【正文】 械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。；立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀的選 擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線(xiàn)移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 19 通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng) ,液壓缸選取雙作用液壓缸。 手臂偏重力矩的計(jì)算 初計(jì)算 G1 =300N G2 =100N G3 =300N G4 =500N 所以 Gˊ 總 =G1 + G2 + G3 + G4=300+100+300+500=1200N 初計(jì)算 工件 =1000mm 手部 =900mm 手 腕 =700mm 手臂 =400mm G1 ρ G2 ρ G3 ρ G4 ρ 800000ρ 6 6 0 m mG 1 G 2 G 3 G 4 1 2 0 0? ? ?? ? ?? ? ?工 件 手 部 手 腕 手 臂 所以偏轉(zhuǎn)力矩 M 偏 =Gˊ 總 L=1900 =1219N﹒ m 式中 — 重心到回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的距離（ mm） 升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在 G 總 的作用下有向下的趨勢(shì)，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢(shì)。 由力平衡條件得： FR h=G總 所謂不自鎖的條件為： G 總 ＞ F1 + F2= 2F2 =2FR? 查表得 ?= 即 G 總 =Gˊ 總 + G 回轉(zhuǎn)缸 + G 活塞桿 取 G 回轉(zhuǎn)缸 =200N G 活塞桿 = 500N 因此 G 總 =Gˊ 總 + G 回轉(zhuǎn)缸 + G 活塞桿 =1900N 立柱導(dǎo)套長(zhǎng)度大于 330mm 式中 ?— 摩擦系數(shù) h— 立柱導(dǎo)套的長(zhǎng) 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 20 手臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 由 手臂升降驅(qū)動(dòng)力的公式得： F 驅(qū) =F摩 +F慣 +F 回 +F 密177。 G 總 （ 1） F 摩 的計(jì)算 F 摩 =2FR ? 取 ?= FR=4600N 所以 F 摩 =2FR ?=2 4600 =2300N （ 2） F 慣 的計(jì)算 由摩擦力公式 式中 △ V— 由靜止加速到常速的變化量（ mm/s） △ t— 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間（ t），一般取 ～ 。 手臂啟動(dòng)速度△ V=,啟動(dòng)時(shí)間△ t=， g=,帶入數(shù)據(jù)得： G V 2 3 0 0 0 . 0 2 5 =g t 9 . 8 0 . 0 2F 2 9 3 . 4 N??? ?總慣 (3) F 回 的計(jì)算 一般背壓阻力較小，為了計(jì)算方便，將其省略。 （ 4） F 密 的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于 10MPa 時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： F 密 = 驅(qū) 經(jīng)過(guò)以上的分析計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為： F 驅(qū) =F 摩 +F 慣 +F回 +F 密 177。 G總 =2300 + + F 驅(qū) 177。 2300 所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí) F 驅(qū) = 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí) F 驅(qū) = 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 21 圖 43 升降液壓缸 手臂升降液壓缸參數(shù)計(jì)算 升降液壓缸的工作壓力由驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系表，可得 P=，為了滿(mǎn)足要求，此時(shí)取 F 驅(qū) = = 進(jìn)行計(jì)算。 驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系表 21 （ 1）液壓缸內(nèi)徑 D 計(jì)算 ： 當(dāng)油從無(wú)桿腔進(jìn)入： 2F F 1 πD4P1????驅(qū) 當(dāng)油從有桿腔進(jìn)入： ? ?22F? F 2 P d42 π D? ??? ?驅(qū) 液壓缸的有效面積： F PS? 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 22 所以 4FπP1ηD? （ 油從無(wú)桿腔進(jìn)入） 24F dπP2ηD ?? （ 油 從有桿腔進(jìn)入） 式中 F 驅(qū) — 手臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力（ N） D— 液壓缸內(nèi)徑（ mm） d— 活塞桿直徑（ mm） η — 液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中可用耐油橡膠 查表得 η = P— 液壓缸的工作壓力（ MPa） 帶入數(shù)據(jù)得 ：64? F 4 6 0 5 3 . 6π P1 η 3 1 4 0 . 8 1 0 0 . 9 0 077mD ??? ? ? ? ?驅(qū) ﹒﹒ 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（ JB826— 66），為了更好的滿(mǎn)足要求，選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=75mm 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列表 22（ JB826— 66） 單位 mm （ 2）活塞桿直 徑 d 計(jì)算 活塞桿直徑 d 根據(jù)工作壓力選取，當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比 λv 有要求時(shí)，則： λv1λvdD ?? 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑表 23 液壓缸工作壓力 P/MPa ≤5 5～ 7 ＞ 7 推薦活塞桿直 d （ ～ .55） D （ ～ ） D 液壓缸往復(fù)速度比推薦值表 24 工作壓力 p/MPa ≤10 10～ 20 ＞ 20 往復(fù)速度比 λv ～ 2 2 由液壓缸往復(fù)比推薦值表可知λ v=,帶入公式則有： 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 23 λv1 75λvdD ??? 1 .3 3 13 7 .61 .3 3 mm? ? 活塞桿直徑系列表 25（ JB826— 66） 根據(jù)活塞桿直徑系列（ JB826— 66），選取活塞桿直徑為： d=40mm 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表 26（ JB1068— 67） 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿(mǎn)足要求，取液壓缸外徑 D′ =95mm 所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為： 液壓缸內(nèi)徑 D 液壓缸外徑 Dˊ 工作壓力 P 活塞桿直徑 d 驅(qū)動(dòng)力 F 75mm*9 95 mm 40mm 小結(jié) 機(jī)械手臂部結(jié)構(gòu)，主要起到了升降作用。選用液壓傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力較大。由于底座采用了空心軸與實(shí)心軸的配合，因此精度略有下降，因此液壓缸套桶旁邊增加了一個(gè)豎直滑軌 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 24 第五章 底座部分 機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)部分是為機(jī)械手沿 Z 軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)而設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)此目的，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由底部電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、基座組成，此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從驅(qū)動(dòng)裝置的選擇進(jìn)行展開(kāi)。做設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：電機(jī)的功率可先按照勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率計(jì)算，再考慮到加速、減速等情況，取安全功率 P= 勻速 。減速器的總傳動(dòng)比根據(jù)機(jī)械手的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定 。 底座的設(shè)計(jì) 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 ，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性。 ，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度。 。 。 因此機(jī)座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動(dòng)間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 底座的組成部分 機(jī)械手的底座由上下兩部分組成 上部分：由電機(jī)，諧波傳動(dòng)減速器組成。作用是傳遞扭矩，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速、 下部分：由一對(duì)齒輪，中間軸及輸出軸 組成，作用是帶動(dòng)上臂旋轉(zhuǎn)做弧形運(yùn)動(dòng) 底座電動(dòng)機(jī)的選擇 （ 1）底部電機(jī)的扭矩計(jì)算 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的扭矩為 ，因此選擇電機(jī)的扭矩為 。 （ 2）底部電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算 設(shè)計(jì)要求機(jī)座的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 ? =20176。 /s, 所以可得轉(zhuǎn)速 152 60 ??? ??n r/min (3)底部電機(jī)的功率計(jì)算 ??? ?MPd kW 第五章 底座部分 25 選用 ，型號(hào)為 SM 13015015 LFB 表 51 SM 系列伺服電機(jī) 表 52 130 型號(hào)伺服電機(jī)參數(shù) 圖 53 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速圖 圖 54 伺服電機(jī)簡(jiǎn)圖 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 26 軸的設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是定出軸的合理外形和軸各段的直徑、長(zhǎng)度和局部結(jié)構(gòu)。 軸的結(jié)構(gòu)取決于軸的承載性質(zhì)、大小、方向和傳動(dòng)布置方案，軸上零件的布置與固定方式，軸承的類(lèi)型與尺寸，軸毛坯的形式，制造工藝和裝配工藝，安裝運(yùn)輸條件和制造經(jīng)濟(jì)性等等。設(shè)計(jì)軸的合理結(jié)構(gòu)，要考慮的主要因素如下： 1. 受力合理，扭矩合理分流，彎矩合理分配 2. 盡量減輕質(zhì)量，節(jié)約材料，盡量使用等強(qiáng)度外形尺寸 3. 軸上零部件定位應(yīng)可靠 4. 盡量減少應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度 5. 考慮加工工藝所必需的結(jié)構(gòu)要素 6. 便于裝拆和維修 7. 要求剛度大的軸，要考慮減少變形的措施 8. 在滿(mǎn)足使用要求的條件下，合理確定軸的加工精度和表面粗糙度，合理確定軸與軸上零件的配合性質(zhì) 9. 符合標(biāo)準(zhǔn)零部件及標(biāo)準(zhǔn)尺寸的規(guī)定 輸入軸的設(shè)計(jì) 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版 ，可知軸的一般材料如表 521 正火 ≤100 ≤240 610 360 260 150＞100~300 170~271 600 300 240 140＞300~500 580 290 235 135＞500~750 560 280 225 130＞750~100 156~217 540 270 215 125調(diào)質(zhì) ＞100~300 217~255 650 360 270 155彎曲疲勞極限 扭轉(zhuǎn)疲勞極限45正火回火162~217材料牌號(hào) 熱處理 毛坯直徑/mm 硬度/ h b 抗拉強(qiáng)度 屈服點(diǎn)表 55 軸的主要力學(xué)性能 底座上使用的是階梯軸，作用是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連 ,下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié)。 由表 軸選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)至 HB220。 第五章 底座部分 27 圖 561 輸入軸 輸出軸的設(shè)計(jì) 輸出軸采用空心軸與實(shí)心軸的配合 材料方面，依然選用了 45鋼材，調(diào)質(zhì)處理 HB220。 功能方面，空心軸作用為連接齒輪與液壓缸缸體，傳動(dòng)扭矩，使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。 實(shí)心軸作用是分離升降傳動(dòng)帶來(lái)的軸向力，使升降與旋轉(zhuǎn)相互獨(dú)立。 圖 562 實(shí)心軸 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 28 圖 563 空心軸 底座諧波傳動(dòng)減速器的設(shè)計(jì) 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng) 精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設(shè)計(jì)選用的是帶環(huán)形柔輪的諧波傳動(dòng)減速器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 31 所示。是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪 6，環(huán)形柔輪 1 和由柔性軸承 橢圓盤(pán) 4 構(gòu)成的波發(fā)生器，它通過(guò)端面牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連。這種沒(méi)有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化和緊湊。 第五章 底座部分 29 圖 57 諧波 減速器結(jié)構(gòu)示意圖 圖 58 諧波齒輪嚙合過(guò)程示意圖 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖 32 所示，若剛輪 G 為固定件，波發(fā)生器 H 為主動(dòng)件，柔輪 R 為從動(dòng)件。當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長(zhǎng)軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時(shí)，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開(kāi)，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙入”或“嚙出”狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，嚙入?yún)^(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長(zhǎng)短軸相位的變化而依 次變化。于是柔輪就相對(duì)于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低