【工業(yè)送料六軸機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計9400字（論文）】

要性不言而喻。小臂主要驅(qū)動手腕部分的旋轉(zhuǎn)以及手腕部分的俯仰等動作。而要實現(xiàn)這樣一個動作就必須要用到機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)，常用的傳統(tǒng)系統(tǒng)無非是齒輪、皮帶和鏈條。而小臂的結(jié)構(gòu)都是非常緊湊的，而皮帶、鏈條他們能夠適應(yīng)比較長的中心距之間的傳動，但是結(jié)構(gòu)太不緊湊了，無法安裝到小臂內(nèi)進(jìn)行傳動作業(yè)，所以我們就采用了齒輪進(jìn)行傳動。對于機(jī)械機(jī)構(gòu)里面齒輪出現(xiàn)的概率非常的高，所以齒輪已經(jīng)成了機(jī)械最直接的代名詞，我們?？吹降囊恍┯耙曌髌樊?dāng)中，尤其是在一些古裝的影視作品中，為了表現(xiàn)出古代機(jī)關(guān)的精巧以及機(jī)械的復(fù)雜，一般都會把很多齒輪把它疊加在一起。在現(xiàn)實當(dāng)中的機(jī)械傳動不敢說都有齒輪，但可以說九成以上都要依靠齒輪。從齒輪出現(xiàn)的概率我們就不難想象齒輪在機(jī)械傳動中的位置。齒輪之所以這么受歡迎，其主要的原因在于齒輪傳動特點就是傳動力矩大，使用壽命長，維護(hù)也簡單[6]。而且齒輪傳動它還有好多變形，比如說有不完全齒輪傳動，以及其他一些異形齒輪傳動，這些變形以后的齒輪傳動可以實現(xiàn)比單一圓周旋轉(zhuǎn)更為豐富多樣的運動。為了讓手腕部分旋轉(zhuǎn)的速度可調(diào)，本設(shè)計采用多個電機(jī)驅(qū)動不同傳動比的齒輪副實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。其實實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)還有一個很典型的辦法，就是通過一個電機(jī)驅(qū)動變速齒輪傳動系統(tǒng)通過滑移齒輪改變鎳和齒輪的傳動比，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這個方法是比較傳統(tǒng)的，最典型的應(yīng)用就是車床的床頭箱，這個方法看似節(jié)約了電機(jī)數(shù)量，其實它增加了傳動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，讓傳動系統(tǒng)變的不緊湊，而且也增加了設(shè)計難度。而機(jī)械手要求傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)緊湊，而且要求結(jié)構(gòu)要盡可能的簡單一些，同時方便實現(xiàn)自動控制。因此采用多個電機(jī)獨立驅(qū)動不同的齒輪副實現(xiàn)變速，更加符合本設(shè)計機(jī)械手的設(shè)計要求。因此本設(shè)計采用三個獨立的電機(jī)驅(qū)動三個不同傳動比的齒輪副實現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，如下圖2-2所示。圖2-2變速驅(qū)動系統(tǒng)4.手腕部分機(jī)械手手腕部分本身要旋轉(zhuǎn)，他不光要有圓柱齒輪傳動，還需要有錐齒輪傳動，通過錐齒輪傳動帶動手腕部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。圖2-3手腕部分的傳動結(jié)構(gòu)5.末端執(zhí)行器由于本設(shè)計機(jī)械手它主要是應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的，所以它的末端執(zhí)行器擔(dān)負(fù)的作用一般是工業(yè)的，所以它的第一要務(wù)就是要能夠?qū)I(yè)用料進(jìn)行夾緊和松開，因此它的末端執(zhí)行器是卡爪式的結(jié)構(gòu)。末端執(zhí)行器采用氣缸進(jìn)行驅(qū)動，它的結(jié)構(gòu)也是比較成熟，是通過氣缸的伸縮拉動拉桿，拉桿帶動兩側(cè)的卡爪實現(xiàn)開合。將上述各部分結(jié)合起來，就得到了本設(shè)計工業(yè)送料機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，如下圖2-4所示。圖2-4整體結(jié)構(gòu)三、工業(yè)送料機(jī)械手的設(shè)計計算（一）機(jī)械手底座的設(shè)計1.底座設(shè)計要求工業(yè)送料機(jī)械手的底座，它承擔(dān)了整個機(jī)械手的重量，同時如果機(jī)械手夾持重物的話，那么它還要承擔(dān)重物的重量，這就要求機(jī)械手的底座必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性，一般來說像底座支座之類的零件都采用鑄造，材料往往采用非常容易鑄造成型的灰鑄鐵。加上灰鑄鐵具有良好的吸振的性能，所以在很多大型的機(jī)械上都采用灰鑄鐵鑄造底座。但是灰鑄鐵要發(fā)揮出良好的抗壓減振性能必須要具有足夠的體量，而工業(yè)送料機(jī)械手底座尺寸有限，即使使用灰鑄鐵鑄造也難以滿足使用要求，因此底座采用強(qiáng)度更高的鑄鋼材料來制造。材料選用ZG200-400，外形設(shè)計為薄壁結(jié)構(gòu)，以減輕自身的質(zhì)量[7]。2.底座電機(jī)選擇小手臂轉(zhuǎn)動慣量： J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2=23.43kg.m2 （3-1）大手臂轉(zhuǎn)動慣量：J2=（a2+臂2+c2+d2）+mp2=（0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.352=5.742kg.m2（3-2）兩電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量： J電=J電1+J電2=34×0.22+8.5×0.42=2.72kg.m2 （3-3）減速箱的轉(zhuǎn)動慣量： J減=150×0.452=30.375kg.m2 （3-4）腰部本身的轉(zhuǎn)動慣量：J1=mp2=250×0.252=40kg.m2（3-5）所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為J總=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392kg.m2（3-6）而轉(zhuǎn)動角加速度為ε=7.854°/s2輸出軸的轉(zhuǎn)矩為M=J總ε=150.392×7.854=1181.179N·m（3-7）轉(zhuǎn)換到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩為M電=17.71N·m根據(jù)要求M電<M額，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為28.4N·m。（二）機(jī)械手手臂的設(shè)計1.手臂電機(jī)選擇大手臂的轉(zhuǎn)動慣量，由上可知; J2=5.742kg.m2 （3-8）電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 J電2=8.5×0.42=1.366kg.m2 （3-9）擺線減速器轉(zhuǎn)動慣量： J減=150×0.452=30.375kg.m2 （3-10）大手臂總慣量：J總=5.742+1.366+30.375=40.602kg.m2（3-11）所以電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為M電=14.17N.m根據(jù)要求M電<M額，選P=2.5kw，n=1000r/min的GY2.5型電機(jī)小手臂的轉(zhuǎn)動慣量 J3=34×0.22=1.36kg.m2 （3-12）電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 J電3=100×0.52=25kg.m2 （3-13）擺線減速器轉(zhuǎn)動慣量 J減3=150×0.452=30.375kg.m2 （3-14）所以小手臂總的轉(zhuǎn)動慣量為J總=23.43+1.36+25+30.375=80.165kg.m2（3-15）對應(yīng)在電動機(jī)上M電=9.45N.m根據(jù)要求M電<M額，選P=2.2KW，Y-H系列電機(jī)，轉(zhuǎn)速n=800r/min2.小臂設(shè)計經(jīng)過上面的分析，小臂的俯仰實際上是通過電機(jī)驅(qū)動連桿從而拉動小臂進(jìn)行擺動，這實際上就是一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖3-1所示。圖3-1四桿機(jī)構(gòu)示意圖3.手臂齒輪的設(shè)計計算取小齒輪齒數(shù)=24，則=5×24=120，大齒輪齒數(shù)Z2＝120。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計選擇小齒輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241-286H臂S。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度190-240H臂S，精度8級。確定各個參數(shù)數(shù)值（1）T=9.55×10×=9.55×10×(0.4/0.75)×0.99=5.04×10Nmm（2）初選=1.4；=1；ZE=188.9；=2.5（6）小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=1150MPa，大齒輪為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2=N1/5=5.7×（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1==1242MPa （3-16）==1332.8MPa（3-17）確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm（2）按K值對進(jìn)行修正由圓周速度 =2.28m/s （3-18）查機(jī)械設(shè)計手冊得到=1.075，為=1.2。=1.07，=1.00所以載荷系數(shù)K==1.38按K值對進(jìn)行修正==29.04=28.9mm （3-19）（4）確定模數(shù)m以及主要尺寸m==1.2mm為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2==216mm分度圓直徑==72mm，==360mm齒寬臂==72mm，取小齒輪齒寬=80mm，大齒輪齒寬=75mm齒頂高===3mm，齒根高===3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 （3-20）確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù)=1.25可得==539.6MPa==556.64MPa（5）驗算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度===58.48MPa==54.61MPa彎曲疲勞強(qiáng)度足夠了。（三）機(jī)械手手腕部分設(shè)計（1）確定手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)齒輪系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備，而系統(tǒng)中物理參數(shù)和幾何參數(shù)等的不確定性可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運動精度喪失、運動可靠度下降。針對不確定性下齒輪系統(tǒng)運動精度問題，分析了齒輪機(jī)構(gòu)的動態(tài)傳遞誤差REF_Ref20967\r\h[8]。齒輪和軸作為傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵的零部件，他們是直接傳遞動力和扭矩的，可以說是傳動系統(tǒng)中的中流砥柱。所以他們使用的材料都是有講究的，強(qiáng)度剛度要滿足要求自然不用說，另外還要有一定的韌性要求。一般情況下作為軸來說45號鋼和40Gr都是非常合適的材料，之所以這些材料常用，是因為他們的性價比高，調(diào)制過后的綜合力學(xué)性能非常好價格也不貴。根據(jù)上面的分析，本軸的材料為40Cr，調(diào)制處理。軸的基本結(jié)構(gòu)如下3-2所示。圖3-2軸的基本結(jié)構(gòu)2.手腕齒輪連接軸的強(qiáng)度校核（1）計算齒輪的受力轉(zhuǎn)矩T=9.55×10=9.55×10×(3/75)×0.99=378180Nmm圓周力==12606N徑向力==4588.2N（2）計算支撐反力水平面受力圖如圖3.3(a)所示。+= （3-21）×153=×(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力圖如圖3.3(臂)所示。+= （3-22）×(67+153)=×67故=3839.10N，=8766.90N（3）畫軸彎矩圖水平面彎矩圖見圖3.3(c)圖。垂直面彎矩圖見圖3.3(d)圖。合成彎矩M=。（4）畫軸轉(zhuǎn)矩圖軸受轉(zhuǎn)矩T=T，轉(zhuǎn)矩圖見圖3-3(f)圖。（a）（臂）（c）（d）（e）（f）圖3-3手腕齒輪連接軸的受力分析（5）按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核fg段的中間截面為危險截面。取=0.6。當(dāng)量轉(zhuǎn)矩=0.6×378180=226908Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以<。因此小軸1的滿足強(qiáng)度要求，所以有安全保障。四、工業(yè)送料機(jī)械手的控制（一）自動控制方式概述控制系統(tǒng)就是一種控制各種硬件的裝置，并對其進(jìn)行各種操作功能進(jìn)行管理的系統(tǒng)。最早控制系統(tǒng)都是由純粹的機(jī)械來進(jìn)行操作控制的，以機(jī)械對機(jī)械的方式來進(jìn)行控制硬件運行。工業(yè)革命時期國外發(fā)明了蒸汽機(jī)，就是依靠純粹的機(jī)械控制機(jī)械的運行，雖然這樣的方法可以是機(jī)械得到長久的使用，具有較大的經(jīng)濟(jì)性和實用性，但單純靠機(jī)械控制機(jī)械不夠靈活。而且機(jī)械較小的話還可以進(jìn)行手動控制，但如果都是大的機(jī)械的話，就很不好去調(diào)整了，這說明機(jī)械對機(jī)械的控制靈活性很差，需要耗費很大的人力成本。后來隨著科技的發(fā)展，人們對此作出了研究，逐步研發(fā)出的是PLC控制系統(tǒng)，這個控制系統(tǒng)是依靠改編程序來實現(xiàn)控制的改變。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)大型設(shè)備的控制，尤其對工業(yè)上大型機(jī)械的控制操作有著非常大的幫助，在許多龐大以及數(shù)量復(fù)雜的機(jī)械中都有很好的應(yīng)用，在發(fā)電廠、化工廠等大型工廠都會運用到PLC，它有著能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的控制系統(tǒng)，初期它的價格也不便宜。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路的廣泛應(yīng)用，人們又研發(fā)出了高性能的單片機(jī)，單片機(jī)同樣是依靠改編程序來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作運行，單片機(jī)與PLC最大的區(qū)別就在控制方式的不同。單片機(jī)更擅長控制小型的機(jī)器，所以它大都應(yīng)用在電腦內(nèi)部、電子秤、兒童玩具等這樣的小型控制系統(tǒng)，它的價格很便宜，因此有很多的企業(yè)去運用單片機(jī)，所以單片機(jī)也是一項非常成功的研究。而國內(nèi)早先是依靠人控制機(jī)械的方法，十分落后，后來是依靠機(jī)械對機(jī)械的控制系統(tǒng)，并一直沿用了很久，雖說很耐用，但是不夠靈活。隨著改革開放之后，中國面向世界，有了更多的科技和文化的交流，人們也發(fā)現(xiàn)了PLC和單片機(jī)的應(yīng)用之非常廣，所以國內(nèi)也決定研發(fā)這樣的控制系統(tǒng)，但由于當(dāng)時的技術(shù)較落后，人們苦于研究未果之后，引進(jìn)了國外先進(jìn)的控制系統(tǒng)，對其進(jìn)行消化吸收，在此基礎(chǔ)上做出了大量的研發(fā)成果。隨著科技的成熟發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自主研發(fā)PLC和單片機(jī)這樣的控制系統(tǒng)，國內(nèi)許多大小企業(yè)也相繼研發(fā)了控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)械的自主控制，在工業(yè)機(jī)械和自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)也得到了廣泛的發(fā)展，并且取得了不錯的成績。相信在未來，我國在控制系統(tǒng)的研究上還會取得更大的突破，創(chuàng)造出更加智能化的控制系統(tǒng)。不管是單片機(jī)也好還是PLC也好，他們其實都能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制，而本課題研究的他這種工業(yè)送料機(jī)械手都可以使用這些方法進(jìn)行控制，不過二者相比PLC要更勝一籌，為什么這么說，因為PLC它更加適合在工業(yè)中對于機(jī)械手、生產(chǎn)線這種有固定工作程序的設(shè)備進(jìn)行控制。加上plc它具有控制性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)這一優(yōu)點，所以機(jī)械手基本上都會選用PLC進(jìn)行控制，本設(shè)計自然是不例外。（二）plc的選型確定了選用PLC，那么使用哪一個類型的plc呢，再選擇PLC時重點要考慮的幾個問題，首先輸入輸出的點數(shù)，其次存儲空間，另外就是PLC的功能。輸入輸出點數(shù)是非常重要的，首先我們要預(yù)估控制系統(tǒng)需要多少輸入輸出點數(shù)，選擇的PIC型號要能夠在滿足點數(shù)要求的前提下再預(yù)留一些點數(shù)，作為備用。比如總共需要32個點數(shù)，而此型號正好總有32個點數(shù)，那么有的人就會認(rèn)為它是符合要求的，其實不然因為要考慮到后期的擴(kuò)展問題，至少要有36個才能滿足要求，也就是說要比要求的點數(shù)還要多一些才行。同樣的存儲空間也是這個道理，在滿足要求的前提下再放一些。另外就是PLC的控制功能的選擇，選擇的PLC型號所帶有的功能要涵蓋設(shè)備控制需求的全部功能才行。采用單片機(jī)技術(shù)和PＩＤ閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制技術(shù)，設(shè)計了一款新型的仿人多指機(jī)械手，并設(shè)計了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)的核心采用了一款性價比較高、使用靈活的ＡＴ８９Ｓ５２單片機(jī)。通過測試發(fā)現(xiàn),單片機(jī)可以實現(xiàn)機(jī)械手指夾緊力信號的收集、處理，并能夠發(fā)出動作指令REF_Ref22760\r\h[9]?？偨Y(jié)在研究工業(yè)送料機(jī)械手時，我獲得了很多的啟發(fā)，幫我作為機(jī)械設(shè)計的學(xué)生，對于機(jī)械設(shè)計的知識有了深入的認(rèn)識，同時對于我所學(xué)的這個專業(yè)主要從事的工作也有了深刻的了解。更重要的是他讓我把大學(xué)4年所學(xué)習(xí)的各種專業(yè)的知識，有了一次實際檢驗的用武之地。但是通過畢業(yè)設(shè)計也暴露出了許多的問題，比如很多基礎(chǔ)的專業(yè)知識沒有掌握，導(dǎo)致在用到他們時感覺到心有余力不足。所以在未來的學(xué)習(xí)中，我還要進(jìn)一步刻苦努力提升自己。本課題主要研究的工業(yè)送料機(jī)械手屬于六自由度機(jī)械手的一種。本課題研究的機(jī)械手主要用來對工業(yè)進(jìn)行和收集工作，進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平。在研究前首先參考了類似機(jī)械手的設(shè)計方法，設(shè)計思路和要點，然后設(shè)計了工業(yè)送料機(jī)械手的整體方案。在分別設(shè)計了工業(yè)送料機(jī)械手的手部、臂部和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對于機(jī)械手的關(guān)鍵零部件和傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計