抓取机械手结构设计

毕业设计（论文）第IV页目 录摘要IIISummaryIV1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31.3.1 国外发展现状和趋势31.4 本课题背景研究意义52总体结构62.1 坐标型式62.1.1 直角坐标型机器人62.1.2 圆柱坐标型机器人62.1.3 球坐标型机器人62.1.4 关节坐标型机器人62.2 驱动形式的选择72.2.1 气压驱动72.2.2 液压驱动82.2.3 电机驱动82.3 机械手原则设计82.4 自由度82.5 本机械手设计参数92.6 机械手结构原理92.7 机械手整体结构及工作方式说明103 手爪设计123.1 手部设计基本要求123.2 典型的手部结构133.3 机械手手爪的设计计算133.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置133.3.2 手爪夹持范围计算153.3.4 滑动丝杠设计163.3.5 直齿轮设计193.3.6 电机选型194 臂部及腕部设计214.1 臂部设计的基本要求214.2 小臂基本结构234.3 小臂转动部分驱动电机的计算选型234.4 大臂基本结构234.5 大臂转动部分驱动电机的计算选型244.6 腕部设计244.6.1 手腕设计的基本原则254.6.2 腕部驱动电机选型255 结论27参考文献28致 谢29抓取（壁面爬行）机械手结构设计摘要在当今的大型制造业中，大多数企业都注重生产过程中的机械自动化程度，以提高产品的生产效率，保证产品的质量。工业机器人现在是工业自动化生产线中的重要成员1。 越来越多的公司认可和采用。工业机器人的研发水平和应用技术在一定程度上反映了一个国家的机械自动化水平。同时，许多机器人可以在困难的环境中替换工人。并且可以在许多危险环境中完成工作要求。目前，工业机器人主要从事焊接，喷涂，搬运，堆垛等重复劳动密集型工作2。该设计将在Solidworks的基础上创建一个抓取机器人，用于在核废料箱中输送焊接探测器。首先，本文将设计机械手的手爪，大臂，小臂等结构，然后计算所需的数据，选择合适的驱动器，传动装置和连接装置。从而完成机器人的整体设计，以满足设计要求。关键词：驱动模式，传动方式，抓取机器手Grab (wall crawling) manipulator structure designSummaryIn todays large manufacturing industry, most companies focus on the degree of mechanical automation in the production process, to improve the production efficiency of the product, ensure product quality. Industrial robots are now an important member of industrial automation production lines. More and more companies recognize and adopt. The research and development level and application technology of industrial robots reflect the level of mechanical automation in a country to some extent. Simultaneously, many robots can replace workers in difficult environments. And work requirements can be done in many hazardous environments.At present, industrial robots mainly undertake repetitive and labor-intensive work such as welding, spraying, handling, and stacking. The design will create a grab (wall crawling) robot based on Solidworks,used to transport welding detectors in nuclear waste bins. First of all, this article will design the structure of the manipulators claws, arms, arms, etc, then calculate the required data, choose the right drive, transmission and connecting device. Thereby completing the overall design of the robot, meet the design requirements.Keywords: drive mode，transfer method，grab robot毕业设计（论文）第4页1绪论1.1 前言和意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置3。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术4，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计5，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。核工业用遥控检测机器人的主要作用是用于核废液对储蓄罐的腐蚀情况。它在放射性环境中工作，需要一台机械手将其送至罐壁面进行检查工作，待机器人完成检测工作后，再将其从壁面抓去回来。本文将设计一台四自由度折叠式机械手，文中将主要介绍这种机械手的结构设计以及驱动方式。 1.2 工业机械手的简史1.3 国内外研究现状和趋势1.3.1 国外发展现状和趋势 机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。概括如下： a. 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 b. 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 c. 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 d. 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； e. 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3.2 国内发展现状和发展趋势我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 本课题背景研究意义机械手是能模仿人手和臂的某些功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手并不是简单意义上的代替人工的劳动，而是综合了仁德特长的机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间工作、精确度高、坑恶劣环境的能力。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械手与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。机械手的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和在特殊环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。因而广泛应用于机械制造、冶金电子、轻工和原子能等部门。机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。排爆机器人机械手结构，根据机器人机械手合拢于最远端位置与抓取最大爆炸物位置两个极限位置19。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。贵州理工学院毕业设计（论文）第10页2总体结构2.1 坐标型式机械手依结构复杂程度分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人和关节型机器人。2.1.1 直角坐标型机器人直角坐标型机器人是最简单的关节型机器人，其通过互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作直线运动，运动是独立的，如图2.1a所示。它易于实现高定位精度，控制简单，运动直观性强，空间轨迹易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小。 2.1.2 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩，如图2.1b所示。其结构简单，便于几何计算，工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿着水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。 2.1.3 球坐标型机器人球坐标型机器人的工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿着手臂轴线作伸缩运动，如图2.1c所示。其操作灵活，结构紧凑，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。 2.1.4 关节坐标型机器人关节坐标型机器人主要有立柱、前臂和后臂组成。如图2.1d所示。其全部关节皆为转动型关节，结构紧凑，操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍，是机器人中使用最多的一种结构形式，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。图 2.1 关节型机器人坐标型式（a) 直角坐标型机器人 （b) 圆柱坐标型机器人 （c) 球坐标型机器人 （d) 关节型机器人2.2 驱动形式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动形式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动三种基本类型。2.2.1 气压驱动在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的。使用压力通常在0.4一0.6Mpa，最高可达1Mpa。用气压伺服实现高精度是困难的，但在满足精度的场合下，气压驱动在所有的机器人驱动形式中是质量最轻、成本最低的。气压驱动主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。其缺点是:功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。2.2.2 液压驱动液压驱动是以高压油作为介质，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围实现无级调速。但由于压力高，总是存在漏油的危险，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境，所以需要良好的维护，以保证其可靠性。液压驱动比电动机的优越性就是它本身的安全性，由于电动机存在着电弧和引爆的可能性，要求在易爆区域中所带电压不超过9V，但液压系统不存在电弧问题。2.2.3 电机驱动电机驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。电气驱动是目前机器人是用得最多的一种驱动方式。其特点是易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，驱动力较大，信号监测、传递、处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，可以采用多种灵活的控制方案。由于本课题所研究的爬行机器人驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电机驱动。2.3 机械手原则设计该抓取机械手设计总的有三条原则：第一是手部要尽可能的覆盖较大空间；第二是根据抓取物的态势调整自身姿态；第三是以尽量轻的自身重量达到合适合理的最大负载承载能力。2.4 自由度机械手的设计其实是模仿人臂的功能为基础，再根据实际应用情况进行具体设计处理。人臂的肩、肘和腕关节共有六个自由度，其中大臂和腕部能做两个方向的摆动，小臂能做一个方向的摆动和有限的转动。本设计引入运载车，以使机械手能在罐内移动，可以省略其肩部和腕部的横向移动运动，故本设计只需四个自由度即可，满足课题要求。机械手工作方式如图2.2所示。图 2.2 机械手工作方式示意图2.5 本机械手设计参数夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。检测器最小尺寸：200*100*30 mm3 ，重量1.0kg。 检测器最大尺寸： 300*200*100 mm3 ，重量2.0kg。 机械手类型：关节坐标式。 机械手总高：1000mm。 机械手最大回转角度：360度。 机械手自由度：4 自由度。2.6 机械手结构原理本机械手原理简图如图2.3所示图 2.3 机械手结构原理简图2.7 机械手整体结构及工作方式说明机械手三维图如图2.4所示。灰色部分为运载小车。两个绿色的部分为小臂和大臂（与小车相连的是大臂，与手爪相连的是小臂）大臂和小车相连部分装了一个紫色的电机，它是大臂旋转的动力源（机构第一个自由度）大臂和小臂相连的部分也装了一个紫色的电机，它是小臂旋转的动力源（机构第二个自由度）小臂和手爪连接部分的那个紫色的电机是手腕的动力源（机构第三个自由度）。底部透明部分为齿轮室，它有两个作用：第一，保护齿轮正常运转；第二，齿轮室的侧壁上面开有小孔，用来和连接板相连紫色部分为手爪电机，是手爪的动力源下方有两个齿轮是配合在一起的蓝色部分为丝杆，土黄色部分为推杆和拉杆灰色部分为丝杆螺套，它的作用有两个：第一，把丝杆和推杆连接起来；第二，丝杆转动时，会带动丝杆螺套在竖直方向运动，因为丝杆螺套与推杆是固定在一起的，这时候就会带动推杆进行竖直方向的运动，从而使推杆上方连接的两个拉杆开合黑色部分为工作块，其上装有红色的橡胶夹块，它们会在拉杆的作用下进行水平方向的移动，从而完成对实物的夹持。图 2.4 机械手三维图贵州理工学院毕业设计（论文）第19页3 手爪设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。夹钳式手指一般分为平移型和回转型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适合夹持平板、方料。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。回转型手指的张开闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型，为两个的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。3.1 手部设计基本要求 a. 应具有适当的夹紧力和驱动力。手指握力（加紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏夹持物；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑夹持物重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。面对手部驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。 b. 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线距离），以便于抓取或退出工件。 c. 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 d. 应保证被夹持物在手指内的夹持精度。应保证每个被夹持的工件，在手指内部都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类的复杂工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。e. 应考虑通用性和特殊要求。一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.2 典型的手部结构 a. 回转型：包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 b. 移动型：移动型即两手指相对支座作往复运动。 c.平面平移型。3.3 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矩形物体的机械手。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，具体结构如图3.1（三维图）3.2（二维图）所示。图 3.1 机械手手爪三维图运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而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。图 3.2 手爪二维结构图3.3.2 手爪夹持范围计算手爪的夹持部分为由两跟拉杆控制的工作块完成，而两个工作块上又分别安装了四个橡胶夹块，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（见图3.3）图 3.3 手爪橡胶下面对夹块的夹持范围进行校核：在图3.1所示中，手爪推杆处于最低位置，即夹块处于夹持最小距离，可按下式(3.1)计算 (3.1)其中：L为拉杆长度，为推杆处于最低位置时拉杆与上盖的夹角，a为工作块厚度，b为夹块厚度。当两根拉杆处于水平位置时，夹块处于夹持最大距离，按下式(3.2)计算 (3.2) 显然，工作块的夹持范围满足系统要求。3.3.3 夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的加紧力可按公式（3.3）计算 （3.3）安全系数，通常1.2-2.0；本设计取=2 。工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式（3.4）估算 （3.4）（其中a为重力方向的最大上升加速度）；运载时工件最大上升速度 t响系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s 。方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择 可按下式（3.5）计算 （3.5）式中f=0.20.3，本设计取0.2，则=2.5G被抓取工件所受重力（N)本设计采用的参数值如下：=2；=1+(）/10=1.2 ；=2.5；G=20N故得： FN=21.22.520=120N 3.3.4 滑动丝杠设计设计条件：需自锁。丝杠长度：140mm 。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：（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。许用拉应力按下式（3.6）计算 （3.6）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（3.7）知， （3.7）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，故螺纹升角可按下式（3.8）计算，为 （3.8）由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得 （3.9），故自锁可靠。（4） 螺杆强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩按下式（3.10）计算， （3.10）代入以下公式（3.11）得 （3.11）（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（3.12）（3.13）得 （3.12） （3.13）（6） 横向振动校核对于钢制螺杆可按下式（3.14）计算 （3.14）应满足转速（7） 效率由回转运动转化为直线运动时按下式（3.15）计算 （3.15）效率取为3.3.5 直齿轮设计直齿轮具体参数如表（表3.1）所示表 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 Z2025法 向 模 数 m n3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 系 数 c*0.25中 心 距 a67.5毫米分 度 圆 直 径 d60毫米75毫米转 速n3500r / min2800r / min3.3.6 电机选型计算条件：空行程最长，夹紧时间不超过1.2s螺母移动平均速度（3.16）， （3.16）丝杠的平均转速摩擦转矩按下式（3.17）（3.18）计算（3.17） （3.18） 则按下式（3.19）计算 （3.19）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按式（3.20）计算： （3.20）电机轴输出功率按式（3.21）计算： （3.21）电机选用40ZY-02直流电动机。贵州理工学院毕业设计（论文）第25页4 臂部及腕部设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。臂部运动的目的：把手部送到空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，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动部件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的结构和受力情况就越复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地而成架空轨道运动。4.1 臂部设计的基本要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取质量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时设计时必须考虑到手臂的受力情况，油（气）缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此臂部设计一般要注意以下要求。 a. 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部的承载能力，通常取决于刚度。一般结构上较多采用悬伸梁式。显然伸缩臂杆的悬伸长度越大，则刚度越差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负载能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几项：（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身通常既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲），也受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。研究表明，在截面面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性距要比圆钢大得多。所以，机械手常用无缝钢管作为导向杆，用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动机构以及管道，这样就是结构紧凑，外形整齐。（2） 提高支承刚度和合理选择支承间的距离 臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且与支承件的刚度和支承件间的距离有很大关系。研究表明，当其他条件一定时，如果缩短两支承件间的距离，可减少臂杆的变形量，但必须注意，这并未未考虑支承的变形。当负荷和悬伸长度一定时，支撑件间距离越小，则两支承上受力越大，其弹性变形也越大，此时，支承件的刚度成为影响臂杆变形量的主要矛盾。 要提高支承刚度，除从支座的结构形状、底板的刚度，以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。（3） 合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时应结合具体受力情况，设法是各作用力引起的变形相互抵消。（4） 注意简化结构 在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。（5） 提高配合精度 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使稻香杆承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内经配合精度，以提高手臂前伸时的刚度。 b. 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手臂运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据节拍的要求来决定。一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰都要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。 c. 手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦 d. 位置精度要高 一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高，关节式机械手的位置最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、齿合件的间隙。 除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求；工艺性哦那个号，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。4.2 小臂基本结构小臂的结构主要由一块臂板和驱动电机组合而成。4.3 小臂转动部分驱动电机的计算选型小臂转动部分转到最前端的距离为400mm，小臂部分约重3kg则： J= 所以参考选择SM80-024-30LFB,其基本参数见附表4.14.4 大臂基本结构大臂的结构主要由一块臂板和驱动电机组合而成如图4.1所示。图 4.1 手臂三维图4.5 大臂转动部分驱动电机的计算选型大臂转动部分转到最前端的距离为400mm，小臂部分约重3kg，机构与小臂相同，则：J 所以参考选择SM80-024-30LFB,其基本参数见附表4.14.6 腕部设计手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的摆动运动。4.6.1 手腕设计的基本原则 a. 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。 b. 综合考虑，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，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。 c. 必须考虑工作条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料及电控原件的耐热性等）。针对本设计，机械手的工作条件是核废液储蓄罐，因工作在腐蚀性的场合中，所以对机械手的腕部材料的选用 316L 耐腐蚀不锈钢。4.6.2 腕部驱动电机选型腕部连接手爪，其形状比较复杂，选择一据扭转中心最远距离为半径，以圆柱形近似计算，腕部及手爪部分约重15kg。则：J 所以参考选择SM80-013-30LFB，其基本参数见附表4.1表 4.1 电机参数自由度伺服电机型号功率（kw）额定转矩（Nm）额定转速（Rpm）重量（kg）小臂转动SM80-24-30LFB(加NN系列减速器）0.752.430004.2大臂转动SM80-24-30LFB(加NN系列减速器）0.752.430004.2腕部转动SM80-013-30LFB(加NN系列减速器）0.41.330004.2贵州理工学院毕业设计（论文）第26页5 结论经过几个月的努力，机械手结构设计论文终于完成了。感谢老师在整个设计过程中给予的帮助。在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，尤其在设计出期，由于对课题了解不足，出现了许许多多的问题，在不断的学习过程中我体会到：设计刚开始时，由于对机械手知识的不熟悉，导致绕了很多弯路，甚至出现一些错误，造成了很多次的返工。但是，正是这一次次的尝试磨练了我的耐性并加强了我的机械设计知识水平。在这次设计中，我不仅收获了专业知识，还在与同学的沟通交流方面有了很大提高。写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对机械手问题的模糊认识到最后能够对机械手机构有比较清晰的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的设计，真正做到理论实践相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步