教育用四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要科學(xué)發(fā)展觀為我國工程技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的道路，而機(jī)械手作為一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，這就對(duì)我們的教育培訓(xùn)部門提出了新的要求。因此，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的形勢(shì)，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一臺(tái)教學(xué)型機(jī)械手有著深遠(yuǎn)的科教意義。本次設(shè)計(jì)教學(xué)用四自由度機(jī)械手為教學(xué)用專用機(jī)械手，主要由手爪、手臂、機(jī)身、機(jī)座等組成，具備抓取、搬運(yùn)等多種功能，本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，實(shí)驗(yàn)對(duì)象圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動(dòng)等4個(gè)自由度；驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)各個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手能對(duì)不同物體完成多種動(dòng)作。采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；伺服系統(tǒng)。Abstract Scientific outlook on development for the development of Engineering Technology in China has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of the national economy, it is to our education and training departments to put forward new requirements. Therefore, in order to adapt the social development situation, based on the existing technology and design a teaching manipulator has profound scientific significance. This design education with three degrees of freedom to education with a dedicated robotic manipulator, mainly by the gripper arm, body, frame and other components, with the feeding, handling and other functions, the phone adopts the base machine, experimental arranged around the base object, its coordinates in the form of joint type, with horizontal rotation, vertical arm swing, and other three degrees of freedom; drive the motor drive, using motor driven reducer, gear reducer drive shaft after each rotation to achieve movement. Advantages of electric drive control, high precision, accurately positioning, responsive, enabling high-speed, high-precision continuous path control, servo characteristics of a good. The design of the robot can perform multiple actions on different objects. Control system using single chip, and ultimately the joint servo control and braking problems, real-time monitoring of the robot movement of each joint, the robot programming and online teaching modify the program, set the reference point and back to the reference point. Keywords: manipulator; motordrive; servo system.VII目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 提出題目的目的與意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀11.2.1 國外發(fā)展的現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)發(fā)展的狀況2第2章 方案的確定與比較分析32.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇42.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手42.1.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手42.1.3 球坐標(biāo)型機(jī)械手52.1.4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手52.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇62.2.1 液體壓力驅(qū)動(dòng)62.2.2 氣體壓力驅(qū)動(dòng)62.2.3 電力驅(qū)動(dòng)7第3章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算93.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定93.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算103.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇113.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇123.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇13第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)144.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)144.1.1 手指的形狀和分類144.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題144.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)154.2.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算154.2.2 對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算154.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算164.2.4 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算164.2.5 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算174.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)194.2.7 活塞桿運(yùn)動(dòng)行程的計(jì)算20第5章 各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核205.1 軸的設(shè)計(jì)與校核205.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)205.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核215.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核245.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核245.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核255.3 軸承壽命的校核265.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核275.4.1 聯(lián)軸器的選擇275.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核28第6章 基于Creo Parametric機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真296.1 四自由度機(jī)械手零件的建模296.2 四自由度機(jī)械手的裝配306.2.1 Creo Parametric的裝配306.3 四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真326.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真326.3.2 進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊326.3.3 添加伺服電機(jī)346.3.4 定義初始條件356.3.5 定義分析366.3.6 運(yùn)動(dòng)仿真視頻制作37結(jié) 論39致 謝40參考文獻(xiàn)41附 錄42第1章 緒論1.1 提出題目的目的與意義 為了代替人類在某些苛刻的場(chǎng)合從事生產(chǎn)，或用于流水作業(yè)，以機(jī)械手往復(fù)的工作，節(jié)約人的體力。由于機(jī)械手在生活中的大量運(yùn)用，使得人類的生產(chǎn)率有了大幅的提高，同時(shí)也改善了我們的工作環(huán)境。讓人類的生活變得越來越智能化。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視1。1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用1.2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。目前國外的發(fā)展趨勢(shì)是2：1 研制有更多自由度的機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。 2 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。 3 研制維修維護(hù)方便的機(jī)械手。 4 研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的機(jī)械手。 5 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊語言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 6 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。 7 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手第2章 方案的確定與比較分析本畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種7,8：表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表結(jié)構(gòu)形式方案特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖直角坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過程中效率較低圓柱坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過程中效率不高球坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜續(xù)表結(jié)構(gòu)形式方案特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖關(guān)節(jié)型操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 2.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2-1。其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上是很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。2.1.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2-1.圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：1 手臂水平回轉(zhuǎn)；2 手臂伸縮；3 手臂上下；4 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；5 手爪夾緊動(dòng)作。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（）。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。2.1.3 球坐標(biāo)型機(jī)械手球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：1 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；2 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；3 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；4 手腕上下彎曲；5 手腕左右擺動(dòng)；6 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；7 手爪夾緊動(dòng)作；8 機(jī)械手整體移動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。其缺點(diǎn)是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，控制難度大。2.1.4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點(diǎn)是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多10。本次設(shè)計(jì)的是教學(xué)用四自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對(duì)精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機(jī)械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。2.2.1 液體壓力驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：1 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。2 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。3 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。4 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。5 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。2.2.2 氣體壓力驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：1 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm22 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具11。2.2.3 電力驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（SM）驅(qū)動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（DC），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（AC）驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(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)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手。2 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強(qiáng)。）之分。3 交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性12,13。綜上所述，由于本次設(shè)計(jì)機(jī)械手負(fù)載較小，對(duì)體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)和各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，直流伺服電機(jī)體積小，控制精度高，與傳動(dòng)系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機(jī)械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手部采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。第3章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定圖3-1 機(jī)械手手臂重量分布圖 圖3-2 開口盤重量分布圖如圖3-1所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手大臂與小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為198mm，質(zhì)量為M1(3kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸110mm處，L1=110mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為194mm，質(zhì)量為M2(3.5kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸120mm處，L2=198+120=318mm。如圖3-2所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤重心距離為60mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為8Kg。 本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載0.5kg；大臂回轉(zhuǎn)：0，；小臂回轉(zhuǎn)：0，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0，600/s；手爪夾持半徑45mm-95mm。3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)臂伸開呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時(shí)可產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1）其中：M1，M2，分別為3Kg，3.5Kg；L1，L2，分別為110mm，318mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1= M1L12+M2L22 (3-2)=30.112+3.50.3182=0.39kg.m2同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=3.5Kg，L4=120mm。J2=M2L42 (3-3)=3.50.122=0.05kg.m2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M3=8Kg，L5=60mm。 （3-4）3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-5）式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。 角加速度，rad/s。 設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：，由式（3-5）有：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：10N.m 減速比：i1=100諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-6)選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：10w3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時(shí)間，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-7）式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m。 角加速度，rad/s。由式（3-7）有：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： （3-8)選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：10N.m 減速比：i2=100諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-9)選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號(hào)：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：10w3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m。 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。角加速度，rad/s。 設(shè)機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3-11)選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE238 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：15N.m 減速比：i3=100設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3-12)選擇小型直流伺服電機(jī) 型號(hào)：MAXON-EC137489 額定轉(zhuǎn)矩：0.9N.m額定電壓：24V額定電流：2A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：20w第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。4.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。4.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題1. 具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。3. 保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。4. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。5. 考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)4.2.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖4-1所示：圖4-1 圓柱壓縮彈簧 圖4-1中，D為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離；D1為彈簧中心線到彈簧絲內(nèi)圈的距離；D2為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；d為彈簧絲直徑；H0為彈簧長(zhǎng)度，本次設(shè)計(jì)彈簧具體尺寸參數(shù)如下： D=10mm；d=3mm；; ; ; n=54.2.2 對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象本次使用的壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當(dāng)兩端固定時(shí)，,當(dāng)一端固定；一端自由時(shí)，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。4.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式： (4-1） 式中：選取1.3到1.7之間（力學(xué)性精確能高） K取1.2 F取521結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 4.2.4 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4-2所示:圖4-2 齒輪齒條式手部其工件重量G=0.5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:N （4-2）(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: 取4.3N （4-3） 所以 (3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: （4-4）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則:所以 取120N所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為120N。4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須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: （4-5）式中: 活塞桿上的推力，N。彈簧反作用力，N。氣缸工作時(shí)的總阻力，N。 氣缸工作壓力，Pa。彈簧反作用按下式計(jì)算: （4-6） = （4-7）式中:彈簧剛度，N/m。彈簧預(yù)壓縮量，m。s活塞行程，m。彈簧鋼絲直徑，m。彈簧平均直徑，mm。彈簧有效圈數(shù).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: （4-8）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （4-9）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得(N/m)N所以: 圓整，得D=36mm ,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑d=14mm校核，按公式有: (4-10)其中， 則: 滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。4.2.6 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: (4-11)式中:6缸筒壁厚，mm。氣缸內(nèi)徑，mm。實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa。材料為:ZL3,=3MPa。代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為:4.2.7 活塞桿運(yùn)動(dòng)行程的計(jì)算本次設(shè)計(jì)機(jī)械手手爪夾持半徑為35mm95mm，手爪手指長(zhǎng)100mm，設(shè)手爪夾持最小半徑工件與夾持最大半徑工件之間手爪的旋轉(zhuǎn)角度為，則有 (4-12)式中：R1夾持最小半徑，mm。 R2夾持最大半徑，mm。由于活塞桿與手爪間用齒輪齒條傳動(dòng)，所以齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)弧長(zhǎng)則為活塞桿運(yùn)動(dòng)行程，設(shè)活塞桿運(yùn)動(dòng)行程為L(zhǎng)，則： 所以活塞桿的運(yùn)動(dòng)行程為11.78mm，由于考慮到機(jī)械精度和傳動(dòng)效率的影響，本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)活塞桿運(yùn)動(dòng)行程為13mm。第5章 各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核5.1 軸的設(shè)計(jì)與校核5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受載荷,軸的常見形式有直軸和彎軸,而根據(jù)本次設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),選擇傳動(dòng)軸為直軸.知條件可知n=10r/min，由電機(jī)傳遞到軸上的功率選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)后,再使用.由參考資料表查得:硬度:HBS217255;屈服強(qiáng)度極限: s=360MPa;抗拉強(qiáng)度極限b=650 MPa,彎曲疲勞強(qiáng)度極限1=300 MPa.由表查得-1b=55 MPa.初步確定軸的直徑：按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)軸輸出端直徑由表查得C=1.3126 取C=120由式,得 取d=15mm 軸的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)如下圖5-1所示：圖5-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸5.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核： 本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸全長(zhǎng)95mm，最小軸頸15mm，材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （5-1） 式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 T軸所受的扭矩，N.mm。 軸的抗扭截面系數(shù)，。 N軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P軸的傳遞功率，Kw。 D計(jì)算界面處軸的直徑，mm。許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。由上式得： （5-2）查表得的范圍為25MPa45MPa；的范圍為103126。本次設(shè)計(jì)取40 則 取106則本次設(shè)計(jì)最小軸徑為15mm>12.89mm，故滿足強(qiáng)度要求。按照彎扭合成強(qiáng)度校核：彎扭合成圖如圖5-2所示：圖5-2 彎扭合成圖 若是軸強(qiáng)度合格，則 （5.3）式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa。 M軸所受的彎矩，N.mm。 T軸所受的扭矩，N.mm。 W軸的抗彎截面系數(shù)，。 截面系數(shù)。本次設(shè)計(jì)軸的材料為45號(hào)鋼，查表得：，軸的危險(xiǎn)界面斷面圖如下圖5-3所示： 圖5-3 軸的危險(xiǎn)截面斷面圖圖中，b=5mm，t=3mm，d=15mm所以：即 所以本次設(shè)計(jì)的軸強(qiáng)度合格。 5.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核5.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇普通圓頭平鍵，GB/T1096-2003 （）平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計(jì)算。由機(jī)械設(shè)計(jì)第七版頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件： （5-4）式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，。K鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為鍵的高度，。鍵的工作長(zhǎng)度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長(zhǎng)度，；為鍵的寬度，。軸的直徑，。鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號(hào)鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號(hào)鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測(cè)試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=4，鍵的工作長(zhǎng)度，軸的直徑=30。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5.4）得： 故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。5.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強(qiáng)度校核 選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096 尺寸平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強(qiáng)度校核計(jì)算。由機(jī)械設(shè)計(jì)第七版頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度條件：式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，。K鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為鍵的高度，。鍵的工作長(zhǎng)度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長(zhǎng)度，；為鍵的寬度，。軸的直徑，。鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號(hào)鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號(hào)鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測(cè)試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=2.5，鍵的工作長(zhǎng)度，軸的直徑=15。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-4）得：故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。5.3 軸承壽命的校核 本次設(shè)計(jì)由于大臂與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計(jì)的軸承是一樣的，故選用四口相同型號(hào)尺寸的軸承，選擇深溝球軸承61802（d15 D24 B5 r0.3），所以校核所受載荷最大的一個(gè)軸承合格即可。本設(shè)計(jì)校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計(jì)算壽命。軸承對(duì)軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對(duì)作用力與反作用力，由前邊軸的強(qiáng)度校核部分，可以計(jì)算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷和大小分別為：查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版頁公式（）知以小時(shí)表示的軸承壽命為： （5-5） 式中 ：軸承的轉(zhuǎn)速，。 軸承的基本額定動(dòng)載荷，kN。 載荷，kN。指數(shù)，對(duì)于球軸承，。軸承的轉(zhuǎn)速，從最新軸承手冊(cè)頁表查得代號(hào)為61802深溝球軸承的基本額定動(dòng)載荷，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命計(jì)算公式可求得：遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計(jì)要求。5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核5.4.1 聯(lián)軸器的選擇1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖5-4所示： 圖5-4 圓錐銷套筒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下：=6mm；=4mm；L=22mm；=18mm；額定轉(zhuǎn)矩15N.M；圓錐銷；圓錐銷2. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機(jī)之間聯(lián)軸器選擇如圖（5-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下：=8mm；=4mm；L=25mm；=20mm；額定轉(zhuǎn)矩20N.M；圓錐銷；圓錐銷5.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是4mm，所以本次設(shè)計(jì)只校核受力最大的即可。圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為： （5-6） 式中： d圓錐銷的平均直徑，mm。 T所傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 D軸徑，mm。 銷的許用剪切應(yīng)力，對(duì)于45號(hào)鋼一般取80MPa其中，取T=5；d=4.5mm；D=10mm，所以：所以校核合格。第6章 基于Creo Parametric機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真Creo Parametric是我們所熟知的Pro/E三維軟件的最新版本，通過Creo這個(gè)三維軟件工具來進(jìn)行四自由度機(jī)械手的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，完整體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本流程，提出一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新思路,展示Creo在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)。首先利用Creo便捷的建模工具來對(duì)機(jī)械手的各零件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)；然后利用Creo按要求對(duì)機(jī)械手零件以各種約束和銷釘?shù)冗B接來進(jìn)行合理裝配；接著利用Creo的機(jī)構(gòu)模式對(duì)機(jī)械手的裝配作添加伺服器等操作，來實(shí)現(xiàn)四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真。Creo方便的實(shí)現(xiàn)了對(duì)四自由度機(jī)械手的裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，效果非常直觀。6.1 四自由度機(jī)械手零件的建模在Creo軟件環(huán)境下，機(jī)械三維建模應(yīng)該嚴(yán)格以設(shè)計(jì)構(gòu)思或者前期計(jì)算為依據(jù)，盡量保持三維圖形數(shù)據(jù)的完整和正確性。三維模型的一般建模過程如圖6.1所示。圖 6.1 Pro/E零件建模一般過程由于在Creo Parametric中實(shí)體模型可以有多種不同的構(gòu)造方法，采取何種方法更為合理、高效，需要有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇合適的構(gòu)造模型的方式。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。其中建模的難點(diǎn)在于輔助平面和輔助點(diǎn)的建立，只有建立好輔助平面和輔助點(diǎn)，才能保證零件模型的精確性。 6.2 四自由度機(jī)械手的裝配6.2.1 Creo Parametric的裝配 Creo裝配的過程如圖6.2所示圖6.2 Creo裝配一般過程四自由度機(jī)械手構(gòu)件的裝備關(guān)系比較簡(jiǎn)單，其中各零件、連接件之間多為面匹配和軸對(duì)齊，而各活動(dòng)關(guān)節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接。根據(jù)裝配關(guān)系分析,采用的裝配序列為: 四自由度機(jī)械手底座垂直軸支撐體垂直軸回轉(zhuǎn)體機(jī)械手手臂機(jī)械手手腕機(jī)械手手掌機(jī)械手手指 具體步驟如下： （1）運(yùn)行Creo，新建組件asm0001,點(diǎn)確定進(jìn)入裝配模式，單擊工具欄按鈕，添加元件進(jìn)入裝配，首先根據(jù)文件目錄找到底座，單擊打開，便將底座引入了裝配環(huán)境。對(duì)于首個(gè)進(jìn)入裝配環(huán)境的元件，應(yīng)使其狀態(tài)達(dá)到完全約束，故應(yīng)如圖6.4選取固定， 圖6.3 當(dāng)狀態(tài)欄如圖6.3顯示完全約束時(shí)，單擊確定按鈕，完成第一個(gè)元件即底座的裝配。（2） 按照裝配序列，依次添加各元件以及相應(yīng)的連接件，若元件間面面重合，或者面與面平行，則屬于匹配裝配；若元件間共軸線，則屬于軸對(duì)齊，如圖6.4所示選取相應(yīng)裝配；而各活動(dòng)關(guān)節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接，則應(yīng)選擇如圖6.4所示的銷釘選項(xiàng)。圖6.4（3） 全部零件裝配完畢后，單擊菜單欄“渲染”“外觀”對(duì)各零件進(jìn)行著色，四自由度機(jī)械手的裝配效果圖和分解爆炸效果圖如下：圖6.5四自由度機(jī)械手裝配效果圖 圖6.6 分解爆炸效果圖6.3 四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真6.3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配之后，不給其施加力，不考慮零件之間的摩擦，只在機(jī)構(gòu)上施加動(dòng)力，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)副，使機(jī)構(gòu)能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡。在Creo Parametric機(jī)構(gòu)模塊中提供零件之間的運(yùn)動(dòng)副有:凸輪連接運(yùn)動(dòng)副、槽連接運(yùn)動(dòng)副、齒輪連接運(yùn)動(dòng)副等。6.3.2 進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊運(yùn)行Creo，打開裝配ZHUANGPEI-2后，點(diǎn)擊菜單欄“應(yīng)用程序”“機(jī)構(gòu)”，即進(jìn)入了機(jī)構(gòu)模塊，如圖6.8所示。 圖6.7 機(jī)構(gòu)模塊 圖6.8進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊后即可對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸做參數(shù)設(shè)置，以限制主體之間的相對(duì)位置、運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)軸零位置參照等。如圖6.8，選擇旋轉(zhuǎn)軸，右鍵單擊并選擇菜單中編輯定義選項(xiàng)，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軸設(shè)置對(duì)話框（圖6.9），編輯運(yùn)動(dòng)軸的零位置和限圖6.9 運(yùn)動(dòng)軸設(shè)置對(duì)話框 制，并可對(duì)編輯數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽。使用“拖動(dòng)”功能可檢查為運(yùn)動(dòng)軸指定的限制是否滿足預(yù)期的運(yùn)動(dòng)范圍。6.3.3 添加伺服電機(jī)在機(jī)構(gòu)模式下，點(diǎn)擊“伺服電動(dòng)機(jī)”圖標(biāo)，定義“伺服電動(dòng)機(jī)”（如圖6.10），圖6.10名稱為“ServoMotor1”，類型欄選擇“運(yùn)動(dòng)軸”，點(diǎn)擊裝配時(shí)生成的銷釘軸；輪廓欄（如圖6.11）的“規(guī)范”選擇“速度”，“初始位置”為開始運(yùn)動(dòng)的位置，可定義當(dāng)前位置，也可以定義任意位置為運(yùn)動(dòng)初始位置，并可以預(yù)覽，“模”選擇“常數(shù)”，“A”值為“8”。圖6.116.3.4 定義初始條件 點(diǎn)擊“拖動(dòng)元件”按鈕，點(diǎn)擊“快照”，生成“Snapshot1”如圖6.12。點(diǎn)擊“初始條件”按鈕，名稱為“InitCond1”，選擇“快照”為“Snapshot1”，如圖6.13，單擊“確定”完成初始條件的定義。 圖6.12 圖6.136.3.5 定義分析單擊“機(jī)構(gòu)分析”按鈕，名稱為“AnalysisDefinition2”，類型為“位置”，“優(yōu)先選項(xiàng)”中，“持續(xù)時(shí)間”為20s,“幀頻”為“10”，“最小間隔”為“0.1”?！翱煺铡边x擇先前生成的“Snapshot1”，如圖6.15。將7電動(dòng)機(jī)添加到分析中，定義各電動(dòng)機(jī)的開始、結(jié)束時(shí)間，如圖6.16。然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”，即可以觀察運(yùn)動(dòng)仿真情況，確定設(shè)定正確后單擊“確定”。 圖6.14 圖6.15 6.3.6 運(yùn)動(dòng)仿真視頻制作前面的運(yùn)動(dòng)分析“AnalysisDefinition2”生成后，單擊界面右邊回放按鈕，即可進(jìn)入回放界面，此界面可對(duì)先前的運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行回放、保存至文件、也可打開文件中以圖6.16圖6.17存在的運(yùn)動(dòng)分析。如圖6.16，點(diǎn)擊播放，打開“AnalysisDefinition2”，即進(jìn)入動(dòng)畫界面，如圖6.17所示，單擊播放便開始重