摘 要 本文設計了一個五自由度串聯(lián)機器人，首先通過計算得到執(zhí)行端所需要的驅動力矩，再以此為依據(jù)選出該關節(jié)所需的減速器和伺服電動機，設計出外殼和關節(jié)的連接結構，繪制3D圖，通過軟件的測量求出設計好的部分重心，求出下一個關機所需的驅動力矩，選出所需的減速器和伺服電動機，以此類推最終完成總體設計，并且繪制了串聯(lián)五自由度機器人的工程圖。 關鍵詞：五自由度 串聯(lián)機器人 總體設計 伺服電動機 IV Abstract This paper designed a five DOF serial manipulator. First of all, through the calculated execution end driving torque, and this is the basis to select reducer and servo motor which the joint required, then design the shell and joint connection structure by 3D software . through the measurement , design part of the center of gravity for a shutdown required driving torque, select the desired speed reducer and servo motor, and so on. And final?complete the overall design,and made a five DOF serial manipulator engineering drawing. Key words: 5-dof serial manipulator overall design Servo motor II 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1概述 1 1.1.1機器人定義 1 1.1.2機械手的應用簡況 1 1.1.3發(fā)展趨勢 1 1.2研究內容 2 第2章 搬運機械手結構設計 3 2.1 機械手的組成 3 2.1.1執(zhí)行機構 3 2.1.2驅動機構 3 2.2 機械手的分類 3 2.3機械結構設計與分析 4 2.4傳動、驅動方式的分析與選擇 4 第3章 機器人手部的設計 6 3.1手部設計要求 6 3.2 驅動力的計算 6 3.3兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 8 3.4 手抓夾持范圍計算 8 第4章 總體設計 10 4.1總體設計參數(shù) 10 4.2 設計原理 10 4.3 傳動設計 10 4.4 關節(jié)處設計 11 4.5 手臂設計 12 4.6 整體設計 13 第5章 靜力矩估算與電機、減速器的選擇 14 5.1 電機、減速器的選擇 14 5.1.1 手腕轉動 14 5.1.2手臂俯仰 16 5.1.3小臂俯仰 17 5.1.4大臂俯仰 19 5.1.5大臂轉動 21 5.2手臂的校核計算 22 5.3軸的校核 23 致 謝 27 參考文獻 28 第1章 緒論 1.1概述 1.1.1機器人定義 機器人、工業(yè)機器人、機械手，這些名詞術語代表著不同的事物類別，但在概念上沒有明確的區(qū)分，說明它們又有相似之處。參閱相關資料，世界各國對于這些名詞術語至今還沒有做出統(tǒng)一的明確定義，只有國際標準化組織以及各國工業(yè)協(xié)會提出的相關定義。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的定義：機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手”。盡管這一定義較實用，但并不全面。國際標準化組織的定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機”[1-3]。關于我國機器人的定義，蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”工業(yè)機器人與機械手的主要區(qū)別是前者具有獨立的控制系統(tǒng)，可通過編程方法實現(xiàn)動作程序的變化；而后者則只能完成簡單的搬運、抓取及上、下料工作，一般作為自動機或自動線上的附屬裝置，其程序固定不變[4-5]。由此可見，不論如何進行定義，它們都有一個共性，即：都是一種集機構學、控制學、計算機學、信息學和傳感技術學等多學科于一體的自動化裝置。 1.1.2機器人的應用簡況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法[10-12]。 1.1.3發(fā)展趨勢 目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要[8-9]。 因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。 將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。 現(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)[6-7]。 1.2研究內容 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 本文的主要研究內容為： 第一章從課題研究背景、機器人的國內外現(xiàn)狀、機器人的主要發(fā)展趨勢等方面給大家做一個簡要的介紹； 第二章為搬運機械手的結構設計，給出機械手的總體設計參數(shù)，傳動方式，總體結構的設計； 第三章機械手的詳細設計重點介紹了機械手的手爪部分的設計,對此機械手的部分零件進行了展示與分析； 第四章機械手的詳細設計重點介紹了機械手的總體設計，傳動設計； 第五章機械手的詳細設計重點介紹了機械手的電機選擇，軸的校核； 第2章 搬運機械手結構設計 2.1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 2.1.1 執(zhí)行機構 手臂的內孔中裝有傳動軸，可以吧動作傳遞給手腕，以轉動、伸曲手腕、開閉手指。機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)3種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中二指的應用最為廣泛。可根據(jù)夾持對象的大小和形狀配備多種形狀和大小的夾頭以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤[13-15]。 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的3個自由度都要精確的定位。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的支架。 2.1.2驅動機構 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓驅動、氣壓驅動用得最多。 液壓驅動機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統(tǒng)。 氣壓驅動式，其驅動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。其特點是氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。 電氣驅動是目前機械手使用得最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大（關節(jié)型持重以達400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并且可以采用多種靈活的控制方案。 機械驅動式 只適用于動作固定的場合，一般用凸輪連桿機構來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確定可靠，工作速度高，成本低，但不易于調整。其它還有采用混合驅動的，即液—氣或電—液混合驅動。 2.2 機械手的分類 一、按用途分類為： （1）專用機械手 專用機械手是專門為一定設備服務的。簡單實用，目前在生產中運用的比較廣泛。它一般只能完成一兩種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編寫控制程序來獲得更多的工作程序，以適應多種作業(yè)的需要。 （2）通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的，它能對不同的物件完成多種動作，具有相當?shù)耐ㄓ眯訹16-18]。 2.3機械結構設計與分析 機械結構設計包括末端執(zhí)行器，手臂、腕部、機座和行走機構的設計。本機械手的機械結構設計主要涉及如下四部分內容： 1、 末端執(zhí)行器，俗稱手爪，是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。 2、腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎上，再由腕部來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。 3、臂部，又稱手臂，由動力關節(jié)和連接桿件等構成，用來支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。 4、機座是機器人的基礎部分，起支承作用，可分為固定式和移動式兩種。其直接支承和驅動手臂部件，實現(xiàn)臂部回轉。 2.4傳動、驅動方式的分析與選擇 傳動方式的選擇是指選擇驅動源及傳動裝置與關節(jié)部件的連接形式和驅動方式。 驅動源常用的方式主要有：液壓驅動、氣壓驅動、直流電機驅動和步進電機驅動四種基本類型。交流電機驅動是新近發(fā)展起來的一種驅動方法[19-21]。 經分析比較并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機械手擬采用遠距離連接傳動、間接驅動。驅動源采用步進電機和液壓缸，傳動裝置采用齒輪傳動。各關節(jié)所采用的傳動方式分別為： (1)機座回轉的腰關節(jié)：由步進電機進行傳動，將垂直回轉轉換為水平回轉。 (2)大臂俯仰的肩關節(jié)：由關節(jié)裝置直接驅動。 (3)小臂俯仰的肘關節(jié)：同大臂俯仰傳動方式。 (4)手腕擺動的腕關節(jié)：由電機驅動，與齒輪相連接，將電機的旋轉運動轉換成手腕的旋轉運動。 另外，手爪回轉由直流電機直接連接液壓缸驅動，手爪開合由液壓驅動氣缸實現(xiàn)。經綜合分析，構型和自由度分配圖如圖2-1所示。 圖2-1 構型和自由度分配圖 第3章 機器人手部的設計 3.1手部設計要求 (1)應具有足夠的握力 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (2)手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 (3)應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (4)應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 3.2 驅動力的計算 如圖3-1所示為滑槽式手部結構。拉桿3端部固定安裝著圓柱銷2，當拉桿3向上拉時，圓柱銷就在兩個手指1的滑槽中移動，帶動手指1繞O1與O2兩支點回轉，夾緊工件。拉桿3向下推時，使手指1松開工件。 圖3-1 滑槽杠桿式手部受力分析 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和 P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OB和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 (3-1) (3-2) (3-3) 銷軸對手指的作用力為P1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得 (3-4) 因為 (3-5) 所以 (3-6) 式中 a ——手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。 α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結構加大，因此，一般取α=300-400。這里取角α=30度。 這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設計基礎》可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即： (3-7) 式中 η——手部的機械效率，一般取0.85-0.95； K1——安全系數(shù)，一般取 1.2-2； K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°，α=30°時，拉緊油缸的驅動力P和Pc計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式 (3-8) 把已知條件代入得當量夾緊力為 由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式 (3-9) 得 (3-10) 取 , , 則 3.3兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 如圖3-2所示，鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結，如圖示幾何關系，若設鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為，則 (3-11) 當工件直徑變化時，x的變化量即為定位誤差△，設工件半徑R由Rmax變化到Rmin時，其最大定位誤差為 (3-12) 其中l(wèi)=68.5mm ，b=5mm ，a=30mm ，2=120° ，Rmin=15mm ，Rmax=30mm 代入公式計算得 最大定位誤差△=∣68.34-68.07∣=0.27＜0.8 故符合要求。 圖3-2 帶浮動鉗口的鉗爪 3.4 手抓夾持范圍計算 為了保證手抓張開角為60°，活塞桿運動長度為34mm，手指長為100mm。當手抓沒 有張開的時候，如圖3-3(a)所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑R1=25mm，當張開60如圖3-3(b)所示，最大夾持半徑R2計算如下： 所以機械手的夾持半徑從。 (a) (b) 圖3-3 鉗口持半徑 第4章 總體設計 4.1總體設計參數(shù) 根據(jù)此次設計的機器人具體應用場合和實際應用要求，主要的設計參數(shù)要求如下： (1)抓取的重物：5kg； (2)機械手的自由度數(shù)：5個； (3)運動參數(shù)： 底座旋轉： 角速度：3.14rad/s； 支撐桿俯仰：線速度：0.3m/s； 上桿旋轉： 角速度：3.14rad/s； (4)運動行程： 底座旋轉： 360° ； 支撐桿俯仰：60°~120°； 上桿旋轉： 3600 上桿俯仰： 0°~ -90° 4.2 設計原理 本設計結構上總體采用了關節(jié)型設計，關節(jié)型的好處是傳動原理簡單、結構緊湊、所占空間體積小、相對的工作空間大、還能繞過基座周圍的一些障礙物等特點。機器人的腰部和手腕都采用了關節(jié)型，這對與某些需要精細操作、精確定位同時操作又要簡單快捷的工作是相當有好處的。 4.3 傳動設計 因為底座需要驅動整個機械手，轉動慣量和質量都很大，伺服電機的額定轉矩一般比較小，達不到要求，所以采用大功率直流電機驅動，經減速箱減速，再驅動機器人腰部以上結構，結構圖如圖4-1和圖4-2所示。 圖4-1 底座內部結構圖 圖4-2底座傳動內部結構圖 直流電機安裝在底座的箱體邊，箱體中是減速器結構，用于減速和提供更大的扭矩。電機與箱體固定，電機輸出的扭矩傳導到減速器上，形成反作用力，并且由于底座固定在地面上，從而推動箱體及其以上部分轉動。 4.4 關節(jié)處設計 腕部，又稱手腕，是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件。其功能是在手臂和腰部實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎上，再由腕部來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標。腰部結構用來連接底座與大臂。腕部結構如圖4-3所示，腰部結構如圖4-4所示。 圖 4-3 腕部結構 圖 4-4 腰部結構 4.5 手臂設計 臂部的設計要求：結構和尺寸應滿足作業(yè)任務的工作空間要求；根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料；盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和力矩，以減少驅動裝置的負荷：減少運轉的動載荷與沖擊，提高運動的響應速度；設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動精度和剛度，提高定位精度。 大臂結構如圖4-5所示，小臂結構如圖4-6所示。 圖 4-5 大臂結構 圖4-6 小臂結構 4.6 整體設計 該機械手的設計如下：腰轉電機M1通過諧波減速器直接驅動腰部轉動，為了減小慣量，大臂電動機M2和大臂M3電機分別布置在大臂關節(jié)兩側，并分別通過諧波減速器直接驅動各臂擺動。小臂，手腕，通過回轉電動機M4、M5連接諧波減速器實現(xiàn)回轉運動，手腕的擺動通過電動機連接雙輸出軸齒輪實現(xiàn)。結構圖如圖4-7所示。 圖 4-7 整體結構 第5章 靜力矩估算與電機、減速器的選擇 在電機、減速器的選型中，首先要確定負載的工況。在此基礎上對負載進行計算，從而確定配套的電機減速器型號，進而可以根據(jù)安裝需要確定電機、減速器的安裝結構。 5.1 電機、減速器的選擇 5.1.1 手腕轉動 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算： M驅=M慣+M偏+M摩 (5-1) 式中： M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩（N·m）； M慣——慣性力矩（N·m）； M偏——參與轉動的零部件的重量對轉動軸線所產生的偏重力矩（N·m）； 若手腕啟動過程按等加速度運動，則所產生的慣性力矩： M慣=（J5+J51）（N·m） (5-2) 式中 ：J6——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。 J61——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量； ω——手腕轉動時的角速度； Δt——啟動過程中所用的時間。 盤狀回轉慣量計算： J=mr2(kg·m2) (5-3) 圓柱回轉慣量計算： J= (kg·m2) (5-4) 桿繞端點回轉慣量計算： J=mL2 (kg·m2) (5-5) 參與手腕轉動的部件的質量m1=10kg,長100mm,質量密度等效均勻地分布在一個半徑為50mm的圓盤上，那么轉動慣量： J51=m1r2==0.0125 kg·m2 工件是質量m為5kg的普通碳鋼棒料，質量分布情況為長200mm，直徑66mm，那么轉動慣量(僅考慮沒有偏心距的情況M摩、M偏忽略不計）： J5= = =0.0167 kg·m2 所以： M驅= M慣=（J5+J51）=（0.0125+0.0167）×=0.918N·m 減速比 選用型號CS-8-50-U-G-A1-I的諧波減速器,其參數(shù)如表5-1所示。 表 5-1 諧波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 CS-8-50-U-G-A1-I 減速比 1 50 額定輸出力矩 Nm 1.4 起停允許最大轉矩 Nm 2.6 瞬時允許輸入最大轉矩 Nm 5.3 最大輸入轉速 rmp 7000 額定輸入轉速 rmp 2000 潤滑 全合成潤滑油脂 防滑等級 IP65 安裝方向 任意方向 噪音值 db ≤63 質量 Kg 0.56 減速器的輸入轉矩： Ti=To/ηi=1.4/(90%×50)=0.0311N·m 式中： PW——減速器的輸入功率w T——工作機轉矩(Nm) n——轉速（r/min） 電機輸出功率為： 電機選用MSMD松下伺服電機，型號為MSMD5AZG1，相關參數(shù)如表5-2所示。 表 5-2 伺服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 MSMD5AZG1 電源電壓 V 100 額定轉速 rmp 2000 額定轉矩 Nm 0.16 額定電流 A 1.1 額定功率 kW 0.05 允許最高轉速 rmp 5000 質量 Kg 0.32 5.1.2手臂俯仰 手腕俯仰時所需的驅動力矩可按下式計算: M驅=M慣+M偏+M摩 M慣=（J4+J41+J42）（N·cm） (5-6) 式中： J5——工件對手腕俯仰軸線的轉動慣量; J51——腕部結構對俯仰軸線的轉動慣量; J52——參與手腕轉動的部件對俯仰軸線的轉動慣量。 腕部結構由殼體、減速機、電機構成，質量分別為2.289kg、0.56kg、0.32kg，所以該部分結構總質量m2為3.169kg，總長度為165mm. 因為手腕平水行時轉動慣量最大，所以在旋轉開始時可產生步進電機的轉矩不足。設手腕、手部、工件繞自己的重心軸的轉動慣量分別為JG2、JG1、JG，根據(jù)平行軸定理可得繞手腕關節(jié)軸的轉動慣量的計算如下： J= J4+J41+J42= JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22 (5-7) 由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22，故可忽略不計，轉動慣量為： J=m2L22+ m1L12+ mL2 =3.169×0.07272+5×0.24562+10×0.39562 =1.883kg·m2 慣性力矩 M慣=（J4+J41+J4）=1.883×=7.9（N·m） 減速機選用型號PAW055A-L2-100-2P-S1-B1-Y的減速器,其參數(shù)表如表5-3所示。 表 5-3 諧波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 PAW055A-L2-100-2P 減速比 1 100 額定輸出力矩 Nm 10 瞬時允許輸入最大轉矩 Nm 30 傳遞效率 1 85% 額定輸入轉速 rmp 2000 潤滑 全合成潤滑油 質量 Kg 2.1 安裝方向 任意方向 噪音值 db ≤68 減速器的輸入轉矩： Ti=To/(ηi)=10/85=0.1176Nm 減速器的輸入功率為： 電機選用MSMD松下伺服電機，型號為MSMD5AZG1，相關參數(shù)如下5-4所示。 表 5-4 伺服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 MSMD5AZG1 電源電壓 V 100 額定轉速 rmp 2000 額定轉矩 Nm 0.16 額定電流 A 1.1 額定功率 kW 0.05 允許最高轉速 rmp 5000 質量 Kg 0.31 5.1.3小臂俯仰 機械手小臂俯仰運動的力矩的計算為: M慣=（J3+J31+J32+J33）（N·m） (5-8) 式中： J3 ——工件繞關節(jié)3處轉動軸轉動慣量 J31——手部結構繞關節(jié)3處轉動軸轉動慣量 J3——腕部結構繞關節(jié)3處轉動軸轉動慣量 J33——小臂繞關節(jié)3處轉動軸轉動慣量 ω——小臂俯仰運動的角速度 處于水平位子時，小臂最大轉動慣量為： J=J3+J31+J32+J33=JG +mL2+JG1+ m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32 (5-9) 式中: JG——工件繞自身重心轉動慣量 JG1——手部繞自身重心轉動慣量 JG2——手腕繞自身重心轉動慣量 JG3——小臂繞自身重心轉動慣量 L ——工件重心與關節(jié)3處轉動中心距離 L1——手部重心與關節(jié)3處轉動中心距離 L2——手腕重心與關節(jié)3處轉動中心距離 L3——小臂重心與關節(jié)3處轉動中心距離 由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22、JG3〈〈m3L32，故可忽略不計，轉動慣量為： J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32 =8.569×0.1832+3.169×0.4482+5×0.5802+10×0.732 =0.287+0.636+1.682+5.329=7.934kg·m2 M慣=（J3+J31+J32+J33） =7.934×=27.69N·m 選用諧波減速器型號CS-11-100-U-G-A1，其參數(shù)表5-5所示。 表 5-5諧波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 CS-11-100-U-G-A1 減速比 1 160 額定輸出力矩 Nm 32 瞬時允許輸入最大轉矩 Nm 118 傳遞效率 1 90% 額定輸入轉速 rmp 2000 潤滑 全合成潤滑脂 質量 Kg 0.98 安裝方向 任意方向 噪音值 db ≤65 減速器的輸入轉矩： Ti=To/ηi=32/（90%×160）=0.222N·m 減速器的輸入功率為： 電機輸出功率為： 電機選用MSMD松下伺服電機，型號為MSMD012G1U，相關參數(shù)如表5-6。 表 5-6 伺服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 MSMD012G1U 電源電壓 V 100V 額定轉速 rmp 2000 額定轉矩 Nm 0.32 質量 Kg 8.1 額定功率 w 100 允許最高轉速 rmp 3000 按扭轉強度法初算軸的直徑： (5-10) 式中: P——軸傳遞功率kw n——軸的轉速r/min C——由軸的材料和受載情況確定的系數(shù)（軸的材料為45鋼，通常取C=106～117） 軸段截面上有一個鍵槽，d增大5%, 實取17mm。 5.1.4大臂俯仰 機械手大臂俯仰運動的力矩的計算為: M慣=（J2+J21+J22+J23+J24）（N·m） (5-11) 式中： J2——工件繞關節(jié)2處轉動軸轉動慣量； J21——手部結構繞關節(jié)2處轉動軸轉動慣量； J22——腕部結構繞關節(jié)2處轉動軸轉動慣量； J23——小臂繞關節(jié)2處轉動軸轉動慣量； J24——大臂繞關節(jié)2處轉動軸轉動慣量； ω——大臂俯仰運動的角速度。 處于水平位子時，大臂最大轉動慣量為： J2+J21+J22+J23+J2=JG+mL2+JG1+m1L12+JG2+m2L22+JG3+m3L32+JG4+m4L42 式中： JG4——大臂繞自身重心轉動慣量； L ——工件重心與關節(jié)2處轉動中心距離； L1——手部重心與關節(jié)2處轉動中心距離； L2——手腕重心與關節(jié)2處轉動中心距離； L3——小臂重心與關節(jié)2處轉動中心距離； L4——大臂重心與關節(jié)2處轉動中心距離。 由于JG〈〈mL2、JG1〈〈m1L12、JG2〈〈m2L22、JG3〈〈m3L32，JG4〈〈m4L42故可忽略不計，轉動慣量為： J=mL2+ m1L12 +m2L22+m3L32+ m4L42 =22.714kg·m2 大臂俯仰慣性力矩為： M慣=J=22.714×=23.804N·m 選用諧波減速器型號LCS-20-160-C-I，其參數(shù)如表5-7所示。 表 5-7諧波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 LCS-20-160-C-I 減速比 1 160 額定輸出力矩 Nm 32 瞬時允許輸入最大轉矩 Nm 87 傳遞效率 1 90% 額定輸入轉速 rmp 2000 潤滑 全合成潤滑脂 質量 Kg 0.98 安裝方向 任意方向 噪音值 db ≤65 容許輸入最大轉速 rmp 6000 減速器的輸入轉矩： Ti=To/ηi=32/(90%×160)=0.222N·m 減速器的輸入功率為： 電機輸出功率為： 電機選用MSMD松下伺服電機，型號為MSMD012G1U，相關參數(shù)如表5-8所示。 表 5-8伺服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 MSMD012G1U 電源電壓 V 100V 額定轉速 rmp 2000 額定轉矩 Nm 0.32 額定電流 A 25.9 額定功率 w 100 允許最高轉速 rmp 3000 質量 Kg 8.1 按扭轉強度法初算軸的直徑： 軸段截面上有一個鍵槽，d增大5%, 實取17mm。 5.1.5大臂轉動 機械手大臂轉動的力矩的計算為: M慣=（J1+J11+J12+J13+J14）（N·m） (5-12) 式中: J1——工件繞關節(jié)1處轉動軸轉動慣量 J11——手部結構繞關節(jié)1處轉動軸轉動慣量 J12——腕部結構繞關節(jié)1轉動軸轉動慣量 J13——小臂繞關節(jié)1處轉動軸轉動慣量 J14——大臂繞關節(jié)1處轉動軸轉動慣量 ω——腰部旋轉運動的角速度 機械手大臂轉動總的轉動慣量為： J=J1+J11+J12+J13+J14= J1+J11+J12+J13+JG4+m4e42 (5-13) 式中: JG4—大臂件繞自身重心轉動慣量 e4—大臂重心到轉動軸線偏心距 J1= ==0.0167 kg·m2 J11=m1r2==0.0125 kg·m2 J12= ==0.0092 kg·m2 J13= ==0.1129 kg·m2 JG4===2.185kg·m2 大臂偏轉慣量為： m4e42= 81.044×0.3132=7.94 kg·m2 大臂驅動力矩為： M驅=J=53.848N·m 選用諧波減速器型號LCS-25-160-C-I，其參數(shù)表表5-9所示。 表5-9諧波減速器參數(shù)表 規(guī)格 單位 LCS-25-160-C-I 減速比 1 160 額定輸出力矩 Nm 64 瞬時允許輸入最大轉矩 Nm 251 傳遞效率 1 90% 額定輸入轉速 rmp 2000 潤滑 全合成潤滑脂 質量 Kg 1.47 安裝方向 任意方向 噪音值 db ≤69 容許輸入最大轉速 rmp 4000 減速器的輸入轉矩： Ti=To/ηi=64/(90%×160)=0.444N·m 減速器的輸入功率為： 電機輸出功率為： 電機選用MSMD松下伺服電機，型號為MSMD012G1U，相關參數(shù)如表5-10所示。 表 5-10伺服電機參數(shù)表 規(guī)格 單位 MSMD012G1U 電源電壓 V 100V 額定轉速 rmp 2000 額定轉矩 Nm 0.32 額定電流 A 25.9 額定功率 w 100 允許最高轉速 rmp 3000 質量 Kg 8.1 5.2手臂的校核計算 一、手臂強度校核 把手臂的截面設計成方形中空形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕手臂重量，使其經濟、輕巧。 手臂理論重，手臂長為450mm。較核： 取51N。其受力如圖5-1圖所示。 圖5-1 手臂受力圖 圖中，表示手部與工件總重； 表示手臂重量； 表示機身關節(jié)處零件推力。 取整130N 其中h為臂部的高度，b為臂部的腰寬，Q為所受的力。 所以臂部結構滿足要求。 5.3軸的校核 兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力[τ]= 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120。 A. 第一根軸設計及校核 a.此軸傳遞扭矩T = 34.9N /m ；= 2680r /min ；P = 980W 8.9mm 因為軸是齒輪軸，所以可以將軸的軸徑加工的大一點，以滿足齒輪嚙合時強的要求。齒輪的分度圓直徑為40mm，齒輪兩端裝有軸承，加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號為滾動軸承7003C，內徑為17mm。 b.軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 求作用在齒輪上的力 d=mtz=2×40=80mm Fr=Fttanα=246.75×tan200≈89.8N 計算軸的支承反力 在水平面上 FR2H=Fr-FR1H= 65.9N 在垂直面上 在水平面上，設定剖面為a,則a -a 剖面左側 a -a 剖面右側 在垂直面上 合成彎矩，a-a 剖面左側 a -a 剖面右側 轉矩已求解完成 判斷危險截面 a-a 截面左右的合成彎矩左側和右側一樣大，扭矩為T，只要判斷一側如左側滿足強度校核就行了。 軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力 a -a 截面右側 c.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)=0.2 ，=0.1 a -a 截面左側 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)= 0.95，0.92；軸經磨削加工，表面質量系數(shù)。則 彎曲應力 應力幅 平均應力 切應力 安全系數(shù) 查許用安全系數(shù)[S]=1.3～1.5，顯然S >[S]，則a -a 剖面安全。其它軸用相同方法計算，結果都滿足要求。 B.中間軸設計 此軸傳遞扭矩T = 384.2， 轉速 n = 237.5r/min ， 傳遞功率為P = 9.55598kw ，則 =16.08mm 安裝軸承部分軸徑最小，由于整個軸上零件較復雜，在兩軸承之間有齒輪，以及軸套和軸承，所以d 可取大一點，這里取d = 17mm，軸承部分φ= 17mm，軸承選為滾動軸承，軸承型號為滾動軸承7003C，其余根據(jù)結構確定。由于載荷不大，軸承選的較大，強度足夠，這里不再詳算。 致 謝 本文研究工作是在我的導師韓書葵副教授的耐心指導和不斷督促下完成的，從開題到論文撰寫到繪圖結束，我所取得的每一個進步、繪制的每一幅圖都無不傾注著導師辛勤的汗水和心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的各科知識、無私的奉獻精神使我深受啟迪，從尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在今后的學習工作中，我將銘記恩師對我的教誨和鼓勵，盡自己最大的努力取得更好的成績。 在此我要向我的導師韓書葵副教授致以最衷心的感謝和深深的敬意！ 在大學學習期間，機械設計制造及其自動化教研室的每位老師對我的學習、生活和工作都給予了熱情的關心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進步。 在此，向所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友表示由衷的謝意！ 衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。 參考文獻 [1] 郭洪紅．工業(yè)機械人技術[J]．西安：西安電子科技大學出版社，2006,12:21-24． [2] 陳錫伍，袁亮，吳金強.串聯(lián)機械臂的設計與仿真[J].機床與液壓，2015，43（9）：24-27. 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