自动上下料机械手的主要零部件设计及三维造型

摘要

本次设计的课题是自动上下料机械手的主要零部件设计及三维造型，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。

机械手能代替人工操作，起到减轻工人劳动强度，节约加工时间，提高生产效率，降低生产成本的特点。在实用基础上，对自动上下料机械手直臂与夹持部件进行三维设计，其中分为三个部分：手爪、手腕、直臂。整体机械手为直角坐标型，驱动均为电机驱动，结构简单可靠，精度高。设计了手爪为平移型夹持式手爪，传动结构为滑动丝杆；手腕为回转型，转动角度为0-180°，传动结构为蜗轮蜗杆；设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩；画出机械手的运动简图；对工作机构和传动系统进行设计计算，包括主要部件的设计计算、强度校核和运动分析；设计绘制起升装置的总图和主要零件工作图；利用三维CAD软件对主要零件进行实体设计和造型。

关键词：直臂与夹持部件；机械手；CAD二维设计；Pro/e三维设计

Abstract

The topic of this design is the main component of the automatic up-down material manipulator design and 3 d modelling, determine the coordinates of the manipulator type and degree of freedom, determine the technical parameters of the manipulator.

Robots can replace manual operation, reduce labor intensity, save processing time, improve the production efficiency, reduce the production cost. On the basis of practical, automatic manipulator arm straight up and down and clamping parts for 3 d design, which is divided into three parts: hand, wrist, arm straight. Integral type manipulator for rectangular coordinates, drive for motor drive, structure simple, reliable and high precision. Design hand claw clamping type gripper for translation, the transmission structure for sliding screw; Wrist for transformation, rotation Angle of 0-180 °, for the worm gear and worm drive structure; Manipulator wrist structure was designed, calculated the wrist when the driving moment; Draw the manipulator kinematic sketch; The working mechanism and transmission system design and calculation, including design calculation, intensity and the movement of the main parts of analysis; Design drawing general layout and main parts of lifting device working drawing; Using three-dimensional CAD software for the main parts for physical design and modelling.

Key word: Straight arm and clamping parts; Manipulator;

2 d CAD design;Pro/e 3 d design

目 录

摘要...............................................................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................................................II Abstract ........................................................................................................................................................ I 1绪论 .......................................................................................................................................................... 1

1.1前言和意义 .................................................................................................................................. 1 1.2 工业机械手的简史 ..................................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状和趋势 ............................................................................................................. 3 2机械手直臂部分的总体设计 .................................................................................................................. 5

2.1 执行机构的选择 ......................................................................................................................... 5 2.2 驱动机构的选择 ......................................................................................................................... 6 2.3传动结构的选择 .......................................................................................................................... 6 2.4 机械手的基本形式选择 ............................................................................................................. 8 2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动 ......................................................................................... 8 2.6 机械手的技术参数 ..................................................................................................................... 9 3机械手手爪的三维设计 ........................................................................................................................ 11

3.1 手部设计基本要求 ................................................................................................................... 11 3.2 典型的手部结构 ....................................................................................................................... 11 3.3 机械手手爪的设计计算 ........................................................................................................... 11

3.3.1选择手爪的类型和夹紧装置 .......................................................................................... 11 3.3.2 手爪夹持范围计算 ......................................................................................................... 12 3.3.3 滑动丝杠设计 ................................................................................................................. 13 3.3.4 直齿轮设计 ..................................................................................................................... 15 3.3.5电机选型 .......................................................................................................................... 16 3.4 机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图 ....................................................................... 17 4机械手手腕部分的三维设计 ................................................................................................................ 20

4.1腕部设计的基本要求 ................................................................................................................ 20 4.2 腕部的结构以及选择 ............................................................................................................... 20

4.2.1 典型的腕部结构 ............................................................................................................. 20 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ......................................................................................... 20 4.3 腕部的设计计算 ....................................................................................................................... 21

4.3.1 蜗轮轴的设计计算 ......................................................................................................... 21 4.3.2 蜗轮齿轮设计 ................................................................................................................. 22 4.3.3 步进电机选型 ................................................................................................................. 23 4.4 手腕部分出图及主要零部件出图 ........................................................................................... 24

5 直臂部分的三维设计 ........................................................................................................................... 31

5.1 手臂的结构的选择及其驱动机构 ......................................................................................... 31 5.2 滚珠丝杠设计 ........................................................................................................................... 31 5.3 锥齿轮设计 ............................................................................................................................. 33 5.4 电机选型 ................................................................................................................................... 36 5.5 机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图 ....................................................................... 36 6. 总结 ..................................................................................................................................................... 40 7.致谢 ....................................................................................................................................................... 42

参考文献 ........................................................................................................................................... 43

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1绪论

1.1前言和意义

作为本次毕业设计研究的课题，此项研究是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。是对大学几年所学的专业知识的一次整体的回顾，它将所学的机械设计、机械原理、机械加工工艺、机械制造装配设计等有关的机械设计制造及其自动化专业主要课程紧密的联系在一起；真正利用所学的专业知识来解决实际的生产问题，很好的将理论设计与实际应用结合起来，考虑多方面的问题，诸如成本，可行性，设备的安全性，使用寿命，工作效率等的；在研究的过程当中，通过不断的遇到问题并设法解决之，可以培养我们的个人独立思考的能力和创新的意识；提高个人分析问题、解决实际问题的能力；此外，该通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。这对我们将来所从事的行业有莫大的帮助。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。

大学生撰写毕业论文的目的，主要有两个方面；一是对学生的知识相能力进行一次全面考核。二是训练学生对进行科学研究的基本功，培养学生综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。自动上下料机械手的主要零部件设计及三维造型是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等进行设计之后的下一个教学环节。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。

1.2 工业机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化

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产品。当时数字计算机已经出现，电子技术也有了长足的发展，在产业领域出现了受计算机控制的可编程数控机床，与机器人技术相关的控制技术和零部件加工也已有了扎实的基础。另外，人类需要开发自动机械，替代人去从事一些恶劣环境下的作业。正是在这一背景下，机器人技术的研究与应用得到了快速发展。 以下列举了现代机器人工业史上的几个标志性事件。

1954年：美国人戴沃尔（G.C.Devol）制造出世界上第一台可编程的机械手，并注册了专利。这种机械手能够按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1959年：戴沃尔（G.C.Devol）与美国发明家英格伯格（Ingerborg）联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一个机器人制造工厂——Unimaton公司。由于英格伯格对工业机器人富有成效的研究和宣传，他被成为“工业机器人之父”。 1962年：美国AMF公司生产出万能搬运（Versatran）机器人，与Unimaton公司生产的万能伙伴（Unimate）机器人一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

1967年：日本川崎重工公司和丰田公司分别从美国购进了工业机器人Unimate和Verstran的生产许可证，日本从此开始了对机器人的研究和制造。20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用与工业生产。

1968年：美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以成为世界上第一台智能机器人，由此拉开了第三代机器人研发的序幕。

1969年：日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研发仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO机器人和索尼公司的QRIO机器人。

1973年：世界上机器人和小型计算机第一次携手合作，单身了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1979年：美国Unimaton公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在生产第一线，许多机器人技术的研究都一概机器人为模型和对象。

1979年：日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型SCARA机器人，该型机器人在此后的装配作业中得到了广泛的应用。

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1980年：工业机器人在日本开始普及。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。

1984年：英格伯格再次推出机器人Helpmate，这种机器人能够在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，英格伯格还预言：我要让机器人擦地板、做饭、出去帮我洗车、检查安全。

1996年：本田公司推出仿人型机器人P2，使双足行驶机器人的研究达到了一个新的水平。随后许多国家著名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人，以展示公司的科研实力。

1998年：丹麦乐高公司推出机器人Mind-storms套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，是机器人开始走入个人世界。

1999年：日本索尼公司推出机器人狗爱宝（AIBO），当即销售一空，从此娱乐机器人迈进普通家庭。

2002年：美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它是目前世界上销量最大、商业化最成功的家用机器人。

2006年：微软公司推出Microsoft Robotics Studio机器人，从此机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。比尔盖茨语言，家用机器人将很快席卷全球。

随着科学技术的不断进步，推动着机器人技术不断发展和完善；机器人技术的发展和广泛应用，又促进了人民生活的的改善，推动着生产力的提高和整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿科学，将成为未来社会和生活中不可或缺的一门技术。

1.3 国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

1.工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

2.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

3.工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

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4.机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

5.虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

我国的机器人技术起步较晚，从二十世纪八十年代才开始。我国早就把机器人列入国家重点科研规划内容，在一系列计划的支持下，机器人基础理论和基础元、器件研究全面展开。目前我国已经基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计基础、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件。在以后的机器人设计制造技术中，我国逐步缩小了与世界先进水平的差距。

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2机械手直臂部分的总体设计

2.1 执行机构的选择

（1）手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。分为机械钳爪式手部结构和吸附式手部结构。具有以下特点：1）手部与腕部相连处可拆卸，手部与手腕有机械接口，也可能有电、汽、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。2）手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以不具备手指；可以是类人的手爪，也可以是进行专业操作的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。3）手部的通用性比较差。工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能抓我一种工件或几种在形状、尺寸、质量等方面相近似的工件，只能执行一种作业任务。4）手部是一个独立的部件，假如把手腕归属于臂部，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、臂部、和手部。手部是决定整个工业机器人作业完成好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。 （2）腕部是连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用。机器人操作臂将末端工具至于其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。为了进行实际操作，它应该能够奖工具置于任意的方位，同时需要一个腕部，一般还需要三个自由度，即回转、俯仰和摆动。腕部可具有不同的自由度数目和不同的结构。腕部所需要的自由度根据机器人的工作性能来确定，在多数情况下，玩不具有两个自由度，即回转和俯仰或摆动。腕部可用安装在连接处的驱动器直接驱动，也可以从底座内的动力源经链条、同步齿形带、连杆或其他机构远程驱动。直接驱动一般采用液压或气动，具有较高的驱动力和强度，但增加了机械手的质量和惯性。远程驱动可降低机械手的惯性，但需要传动装置，设计较为复杂。

（3）臂部是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

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2.2 驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 可分为以下四类： （1）气压传动机械手

气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。 （2）液压传动机械手

是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。 （3）机械驱动机械手

它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。 （4）电气驱动机械手

它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。考虑机械手的工作环境以及各驱动的特点我们采用电动驱动。

2.3传动结构的选择

（1）齿轮传动机构

圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮蜗轮蜗杆及，摆线针轮传动等是在工业机器人中经常使用的几种齿轮传动机构。 （2）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波

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齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。 （3）螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。 （4）同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。（5）钢带传动

钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。 （6)链传动

机器人的手腕传动采用链传动，考虑到降低机器人尾端的重量，经常将腕关节处的驱动电机安装在大臂关节处或小臂后端。 （7)钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动的有点有传动刚度大、结构柔软、成本较低、结构简单等。其缺点有加速度不宜太高、带轮较大、安装面积大等。

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2.4 机械手的基本形式选择

根据手臂的动作形态分析,常见的工业机械手按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; (3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。

图2.1 机械手基本形式

按照此次设计机械手的工作环境选用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比较满足设计要求。

2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动

在直角坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，关于机械手具有4个自由度 即：手爪张合；手腕回转；直臂升降；横臂平移4个主要运动。

机械手主要由3个大部件和4个电机组成：（1）手部，采用滑动丝杆结构，通过电机带动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部回转 0°~180°（3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。

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图2.2 机械手直臂与夹持部件总装三维图

图2.3 二维示意图

2.6 机械手的技术参数

（1）用途：自动上下料 （2）设计技术的参数:

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1、抓取重量:600g (夹持式手爪) 2、自由度数:4个自由度 3、坐标型式:直角坐标型 4、横臂手臂的长度:2000mm 5、手臂最大的高度:3000mm 6、手臂运动的参数 升降行程：950mm 升降速度：150mm/s 7、手腕运动的参数 回转的范围:0°-180°

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3机械手手爪的三维设计

3.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力及驱动力。应考虑到在一定的夹紧力的条件下，不同的传动机构需要不同大小的的驱动力。

（2） 为了方便的抓取工件，手指必须能够张开足够的范围以达到所需的开闭角度（即手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）??。

（3） 手部设计应该做到结构紧凑、效率高、重量轻，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4） 应保证手抓的夹持精度。

3.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3） 平面平移型。

3.3 机械手手爪的设计计算

3.3.1选择手爪的类型和夹紧装置

本设计是设计抓取圆柱形物块的机械手。常用的工业机械手手爪按握持工件的原理,分为吸附和夹持两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板和圆柱类材料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差为零。通过综合考虑，本设计选择平移型夹持式手爪，采用滑动丝杆这种传动结构方式。

运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动进而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的张合，当手爪抓到零件时，电机停止转动，手爪产生自锁，在机械手臂的带动下带动零件移动。

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图3.1 二维手爪结构图

3.3.2 手爪夹持范围计算

1、加工毛坯尺寸：Φ20mm-Φ30mm 2、长度：100mm上下

3、毛坯质量（以钢材密度计算）：约250g-550g（按最大600g计算） 4、装夹深度：约 25mm 5、纵向定位精度：0.1mm 6、横向定位精度：1mm

手爪接触块为橡胶制品，橡胶具有定伸强度高，弹性大，电绝缘性优良和抗撕裂

性，耐旱性良好和加工性佳，耐磨性等特点。

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图3.2 手爪橡胶

3.3.3 滑动丝杠设计 设计条件： 1、需自锁

2、丝杠长度 145mm 3、最大质量共计约1100g。

4、丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力为Famax?11.6N，G=mg (g取10N/kg)。 设计计算：

（1）牙型、材料和许用应力 采用梯形单头螺纹

螺杆材料选45钢，经调制处理，?s?360N/mm2，由机械手册查表可得 许用拉应力为?p??s3~5?120~72N/mm2 ..............................................................（3.1）

手爪部分为轻载，螺母材料选择耐磨铸铁。由机械手册查表可得 许用弯曲应力为?bp?50~60N/mm2， 取?bp?50N/mm2 ； 许用剪应力为?p?40N/mm2 由机械手册查表可得

许用压强为Pp?6~8N/mm2，其中取Pp?6N/mm2 （2）按耐磨性计算螺杆的中径

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由表中公式得，d2?0.8F， ....................................................................................（3.2） ?PpF11.6?0.8?1.02mm ?Pp1.8?6采用整体式螺母，其中取??1.2，d2?0.8由GB/T 5796.3-1986，可选用d?10，P?1.5，d2?D2?9，D4?10.5，d3?7.5，D1?8的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋转方向，螺旋副标记分别为：

Tr10?2LH?7H/7e，Tr10?2?7H/7e。

螺母高度为H??d2?1.2?9?10.8mm，其中取H?11mm 则螺纹圈数为n?H/P?11/2?6圈 （3）自锁性验算

由于是单头螺纹，导程为S?P?1.5mm，故螺纹升角为

S1.5 ??arctan?arctan?3?4' ........................................................................（3.3）

?d23.14?9由机械手册查表可得耐磨铸铁和钢的f?0.10~0.12，取f?0.11，可得

?'?arctan0.11 ?arctan?6?50' ...................................................................（3.4）

?cos15?cos2f???'，所以自锁可靠。

（4）螺杆的强度校核

由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩为

11Mt1?d2Fatan(???')??9?11.6?tan(3?4'?6?50')?9.11N?mm， ...................（3.5）

22代入以下公式可得

?ca?(Mt24F24?11.629.1122 )?3()?()?3?()?0.322N/mm??p...（3.6）323?d30.2d33.14?7.50.2?7.5（5）螺母螺纹的强度校核

由于螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹的强度即可。 由机械手册查表可得

牙根宽度为，基本牙高为H1?0.5P?0.5?1.5?0.75mm

代入以下中的公式得 F11.6????0.060N/mm2??p ...........................................（3.7）

?D4bn3.14?10.5?0.975?6

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?b?3FH13?11.6?0.75??0.139??bp ................................................（3.8） 22?D4bn3.14?10.5?0.975?6（6）横向振动校核

4.7302?7.5对于钢制螺杆nc?12.3?10 ?12.3?10??71415r/min ...........（3.9）2lc2170cr/min 应满足转速n使n?0.8nc?5713266?12d3（7）效率

由回转运动转化为直线运动时有

tan?tan(3?4') ??(0.95~0.99)?(0.95~0.99)?0.292~0.304 .........（3.10）

tan(???')tan(3?4'?6?50')所以效率取为??0.297

3.3.4 直齿轮设计

表3.1 直齿轮参数表

项 目 几何参数： 符号 齿轮1 20 30 28.191 33 26.25 1.452 1.875 2.356 0.0539 0.02 3500 单位 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 N·m Kw r / min 1.5 20 12 1 0.25 41.2 42 3.33 单位 毫米 度 毫米 毫米 毫米 毫米 52.5 49.33 57 50.34 2.25 1.077 2.93 0.09 0.04 1998 齿 轮2 35 单位 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 毫米 N·m Kw r / min 15

齿 数 Z 法 向 模 数 法 向 压 力 角 有 效 齿 宽 齿 顶 高 系 数 顶 隙 系 数 标 准 中 心 距 中 心 距 分 度 圆 直 径 基 圆 直 径 顶 圆 直 径 根 圆 直 径 齿 顶 高 齿 根 高 全 齿 高 弧 齿 厚 名 义 转 矩 名 义 功 率 转 速 材 质 支 承 形 式 m n αn b ha* c* a0 a d d b d a d f h a h f h t S t T P n 非对称支承

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3.3.5电机选型

计算条件：空行程最长为l?60mm，夹紧时间不应超过1.2s 设计计算：（电机选型部分根据计算需要而定）

l60mm螺母移动平均速度为v?? .....................................................（3.11） ?50mm/s，

t1.2s丝杠的平均转速为n?33.3r/s 摩擦转矩有

T1?Mt1?11d2Fatan(???')??9?11.6?tan(3?4'?6?50')?9.11N?mm.................（3.12） 2211T2??FD??0.12?11.6?10?4.64N?mm ........................................................（3.13）

33T3?0N?mm

故Tq?T1?T2?T3?9.11?4.64?0?13.75N?mm........................................................（3.14）

Pq?13.75?1998?2.88

95509550?Tqn选用转速为n0?3500r/min的直流电机，速比为i?n0?1.75 n齿轮传动效率为?1?0.96、滑动螺旋传动效率为?2?0.297 总效率为???1?2?0.96?0.297?0.29 电机轴驱动转矩：

TL?Tq/i??13.75/1.75/0.29?27.1N?mm ............................................................（3.15） 电机轴输出功率：

PL?TLn027.1?3500??9.93W ............................................................................（3.16） 95509550电机选用40ZY-02型号直流电动机

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3.4 机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图

图3.3 手爪三维图

图3.4 直齿轮丝杆

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图3.5 电机齿轮

图3.6 齿轮箱

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图3.7 手爪接触块连接件和丝杆螺母

图3.8 手爪装配件

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4机械手手腕部分的三维设计

4.1腕部设计的基本要求

（1） 力求重量轻、结构紧凑

腕部处于机械手臂的最前端，它连同手部的动、静载荷且均由臂部承担。显然，腕部的重量、结构和动力载荷，直接影响着臂部的重量、结构和运转性能。所以，在设计机械手腕部时，必须力求重量轻，结构紧凑。 （2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构之一，又承担支撑和连接的作用，除保证力和运动的要求以外，要有足够的刚度、强度外，还应该综合考虑，合理布局，解决好腕部与手部和臂部的连接。

（3） 必须考虑工作的条件

对于此次设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工过程中产生的棒料，因此不太受环境的影响，没有处在腐蚀性和高温的工作介质中，所以对机械手的腕部材料没有太多的不利因素。

4.2 腕部的结构以及选择

4.2.1 典型的腕部结构

(1) 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构。它具有灵活、结构紧凑等优点而

被广泛运用，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角的极限值由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270°）。

(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞

驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸比较大，一般适用在悬挂式臂部结构中。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有垂直和水平转动的两个自由度。

(4) 机-液结合的腕部结构。 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

此次设计要求手腕的回转角度为90°或180°，则腕部结构则选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。步进电机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。将数据输入计算机，计算机再根据给定的数据和要求进行运算，而后发出电脉冲信号，计算机每发出一个脉冲，步进电机便转过一定角度，又步

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进电机通过传动装置来控制腕部转动一个很小角度。脉冲接着一个一个的发来，步进电机便一步一步的转动，从而带动手腕转动到所需要的角度。

因此手腕结构为步进电机带动涡轮蜗杆运动的结构：其主要功能是控制手爪的转向，从而使其能准确的抓取零件和放置零件。

运行方式为步进电机带动蜗轮蜗杆转动，继而控制手腕的转动，转到一定的角度

(90°或180°)时电机停止转动，手爪产生自锁，进而完成手腕的转动功能。

4.3 腕部的设计计算

计算条件：夹取工件重量600g左右，回转角度为180°。 4.3.1 蜗轮轴的设计计算 设计计算： （1）选择轴的材料

轴的材料选择为45钢，经调质处理。由机械手册表6-1-1查得：?b?650MPa，

?s?360MPa，??1?270MPa，??1?155MPa （2）初步确定最小轴径 按表选取A?115

?3P211.9?10?115?3?10.6mm ..................................由机械手册查得 dmin?A3（4.1） n215（3）轴的结构设计

图4.1 蜗轮轴结构图

（4）键的选择与校核

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1、蜗轮连接键

选择普通平键为8?7?20

2T22?7.576?103由机械手册可查得 p1? ??12MPa .......................................（4.2）

D1k1l130?3.5?12由机械手册可查得?pp?100MPa 所以p1??pp 2、轴端连接键

选择普通平键为5?5?20。 2T22?7.576?103由机械手册可查得 p2?（4.3） ??25MPa ......................................

D2k2l216?2.5?15由机械手册可查得?pp?100MPa 所以p2??pp （5）轴的强度校核 其条件为 ?ca??M/W?2?4??T/2W??M2?(?T)2/W????1?....................（4.4）

2其中?ca —— 轴的计算应力，MPa；

M —— 轴所受的弯矩，Nmm M?MH2?MV2； ............................（4.5） T —— 轴所受的扭矩，Nmm； W —— 轴的抗弯截面系数，mm3；

??1 —— 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算

223.45?1.13????0.6*7.576??M???T??ca????4????W??2W?0.145622M2???T?W2?M2???T?0.2d322?0.2*10.63?..........................................................................................................................................（4.6） 即?ca??σ-1?＝270MPa，故所设计的轴安全。 4.3.2 蜗轮齿轮设计 计算条件：

蜗轮轴输出功率为P2?11.9?10?3kW，转速为n?15r/min，负载转矩为

h TL?7.576N?m，传动比为i?50。工作寿命为Lh?20000设计计算：

1选择材料和加工精度

蜗杆材料选用45钢、蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3、加工精度为7级

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1.初选几何参数

z1?1，z2?50

2.计算蜗轮蜗杆传动效率和蜗杆输入转矩

粗算传动效率为??(100?3.5i)%?(100?3.550)%?0.753 ..............................（4.7）

P11.9?7.576N?m ...........................................（4.8） 蜗轮输出转矩为T1?9.551?9.55?n15蜗杆输入转矩为 TL?T17.576??0.201N?m ................................................（4.9） i?50?0.7533.确定许用接触应力?Hp 蜗杆输入功率为PL?TLn00.201?750??15.78w ...................................................（4.10） 9.559.55滑动速度为vs?6.8m/s、?Hbp?115N/mm2、Zs?0.88

N?60n2Ln?60?15?20000?1.8?107、ZN?0.76 ..............................................（4.11） ?Hp??HbpZsZN?115?0.88?0.76N/mm2?76.912N/mm2 ..................................（4.12）4.求载荷系数K

动载荷系数为K1?1.1、啮合质量系数为K2?0.96、小时载荷率为JC?15%、小时载荷率系数为K3?0.68、环境温度系数为K4?1.37、工作情况系数为K5?1.0 由于不带风扇，K6?1

所以：K?K1K2K3K4K5K6?1.1?0.96?0.68?1.37?1.0?1?0.984 .......................（4.13） 5.计算m和q值

15150215150m3q?3()KT2?3()2?0.984?7.576?4.87mm .......................（4.14）

z2?Hp50?76.912其中取 m3q?5mm，m?2，q?16 7.蜗轮齿面接触强度的校核验算

?H?14783KT2147830.984?7.576 ???71.35??Hp ....................................（4.15）

d2d110032所以接触强度足够。

4.3.3 步进电机选型

计算条件：手腕电机载荷约为85N，蜗轮轴转速为n?15r/min 设计计算：

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手腕转动90?时的时间约为t?1s，

期间做功为W?m1gh2?m2gh2?11.9J ......................................................................（4.16） 蜗轮轴输出功率为P1?涡轮轴转矩为T1?9.55W11.9J??11.9?10?3kW ................................................（4.17） t1sP11.91?9.55??7.576N?m ..............................................（4.18） n15电机轴输出转矩为TL?电机轴输出功率为PL?T27.576 ??0.201N?m ..............................................（4.19）

i?50?0.753TLn00.201?750??15.78w .............................................（4.20） 9.559.55步距角取???i?0.018??50?0.9?。 ...................................................................（4.21） 静力矩为Tsmax?(2~3)TL?(2~3)?0.201?(0.402~0.603 )N?m .........................（4.22）选用型号为57BYG450C的永磁感应子式步进电机

4.4 手腕部分出图及主要零部件出图

图4.2 手腕三维图

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图4.3 手腕法兰

图4.4 蜗杆

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图4.5 蜗轮

图4.6 蜗轮轴

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手腕手爪部分重量为m?15kg

G?mg?15kg?10N/kg?150N（其中重力加速度取g?10N/kg） ..........................（5.1） 轴向载荷为Fma?150N （3）初算导程：

丝杠螺母转速为n?2000r/min，直臂移动速度为v?167mm/s

nm?n?2000r/min

初算导程为Ph?v/nm?4.99mm，所以选取Ph?5mm （4）选工作寿命：Lh?20000h （5）由表查得，

'Cam?fwFma(60nmLh)1/3/100fafc?2677.7N， .............................................................（5.2） ''?feFma?1005N Cam式中，查机械手册得，精度系数为fa?0.9 查机械手册得，可靠性系数为fc?1 查机械手册得，载荷性质系数为fw?1.2 查机械手册得，预加载荷系数为fe?6.7 所以，Cam?2677.7N

（6）静载计算：由机械手册查得，fsFamax?300N，式中fs?2 ..........................（5.4） （7）选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型。 其中d0?16，d2?13.5，Ph0?5，Ca?11.1kN，Coa?24.6kN 故满足承载能力要求。

1（8）计算预紧力：FP?Famax?50N，Famax?Fam ................................................（5.5）

3（9）dn值校验

由机械手册查得，d0nmax?16?2000?32000?70000，故符合要求。 （10）临界转速校核

nc?107fd2/L2r/min ....................................................................................（5.6） c2?2507式中，查机械手册得，f?21.9

lc2?ldown?1086mm

n?0.8nc?0.8?2507r/min?2006r/min 故满足转速要求 （11）螺杆强度：

螺杆材料为45钢，经调质处理，其许用应力为[?p]?60MPa

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螺杆当量应力为：

?ca?(4F2T14?1502120)?3()?()?3()2?1.13MPa?[?p] ....（5.7） 2323?d20.2d23.14?13.50.2?13.5式中，T1?9.55P1?120N?mm n故符合强度要求 (12)系统刚度计算Kb

机械刚度的指标称为刚性，滚珠丝杠的刚性取决于螺母与螺杆之间轴向负荷珠槽接触刚性及由螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽—螺杆及钢珠—珠槽两者间的刚性合二为一，成为螺帽刚性Kn，因此

111 ....................................................................................................（5.8）??KbKSKn11FP311.7d217.752)?0.8?442()3?617.6 KS?16.8??16.8??4.32Kn?0.8?R(0.1C0.1?25.6l024502?Kb?11??4.35N/?m KsKn5.3 锥齿轮设计

锥齿轮传动的特点：圆锥齿轮的简称是锥齿轮，它是用来实现两相交轴之间的传动的,轴角称为两轴交角S，根据传动需要来确定它的值，一般情况下采用90°。在截圆锥体之上排列着锥齿轮的轮齿，轮齿从齿轮的小端到大端逐渐延伸变大，如下图所示。由于这个特点，在圆柱齿轮中的每个有关\圆柱\的名称在锥齿轮中就变成了\圆锥\，如节锥、基锥、分度锥、齿顶锥等。其轮齿有曲线齿、斜齿和直齿等形式。斜齿和直齿形式的锥齿轮计算设计、机械制造和安装都比较简单，不过因为有比较大的噪声，所以多用在低速传动中（＜5m/s）；曲线齿锥齿轮具有噪声小、传动平稳和承载的能力相对较大等特点，多用于高速重载的场合。此次采用S=90°的标准直齿锥齿轮传动设计。

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图5.4 锥齿轮

计算条件：负载转矩为T1?0.120N?m，直线锥齿轮，传动比为为i?锥齿轮转速为n1?3000r/min,n2?2000r/min

材料选为45钢，经调质处理，齿面硬度为HBS=217~255， 齿面粗糙度为RZ1?RZ2?3.2?m 锥齿轮设计计算： 1.初步计算：

电机轴端齿轮转矩为T1?0.120N?m 载荷系数为K?1.5 齿数比为i?1.5

'?1.1， 估算时，安全系数取为SH'接触疲劳强度极限知?Hlim?525MPa

n03000??1.5，n2000因此在估算时的齿轮的许用接触应力?3估算结果为：de'1?1951'HP?'?Hlim'SH?525（5.9） MPa?477MPa ................

1.11.5?0.120?15.76mm

1.5?4772所以得de'2?ide'1?23.64mm

考虑到丝杠需要从锥齿轮2的中心穿过，并且所选用丝杠的公称直径为d0?16mm，丝杠螺母为D1?36mm，因此取de2?72mm，de1?48mm 2.几何计算

齿数：取z1?24,z2?36

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大端模数：me?3.强度校核

de1?2mm .....................................................................................（5.10） z11）.齿根弯曲疲劳强度设计

KFYtFaYSa其条件为 ?F????F? .....................................................................（5.11）

bm?1?0.5?R?其中 载荷系数为 K?KAKvK?K? YFa 为齿形系数 YSa 为应力校正系数 ?R 为齿宽系数

查机械手册得 KA＝1 查图得 Kv＝1.09 查机械手册得 K?＝1.4 查表得 K?＝1.2 可得 YFa＝2.1 可得 YSa＝1.5 其中?R取常用值1/3 代人计算得

?F?KFY1.5?10?2.1?1.5tFaYSa??0.562 .......................（5.12）

bm?1?0.5?R?2??1?0.5/3??24即?F???F??380MPa，故安全。 2）.齿面接触疲劳强度计算 其条件为?H?5ZEKT1?R*?1?0.5?R?du312???H? ................................................（5.13）

其中ZE 为弹性影响系数 代人计算得

查机械手册得ZE＝162MPa

12?H?5ZEKT1?R*?1?0.5?R?du312?5*162*1.5*0.121/3*?1?0.5/3?*24*1.532?4.528MPa

.....................................................................................................................................（5.14）

即?H???H??540MPa，所以设计安全。

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5.4 电机选型

计算条件：

丝杠移动速度为v?167mm/s，丝杠轴向工作载荷约为Fm?150N 圆锥齿轮传递效率为??0.95 设计计算：

丝杠工作的功率为：P1?Fv?150N?167?25.05 ...................................................（5.15） 丝杠转矩为T1?9.55P1?0.120 n电机选用同步转速为n0?3000r/min的三相异步电机，速比为i?所以电机输出轴的负载转矩为：

n03000??1.5 n2000TL?0.120?0.084

1.5?0.95n0TL?26.39 ..........................................................................（5.16） 9.55电机输出轴功率为PL?所以选用型号为YS5012的三相异步电动机

5.5 机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图

图5.1 直臂结构三维图

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