng),設(shè)計,cad
摘 要
本設(shè)計主題是工業(yè)機器人執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該機器人可用于移動物體，它由驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。本設(shè)計從機器人的功能和技術(shù)要求出發(fā)，通過對多種方案的比較，選出最簡單、最經(jīng)濟的方案，并對重要部分進行設(shè)計、校核。本文討論了機械手的類型和組件，單機自動化的應(yīng)用以及國內(nèi)外的最新發(fā)展以及機械手的廣闊發(fā)展前景。
在工人的正文部分，本文首先說明了執(zhí)行系統(tǒng)的總體規(guī)格，并演示了手，手臂和機身的最佳設(shè)計，然后詳細(xì)介紹了每個單元的設(shè)計步驟并進行了計算。
工業(yè)機器人對于減輕勞動強度和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有非凡的意義。機器人的出現(xiàn)極大地促進了科學(xué)技術(shù)的進步，使工業(yè)生產(chǎn)率提高到了一個新的水平，并成為人類改造自然和利用自然的重要工具。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人 執(zhí)行系統(tǒng) 夾持
Abstract
The design theme is the structural design of the industrial robot implementation system.The robot, which is usually made up of operating system, driving and controlling system, can be used to transfer the work piece. According to the technical requirements, the thesis listed some possible programmers. Then we could choose the most simple and economical one after several rounds of discuses, analyze and calculate it at the same time. Some types, key parts of robots, their applications, and their future are also mentioned in this paper.
In the text, this paper narrated the standard parameters at first, and enhanced the best idea about the design. Then it detailed the design parameters and the calculating way.
Industrial robots are of great significance in reducing labor intensity and improving product quality.It makes the improvement of productivity stride a new step, and is becoming an important tool for rebuilding the nature and exploiting the nature for all human being.
Keywords: industrial robot operating system pick up
目 錄
緒 論 1
第一章總體設(shè)計 3
1.1 工業(yè)機器人的組成 3
1.1.1執(zhí)行機構(gòu) 3
1.1.2驅(qū)動機構(gòu) 3
1.1.3控制系統(tǒng) 3
1.2 工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)參數(shù) 3
1.3 原理方案論證和設(shè)計 5
第二章 手部的設(shè)計 7
2.1 夾鉗式手部設(shè)計的基本要求 7
2.2 手部的計算與分析 7
2.2.1氣缸上壓縮彈簧的選取 8
2.2.2計算驅(qū)動氣缸尺寸和加緊驅(qū)動力 9
2.2.3活塞桿直徑的選擇 9
2.2.4液壓缸 10
2.2.5定位方式 10
第三章 手腕的設(shè)計 11
3.1 腕部設(shè)計的基本要求 11
3.2 腕部的具體設(shè)計及計算 11
3.2.1氣源裝置 11
3.2.2氣動執(zhí)行元件 12
第四章 手臂的設(shè)計 13
4.1臂部設(shè)計的基本要求 13
4.1.1臂部應(yīng)承載能力大、剛度大、自重輕 13
4.1.2臂部運動速度要高，慣性要小 13
4.1.3手臂動作應(yīng)靈活 14
4.1.4 位置精度要高 14
4.2 臂部的具體設(shè)計 15
第五章 機身的設(shè)計 18
5.1 電動機的選用 18
5.2 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 19
5.3 圓柱齒輪的設(shè)計 21
5.3.1定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù) 21
5.3.2按齒面接觸強度設(shè)計 21
5.3.3按齒根彎曲強度設(shè)計 23
5.3.4幾何尺計算 24
5.3.5驗算 24
5.4 蝸輪蝸桿的設(shè)計 24
5.4.1選擇蝸桿傳動類型 24
5.4.2選擇材料 25
5.4.3按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計 25
5.4.4蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 26
II
5.4.5校核齒根彎曲疲勞強度 26
5.4.6精度等級公差和表面粗糙度的確定 26
第六章 技術(shù)經(jīng)濟性分析 27
6.1產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù) 27
6.2技術(shù)經(jīng)濟性分析的任務(wù) 27
6.2.1技術(shù)評價 27
6.2.2經(jīng)濟性評價 27
結(jié) 論 29
參考文獻 30
致 謝 31
II
緒 論
1．本課題意義
機器人技術(shù)是綜合計算機工程、控制工程、人工智能、傳感技術(shù)、機械工程的新型技術(shù)領(lǐng)域。機器人一般應(yīng)用于生產(chǎn)活動中，在提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工作條件改善、促進新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、改變固有勞動形式、促進相關(guān)學(xué)科的技術(shù)革新等方面發(fā)揮了的重要作用。因此世界上各個國家都對機器人技術(shù)的發(fā)展與革新保持著高度關(guān)注。
機器人技術(shù)已逐漸涉獵至當(dāng)今社會國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。為了充分發(fā)揮機器人自動化的優(yōu)勢，讓人們可以生活在一個更加協(xié)調(diào)、便利的社會環(huán)境當(dāng)中，從而得以更好的致力于主觀能動性的創(chuàng)造性活動。
工業(yè)機器人一般被定義為：工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中的自動控制。有功能齊全、自由度高的優(yōu)點，可以被用于處理物料、零部件、操作工具等。工業(yè)機器人飛速的發(fā)展歸因于它的積極作用：第一，工業(yè)機器人可以取代一些簡單的手工操作的勞動力；第二，工業(yè)機器人可以以生產(chǎn)要求為核心，并依據(jù)特定的流程、時間、位置等，完成配件的搬遷和裝卸；第三，工業(yè)機器人可以通過焊接、裝配等方式完成所需的任務(wù)，極大程度上改善了工作人員的工作環(huán)境和條件，加速了工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的發(fā)展。
2.國內(nèi)外現(xiàn)狀
從世界機械發(fā)展的視角來看，工業(yè)機器人得到了大幅度的推廣和應(yīng)用。工業(yè)機器人的優(yōu)點是能夠依據(jù)提前給定的操作程序完成指令。缺點是沒有傳感、反饋的功能，以至于無法應(yīng)對外部條件的變化。所以一旦在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)任何與預(yù)設(shè)情況不同的偏差，機器人將因為無法適應(yīng)而出現(xiàn)零件異常損耗，甚至自身損壞的可能。
為了解決這一問題，智能機器人順勢而生。智能機器人在普通機器人的基礎(chǔ)上，就無法反饋這一缺點進行了改進，使其具有感知、反饋的能力。尤其開發(fā)了視覺和觸覺方面，使其在執(zhí)行時情況與預(yù)設(shè)有所偏差，也可以自行檢測并調(diào)整。一定程度上減少了在生產(chǎn)過程中的機器消耗和經(jīng)濟損失。
而在我國的發(fā)展進程中，更偏重于擴大工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度、改善操作條件為核心理念來進行開發(fā)。如應(yīng)用于數(shù)控機床、鍛造、熱處理等。并且還計劃開發(fā)教學(xué)機器人，計算機控制機器人、組合機器人等等。機器人可以由各種可活動結(jié)構(gòu)組成，進行伸縮、擺動、升降、移動、俯仰等行為，以形成可適用于各種任務(wù)所需的機器人。使修正工作更便捷、拓寬了業(yè)務(wù)范圍，以更好地發(fā)揮機器人的效用。
美國，日本，俄羅斯，瑞典和瑞士當(dāng)前處于制造業(yè)的前列。其他國家也正在加速對工業(yè)機器人的改進和發(fā)展腳步。機器人的使用不僅可以提高效率、減少對于勞動力的成本投入，還可以驅(qū)動整個制造過程，使制造過程更加精細(xì)、可控。發(fā)因此，對該課題的研究在現(xiàn)實生活中具有重要意義。
3.擬解決的問題
工業(yè)機器人大致分成三類：第一、通用機器人。它是獨立于主機的設(shè)備，無需手動操作。能夠根據(jù)已知任務(wù)來進行程序編譯，從而完成指定的工作。其特點是該機器人除了具有普通機械的物理特性以外，還有智能存儲功能。第二、操作機。最初是需要通過手動操作來完成指令，后來發(fā)展成利用無線電信號控制操作。第三、專用機器人。主要附著在多條自動生產(chǎn)線上，并進行機床的裝卸和工件轉(zhuǎn)移的工作。
工業(yè)機器人具備以下三點基本要求：第一、通過電子控制設(shè)備操作，且可進行編程；第二、能按指令進行記憶并重現(xiàn)；第三、能按給定指令在三維空間內(nèi)執(zhí)行自主操作。
本文是要想設(shè)計一個可以用于CNC機床的機器人執(zhí)行系統(tǒng)。
第一章 總體設(shè)計
1.1 工業(yè)機器人的組成
工業(yè)機器人由執(zhí)行器、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)組成[1]。
1.1.1執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行器由移動部分組成，如抓握部分、手腕、手臂、行走機構(gòu)。
1.手是直接接觸工件的部分，通常是旋轉(zhuǎn)型或平移型。爪主要是兩個手指，根據(jù)需要可以分為外部夾持型或內(nèi)部夾持型，還可以使用負(fù)壓型或真空型的空氣吸盤和電磁吸盤。
2.腕部是連接手和手臂的部分，可調(diào)節(jié)所抓獲物品的位移。它有上下左右三個方向可移動，以及圍繞其自身軸的旋轉(zhuǎn)。如果有特殊要求，手腕也可以移動一部分距離。但也存在沒有自由度的工業(yè)機器人。
3.手臂是支撐所抓獲物品的手和腕的重要組成。手的作用是驅(qū)使手指抓獲物品并將其根據(jù)預(yù)設(shè)指令運輸?shù)教囟ㄎ恢谩?
手臂具有三個自由度，可以采用直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球形坐標(biāo)、多關(guān)節(jié)臂四種形式。
笛卡爾坐標(biāo)需要較大的空間設(shè)置，較小的工作范圍和較大的慣性，因此通常僅在自由度較小時才使用它們。圓形坐標(biāo)占用的空間較小，但工作范圍較大，多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此使用率不高；目前通常使用球坐標(biāo)系和圓柱坐標(biāo)系的工業(yè)機器人。
4.行走機構(gòu)一些工業(yè)機器人具有行走機構(gòu)[2]。
1.1.2驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)有氣動、液壓、電動、機械四種類型。氣動型速度快，結(jié)構(gòu)輕便，成本低。當(dāng)前通常使用氣動和液壓驅(qū)動方法。用于小尺寸，僅適合簡單操作。
1.1.3控制系統(tǒng)
分為點動控制和連續(xù)控制兩種模式。大多數(shù)使用閂鎖板進行點程序控制，還會使用可編程程序控制器控制，微機數(shù)字控制，使用凸輪、磁盤、磁帶、打孔卡等記錄程序，主要控制坐標(biāo)位置。
該主題的主要研究方向是工業(yè)機器人的執(zhí)行器[3]。
1.2 工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)參數(shù)
1. 承載能力：5kg 。
2. 機器人通常用于抓取或承載物體的重量?？筛鶕?jù)規(guī)定的承載能力來選用適當(dāng)?shù)碾姍C。
3.自由度數(shù)：3。
4.定位形式：固定機械擋塊。
一種是將兩個行程限位器固定在箱體上，并調(diào)節(jié)固定在箱體上的兩個固定限位器螺釘，以確保大臂旋轉(zhuǎn)定位的準(zhǔn)確性。
其二為用擋塊進行軸齒輪的轉(zhuǎn)動限位，調(diào)整擋塊位置可獲得手腕的各種擺動角。
5.驅(qū)動方式：氣動、液動、電動和機械傳動。
6.手臂運動參數(shù)：
最大位移：
繞垂直軸Ⅱ-Ⅱ，240o
沿水平軸Ⅲ-Ⅲ，630mm
繞軸Ⅳ-Ⅳ，180o
最大速度：
手臂沿Ⅲ-Ⅲ軸伸縮，1.08m/s
手臂繞Ⅱ-Ⅱ軸轉(zhuǎn)動,132o/s
圖1.1機人運動示意圖
根據(jù)上述運動參數(shù)，見
表1.1 工業(yè)機器人運動參數(shù)表
運動名稱
符號
行程范圍
速度
上下擺動
θ
180 o
伸縮
Y
630mm
1.08m/s
回轉(zhuǎn)
ω
240 o
132（o）/s
1.3 原理論證和方案設(shè)計
由于原理方案的設(shè)計是機械產(chǎn)品設(shè)計的第一步，因此我們必須謹(jǐn)慎。組成設(shè)計問題是源頭是人機環(huán)境，它們之間的持續(xù)生產(chǎn)交互作用和影響可以從以下幾個方面考慮：能量消耗和供給、安全性能、制造過程、后期反饋、裝配、運輸、使用情況、維修及回收利用、幾何關(guān)系、費用、信號、設(shè)計期限方面。當(dāng)然，上述所有方面都應(yīng)注意成本，并設(shè)法降低整機的成本[4]。
表1.2工業(yè)機器人各功能實現(xiàn)方式
序號
功能
傳動形式
驅(qū)動方式
保護方式（定位方式）
1
手腕上下擺動
機械傳動：軸齒輪
液壓傳動：回轉(zhuǎn)液壓缸
液動：回轉(zhuǎn)液壓缸
電動
固定機械擋塊
2
手臂伸縮
機械傳動：齒條、絲杠
氣動：氣壓缸
電動
液壓缸
3
手臂回轉(zhuǎn)
機械傳動：蝸輪蝸桿
液壓傳動：回轉(zhuǎn)液壓缸、帶齒活塞桿
液動：回轉(zhuǎn)液壓缸
電動
固定機械擋塊
采用方案：
1.手腕上下擺動：（傳動方式）機械傳動：軸齒輪
（驅(qū)動方式）氣動
（定位方式）固定機械擋塊
理由：采用齒條齒輪機構(gòu)，由氣缸驅(qū)動，可實現(xiàn)更快的運動。配備有液壓缸的緩沖裝置可以實現(xiàn)更好的穩(wěn)定性。實際上，有三個方面可確保定位精度。一方面，齒輪與齒條嚙合，齒輪通過固定的機械擋塊定位；另一方面，可以通過液壓缸和氣壓缸來保證。
2.手臂伸縮：（傳動方式）機械傳動：齒條
（驅(qū)動方式）電動
理由：電氣系統(tǒng)利用電動機通過機械傳動裝置驅(qū)動執(zhí)行器。因為不需要能量轉(zhuǎn)換，所以相比較而言液壓和氣動驅(qū)動器效率高，更加便于使用，具有低噪音和控制靈活的優(yōu)點。
3.手臂回轉(zhuǎn)：（傳動方式）機械傳動：蝸輪蝸桿
（驅(qū)動方式）電動
（定位方式）固定機械擋塊
理由：這兒主要考慮到，與機器人下半身伸降機構(gòu)相協(xié)調(diào)，采用電動驅(qū)動。電機驅(qū)動已廣泛應(yīng)用于機器人領(lǐng)域。任何一個部件都是由一系列零件及其組件構(gòu)成的，部件設(shè)計就是確定各零件的構(gòu)形狀尺寸和材料，并按一定順序的裝配要求聯(lián)結(jié)在一起來實現(xiàn)該部件所承擔(dān)的功能。
部件設(shè)計工作主要包括兩個部分：確定部件的設(shè)計參數(shù)和進行部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
第二章 手部的設(shè)計
手（抓取機構(gòu)）是用于直接固定工件的組件。常用的手大致可分為兩類：抓握、吸附。
普通的夾緊類型主要是夾緊類型。根據(jù)夾緊工件時手指的運動方式，可將抓手分為:指旋轉(zhuǎn)型、手指平移型。
在吸附類別中，有空氣吸引和磁力吸引。
在這里，我們主要討論夾式指針的設(shè)計。
夾式手由三部分組成：手指、傳動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)。它對抓取不同樣式的工件表現(xiàn)出強適應(yīng)性。平移手指的打開和閉合以及手指根部的旋轉(zhuǎn)運動已完成。一個樞軸樞軸點稱為單樞軸樞軸類型；兩個樞軸點稱為雙樞軸樞軸類型。該手指具有簡單的結(jié)構(gòu)和小的形狀。一次夾緊不同的工件會產(chǎn)生夾緊位置偏差[5]。
2.1 夾鉗式手部設(shè)計的基本要求
1.有符合要求的擰緊力和驅(qū)動力。力若過大，則功耗大、結(jié)構(gòu)大從而成本高，甚至?xí)袚p工件。在確定適宜的力度時，需要考慮工件的重量、在傳動或操作過程中生成的慣性力和振動等，以保持穩(wěn)定地夾緊工件。
2. 手指應(yīng)具有一定的開合范圍，且應(yīng)設(shè)有合理的開合角度和距離。
3.確保工件在手指內(nèi)的夾緊精度，每個需夾緊的工件在手指中應(yīng)有其相對應(yīng)的位置。這對于具有方位角要求的場合尤為重要。因此夾緊工件后，機械手的手應(yīng)保持一定范圍內(nèi)的位置精度。
4.結(jié)構(gòu)緊湊、低重量，高效率。以求最大程度減輕手臂的負(fù)重。
5.考慮功能綜合性和應(yīng)對特殊情況的要求，手的專用性較強，因此采取手指可調(diào)的方法來拓寬手的使用范圍。如果需要還考慮適應(yīng)工作環(huán)境的特殊要求，如高溫耐受性、耐腐蝕性以及承受鍛錘沖擊的能力[6]。
2.2 手部的計算與分析
主要零件：與手指伸縮氣缸活塞桿相聯(lián)接的卡軸、氣缸、由轉(zhuǎn)動軸與機體鉸接的成形杠桿、夾持雙爪.
手部的整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 機器人手部裝配圖
2.2.1.氣缸上壓縮彈簧的選取
因手指的縮回全靠彈簧的彈力使其恢復(fù)原位，再考慮到其使用的重要性。
此彈簧的性能參數(shù)：
材料 65Mn Y-Ⅰ彈簧
直徑 d=1.6mm
中徑 D2=10mm
切變模量 G=8×104MPa
彈簧有效圈數(shù) n=8
伸縮行程為λ=8mm
彈簧反作用力可按下式計算：
=65.5N
2.2.2.計算驅(qū)動氣缸尺寸和加緊驅(qū)動力：
圖2.2 機械式夾持器
假設(shè)夾持器沿垂直方向的移動速度為0.1mm/s,其抓取重物M=5Kg，V型鉗12的角度為2θ=120o,a=50mm,b=150mm,α=0o;機械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時間為0.5s。
解：（1）手指對工件夾緊力可按
FN≥K1 K2 K3G （2.1）
=1.5×1.02×1.03×49N=77.22N
式中 K1----安全系數(shù)，K1=1.5；
K2----工作情況系數(shù)，K2=1+=1+=1.02；
K3----方向系數(shù)，K3=1.03。
（2）驅(qū)動力公式：
F計算=cos2αFN=463.31N
（3）取η=0.85
F實際= F計算/η=545.08N
根據(jù)單向作用缸靜態(tài)輸出力可按下式計算：
F輸出=ПD2Pη-Ft=ПD2Pη-2F
可得缸徑D==50mm
2.2.3.活塞桿直徑的選擇
d=18mm
材料：45鋼；性能：бb/MPa≥600
бs/MPa≥340
活塞桿壓縮或抗拉強度，即
d≥2 （2.2）
式中 d----活塞桿直徑，
F----氣缸最大推力，
бS---材料的屈服極限，
ns----安全系數(shù)，一般取2-4[7];
2.2.4.液壓缸
材料：45鋼；性能：бb/MPa=700
бs/MPa=600-650
硬度HV 210-220
內(nèi)徑 D=50mm;臂厚δ=6mm.
2.2.5.定位方式：
關(guān)于手指伸縮的精度要求主要在于與推動桿相聯(lián)接的軸的伸降精度即活塞行程。本次設(shè)計中活塞行程為20mm。對此采取了兩種定位方式，其一，彈簧，對上端活塞桿限位；其二，采用圓柱銷柱，用來限制轉(zhuǎn)動。
第三章 手腕的設(shè)計
腕部設(shè)置在手和手臂之間。它的功能是在手臂的運動基礎(chǔ)上，進一步改變或調(diào)整手在空間中的位置，借此擴展手的做功范圍，從而使手更加靈活、適應(yīng)性更強。
3.1 腕部設(shè)計的基本要求
一、結(jié)構(gòu)緊湊、重量小
腕部作為手臂的最前端部位，承擔(dān)著手和手的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載。手腕的設(shè)計、動載荷對手臂的結(jié)構(gòu)有著直接影響。從而在著手手腕的設(shè)計時，需要盡可能的減輕重量和緊湊結(jié)構(gòu)
二、全面考慮、合理布局
手腕在設(shè)計、裝配時，除了要確保受力、以及一定的強度、剛度，還應(yīng)對其進行全面的考慮和布局。如果腕部、手臂、手之間存在連接，則應(yīng)解決腕部每個自由度的位置檢測、潤滑、并定期維護。
三、必須考慮工作條件
對于在高溫操作和腐蝕性介質(zhì)中工作的機械手，手腕的設(shè)計應(yīng)充分估計環(huán)境對手腕的不利影響（如熱膨脹、壓力油的粘度和燃點，有關(guān)材料及電控元件的耐熱性等）[8]。
3.2 腕部的具體設(shè)計及計算
腕部主要涉及齒輪齒條機構(gòu)的上下擺動，參數(shù)要求為繞Ⅳ-Ⅳ軸旋轉(zhuǎn)180o，可由擋塊來限制擺動。
驅(qū)動采用氣動系統(tǒng)，并輔有液壓缸進行緩沖保護。氣動驅(qū)動系統(tǒng)的工作壓力一般為4Kg/cm2-6Kg/cm2, 主要優(yōu)點是速度好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，成本低，無污染，緩沖效果好，易于實現(xiàn)無級調(diào)速，剛性好。因此，氣動機器人還具有動作靈敏，速度快，性能可靠，易于操作，適合在惡劣環(huán)境下工作的特點。
3.2.1氣源裝置
1.空氣壓縮機
空氣壓縮機是一種氣壓產(chǎn)生裝置，其基本參數(shù)是工作壓力和空氣供應(yīng)。壓縮機的額定工作壓力應(yīng)高于系統(tǒng)工作壓力的20％，即
P源=Pi(1+20%) （3.1）
這是因為要考慮供氣管道的壓力損失。
各氣動裝置斷續(xù)工作，此時供氣量按
Q供=0.5ΨK1K2K3Qmax（P+1） （3.2）
其中，ψ---全部氣動設(shè)備不同時使用系數(shù)，根據(jù)氣動設(shè)備總臺數(shù)n由《機器人機械設(shè)計和分析》（北京工業(yè)大學(xué)出版社）圖6-23查得；
式中 K1---漏損系數(shù)，K1=1.2-1.5；
K2---備用系數(shù)，K2=1.2-1.6；
K3---各工作單元用氣量不等系數(shù)，K3=1.2-1.4；
Qmax---各設(shè)備同時使用需要的最大耗氣量（m3/min）;
P---工作壓力（表壓力）（kg/cm2）。
3.2.2氣動執(zhí)行元件
1.氣缸
氣缸包括直線運動氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸。直線運動缸分為活塞型和非活塞型。
在此部分中，將使用活塞式雙桿單作用氣缸。
單作用式活塞氣缸的輸出力要克服工作阻力、摩擦力F反，輸出力F1計算公式如下：
F1=π/4D2Pη-F反=3.14/4×（70-14）2×4×0.8=3938.82Kg
F2=π/4D2Pη-F反=3.14/4×(70-10)2×4×0.8=9043.2Kg
選取活塞桿d1=14cm,d2=10cm,缸徑D=70cm。
η---摩擦系數(shù)，一般取0.8。
F反---彈簧反力，忽略。
校核活塞桿強度：d1=14mm,d2=10mm,D=70mm
材料 45鋼；性能：бb/MPa≥600
бs/MPa≥340
活塞壓縮或抗拉強度 即 d≥2
ns=2
d1,d2均滿足要求。
第四章 手臂的設(shè)計
手臂是機械手的主要握持部分。手臂運動的目的是為了幫助手完成在空間運動范圍內(nèi)任何點的運動。并且可以通過手腕的自由度來完成手的姿勢的改變。臂的運動需要通過驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)來完成。從手臂的力的分析來說，其狀態(tài)很多變。因此，手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計、活動范圍、柔韌度、抓地力的強弱以及定位精度對機械手的工作性能產(chǎn)生直接影響[9]。
4.1臂部設(shè)計的基本要求
4.1.1.臂部應(yīng)承載能力強、剛度大、自重輕
提高動臂的剛度，除了縮短動臂的延伸長度外，還應(yīng)注意以下幾個方面。
（1）根據(jù)受力合理性選擇截面形狀和尺寸
手臂會受彎曲以及扭矩的影響，因此應(yīng)盡可能選擇高彎曲、高扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)截面積和單位質(zhì)量大體等同時，鋼管的轉(zhuǎn)動慣量比圓鋼大得多。因而機械手經(jīng)常采用無縫鋼管作為導(dǎo)桿，不僅可以提升手臂的剛度，還很大程度上減輕了手臂的重量，中空的內(nèi)部還可以設(shè)置驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)和管道，使結(jié)構(gòu)精巧又美觀。
（2）加強支撐剛度，設(shè)置適宜支撐間距
（3）合理安排作用力的位置和方向
設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)結(jié)合已知的應(yīng)力條件，并嘗試讓力相互做功，減輕因力而造成的形變帶來的影響。
（4）結(jié)構(gòu)簡化
在設(shè)計手臂時，部件的數(shù)量多少對結(jié)構(gòu)的剛性有著間接卻重要的影響。所有尺寸鏈都應(yīng)該被充分分析。
（5）提高匹配精度
對于水平臂，不但需要增加導(dǎo)桿的剛度，還需要提高匹配精度和相對位置精度，使導(dǎo)桿能夠承受部分或大部分自身重量和抓取重量。提高活塞與氣缸內(nèi)徑的匹配精度，以延長臂在延長時的剛度[10]。
4.1.2.臂部運動速度要高，慣性要小
機械臂的生產(chǎn)水平依據(jù)生產(chǎn)周期的指標(biāo)來確定。手臂的移動、旋轉(zhuǎn)、俯仰需要勻速，但在開始和終止時會改變運動狀態(tài)。為了減少沖擊，啟動時的加速和終止前的減速度不能太大，否則會引起沖擊和振動[11]。
手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力為：
F慣=ma=· （4.1）
式中 m----質(zhì)量(Kg);
a----加速度(m/s2);
G----手臂運動件所受重力(N);
g----重力加速度,g=9.8m/s2;
△t---起動或制動時間差(s);
△v---起動或制動的速度差(m/s)。
4.1.3.手臂動作應(yīng)靈活
使用滑動摩擦以期減輕臂的移動部件之間的摩擦。
對于各個部件的設(shè)置要合理規(guī)范，使臂在運動過程盡可能平穩(wěn)。
（一）偏重力矩的計算步驟
1）計算零件的重量，可以將其分解為規(guī)則形狀以進行計算。
2）計算零件的重心位置，并找到從重心到旋轉(zhuǎn)軸的距離瘛
3）求重心位置并計算偏重力臂ρ[12]。
G總=G工+G爪+G腕+G臂=ΣGi （4.2）
ρ=( G工ρ工+G爪ρ爪+G腕ρ腕+G臂ρ臂)/（G工+G爪+G腕+G臂）
=（ΣGiρi）/（ΣGi） （4.3）
4)計算偏重力矩
M偏= G總ρ=ΣGiρi （4.4）
（二）升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件
臂在G的作用下呈下降趨勢，而立柱導(dǎo)套則防止了這種趨勢。
由力平衡條件有
FR1=FR2
FR1h= G總ρ
即 FR1=FR2= G總ρ/h
所謂不自鎖的條件為：
G總>F1+F2=2F1=2FR1f
即 G總>2 G總ρf/h
h>2ρf
取f=0.16則 h>0.32ρ
4.1.4.位置精度要高
直角和圓柱坐標(biāo)機械手在使用時對于位置精度有很高的要求。因此可以在手臂上設(shè)置定位裝置和檢測機構(gòu)，安裝在運動連桿上以期減小或消除傳動裝置與嚙合零件之間的間隙。
另外，要求機械手具有良好的通用性，并且可以適合多種操作?？芍圃煨院?，易于加工和安裝；對于用于熱處理的機械手，還必須考慮隔熱和冷卻；機械手還必須設(shè)置防塵裝置。
這些要求通常是相互制約的，在設(shè)計過程中應(yīng)該對各個方面的要求進行全面分析和綜合考慮[13]。
4.2 臂部的具體設(shè)計
圖4.1 手臂的傳動簡圖
臂部滿足的參數(shù)要求為630mm的進給,進給速度為1.08m/s。
傳動方案：機械傳動采用齒輪齒條。
齒條長度設(shè)計為630mm。
根據(jù)速度要求，使用膨脹型二級圓柱齒輪減速器。
假設(shè)第五個分度圓的直徑d = 150mm，速度v = 1.08m / s，并且在與齒條嚙合的齒輪上的有效拉力F = 3000N。
（1）選擇電機類型
選用三相籠型異步電動機，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y型。
（2）選擇電機容量
電動機工作功率如下
Pd=kW
PW=
Pd=kW （4.5）
由電動機至齒輪5的傳動總效率為
η=η15·η22·η32 （4.6）
式中：η1----軸承的傳動效率，η1=0.98（球軸承）；
η2----齒輪傳動的傳動效率，η2=0.97（齒輪精度為8級，不包括軸承效率）；
η3----聯(lián)軸器的傳動效率，η3=0.99（齒輪聯(lián)軸器）。
η=0.985×0.972×0.992=0.83
所以 Pd===3.9kW
（3）確定電動機轉(zhuǎn)速
齒輪與工作轉(zhuǎn)速為
n===137.51r/min
根據(jù)查詢數(shù)據(jù)可得，兩級圓柱齒輪減速器的傳動比i = 8-40，可以在以下范圍內(nèi)選擇電動機速度：nd=(8-40)×137.5=1100-5500r/min
根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，有兩種適用的電機型號，因此有兩種傳動比方案。
表4.1 兩種適用電動機的參數(shù)對照表
方案
型號
額定功率
KW
電動機轉(zhuǎn)速
r/min
電動機重量
Kg
重量
dB (A)
飛輪力矩
同步轉(zhuǎn)速
滿載轉(zhuǎn)速
1級
2級
N·m2
1
Y112M-2
4
3000
2890
45
74
79
0.055
2
Y112M-4
4
1500
1440
43
68
74
0.095
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，重量，噪聲和減速比，可以看出第二種選擇更為合適。因此，選擇的電機型號為Y112M-4，其性能如表4.2所示：
表4.2 Y112M-4型電動機性能參數(shù)
型號
額定功率
kW
滿載時
起動電流
額定電流
起動轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速
r/min
電流
(380V)
A
效率
%
功率因數(shù)
Y112M-4
4
1440
8.77
84.5
0.82
7.0
2.2
2.3
齒輪部分的設(shè)計被省略，請參閱第6章中的蝸輪-圓柱齒輪減速器的圓柱齒輪部分的設(shè)計。
第五章 機身的設(shè)計
機身是直接與手臂接觸的組件。通常把驅(qū)動裝置或傳動部件俯仰安裝在機身上，或者機身的后備箱直接與基座相連。所以如果手臂位移的越頻繁，機身的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力就越復(fù)雜。機身可以選擇固定與否，即可以沿著地面或高架導(dǎo)軌移動。
機身通過蝸輪機構(gòu)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，蝸桿傳動可以實現(xiàn)大傳動比?？梢酝ㄟ^高速布置蝸桿傳動，從而達(dá)到提升軸承容量、提高傳輸效率的目的[14]。
圖5.1 機身的傳動系統(tǒng)簡圖
5.1 電動機的選用
轉(zhuǎn)動的技術(shù)要求：繞Ⅱ-Ⅱ軸轉(zhuǎn)動角度 240o
繞Ⅱ-Ⅱ軸轉(zhuǎn)動速度 132o/s
根據(jù)要求可得蝸輪最終轉(zhuǎn)速 22r/min。
蝸輪軸上的線速度v=m/s=m/s=0.0064m/s。
根據(jù)一般情況下Ⅱ-Ⅱ軸轉(zhuǎn)矩為110000N·m,可假設(shè)Ⅱ-Ⅱ軸上的有效拉力F=20000N。
PW=Fv×W=20000×0.0064W=127W
Pd=W
由電動機至Ⅱ-Ⅱ軸的傳動總效率
η=η1η2η3η42η52 （5.1）
式中 η1----聯(lián)軸器的傳動效率，η1=0.99（具有中間可動元件的聯(lián)軸器）；
η2----圓錐滾子軸承的傳動效率，η2=0.98（圓錐滾子軸承）；
η3----蝸桿傳動的傳動效率，η3=0.97（蝸桿精度為8級，不包括軸承效率）；
η4----球軸承的傳動效率，η4=0.98（球軸承）；
η5----齒輪傳動的傳動效率，η5=0.97（齒輪精度為8級，不包括軸承效率）。
η=0.99×0.98×0.97×0.982×0.972=0.85
Pd==W=150W
根據(jù)《機械設(shè)計手冊》表25·1-1，圓柱齒輪-蝸桿減速器傳動比i’=15-480, nd’=i’·n=(15-480)×22r/min=330-10560r/min.符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有1500r/min、3000、6000，根據(jù)容量和速度，通過《機械設(shè)計手冊》找出適用的電動機型號[15]。
表5.1 90SZ53型電動機性能參數(shù)表
型號
轉(zhuǎn)矩
/ N·m
電壓/V
電流/A
轉(zhuǎn)速
/ r·min-1
功率
/W
允許順逆轉(zhuǎn)速差
/r·min-1
電樞
勵磁
電樞
勵磁
90SZ53
0.481
110
2.00
0.23
3000
150
200
5.2 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比
1. 從所選的電動機滿載速度nm和工作機驅(qū)動軸速度n中，傳動裝置的總傳動比為 ia===136.36
可取齒輪傳動的傳動比i齒=2.2,以保證結(jié)構(gòu)緊湊。
取i1=2.5,i2=i齒/i1=0.88,i蝸=ia/i齒=136.36/2.2=62
2.計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)
(1)各軸轉(zhuǎn)速
減速器中 Ⅰ’軸 nⅠ’=3000r/min;
Ⅱ’軸 nⅡ’= nⅠ’/i1=3000/2.5 r/min
=1200r/min;
蝸桿軸 nⅢ’= nⅡ’/i2=1200/0.88 r/min
=1363.64r/min;
蝸輪軸 nⅣ’= nⅢ’/i蝸=21.9r/min
(2)各軸輸入功率
Ⅰ’軸 PⅠ’=Pdη01=Pd·η1=150×0.99=148.5W
Ⅱ’軸 PⅡ’= PⅠ’η12= PⅠ’·η4·η5
=148.5×0.98×0.97
=141.16W
蝸桿軸PⅢ’= PⅡ’η23= PⅡ’·η4·η5
=141.16×0.98×0.97
=134.19W
蝸輪軸PⅣ’= PⅢ’η45= PⅢ’·η2·η3
=134.19×0.98×0.97
=127.56W
各軸的輸出功率分別為輸入功率乘軸承效率0.98。
(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩
電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩 Td=9549×=9549×=477.45N·mm
Ⅰ’-Ⅲ’軸輸入轉(zhuǎn)矩:
Ⅰ’軸TⅠ’=Tdη01=Td·η1=477.45×0.99=472.68N·mm
Ⅱ’軸TⅡ’= TⅠ’i1η12= TⅠ’·i1·η4·η5
=472.68×2.5×0.98×0.97
=1123.31N·mm
蝸桿軸TⅢ’= TⅡ’i2η23= TⅡ’·i2·η4·η5=1123.31×0.88×0.98×0.97
=939.68N·mm
蝸輪軸輸入轉(zhuǎn)矩
TⅣ’= TⅢ’i蝸η45= TⅢ’·i蝸·η2·η3
=939.68×62×0.98×0.97
=55382.29N·mm
Ⅰ’-Ⅲ’軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率0.98。
運動和動力參數(shù)計算結(jié)果整理于下見表5.2：
表5.2 軸的動力參數(shù)對照表
軸名
功率P
W
轉(zhuǎn)矩T
N·mm
轉(zhuǎn)速n
r/min
傳動比
i
效率
η
輸入
輸出
輸入
輸出
電動機軸
150
477.45
3000
1.00
0.99
軸Ⅰ’
148.5
145.53
472.68
463.22
3000
2.50
0.95
軸Ⅱ’
141.16
138.34
1123.31
1100.84
1200
0.88
0.95
蝸桿軸
134.19
131.51
939.68
920.89
1363.64
62
0.95
蝸輪軸
127.56
125.01
55382.29
54274.64
21.9
5.3 圓柱齒輪的設(shè)計
若已知輸入功率P1=Pd=150W,小齒輪轉(zhuǎn)速n1=3000r/min,齒數(shù)比u=2.5,工作壽命15年（假設(shè)每年可工作300天），兩班制，工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。
5.3.1定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1) 按照擬定的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
2) 選用8級精度等級。
3) 材料選擇。選取硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4) 選小齒輪齒數(shù)z1=22,大齒輪z2=uz1=2.5×22=55，取z2=55[16]。
5.3.2按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式進行計算，即
d1t≥2.32 （5.2）
1) 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
(1) 試選載荷系數(shù)Kt=1.3;
(2) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×0.15/3000N·mm=477.5 N·mm
(3) 由《機械設(shè)計》（第七版）表10-7選取齒寬系數(shù)Φd=1;
(4) 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1/2;
(5) 由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限бHlim1=600MPa;大齒輪的接觸疲勞強度極限бHlim2=550MPa;
(6) 由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh=60×3000×1×(2×8×300×15)=12.96×109
N2=12.96×109/2.5=5.184×109;
(7) 由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.85;
KHN2=0.89;
(8) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1,由式（10-12）得
[бH]1==0.85×600MPa=510MPa;
[бh]2==0.89×550MPa=489.5MPa;
2) 計算
(1) 試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[бH]中較小的值
d1t≥2.32=2.32mm
=11.772mm
(2) 計算圓周速度v
V==m/s=1.849m/s
(3) 計算齒寬b
b=Φddit=1×11.772mm=11.772mm
(4) 計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù) mt=d1t/z1=11.772/22=0.535mm
齒高 h=2.25mt=2.25×0.535mm=1.204mm
b/h=11.772/1.204=9.78
(5) 計算載荷系數(shù)
根據(jù) v=1.849m/s ，8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù) Kv=1.12直齒輪，假設(shè)KAFt/b<100N/mm。
由表10-3查得KHα=KFα=1.2;
由表10-2查得使用系數(shù)KA=1;
由表10-4查得8級精度、小齒輪相對支承對稱布置時
KHβ=1.15+0.18Φd2+0.31×10-3b
=1.15+0.18×12+0.31×10-3×11.772
=1.334
由b/h=9.78,KHβ=1.334查圖10-13得KFβ=1.3；
故載荷系數(shù) K=KAKVKHαKHβ=1×1.12×1.2×1.334=1.793；
(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得
d1=d1t=11.772×mm=13.10mm
(7) 計算模數(shù)m
m=d1/z1=13.10/22mm=0.60mm
5.3.3按齒根彎曲強度設(shè)計
由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為
m≥
1) 確定公式內(nèi)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бFE1=500MPa;大齒輪的彎曲疲勞強度極限бFE2=380MPa;
(2) 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83,KFN2=0.85;
(3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4,由式(10-12)得
[бF]1==MPa=296.43MPa
[бF]2==MPa=230.71MPa
(4) 計算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1×1.12×1.2×1.3=1.747
(5) 查取齒形系數(shù)
由表10-5查得 YFα1=2.72,YFα2=2.30
(6) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5可查得 YSα1=1.57，YSα2=1.715
(7) 計算大小齒輪的并加以比較
==0.01441
==0.01710
大齒輪的數(shù)值大
2) 設(shè)計計算
m≥mm
=0.389mm
比較計算結(jié)果，由齒面的接觸疲勞強度計算出的模量m大于由齒根的彎曲疲勞強度計算出的模量。由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于由彎曲強度確定的承載能力，因此接觸疲勞由強度確定的承載能力僅與齒輪的直徑有關(guān)（由彎曲強度算出的模量為0.389，最接近的圓角四舍五入為標(biāo)準(zhǔn)值m ＝ 0.4mm，圓直徑d1 = 13.10，計算小齒輪齒數(shù)Z1=d1/m=13.10/0.4=33，大齒輪齒數(shù)z2=uz1=2.5×33=83）
5.3.4幾何尺寸計算
1)計算分度圓直徑 d1=z1m=33×2=66mm
d2=z2m=83×2=166mm
2)計算中心距 a=(d1+d2)/2=(66+166)/2=116mm
3計算齒輪寬度 b=Φdd1=1×66mm=66mm
取B2=66mm,B1=70mm
5.3.5驗算
Ft=2T1/d1=2×477.5/13.10N=72.9N
KAFt/b=1×72.9/13.1N/mm=5.56N/mm<100N/mm
合適[17]。
5.4 蝸輪蝸桿的設(shè)計
已知蝸桿的輸入功率P=134.19W，蝸桿轉(zhuǎn)速n1=1363.64r/min，傳動比i蝸=62，該機器人生產(chǎn)量大，傳動裝置不反轉(zhuǎn)，工作負(fù)載穩(wěn)定，但影響很小，使用壽命為12000h。
5.4.1選擇蝸桿傳動類型
選取漸開線蝸桿。
5.4.2選擇材料
因為蝸桿傳動傳遞的動力小，轉(zhuǎn)速適中，所以蝸桿由45鋼制成。且需要對蝸桿的螺旋齒表面進行硬化處理，硬度為45-55HRC。蝸輪由鑄錫磷青銅ZCUSn10P1制成，并帶有金屬模鑄件。為了節(jié)省貴重的有色金屬，僅齒圈由青銅制成，輪芯由灰鑄鐵HT100制成。
5.4.3按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計
基于齒面的接觸疲勞強度進行設(shè)計，然后檢查齒根的彎曲疲勞強度。
由式（11-12），傳動中心距
a≥ （5.3）
(1)確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2
T2=55382.29 N·mm
(2)確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；由表11-5選取使用系數(shù)KA=1.05；則K=KAKβKV=1.15×1×1.05=1.21。
(3)確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故ZE=160MPa1/2。
(4)確定接觸系數(shù)Zρ
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值d1/a=0.30，從圖11-18中可查得Zρ=3.1;
(5)確定許用接觸應(yīng)力[бH]
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCUSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，可從表11-7中查得蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力[бH]’=268MPa;
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60jn2Lh=60×1×21.9×12000=1.58×107
壽命系數(shù) KHN2==0.9444
則 [бH]=KHN·[бH]’=0.9444×268MPa=253MPa。
(6)計算中心距
a≥=63.62mm
取中心距a=80mm ，因i=62故從表11-2中取模數(shù)m=2mm，蝸桿分度圓直徑d1=35.5mm。這時d1/a=35.5/80=0.44，從圖11-18中可查得接觸系數(shù)Zρ’=2.7
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