【正文】 質(zhì)量較輕，強(qiáng)度大，耐用的特點(diǎn)。本次從課題開始的方案確定，設(shè)計(jì)思路的選擇、中期的工程圖的設(shè)計(jì)與修改、后期的說明書的撰寫，格式的校對無不傾注著導(dǎo)師的智慧和心血。同時(shí)在軟件運(yùn)用方面，使我的能力得到了很好的提升和鍛煉，鍛煉了我的毅力，讓我認(rèn)識到作什么，必要的相關(guān)準(zhǔn)備和專研精神是必要的。 設(shè)計(jì)的機(jī)械手為傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，運(yùn)動模式幾乎 固定，主要還是通過腰部和手腕的旋轉(zhuǎn)、大小臂的上下轉(zhuǎn)動，來實(shí)現(xiàn)空間五個(gè)自由度運(yùn)動。 圖 通用關(guān)節(jié) —連桿組合的 DH表示 Universal joint linkage bined DH 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 五自由度運(yùn)動參考坐標(biāo)系 Five degrees of freedom motion reference coordinate system 表 連桿參數(shù) Link parameters 連桿 轉(zhuǎn)角 θn 連桿間距 dn 連桿長度 an 連桿扭角 αn 1 θ1 d1=0 a1=l1=148 α1=90176。這時(shí)它們的參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)處在同一位置。 在圖 中（ a）中， ? 表示繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)角， D 表示在 z 軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離， ? 表示每一條公垂線的長度（關(guān)節(jié)偏移量），角表示兩個(gè)相鄰的 z 軸之間的角度（關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）。需要明確的是相鄰兩關(guān)節(jié)之間的公垂線不一定為相交或共線關(guān)系，因此，兩 1a?n 個(gè)相鄰坐 標(biāo)系原點(diǎn)的位置也存在不在同一個(gè)位置的可能。即表示關(guān)節(jié) n+1 的 z 軸是。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)可能是滑動的，也可以旋轉(zhuǎn)的，它們可以以任意的順序相連，放置于任意的平面。=4500 (h) 可靠性 S=90 (%) 潤滑方式 Grease=油潤滑 軸承類型 BType=圓錐滾子軸承 軸承型號 BCode=32216 軸承列數(shù) BCol=0 軸承內(nèi)徑 d=80 (mm) 軸承外徑 D=140 (mm) 軸承的寬度 B=40 (mm) 基本額定動載荷 C=198000 (N) 基本額定靜載荷 Co=278000 (N) 極限轉(zhuǎn)速 (脂 ) nlimz=2600 (r/min) 極限轉(zhuǎn)速 (油 ) nlimy=3400 (r/min) 軸承 1 徑向支反力 Fr1=41 (N) 軸承 1 軸向支反力 Fa1= (N) 軸承 2 徑向支反力 Fr2=41 (N) 軸承 2 軸向支反力 Fa2= (N) 判斷系數(shù) e= 徑向載 荷系數(shù) X=1 軸向載荷系數(shù) Y=0 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 接觸角 a=10 (度 ) 負(fù)荷系數(shù) fp= 當(dāng)量動載荷 P1= (N) 當(dāng)量動載荷 P2= (N) 當(dāng)量動載荷 P= (N) 當(dāng)量靜載荷 P0= (N) 軸承工作溫度 0120?T (℃ ) 溫度系數(shù) 1f?t ， 可靠性修正系數(shù) a1=1 材料修正系數(shù) 1a2? 運(yùn)轉(zhuǎn)條件修正系數(shù) 1a3? 額定動載荷計(jì)算值 C39。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 1手腕 2小臂 3手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī) 圖 The rotating structure of wrist joint 執(zhí)行器擺動關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 執(zhí)行器擺動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，將驅(qū)動電機(jī)布置于手腕空腔內(nèi)，齒輪設(shè)計(jì)同小臂擺動關(guān)節(jié)齒輪。輸入軸做出齒輪軸，輸出軸與齒輪通過鍵連接。 （ 3）腰間齒輪設(shè)計(jì) 按使用條件，本設(shè)計(jì)中的運(yùn)動結(jié)構(gòu)屬低速運(yùn)轉(zhuǎn)、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動。 蝸桿傳動一般用于大傳動比場合，其重量較大，反行程具有自鎖性，但傳動效率低，運(yùn)動中磨損量嚴(yán)重，不予考慮。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 表 DC servo motor selection parameters 電機(jī) 減速箱 關(guān)節(jié)最高角速度 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。 機(jī)械手在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所有的重量都將在機(jī)械手的大臂上作 用，產(chǎn)生力矩，為了防止機(jī)械手在突發(fā)情況下發(fā)生自運(yùn)動，即斷電情況。選擇電動機(jī)，根據(jù)驅(qū)動要求，需符合以下條件： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 （ 1）需要的轉(zhuǎn)矩，這一轉(zhuǎn)矩下的速度 u； （ 2）不同負(fù)載下的持續(xù)工作時(shí)間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負(fù)載的慣量 j。 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 在分析清楚機(jī)器人的工作環(huán)境和工作方式后，根 據(jù)工作的需要，工作特點(diǎn)及科學(xué)合理評定下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以應(yīng)該盡可能使機(jī)械手具有與人類手臂相識的運(yùn)動能力，或接近于人類工作方式的特點(diǎn)。力矩電機(jī)只能用于單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不選用。這幾種驅(qū)動方式的特點(diǎn)如表 所示 該機(jī)械手主要用于探測和修補(bǔ)等比較 精細(xì)作業(yè)活動，因此要求腰部關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)平面的 360176。多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有 :工作靈活、運(yùn)動慣性小、通用、能隨意抓取機(jī)座附近的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn) .伴隨著生產(chǎn)的需要，對多關(guān)節(jié)機(jī)械手的靈活性，定位精度和作業(yè)空間范圍等提出 越來越高的要求。如圖 所示 圖 Rectangular coordinates （ 2） 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人： 這種坐標(biāo)的機(jī)器人的工作范圍可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，其直線運(yùn)動可以輸出較大的動力，定位精度也比較高。 產(chǎn)品用途與使用范圍 隨著工業(yè)發(fā)展的需要，在石油化工、染料等行業(yè)自動化程度的加高，工藝要求越來越復(fù)雜，相比人要求理想化環(huán)境和簡單化操作提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)這些行業(yè)的工作對人類的安全威脅越來越大，隨時(shí)可能發(fā)生的危險(xiǎn)讓人觸手不及，一些工作也不得不要求機(jī)器人來完成。第三代為未來預(yù)計(jì)產(chǎn)品，它具有獨(dú)立和交流互動的能力，結(jié)合計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備，逐步向柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單 元發(fā)展。 機(jī)械手發(fā)展史及發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)械手的發(fā)展歸功于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。 18 第四章 基于 Pro/ENGINEER 的模型建立與運(yùn)動分析 14 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 機(jī)械手是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)組成部分，研究更為先進(jìn)智能等優(yōu)良性能的機(jī)械手具有重大意義。 此次設(shè)計(jì)主要研究五自由度機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)部分（包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)），其主要通過腰部 360 度回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰，小臂的前后擺動，手腕 360 回轉(zhuǎn)，末端執(zhí)行器的擺動來實(shí)現(xiàn)空間中的五個(gè)自由度的運(yùn)動。 30 參考文獻(xiàn) 33 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 緒論 課題研究的意義 21 世紀(jì)是知識的世界，也是科學(xué)技術(shù)的世界，誰掌握了科技 的前沿方向，誰就能把握主導(dǎo)權(quán)，引領(lǐng)世界潮流，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，帶動各行各業(yè)的發(fā)展。在之后的生產(chǎn)實(shí)踐中人們認(rèn)識到機(jī)械手的便利，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)質(zhì)量性能得到了保證，獲得了普遍的認(rèn)同，引起了人們廣泛的關(guān)注。 、可重構(gòu)化。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 五自由度移動機(jī)械手設(shè)計(jì)包含的主要內(nèi)容有一下幾方面： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 Pro/ENGINEER 的機(jī)械手模型建立和運(yùn)動分析 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 第二章 五自由度移動機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 移動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇 隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人機(jī)械手領(lǐng)域也延伸出各種各樣的機(jī)械手。即機(jī)械手的工作原理是通過繞坐標(biāo)系的 Z 軸的左右旋轉(zhuǎn)， Z 軸的水平軸 Y 上下擺動和 X 軸的伸合合成，它的中心架附近的工作范圍大，覆蓋工作空間較廣。這種機(jī)械手的運(yùn)動軌跡都要求基于某個(gè)固定的平面，其運(yùn)動具有可控性，追蹤性。 所以機(jī)械手必須要有很好的伺服控制能力運(yùn)動的平穩(wěn)性能，再者要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、活動靈活，同時(shí)結(jié)合工況條件。 對于關(guān)節(jié) 4 選用 maxon 型直流伺服電機(jī)，其該產(chǎn)品含有與電機(jī)相互配合的各種型號的減速箱、編碼器及其它附件等，可以更好地實(shí)現(xiàn)控制功能。/s 大臂擺動關(guān)節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。本系統(tǒng)電 機(jī)組件全部選用 mxaon 直流伺服電機(jī)。 根據(jù)選取的電機(jī)，選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)專用的伺服電機(jī)精密聯(lián)軸器，其本體采用碳素鋼材質(zhì)的板彈簧式聯(lián)軸器 , 該聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性極高 , 能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn) , 可進(jìn)行高精密控制。/s 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 100176。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動。 圖 腰部傳動軸結(jié)構(gòu) 圖 The structure diagram of transmission shaft 1腰部支撐架 2大齒輪 3底座 4軸承座 5電機(jī)座 圖 structure diagram 初步計(jì)算齒輪模數(shù)時(shí)，按彎曲疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算： 322mFaFaDft YYZTYK ? ?? ??? （ 34） 式中 ?K ，其他數(shù)值分別在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查取： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 ??Y 為重合度系數(shù)， ?faY 為齒形系數(shù)， ?AY? 為應(yīng)力修正系數(shù)，電機(jī)功率 KWT ? ，主動輪轉(zhuǎn)數(shù) min/321 rn ? 傳動比： ? ，轉(zhuǎn)矩： mmNT ?? 27000 計(jì)算得出模數(shù) m≧ ，取整數(shù) 7，按照初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸如下 : 齒數(shù)比 u： 取整 大端分度圓直徑 D：小輪： mm 大輪： 分錐 角：小輪： 大輪： 外錐距 Re： 齒寬系數(shù)值 e： 中點(diǎn)錐距 Rm： 中點(diǎn)模數(shù) mm： 內(nèi)錐距 Ri： 小端模數(shù) mi： 中點(diǎn)分度圓直徑 dm：小輪： 大輪： 小端分度圓直徑 di：小輪： 大輪： 頂隙 c： 齒頂高 ha：小輪： 大輪： 齒根高 hf：小輪： 大輪： 小齒輪結(jié)構(gòu)如下圖 所示，其采用雙側(cè)臺階結(jié)構(gòu)，大齒輪和小齒輪類似；確定齒數(shù) Z，在保證接觸強(qiáng)度的前提下，提高平穩(wěn)性，減小沖擊振蕩，小齒輪齒數(shù)一般取 20~17 ，此課題設(shè)計(jì)選取 202 ?Z ， 401?Z . 圖 Small waist joint gear structure 大臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 大臂擺動采用電機(jī)直接驅(qū)動，大臂與軸軸向采用軸肩、雙圓螺母固定，周向采用普 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 通平鍵連接，選用圓錐滾子軸承。小臂擺動關(guān)節(jié)的最終結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。聯(lián)軸器與軸配合長度 11mm，最終確定軸系結(jié)構(gòu)如圖 所示。 Pro/ENGINEER 中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模塊 Mechanism 可以分析與仿真機(jī)械裝配模型的運(yùn)動學(xué)，運(yùn)動仿真結(jié)果不但可以以動畫形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，同時(shí)判斷零件之間是否發(fā)生干涉，干涉體