機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析,指導(dǎo)老師：,,目 錄,選題的背景與意義,1,方案設(shè)計(jì)及步驟,2,研究成果展示,論文總結(jié),3,4,,CONTENTS,第一部分：選題的背景與意義,隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(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。通過(guò)本次設(shè)計(jì)想增加機(jī)械手在工廠應(yīng)用，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。,,第二部分：方案設(shè)計(jì),根據(jù)所給題目的要求，調(diào)查有關(guān)機(jī)械手方面的資料，并逐步開(kāi)始 總體設(shè)計(jì)： 1.初步構(gòu)思相應(yīng)設(shè)計(jì)思路，收集各種有關(guān)機(jī)械手資料，確定設(shè)計(jì)的大體方向。 2.確定相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)。 3.確定機(jī)械手腕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 4.機(jī)械手腕中各種軸的校核。,第二部分：方案設(shè)計(jì),（1）,（2）,（4）,（3）,如圖所示：,圖1處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的平移運(yùn)動(dòng)；圖2處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖3處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖4處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)。,第二部分：設(shè)計(jì)步驟,,,,,利用網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)館查閱相關(guān)資料,,,完成對(duì)機(jī)械手腕的大體框架設(shè)計(jì),,完成所有標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核,,將裝配圖畫(huà)為CAD并進(jìn)行三維模擬仿真,,,論文撰寫(xiě),第三部分：研究成果展示,研究方法,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. 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Donec luctus nibh sit amet sem vulputate venenatis bibendum orci pulvinar.,第四部分：論文總結(jié),本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部擁有4個(gè)自由度，能夠完成更多方位的運(yùn)動(dòng)，在和相應(yīng)機(jī)械手臂及機(jī)械手配合的情況下，能夠在不同生產(chǎn)環(huán)境下完成更多工作。并且此機(jī)械手腕結(jié)構(gòu)緊湊，加工起來(lái)節(jié)省材料。,感謝聆聽(tīng),機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析,指導(dǎo)老師：咸成吉 講師 答辯人：雷明遠(yuǎn),摘 要隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械手和機(jī)器人是在如今社會(huì)扮演者越來(lái)越重要的角色。自從二十世紀(jì)六十年代以后，半導(dǎo)體及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得人們的生活開(kāi)始進(jìn)入電器時(shí)代，并且也隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使得機(jī)械設(shè)計(jì)迎來(lái)了巨大的革命，跟隨電子發(fā)展熱潮，機(jī)械手和機(jī)器人的發(fā)展也越發(fā)往自動(dòng)化方向發(fā)展。這次設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械手腕部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析等相關(guān)研究，完成對(duì)其整體裝置以及相關(guān)部件的分析研究及設(shè)計(jì)，與此同時(shí)通過(guò)借助 CAD 軟件對(duì)其進(jìn)行二維設(shè)計(jì)及繪制裝配圖及相關(guān)零件圖，以此來(lái)增加對(duì)圖形的理解以及增強(qiáng)軟件的應(yīng)用能力。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，希望設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部能夠與機(jī)械手、機(jī)械臂完成相應(yīng)配合，從而能夠在生產(chǎn)制造業(yè)得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：機(jī)械手腕部；工作裝置；電動(dòng)機(jī) AbstractWith the development of modern society, robots and robots are playing an increasingly important role in today's society. Since the 1960 s, the rapid development of semiconductor and electronic technology, makes the life of people begin to enter electric era, and also with the development of the electronic computer, the mechanical design has resulted in a huge revolution, with electronic development boom, and the development of robot manipulator is also increasingly in the direction of automation development. Is the design of robot wrist structure design and analysis of related research, complete analysis of the whole device and related components research and design, at the same time by using CAD software for 2 d design and draw the assembly drawing and related parts graph, in order to increase the understanding of graphics and enhance software application ability. Through this design, the design of the manipulator wrist can be matched with the manipulator and manipulator, so that it can be applied in the manufacturing industry. Keywords : The wrist of the manipulator; Working device; motor; 目 錄引 言 1第一章 緒 論 .21.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介 .21.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介 21.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 3第二章 總體設(shè)計(jì) .42.1 機(jī)械手腕的總體設(shè)計(jì)及其自由度 .42.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則 52.3 機(jī)械手腕的特點(diǎn) .52.4 機(jī)械手腕的系統(tǒng)設(shè)計(jì) .52.4.1 四個(gè)自由度的設(shè)計(jì) .52.4.2 機(jī)械手腕傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .62.5 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) .6第三章 機(jī)械手腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 .83.1 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 83.1.1 俯仰電動(dòng)機(jī)類型與結(jié)構(gòu)的選取 .83.1.2 所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 .83.1.3 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 .83.1.4 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) .93.2 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .143.2.1 偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類型與結(jié)構(gòu)的選取 143.2.2 所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 143.2.3 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定 153.2.4 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 153.2.5 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中偏轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計(jì) 173.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .203.3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 203.3.2 選取電機(jī)的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 203.3.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 213.4 平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .243.4.1 平移運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 243.4.2 所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 243.4.3 平移運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 25第四章 機(jī)械手腕部軸及軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 284.1 俯仰運(yùn)動(dòng)中軸的設(shè)計(jì) 284.2 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中蝸桿軸的設(shè)計(jì) 294.3 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中蝸輪軸的設(shè)計(jì) 32第五章 機(jī)械手腕部運(yùn)動(dòng)仿真 36總 結(jié) 40參考文獻(xiàn) .41致 謝 .421引 言在現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)械已經(jīng)完完全全融入到了我們的生活，其已經(jīng)在物理、生物、化工、醫(yī)學(xué)等方面起到了重要的作用，不僅如此，在生產(chǎn)制造業(yè)已經(jīng)成為不可或缺的角色，因此我們的生活因?yàn)橛辛藱C(jī)械而變得越來(lái)越方便。但是如今機(jī)械也存在著或多或少的缺點(diǎn)，尤其在生產(chǎn)制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)工廠，由于產(chǎn)品數(shù)量的多，要求加工的精度及準(zhǔn)確性高，這一切都會(huì)使得工廠勞動(dòng)者的工作效率低下，使得生產(chǎn)的產(chǎn)品不能有穩(wěn)定的要求，而且產(chǎn)品生產(chǎn)車間的各種危險(xiǎn)因素也很多，勞動(dòng)者在高強(qiáng)度工作下，很容易受到危險(xiǎn)，因此在生產(chǎn)制造業(yè)應(yīng)該加大對(duì)機(jī)械手的使用和研發(fā)，使其能夠更加智能更加穩(wěn)定，最后基本代替勞動(dòng)者的日常工作。不僅如此，隨著社會(huì)的發(fā)展，人類越來(lái)越依賴環(huán)境，環(huán)境是我們的家園，保護(hù)環(huán)境是我們應(yīng)該做的，因此在發(fā)展機(jī)械手的同時(shí)，也要不忘往更加環(huán)保的方向發(fā)展，這樣才能在方便我們的同時(shí)，做到保護(hù)家園，我相信在這樣的發(fā)展下，我們的祖國(guó)會(huì)更加繁榮富強(qiáng)。2第一章 緒 論1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介如今機(jī)器人已經(jīng)成為了我們身邊重要的角色，其功能能夠通過(guò)人為編程去完成各種各樣的指定工作，在結(jié)構(gòu)和性能方面，他們自己的人和機(jī)器，特別是反映了人們的智力以及適應(yīng)性能。在產(chǎn)品加工過(guò)程中，通常在許多方面仍然還是要使用到傳統(tǒng)手工的加工控制裝置。與此同時(shí)手工生產(chǎn)花費(fèi)太多時(shí)間，并且勞動(dòng)密集以致生產(chǎn)效率低下，而且由于生產(chǎn)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要大量的繼電器裝置，由此會(huì)引發(fā)線路的復(fù)雜性，與此同時(shí)其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性也不是很高。隨著時(shí)代的發(fā)展，由于人們認(rèn)識(shí)的提高，使得機(jī)械手如今得到了迅猛的發(fā)展，在很多領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要角色，操作技術(shù)人員通過(guò)提前編程好程序，使其能夠在生產(chǎn)線上按時(shí)按位置完成對(duì)工件的運(yùn)輸、裝配、卸載等多種活動(dòng)。因此，機(jī)械手在國(guó)內(nèi)國(guó)外得到了廣泛認(rèn)可，并且更加重視機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展。在近幾年的中國(guó)，工業(yè)生產(chǎn)業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)的帶動(dòng)下得到迅速發(fā)展，使得機(jī)器人越來(lái)越靠近人們對(duì)日常生活，并在其中起著發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。1.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介目前研制的機(jī)械手大致可分為三類，即無(wú)指手、無(wú)關(guān)節(jié)手、多關(guān)節(jié)手。其中第一類為無(wú)手指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，使用時(shí)需要附加某種特殊工具。例如平板，用后面所述的具有對(duì)向二指的機(jī)械手一般是很難握持的，因此要用真空吸盤(pán)來(lái)搬用。這種型式的機(jī)械手不僅可以用來(lái)搬運(yùn)玻璃板、玻璃棒等易碎物品外，而且還可以操作電焊用的焊槍和油漆用的噴槍。第二類為具有手指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手應(yīng)用最為廣泛。一般是二指，能夠互相作對(duì)向動(dòng)作，既具有所謂的夾持手結(jié)構(gòu)。由于工業(yè)機(jī)械手通常所握持的對(duì)象大都是事先知道的，因此對(duì)于這種夾持手配以適應(yīng)工件形狀的指尖。此外，這種工業(yè)機(jī)械手的兩指大都能繞一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，如使兩指在保持平行的狀態(tài)下作開(kāi)閉動(dòng)作時(shí)，要采用縮放儀機(jī)構(gòu)。這種使手指保持平行的機(jī)械手多用于對(duì)象不明的深海調(diào)查船用操作機(jī)、主從操3作機(jī)和人工智能機(jī)器人。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有油缸直接驅(qū)動(dòng)連桿的型式和電動(dòng)機(jī)與齒輪、齒條組合的型式，主從操作系統(tǒng)則采用繩索滑輪的驅(qū)動(dòng)方式。如使機(jī)械手具有三指結(jié)構(gòu)，而三指能做向心開(kāi)閉，就可以在中央位置握牢圓柱形工件，這對(duì)數(shù)控車床的裝料是很有用的。這種機(jī)械手比兩指結(jié)構(gòu)的要少，最近才介紹了幾種。具有四個(gè)以上的無(wú)關(guān)節(jié)手指的機(jī)械手至今還無(wú)實(shí)例。第三類機(jī)械手的實(shí)例非常少，它具有三關(guān)節(jié)三指結(jié)構(gòu)，三指用電機(jī)和連桿驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手是以某項(xiàng)操作作為目標(biāo)而用機(jī)械代替人手的一種手段。因此，要對(duì)所要求具備功能進(jìn)行詳細(xì)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行最佳的結(jié)構(gòu)和形態(tài)設(shè)計(jì)。1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀自從二十世紀(jì) 60 年代以后，國(guó)內(nèi)掀起了一場(chǎng)經(jīng)濟(jì)改革和技術(shù)進(jìn)步的熱潮，機(jī)械手在我國(guó)的發(fā)展才步入正軌，并且迅速在我國(guó)取得快速發(fā)展，大量應(yīng)用于各種家用電器、汽車制造業(yè)、船務(wù)制造業(yè)、軍事領(lǐng)域的裝配生產(chǎn)線上，并且在我國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)也取得了極好的成績(jī)。但就目前的情況來(lái)開(kāi)，機(jī)械手在我國(guó)機(jī)床制造加工、鑄造、鍛造、熱處理等多個(gè)方面上并無(wú)法完全滿足我國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要。加大機(jī)械手智能化這樣才能使得我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)加工業(yè)的工作效率大大提高，產(chǎn)品質(zhì)量也能夠達(dá)到穩(wěn)定準(zhǔn)確的效果。與此同時(shí)，我們?cè)诩哟髮?duì)專用機(jī)械手的開(kāi)發(fā)研制的過(guò)程中，也需要加大對(duì)通用型機(jī)械手的研發(fā)和投入生產(chǎn)制造業(yè)中，通過(guò)對(duì)通用機(jī)械手在工廠制造業(yè)的大量應(yīng)用，這樣才能得到穩(wěn)定發(fā)展。 4第二章 總體設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手腕的總體設(shè)計(jì)及其自由度此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)源頭是出于通用機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手腕部的設(shè)計(jì)來(lái)加深對(duì)所學(xué)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)及材料力學(xué)的知識(shí)鞏固。通過(guò)的各種國(guó)內(nèi)外資料的參考初步確定本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)如下圖： 圖 1 機(jī)械手腕部運(yùn)動(dòng)介紹如上圖所示，此機(jī)械手腕為 4 個(gè)自由度，在滿足 4 個(gè)自由度的同時(shí)也應(yīng)該使其擁有以下這些要求：（1）機(jī)械手腕部要機(jī)械手臂完成相應(yīng)配合，所以本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕應(yīng)盡可能的緊湊，與此同時(shí)還需要減少整體的重量和體積。并且在機(jī)械手臂后端應(yīng)安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，使其完成分離傳動(dòng)。（2）手腕自由度越多，其運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)越大，從而使得手腕靈活性增高，但與此同時(shí)手腕部結(jié)構(gòu)會(huì)復(fù)雜。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選定本次設(shè)計(jì)機(jī)械手腕部自由度為 4 個(gè)。（3）由于結(jié)構(gòu)動(dòng)作的準(zhǔn)確性與傳動(dòng)剛度，反轉(zhuǎn)回差有關(guān)，因此還需使其減小，5從而提高整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。（4）為了防止機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中手腕部某些關(guān)節(jié)由于超額工作而造成的事故，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)構(gòu)件開(kāi)關(guān)，從而提高整個(gè)機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的安全性。2.2 總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及設(shè)計(jì)原則根據(jù)所給題目的要求，調(diào)查有關(guān)機(jī)械手方面的資料，并逐步開(kāi)始總體設(shè)計(jì)：1.初步構(gòu)思相應(yīng)設(shè)計(jì)思路，收集各種有關(guān)機(jī)械手資料，確定設(shè)計(jì)的大體方向。2.確定相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)。3.確定機(jī)械手腕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。4.機(jī)械手腕中各種軸的校核。2.3 機(jī)械手腕的特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部擁有 4 個(gè)自由度，分別為繞 x 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、x 軸的移動(dòng)、繞 y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此當(dāng)其與機(jī)械手以及機(jī)械手臂配合時(shí)，能夠完成更多方向的工作要求，擁有更好的適應(yīng)性。2.4 機(jī)械手腕的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.1 四個(gè)自由度的設(shè)計(jì)6圖 2 機(jī)械手腕部自由度介紹如上圖 2 所示，此機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中第一個(gè)自由度為上圖（1）中所表示的滑塊沿絲杠的平行移動(dòng)；上圖 2 中（2）為第二個(gè)自由度，提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；上圖 2 中（3）為第三個(gè)自由度，提供偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；上圖 2 中（4）為第四個(gè)自由度，提供俯仰運(yùn)動(dòng)。2.4.2 機(jī)械手腕傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)期刊和資料的查詢，初步擬定了下圖 3 這樣的機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)方案。（4）（3）（2）（1）7圖 3 運(yùn)動(dòng)過(guò)程如上圖所示，電機(jī) 5 將動(dòng)力輸給齒輪副，然后齒輪帶動(dòng)絲杠，從而完成第一個(gè)自由度；電機(jī) 7 將動(dòng)力輸給齒輪副，然后將動(dòng)力傳給包含齒輪 6 的整個(gè)機(jī)構(gòu)中，從而完成第二個(gè)自由度；電機(jī) 12 將動(dòng)力輸給蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，然后所獲動(dòng)力通過(guò)齒輪副使機(jī)構(gòu)完成第三個(gè)自由度；電機(jī) 14 將動(dòng)力輸給齒輪副，然后動(dòng)力傳給軸，從而完成第四個(gè)自由度。2.5 機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)在本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的此機(jī)械手腕主要應(yīng)用于生產(chǎn)制造業(yè)中的產(chǎn)品后期質(zhì)量檢查階段，由于質(zhì)檢階段處于生產(chǎn)制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)線的尾端，因此其工作量比較大，為了方便技術(shù)工人維修和質(zhì)量檢查，因此將此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部整體分為 4 個(gè)主要部分；由于機(jī)械手腕在生產(chǎn)制造產(chǎn)品時(shí)的工作空間不是很大，因此本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中將應(yīng)用小型步進(jìn)式電機(jī)，并且為步進(jìn)電機(jī)前端設(shè)計(jì)相應(yīng)鑲嵌式的電機(jī)減速箱，該減速箱應(yīng)設(shè)計(jì)的與步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)整體，并且其整體結(jié)構(gòu)要合理，可靠性和穩(wěn)定8性都要達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部在其工作時(shí)，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)線尾端，此時(shí)機(jī)械手要將其安裝或者卸載下時(shí)都要與相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)器相配合，由上圖 3 所示的17 就為相應(yīng)的不同形號(hào)的程序編碼器；圖 4 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件介紹又如上圖所表示的，第 3 部分為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，此次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿的目的是為了使其在相對(duì)較有限的環(huán)境下能夠提供較為足夠的動(dòng)力；第 1 個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)為滑塊沿絲杠的平行移動(dòng)，其對(duì)機(jī)械手腕與機(jī)械手配合后的運(yùn)動(dòng)起了重要作用。1 2 3 49第三章 機(jī)械手腕部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)要求：（1）機(jī)械手腕及產(chǎn)品總重量為 10KG（2）手腕俯仰運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速為 30r/min（3）齒輪減速比為 1:6（4）手腕偏移運(yùn)動(dòng)總重量 5KG（5）手腕偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速 20r/min（6）蝸輪蝸桿減速比為 1:203.1 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1 俯仰電動(dòng)機(jī)類型與結(jié)構(gòu)的選取根據(jù)本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的動(dòng)力來(lái)源以及其工作條件的等一系列因素，得出電動(dòng)機(jī)的類型為步進(jìn)式電機(jī)。3.1.2 所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為：????=????v??/(1000????)式中 —— 工作機(jī)所需功率（kW）????—— 工作及所受阻力（N）????—— 工作機(jī)的線速度（m/s ）v??因此求得 ????=10000×0.5/(1000×0.96）=5.13kw查書(shū)得 傳動(dòng) 效率 ??=0.95求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為：10????=????/??因此求得 ????=5.13/0.95=5.26????由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為 n=8000r/min3.1.3 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定根據(jù)下圖表來(lái)選取電機(jī)：圖 5 電機(jī)選擇由以上求得的電機(jī)功率及其轉(zhuǎn)速選取上圖所示電機(jī)。3.1.4 俯仰運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)1. 選取齒輪的類型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù)（1）取壓力角 α=20°。（2）小齒輪選 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，齒面硬度為 241~286HBS；大齒輪選 45 鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取 220HBS。 [4]（3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表 10-6 可得，選取 7 級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。（4）選取小齒輪的齒數(shù) z1=20，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比 i=6，由此可得大齒輪的齒數(shù) z2=120。112. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)（1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為??1??≥32????????1??? ???+1?? ?(????????????[????] )21)各參數(shù)值如下：載荷系數(shù) ??????=1.3試計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩：Ⅰ軸轉(zhuǎn)速： ??1=8000??/??????48 =166.67??/??????Ⅱ軸轉(zhuǎn)速： ??2=??1??=166.67??/??????6 =27.78??/??????輸入軸Ⅰ功率: ??1=??0×????=5.26×0.99=5.05????傳動(dòng)軸Ⅱ功率: ??2=??1×??2=5.05×0.96×0.95=4.61????小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: ??1=9.55×106×??1??0=2.89×105??·????由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表 10-7 選取的齒寬系數(shù) ????=0.8由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的圖 10-20 可查的區(qū)域系數(shù) ????=2.5取彈性影響系數(shù) ????=189.8??????????1=cos?1[??1cos??/(??1+2????)]=cos?1[20cos20020+2×1]=31.3220????2=cos?1[??2cos??/(??2+2????)]=cos?1[120cos200120+2×1]=22.440012????=[??1(tan??1?tan??)+??2(tan??2?tan??)]2?? =[20(tan31.3220?tan200)+120(tan22.4400?tan200)]2??=1.714????= 4?????3 =0.873由書(shū)中得取 、??????????1=600????????????????2=500????????1=60??1?????=60×166.67×1×（ 2×300×16） =9.6×107??2=??1?? =1.6×107取 ??????1=0.97 ,??????2=0.99由式子 得[????]=????????????????1??[????]1=??????1??????????1?? =0.97×6001 =582??????[????]2=??????2??????????2?? =0.99×5001 =495??????取 兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即為[????]1和 [????]2[????]1=[????]2=495??????2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑：??1??≥32????????1??? ???+1?? ?(????????????[??])2=40.895mm=32×1.3×2.89×1050.8 ?6+16?(2.5×189.8×0.873495 )213（2）對(duì)小齒輪分度圓直徑進(jìn)行調(diào)改1）計(jì)算圓周速度 v??= ????1????160×1000=??×40.895×166.6760×1000 =0.36??/??齒寬 b??=?????1??=0.8×40.895????=32.216????2) 計(jì)算齒輪實(shí)際載荷系數(shù) ????表 1 實(shí)際載荷系數(shù)表項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果使用系數(shù) ???? 查表 10-2 ????=1動(dòng)載荷系數(shù) ???? 根據(jù) ，查圖 10-8??=0.36 ????=1.02齒間載荷分配系數(shù) ???? 表 10-3 ????=1齒向載荷分布系數(shù) ???? 表 10-4 ????=1.417由此求得齒輪圓周力為：????1=2??1??1??=2×2.89×105÷40.895??=1.413×104??????????1?? =1×1.413×104÷32.216=383.9??/mm≥100??/????由此 為：????????=????????????????????=1.45由式子 得：??1=??1??3??????????14??1=??1??3??????????=40.89531.451.3=42.411????所以 ??=??1??1=42.41120=2.12????3. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)（1）模數(shù)式子為：????≥3（ 2????????1??????????12????????????[????] ）1）各參數(shù)值如下：試選取 ??????=1.3由式 得：????=0.25+0.75????????=0.25+0.75????=0.25+0.751.714=0.687計(jì)算????????????[????]表 2 公式系數(shù)表項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果查圖 10-17 ??????1=2.65齒形系數(shù) 、??????1??????2查圖 10-17 ??????2=2.16查圖 10-18 ??????1=1.58應(yīng)力修正系數(shù) ，??????1??????2查圖 10-18 ??????2=1.83小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖 10-24c ??????????1=290??????大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖 10-24c .??????????2=210??????15彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖 10-22??????1=0.97 ??????2=0.99。取 S=1.4,因此由 得：[????]=??????????????????[????]1=??????1??????????1?? =0.97×2901.4 ??????=200.93??????[????]2=??????2??????????2?? =0.99×2101.4 ??????=148.5????????????1??????1[????]1 =2.65×1.58200.93=0.0208??????2??????2[????]2 =2.16×1.83148.5=0.0266可以看出大齒輪的 比小齒輪的大 [4]，因此?。????????????[????]??????2??????2[????]2 =2.16×1.83148.5=0.02662）計(jì)算模數(shù)????≥3（ 2????????1??????????12????????????[????] ）=3（ 2×1.3×2.89×105×0.6870.8×202 ×0.0266） =1.817????（2）對(duì)齒輪模數(shù)進(jìn)行調(diào)整1）求實(shí)際載荷系數(shù)圓周速度 v16??1=??????1=1.817×20=36.04??????= ????1??160×1000=??×36.04×166.6760×1000=0.32??/??齒寬 b??=?????1??=0.8×36.04????=28.832????寬比高????=(2????+???)????=(2×1+0.25)×1.817=4.088???????=28.8324.088=7.05282）對(duì)實(shí)際載荷系數(shù) 進(jìn)行計(jì)算????表 3 公式系數(shù)表項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果動(dòng)載荷系數(shù) ???? 根據(jù) ，查圖 10-8??=0.32 ????=1.09齒間載荷分配系數(shù) ???? 表 10-3 ??????=1.0齒向載荷分布系數(shù) ???? 表 10-4 ??????=1.38因此得：????=????????????????????=1.5042由式 ，可得??=????3?????????? ??=????3??????????=1.817×31.50421.3=1.907????因此取 m=2mm，且 ，所以??1=43.533??????1=??1??=43.5332 =21.78因此求得大齒輪齒數(shù)為 ??2=????1=6×21.78=130.68故取 、??1=22??2=131174. 各幾何尺寸的計(jì)算（1）分度圓直徑??1=??1??=22×2=44??????2=??2??=131×2=262????（2）中心距??=??1+??22 =44+2622 ????=153????（3）齒輪齒寬??=?????1=0.8×44????=35.2????由書(shū)中查得齒寬應(yīng)加寬 5 至 10mm，所以取 ，b1=40mm b=b2=35mm主要設(shè)計(jì)結(jié)論:表 4 齒輪系數(shù)表齒輪齒數(shù)Z模數(shù)M分度圓d齒頂圓da齒根圓df齒頂高h(yuǎn)a齒根高h(yuǎn)f齒寬BZ1 22 2 44 46 39 2 3 40Z2 131 2 262 266 256 2 3 353.2 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2.1 偏轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類型與結(jié)構(gòu)的選取根據(jù)本次機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)的動(dòng)力來(lái)源以及其工作條件的等一系列因素，得出電動(dòng)機(jī)的類型為步進(jìn)式電機(jī)。183.2.2 所選電機(jī)的有關(guān)參數(shù)的計(jì)算所設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部工作機(jī)所需要的有效功率表達(dá)式為：????=????v??/(1000????)式中 —— 工作機(jī)所需功率（kW）????—— 工作及所受阻力（N）????—— 工作機(jī)的線速度（m/s）v??因此求得 ????=8000×0.5/（1000×0.96）=4.31kw取傳動(dòng)效率： ??=0.85求電動(dòng)機(jī)功率的表達(dá)式為：????=????/??因此求得 ????=4.31/0.85=4.71????由資料查到步進(jìn)式電機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為 n=8000r/min并且在電機(jī)前配置一個(gè) 1:24 的減速箱蝸桿軸轉(zhuǎn)速： ??3=8000??/??????24 =333.33??/??????蝸輪軸轉(zhuǎn)速： ??4=??3i=16.67??/??????蝸桿軸功率: ??3=??d×????=4.71×0.99=4.66????蝸輪軸功率: ??4=??3×??1=4.66×0.85=3.96????蝸輪軸的輸入轉(zhuǎn)矩為： ??2=9.55×106×??4??4=1.169×105??·????3.2.3 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的確定19選取電機(jī)去下：3.2.4 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)1. 選取齒輪的類型、精 度等級(jí)以及材料和齒數(shù)（1）選取漸開(kāi)線蝸桿，選取 45 鋼為其材料，其整體調(diào)質(zhì)并且表面淬火，齒面硬度選取 45~55HRC；蝸輪選取鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1，使用金屬模鑄造。 [4]（2）選取蝸桿的齒數(shù) z1=2，閉式蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比 i=20，由此可得大齒輪的齒數(shù) z2=40。2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)由書(shū)中式子得：??2??1≥????2( 480??2[????])2（1）計(jì)算蝸輪上的轉(zhuǎn)矩??2=9.55×106×??4??4=1.169×105??·????（2）計(jì)算載荷系數(shù) K取 ， ； ，則： ????=1 ????=1.15 ????=1.05??=????×????×????=1.21圖 6 電機(jī)選擇20（3）確定彈性影響系數(shù) ????查書(shū)得 ????=160??????（4）計(jì)算許用接觸應(yīng)力 [??]??應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ????=60×??×??×???=60×1×16.67×2×300×16=9.6×106壽命系數(shù) KNH=8107NL=81079.6×106=1.005則 [??]??=??????×[??] '????=1.005×268=269??????（5）確定 的值m2d1??2??1≥????2( 480??2[????])2=1.21×2.269×105×( 48040×269)2=164.3mm3由于 z1=2，因此取 m=2.5，所以由此可求 ??1=283. 計(jì)算蝸輪蝸桿的幾何尺寸（1）計(jì)算中心距??=12×(??1+??2)=0.5×(28+100)=64????（2）蝸桿軸向齒距 ????=????=3.14×2.5=7.85????直徑系數(shù) q=??1??=282.5=11.2齒頂圓直徑 ??a1=??1+2??????=28+2×1×2.5=33????齒根圓直徑 ??f1=??1?2(??????+??)=28?2×（ 1×2.5+0.2×2.5） =22????分度圓導(dǎo)程角 tanγ=m×z1/d1=0.178，由此得 γ=10°12`蝸桿軸向齒厚 ????=12 ????=12×3.14×2.5=3.925????21（3）蝸輪蝸輪分度圓直徑 ??2=????2=2.5×40=100????蝸輪喉圓直徑 ??a2=??2+2???2=??2+2??????=100+2×2.5=105????蝸輪齒根圓直徑 ??f2=??2?2??(????+??)=100?2×2.5×1.2=94????蝸輪咽喉母圓半徑 ????2=???12??a2=64?12×105=11.5????4. 驗(yàn)算效率 ????=(0.95~0.96)× ????????tan(??+????)由上可知 10°12`； ，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 書(shū)中表 11-18 查得??= ????=tan?1????????=0.0204由此可求得 ，原設(shè)計(jì)合理。η ' =0.8015. 主要結(jié)論設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu) ， , ， 。蝸桿所采用材料m=8mm ??2=40 ??1=28???? ??1=2為 45 鋼，蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10Pb1。3.2.5 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中偏轉(zhuǎn)齒輪的設(shè)計(jì)1. 選取齒輪的類型、精度等級(jí)以及材料和齒數(shù)（1）取壓力角 α=20°。（2）小齒輪選 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，齒面硬度為 241~286HBS；大齒輪選 45 鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度選取 220HBS。 [4]（3）由機(jī)械設(shè)計(jì)的表 10-6 可得，選取 7 級(jí)精度,其齒面粗糙度Ra≤1.6~3.2μm。（4）選取小齒輪的齒數(shù) z1=23，選取閉式齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比 i=3，由此可得大齒輪的齒數(shù) z2=69。222. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)（1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中式（10-11）計(jì)算小齒輪的分度圓的直徑，即為??1??≥32????????1??? ???+1?? ?(????????????[????] )21)各參數(shù)值如下：載荷系數(shù) ??????=1.3試計(jì)算小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩：蝸桿軸轉(zhuǎn)速： ??3=8000??/??????24 =333.33??/??????蝸輪軸轉(zhuǎn)速： ??4=??3i=16.67??/??????偏轉(zhuǎn)小齒輪轉(zhuǎn)速：其與蝸輪軸轉(zhuǎn)速相等，即 ??5=??4蝸桿軸功率: ??3=??d×????=4.71×0.99=4.66????蝸輪軸功率: ??4=??3×??1=4.66×0.85=3.96????偏轉(zhuǎn)小齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩為: ??1=9.55×106×??4??5=1.169×105??·????由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表 10-7 選取的齒寬系數(shù) ????=0.4由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的圖 10-20 可查的區(qū)域系數(shù) ????=2.5由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的表 10-5 可查的齒輪所選材料的彈性影響系數(shù)????=189.8??????????1=cos?1[??1cos??/(??1+2????)]=cos?1[23cos20023+2×1]=30.174023????2=cos?1[??2cos??/(??2+2????)]=cos?1[69cos20069+2×1]=24.0490????=[??1(tan??1?tan??)+??2(tan??2?tan??)]2?? =[23(tan30.1740?tan200)+69(tan24.0490?tan200)]2??=1.7004????= 4?????3 =0.875取 、 ??????????1=600????????????????2=550????????1=60??1?????=60×16.67×1×（ 2×300×16） =9.6×106??2=??1?? =3.2×106取 ??????1=0.99 ,??????2=0.97由式子 得：[????]=????????????????1??[????]1=??????1??????????1?? =0.99×6001 =593??????[????]2=??????2??????????2?? =0.97×5501 =533.5??????取 兩者中比較小的取為齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力 [4]，即為[????]1和 [????]2[????]1=[????]2=533.5??????2)計(jì)算小齒輪分度圓直徑：??1??≥32????????1??? ???+1?? ?(????????????[??])224=56.25mm=32×1.3×2.269×1050.4 ?3+13?(2.5×189.8×0.875533.5)23. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)（1）模數(shù)式子為：????≥3（ 2????????1??????????12????????????[????] ）1）各參數(shù)值如下：試選取 ??????=1.3由式 得：????=0.25+0.75????????=0.25+0.75????=0.25+0.751.7004=0.691計(jì)算????????????[????]表 5 公式系數(shù)表項(xiàng)目 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 查尋結(jié)果查圖 10-17 ??????1=2.65齒形系數(shù) 、??????1??????2查圖 10-17 ??????2=1.95查圖 10-18 ??????1=1.58應(yīng)力修正系數(shù) ，??????1??????2查圖 10-18 ??????2=1.76小齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖 10-24c ??????????1=290??????大齒輪齒根彎曲疲勞極限 圖 10-24c .??????????2=210??????彎曲疲勞壽命系數(shù) 圖 10-22??????1=0.97 ??????2=0.99。機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析,指導(dǎo)老師：,,目 錄,選題的背景與意義,1,方案設(shè)計(jì)及步驟,2,研究成果展示,論文總結(jié),3,4,,CONTENTS,第一部分：選題的背景與意義,隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(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。通過(guò)本次設(shè)計(jì)想增加機(jī)械手在工廠應(yīng)用，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。,,第二部分：方案設(shè)計(jì),根據(jù)所給題目的要求，調(diào)查有關(guān)機(jī)械手方面的資料，并逐步開(kāi)始 總體設(shè)計(jì)： 1.初步構(gòu)思相應(yīng)設(shè)計(jì)思路，收集各種有關(guān)機(jī)械手資料，確定設(shè)計(jì)的大體方向。 2.確定相應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)。 3.確定機(jī)械手腕的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 4.機(jī)械手腕中各種軸的校核。,第二部分：方案設(shè)計(jì),（1）,（2）,（4）,（3）,如圖所示：,圖1處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的平移運(yùn)動(dòng)；圖2處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖3處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖4處實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)。,第二部分：設(shè)計(jì)步驟,,,,,利用網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)館查閱相關(guān)資料,,,完成對(duì)機(jī)械手腕的大體框架設(shè)計(jì),,完成所有標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核,,將裝配圖畫(huà)為CAD并進(jìn)行三維模擬仿真,,,論文撰寫(xiě),第三部分：研究成果展示,研究方法,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Donec luctus nibh sit amet sem vulputate venenatis bibendum orci pulvinar.,研究方法,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Donec luctus nibh sit amet sem vulputate venenatis bibendum orci pulvinar.,研究方法,Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Donec luctus nibh sit amet sem vulputate venenatis bibendum orci pulvinar.,第四部分：論文總結(jié),本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部擁有4個(gè)自由度，能夠完成更多方位的運(yùn)動(dòng)，在和相應(yīng)機(jī)械手臂及機(jī)械手配合的情況下，能夠在不同生產(chǎn)環(huán)境下完成更多工作。并且此機(jī)械手腕結(jié)構(gòu)緊湊，加工起來(lái)節(jié)省材料。,感謝聆聽(tīng),機(jī)械手腕部設(shè)計(jì)及仿真分析,指導(dǎo)老師：咸成吉 講師 答辯人：雷明遠(yuǎn),