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XX大學XX學院
畢業(yè)設計 (論文)
五自由度桁架機器人與PROE仿真設計
作 者:
學 號：
學院(系):
專 業(yè):
題 目:
2014 年 月
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
機器人是一種機械技術與電子技術相結合的高技術產品。采用機器人是提高產品質量與勞動生產率，實現(xiàn)生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。機器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業(yè)生產中經常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，采用機器人是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內容是采用機器人代替人來進行抓取作業(yè)，機器人可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產效率。結合設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題。解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機器人使用方便，結構簡單。
關鍵詞： 機器人；結構設計；步進電機；回轉
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Abstract
A robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. The robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions, reduce the labor intensity of an effective means of. It is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure.
Keywords ： Robot； Structure design； Stepper motor； Rotary
目 錄
1 緒 論 1
1.1機器人的特點 1
1.2機器人的組成 2
1.2.1執(zhí)行機構 2
1.2.2驅動機構 2
1.2.3控制機構 2
1.3 本文研究主要內容 3
2 機器人機構總體方案設計 4
2.1桁架機器人的基本技術參數(shù)確定 4
2.1.1自由度 4
2.1.2坐標形式的選擇 4
2.1.3規(guī)格參數(shù) 6
2.1.4有效負載 6
2.1.5運動特性 6
2.1.6 工作范圍（工作半徑） 7
2.2 桁架機器人材料的選擇 7
2.3機械臂的運動方式 8
2.4桁架機器人的驅動元件 8
2.5 機構整體設計 9
3 桁架機器人氣爪結構設計 10
3.1手爪結構設計與校核 10
3.2結構分析 11
3.3計算分析 12
3.4電機計算 14
3.5齒輪齒條的設計計算 17
3.6 直線滾動導軌副的計算、選擇 28
3.7小齒輪的強度計算 30
3.7.1.齒面接觸疲勞強度計算 30
3.7.2齒輪齒跟彎曲疲勞強度計算 33
3.8橫梁的強度與剛度的計算 35
總 結 46
致 謝 47
參考文獻 48
1 緒 論
隨著人類科技的進步，社會經濟的發(fā)展，機器人學成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術的最新成就，機器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機器人的身影。機器人產品的應用已經由核工業(yè)和軍事科技等高端科學領域向醫(yī)療、農業(yè)甚至是服務娛樂等民用領域發(fā)展了，并且各式各樣的機器人正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領域。機器人是由于人類期望生產水平的提高，為了提升生產效率而出現(xiàn)的。然而由于機器人善于完成重復的，單調的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產力。所以說機器人的發(fā)展是社會發(fā)展的結果，也是社會發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機器人這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機器人的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機器人或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。
由于機器人的迅猛發(fā)展，機器人進入學校教學是必然的。三自由度機器人作為是機器人的典型產品，其設計及應用對機電一體化、機械結構工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業(yè)的教學及研究都有著很重要的意義。
1.1機器人的特點
1機器人能進行自動化生產，降低成本。就本次設計的桁架機器人而言，它能不間斷的搬運零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產率又降低了生產成本。
2機器人能使產品品質穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產會使產品質量受工人狀態(tài)起伏而影響。對于某些高精度產品，人工送取會產生人工污染。
3機器人能改善勞動條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，人工操作會有危險，機器人能代替人工作，改善了人們的勞動條件。
4機器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動中解放出來，人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
5機器人的靈活性、通用性強。它能通過更換部件來適應不同產品的生產。并通過改變程序和自由度來達到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機器人能滿足各種各樣的零件生產，在生產中發(fā)揮重大作用。
1.2機器人的組成
工業(yè)機器人是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。
1.2.1執(zhí)行機構
一般機器人的執(zhí)行機構由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構組成。
1.2.2驅動機構
驅動機構主要有液壓驅動、氣動驅動、電動驅動和機械驅動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結構緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機器人能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
氣動驅動結構簡單、造價低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動由于減速和回轉運動變往復運動機構復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.2.3控制機構
機器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.3桁架機器人
桁架機器人又叫噴涂機器人（spray painting robot）， 是可進行自動抓取或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團）發(fā)明。桁架機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統(tǒng)組成，液壓驅動的桁架機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的桁架機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內部，噴涂其內表面。桁架機器人一般采用液壓驅動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。桁架機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產部門 。
桁架機器人的主要優(yōu)點：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質量和材料使用率。（3）易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調試時間。（4）設備利用率高，桁架機器人的利用率可達90%-95%。
1.3 本文研究主要內容
通過利用網絡工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解桁架機器人的相關知識，確定本設計符合要求，滿足需要。具體設計方法如下：
1、查閱資料、結合所學專業(yè)課程，產生桁架機器人結構設計的基本思路；
2、查閱各類機械機構手冊，確定合理的桁架機器人結構；
3、根據(jù)給定技術參數(shù)來選擇合適的手部、腕部、臂部等部位；
4、重點對驅動機構及控制機構進行設計研究；
5、通過研究國內外情況，確定本設計課題的重點設計；
6、完成2D裝配圖的設計和繪制，并由此繪制零件圖；
7、編寫設計說明書；
8、檢查并完善本設計課題。
本設計采用的方法是理論設計與經驗設計相結合的方案，所運用的資料來源廣泛，內容充足。
50
2 機器人機構總體方案設計
本文的重要任務是完成桁架機器人的設計，本章內容是圍繞桁架機器人機構設計任務來展開，介紹桁架機器人執(zhí)行機構設計思路。
2.1桁架機器人的基本技術參數(shù)確定
表示機器人特性的基本技術參數(shù)主要有自由度、坐標形式的選擇。
2.1.1自由度
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。
桁架機器人的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結構也越復雜，自由度的增加也意味著桁架機器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結構剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機器人基于對定位精度和重復定位精度以及結構剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用桁架機器人有5～6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有2～3個自由度），專用桁架機器人有5個自由度即可滿足使用要求。
2.1.2坐標形式的選擇
桁架機器人的坐標形式主要可分為：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)坐標型另外還有比較復雜的SCARA型和并聯(lián)型
。
1直角坐標型桁架機器人：這類桁架機器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn)，該形式桁架機器人具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點。但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差，且移動軸的結構復雜，占地面積大，而且需架空線路。
2圓柱坐標型桁架機器人：這種桁架機器人如圖2-1（b）的回轉型桁架機器人，通過兩個移動和一個轉動實現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運動系由垂直立柱平面內的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉動復合而成。這種桁架機器人，占地面積小而活動范圍較大，結構亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應用范圍較廣泛。機身采用立柱式，桁架機器人側面行走，順利完成上料、翻轉、轉位等功能。但是結構也比較龐大，兩個移動軸的設計較為復雜。
3球坐標型機器人： 這類桁架機器人如圖2-1（c）的俯仰型桁架機器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉。這類桁架機器人具有占地面積小、結構緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點，能與其他機器人協(xié)調工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關。
4關節(jié)坐標型桁架機器人：如圖2-1（d）的屈伸型桁架機器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉構成，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復雜。
圖2. 1機器人的坐標形式[22]
圖2.2 桁架機器人基本形式示意圖[9]
2.1.3規(guī)格參數(shù)
用途：抓取
1、機器人運動自由度為5個。
2、運動范圍為5000X3000X2000mm。
3、最大抓取力為10Kg。
4、交流伺服電機驅動。
2.1.4有效負載
有效負載是指機器人操作臂在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了桁架機器人的負載能力。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質量，還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關。為了安全起見，有效負載是指高速運行時的有效負載。
2.1.5運動特性
速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。它反映了機器人的使用效率和生產水平，桁架機器人的運動速度越高，則其使用效率越高，生產水平越高。但速度越快產生的沖擊和震動也越大，因此提高機器人的加減速速能力，保證機器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對于本文中的桁架機器人，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\動速度;而在其有負載時，末端執(zhí)行器(手爪)通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務必要盡量減少手臂的運動速度?？偟膩碚f，桁架機器人的速度在一定范圍內要是可調的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。
2.1.6 工作范圍（工作半徑）
工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線間的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇。
2.2 桁架機器人材料的選擇
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的實際工作情況來進行選擇，在滿足機器人的設計和運動要求前提下。從設計的理論出發(fā)，機器人手臂要進行各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運動過程中往往會產生沖擊和振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質量、剛度、強度、彈性進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運動性能。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結構材料不同。機器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、成本、質量等性質一起考慮。
總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料
(l)碳素結構鋼和合金結構鋼等高強度鋼：這類材料強度好，尤其是合金結構鋼強度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強，是應用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比;
(3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。然而，國外已經設計出純陶瓷的桁架機器人臂了。
從本文設計的桁架機器人的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構件材料。
2.3機械臂的運動方式
根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結構設計的基礎。常見的機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關節(jié)型和SCARA型。同一種運動形式為適應不同生產工藝的需要，可采用不同的結構。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到桁架機器人的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結構緊湊、占用空間小等特點，故選用關節(jié)型桁架機器人。這類桁架機器人一般由2個肩關節(jié)和1個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。其中，一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線，如圖所示。這種構形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內手臂的干涉最小、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類桁架機器人運動學比較復雜，運動學的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。
2.4桁架機器人的驅動元件
在機器人驅動系統(tǒng)中，電氣驅動是利用各種電動機產生的力或力矩，直接或經過減速機構去驅動機器人的關節(jié)，來獲得動力。電氣驅動主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電動機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機【10】等幾種。
步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，每輸入一個脈沖，步進電機就進行回轉一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進行起動、停止、反轉和制動變速，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應用。主要有永磁式、反應式、永磁感應子式三種。
直流伺服電機是用直流電供電的電動機。其功能是將輸入的受控電壓/電流能量轉換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。直流伺服電機的工作原理和基本結構均與普通動力用直流電機相同。特點是穩(wěn)定性好、可控性好、響應迅速、轉矩大。一般有永磁式和電磁式，在機器人驅動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。.
交流伺服電機的使用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比，結構簡單、工作可靠、功率大、過載能力強、無電刷、維修方便，因而交流伺服電機是今后機器人用電機的主流。
低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率效率比，伺服電機制成高轉速，經齒輪減速后帶動機械負載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率效率比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉矩的特點，使用在機器人的關節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結構傳遞信息。HD電動機是一種小型大轉矩(大推力)的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產品中。
通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文桁架機器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應用較為廣泛的步進電機作為驅動電機。
2.5 機構整體設計
綜合考慮桁架機器人的作業(yè)任務和作業(yè)環(huán)境，采用了5 個自由度的關節(jié)型機器人。整個機構的水平運動采用來實現(xiàn)，即整個機構裝在一個上。整個執(zhí)行機構是一個4 自由度的串行機構，且臂與小臂關節(jié)的軸線相互平行。這種結構動作靈活，結構緊湊，工作空間大，占地面積小，在作業(yè)空間內手臂的干涉最小，關節(jié)需要的驅動力矩小，能量消耗較少，關節(jié)相對運動部位容易密封防塵。桁架機器人部件組成由、立柱回轉部件、臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。
各部分的功能如下：
1) 底座，是機器人的基礎部分，整個執(zhí)行機構和驅動系統(tǒng)都安裝在基座上。
2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進電機驅動，立柱可以在機座上轉動。
3) 手臂包括臂和小臂，是執(zhí)行機構中的主要運動部件，以實現(xiàn)空間位置的3 個坐標分量的要求，用來支承腕關節(jié)，并使其在工作空間內運動。為了使末端執(zhí)行器能達到工作空間的任意位置，手臂和機身的運動設計上具有4 個自由度。
4) 腕關節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。手部一般是夾持裝置，主要用來夾緊作業(yè)工具。
3 桁架機器人氣爪結構設計
3.1手爪結構設計與校核
手爪種類
1.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。
4.滑槽式手爪
當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多
結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。
a．有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關
c．力求結構簡單，重量輕，體積小
作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個液壓機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。
d．手指應有一定的強度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓機械手，根據(jù)工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。
3.2結構分析
機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機器人最常見的一種手部。手部傳動機構可分回轉型、平動型和平移型?；剞D型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型的特點是手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點是當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖2-1所示的是靠導槽保持手指作平移運動。手部結構也采用氣壓驅動。
圖2-1 手部裝配圖
3.3計算分析
因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算
機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉運動的組合，所以伴隨有速度和加速度.工件有了加速度，其視在重量就變化。設機械手手部縱向中心線上所加的驅動力為P，P＝氣缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運動方向）.設3個手指以摩擦力3μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計算的是單個手指所必須的力Q.
1.垂直上升的情況
如圖2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立.
得
代入數(shù)據(jù)，得
2.水平旋轉的情況
機械手部繞垂直軸以半徑r作水平旋轉，工件夾緊面與旋轉圓弧切線方向平行，如圖2-3所示。
切線方向：
主法線方向：
副法線方向：
聯(lián)立上式，求解得
代入數(shù)據(jù)，得
后指：
由于是機械手部機構，QF=QR,所以結果Q必須滿足下式
代入數(shù)據(jù)，得
圖2-4 工件水平直進時受力分析圖
綜上所述，得
由于考慮到設計的機械手的安全問題，應再乘上一個安全系數(shù)S。
夾緊力Q與壓強的關系由實驗測得，如圖2-5所示。
由設計要求得知夾持長度L＝25mm,根據(jù)圖可知所加的壓強約為0.5MPa.
水平方向運動機械部件的計算
3.4電機計算
（1）選擇步進電機
齒輪齒條工作時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和啟動時的慣性力矩。
根據(jù)轉矩的計算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—偏轉所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負載阻力矩（N·m）；
—啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負載對回轉軸線的轉動慣量（kg·m2）；
—對回轉軸線的轉動慣量（kg·m2）；
—偏轉角速度（rad/s）；
—質量（kg）；
—負載質量（kg）；
—啟動時間（s）；
—部分材料密度（kg/m3）；
—末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因為傳動是通過齒輪齒條實現(xiàn)的，所以查取手冊[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
齒輪齒條傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉矩 N·m （3.9）
根據(jù)計算得出的所需力矩，結合北京和利時電機技術有限公司生產的90系列的五相混合型步進電機的技術數(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型號的步進電機。
圖3.3 90BYG步進電機技術數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
3.5齒輪齒條的設計計算
1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
a. 選直齒圓柱齒輪;
b. 貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用7級精度（GB/0095-88）;
c. 材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調質），硬度為240HBS；
d. 初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
2. 按齒面接觸強度計算
設計公式為dt≧2.32 (4-3-1)
a. 確定公式內各參數(shù)的值。
（1）.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
(2).計算齒輪傳遞的轉矩
T= (4-3-2)
=1.47*N.mm
(3).選齒寬系數(shù)=0.45
（4）.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8
(5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限，齒條的接觸疲勞強度極限
（6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.95
（7）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1，安全系數(shù)S=1，由公式=求得：齒輪的接觸疲勞許用應力=540MPa,齒條的接觸疲勞許用應力=522.5Mpa。
b. 按齒面接觸強度計算
(1) 計算齒輪的分度圓直徑dt≧2.32 (4-3-3)
=2.32
=36.5mm
（2）.計算圓周速度v= (4-3-4)
=
=0.05m/s
（3）.齒寬b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)
(4).計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mt==36.5/20=1.825mm (4-3-6)
齒高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7)
=16.425/4.11=3.996
（5）.計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級精度，由圖可查得動載系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KH=KF=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級精度，齒輪懸臂布置時，KH=1.189
由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故載荷系數(shù)
K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)
（6）.按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得：
d=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)
(7).計算模數(shù)m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)
3.按齒根彎曲強度計算
彎曲強度的設計公式為 m≧ (4-3-11)
a. 確定公式內各參數(shù)的值
（1）.查得齒輪的彎曲疲勞強度極限；齒條的彎曲疲勞強度極限
（2）.查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
（3）.計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應力===296.43Mpa (4-3-12)
齒條的許用應力===238.86Mpa (4-3-13)
(4).計算載荷系數(shù)K
K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14)
(5).查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6).查取應力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7).計算
==0.01464 (4-3-15)
b. 設計計算
m≧ (4-3-16)
=
=1.51mm
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.51并就近圓整為標準值m=2mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2 =20
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸的計算
a.計算分度圓直徑
d=mz=2*20=40mm (4-3-17)
b．計算齒輪齒條寬度
b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm.
c.計算齒頂圓直徑
da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)
d.計算齒根圓直徑
df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)
e.計算齒輪齒條的節(jié)距
P=m=2 (4-3-21)
f.計算齒頂高
ha=m=1*2=2 (4-3-22)
g.計算齒根高
hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)
豎直方向運動機械部件的計算
步進電機的選型
計算所需的轉矩：
（N·m） (3.1)
（N·m） (3.2)
（rad/s） (3.3)
（N·m） (3.4)
(kg·m2) (3.5)
(3.6)
式中：
——臂轉動所需的轉矩（N·m）；
——臂轉動產生的慣性轉矩(N·m)；
——摩擦所產生的轉矩(N·m)；
——臂的長度（mm），mm；
——臂材料的密度（kg/m3），kg/m3；
——臂的外寬（mm），mm；
——臂的外長（mm），mm；
——臂的內寬（mm），mm；
——臂的內高（mm），mm；
——旋轉中心的偏移量（mm），mm；
——臂擺動的角速度 （rad/s）；
——工作速度（m/s），m/s；
——啟動時間（s），=0.5s；
——電機安裝位置，mm。
設臂為實心時的質量為，對應的轉動慣量為；用臂材料填充臂空心部分所需的質量為，對應的轉動慣量為。
代入數(shù)據(jù)得：
kg
kg
kg
同理有：kgm2 kgm2 kgm2
rad/s
N·m
N·m
N·m
N
圖3.4是北京和利時電機技術有限公司部分110BYG系列混合式步進電機的技術數(shù)據(jù)。
圖3.4 110BYG系列混合式步進電機的技術數(shù)據(jù)
所以根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號的電機，圖3.5是110BYG系列混合式步進電機的型號說明。
圖3.5 110BYG系列混合式步進電機的型號說明
110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸，如圖3.6所示。
圖3.6 110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸
110BYG系列混合式步進電機的矩頻特性曲線，如圖3.7所示。
圖3.7 110BYG350DH型電機矩頻特性曲線
3. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
e. 選直齒圓柱齒輪;
f. 貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用7級精度（GB/0095-88）;
g. 材料選擇。選擇齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調質），硬度為240HBS；
h. 初選齒輪齒數(shù)為Z=20。
4. 按齒面接觸強度計算
設計公式為dt≧2.32 (4-3-1)
c. 確定公式內各參數(shù)的值。
（1）.試選載荷系數(shù)Kt=1.2
(2).計算齒輪傳遞的轉矩
T= (4-3-2)
=1.47*N.mm
(3).選齒寬系數(shù)=0.45
（4）.查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8
(5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限，齒條的接觸疲勞強度極限
（6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.90, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù)kH=0.95
（7）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1，安全系數(shù)S=1，由公式=求得：齒輪的接觸疲勞許用應力=540MPa,齒條的接觸疲勞許用應力=522.5Mpa。
d. 按齒面接觸強度計算
(1) 計算齒輪的分度圓直徑dt≧2.32 (4-3-3)
=2.32
=36.5mm
（2）.計算圓周速度v= (4-3-4)
=
=0.05m/s
（3）.齒寬b=*dt=0.45*36.5=16.425mm (4-3-5)
(4).計算齒寬與齒高之比
模數(shù) mt==36.5/20=1.825mm (4-3-6)
齒高 h=2.25mt=2.25*1.825=4.11mm (4-3-7)
=16.425/4.11=3.996
（5）.計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.05m/s,7級精度，由圖可查得動載系數(shù)Kv=1.002
直齒輪，KH=KF=1
由表查得使用系數(shù)KA=1.25
由表查得7級精度，齒輪懸臂布置時，KH=1.189
由=3.996，KH=1.189，查得KF=1.14；故載荷系數(shù)
K=KAKvKHKH=1.002*1*1.25*1*1.189=1.489 (4-3-8)
（6）.按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式得：
d=dt=36.5=39.222mm (4-3-9)
(7).計算模數(shù)m m=d/z=39.222/20=1.96mm (4-3-10)
3.按齒根彎曲強度計算
彎曲強度的設計公式為 m≧ (4-3-11)
a. 確定公式內各參數(shù)的值
（1）.查得齒輪的彎曲疲勞強度極限；齒條的彎曲疲勞強度極限
（2）.查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.83；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN2=0.88；
（3）.計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式得：
齒輪的許用應力===296.43Mpa (4-3-12)
齒條的許用應力===238.86Mpa (4-3-13)
(4).計算載荷系數(shù)K
K=KAKvKFKF=1.002*1.25*1*1.14=1.428 (4-3-14)
(5).查取齒形系數(shù)
查得齒輪的齒形系數(shù)YFa=2.80
(6).查取應力校正系數(shù)
查得YSa=1.55
(7).計算
==0.01464 (4-3-15)
b. 設計計算
m≧ (4-3-16)
=
=1.51mm
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.51并就近圓整為標準值m=2mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d=39.222mm，算出齒輪齒數(shù)z=d/m=39.222/2 =20
這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。
4.幾何尺寸的計算
a.計算分度圓直徑
d=mz=2*20=40mm (4-3-17)
b．計算齒輪齒條寬度
b=*d=0.45*40=18mm, (4-3-18)
取齒輪寬度B=17mm,齒條寬度為B=16mm.
c.計算齒頂圓直徑
da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4-3-19)
d.計算齒根圓直徑
df=d-2(ha+c)m=40-2*1.25*2=35mm (4-3-20)
e.計算齒輪齒條的節(jié)距
P=m=2 (4-3-21)
f.計算齒頂高
ha=m=1*2=2 (4-3-22)
g.計算齒根高
hf=(+)m=(1+0.25)*2=2.5 (4-3-22)
齒條齒部彎曲強度的計算
齒條牙齒的單齒彎曲應力：
式中： ——齒條齒面切向力
b—— 危險截面處沿齒長方向齒寬
——齒條計算齒高
S ——危險截面齒厚
從上面條件可以計算出齒條牙齒彎曲應力：
=451.16N/mm
上式計算中只按嚙合的情況計算的，即所有外力都作用在一個齒上了，實際上齒輪齒條的總重合系數(shù)是2.63（理論計算值），在嚙合過程中至少有2個齒同時參加嚙合，因此每個齒的彎曲應力應分別降低一倍。
= 182.2N/mm
齒條的材料我選擇是 45剛制造，因此：
抗拉強度 690N/mm (沒有考慮熱處理對強度的影響)。
齒部彎曲安全系數(shù)
S = / = 3.8
因此，齒條設計滿足彎曲疲勞強度設計要求。又滿足了齒面接觸強度，符合本次設計的具體要求。
3.6 直線滾動導軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌：
（1）選BR直線滾動導軌導軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為:
Lh=5×250×8=10000 h,每分鐘往復次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km
計算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為4000N
計算需要的動載荷Cα
P=110/4