【正文】 ? ? ?驅(qū)慣 摩 Z1 Z2Z3123Z4 圖 51 基座部分傳動(dòng)示意圖 所需電機(jī)的輸出功率為：0 9550llTNP ??? ? lT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸） Nm? lN —— 負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度 r/min 0P —— 額定 功率 kw ? —— 電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的傳動(dòng)裝置總效率 15 設(shè)固定轉(zhuǎn)速為 lN =5 r/min 又 ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?減 齒 齒 聯(lián)軸 承 軸 承? ? ? ? ? ? M N m? ? ?驅(qū) 則 0 6 8 . 7 3 5 0 . 0 4 59 5 5 0 9 5 5 0 0 . 7 9 9 7llTNP k w?? ?? ? ??? 飛輪矩的計(jì)算 2( ) 4lGD gJ? 其中， 2lGD —— 負(fù)載飛輪矩 2Nm? J —— 手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2kgm? 則 22( ) 4 4 9 .8 2 1 .2 5 8 3 3 .0 8lG D g J N m? ? ? ? ? ? 加速功率的計(jì)算 22 2338 3 3 . 0 8 5 0 . 0 63 5 7 7 1 0 3 5 7 7 1 0 0 . 1lla aG D NP k wt? ?? ? ?? ? ? 伺服電機(jī)的預(yù)選： 選定條件 : LT? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩； 0 (1 2)aPP?? 倍電機(jī)的額定功率； MN? 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速； 2LGD? 電機(jī)容許負(fù)載的 2LGD 由選定條件，按計(jì)算結(jié)果對(duì)照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中常用伺服電機(jī)可初選 110S –CZK01 直流寬調(diào)速伺服電機(jī)。 （ 6） 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝調(diào)整。由于它有低慣量、高起動(dòng)力矩等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活 。 12 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 有限制 較高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可做成獨(dú)立結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化，容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封問題不象液壓系統(tǒng)顯得突出 防爆性能好，高于一個(gè) 大氣壓，應(yīng)注意設(shè)備有爆炸的危險(xiǎn) ~ 調(diào)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、配流元件結(jié)構(gòu)簡單，一般要求有專門的制動(dòng)裝置；速度、位置控制到精確值困難。 2. 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性比較 表 1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 特 性 驅(qū) 動(dòng) 類 型 功率 快 速 響 應(yīng) 結(jié) 構(gòu) 性 能 安 全 效 率 控制能力 安 裝 要 求 維 護(hù) 要 求 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 不太受限制 很 高 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可做成獨(dú)立結(jié)構(gòu)，易于標(biāo)準(zhǔn)化，容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述個(gè)因素，充分論證其合理性、 可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。 小臂結(jié)構(gòu)與大臂結(jié)構(gòu)類似，由復(fù)合材料 骨架 和薄鋼板組成。立柱是一個(gè)薄壁鋼管，主軸是 45 鋼空心軸。 結(jié)合所給的技術(shù)要求和上述兩種方案的綜合比較 ， 本人設(shè)計(jì)采用后一種方案 二 ， 即關(guān)節(jié)式機(jī)械手 ， 因?yàn)樗鄬?duì)與本設(shè)計(jì)的要求更具優(yōu)越性和實(shí)用性 ， 性能上也完全能達(dá)到預(yù)期的目的 。 控 制 方 式 點(diǎn)位過程控制 基 座部分輸出轉(zhuǎn)速為 5r/min,大臂部分固定轉(zhuǎn)速為 8r/min ,大臂俯仰速度為 /4 s??? ，小臂相對(duì)大臂俯仰速度 60 /s。因此，機(jī)械手設(shè)計(jì)是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課后的綜合性的專業(yè)設(shè)計(jì)。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的情況下研制示教式機(jī)械手，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。 采用機(jī)械手裝配是目前研制的重點(diǎn)，國外已研究采用攝相機(jī)和力的傳感器裝置及微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到裝配的目的。此外各有關(guān)單位已建立了機(jī)器人專門研究隊(duì)伍，正在從事各種用途機(jī)器人的研究。 機(jī)械手應(yīng)用概況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題， 化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已經(jīng)基本得到解決。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。 第二代機(jī)械手正在加緊研制，并以初見成效，已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。 德國機(jī)械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用的機(jī)械手。運(yùn)用系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制部分用磁鼓作存貯裝置。工業(yè)中廣泛使用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。 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)。本設(shè)計(jì)完成了多自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式選擇，并對(duì)機(jī)座，手臂及末端執(zhí)行器等機(jī)械裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是多自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬于工業(yè)機(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬于專業(yè)機(jī)械手，主要附屬于某一主機(jī)，如自動(dòng)機(jī)床或生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床的 上下料及工件的傳輸?shù)热蝿?wù)，動(dòng)作比較單一，只能完成某些特定的任務(wù)。其一，它能迅速地代替人完成某些操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置要求來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作某些必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(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)國家 2 的重視，都投入大量的人力和物力去研究和開發(fā)。第三類：專業(yè)機(jī)械手，主要附屬于某一主機(jī)，如自動(dòng)機(jī)床或生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床的上下 了及工件的傳輸?shù)热蝿?wù)，這種機(jī)械手在國外稱為“ Mechanical Hand”。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。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。這說明我國已經(jīng)揭開了機(jī)器人研究的序幕，在“七五”計(jì)劃中，我國的機(jī)器人研制工作將有更大的發(fā)展。 在發(fā)達(dá)國家及國內(nèi)，機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、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 。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。 （ 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)。 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) 。 8 本設(shè)計(jì)各臂運(yùn)動(dòng)計(jì)劃采用齒輪 傳動(dòng)。 （ 2） 大臂部件 大臂的結(jié)構(gòu)參照大臂裝配圖。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)。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)。液壓密封問題顯得重要。 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)。 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 。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。 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。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 ????。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。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 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)軸器的安裝長度 ，故取 45 15d mm? ? 。軸上各段直徑和長度基本確定。 （ 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。 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。4239。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? 。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 614 查得 ? ，由圖 ? ? 。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。齒輪的定位采用 A 型普通平鍵定位連接， 12 30d mm? ? 。 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。 a= 與其配合軸段 67 8L 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。 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?? ?? ?