一種抓取圓棒取料手的機(jī)械設(shè)計(jì)-關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手含開(kāi)題、SW三維仿真及8張CAD圖,一種,抓取,圓棒取料手,機(jī)械設(shè)計(jì),關(guān)節(jié),工業(yè),機(jī)械手,開(kāi)題,SW,三維,仿真,CAD 題目 學(xué)院 專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 摘 要 隨著制造自動(dòng)化和智能化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手已成為智能化工裝置的重要組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，很多功能均由機(jī)械手實(shí)現(xiàn)。通過(guò)畢業(yè)選題，確定了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是“多自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析”，本文通過(guò)一系列計(jì)算，和構(gòu)思最終設(shè)計(jì)了一款以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多自由度機(jī)械手，類型為關(guān)節(jié)式。本文對(duì)機(jī)械手大臂，機(jī)械手的小臂，底座等進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。而且完成了總體裝配圖和二維圖紙的繪制并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。對(duì)機(jī)械手得各零件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算來(lái)選擇合適的零件，而且也用了很多計(jì)算過(guò)程來(lái)估算了某些部分的扭矩和功率，選擇了合適的電機(jī)。最后通過(guò)有限元分析對(duì)選型的結(jié)果進(jìn)行了核實(shí)。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手；關(guān)節(jié)式；動(dòng)態(tài)仿真；有限元分析 - I - ABSTRACT Structural design and analysis of multi-degree-of-freedom manipulator ABSTRACT With the development of manufacturing automation and intelligent technology, industrial manipulator has become an important part of intelligent chemical plant. In practical application, all the functions are realized by the manipulator. The graduation project is "structure design and analysis of multi DOF Manipulator", so this paper designs a motor-driven multi DOF Manipulator. In this paper, the manipulator arm, arm, base and so on are designed and analyzed. And completed the overall assembly drawing and two-dimensional drawing. The mechanical calculation of each part of the manipulator is carried out to select the appropriate part, In addition, a lot of calculation processes are used to estimate the torque and power of some parts and select the appropriate motor. Finally, the results of the model selection are verified by finite element analysis. Key Words：Industrial manipulator; Joint type; Dynamic simulation; finite element analysis - III - 目 錄 目 錄 摘 要 II ABSTRACT III 引 言 6 第1章 緒論 7 1.1 機(jī)械手研究的背景及意義 7 1.2 機(jī)械手研究概況 8 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 8 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 8 1.3 本次課程設(shè)計(jì)的意義和目的 10 第2章 機(jī)械手總體初步設(shè)計(jì) 10 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 10 2.2 機(jī)械手的傳動(dòng)方案選擇 11 2.3 機(jī)械手的抓取及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11 2.4 機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì) 13 第3章 機(jī)械手零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1 大臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 15 3.1.1 大臂外殼設(shè)計(jì) 15 3.1.2 大臂電機(jī)及減速器選型 16 3.2 小臂部分設(shè)計(jì) 18 3.2.1 小臂結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 18 3.2.2 小臂步進(jìn)電機(jī)選擇 19 3.2.3 設(shè)計(jì)小臂鏈傳動(dòng)方式 20 3.2.4 設(shè)計(jì)小臂帶輪主要尺寸 22 3.2.5 設(shè)計(jì)小臂錐齒輪傳動(dòng) 24 3.2.6 小臂部分設(shè)計(jì)圖 27 3.3 底座設(shè)計(jì) 28 3.3.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 3.3.2 底座電機(jī)選擇 29 3.4 手爪設(shè)計(jì) 32 3.5 機(jī)械手總裝配圖 33 3.6 本章小結(jié) 33 第4章 機(jī)械手的關(guān)鍵零部件有限元分析 34 4.1 有限元步驟及使用方法 34 4.2 機(jī)器人主要零部件有限元分析 36 4.2.1 軸的的有限元分析 36 4.2.2 圓錐齒輪的有限元分析 39 4.3 本章小結(jié) 41 第5章 總結(jié)與展望 43 5.1總結(jié) 43 5.2展望 43 5.3機(jī)械手的經(jīng)濟(jì)性分析 44 參 考 文 獻(xiàn) 45 致 謝 47 - 45 - 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 引 言 機(jī)械手這種機(jī)械大都是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，多自由度機(jī)械手是機(jī)械手這個(gè)大領(lǐng)域的研究對(duì)象中的重點(diǎn)。機(jī)械手的研究領(lǐng)域很多，包攬了機(jī)械領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、信息理論、人工智能領(lǐng)域、生物領(lǐng)域、以及計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域[1]，它是這么多理論的結(jié)合，這些領(lǐng)域與機(jī)械手相符相承，早期這些領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械手這門(mén)科學(xué)的發(fā)展對(duì)機(jī)械手的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件，后來(lái)機(jī)械手的發(fā)展同樣促進(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展。 為什么要研究機(jī)械手，我們研究機(jī)械手的目的又是什么，在時(shí)間的長(zhǎng)河中，我們一直不斷地探索，不斷地去發(fā)現(xiàn)與研究，我們希望發(fā)展機(jī)械手，當(dāng)人們處于危險(xiǎn)的工作時(shí)，或者要求極其準(zhǔn)確的工作方式時(shí)，機(jī)械手上陣來(lái)替代人類需要做的危險(xiǎn)行為，或者精準(zhǔn)行為。在這個(gè)時(shí)候 機(jī)械手很大程度上拓寬了人們的活動(dòng)范圍，使人們可以更好的認(rèn)識(shí)世界改造世界，我們都希望人類能夠利用自己的事務(wù)，改進(jìn)和利用這些特性，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，為人類的福祉而努力。例如：假肢。機(jī)械手正在逐漸變得智能[2]。在人工智能發(fā)揮著重要作用的今天，操縱者與人工智能之間的聯(lián)系正在不斷深化。本文設(shè)計(jì)的這種關(guān)節(jié)新式的機(jī)械手，他的定義在全球范圍內(nèi)沒(méi)有做到統(tǒng)一，這種機(jī)械手的分類也也有很多不同之處。 與人類相比，關(guān)節(jié)機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)速度快、承載重物、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。可根據(jù)外部信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 機(jī)械手是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)控制的機(jī)械裝置，通過(guò)這種編程的機(jī)械手，我們?cè)诤艽蟪潭壬咸岣吡水a(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在這個(gè)高新技術(shù)發(fā)達(dá)的時(shí)代，機(jī)械手的發(fā)展也需要不斷加快腳步。機(jī)械手的誕生直至發(fā)展雖然只有短短的30年，然而它已近成熟滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、民用技術(shù)等諸多領(lǐng)域。具有十分廣大的應(yīng)用前景，甚至我們的生產(chǎn)生活已近完全離不開(kāi)他。它已近具有了十分博大的生命力。 XXX 第1章 緒論 機(jī)械手是近年來(lái)比較火熱的談?wù)撛掝}，隨著科技技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手成為了技術(shù)高，產(chǎn)業(yè)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在許多的發(fā)達(dá)國(guó)家，比如美國(guó)德國(guó)。工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)獲得了十分廣泛的應(yīng)用，智能的機(jī)械手可以使產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，改善勞動(dòng)生產(chǎn)的環(huán)境，進(jìn)而很大程度上提高生產(chǎn)的效率。機(jī)械手的發(fā)展水平，對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力有著很大的影響。所以機(jī)械手的革命，亦是科技技術(shù)的革命。目前，機(jī)械手臂的引用前進(jìn)不斷地?cái)U(kuò)大，例如工業(yè)的上下料、國(guó)防安全建設(shè)、宇宙探索機(jī)械手臂、海洋開(kāi)采機(jī)械手、醫(yī)療手術(shù)機(jī)械手等等。大到龐然大物，小到肉眼無(wú)法察覺(jué)。這就是時(shí)代賦予了機(jī)械手的特征與作用。 1.1 機(jī)械手研究的背景及意義 機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī) 械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，來(lái)完成各種所下達(dá)操作的指令。機(jī)械手具備普通機(jī)械所擁有的屬性外，還具備著記憶能力的智能機(jī)械人。第二類機(jī)械手需要人為操作，簡(jiǎn)稱這種機(jī)械為操作機(jī)。這種機(jī)械手可以根據(jù)人的指令和操控來(lái)實(shí)現(xiàn)軍事作業(yè)，或者月球探索等。第三類范疇是專用型機(jī)械手，這種機(jī)械手適用于機(jī)床工作，得以解決機(jī)床的上下料，或者對(duì)生產(chǎn)零部件的配送。這種機(jī)械手的作用是服務(wù)于主機(jī)，通過(guò)電腦主機(jī)來(lái)對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)控制作業(yè)。 本文主要設(shè)計(jì)一款機(jī)械手，并介紹了機(jī)械手的組成及各部件的作用、工作原理、國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)、發(fā)展前景和方向、機(jī)械手的應(yīng)用、機(jī)械手在工業(yè)中的使用意義。機(jī)械行業(yè)，重點(diǎn)是機(jī)械手的計(jì)算過(guò)程和機(jī)械手的可行性分析。 1.2 機(jī)械手研究概況 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 H Fujimoto[2]提出了一種基于采樣間干擾抑的六自由度機(jī)械手視覺(jué)伺服控制方法。在控制器中，針對(duì)采樣頻率受限的一般數(shù)字控制系統(tǒng)，采用了作者提出的多速率采樣間干擾抑制算法。所提出的具有開(kāi)環(huán)估計(jì)和開(kāi)關(guān)函數(shù)的前饋控制方案能夠在不犧牲閉環(huán)特性的情況下抑制干擾。建立了視覺(jué)伺服系統(tǒng)中延遲問(wèn)題的一個(gè)新的精確表達(dá)式，即圖像處理延遲、攝像機(jī)信號(hào)采樣周期與關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)控制周期之差以及內(nèi)環(huán)關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的延遲。通過(guò)引入新的多回路控制方案和深度辨識(shí)，提出的采樣間干擾抑制控制器適用于具有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)的六自由度機(jī)械手的復(fù)雜視覺(jué)伺服問(wèn)題。 SArima[4]對(duì)六自由度機(jī)械手進(jìn)行研究通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和數(shù)據(jù)分析、軌跡的正確規(guī)劃與規(guī)劃仿真分析。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)算法的正確性不能直觀展現(xiàn)出來(lái)，他通過(guò)使用C++來(lái)分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和空間運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃，基于MFC和OpenGL圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)了3D運(yùn)動(dòng)仿真軟件系統(tǒng)IDE。他使用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)，和運(yùn)動(dòng)仿真中結(jié)合軌跡規(guī)劃的算法，并根據(jù)多項(xiàng)式的求導(dǎo)計(jì)算等數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)立模型軌跡規(guī)劃，使機(jī)械手得到了很大程度上的優(yōu)化和提升。 AGJ Kouabon和Melingui[5]提出了一種求解高自由度冗余度機(jī)器手逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的學(xué)習(xí)框架。這些有幾種可能的組合來(lái)獲得末端效應(yīng)器（EE）姿勢(shì)。因此，對(duì)于給定的EE姿勢(shì)，可以關(guān)聯(lián)多個(gè)關(guān)節(jié)角度向量。然而，對(duì)于給定的EE位姿，如果將一組關(guān)節(jié)角參數(shù)化，則冗余度機(jī)械手的IK問(wèn)題可以歸結(jié)為非冗余度機(jī)械手的IK問(wèn)題，從而可以應(yīng)用為非冗余度機(jī)械手開(kāi)發(fā)的閉式解析方法來(lái)獲得IK解。通過(guò)對(duì)冗余度機(jī)械臂的工作空間聚類和位形空間聚類，實(shí)現(xiàn)了冗余度機(jī)械臂關(guān)節(jié)的參數(shù)化。工作空間聚類采用生長(zhǎng)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNG），配置空間聚類采用鄰域函數(shù)（NF）。通過(guò)對(duì)冗余度機(jī)械手的仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 XXX 我國(guó)機(jī)械手在很晚的時(shí)候才發(fā)展機(jī)械手，所以我國(guó)機(jī)械手的研發(fā)相對(duì)落后。80年代我國(guó)的機(jī)械手才算啟動(dòng)。 1986年春天，我國(guó)正式啟動(dòng)了“七五”研究高新機(jī)械產(chǎn)品的規(guī)劃，這成為解決我國(guó)對(duì)于機(jī)械手問(wèn)題的關(guān)鍵步伐。在1987年的時(shí)候，我們國(guó)家研究人員將“863”高新技術(shù)計(jì)劃列入了機(jī)械臂的研發(fā)項(xiàng)目。在當(dāng)下，我國(guó)很多高校和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)機(jī)械手進(jìn)行深度的研究，國(guó)家鼓勵(lì)科技創(chuàng)新。我國(guó)機(jī)械手的研究在很短的時(shí)間里就取得了顯著的成果。 1988年，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)的兩位學(xué)者成功的研發(fā)了平面空間內(nèi)的雙足機(jī)器人kdw-1，它有六個(gè)自由度，可上下樓梯、前后移動(dòng)，最大步幅40厘米[6]，每秒步數(shù)為4?？臻gkdw-ii于1989年被開(kāi)發(fā)，它甚至擁有驚人的10自由度，它全長(zhǎng)69cm，重量為13kg，質(zhì)量很輕。實(shí)現(xiàn)了前、后、上、和下樓梯時(shí)候的穩(wěn)定狀態(tài)和左右移動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。在20世紀(jì)90年代科學(xué)家在kdwⅡ的平臺(tái)卡座上多加了兩組垂直接頭零件，使機(jī)械手發(fā)展成為具有12個(gè)自由度和轉(zhuǎn)彎功能的kdwⅢ，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手自由度的突破，并得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。 1996年科學(xué)家們使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了每秒0.8次的機(jī)械手抓取次數(shù)，步長(zhǎng)20厘米-22厘米，最大工作坡度為19度。21世紀(jì)初期，我國(guó)第一臺(tái)仿人機(jī)械手“先鋒”在kdw-iii的基礎(chǔ)上研制成功，可用于偏差小、不確定度小的動(dòng)態(tài)環(huán)境，周期為每秒兩步，高度1.4米，重量20公斤，具有頭、眼、頸、身、臂、腳等功能，并具有一定的語(yǔ)音功能。 老舊的機(jī)械手是欠驅(qū)動(dòng)[7]，當(dāng)抓取比較小的物體時(shí)。第一，物體很難被夾起，第二物體容易從手爪上面脫落。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，馬江濤提出一種新型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，是一種欠驅(qū)動(dòng)方式的夾取機(jī)器，對(duì)之前的機(jī)械手進(jìn)行了優(yōu)化和提升。他充分的介紹了他設(shè)計(jì)的欠定義型機(jī)械臂機(jī)械手抓和驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓運(yùn)動(dòng)的伺服控制系統(tǒng)。創(chuàng)新了手爪的結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)手指的靜態(tài)分析，證實(shí)了手爪的靈活性和可操作性。他根據(jù)對(duì)剛度的計(jì)算公式，和矩陣勢(shì)能模型，確定了機(jī)械手運(yùn)行的合理范圍，確定了機(jī)械手最佳抓取形狀。通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，他設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以輕松的應(yīng)對(duì)抓取物品的尺寸的變化。 我們都知道，傳統(tǒng)的機(jī)械手工作的范圍十分的有限。通過(guò)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作徐頂峰等人研究出了一款可變手掌機(jī)械手，這種機(jī)械手擁有雙五桿滑塊，滑塊是并聯(lián)安裝的機(jī)構(gòu)。,利用多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)尺寸.結(jié)果表明曲柄的長(zhǎng)度對(duì)機(jī)械手抓取范圍影響最大,并確認(rèn)了機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置。 近年來(lái)，著名的清華大學(xué)在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形機(jī)械手thbip-i。清華大學(xué)學(xué)生，在985項(xiàng)目科研工作計(jì)劃的不斷推動(dòng)下，對(duì)于機(jī)械手的研究日新月異。 1.3 本次課程設(shè)計(jì)的意義和目的 在研究機(jī)械手的主要作用和結(jié)構(gòu)時(shí)，穿插著機(jī)械手運(yùn)動(dòng)程序的確定，于東方向的選擇。開(kāi)關(guān)，繼電器，伺服電機(jī)的選擇，電路的設(shè)計(jì)和各零部件安裝位置的確實(shí)都是十分有意義的。動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要我們學(xué)習(xí)很多新知識(shí)并且結(jié)合已學(xué)知識(shí)，使得設(shè)計(jì)的成果能夠更好的展現(xiàn)出來(lái)。 機(jī)械手在我們的生活中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，機(jī)械手的發(fā)展水平很大程度上決定了社會(huì)的發(fā)展水平。所以我在項(xiàng)目畢業(yè)的時(shí)候就選擇了機(jī)械手。我希望我能學(xué)到知識(shí)，得到能力的培養(yǎng)。 1.4 機(jī)械手的發(fā)展方向 從上世紀(jì)七十年代第一臺(tái)機(jī)械手問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)了接近五十年的發(fā)展，隨著機(jī)械手的普及和越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)械手的需求，伴隨著相關(guān)技術(shù)的成型和有關(guān)高新技術(shù)人才的努力，未來(lái)的搬運(yùn)機(jī)械手可以在以下幾個(gè)方面發(fā)展： （1）高性能 即搬運(yùn)機(jī)械手在負(fù)載能力[8]，控制精度，工作穩(wěn)定性和操作的便利性等方面。隨著理論與實(shí)踐相結(jié)合的模式，搬運(yùn)機(jī)械手的各項(xiàng)性能會(huì)持續(xù)升高。就負(fù)載能力來(lái)看，就是隨著應(yīng)用場(chǎng)合的增加，高負(fù)載的搬運(yùn)機(jī)械手，更廣泛的應(yīng)用于各大生產(chǎn)制造廠間是必然的；另外在衡量一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械手的性能時(shí)，它的控制精度或則說(shuō)工作時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要指標(biāo)，搬運(yùn)機(jī)械手能否在高效穩(wěn)定的情況下，將物料準(zhǔn)確的運(yùn)送到適合的場(chǎng)合，完成它該完成的行進(jìn)路線具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值，所以搬運(yùn)機(jī)械手的穩(wěn)定性也是未來(lái)的研究方向。 （2）多模塊化結(jié)合 近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高和生活方式的增加，給機(jī)械手的人性化的研發(fā)增加了挑戰(zhàn)，怎樣滿足不同人群對(duì)機(jī)械手有不同的要求變得越來(lái)越重要。首先想到的便是將各種各樣的模塊賦予到機(jī)械手上，設(shè)計(jì)一些專業(yè)性和通用性相結(jié)合的機(jī)械手，然后行成批量化，系列化的生產(chǎn)模式。讓這種組合式的模塊更好的服務(wù)于人類，讓人類與機(jī)械手之間建議一種和諧人機(jī)互動(dòng)模式。 （3）智能化 伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)在機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越普遍，接下來(lái)機(jī)械手的發(fā)展將會(huì)越來(lái)越智能化，例如，我們可以在現(xiàn)有電子（反饋）控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用定位軟件，成型技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，跨區(qū)域式對(duì)機(jī)械手實(shí)行控制，讓搬運(yùn)機(jī)械手將最大化地實(shí)現(xiàn)智能化。 第2章 機(jī)械手總體初步設(shè)計(jì) 本文的重要任務(wù)是完成機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械手的受力分析,而本章內(nèi)容是圍繞機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)展開(kāi),首先呈現(xiàn)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案圖，再對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，然后對(duì)本章內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)歸納。 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 本文在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，為了清晰的展示本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，先對(duì)機(jī)械手整體外形以及機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行呈現(xiàn)，并且為以后計(jì)算分析做好準(zhǔn)備。本文設(shè)計(jì)的如下圖2.1所示： 圖2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 2.2 機(jī)械手的傳動(dòng)方案選擇 首先確定機(jī)械手的工作原理圖，通過(guò)機(jī)械手的研究和學(xué)習(xí)，確定了機(jī)械手的大概組成基座部件包括基座、齒輪傳動(dòng)部件、軸承、步進(jìn)電機(jī)等[9]。機(jī)械手的機(jī)座部分的作用是支撐部件，并且支承和轉(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，因此機(jī)座應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、合適的彈性勢(shì)能和良好力學(xué)效果。此外，底座的底盤(pán)應(yīng)該保證足夠的大，能夠輕松的支撐起機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸張縮短，和實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自由運(yùn)動(dòng)時(shí)候的抓取工作。圖2.2為機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖 絕大多數(shù)情況下，底座部分的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自傳，比能切帶動(dòng)著大臂運(yùn)動(dòng)，其次大臂電機(jī)帶動(dòng)著小臂運(yùn)動(dòng)，小臂的運(yùn)動(dòng)更加的靈活，還可以實(shí)現(xiàn)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂部分為大臂和前臂。動(dòng)臂部件包括：動(dòng)臂、齒輪傳動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂零件：包括臂部、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等。驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)固定在手臂的一端。手腕組成：包括手腕殼、齒輪傳動(dòng)組合，電機(jī)，軸等。 XXX 2.3 機(jī)械手的抓取及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 目前，機(jī)械手分類有很多種形式[10]，主流常見(jiàn)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)分類大體可以分為四類。他們是關(guān)節(jié)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)，直角坐標(biāo)控制的機(jī)械手，柱坐標(biāo)系機(jī)械手，求坐標(biāo)機(jī)械手，下面來(lái)介紹各種機(jī)械手機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。 (1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，顧名思義就是在直角坐標(biāo)系下控制的機(jī)械手，這種機(jī)械手屬于比較常見(jiàn)的機(jī)械手類別?？臻g對(duì)這種機(jī)械手的影響較小，且這種機(jī)械手的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他機(jī)械手。所以一般適用于機(jī)床加工時(shí)的換刀操作，運(yùn)動(dòng)形式較為死板。對(duì)本次畢設(shè)不太實(shí)用。 (2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 柱坐標(biāo)控制的機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)以此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩次直線運(yùn)動(dòng)，這是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式，如2-1(b)圖所展示的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他機(jī)械手的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是簡(jiǎn)單的，但是他的精度不錯(cuò)，可以很好地實(shí)現(xiàn)抓取的運(yùn)動(dòng)，工作的空間形狀為圓柱形。 (3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 求坐標(biāo)系機(jī)械手運(yùn)動(dòng)[11]，兩次旋轉(zhuǎn)，一次直線運(yùn)動(dòng)。這種工作形式的機(jī)械手結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，然而機(jī)械手抓取的精度和其它的相比也相對(duì)較低，所以這種機(jī)械手不經(jīng)常被人們所使用。其主要的作用是作一些簡(jiǎn)單的抓取工作，并且在一個(gè)球形的工作區(qū)域內(nèi)工作。 (4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)類型的機(jī)械手就向我們的手臂一樣，通過(guò)大臂帶動(dòng)著小臂一起運(yùn)動(dòng)，由三個(gè)回轉(zhuǎn)體組成，如圖2-2(d)所示。關(guān)節(jié)類型的機(jī)械手活動(dòng)十分的靈巧，他能很輕松的實(shí)現(xiàn)很多動(dòng)作，而且他的體積很小，所以這種機(jī)械手的研究十分的熱門(mén)。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，機(jī)械運(yùn)作時(shí)候所需的空間大。這樣的機(jī)械手適合被運(yùn)用在機(jī)器制造業(yè)中。例如機(jī)械手焊接技術(shù)、自動(dòng)汽車噴漆涂漆、快遞搬運(yùn)等。 (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2.3 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式 通過(guò)仔細(xì)的斟酌和考慮，選擇了關(guān)節(jié)式的機(jī)械手。他的優(yōu)點(diǎn)最多，可靠性很強(qiáng)，由于本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備夾取的加工工件的質(zhì)量為5KG，考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式以及對(duì)機(jī)械手的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果[12]，和經(jīng)濟(jì)效益。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，重點(diǎn)設(shè)計(jì)的是大臂小臂的具體結(jié)構(gòu)。因此，需要著重的對(duì)大臂小臂進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)以及零件組合到一起時(shí)候的運(yùn)動(dòng)效果。 2.4 機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì) 現(xiàn)在這個(gè)階段，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外機(jī)械手的負(fù)載重量的范圍是很廣泛的，其中最小的負(fù)載通過(guò)研究已經(jīng)控制到了5N之下，最大負(fù)載高達(dá)9000N。機(jī)械的載荷的確定主要考慮的是機(jī)械手的材料，沿著機(jī)械手作用方向的力，以及抓取物的質(zhì)量所決定的，而且還得充分考慮機(jī)械手工作時(shí)產(chǎn)生的力矩和扭矩，關(guān)節(jié)工件或工作物體的重量，以及規(guī)定速度和加速度條件下的慣性力。本設(shè)計(jì)給出的設(shè)計(jì)參數(shù)可以初步估計(jì)本設(shè)計(jì)屬于小載荷。具體步驟如下： （1）選擇驅(qū)動(dòng)方式 首先考慮選擇的是伺服電機(jī)[13]，伺服電機(jī)在控制機(jī)械手的時(shí)候他的控制性能非常突出、操控的靈活性強(qiáng)、控制手臂運(yùn)動(dòng)的速度快反應(yīng)靈敏、伺服電機(jī)在工作時(shí)需要保證對(duì)周圍環(huán)境有較小的影響、并且具有所占的體積小、工作時(shí)候的效率高等特點(diǎn)。伺服電機(jī)適合室友在中小型的機(jī)械手臂上，應(yīng)為這種手臂要求嚴(yán)格，本文的機(jī)械手臂屬于中小型機(jī)械手，所以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了伺服電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與仿真。 （2） 設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式 由于在機(jī)械手工作的時(shí)候，運(yùn)行的環(huán)境是一個(gè)高效率的環(huán)境，要求傳動(dòng)的準(zhǔn)確性要十分的高，所以必須保證傳動(dòng)比的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)的機(jī)械手要有緊湊的結(jié)構(gòu)，可靠的工作效率，有著較長(zhǎng)的壽命。所以必須采用適當(dāng)?shù)姆绞较齻鲃?dòng)鏈之間的間隙。本文機(jī)械手主要的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，依靠齒輪傳動(dòng)的精密性，來(lái)消除傳動(dòng)零件之間的間隙。已達(dá)到傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。 （3） 運(yùn)作范圍確定 機(jī)械手的運(yùn)作空間范圍根據(jù)工業(yè)機(jī)械手臂的工作范圍，以及機(jī)械手本身的運(yùn)作軌跡的變化而變化，用工作空間的大小來(lái)表示機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)械手在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)工作空間的形狀，這個(gè)工作空間的形狀影響著機(jī)械結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)工作形式，也會(huì)影響機(jī)械手的自由度，大臂小臂的長(zhǎng)度，以及關(guān)節(jié)變化角度和變化范圍。 （4）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的速度確定 機(jī)械手手臂每個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，可以根據(jù)周期時(shí)間表確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)一步確定每個(gè)動(dòng)作的移動(dòng)速度[14]，用m/s或()/s表示，每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮各種因素，如總周期時(shí)間的長(zhǎng)短，動(dòng)作是順序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。盡量做好每個(gè)行動(dòng)時(shí)間的分配計(jì)劃表，進(jìn)行對(duì)比。機(jī)械手沒(méi)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的分配除了需要考慮機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡外，還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械手精度和行程等條件。 2.5 本章小結(jié) 本章首先對(duì)整體的機(jī)械手的造型進(jìn)行呈現(xiàn)，其次確定機(jī)械手的傳動(dòng)方案為關(guān)節(jié)式傳動(dòng)方案，對(duì)抓取及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，以及對(duì)控制方案的設(shè)計(jì)。確定了驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。并且確定了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍和速度。本章在內(nèi)容上引出下文對(duì)機(jī)械手零部件的精設(shè)計(jì)。  第3章 機(jī)械手零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文的機(jī)械手由機(jī)械手底部支座、機(jī)械手推動(dòng)大臂、機(jī)械手靈活前臂、電機(jī)和機(jī)械手爪組成，底座支撐機(jī)械手，大臂來(lái)控制小臂的運(yùn)動(dòng)，小臂來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的反饋。并通過(guò)手爪來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取。本章將對(duì)抓取機(jī)械手的機(jī)械零部件部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。 3.1 大臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 臂架部分是鉸接式機(jī)械手的主要部件。它的作用是支撐前臂和爪子的作用，帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)的目的：使手在空間中的任何一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。如果改變手的姿勢(shì)（方向）關(guān)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)手臂的自由運(yùn)動(dòng)。因此，臂架部分的設(shè)計(jì)是必不可少的部分。 3.1.1 大臂外殼設(shè)計(jì) 大臂部分需要考慮的地方有臂部的承載能力，臂部的速度的考慮，臂部運(yùn)動(dòng)的靈活度，和臂部各零件的精度，所以大臂部分的基本要求如下: （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。機(jī)械手選用工字鋼作為支撐鋼[15]，和其它材料想比，在截面單位重量相同的情況下，獲得了更大的志成路。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）機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要較高的速度，而且慣性力要控制的小，為了降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各部件產(chǎn)生的沖擊，要使啟動(dòng)的速度和加速度保持在合適的范圍內(nèi)，不然會(huì)引起很大的震動(dòng)，以至于損壞機(jī)械手的各零部件。為了減小這種沖擊，規(guī)避這樣的風(fēng)險(xiǎn)，采取了以下的措施： (a) 控制材料來(lái)減輕部件重量 (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）機(jī)械手在工作的時(shí)候手臂的運(yùn)動(dòng)要保持非常的靈活。機(jī)械手個(gè)零部件之間的摩擦阻力是不可避免的額，未來(lái)減少這種摩擦，可以通過(guò)用滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)代替滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。 （4）要想準(zhǔn)確的抓取物件，機(jī)械手各部件的定位要是十分的準(zhǔn)確。通過(guò)直角坐標(biāo)系來(lái)描述機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)直角坐標(biāo)變化規(guī)律，來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，這樣可以精確的實(shí)現(xiàn)軌跡控制。并且在手臂上裝了檢查額裝置，這樣就可以更好的檢測(cè)機(jī)械手的準(zhǔn)確性。 通過(guò)上述的總結(jié)，通過(guò)使用鋁合金來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械臂的大臂，這樣既使得機(jī)械臂變薄也可以得到較高的強(qiáng)度。原因之一是在很大程度上保證了機(jī)械手的剛度和強(qiáng)度，原因之二是減輕了機(jī)械手的總體質(zhì)量。也可以提高機(jī)械臂在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)思考和查閱資料，以及機(jī)械手的尺寸確定，設(shè)計(jì)出來(lái)如圖 3.1所示的機(jī)械后大臂外殼結(jié)構(gòu)，大臂材料為鋁合金。 圖3.1大臂外殼樣式 3.1.2 大臂電機(jī)及減速器選型 假設(shè)前臂和手腕圍繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：M2=2Kg， M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2 (3.1) 臂架速度為 10r/min，旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的扭矩可表示為：要讓機(jī)械手大臂從到機(jī)器人臂架到達(dá)所需的時(shí)間：則： (3.2) 考慮到機(jī)械手在工作時(shí)各個(gè)零部件圍繞中興產(chǎn)生的摩擦力[16]，力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)機(jī)械手開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)的啟動(dòng)力矩為10N。如果設(shè)其安全系數(shù)是2，則機(jī)械手減速器需要輸出的最小力矩為20N.m如式3.3所示。 (3.3) 由式3.3可以確定型號(hào)為：XB3-50-120 ,這種電機(jī)輸出的力矩就是：20N.m ,當(dāng)時(shí)，此時(shí)的機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)實(shí)際輸出力矩為： (3.4) 通過(guò)查表選擇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°，給電機(jī)添加外殼，并用軸與大臂相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)大臂繞軸的旋轉(zhuǎn)。如圖3.2所示： 圖3.2 大臂鏈接電機(jī) 3.2 小臂部分設(shè)計(jì) 前臂可以連接手的上臂和手的爪子來(lái)支持和改變手的姿勢(shì)。手腕設(shè)計(jì)要求是:結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕;運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定，定位精度高。所用材料強(qiáng)度和剛度高;所述的與手臂和手的連接部分結(jié)構(gòu)合理，所述的傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置還提供了合理的布局和安裝。 3.2.1 小臂結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 根據(jù)自由度分類，工業(yè)機(jī)器人手腕可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并非所有的手腕都必須有三個(gè)自由度，而是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際工作性能要求來(lái)確定的。本課題研究設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人手腕有兩個(gè)自由度:擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。二自由度的手腕是通過(guò)兩個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而兩個(gè)關(guān)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的麻煩，事實(shí)上只相當(dāng)于一個(gè)關(guān)節(jié)在起作用。而且小臂重量全部由大臂來(lái)承受，就會(huì)帶來(lái)非常大的負(fù)載，所以使用如圖3.3所示的三自由度的手腕，使用電機(jī)來(lái)遠(yuǎn)程間接驅(qū)動(dòng)手臂的運(yùn)動(dòng)，并且由兩條鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)[17]，一條用來(lái)控制手腕的擺動(dòng)，一套驅(qū)動(dòng)手腕的滑動(dòng)。雖然這種情況會(huì)產(chǎn)生額外的傳動(dòng)，但是通過(guò)部進(jìn)電機(jī)的合理控制可以干涉這種影響。 圖3.3 ＢＢ型手腕示意圖 本次課設(shè)研究的機(jī)械手可以廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中?？梢猿洚?dāng)機(jī)床的上下料，也可以用來(lái)焊接和噴漆。而且這種結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)械手也適合在狹窄的空間中標(biāo)運(yùn)作。為了滿足機(jī)械手的這些特性，他的手腕部分的建議形狀和尺寸設(shè)計(jì)如圖3.4所示。 圖3.4 手腕厚度尺寸示意圖 3.2.2 小臂步進(jìn)電機(jī)選擇 手腕偏轉(zhuǎn)由放置在手臂底側(cè)后面的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由兩級(jí)滑輪鏈驅(qū)動(dòng)，然后由錐齒輪嚙合傳動(dòng)換檔。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)。首先計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需的扭矩，然后計(jì)算電機(jī)的輸出扭矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算鏈傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)和相關(guān)尺寸。 （1）選擇步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械手腕在工作時(shí)需要偏轉(zhuǎn)，需要克服工件間的摩擦力矩，腕部在啟動(dòng)時(shí)也要克服慣性力矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式： （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12） 如下列出已知條件：m/s，kg，m，m，m，s，假設(shè)手腕部分的材料為鋁合金，密度kg/m3。 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得： 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)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 依據(jù)計(jì)算好的機(jī)械手偏轉(zhuǎn)力矩，結(jié)合電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖3.5所示，選擇出了90BG5200B-SAKML-0301型步進(jìn)電機(jī)。 圖3.5 90BG5200B-SARML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 3.2.3 設(shè)計(jì)小臂鏈傳動(dòng)方式 （1）計(jì)算、分配傳動(dòng)比 步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)可有上文得知，根據(jù)上圖的曲線，選擇步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)矩是4.4 N·m，所選擇的步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為r/分鐘。通過(guò)上文計(jì)算確定的大臂小臂之間手腕的偏轉(zhuǎn)角速度為r/s，通過(guò)在這個(gè)公式得出了角速度，由此計(jì)算大臂部分工作時(shí)偏轉(zhuǎn)應(yīng)有速度r/min，有n1與n2之比來(lái)計(jì)算出傳動(dòng)比為：。 確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動(dòng)方式是通過(guò)兩級(jí)滑輪鏈傳動(dòng)和一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，需要分配總傳動(dòng)比。通過(guò)機(jī)械臂內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)[18]，充分的考慮齒輪的尺寸和機(jī)械手內(nèi)部的結(jié)構(gòu)模式，選取小臂內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比為，大臂內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比為，圓錐齒輪之間的傳動(dòng)比控制在，。 （2）計(jì)算小臂鏈傳動(dòng)功率 kW （3.13） （3）選擇帶輪的齒數(shù) 再小臂的結(jié)構(gòu)中，未了使兩個(gè)齒輪的結(jié)構(gòu)配合更加精密，要控制傳動(dòng)比相對(duì)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。 （4）選擇鏈條類型 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]進(jìn)行鏈條傳動(dòng)的設(shè)計(jì)： kW （3.14） kW （3.15） mm ， （3.16） mm， （3.17） mm （3.18） mm （3.19） mm （3.20） mm （3.21） m/s （3.22） N （3.23） N （3.24） 3.2.4 設(shè)計(jì)小臂帶輪主要尺寸 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： （3.25） （3.26） （3.27） （3.28） （3.29） 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：mm mm mm mm mm mm mm mm mm 3.2.5 設(shè)計(jì)小臂錐齒輪傳動(dòng) 根據(jù)工業(yè)機(jī)械手的工作具體要求[19]，手腕的傳動(dòng)由標(biāo)準(zhǔn)的直齒錐齒輪來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)，將其材質(zhì)設(shè)置45鋼。因?yàn)檫x用的齒輪是屬于封閉式，齒面磨損和彎曲時(shí)齒輪的主要問(wèn)題。因此，齒輪的設(shè)計(jì)需要依據(jù)彎曲曲疲勞強(qiáng)度的數(shù)值。為了使計(jì)算更加方便，選擇的錐齒輪齒數(shù)較小，所以一，可取17～20[15]。 （1）設(shè)計(jì)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)，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)： （3.30） 查手冊(cè)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。 大臂的端面模數(shù)，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的分度圓模數(shù)來(lái)確定，取。 圓錐齒輪主要尺寸計(jì)算： （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） （3.35） （3.36） （3.37） （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 計(jì)算接觸用單位齒寬上的載荷 MPa （3.38） 查[16]手冊(cè)，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。 計(jì)算接觸疲勞應(yīng)力 MPa （3.39） 計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 （3.40） 查手冊(cè)得到，，。 所以，MPa。 計(jì)算接觸安全系數(shù) ，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。 （3）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 計(jì)算彎曲用單位齒寬上的載荷 MPa 變位系數(shù) 取，則。 應(yīng)力集中校正系數(shù) 由及可查表得，由及可查表得。 齒形系數(shù) 由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。 彎曲計(jì)算應(yīng)力 根據(jù)公式： （3.41） （3.42） 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa MPa 取安全系數(shù) 查手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。 查手冊(cè)，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。 許用應(yīng)力： （3.43） （3.44） 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：MPa MPa 因此、，彎曲疲勞強(qiáng)度滿足，參數(shù)合理。 3.2.6 小臂部分設(shè)計(jì)圖 通過(guò)組合小臂部分電機(jī)，錐齒輪的嚙合，和上文傳動(dòng)的方式設(shè)計(jì)出如下小臂結(jié)構(gòu)[20]。如圖3.6： 圖3.6 小臂裝配圖 3.3 底座設(shè)計(jì) 3.3.1 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 底座具有支撐機(jī)械手臂，以及控制機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)的作用。它像是一個(gè)根基， 很大程度上決定了機(jī)械手的穩(wěn)定性。所以在底盤(pán)的選擇上，選用質(zhì)量大，而且強(qiáng)度硬度大的鑄鐵。底座部分的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，已實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。基座的示意圖如圖3.7： 圖3.7 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 3.3.2 底座電機(jī)選擇 首先計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 （3.45） （3.46） （3.47） （3.48） （3.49） （3.50） 當(dāng)大小臂位置關(guān)系如圖3.1所示時(shí)，大小臂處于動(dòng)作所能達(dá)到的極限位置，此時(shí)所需值最大。 圖3.9 大小臂處于極限位置 由同組成員計(jì)算的臂架質(zhì)量和相關(guān)臂架相對(duì)于中心線oa的垂直距離計(jì)算得出： =400mm， =30kg， 代入式（3.45）得：=1.6kgm 同組隊(duì)員計(jì)算的前臂質(zhì)量及相關(guān)前臂相對(duì)于oa線的垂直距離得出： =1000mm， m=20kg， 代入式（3.45）得：=6.67kgm m 計(jì)算相關(guān)機(jī)身設(shè)計(jì)數(shù)值得出：kg 代入式（3.50）得： =5.75kgm 代入（3.51）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到 =49.85Nm = =6.86Nm 選擇二級(jí)圓柱齒輪減速器i=9 （3.51） =0.99 ——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率 =0.96 ——齒輪傳動(dòng)效率 =0.98 ——軸承傳動(dòng)效率 代入式（3.7）得到：0.807， 表3.1 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 (DEG.) 電壓 (V) 電流 (A) 靜轉(zhuǎn)矩 (N.m) 空載運(yùn)行頻率 (KHZ) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (Kg.cm2) 備注 86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 3.6 2.4 ≥15 0.56 86BYG250BN 2 0.9°/1.8° 110 4 5.0 ≥15 1.2 86BYG250CN 2 0.9°/1.8° 110 5 7.0 ≥15 4.28 根據(jù)表3.1選擇86BYG250CN型步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)的簡(jiǎn)圖如圖3.10。 圖3.10 步進(jìn)電機(jī)外形簡(jiǎn)圖 3.4 手爪設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用連桿式爪[21]。驅(qū)動(dòng)桿來(lái)回移動(dòng)以打開(kāi)或關(guān)閉爪。手指的最小開(kāi)口由工件的直徑來(lái)調(diào)整。爪形結(jié)構(gòu)由連桿結(jié)構(gòu)組成，如圖3.11所示： 圖3.11手爪結(jié)構(gòu)示意圖 3.5 機(jī)械手總裝配圖 通過(guò)對(duì)上文所設(shè)計(jì)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，得到如下機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)圖。 圖3.12 機(jī)械手總裝配圖 由圖3.13簡(jiǎn)化，得到下圖的傳輸圖。各軸從高速到低速設(shè)計(jì)為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。 3.6 本章小結(jié) 本章主要設(shè)計(jì)了機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)和總體的裝配，最后用總體的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖來(lái)校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的選型以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。主要包括大臂設(shè)計(jì)，小臂設(shè)計(jì)，底座設(shè)計(jì)，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)以及手爪設(shè)計(jì)。最后完成了總體的裝配圖。 第4章 機(jī)械手的關(guān)鍵零部件有限元分析 通過(guò)上文對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，我們初步的計(jì)算出設(shè)計(jì)的合理性，得出機(jī)械手部分材料的選擇，本章將對(duì)前面的選型進(jìn)行有限元分析，以證明設(shè)計(jì)的零件能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 4.1 有限元步驟及使用方法 有限元方法的步驟[22]：對(duì)于不同的具體物理數(shù)學(xué)特征量的性質(zhì)問(wèn)題及其相應(yīng)數(shù)學(xué)特征模型的構(gòu)成問(wèn)題，有限元代數(shù)求解計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)和計(jì)算步驟都應(yīng)該是一樣的，只是具體計(jì)算公式的邏輯推導(dǎo)與代數(shù)運(yùn)算構(gòu)成求解題的方法不一樣。有限元問(wèn)題求解法是問(wèn)題的一個(gè)基礎(chǔ)求解步驟一般可以定義如下為: 第一步:對(duì)具體問(wèn)題和其用于求解問(wèn)題領(lǐng)域的模型定義:我們依據(jù)數(shù)學(xué)實(shí)踐理論中的具體問(wèn)題近似模型來(lái)定義確定其用于求解問(wèn)題領(lǐng)域的具體物理現(xiàn)象特征與具體幾何現(xiàn)象類型。 第二步:對(duì)于求解域的網(wǎng)絡(luò)離散化:我們將所要求解的零部件進(jìn)行嚴(yán)格的網(wǎng)格劃分，使得它們有著符合性能的形狀并且相互之間有聯(lián)系，習(xí)慣上被我們可以統(tǒng)稱定義為對(duì)于每個(gè)有限元的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行離散劃分。顯然每個(gè)計(jì)算單元越小(它的網(wǎng)格就越細(xì))則其對(duì)于每個(gè)離散域的近似性優(yōu)化程度就一定會(huì)變得更好，計(jì)算的最終結(jié)果也就越準(zhǔn)確，但是由于計(jì)算出來(lái)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確質(zhì)量及其中的誤差程度都會(huì)逐漸性的增大，因此對(duì)于求解域的近似性以及離散域優(yōu)化被廣泛認(rèn)為已經(jīng)是有限元法中最重要的幾個(gè)核心技術(shù)之一[23]。 第三步:分析確定所在狀態(tài)變量和其邊界控制的基本方法:有一個(gè)微分物理邊界的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題通常都認(rèn)為是問(wèn)題可以通過(guò)使用其中一組基于包括一個(gè)問(wèn)題所在狀態(tài)變量的物理邊界控制條件在內(nèi)的多個(gè)微分方程式函數(shù)來(lái)進(jìn)行表示，而通常為了得到適合一個(gè)有限元的物理求解，這個(gè)時(shí)候，一個(gè)完全等價(jià)的微分函數(shù)是完全可以很簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化出來(lái)的。 第四步:進(jìn)行單元矩陣推導(dǎo):對(duì)一個(gè)單元矩陣進(jìn)行直接構(gòu)造一個(gè)數(shù)量相當(dāng)于單元適合的簡(jiǎn)單近似數(shù)的求解，即通過(guò)單元推導(dǎo)有限多個(gè)單元的順序排列，其中主要研究?jī)?nèi)容應(yīng)該包括如何正確選擇合理的一個(gè)單元作為坐標(biāo)系，建立一個(gè)單元測(cè)試溫度函數(shù)，以某些數(shù)學(xué)方法來(lái)作為理論基礎(chǔ)的并給出一個(gè)單元各種不同狀態(tài)變量之間的一種離散向量關(guān)系[24]，從而單元可以直接形成一個(gè)新的單元矩陣(在分子結(jié)構(gòu)學(xué)和動(dòng)力學(xué)中被廣泛稱為剛性柔度陣或簡(jiǎn)稱柔度陣)。 為了能夠保證一個(gè)問(wèn)題代數(shù)求解的正確收斂性，單元式方程中的代數(shù)推導(dǎo)計(jì)算方法中還有很多基本設(shè)計(jì)原則也都需要我們嚴(yán)格研究遵循。對(duì)于信息工程實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，重要的一點(diǎn)問(wèn)題就是我們是否應(yīng)該充分地高度關(guān)心每一個(gè)解題單元的主要解題方法特性與其中的約束力。因此，單元的物理形狀主要還是需要有嚴(yán)格的規(guī)則，不能擁有畸形，因?yàn)樵趩卧螘r(shí)不但計(jì)算精度較低，而且可能存在單元缺秩危險(xiǎn)，將來(lái)也會(huì)直接影響造成單元無(wú)法及時(shí)進(jìn)行正確求解。 第五步:將一個(gè)離散單元的連續(xù)總裝求解構(gòu)造為基于離散域的一個(gè)集合函數(shù)矩陣求解方程(稱為聯(lián)合矩陣方程的數(shù)組)，反映了對(duì)于每個(gè)近似域的求解域中每個(gè)離散域的統(tǒng)一要求，即每個(gè)離散單元集合函數(shù)的各種連續(xù)性質(zhì)都需要同時(shí)滿足一定的連續(xù)求解條件。總裝置的工作通常是在兩個(gè)時(shí)間相鄰的計(jì)算單元的連結(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行，狀態(tài)變量和它們的時(shí)間導(dǎo)出函數(shù)(如果那么有可能)的連續(xù)性將會(huì)通過(guò)某些方法結(jié)合起來(lái)。 第六步:聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋[25]:通過(guò)有限元方法，一般我們都會(huì)得出一個(gè)聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭加替代變換方法和隨機(jī)變換方法。其中所計(jì)算得到的狀態(tài)求解變量結(jié)論定義為在一個(gè)單元件和構(gòu)件的連結(jié)點(diǎn)中心位置上的一個(gè)狀態(tài)變量近似。對(duì)于整個(gè)計(jì)算過(guò)程結(jié)果的處理精度和計(jì)算質(zhì)量，將來(lái)都會(huì)直接通過(guò)跟工程設(shè)計(jì)質(zhì)量準(zhǔn)則所要求提供的較高容忍度數(shù)據(jù)進(jìn)行定量比較，以便我們確定這些較高容忍度數(shù)據(jù)是否必須同時(shí)進(jìn)行具有重復(fù)性的計(jì)算。 簡(jiǎn)而言之，有限元分析主要分成了三個(gè)階段，這三個(gè)階段都有各自存在的意義，它們分別是前置處理、計(jì)算求解以及后置處理。前置處理就是本文之前所提到的網(wǎng)格劃分，計(jì)算求解則顧名思義，通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算，再用后置處理進(jìn)行分析，使使用者得到需要的結(jié)果。也可以通過(guò)以下流程圖反映： 圖4.1 有限元分析流程圖 4.2 機(jī)器人主要零部件有限元分析 機(jī)械手主要的工作是實(shí)現(xiàn)抓取和遞送[26]，機(jī)械手有很多零件會(huì)受力，比如軸、圓錐齒輪以及大小臂等等，其它機(jī)構(gòu)相互連接，由于軸是傳遞的關(guān)鍵，所以對(duì)軸的有限元分析就極為重要，并且圓錐齒輪也是機(jī)械手的關(guān)節(jié)部分，所以本文主要選擇了對(duì)軸和圓錐齒輪的有限元分析。 4.2.1 軸的的有限元分析 通過(guò)ANSYS對(duì)搖桿的靜力學(xué)分析步驟如下： ⑴將軸的的幾何模型導(dǎo)入ANSYS。首先打開(kāi)SolidWorks將模型另存為x_t格式后導(dǎo)入ANSYS。 ⑵定義材料屬性。軸的材料為碳素鋼，該材料輕，剛度高，具有很高的抗彎強(qiáng)度，并且堅(jiān)固耐用，彈性模量E=20600MP。 ⑶劃分網(wǎng)格建立有限元模型。本文對(duì)搖桿的劃分網(wǎng)格方法是自由劃分，點(diǎn)擊ANSYS中的mesh后，直接進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，最終輪子的有限元模型如圖4.1所示。 ⑷定義約束。設(shè)置搖桿的一段為固定。 ⑸施加載荷。在機(jī)械手工作的過(guò)程中，軸主要受到的力就是兩鏈接部件之間產(chǎn)生的里，所以我們給軸外部加了一個(gè)10N的壓力，并施加了載荷[27]。 ⑹求解并分析結(jié)果。設(shè)置好上訴所需條件，我們對(duì)求解需要的結(jié)果中加入了總應(yīng)變、等效彈性應(yīng)變以及等效應(yīng)力，在進(jìn)行計(jì)算，可得到的結(jié)果如圖4.3，圖4.4，圖4.4所示。 圖4.2 劃分網(wǎng)格處理 圖4.3 軸總應(yīng)變 圖4.4軸的彈性應(yīng)變 圖4.5 軸的應(yīng)力 根據(jù)總