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1、机械设计及制造自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计IV自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计摘要：机械手能代替人工操作，起到减轻工人的劳动强度，节约加工时间，提高生产效率，降低生产成本的特点。在实用的基础上，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。设计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。直臂传动结构为滚珠丝杆。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。关键词 ：机械手；直臂与夹持部件；Pro/e三维设计；CAD二维设计中图分类号
2、：T摘要.I目次.III1绪论11.1前言和意义11.2 工业机械手的简史11.3 国内外研究现状和趋势31.4 本章小结32机械手直臂部分的总体设计42.1 执行机构的选择42.2 驱动机构的选择42.3传动结构的选择52.4 机械手的基本形式选择62.5 机械手直臂部分的主要部件及运动72.6 机械手的技术参数82.8 本章小结93机械手手爪的三维设计103.1 手部设计基本要求103.2 典型的手部结构103.3 机械手手爪的设计计算103.3.1选择手爪的类型及夹紧装置103.3.2 手爪夹持范围计算113.3.3 滑动丝杠设计123.3.4 直齿轮设计143.3.5电机选型153.4
3、 机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图163.5 本章小结184机械手手腕部分的三维设计194.1腕部设计的基本要求194.2 腕部的结构以及选择194.2.1 典型的腕部结构194.2.2 腕部结构和驱动机构的选择204.3 腕部的设计计算204.3.1 蜗轮轴的设计计算204.3.2 蜗轮齿轮设计224.3.3 步进电机选型234.4 手腕部分出图及主要零部件出图244.5本章小结305 直臂部分的三维设计315.1 手臂的结构的选择及其驱动机构315.2 滚珠丝杠设计315.3 锥齿轮设计345.4 电机选型365.5 机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图375.6 本章小结406.
4、总结41学位论文数据集.43。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，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。（2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，以扩大机械手的动作
5、范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、左右摆动、上下摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3） 臂部 ，手臂部件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
6、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。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
7、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
8、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。按照各驱动特点以及机械手的工作环境经讨论我们采用电动驱动。2.3传动结构的选择（1）齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。（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
9、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
10、，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9
11、8%）、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)链传动在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。（
12、7)钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。2.4 机械手的基本形式选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,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机械手的工作环境采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
13、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，采用丝杆螺母结构，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90180（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。2.6 机械手的技术参数（1）用途：数控机床自动上下料（2）设计技术参数: 1、抓重:600g (夹持式手部) 2、自由度数:4个自由度 3、坐标型式:直角坐标型 4、横臂手臂长度:2180mm 5、手臂最大高度:2769.5mm 6、手臂运动参数升降行程：920mm升降速度：167
14、mm/s 7、手腕运动参数回转范围: 0-1803.3 机械手手爪的设计计算3.3.1选择手爪的类型及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部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。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，本设计选择移动型手爪，采用丝杠螺母这种传动结构方式。运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而
15、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，手爪形成自锁，带动零件移动。3.3.2 手爪夹持范围计算加工毛坯尺寸：20-30 长度：100左右 毛坯质量（以钢材的密度计算）：约246g-555g（按最大600g计算）装夹深度：约25mm纵向定位精度：0.1mm横向定位精度：1mm 手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。3.3.3 滑动丝杠设计设计条件：需自锁丝杠长度 145mm 最大质量共计约1100g。丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力，G=mg (g取10N/kg)。设计计算：（计算部分由小组成员张
16、益完成本人参与讨论）（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，调制处理，由机械手册查表可得许用拉应力 .（3.1）手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得许用弯曲应力， 取 ；许用剪应力由机械手册查表可得许用压强，取（2） 按耐磨性计算螺杆中径由表中公式， .（3.2）采用整体螺母式，取，由GB/T 5796.3-1986，可选，的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别为：，。螺母高度，取则螺纹圈数圈（3） 自锁性验算由于单头螺纹，导程，故螺纹升角为 .（3.3）由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得 .（3.4），故自锁可靠。
17、（4） 螺杆强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩， .（3.5）代入以下公式得.（3.6）（5） 螺母螺纹强度校核因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。由机械手册查表可得牙根宽度，基本牙高代入以下中的公式得 .（3.7） .（3.8）（6） 横向振动校核对于钢制螺杆 .（3.9）应满足转速（7） 效率由回转运动转化为直线运动时 .（3.10）效率取为3.3.4 直齿轮设计表3.1 直齿轮参数表项 目符号齿轮1单位单位齿 轮2 单位几何参数：齿数 Z2035法 向 模 数 m n1.5毫米法 向 压 力 角 n20度有 效 齿 宽 b12毫米齿 顶 高 系 数 ha*1顶 隙
18、系 数 c*0.25标 准 中 心 距 a041.2毫米中 心 距 a42毫米分 度 圆 直 径 d30毫米52.5毫米基 圆 直 径 d b28.191毫米49.33毫米顶 圆 直 径 d a33毫米57毫米根 圆 直 径d f26.25毫米50.34毫米齿 顶 高h a1.452毫米2.25毫米齿 根 高h f1.875毫米1.077毫米全 齿 高h t3.33毫米弧 齿 厚S t2.356毫米2.93毫米名 义 转 矩T0.0539Nm0.09Nm名 义 功 率P0.02Kw0.04Kw转 速n3500r / min1998r / min材 质支 承 形 式非对称支承3.3.5电机选型计
19、算条件：空行程最长，夹紧时间不超过1.2s设计计算：（电机选型部分和组长商量而定）螺母移动平均速度， .（3.11）丝杠的平均转速摩擦转矩.（3.12） .（3.13）故.（3.14）选用转速为的直流电机，速比齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率总效率电机轴驱动转矩： .（3.15）电机轴输出功率： .（3.16）电机选用40ZY-02直流电动机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） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2
20、）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。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驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。(2)
21、 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。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(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本设计要求手腕回转90或180，则腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。步进电机是一种步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动
22、一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 故手腕结构为步进电机带动涡轮蜗杆运动的结构：其主要功能是带动手爪的转向，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，继而带动手腕的转动，转到一定角度(90或180)时电机停止转动，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180。4.3.1 蜗轮轴的设计计算设计计算：（计算部分由小组成员张益完成）（1）选择轴的材料选择轴的材料
23、为45钢，调质处理。由机械手册表6-1-1查得：，（2）初步确定最小轴径按表选取由机械手册得 .（4.1）（3）轴的结构设计图4.1 蜗轮轴结构图（4）键的选择与校核1、蜗轮连接键选择普通平键 查机械手册可得 .（4.2）查机械手册可得所以2、轴端连接键选择普通平键。查机械手册可得 .（4.3）查机械手册可得所以（5）轴的强度校核其条件为 .（4.4）其中 轴的计算应力，MPa； M 轴所受的弯矩，Nmm ； .（4.5） T 轴所受的扭矩，Nmm； W 轴的抗弯截面系数，； 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算.（4.6）即270MPa，故安全。4.3.2 蜗轮齿轮设计计算条件：蜗
24、轮轴输出功率，转速，负载转矩，传动比。工作寿命设计计算：1选择材料和加工精度蜗杆选用45钢、蜗轮选用ZCuAl10Fe3、加工精度7级1. 初选几何参数，2. 计算蜗轮蜗杆传动效率及蜗杆输入转矩粗算传动效率 .（4.7）蜗轮输出转矩 .（4.8）蜗杆输入转矩 .（4.9）3. 确定许用接触应力蜗杆输入功率 .（4.10）滑动速度、 .（4.11） .（4.12）4. 求载荷系数K动载荷系数、啮合质量系数、小时载荷率、小时载荷率系数、环境温度系数、工作情况系数由于不带风扇，所以： .（4.13）5. 计算m和q值 .（4.14）取 ，167.蜗轮齿面接触强度校核验算 .（4.15）接触强度足够。
25、4.3.3 步进电机选型计算条件：手腕电机载荷约为85N，蜗轮轴转速设计计算：手腕转动的时间约为，期间做功 .（4.16）蜗轮轴输出功率 .（4.17）涡轮轴转矩 .（4.18）电机轴输出转矩 .（4.19）电机轴输出功率 .（4.20）步距角取。 .（4.21）静力矩 .（4.22）选用永磁感应子式步进电机57BYG450C5 直臂部分的三维设计5.1 手臂的结构的选择及其驱动机构 机械手的手臂升降伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。 我们选用滚珠丝杠结构的手臂，螺母带动丝杠进行升降和平移，采用电机驱动。结构如下图：中间为丝杠，两边为光杆
26、。 运行方式为电机带动锥齿轮，继而带动丝杠螺母，丝杠螺母是固定点，相对的丝杠做上下移动。5.2 滚珠丝杠设计（计算部分由小组成员张益完成本人参与讨论和数据修改）（1）选取的滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠(右旋)上固定端到螺母间距离(临界长度) 下固定端到螺母间距离(临界长度)设计后丝杠总长最大行程 支承方式为两端固定定位精度： 由表得，有效行程内目标行程公差，行程变动量 由表得，任意300mm行程内行程变动量，2弧度内行程变动量 丝杠精度为5级，可靠性90%。（2）计算载荷手腕手爪部分重量（重力加速度取） .（5.1）轴向载荷（3）初算导程：丝杠螺母转速，直臂移动速度初算导程，所以取（4） 选工
27、作寿命：（5）由表得， .（5.2） 式中，查机械手册得，精度系数查机械手册得，可靠性系数查机械手册得，载荷性质系数查机械手册得，预加载荷系数所以，（6） 静载计算：由机械手册得，式中 .（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，满足承载能力要求。（8）计算预紧力：， .（5.5）（9）值校验由机械手册得，符合要求。（10）临界转速校核 .（5.6）式中，查机械手册得，满足转速要求（11） 螺杆强度：螺杆材料为45钢，调质处理，其许用应力螺杆当量应力： .（5.7）式中，符合强度要求(12)系统刚度计算 刚性为机械刚度的指标，滚珠丝杠的刚性取决于螺杆与螺母之间轴向负荷珠槽接触刚性及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，因此 .（5.8） 5.4 电机选型计算条件：丝杠轴向工作载荷约为，丝杠移动速度圆锥齿轮传递效率设计计算：丝杠工作的功率： .（5.15）丝杠转矩电机选用同步转速的三相异步电机，速比 电机输出轴负载转矩：电机输出轴功率 .（5.16）电机选用YS5012三相异步电动机18