毕业设计（论文）-机械手结构的总体方案设计（全套图纸） .doc

沈阳理工大学学士学位论文I摘要随着机器人在各个领域应用的日益广泛，许多场合要求机器人具有力控制的能力。此次设计是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个3DOF平面关节型机械手（包括1个移动关节，2个转动关节和末端执行机构），配合壳体驱动系统来实现此任务。在机械手工作过程中，通过伺服电机带动丝杠转动，从而来完成机械手水平方向的移动，旋转关节1通过链传动来完成平面内的旋转动作，旋转关节2直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作，这样机械手可以伸入口径较小的回转壳体内完成粘贴胶片的任务。本次设计工作首先对机械手进行了运动学分析（包括运动学方程的建立，运动学方程的正问题、逆问题及其解）。设计内容包括机械手的移动关节、旋转关节的结构设计，传动部分的设计等。其中，重点是对伺服进给系统的设计（包括工作台的设计，丝杠的设计，直线导轨、伺服电机和减速器的选取等）。最后对系统中主要部件的刚度、强度等性能参数进行了计算与校核。关键词：机械手；自由度；运动学分析；伺服电机；直角减速器沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractWiththeincreasingapplicationofrobotinvariousindustrialfields,itisrequestedthatrobothastheabilitytocontrolpower.Accordingtothecontacttaskofrotaryhull,a3-DOFrobotmanipulatorisdesignedinordertoaccomplishstickingofthecolloid.Therobotmanipulatorconsistsofatransferjointandtworevolutejointsandrobotend-effector.Therobotmanipulatorcouldrealizethecontactingtaskcombiningwiththedrivingsystemofrotaryhull.Theconcreteprocessingcomprisingofdrivingscrewtransmissionwiththeservomotor.Inthisway,robotmanipulatorcouldcompletemovementinhorizontaldirection,therevolutejointcouldbeabletoaccomplishrevolutemotionoftwodimension-spacethroughachaindriving,therevolutejointofend-effectorcompletesdirectlyrevolutemotionwiththeservomotor.Firstly,thisdesignhasbeencarriedonthekinematicsanalysisinordertothemanipulator,whichconsistsofincludingtheestablishmentofkinematicsequation,thepositivesolutionsofthekinematicsequation,thecorrespondinginversesolutions.Secondly,thetransferjoint,revolutejointandthetransmissionpartaredesigned.Theimportantpartisthedesignofservofeedingsystem,whichconsistsofthedesignoftheplatformandthescrew,theselectionoflinearguideway,servomotorandreducer,etc.Finally,thecorrespondingcalculationsaredoneconsideringthesystemsmainguidelinesuchascomponentsstiffness,strengthandotherperformanceparameters.Keywords:Robotmanipulator；Freedom；Kinematicsanalysis；Servomotor；Right-anglereducer沈阳理工大学学士学位论文III目录1引言.11.1课题背景和意义.11.2国内外研究现状.11.3工业机械手的用途.32机械手结构的总体方案设计.42.1课题的主要内容.42.2课题的研究方案.42.3机械手结构的总体设计.42.3.1主要技术指标设计.42.3.2机械手的结构设计.43机械手运动学分析.63.1机械手运动学方程的建立.63.2运动学方程的正解.73.3运动学方程的逆解.84传动装置的设计.104.1伺服电机及减速器的选择.104.1.1机电领域中伺服电机的选择原则.104.1.2旋转关节驱动电机及减速器的选择.104.2链轮的设计及链条的选择.114.2.1滚子链传动的设计.114.2.2链轮的设计.134.2.3滚子链的静强度计算.144.2.4链传动的张紧.154.2.5链传动的润滑.155轴的设计与验算.165.1轴的结构设计.16沈阳理工大学学士学位论文IV5.1.1选择轴的材料.165.1.2初步估计轴径.175.2轴的校核.186轴上零件的选择与计算.256.1键的选择与键联接强度校核.256.1.1大臂末端电机轴上键的选择与校核.256.1.2轴上矩形花键的选择与校核.266.1.3小臂电机轴上键的选择与校核.266.2滚动轴承的验算.266.2.1确定轴承的承载能力.276.2.2计算当量动载荷.286.2.3校核轴承寿命.287伺服进给系统的设计与计算.297.1滚珠丝杠的设计.297.1.1材料的选择.297.1.2耐磨性计算.297.1.3螺杆的强度计算.307.1.4螺杆的稳定性计算.307.2丝杠副的选择计算.317.2.1螺母的疲劳寿命计算.327.2.2螺母螺纹牙的强度计算.337.2.3螺母凸缘的强度计算.347.3丝杠驱动电机的选择.347.4机械导轨的选择.357.5联轴器的选择与计算.367.5.1选择联轴器的类型.367.5.2联轴器的主要参数.377.5.3联轴器的计算扭矩.37结论.39沈阳理工大学学士学位论文V致谢.40参考文献.41附录A.42附录B.48沈阳理工大学学士学位论文11引言1.1课题背景和意义机器人技术，应该说是一个伴随着科学技术的进步而发展起来的一项综合性的成果。同时，也是对社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术。它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入。比如说日本，战争以后开始发展汽车工业，那么这时候由于它人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。随着人类社会的发展，人们在不断认识和改造自然的过程中，需要能够解放人的一种奴隶。这种奴隶要能够代替人们去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，机器人技术仍归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展，需要其提供强大的技术保证。随着社会的进步，不仅工业机器人技术在制造业领域得到了广泛的应用，同时，特种机器人的用途也越来越广泛，机器人每年收获的农作物达数十亿吨。有的机器人可以上山伐木，有的可以挤牛奶，有的则可以擦玻璃、洗汽车和洗飞机。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人及各种用途的特种机器人的应用，昭示着机器人技术灿烂的明天。1.2国内外研究现状在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1947年以后是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在1947年产生，而真正意义的机器人在1962年产生。相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了20世纪60年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到沈阳理工大学学士学位论文220世纪70年代，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像ABB，MOTOMAN，安川公司，还有很多机器人公司像OTC等公司。它们都已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式走向应用。在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司和日本的FUNAC公司。它们都在工业机器人方面具有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，并且扩展了它的作业空间，已经在海洋空间和服务医疗等行业的进行使用。我们国家在机器人的研究，是在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展。发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都