【正文】 成本。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。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]。 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；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。教學(xué)機(jī)械手說明書結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章 緒論 提出題目的目的與意義 為了代替人類在某些苛刻的場合從事生產(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。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。 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化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。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。目前國外的發(fā)展趨勢是[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作。 5 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運動。但在實際上是很少有的。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個運動組成。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。所以工效高。機(jī)械手工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多[10]。液壓驅(qū)動有以下特點：1 輸出功率很大，壓力范圍為50140N/cm2。4 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 氣體壓力驅(qū)動 氣壓傳動機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動平衡和及裝配機(jī)械手氣動夾具[11]。電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(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。2 直流伺服電動機(jī)：直流伺服電動機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。）之分。步進(jìn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。綜上所述，由于本次設(shè)計機(jī)械手負(fù)載較小，對體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機(jī)體積小，控制精度高，與傳動系統(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，手部采用氣動驅(qū)動。 本次設(shè)計機(jī)械手的基本設(shè)計參數(shù)如下：；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45mm95mm。J2=M2L42 (33)== 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。 ——角加速度，rad/s。由式（37）有：若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，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： （38)選擇減速機(jī)：型號：APEXAE235 （同軸式行星減速機(jī)） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 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： (39)選擇小型直流伺服電機(jī)： 型號：MAXONEC118896 額定轉(zhuǎn)矩：額定電壓：24V額定電流：額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：10w 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)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩。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。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。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。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)械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，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。 。本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 手部驅(qū)動力計算 本次設(shè)計的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖42所示:圖42 齒輪齒條式手部其工件重量G=，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:N （42）(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （43） 所以 (3) 實際驅(qū)動力: （44）因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。——彈簧反作用力，N。——彈簧預(yù)壓縮量，m。——彈簧有效圈數(shù).——彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: （48）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （49）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: (410)其中，[]， 則: 滿足實際設(shè)計要求。——實驗壓力，取, Pa。由于活塞桿與手爪間用齒輪齒條傳動，所以齒輪的轉(zhuǎn)動弧長則為活塞桿運動行程，設(shè)活塞桿運動行程為L，則： ，由于考慮到機(jī)械精度和傳動效率的影響，本次設(shè)計設(shè)計活塞桿運動行程為13mm。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （51） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 P——軸的傳遞功率，Kw。本次設(shè)計取40 則 取106則本次設(shè)計最小軸徑為15mm，故滿足強(qiáng)度要求。 W——軸的抗彎截面系數(shù)。除非有嚴(yán)重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。——鍵的工作長度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度。 鍵的材料為45號鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號鋼。 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，其主要失效形式是工作面被壓潰。K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=,此處h為鍵的高度。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。將這些數(shù)據(jù)代入公式（54）得：故鍵的強(qiáng)度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 ——軸承的基本額定動載荷，kN。 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 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54所示： 圖54 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；；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（54）所示：具體尺寸參數(shù)如下：=8mm；=4mm；L=25mm；=20mm；；圓錐銷；圓錐銷 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)計只校核受力最大的即可。 ——銷的許用剪切應(yīng)力，對于45號鋼一般取80MPa其中，取T=5；d=；D=10mm，所以：所以校核合格。 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)計構(gòu)思或者前期計算為依據(jù)，盡量保持三維圖形數(shù)據(jù)的完整和正確性。其中建模的難點在于輔助平面和輔助點的建立，只有建立好輔助平面和輔助點，才能保證零件模型的精確性。（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，則屬于軸對齊，；而各活動關(guān)節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接。 機(jī)構(gòu)模塊 進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊后即可對各運動軸做參數(shù)設(shè)置，以限制主體之間的相對位置、運動范圍、運動軸零位置參照等。 定義初始條件 點擊“拖動元件”按鈕，點擊“快照”，生成“Snapshot1”。將7電動機(jī)添加到分析中，定義各電動機(jī)的開始、結(jié)束時間。 結(jié) 論該機(jī)械手經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計，有著完善的體系。還有各個關(guān)節(jié)的電機(jī)需要選好，是提供動力的主要機(jī)構(gòu)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的專業(yè)知識，誨人不倦教學(xué)精神，在學(xué)術(shù)上和為人上都是我們的楷模和榜樣。真心的感謝在大學(xué)幫助過我的老師和同學(xué)們，再次感謝你們。[19] CHIRIKJIAN G．Kinematics of a metamorphic robotic system[J]．Proc．IEEE／ICRA，2005：449—455．[20]Peter Nachtway. How Hydraulic Motion control Measures up[M]. Machine Design, April 15, 2004：5693.[21]Ironmaking, MultiServ uses Fuchshandler[J],1999:125155.附 錄PROCESS SELECTION METHODOLOGY FORADVANCED MACHINING PROCESSESNEELESH K. JAIN and VIJAY K. JAINMechanical Engineering DepartmentIndian Institute of Technology, Kanpur208 016, IndiaManufacture of a product in a desired shape and size with the desired characteristics and properties depends not only on the design of the product but also on the selection of an appropriate manufacturi