【正文】 械手的分類 機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“ Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。但在 機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。在日本，無論是機(jī)械人的生產(chǎn)量還是使用量都是世界第一位的。這說明我國(guó)已經(jīng)揭開了機(jī)器人研究的序幕，在“七五”計(jì)劃中，我國(guó)的機(jī)器人研制工作將有更大的發(fā)展。 在國(guó)外機(jī)械制造也中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。 在發(fā)達(dá)國(guó)家及國(guó)內(nèi)，機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域、工業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在機(jī)械制造行業(yè)也有普遍的應(yīng)用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造業(yè)等行業(yè)發(fā)展 。汽車機(jī)械手已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要輔助生產(chǎn)設(shè)備。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件、如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的工業(yè)要求選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。 國(guó)外機(jī)械手發(fā)展的趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手，使它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，并能做相應(yīng)的變更，使其更具有和人相似的一些特征。 （ 2）機(jī)械手設(shè)計(jì)是我們 機(jī)械電子工程 專業(yè)學(xué)生一次比較完整的機(jī)電一體化整機(jī)設(shè)計(jì)。 通過設(shè)計(jì)，使我盡可 能熟練地應(yīng)用本行業(yè)的有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊(cè)、和規(guī)范；熟悉有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部分標(biāo)準(zhǔn)， 以完成一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)械整體設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。 分析上述所給的技術(shù)要求 ， 查閱相關(guān)的資料進(jìn)行研究綜合 ， 找到兩個(gè)比較可行的方案 ， 現(xiàn)分析如下 : 7 (1) 方案一 結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如下 ： 圖 31 直角坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) ， 又成為龍門式結(jié)構(gòu) 。該種直角坐標(biāo)型的機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè) 。 8 本設(shè)計(jì)各臂運(yùn)動(dòng)計(jì)劃采用齒輪 傳動(dòng)。 基座由灰鑄鐵鑄造加工，立柱安裝于基座上。 （ 2） 大臂部件 大臂的結(jié)構(gòu)參照大臂裝配圖。 大臂的傳動(dòng)過程為（參照前面系統(tǒng)傳動(dòng)原理）：大臂電機(jī) 4 上裝有電磁制動(dòng)閘，以及與電機(jī)軸串聯(lián)的聯(lián)軸器 3，再通過一個(gè)行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)到固定齒輪 10Z ，具體過程為：聯(lián) 10 軸器的另一端聯(lián)接錐齒輪 5Z ，與安裝在軸齒輪上的 4Z 嚙合，再帶動(dòng) 7Z ，利用 7Z 傳動(dòng) 8Z ， 8Z即為行星架，然后將運(yùn)動(dòng)傳到 10Z 上， 10Z 為一固定齒輪，該固定齒輪安裝在后殼體上，后殼體固定在立柱上，后殼體上還提供空心軸 8，大臂殼體通過兩個(gè)軸承安裝在空心軸上，空心軸固定不動(dòng)，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，末級(jí)小齒輪在固定齒輪上滾動(dòng)，整個(gè)大臂做俯仰 運(yùn)動(dòng)。結(jié)合上述原理圖，殼體上通過兩個(gè)軸承裝有主軸 11，主軸為空心的，由 45 鋼做成，主軸固定 于大臂上，殼體還固定有小臂傳動(dòng)末級(jí)大齒輪 16Z ，與大臂上輸出的小臂傳動(dòng)末級(jí)小齒輪嚙合，其中 16Z 是固定不動(dòng)的，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小齒輪在固定齒輪上滾動(dòng)，此時(shí)小臂旋轉(zhuǎn)。 （ 2）手臂傳動(dòng)系統(tǒng)布局 由于結(jié)構(gòu)的特殊性，本機(jī)械手在設(shè)計(jì)時(shí)部件的重量對(duì)傳動(dòng)和精度的影響較大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意這一方面，為此，在設(shè)計(jì)手臂的傳動(dòng)方案 時(shí)，采用行星齒輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。一般情況下，下述機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇如下： （ 1）物料搬運(yùn)（ 包括上、下料 ） 用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)荷的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)械手可采用液壓系統(tǒng)。液壓密封問題顯得重要。 安裝要求高，特別注意液壓液泄露。 安裝要求不太高 要求中等水平的維護(hù)人員定期維護(hù) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 有限制 高 電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu) 性能好，但電機(jī)后面一般需配精密減速器，除特殊電機(jī)外，難于進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。 安裝要求隨傳動(dòng)方式不同而異。 綜合上述的分析，本系 統(tǒng)選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不但符合課題的技術(shù)要求，而且理論上也是合理的 。 13 （ 3） 機(jī)械手的腰部應(yīng)是它的第一個(gè) 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)械 手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此要保證設(shè)計(jì)中腰部 軸承及傳動(dòng)鏈有足夠的強(qiáng)度和相當(dāng)高的精度。腰部與機(jī)械手手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各個(gè)關(guān)節(jié)的位置精度。即 M M M??驅(qū) 慣 摩 慣性力矩的計(jì)算0()caaM J J Jtt??? ? ? ? ?慣 其中， J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ? —— 手臂回轉(zhuǎn)的角速度差； at —— 啟動(dòng)所需的時(shí)間； cJ —— 零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 0J —— 零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 20 GJ g ??? ? —— 手臂回轉(zhuǎn)半徑（重心到回轉(zhuǎn)中心的距離）； G —— 手臂運(yùn)動(dòng)的重量； 計(jì)算 cJ 時(shí)，可把形狀復(fù)雜的零件近似看成圓柱體，則 22( 3 )12c mJ l R?? 14 設(shè)置啟動(dòng)角度 18? ?? ,z 則啟動(dòng)角速度 0 .3 1 4 /rad s???? ，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ? 。 名稱 ： 直流寬調(diào)速伺服電機(jī) 型號(hào) ： 110S –CZK01 額定 功率 ： 額定轉(zhuǎn)矩： 額定轉(zhuǎn)速： 1500r/min 生產(chǎn)廠家：安徽微電機(jī)研究所 注：電機(jī)可帶測(cè)速機(jī)、碼盤 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)選用擺線針輪減速器。 按 齒 根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于彎曲強(qiáng)度，故先按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。取 111 []Fa SaFYY?? ? ，設(shè)計(jì)齒輪模數(shù) 18 1 1 13t 2112m ( )[]t F a SadFK T Y Y Yz ????? = 修正 tm ： 11 0 .2 36 0 1 0 0 0tm z nv ????。 同理計(jì)算 3Z 與 4Z 齒輪連接部分 1m =，所以兩部分取 m=6。由圖 616d，按齒面硬度 均值 200HBS，在MQ 和 ML 線中間查出 lim 1 lim 2 1100HH M Pa???? 取min 1HS ?，則 l i m1 11m i n[ ] 1 0 1 2HNHHZ M P aS?? ??? l i m 2 22m i n[ ] 1 1 5 5HNHHZ M P aS?? ??? 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 1522 2 2 . 4 1 0 4 . 81 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8 7 2 7 [ ]4 0 1 0 0 3 . 8HH M P a M P a??? ? ?? ? ? ? ? ?? 接觸強(qiáng)度滿足。 1 7 .2 [] 1Td ? ??? ? []? —— 許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，查表取為 [ ] 30? ? ，則 39。從設(shè)計(jì)手冊(cè)上查得，采用彈性柱銷聯(lián)軸器 35 603 35 82YCHL YB ?? ， GB/T50142021，其公稱轉(zhuǎn)矩 630 .nT Nm? ，許用轉(zhuǎn)速 [ ] 5000 / minnr? ，軸徑在 30~38 之間，故取 56 35d mm? ? ，半聯(lián)軸器長(zhǎng) L=82mm. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ： 為使半聯(lián)軸器軸向定位， 56 段 左端 需制出一軸肩 ，并考慮 套筒 的內(nèi)徑尺寸 和半聯(lián)軸器的安裝長(zhǎng)度 ，故取 45 15d mm? ? 。由軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取 45 15L mm? ? 。軸上各段直徑和長(zhǎng)度基本確定。 繪制當(dāng)量彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖如下： 22 FFFFMM1MMTMtHarv1nTaTc a 1 FF tF tM c a 2 F aM v2M2F vM vaTM c a F HFM HL1 L2H1H1v1F v1 圖 54 軸的受力圖 23 [3]齒輪連接軸，軸的尺寸確定部分原理同輸入軸部分，軸上各部分尺寸如下圖： Φ20 Φ66Φ68Φ307510 02517 0725 圖 55 齒輪連接軸結(jié)構(gòu)示意圖 齒輪校核部分原理同輸入軸部分，這里從略。 （ 4）機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙應(yīng)盡可能減小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。 （ 6）機(jī)械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮個(gè)關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖 能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及內(nèi)部電纜等的安裝。 手臂回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩 M驅(qū) ，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣，以及各支撐處摩擦阻力矩 M摩相平衡。選 1 22Z? , i z? ? ? ,選 2 72Z ? 。4239。37 39。取 AK = K? —— 載荷分布不均系數(shù)， 一般工業(yè)，一齒輪為懸臂支承，取 K? = 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N： 8116 0 6 0 5 7 .1 4 1 ( 2 8 3 0 0 1 5 ) 2 .4 7 1 0hN n jL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 712 7 .5 5 1 0NN i? ? ? 由表 65 查得 MPa? 。 1 2 2 3 214 []0 . 8 5 ( 1 0 . 5 ) 1F a S aFFRRK T Y Y Yz m u????????? 確 定 各 參 數(shù) ： 由 當(dāng) 量 齒 數(shù) 查 《 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 》 619 ， 620 得， 1 ? ，2 ? , 1 ? , 2 ? 0 .7 50 .2 5 0 .6 8 3 5Y???? ? ? 帶入驗(yàn)證 m= 滿足條件。由下式： 3 211 )][(2FSFdaa YYZYKTm ?? ?? 確定式中各項(xiàng)數(shù)值： 因無較重沖擊的載荷 ，由機(jī)械設(shè)計(jì)書表 63 查得 ? ,故初選載荷系數(shù) ? 2 ? 由式1211[1 .8 8 3 .2 ( ) ]ZZ?? ? ? ?cos β ， 計(jì) 算 端 面 重 合 度 ?? ? ：由式0 . 7 50 . 2 5 0 . 6 9 9Y???? ? ?。 由圖 67 查得 ? ，由圖 610 查得 ? ? ，由表 64 查得 ?? 。由圖 614 查得 ? ，由圖 ? ? ?？紤]到鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度削弱的影響，軸徑增加5%~7%。初選 36106 軸承， 內(nèi)徑為 30mm, 為了便于軸承裝配，取裝配軸承處的軸徑安裝尺寸為36mm。 3 4 5 6 36d d mm????。齒輪的定位采用 A 型普通平鍵定位連接， 12 30d mm? ? 。小臂與大臂的連接部分原理圖如下 ： 123 4 圖 58 小臂與大。 同理大臂部分其它軸的尺寸 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及定位類似此軸。齒輪端面至箱體內(nèi)壁距離取為 a=15mm,滾動(dòng)軸承應(yīng)距 e=5mm（軸承油潤(rùn)滑），齒輪 4 與齒 3 之間的距離 c=20mm，故通過計(jì)算得 45 43L mm? ? 。 a= 與其配合軸段 67 8L mm? ? 。并考慮齒寬確定 89 16L mm? ? 。由圖 616d，按齒面硬度均值 200HBS，在MQ 和 ML 線中間查出 lim 1 lim 2 1100HH M Pa???? 取min 1HS ?，則 l i m1 11m i n[ ] 1 0 7 8HNHHZ M P aS?? ??? l i m 2 22m i n[ ] 1 1 5 5HNHHZ M P aS?? ??? 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 122 1 . 6 2 4 . 7 0 9 3 . 1 81 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 8 6 8 [ ]9 2 2 2 . 1 8HH M P a M P a????? ? ? ? ? ?? 接觸強(qiáng)度滿足。 33 1 . 63 . 4 7 0 . 1 91 . 7ttKm m m mK? ? ? ? 由表 61，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=1。 l i m 1 11m i n3 1 0 1 . 0 1[ ] 2 5 0 . 4 81 . 2 5FNFFY M P aS?? ?? ? ? l i m 2 22m i n3 1 0 1 . 0 2[ ] 2 5 2 . 9 61 . 2 5FNFFY M P aS?? ?? ? ? 取 111 []Fa SaFYY?? ? ， 222 []Fa SaFYY?? ? 。 綜合傳動(dòng)比選擇引起的誤差，選小齒輪齒數(shù)為 1Z =22， 2Z =1i 1Z =48。由圖 615，按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得 1 ? 2 ? 。? ? 。? ? 。 錐齒輪