关节型机械手设计和实现机械制造及其自动化专业.docx

摘要机械手，顾名思义，机械原件做成的像人手一样的器械，可替代人手完成一些大量重复、复杂、危险的工作。机器手是由机械与电子相互结合产生的产品。使用机械手的目的有以下几点：劳动生产率得到提升，使加工过程更先进，更高效，减轻人们劳动负担，改善人们的劳动环境等等。按照要求可以进行自动化技术装备。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。经常在工业生产中出现的频繁工件无法用手工来解决的困难时，那么机械手就可以完美替代人手进行工业生产劳动；而且，机械手的工作环境相当广泛，可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，所以机械手在工厂运作中占据着不可替代的作用。本次课程设计基于机械设计原理，在了解了四自由度关节型机械手的基本信息后，介绍了其使用范围，按照设计原理和步骤设计了一台有着四自由度的关节型机械手。机械手的发明极大地改善了工人的工作环境，简化了工人的工作内容，提高整体的生产劳动效率，是人类生产活动中有利的帮手。本论文运用了机械手工作原理和设计、四自由度设计等各方面的专业知识，在设计四自由度的关节型机械手的过程中，结合已有的知识解决过程中的难题，并进行深入探讨，如何在已有的基础上融入自己的创意和想法，使机械手设计得更为简洁，实用性更强。关键词：关节型机械手，机械设计，四自由度ABSTRACTThemanipulator,asthenameimplies,isahuman-likedevicemadeofmechanicaloriginals,whichcanreplacealotofrepetitive,complicatedanddangerouswork.Therobotisaproductproducedbythecombinationofmachineryandelectronics.Thepurposeofusingtherobotisasfollows:thelaborproductivityisimproved,theprocessingprocessismoreadvanced,moreefficient,thelaborburdenisreduced,theworkingenvironmentisimproved,andthelike.Automatedtechnicalequipmentisavailableuponrequest.Therobotcanreplacethemanualwork,reducethelaborconsumption,improvethephysicalandequipmentconditionsrequiredinthework,andincreasethenumberofproductsproducedperunittime.Whenthefrequentoccurrenceoffrequentworkpiecesinindustrialproductioncannotbesolvedbyhand,itisthemosteffectivewaytousetherobotatthistime;moreover,therobotcanworkunderhighandlowtemperature,radioactiveandothertoxicpollutionenvironments,occupyingconsiderableadvantages.Therefore,therobotplaysanirreplaceableroleintheoperationofthefactory.Thiscoursedesignisbasedonthemechanicaldesignprinciple.Afterunderstandingthebasicinformationofthefbur-degree-of-freedomarticulatedmanipulator,thescopeofitsuseisintroduced.Anarticulatedmanipulatorwithfourdegreesoffreedomisdesignedaccordingtothedesignprinciplesandsteps.Theinventionoftherobotgreatlyimprovedtheworkingenvironmentoftheworkers,simplifiedtheworkcontentoftheworkers,andimprovedtheoverallproductionlaborefficiency,whichisafavorablehelperinhumanproductionactivities.Thisthesisusestheprofessionalknowledgeoftheworkingprinciple,andin-depthdiscussion,Howtointegrateyourownideasandideasontheexistingbasis,sothattherobotisdesignedtobemoreconciseandpractical.KeyWords:Articulatedmanipulator；MechanicalDesign；Fourdegreesoffreedom目录1绪论11.1 引言11.2 设计目的21.3 关节机械手研究概况21.3.1 国外研究现状21.3 .2国内研究现状31.4 关节型机械手构成机件的作用42总体方案设计52.1 机械手工程概述52.2 2工业机械手总体设计方案论述62.3 机械手机械传动原理72.4 机械手总体方案设计83手部设计计算91. 1对手部设计的要求93. 2拉紧装置104. 3机械运动范围（速度）125. 4手部右腔流量123. 5手部工作压强124移动关节的设计计算123.1 驱动方式的比较124. 2汽缸的设计135小臂的设计164.1 小臂结构的设计要求164.2 小臂结构的设计165. 3小臂电机及减速器选型165. 4小臂的计算175.5轴的设计计算185.6轴承的选择181.7 轴承的校核181.8 计算轴承摩擦力矩：195. 9步进电动机和齿轮选择206大臂的设计计算205.1 大臂部结构设计的基本要求206. 2大臂的结构设计227. 3大臂电机及减速器选型228. 4大臂的计算239. 5轴的设计计算2410. 6轴承的选择241 .7轴承摩擦力矩的计算256 .8步进电动机和齿轮的选择257.机身的设计278电机选型有关参数计算278.1 相关参数的计算288.2 电机型号的选择30总结与展望31致谢错误!未定义书签。参考文献321绪论1.1 引言上世纪八十年代以来，我国的社会、经济、科学技术都取得了突飞猛进的进展，在科学技术这一领域，机器人学也在不断地发展与进步。它在机械设计制造技术方面取得了非常高成果。机械手是机械和电子融合创新出的一款产品，结合了多个学科的知识，是非常有价值的新生产品，在机械手类型中，关节型机械手由于用途最广泛而占据了最重要的位置。关节型机械手的研究结合许多科学，如力学，电子学信息论和计算机等，同时由于机械手的诞生，在改良和升级过程中，也促进了多种学科的发展和内容的更新。除了关节型机械手，还有许多其他的机械手类型，在不同的工作环境下使用。世界上第一台工业机械手诞生于上世纪五十年代末，它的出现使机械手开创一个新的历史时代，伴随科技的进步，机械手的形态、使用范畴、工作内容也在不断改变。日本早稻田大学的加藤一郎教授认为，机械手的功能是其最重要的特征。而机械手的“双臂”则具有极高的自动调节功能，可以维持系统的动态平衡。电灯泡的发明者爱迪生曾说：“在造物者的鬼斧神工中，人类的双臂和双腿是最伟大的杰作。“这就说明了双臂的重要程度，对机械来说，机械手也是同等重要。它不单使用范围广，而且具有很强的适应环境能力。正因为有这样的功能为以后机械行业的发现开辟了无限广阔的前景，在机械行业方面上奠定了坚实的基础。制作出各种各样机械手，生产生活中它具备哪些作用，其包括这些方面：制造出的机械手，可在各种类型的工作环境中使用，代替人工操作，避免危险、重复、单调的工作对工人的浪费和伤害。能让机械手熟悉和掌握人类的基本特征，在人们生活等到帮助，例如：人造假肢。它拥有非常充足动力学特证，对这方面的讨论使力学和机械人的探索得到发展。机械手属于自动化机械手，它在人类生产生活中表现出至关重要作用。关节型机械手的定义，世界上也没有一个明确的规定，分类方式有很多。按照美国机械手协会的对机械手的定义一一联合国也采用的这种定义方式：关节型机械手是机械手臂的一种，可重复编程，操作多种动作的多功能机械装置，通过不同机械动作的编程方式，改变执行的工作内容，主要作用是搬运工件，传递工件等。通过外国的理解和我国对机械手的介绍和总结。关节型机械手定义是：关节型机械手是一种自动操作机器，它像人的手臂，可以实现多自由度，能自由移动，灵活程度非常高的自动操作机器。可以自动的进行搬运和传动各种各样物体。关节型机械手与人对比，机械手具备快速的移动速度，可以运输大于自身质量零件，定位和操作准确度都不是人手可以达到的，根据输入的要求，外部信号的改变，机械手可以执行各种任务，并且可以及时地更正和调节工作内容。关节型机械手的手臂具有很强的刚性。计算机控制系统属于机械手系统一种，能够使机械手自动运动。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度,改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。虽然机械手出现的和发展只有30多年的历史，但是它靠着自己独特的优点，在世界上各种行业各个领域都得到的应用。有着非常好得发展前景，为各种行业的发展做出巨大贡献。1.2 设计目的这次设计用大学四年来学到的机械设计制造及自动化的有关知识，来完成一个具有搬运功能和要求的关节型机械手设计，在此过程中可以考察自动化专业的学生对于机械制造原理、机械设计原理、机械手相关专业知识的把握程度，将理论应用于实际的能力，可以考察学生是否具备合格的专业能力。该毕业设计的指导目标非常明确，就是希望自动化毕业生能够学以致用，将理论知识运用到实践过程中，完成关节型机械手的整个设计过程。要完成机械手的设计和制造，需要用到生产线上的数控车床、铳床等加工，整个机械手的制造过程是全自动化的。我国制造行业近年来发展形势较好，国家投入了大量人力物力，聚拢了很多资金进入制造行业,造就了制造业的迅速发展。这次机械手的加工可以交给工厂车间的自动车床来进行，可以较好地满足加工要求。机械手可以代替手工进行工作，降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。1.3 关节机械手研究概况1.3.1 国外研究现状MUybridge是最早研究动物运动机制的学者之一，他发明了一种相机，是一种触发相机。用这种相机拍摄了各种各样动物在奔跑时的照片。后来一个叫Demeny的人用相机对人类运动进行拍照，并对照片进行了深刻的研究。上世纪三十至五十年代间，前苏联的科学家一一伯恩斯坦运用生物动力学理论，对动物的运动机制进行了长达二十年的研究，并提出了自己的理论成果。在20世纪60年代对机械手进行了全面的研究。到目前为止，对机械手的研究具有比较完整的理论体体系。在日本、美国和苏联等国家。机械手已近研制成功。在上世纪六十年代末，机械手控制理论取得了突破性进展，三种重要的控制方法被提出，并且成为后来学者的参考标准之一。这三种控制方法分别是模型参考控制、算法控制和有限状态控制。各种各样的机械手对于在这3种控制方法中都是适用的。美国学者FamSWOIIh提出了模型参考控制，南斯拉夫学者MikhaiI提出了算法控制，美国学者VUkObratoViC提出了有限状态控制。这三种控制方法并不是独立存在的，而是相互之间都有某种深层次的关系。对于步态的研究，许多学者也提出了自己的看法，苏联的UmnOV等学者提出了“最优步态''的定义，而KUgUSheV等人则解释了什么是自由步态。自由步态与规则步态是一组相对的概念。当地面情况不平整，那么机械人在工作时，按照设置好的步序行进则不适应实际情况，会出现诸多失误。所以机械人在走路时应该充分考虑环境的影响，实时改进步伐，以适应地面环境，这种步态就称为自由步态。为了提高机械手的稳定性，美国学者Hemami等人提出，如果把系统自身的稳定性和和对系统控制能力简化看成是一个倒立振子的模型，那么机械人前进的运动就是让这个振子从倒立状态恢复成直立状态。为了使控制更为简便容易，Hemami等人还研究了机械手的“降阶模型”问题。提出有限状态控制方式的美国学者Vukobratovic还研究了随着时间的推移，每个联合系统的能力也会逐渐改变，但他并没有对机械手耗能这个问题进行研究。但是在这在探索中，VUkObratOViC提出个非常关键问题，就是表面越光滑，该系统损耗的功率就越小。1.3.2 国内研究现状在中国，对机械手探究和发展相比于外国要迟一段时间。从1980左右中国就开始对工作行业进行的探索和操作。1986年，进行“第七个五年”机械手项目进行考察。上世纪80年代末，我国正式高度重视机械手的设计及制造，并将该技术的探索列入了我国的“863”高技术计划中。直到现在，我国依然不断地在对机械手技术进行研究和探索，并推出新的研究成果。在之前，我国对机械手技术探究的主要原因为了与世界各个国家对机械手设计探究接轨，然而获得一些成果。上世纪八十年代中期，我国研究学者就制作出了一款两脚的机械手，型号是HIT-I,它上下长度110厘米，质量70公斤，包含10个自由度，可以地面上移动，可以左右两侧上下移动，移动距离45cm,移动速度10步每秒，随后还制作HIT-ILHIT-IIL质量42公斤，上下长度103厘米，包含12个自由度，移动距离25厘米，移动速度达到了2.3步每秒。目前还在持续研发新型机械手，自由度超过50个，不管是移动距离还是移动速度都在前面研究的基础之上提高了一个档次。在1988年，我国成功研制了多方位运动的机械手，不单可以直线前后行走，同时还可以上下楼梯，它的型号是KDW-I,包含着六个自由度，最高的移动距离40厘米，移动速度能达到四步每秒。接着在下一年制作出了KDW-I的升级款一一KDW-II,在自由度上做了拓展，总共有十个自由度。上下长度达到了69厘米，质量也尽可能地减少，只有13公斤。1990年在KDW-II表面上添加了几个机械手，使其变成KDW-11I,包含12个自由度。在工作时，可以手臂可以自由旋转。完成了在工作时的各个方向运动。其中移速度0.8步每秒，移动距离20厘米22厘米，其中地面与坡面之间夹角为13度。2000年根据KDW-III条件下顺利制造出我国一台能仿照人动作“先行者”。其中上下高度l4m,质量20kg,具有人类五官的特征，还具有语言功能。1.4 关节型机械手构成机件的作用关节型机械手由三部分构成，一是包含执行和驱动双重系统在内的机械系统，二是控制系统，以及第三部分智能系统。（1）执行系统：关节型机械手是依据执行系统来完成关节部件的操作的，所以整个执行系统包含一系列零件，如手臂、手腕、机身等，同时有这些零件所完成的动作也包含在内。(a)末端执行器：机械手要想能举起、搬动、挪动工件，需要末端执行器来配合执行。(b)手腕：是手爪和手臂连接的部位，它可以使手爪按照工作的要求进行多角度运动。(c)臂部：连接机座和手部的部分，能旋转和升降等，可以将手抓移动到各种位置，还可以承受手抓抓工件的最大质量。扩大机械手在工作中的活动范围，同时还可以将载荷传递到机座。(d)机身：机械手的根源，用来让手臂运动，机械手需靠机身进行支撑。(2)驱动系统:可以认为是机械手最重要的部分,机械手要想完成各种运动、操作，都需要驱动系统供给能量，并且驱动系统还可以定位等。(3)控制系统：通过对驱动系统的控制，执行系统根据需求来完成任务，在机械手运动遇到困难时会及时的给出信息。通过各种工厂的使用情况来看，关节型机械手相较人力，可以完成许多人可以完成的繁琐、重复的工作，也可以完成人手不能完成的危险、高难度的工作。机械手的应用可以降低劳动消耗程度，改进在工作中所需的物质设备条件，提升单位时间制作产品的数量。在工业生产中经常出现由于工件过重或者各种原因靠人的双手是无法进行工作的，这个时候机械手的优势就可以体现出来了。同时该机械手可以在高低温、放射性等有毒污染环境下工作，占据相当大的优势，具有良好的发展前景。2总体方案设计2.1机械手工程概述机械手工程具有很强综合性，包括各种各样知识，如力学、机构学、仿生学、机械设计、机械制造、广电学、传感技术、计算机技术和自动控制技术等。如今,我们系统地将现有学科内容的知识结合起来，解决了综合复杂的工程问题。在机械手制造方面，工程学觉得，应该看做整个系统进行探索，开发，创新应用。将系统的内外部的组成部分有机的结合起来。系统其实就是用整体的眼光去看待一处机械部位，这一个机械部位并不是单一的，而是由多个零件有机结合的一个整体，是由许多子系统按照既定规律进行组合的一个更大更统一的系统，这个系统是作为一个整体存在的，如果被拆分成一个个零部件，则这个系统的功能也会丧失。所以要有整体和宏观意识，设计和制作机器时,应该首先明确整个系统的框架和工作机制，所以系统具有以下特点:(I)整体性：系统具有完整的属性，被拆分开的话则功能丧失。(2)相关性：在系统中它们都有各自相互配合，协调工作。使系统各零部件都具有相关性。(3)目的性：不同的系统，有不同的针对性和目的性，能完成的工作是不一样的。同时，由于结合方式的不同，系统的功能也会相应变化。(4)环境适应性：系统会随着环境的改变而适应相应的环境。所以机械手的设计和制造中，不单单只有各零部件的设计是关键，而且还需要将各零部件当成一个整体进行考虑，对其功能进行考察，只有满足机器人功能的零件组合才是一个成功的系统。制造出具有良好机械手产品，用在机械工厂中来满足工作的需求。复杂的机械手中，系统组成也非常复杂。在工业操作中，机械手的功能多样和调整的灵活性是其最重要的优势和特点，所以在柔性制造系统中，机械手可以发挥重要作用。比如灵活地传送各类零件，完成零件的组合和装配等。在柔性制造系统中，除了机械手以外，基础的工艺设备、辅助设备、控制装置通过相互配合，组成了各种功能的技术综合体系。除了制造业生产部门，非制造业也会用到机械手系统，与制造业的类似，例如医疗、农用、军工、采矿、交通运输等。2. 2工业机械手总体设计方案论述(一)确定负载国内外目前普遍使用的机械手，额定负载大小不一，差别范围较大，最大负载己经超过了九千N,最小额定负载比5N更低。机械手的额定负载的大小与以下因素有关：在每个运动方向上，机械接口上所受到的的力以及扭矩。确定机械手负载也是机械手设计中较为关键的一步，机械手末端执行器的质量以及关节结构部件的质量是这些力和扭矩的来源，除此之外，还包含工件在运动中的加速度和速度产生的惯性力。通过这次设计所给的参数可以知道，负载数是一个很小的值。(二)驱动方式伺服电动机的优势很多，如在控制系统中具有较好的控制性能，能够精准控制速度和位置，灵活性较强等等，该驱动方式噪音较小，对周围环境产生的影响小，有很高效率，适用在中小型机械手中，因为这些机械手在运动中具有严格的控制要求，所以这次设计选用伺服电机驱动。（三）传动系统设计在机械手装置中尽量使机构变的紧密、质量较轻、减少惯性力和降低占用的面积，首先在传动链中需要对间隙进行处理，去除间隙可以提升机械手的运动稳定性和精准点位。在传动系统中，我们常用的传动机构包括：齿轮传动、蜗杆传等。因为齿轮传动具备高效率，有精确的传动比，机构紧密、在作业时质量可以得到保障、使用时间长，再加上在大学期间对传动系统学习，更好的掌握了传动比设计，齿轮传动系统是适合本次机械设计的。（四）工作范围机械手的工作范围较广，但也有局限性，工业操纵器在操作期间的操作范围和轨道是机械手工作范围的衡量标准，并且由工作地方实现。工作地方的外形以及面积会对机械手的机械坐标、自由度个数和每个机械臂的大小长短有影响，同时工作地点还会影响到机械手臂关节的旋转角度，以及整个机械手的移动范围。（五）运动速度在确定机械手的机械臂在工作时最大的运动范围后，接下来就可以确定机械臂的运动速度，用m/s来表示，并且在每个机械臂运动的时间分派中有非常多的因素需要考虑。例如：机械臂在旋转一圈所需要的时间，还有考虑各个机械臂在工作时先后顺序。应给制作一个各个机械臂在工作不同时间的表格，并进行分析,在制作时间表格时，不仅需要思考机械臂工作时运动的范围，还需要考虑到定位的精度是否满足要求、驱动和控制采用哪种方式、机械臂路径以及长短的规划。2.3 机械手机械传动原理下图是关节型机械手的示意图:关节型机械手示意图关节型机械手的组成部件如下：机身部位，可列举出基座，齿轮传动构件，轴承，步进电动机等。机身和底座用于支撑，支撑和旋转机械臂部件，并且臂应具有非常高的硬度二度和容量，而所有关节操纵器支持工作重量和负载。这也需要底座底部的大面积，以确保机器人在运动过程中能够正常工作。机械臂像人的手臂一样，分为上半部分的大臂，包括步进电动机整个臂架和齿轮传动装置，以及下半部分的小臂一一包括小臂、驱动轴以及传动带等。在小臂左端，安装有一个能使手腕运动的电动机。2.4 机械手总体方案设计下图展示了关节型机械手的运动，三个旋转机构共同完成了机械手的运动，机械手结构十分紧凑，占地面积小，并且在工作时，具有较大的灵活性。对机械手自身的长度来说，机械手工作环境比较大，可以完成所需要的工作需求。这种关节型机械手生产和生活有着起着至关重要作用。比如焊接、喷漆、搬运、装配等工作。关节型机械手在生产和生活被普遍使用。矢F佑天工U按照任务书数据要求应给选择机械手类型是关节型主要技术参数见表1-1表1-1机械手类型关节型机械手抓取重量5.OKg自由度4个(3个回转1个移动)大臂700mm,旋转运动，旋转角240,步进电机驱动单片机控制小臂600mm,旋转运动，旋转角240,步进电机驱动单片机控制移动关节气缸驱动行程开关控制手指气缸驱动行程开关控制机身W=60osN=1/6转/秒=10转/分3手部设计计算3.1对手部设计的要求(a)夹紧力应合适机械手臂只有有足够大的夹紧力才能夹住工件，避免工件掉落；同时夹紧力也不能太大，容易导致工件形状发生变化,而且还要要求不破坏工件面的粗糙度。而刚性较小的工件夹取的力度并不能完全不变，应该留有调节的余地，并且应该设置自动锁，保证工作时工件的安全。(b)开闭范围应保持足够由工件外部圆的直径长度可知,夹具尺寸至少比120mm大。机械手的手抓具有打开关闭功能。在手抓抓取零件是，手爪打开和关闭两点之间的最远距离叫做闭合区间。机械手的开闭范围受很多因素的影响，例如零件样式和零件表面积的尺度，通常，假如在工作条件状况允许的情况下，手爪打开和关闭之间的距离应该变的大，这样能满足对零件工作要求。如下图所示：图1机械手机构开闭示例简图(C)手抓的设置应合理手腕的最前端，即是手抓所在的位置。在操作期间运动状况是可变的，完整手抓机构的构造受零件质量和占用面积的影响。并且手爪部还具有抓取零件，确定位置的准确度，运动速度等功能。所以，手抓在设置和制作过程中应充分考虑到使机构简单便利的需求，尽可能自重较小，不增加整体占用空间。(d)机械臂的手指具有较大的强度和刚度(e)除以上要求外，还应满足：工件大小，重量，形状，进给和夹紧机械手机构，最常用外卡式双指钳口，夹取零件的常用方法用弹簧进行加紧零件，松开零件时，使用单一式液压缸。这样的好处是制作和使用过程都比较简单。3. 2拉紧装置下图是整个油缸的工作示意图，油缸在右边机器里，当不进油时，弹簧自身的弹力将工件夹紧，当进油时，单一式液压缸使弹簧将工件松开。设定活塞的直径D=50mm,系统压力P=25Mpa,可计算右腔推力:(1)Fp=(-4)D2P=(4)×0,52×25×103=4908.7N(2)根据手爪抓取工件的位置，通过查表，得出以下夹紧力计算公式:其中N'=4>98N=392N,带入公式计算得到:F1=(20)×(cosa,)2,=(2×15050)×(cos30o)2×392=1764N可求得实际加紧力为：F1实际二PK/K2g764×1.5×1.1/0.85=3424N取整可得：F=3500N由公式不孕在二令得：a=50.5mmb=72mm(3)手部活塞杆行程长L的计算1.=(DI2)g(3-19)=25×tg30o=23.Imm取整可得：L=25mm(4)确定“V”型钳爪的36。取LRcp=3式中：RCP=P/4=200/4=50由公式得：L=3×Rcp=l50选用机械手手部的角度2斤120。，那么旋转角B采取最优旋转角。查表得：=22o39,3.3机械运动范围(速度)(a)伸缩运动VmaX=50OmrnZSVmin-50mms(b)上升运动Vmax=500mmsVmin=40mms(c)下降½Hv=800mmsVmin-80mms(d)回转Wnm=90。/SWmin=30%所以取手部驱动活塞速度V=60mms3.3 手部右腔流Q=SV=602=60X3.14X252=1177.5mm3s3.4 手部工作压强尸=47S=3500/1962.5=1.78Mpa4移动关节的设计计算3.5 驱动方式的比较机械手的驱动方式有四种：根据驱动是由液体还是气体压力，分为液压和气压驱动，除此之外还有电机驱动和机械传动。机械手的驱动方式很少只用到其中一种，大多是组合式，在一些工作比较复杂的机械手中可采取多种方式驱动，各种驱动的特点见表4-1c4. 2汽缸的设计由于气压运行时较小，所以对组成气动各个元件和加工零件的形状，尺寸低于液压，而且对环境没有影响，工作时活动灵活，反应快。保养外型容易，利用起来安全。因为这个地方对物体的力没有必要太大，所以选气压传动。汽缸内型选择：由于活塞来回移动的时间较长并且来回反复移动动，所以因此选单活塞汽缸。采用挤压气体的方式，活塞可在来回反复运动。令活塞杆直径d=12mm,则活塞杆的质量可以估算得到：G2受吹=3.14(g%X0.55X78°01°=4.85(N)取整可约等于5N。F=G+G,+G2=23÷23+5=51取80N表4-1比较内容驱动方式机械传动电机驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气压小，输出扭矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高,输出力大控制性能速度可以增大，但速度和加速度都是由机构控制，定位精度高,可以与主机同步进行控制性能差，惯性大，容易定位控制性能良好，可以精确定位，但是控制系统较为复杂可以高速，高气压，低助力，冲击较严重，定位困难,低速步易控制油液压缩性小，压力流量都可以容易控制，可以任意调速，反应迅速，可实现连续轨迹控制体积当自由度数目大时,机构变的复杂同时体积要油减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，可以在高温，粉尘等环境不好的条件下使用维修方便，油对温度敏感，油的泄露可能引起火灾应用范围使用于自由度少的机械手中，速度快慢都可以使用使用于机械手抓重量大的，并且速度慢的使用在具有复杂的系统和有明确规定的运动轨迹小型机器人中小型专用通用机人有中小型专用通用机械手都有，在重型机器人中使用占据比例更大成本结构易懂,制造费用低,有的工厂都可以自己研制成本低成本较高结构简单,能源方便，成本低液压元件制造时成本昂贵，并且油路也复杂气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式13-1FJ(D24D表示汽缸的里面圆的大小(m),P表示工作压力(Pa),，表示单位时间担负的工作量，其中单位时间担负的工作量与汽缸工作压力有这一定的关系，取P=0.40,查液压传动与气压传动表13-2P=030-T).65由于汽缸垂直安d/-H703装，所以取P=O.3。一般/。一.,所以选0.34FP0.91×064×803.14×0.4×0.3×0.91×106=0.03054() = 30.54(加 M根据“液压传动与气压传动”表13-3得出圆的直径为40mm一般%=0.2-0.3,此选0.3.6=0.3D=0.3×40=12mm汽缸壁厚5的计算根据“液压传动与气压传动”表13-5查得b=4汽缸重量的计算G3=(R2-r2)hpg=3.14(0.0242-0.0202)×0.55X7800×10=23.7(N)其中：R表示汽缸外部圆的半径，r表示汽缸里面圆的半径，h表示汽缸尺寸，g取10,2表示汽缸材料密度G3取25N5小臂的设计机械臂是机械手的主要操作部分，它的功能是支持手爪和手腕，机械臂可以使零件的方位发生变化。手臂的运动决定手爪的活动范围。5.1小臂结构的设计要求(1)小臂选取的材料很坚固，应正确选用机械臂部的表面外形和尺寸，普通用钢管做机械臂和导杆。支撑板由工字钢和槽钢制成。用来保证刚度的要求，达到最佳选材效果(2)偏重力矩不能过大。(3)机械臂本身的质量和惯量都不能太大，这是为了尽可能地减小机械臂在工作过程中遭受的冲击和碰撞，缓冲是解决办法之一，同时机械臂的结构应该设置得更为紧凑合理，保障一体性，重量上也需要达到较轻程度，这样可以降低惯性力。(4)具有较好的导向性。5. 2小臂结构的设计小臂的表面采用工字钢的造型，抗变型程度可以显著增强，小臂的表面积也可以因此设计的更小。从而可以降低机械手小臂重量，降低的制造的成本，手臂活动起来也方便快捷。5. 3小臂电机及减速器选型将小臂转速W设置为15度，角速度从0一直增加到15度所需要的时间为4=02s,输出转矩计算得到：/GT,=×62=0.16×-=0.2N,m0.2当考虑惯性力矩和围绕机器人臂的每个部分的重心的摩擦力矩时，在臂的旋转开始时假设起动扭矩为ION/m并且安全系数为2o这是输出谐波减速器所需的最小转矩计算为:T0l=2T=2×5=20N,m选择型号为XB3-5O-1OO的谐波减速器，额定输出转矩和减速比分别为：20N.m,i=100设谐波减速器的的传递效率为：t7=9O%,可计算出步进电机应输出力矩:%二20 i 100×0.9=0.222NW选择型号为55BF003的BF反应式步进电机静转矩：0.686N.m步距角：1.5。5.4小臂的计算选10号工字钢。理论重11.261kgmWv=9.7温,h=100mm,d=4.5mm,小臂长为600mmo较核：Gl烟=mg=11.261x0.6x10=73.19(N)取75N其受力如下图:Lij DVG小肾F=75+105=180(N)M=Fl×L+G小臂Xt=IO5X0.6+75X0.3=92.625(Mm)=-=92625=9.53MPa=100MPaWV9.72(10-2)3根据“材料力学”公式5.11=生hb其中h表示工字钢的长度，b表示工字钢腰部的长度，Q表示受到的力。 OAMPa = 60MPa所以不二义=咽hb100Xl(T3%4.5XI。/所以选10号工字钢合适。5.5轴的设计计算轴的直径为20mm,材料为45号钢。受力如下图：FlF验算：F.=F2=-=6257=926.25(N)F=180N,2IIOxlO2r=-=96225=295MPa=MPar13.14x(10x10-3)2所以合适5. 6轴承的选择由于上轴承仅承受径向力，下轴承承受轴向力和径向力，因此选择圆锥滚子轴承，并根据“机械零件手册”表9-6T(GB297-84),选择7304E。d为20mmc=31,5kNCO=I7.2ANe为0.35.7 轴承的校核由于臂轴承在工件工作期间以低速振荡，因此需要进行轴承试验。如果接触应力太大，则永久压痕也会增加(即，材料具有不可接受的永久变形)并且选择负载能力。公式是：根据“机械设计”13T7C0S。痣其中静载荷用表示与，轴承静强度安全系数表示S。，都是由轴承的使用决定的。根据“机械设计”表3-8作摇晃运动轴承，在碰撞时产生不同的载荷，SO=I一一1.5此处1.5.上轴承受纯径向载荷，.综=E=926.25(N)所以SO4=926.25X1.5=1389.375(N)Veo=17.2(MV)因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷，=X°H+4AR为径向载荷A为轴向载荷用X和Y分别代表径向和轴向载荷系数。根据“机械设计”表13-5查取需要的参数值II=18=0187<=03，曰从/A/962.5可得：X0=1Y0=06=XoR+LA=R=962.5N进而，So庶=962.5X1.5=1443.75(N)VCo=I7.2(侬)从而轴承是适合的并且承受的力较小，不必进行校准。5.8 计算轴承摩擦力矩：如果£=io(C和P分别表基本额定动载荷和当量动载荷)，根据“机械设计手册”第二版(16.1T3)公式:T=0.5Fd估算可以得到数值上式子中的FD分别是滚动轴承摩擦因数，轴承载荷，轴承内径。查表可得得以=OOOllC _ 17200了 - 926.25= 18.56 >10所以7；=0.5R=0.5X0.0011×962.25×0.02=0.010189(NM)根据“机械设计手册”第二版表16.1-29得"=0.0013,£=27000=150>10,同样可以估算P180T2=0.5juFd=0.5×0.0013×180×0.02=0.00234(NM):.T总二4+笃=0.010189+0.002340.0125(7V.M)保留两位小数是0.15.9步进电动机和齿轮选择驱动机械臂的力并不需要多大，精度没有特别高的要求，控制越方便越好，所以选择步进电动机的时候，最好是误差不容易积累的类型。可选择步距角度较小并且同时还能达到最大静转矩，两个要求都满足的情况下，矩频特性就可以不用考虑了，因为转速不大，按照参数表可以选45BF00511,相关参