機(jī)械自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)可重構(gòu)液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)

題目可重構(gòu)液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要機(jī)器人的使用在21世紀(jì)廣為流傳。

沒有一個(gè)單一的部門，不使用機(jī)器人系統(tǒng)在開展技術(shù)工藝。機(jī)械手是模仿人類的手部動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓斗和執(zhí)行，這是一個(gè)自動(dòng)裝置。在嚴(yán)峻的環(huán)境造和單調(diào)，頻繁操作機(jī)械臂是用來代替人，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。一般情況下，機(jī)械手正四個(gè)部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和檢測(cè)設(shè)備組成，智能機(jī)器人的感覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。機(jī)械手作為整個(gè)可重構(gòu)液壓機(jī)器人的執(zhí)行部分，擁有重要的意義。研究人員都希望機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，抓取力大，易于控制，擁有較高的控制精度。目前，許多研究者己對(duì)常規(guī)機(jī)械手、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等作了許多的理論與實(shí)驗(yàn)研究，但目前的機(jī)械手一般機(jī)構(gòu)復(fù)雜、很難控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)一種既能簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)與控制，又能較好地取放物體的機(jī)器人手已成為國內(nèi)外研究者的重要研究課題和主流方向之一。本設(shè)計(jì)采用液壓轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)，這使得機(jī)械手抓取力得到了很大的提高，同時(shí)也使得整個(gè)機(jī)械手的控制精度有了很大的保證。在設(shè)計(jì)中通過對(duì)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥，舵機(jī)，微控制器，編碼器，油道及接口進(jìn)行了集成，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)械手滿足了可重構(gòu)性。整個(gè)機(jī)械手爪通過齒輪和螺紋傳動(dòng)，增加了傳動(dòng)的平穩(wěn)性和抓取力矩,使得抓取平穩(wěn)可靠。本文通過三維建模軟件Pro/Engineer進(jìn)行伺服閥與機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，運(yùn)動(dòng)仿真，有限元分析，并對(duì)個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度校核。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，液壓轉(zhuǎn)角伺服閥響應(yīng)快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好、運(yùn)動(dòng)精度高，帶動(dòng)機(jī)械手手爪抓取力強(qiáng)，抓取精度高。關(guān)鍵詞：可重構(gòu)；液壓轉(zhuǎn)角伺服閥；抓取力目錄前言11概述2設(shè)計(jì)題目及參數(shù)要求21.2液壓系統(tǒng)原理圖22機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理33液壓轉(zhuǎn)動(dòng)伺服閥設(shè)計(jì)43.1液壓轉(zhuǎn)角伺服閥原理43.2閥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)63.2.1缸體的設(shè)計(jì)63.2.2油道設(shè)計(jì)63.2.3軸承的計(jì)算與選用63.2.4輸入接口模塊設(shè)計(jì)83.2.5端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)84傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)104.1錐齒輪的設(shè)計(jì)校核104.1.1確定錐齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)104.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)104.1.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)124.2滑動(dòng)螺旋的設(shè)計(jì)與校核144.2.1確定螺桿傳動(dòng)的最小直徑144.2.2梯形螺紋結(jié)構(gòu)尺寸的確定144.2.3梯形螺紋結(jié)構(gòu)尺寸校核144.3傳輸軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核165鍵的校核205.1輸入軸鍵的校核205.2傳輸軸鍵的校核206其它零件的選取216.1六角螺釘216.2軸端擋圈及螺釘216.3螺栓螺母217機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真227.1基于pro/e的三維建模227.2運(yùn)動(dòng)仿真227.3軌跡規(guī)劃方案237.4動(dòng)態(tài)模擬247.5干涉檢查258機(jī)械手抓的靜態(tài)分析268.1機(jī)械手抓的受力分析268.2三維建模靜力分析26結(jié)束語29參考文獻(xiàn)30前言機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)器人的能力不斷提高，機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍正在不斷擴(kuò)展，人們希望機(jī)器人能完成更加復(fù)雜的任務(wù)。通過重新編程，機(jī)器人能很容易地完成許多不同的任務(wù)，然而一臺(tái)機(jī)器人能完成任務(wù)的范圍卻受其自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)限制。對(duì)于給定任務(wù)，可根據(jù)任務(wù)要求來選擇機(jī)器人的最佳結(jié)構(gòu)。對(duì)于一些不可預(yù)知的作業(yè)任務(wù)或不斷變化的作業(yè)，就無法選擇機(jī)器人的最佳結(jié)構(gòu)，需要應(yīng)用許多具有不同運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性的機(jī)器人來完成作業(yè)任務(wù)，這種做法往往耗資巨大，甚至于不可行。因此，需要使用一種能根據(jù)任務(wù)要求改變自身構(gòu)型的機(jī)器人來完成不可預(yù)知的作業(yè)任務(wù)?？芍貥?gòu)機(jī)器人的研究正是在此類應(yīng)用背景下開始的?？芍貥?gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)是由一組具有標(biāo)準(zhǔn)連接接口的模塊組成，這些模塊能夠根據(jù)特定的任務(wù)要求而被快速裝配成不同構(gòu)型的機(jī)器人?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境與任務(wù)是多變的，需要采用能夠快速適應(yīng)任務(wù)的制造系統(tǒng)。可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的特點(diǎn)恰恰滿足了現(xiàn)代化生產(chǎn)的這種需求，提高了工作效率，降低了成本。可重構(gòu)液壓機(jī)器人因輸出力矩大精度高而廣泛受到國內(nèi)外的別是發(fā)達(dá)國家的關(guān)注,可重構(gòu)液壓機(jī)器人的研究目前已經(jīng)成為機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向,并已取得一些重要的成果。但是目前要想在可重構(gòu)液壓機(jī)器人領(lǐng)域取得重大突破，必須解決一些瓶頸問題，如尺寸過大、運(yùn)動(dòng)不解耦、閥芯控制力矩大且徑向力不平衡等問題。液壓伺服技術(shù)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、無需減速器就能實(shí)現(xiàn)大力矩傳動(dòng)、調(diào)速范圍大、單位功率重量僅為電機(jī)的1/10、易于控制等優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外有多家單位在機(jī)器人液壓伺服技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究。在許多實(shí)際應(yīng)用中，為了適應(yīng)高精度地取放操作對(duì)象，常要求機(jī)器人手具有較高的定位取放能力，以代替人手繁重的復(fù)雜勞動(dòng)。目前，許多研究者己對(duì)常規(guī)機(jī)械手、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手等作了許多的理論與實(shí)驗(yàn)研究，但目前的機(jī)械手一般機(jī)構(gòu)復(fù)雜、很難控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)一種既能簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)與控制，又能較好地取放物體的機(jī)器人手已成為國內(nèi)外研究者的重要研究課題和主流方向之一。本課題主要對(duì)一種通過以液壓轉(zhuǎn)角伺服閥提供大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力源，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手爪的抓取。文章對(duì)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。概述設(shè)計(jì)題目及參數(shù)要求設(shè)計(jì)題目：可重構(gòu)液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)及要求：1、設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手，設(shè)計(jì)中應(yīng)用液壓轉(zhuǎn)角自伺服技術(shù)，讓機(jī)械手的抓取力矩大于150N.m，盡量減小尺寸。較小的關(guān)節(jié)空間中需要集成油道，電源線，微控制模塊，轉(zhuǎn)角伺服模塊及對(duì)外的標(biāo)準(zhǔn)接口等元器件，需用三維造型軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真。2、液壓系統(tǒng)最大工作壓力：5MPa。1.2液壓系統(tǒng)原理圖本液壓系統(tǒng)為一開式回路，由液壓泵、電磁溢流閥、蓄能器、液壓轉(zhuǎn)角伺服閥及相關(guān)輔件組成。系統(tǒng)原理圖見圖1.1。圖1.1液壓系統(tǒng)原理圖2機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理本設(shè)計(jì)機(jī)械手通過以液壓轉(zhuǎn)角伺服閥作為動(dòng)力源，通過液壓轉(zhuǎn)角伺服閥提供的扭矩，帶動(dòng)錐齒輪A轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到另一錐齒輪B，錐齒輪B與絲桿同軸，絲桿將力矩傳遞到手抓，從而帶動(dòng)機(jī)械手手爪抓取物件。該設(shè)計(jì)的主要工作就是兩個(gè)方面，一是對(duì)液壓轉(zhuǎn)角伺服閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，二是對(duì)機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力的仿真，得到想要的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。三是對(duì)齒輪，螺紋傳動(dòng)，進(jìn)行強(qiáng)度校核，進(jìn)行有限元分析，校核強(qiáng)度是否滿足要求。機(jī)械手原理圖如圖2.1。圖2.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖3液壓轉(zhuǎn)動(dòng)伺服閥設(shè)計(jì)3.1液壓轉(zhuǎn)角伺服閥原理伺服閥隨動(dòng)閥套的設(shè)計(jì)與缸體結(jié)合，為減小關(guān)節(jié)尺寸，油道，電源線，微控制模塊嵌入到缸體內(nèi)，此種方法已經(jīng)有應(yīng)用的先例，加拿大EngineeringServicesInc.(ESI)公司生產(chǎn)的MRR(Modularreconfigurablerobotseries)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人，將油道約束在關(guān)節(jié)內(nèi)，有效地精簡(jiǎn)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，避免了不必要的干涉，擴(kuò)大了工作空間。由于液壓傳動(dòng)技術(shù)對(duì)于直線傳動(dòng)上比較容易實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要經(jīng)過一定的機(jī)械機(jī)構(gòu)才能得以實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)極好的解決了這一難題。本文提出了一種閥芯徑向力平衡的閥芯阻力小盲區(qū)小的液壓轉(zhuǎn)角伺服閥，這種液壓轉(zhuǎn)角伺服閥是一種基于轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯結(jié)構(gòu)原理的旋轉(zhuǎn)式伺服閥，它由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。該技術(shù)是將伺服技術(shù)和電機(jī)控制結(jié)合起來，用小尺寸小力矩的電機(jī)通過液壓伺服技術(shù)控制大力矩的液壓關(guān)節(jié)，利用液壓伺服閥中的轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)，無需減速機(jī)構(gòu)，減小關(guān)節(jié)尺寸。在液壓轉(zhuǎn)角伺服技術(shù)中用舵機(jī)產(chǎn)生控制角度，舵機(jī)體積小、力矩大，舵機(jī)本身就具有轉(zhuǎn)角內(nèi)反饋控制，控制起來也方便，一定占空比脈寬對(duì)應(yīng)一定的轉(zhuǎn)角。擬定的液壓轉(zhuǎn)角伺服閥的截面圖如圖3.1所示。當(dāng)閥芯（即C塊）逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，使高壓油口P口接通A腔，則A腔為高壓油，B腔為低壓油，壓差推動(dòng)隨動(dòng)閥套（即D塊）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角度和閥芯一致后，閥芯的P油口被閉合，則旋轉(zhuǎn)停止。因此伺服閥可以由較小的力控制閥芯，進(jìn)而控制隨動(dòng)閥套的旋轉(zhuǎn)。由于葉片的限制，旋轉(zhuǎn)角度范圍為，當(dāng)初始位置為葉片對(duì)稱位置時(shí)，范圍為。圖3.1中E塊為擺動(dòng)缸缸體，D塊為隨動(dòng)閥套，C塊為伺服閥芯。ab圖3.1液壓轉(zhuǎn)角伺服閥液壓轉(zhuǎn)角伺服閥的伺服過程如下:起初令伺服閥芯與隨動(dòng)閥套處于中位狀態(tài)，當(dāng)壓力油液經(jīng)油道到達(dá)伺服閥芯C后，由于伺服閥芯與隨動(dòng)閥套在中位，液壓系統(tǒng)中的工作油路和回油油路被伺服閥芯與隨動(dòng)閥套關(guān)閉，油液不能進(jìn)入擺動(dòng)缸，擺動(dòng)缸中的油液被密閉起來，擺動(dòng)缸自鎖,見圖3.1a。當(dāng)給舵機(jī)發(fā)出一轉(zhuǎn)角信號(hào)后，舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一角度，如圖3.1b此時(shí)伺服閥芯與隨動(dòng)閥套之間的閥口被打開，壓力油液流進(jìn)擺動(dòng)缸的A腔,另一腔(B腔)與回油油路相通,隨動(dòng)閥套在壓差作用力下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過輸出軸帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著隨動(dòng)閥套的轉(zhuǎn)動(dòng)，其與伺服閥芯之間的開口度逐漸變小，直至關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)閥套對(duì)伺服閥芯的位置跟蹤，旋轉(zhuǎn)方向反之亦然。液壓轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯截面圖如圖3.2所示，該液壓轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯在一定的工作范圍內(nèi)閥口開度連續(xù)，且開口面積與旋轉(zhuǎn)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度成正比，增益恒定，流量連續(xù)，抗污染能力強(qiáng)，可靠性高，控制靈敏，且閥芯受力平衡，角度伺服精度高。閥芯上有4個(gè)沿圓周均布，開口形狀相同的閥口，2個(gè)高壓油口(P口)和2個(gè)回油口(T口)，P口和T口是對(duì)稱于圓心的閥口，2個(gè)P口中心線的連線與2個(gè)T口中心線的連線垂直正交。隨動(dòng)閥套上有4個(gè)與之對(duì)應(yīng)的臺(tái)肩，4個(gè)臺(tái)肩剛好能切斷4條油路，這4個(gè)臺(tái)肩沿隨動(dòng)閥套圓周均布，每2個(gè)相對(duì)的臺(tái)肩中心線的連線垂直正交。且在隨動(dòng)閥套的每2個(gè)臺(tái)肩的正中間有一個(gè)油口，沿隨動(dòng)閥套圓周均布著4個(gè)油口，這4個(gè)油口的順序?yàn)椋篈口、B口、A口、B口。隨動(dòng)閥套中A口和B口是對(duì)稱于圓心的閥口，2個(gè)A口中心線的連線與2個(gè)B口中心線的連線垂直正交。隨動(dòng)閥套和轉(zhuǎn)角伺服閥閥芯處于中位時(shí)，2個(gè)A口中心線連線與2個(gè)P口中心線的連線(或2個(gè)T口中心線的連線)成45°。圖3.2液壓轉(zhuǎn)角伺服閥芯3.2閥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)缸體的設(shè)計(jì)缸體壁厚取大于7.5mm，缸底部厚度大于10mm，而油道外徑需要大于6mm，因此，油道可以設(shè)計(jì)在缸壁中。缸體壁厚，最終取7.5mm,底部厚度取10mm，吸油管道=6mm，壓油管道=3mm，回油管道=4mm。油道設(shè)計(jì)隨動(dòng)閥套（以下簡(jiǎn)稱閥套）在擺動(dòng)缸中被壓油驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，需要與閥芯和缸體有良好的配合，同時(shí)又需要輸出轉(zhuǎn)矩。液壓油通過滑環(huán)，從缸體進(jìn)入閥套，還需要進(jìn)入閥芯，由閥芯控制油的走向。當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥套可以立即跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，因此圖中閥套與閥芯的接口半徑一致，需要精密的配合以保證密封。滑環(huán)上的高壓油類似柱塞泵中柱塞上的均壓槽，同時(shí)導(dǎo)通油路，且潤滑接觸面，利于閥套轉(zhuǎn)動(dòng)。此處高壓油道經(jīng)徑向?qū)ΨQ的兩個(gè)管道進(jìn)入閥芯，此設(shè)計(jì)在于使閥芯受力平衡，兩方向上的高壓油壓力平衡，因此閥芯不易卡死。高壓油進(jìn)入閥芯后，分三個(gè)油口導(dǎo)通至工作腔，目的是使油液流動(dòng)順暢，保證轉(zhuǎn)角伺服閥的旋轉(zhuǎn)速度和精度。3軸承的計(jì)算與選用閥套與缸體之間存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在其間安裝軸承，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此轉(zhuǎn)角液壓缸的旋轉(zhuǎn)范圍為，旋轉(zhuǎn)速度為，軸承受徑向載荷。由于隨動(dòng)閥套需要較高的旋轉(zhuǎn)精度，因此選擇精度性較高的圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承系列中，NUP型（內(nèi)圈單擋邊帶平擋圈的圓柱滾子軸承）的特性是：承載能力大，額定動(dòng)載荷比1.5~3；能承受較小的雙向軸向載荷；能限制軸和外殼的雙向軸向位移；屬分離型軸承，安裝、拆卸非常方便；極限轉(zhuǎn)速高。因此，選擇NUP型軸承。由于軸承的使用狀況：轉(zhuǎn)速10r/min，要求壽命1500h，計(jì)算軸承所受載荷，根據(jù)公式：()式中C——基本額定動(dòng)載荷計(jì)算值（N）；P——當(dāng)量動(dòng)載荷（N）；——壽命因數(shù)，按系列表選??；——速度因數(shù)，按系列表選??；——力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時(shí)=1.5，力矩載荷較大時(shí)=2；——沖擊載荷因數(shù)，按系列表選取；——溫度因數(shù)，此處可取1；——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動(dòng)載荷（N）；——軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動(dòng)載荷（N）。查表得：=1.390=1.435取2=1.5=1而()式中——徑向動(dòng)載荷系數(shù)，此處取1；——軸向動(dòng)載荷系數(shù)，此處取1；——徑向載荷（N）；——軸向載荷（N）。所以：對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)軸承應(yīng)將動(dòng)靜載荷分別計(jì)算，靜載荷徑向：(3.3)式中：——基本額定靜載荷計(jì)算值（N）；——安全因數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表得，此處可取3；——當(dāng)量靜載荷（N）；——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷（N）；——軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷（N）。查設(shè)計(jì)手冊(cè)[9]中的圓柱滾子軸承系列表，選取型號(hào)NUP209E，內(nèi)徑，外徑，寬度。；；所以此處所選的軸承合適。3輸入接口模塊設(shè)計(jì)可重構(gòu)液壓機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊，需要有統(tǒng)一的接口，使其在不同的關(guān)節(jié)模塊之間可以互換調(diào)用。此基礎(chǔ)模塊，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的輸入接口，設(shè)計(jì)如圖3.4和圖3.5所示，中心的孔道是控制電線通道，對(duì)稱的兩個(gè)孔道是油道。周圍六個(gè)螺栓孔。圖3.4輸入接口模塊背面圖3.5輸入接口模塊正面3端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該端蓋要作為缸筒的外端蓋，同時(shí)也有與機(jī)械手手爪連接。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，端蓋厚度的計(jì)算如下：(3.4)式中——法蘭在缸筒最大內(nèi)壓下做承受的軸向壓力（N）；——法蘭上孔中心到外徑上的距離（m），這里取15mm；——法蘭外圓半徑（m）,這里取57.5mm。因此，取法蘭厚度不小于10mm，足夠?qū)⒖刂凭€路的孔道設(shè)計(jì)在法蘭中，如上面敘述。4傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1錐齒輪的設(shè)計(jì)校核已知通過輸入軸傳遞轉(zhuǎn)矩T=40N·m，轉(zhuǎn)速n1=30.00r/min設(shè)定錐齒輪1（主動(dòng)齒輪，下面正文中全部稱為齒輪1），錐齒輪2（從動(dòng)齒輪，下面正文中全部稱為齒輪2）。原動(dòng)機(jī)載荷特性SF=均勻平穩(wěn)，工作機(jī)載荷特性WF=輕微振動(dòng)，預(yù)定壽命H=30000(小時(shí))。4.1.1確定錐齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1）選用直齒錐齒輪傳動(dòng)，齒輪配合為外嚙合。2）由于整個(gè)機(jī)械手速度不高，故全部選用6級(jí)精度（GB10095--88）.3）材料及熱處理齒面嚙合類型GFace=硬齒面熱處理質(zhì)量級(jí)別Q=MQ齒輪1材料及熱處理Met1=20Cr<表面淬火>齒輪1硬度取值范圍:58～63HRC齒輪1硬度:60HRC齒輪2材料及熱處理Met2=40Cr<表面淬火>齒輪2硬度取值范圍:58～63HRC齒輪2硬度60HRC4）齒輪基本參數(shù)由此選齒輪1齒數(shù)Z1=19齒輪2齒數(shù)Z2=Z1×i=19×1.26=23.94,則Z2取244.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)文獻(xiàn)[21]，得出設(shè)計(jì)計(jì)算公式10-9a進(jìn)行試算，即（4.1）確定公式內(nèi)的各系數(shù)試選齒輪載荷系數(shù)Kt=1.0。齒輪1傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40N·m。由文獻(xiàn)[20]表10-7選取齒寬系數(shù)Φd=1/3。由文獻(xiàn)[20]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)ZE1/2。由文獻(xiàn)[21]表查得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)由文獻(xiàn)[20]圖10-21d查得齒輪1的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=1300Mpa；齒輪2的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=1300Mpa。由文獻(xiàn)[20]式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60×30×30000=5.4×107由文獻(xiàn)[20]圖10-191取得KHN1=KHN2。計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概論為1%，安全系數(shù)S=1.4，由文獻(xiàn)[20]式10-12得計(jì)算試算齒輪1分度圓直徑d1t，代入[σH]中較小的值。=55.23mm計(jì)算圓周速度ν。=0.0868m/s3）V=1.0.4）A.由文獻(xiàn)[21],圖8.11查得齒向載荷分布系數(shù)=1.10.計(jì)算載荷系數(shù)K=KVKA=1.10.修正小齒輪1分度圓直徑d1=mm=57mm。模數(shù)=3mm,為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，由于結(jié)構(gòu)需要，使兩齒輪軸線的中心距足夠的大，暫取m=3.5，為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。大端分度圓直徑d1=mz1=mmd2=mz2=84mm齒錐頂距R=齒寬b=Φd取b=20mm4.1.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由文獻(xiàn)[21]式（）(4.2)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值K,b，m，Φd同前；圓周力Ft可由文獻(xiàn)[21]式（8.40）算得Ft===1443.6N齒形系數(shù)YF和應(yīng)力修正系數(shù)Ys由文獻(xiàn)[21]式（8.33）coscos由文獻(xiàn)[21]式（8.38）得Zv1=Zv2=由文獻(xiàn)[21]YF1=2.62，YF2由文獻(xiàn)[21]Ys1=1.54，Ys2計(jì)算彎曲許用應(yīng)力由文獻(xiàn)[21]式（8.38）得（4.3）由文獻(xiàn)[21]圖8.28(f)、(b)查得彎曲疲勞極限應(yīng)力彎曲疲勞壽命系數(shù)==1.0；由文獻(xiàn)[21]疲勞安全系數(shù)S=1.4，得=450MPa故=117.47MPa=115.2MPa按照這樣的設(shè)計(jì)，各方面的強(qiáng)度都滿足要求，同時(shí)也讓齒輪在受到?jīng)_擊載荷時(shí)也能有較大的余量。d2=Z2×m=20×2=40mm4.2滑動(dòng)螺旋的設(shè)計(jì)與校核由上一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)的，螺桿傳動(dòng)的力矩T2=T1u=40N·mN·m.軸的材料選45號(hào)鋼，查表的材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，不考慮轉(zhuǎn)矩的影響，故降低需用應(yīng)力取36MPa。確定螺桿傳動(dòng)的最小直徑按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算有材料力學(xué)可知，軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，不考慮轉(zhuǎn)矩的影響，故降低需用應(yīng)力取其強(qiáng)度條件為（4.4）故由于軸上還要鍵槽，設(shè)有兩個(gè)鍵槽，則軸的直徑增大10%，則=21.19mm取mm梯形螺紋結(jié)構(gòu)尺寸的確定梯形螺紋的小徑d1=d00=24.64mm，取d1—2005得，選取M36，則梯形螺紋的基本尺寸為螺距P=10mm，中徑d2=31mm，大徑D4=37mm，小徑d3=25mm.梯形螺紋結(jié)構(gòu)尺寸校核滑動(dòng)螺紋的失效形式有；螺紋磨損，螺桿斷裂，螺紋牙根剪斷和彎斷，螺桿很長時(shí)還可能失穩(wěn)。一般常根據(jù)抗磨損條件或螺桿受壓面強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)螺桿尺寸，對(duì)其它失效形式進(jìn)行校核計(jì)算。螺旋的基本尺寸:由梯形牙側(cè)角=15o，鋼對(duì)鋼滑動(dòng)速度Vs0.05m/s，當(dāng)量摩擦因素f，取0.11，則，當(dāng)量摩擦角0，每個(gè)螺紋的扭矩T3=T2N?m.螺紋升角=arctan=arctan0則，螺紋軸向載荷F==N耐磨性計(jì)算螺紋的磨損多發(fā)生在螺母上。磨損與螺紋工作表面的壓強(qiáng)，滑動(dòng)速度，工作表面的粗糙度及潤滑狀況等因素有關(guān)，其中最主要的是壓強(qiáng)。所以，耐磨性計(jì)算主要是限制螺紋工作表面的壓強(qiáng)，以防止過度磨損。螺紋的耐磨條件為（4.5）其中軸向載荷為F,螺母旋合高度為H，螺距為p,螺紋的工作高度為h，承壓面積為A，螺紋工作面上的壓強(qiáng)為Ps?？梢孟禂?shù)=H/d2.對(duì)于梯形螺紋，h=0.5p，螺紋的中經(jīng)d2根據(jù)文獻(xiàn)[21]表5.3，鋼對(duì)鋼低速，取[P]=10MPa。取=2。則，螺紋的中經(jīng)d2=mm=9.78mm=31mm滿足耐磨性要求螺桿強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于梯形螺紋d1（4.6）其中螺桿螺紋小徑為d1，螺桿材料的許用應(yīng)力為[],根據(jù)文獻(xiàn)[21][]=80MPa，螺桿所受軸向力為F。則d1=滿足強(qiáng)度要求螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算因螺母材料的強(qiáng)度低于螺桿，所以螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母上?？蓪⒄归_后的螺母螺紋牙看做一懸臂梁。螺紋牙根部的剪切強(qiáng)度校核計(jì)算式為（4.7）螺紋牙根部的彎曲強(qiáng)度校核計(jì)算式為其中，螺母螺紋大徑為d，，螺紋牙的工作高度為h，旋合數(shù)z=4.4，,螺紋牙根部厚為b=0.65p，螺母材料的許用切應(yīng)力為[],取60MPa，螺母材料的許用彎曲應(yīng)力為[]b,取70MPa。則，=60MPa，=70MPa。故螺紋牙強(qiáng)度滿足要求。4.3傳輸軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核有上面的計(jì)算可知，d0t=20mm，d0=22mm。選取軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬定軸上零件的裝配方案。根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。圖軸的各段直徑和長度1）軸的最小直徑顯然是安裝軸承處的直徑，為了安全起見，取軸承處直徑d1=20mm初步選擇滾動(dòng)軸承。因?yàn)檩S承只受到徑向的力作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)軸承直徑d1=20，選取軸承7004C；其尺寸為d×D×B=20mm×42mm×12mm。2）軸各段直徑長度：長度直徑mm20mmmm25mm2mm22mm98mm37mm2mm22mm11mm25mm21mm22mm20mm20mm軸的總長度：169mm軸的段數(shù)：8軸上零件的定位軸向定位，左軸承安裝在外殼軸承安裝位上，右邊用軸肩定位，左右手抓用彈性擋圈定位，齒輪2左端用軸肩定位，右端通過軸套定位，同時(shí)支撐在右軸承的內(nèi)圈，外圈用外殼定位。周向定位，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證，由此選軸的直徑尺寸公差為m6，齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接，由文獻(xiàn)[22]查得平鍵截面b×h=6mm×6mm，長度取14mm，同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。確定軸上的圓角和倒角尺寸參考文獻(xiàn)[20]表15-2，取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑見圖。5）求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（圖）做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承的支點(diǎn)位置，由于是角接觸球軸承，由GB/T296得7004C軸承力作用點(diǎn)距外環(huán)原邊的距離10.2mm，根據(jù)軸的計(jì)算圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖（圖）。圖軸的彎矩圖和扭矩圖圖從軸多的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出，齒輪嚙合的中線是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的危險(xiǎn)截面處的MH、MV及M的值列于下表表4.1危險(xiǎn)截面處的MH、MV及M的值載荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=N，F(xiàn)NH2=NFNV1=N，F(xiàn)NV1=N彎矩MMH=N·mmMV=N·mm總彎矩M==N·mm扭矩TT=T25%25000N·mm6）按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面以及上表的數(shù)據(jù)，以及軸雙向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，取α=1，軸的計(jì)算應(yīng)力MPa。前面選取軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[21]表15-1查得[σ-1]=70MPa。因此σ<[σ-1]，故安全。軸的結(jié)構(gòu)圖如圖4.3。圖軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5鍵的校核鍵的材料選用45鋼，進(jìn)行調(diào)制處理，具有很強(qiáng)的抗扭性能，工作在輕微沖擊下，鍵的許用擠壓應(yīng)力=120MPa。鍵的主要失效形式為，鍵，軸槽和輪轂三者強(qiáng)度最弱的工作面被壓潰。其強(qiáng)度條件為（5.1）其中T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，d為軸的直徑，l為鍵的工作長度，k為鍵與轂槽的接觸高度，取為h/2。5.1輸入軸鍵的校核由輸入軸的直徑20mm，T1=40N·m。由GB/T1096-2003，選取A型鍵，=，得故強(qiáng)度不滿足要求。改選C型鍵，=，得故強(qiáng)度滿足要求。5.2傳輸軸鍵的校核由輸入軸的直徑22mm，T1N·m。由GB/T1096-2003，選C型鍵，=，得故強(qiáng)度滿足要求。6其它零件的選取6.1六角螺釘在缸體與密封蓋之間需要根據(jù)缸體尺寸，壁厚為8mm，缸體外徑為91mm，所用材料為45鋼，，取安全系數(shù)為St=2，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇螺釘GB/T70.1M5×16[11]。選定后進(jìn)行強(qiáng)度校核：螺釘軸向力()螺釘受力面積() ()強(qiáng)度滿足要求。其中： FS為單個(gè)螺釘所受軸向力；A為單個(gè)螺栓受力面積；為單個(gè)螺釘所受應(yīng)力6.2軸端擋圈及螺釘輸入軸的軸向固定采用軸端擋圈，可以承受較大的軸向力,GB/T894.1。螺釘GB/T5780M5。6.3螺栓螺母在本設(shè)計(jì)中，連桿部分連接、端蓋的連接需要使用螺栓連接。根據(jù)關(guān)節(jié)尺寸及為了方便加工，統(tǒng)一選擇M5的螺栓螺母。螺栓GB/T5782M5×25，螺栓GB/T5782M5×40，螺母GB/T6170M5[11]。7機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真由上面的計(jì)算可知，機(jī)械手的最大抓緊力Fmax，傳輸力矩TsN·m，最大抓取力矩Tmax=FmaxN·mN·m。由梯形螺紋的螺距P=10mm，條數(shù)n=4，則導(dǎo)程S=Pn=40mm，轉(zhuǎn)角自伺服閥轉(zhuǎn)角的范圍為1650，則單只機(jī)械手的位移A1=。故機(jī)械手，開合范圍0-58mm，手指伸出長度為111mm，最大抓緊力Fmax=2989.6N。7.1基于pro/e的三維建模（1）由上面的計(jì)算可知機(jī)械手各零件的基本尺寸，要是利用Pro/e中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等基本操作，建立工作裝置三維實(shí)體模型，其中軸承，可以使用簡(jiǎn)化畫法。（2）各部件的裝配與連接。先可將上下箱體裝配好后，第一個(gè)裝配，選擇缺省模式，系統(tǒng)默認(rèn)為不動(dòng)件。其中銷釘連接其運(yùn)動(dòng)副自由度為1，零件可沿銷釘所在軸線旋轉(zhuǎn)適合機(jī)械手中各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件（如安裝軸承）的運(yùn)動(dòng)方式，定義完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)“軸對(duì)齊”的位置約束。另外還需要定義一個(gè)“平移”約束來定義安裝的軸向位置，通?？梢匀≥S承端面和軸或者孔的一個(gè)面使用“對(duì)齊”屬性選擇“重合”。齒輪連接其運(yùn)動(dòng)副自由度為需要定義兩個(gè)齒輪的各自的“運(yùn)動(dòng)軸”，對(duì)應(yīng)的主體中的齒輪、托架和節(jié)圓直徑。7.2運(yùn)動(dòng)仿真在機(jī)械手爪部分按照設(shè)計(jì)要求有1個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)1個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，所以在運(yùn)動(dòng)仿真中需要定義1處伺服電機(jī)，而因?yàn)槊總€(gè)舵機(jī)需要正反2個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)故需要在機(jī)構(gòu)（Mechanism）模塊中用到伺服電動(dòng)機(jī)定義（ServoMotorDefinition圖7.1伺服電機(jī)定義（1）伺服電機(jī)伺服電機(jī)是機(jī)構(gòu)仿真中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力原件。一般定義在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上如機(jī)械手的舵機(jī)的位置。通過設(shè)置其屬性可以定位其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度或者加速度。如安裝所用的各舵機(jī)的速度設(shè)置為60°/s。（2）分析設(shè)置和運(yùn)行可以設(shè)置測(cè)量結(jié)果例如當(dāng)我們需要得到手爪末端的的位置和速度曲線時(shí)，可以分別在測(cè)量定義中添加位置和速度并選好對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)和坐標(biāo)系。然后通過運(yùn)行可以得到測(cè)量結(jié)果和回放動(dòng)畫。7.3軌跡規(guī)劃方案對(duì)機(jī)械手從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的移動(dòng)軌跡做出了嚴(yán)格的控制。而在此之前運(yùn)用Pro/E圖7.2機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡7.4動(dòng)態(tài)模擬圖機(jī)械手運(yùn)動(dòng)前圖機(jī)械手抓持時(shí)7.5干涉檢查干涉檢查的目的是分析機(jī)械手工作裝置個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉及“死點(diǎn)”位置，這是保證工作裝置能正常工作的必要條件。Pro/engineer動(dòng)態(tài)模擬自動(dòng)檢測(cè)各桿件在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉問題，效率高，準(zhǔn)確度好，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題，使桿件干涉問題在設(shè)計(jì)過程中得到了有效的解決。在Pro/engineer環(huán)境中干涉檢查的步驟是：1）選擇“Mechanism”中的“回放”命令。"系統(tǒng)彈出“回放”對(duì)話框，在結(jié)果集中選擇運(yùn)動(dòng)名稱，選擇干涉模式的“全局干涉”和“包括面組”選項(xiàng)。2）單擊“播放當(dāng)前結(jié)果集”，進(jìn)行全局干涉檢查分析。如果各桿件在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)干涉，Pro/engineer就會(huì)提示，并將干涉區(qū)加亮顯示，以便設(shè)計(jì)者檢查修改。通過Pro/engineer環(huán)境中的全局干涉檢查判斷機(jī)械手工作時(shí)不存在干涉問題。8機(jī)械手抓的靜態(tài)分析Pro/ENGINEER是集CAD/CAM/CAE于一體的大型設(shè)計(jì)軟件，Pro/MECHANICA(Pro/M)是其中的一個(gè)常用模塊，Pro/MECHANICAStructure是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，主要運(yùn)用于結(jié)構(gòu)分析，能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷，測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜力、模態(tài)、疲勞等分析。8.1機(jī)械手抓的受力分析機(jī)械手抓在工作的過程中，主要有螺桿傳遞轉(zhuǎn)矩，給左右手抓各一個(gè)軸向力，左右兩手手抓所受的軸向力大小相等，方向相反。在螺旋傳動(dòng)時(shí)，計(jì)算出機(jī)械手抓的軸向力F=2989.6N。當(dāng)機(jī)械手夾持住物體時(shí)，機(jī)械手下端與螺桿相對(duì)靜止，且相互擠壓，上端受到物體的彈力，因此可以機(jī)械手抓的受力簡(jiǎn)化成懸臂梁。8.2三維建模靜力分析圖8.1機(jī)械手抓通過創(chuàng)建網(wǎng)格，運(yùn)行設(shè)計(jì)研究，可得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在載荷等外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的分布。應(yīng)力分布如圖8.2，由圖可知最大應(yīng)力故，材料的滿足應(yīng)力要求。圖8.2應(yīng)力分布位移分布如圖8.3，應(yīng)變分布如圖8.4，由圖可知最大應(yīng)力，最大應(yīng)變，在彈性內(nèi)的形變，且對(duì)工況影響不大。故，材料滿足形變要求。圖8.3位移分布如圖8.4應(yīng)變分布通過靜力分析，增加機(jī)械手抓螺紋底部厚度，增大機(jī)械手抓夾持處平面的過渡，可大大提高機(jī)械手的承載性能，為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性優(yōu)化服務(wù)。結(jié)束語可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)具有便捷的可重構(gòu)性和廣泛的適應(yīng)性，其模塊化不僅面向制造者，也面向用戶，用戶可按照需求進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)以液壓轉(zhuǎn)角伺服閥做動(dòng)力的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)機(jī)械手的抓取力和可重構(gòu)性進(jìn)行了叫全面的設(shè)計(jì)改進(jìn)。設(shè)計(jì)主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，適用性廣；標(biāo)準(zhǔn)接口，很適合作為可重構(gòu)液壓機(jī)器人的關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)快速重構(gòu)的目的；用內(nèi)油道代替液壓軟管,避免與工件纏繞，或與周圍物體相碰而造成事故，并使得結(jié)構(gòu)緊湊；；油道設(shè)計(jì)巧妙可以在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中傳遞液壓油；構(gòu)型方案可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行靈活選取；采用舵機(jī)提供角度輸入，體積小力矩大，且本身就具有角度內(nèi)反饋控制，控制起來十分方便與此同時(shí)也存在一些不足：由于使用單葉片，空間受到限制；由于考慮工藝性，設(shè)計(jì)時(shí)正開口死區(qū)存在±2°；油道的工藝性有待提高；手爪運(yùn)動(dòng)時(shí)為帶旋轉(zhuǎn)的平動(dòng)，對(duì)抓取穩(wěn)定性有一定的影響。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也暴露出自己專業(yè)知識(shí)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力，對(duì)機(jī)械個(gè)元件設(shè)計(jì)不熟練，對(duì)元件的性能特性不夠了解等等。在今后的學(xué)習(xí)工作中，我一定會(huì)以這次設(shè)計(jì)過程做借鑒，努力提高自己的專業(yè)水平，改正自己的不足，為做一個(gè)合格的機(jī)械從業(yè)人員而努力。參考文獻(xiàn)[1],機(jī)械工程學(xué)報(bào)2005,41(5):1～9.[2]MeassonY,DavidO,LouveauF,etal.Technologyandcontrolforhydraulicmanipulato-rs[J].FusionEngineeringandDesign,2003,9:29～134.[3]朱興龍,周驥平,顏景平.一種新型的三自由度垂直相交運(yùn)動(dòng)解耦液壓伺服關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),中國機(jī)械工程,13(21):1824～1826.[4]梁錫昌,王光建,鄭小光.基于螺旋機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器研究,航空學(xué)報(bào),2003，4(3).82

～285.[5]蔣林，陳新元，趙慧等.基于液壓轉(zhuǎn)角伺服的液壓關(guān)節(jié)研究，機(jī)電工程程,2011,28(3):265-268.[6]朱興龍，周驥平.運(yùn)動(dòng)解耦機(jī)理分析與解耦關(guān)節(jié)設(shè)計(jì),中國機(jī)械工程,2005,16(8)，674～677[7]楊振中,周驥平,朱興龍.解耦型液壓伺服肩關(guān)節(jié)的虛擬設(shè)計(jì)與分析