拾取轴类零件机械手的设计说明

1、淮海工学院毕业设计（论文）说明书题 目拾取轴类零件机械手的设计作者：系（院）:专业班级：郭鑫鑫学 号：0102101109机械工程系机械设计制造及其自动化机械021指导者：郭廷良教授评阅者：席平原讲师2006年6 月 连云港毕业设计（论文）中文摘要拾取轴类零件机械手的设计摘 要：本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和 坐标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国外的发展状况。通过对机械手进行总体 方案设计，确定了机械手的坐标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了 利用气压传动系统来实现机械手夹持的手部结构并选择了一种较好的夹持方案；通过对手 腕、手

2、臂转动所需的驱动力矩的计算设计了机械手腕、手臂的结构并实现了利用步进电动 机对手腕手臂的控制。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，设计了机械手的步进电动机控制电 路图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词：工业机器人 机械手气动可编程序控制器毕业设计（论文）外文摘要The Desig n of Mecha ni cal Hand Pick ing up Accessories Like AxesAbstract:The paper in troducesthe con cepti onof the in dustrial

3、 robot, thecompositi on and classificati onof the mecha ni cal hand, the freedom and coord in atesof the mecha ni cal hand, the characteristics of the pn eumatic tech no logy and PLC, and the developme nt in home and abroad.In this paper, author discussed the overall project for the desig n of mecha

4、 ni cal hand, and determ ined the coord in ates of patter ns, freedom and tech ni cal parameters of the mechanical hand. At the sametime, used the pneumatic drive system to realize the holding structure of the mechanical hand and selected a better project to hold accessories. Through the calculation

5、s to drive moment needed by the wrists and arm rotation, designed the structure of the wrists and arm and realized the control to the wrists and arm by electric motors. Author also used programmable con troller to con trol mecha ni cal hand and selected a suitable PLC models. Based on mecha ni cal h

6、and workflow, developed PLC project and draw n a control circuit diagram of electric motors for the mechanical hand, and developed a program for the PLC.Keywords: in dustrial robot; mecha ni cal hand; pn eumatic drive; PLC.目录1 引言（或绪论） 11.1国外机器人发展趋势 11.2课题的提出及主要任务22 制定设计方案 42.1 机械手的坐标型式与自由度 42.2 机械手的

7、驱动设计方案 42.3手部结构的设计方案 52.4手腕结构的设计方案 62.5手臂结构的设计方案 62.6 机械手的控制设计方案 62.7 机械手的主要参数 73 手部结构设计83.1设计时考虑的几个问题 83.2手部夹紧气缸的设计 84 手腕结构设计1 94.1 执行元件的选择 194.2轴的设计 214.3轴承的选用 224.4销、螺栓的选用 235 手臂升降运动设计 245.1 滚珠丝杠的选择 245.2步进电动机的选择 285.3 轴承的选用 296 手臂旋转运动设计 306.1 步进电动机的选择 306.2 减速器的选择 317 机械手的 PLC控制设计 327.1可编程控制器的选择

8、及其工作过程 327.2机械手可编程控制器的控制方案 327.3 步进电动机的环形分配器 337.4 步进电动机的单片机控制 33结论36致3738参考文献1 引言现代工业机器人在结构形式上与人臂和遥控机械手相似， 控制原理则是基于数控 （NC） 和遥控的概念。因此，现代工业机器人可以看成是“数控操作臂” ，其中操作人员直接操 作的主臂由计算机数控装置所代替。工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是 一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化 生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产

9、效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学 等多科学而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情 况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动， 而是综合了人的特长和机器特长的一种 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，又有可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力， 从某种意义上说它也是机器的长期进化过程的产物， 它是工业生产中重要的生产设备和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化 设备。机械手是模仿人手的

10、部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、搬运或操作的自 动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以 提高生产的自动化水平和劳动效率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产； 尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代 替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、 电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。1.1 国外机器人发展趋势国外机器人领域发展趋势近年来，国外的工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 维修），而单机价格不断下降，

11、平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 6.5 万 美元。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；有关节模块、连杆模块用重组方式构造的机器人整机；国外已有模块化装配 机器人产品问市。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；大大提高了系统性、易操作性和 可维修性。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

12、术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合技术在产品化系统 中已有成熟应用。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制， 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统， 而是致力于操作者与机器人的 人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出 实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的 最著名实例。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一， 纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.1.2 国机器人的发展趋势我国的

13、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 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人己经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，我国己安装的

14、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、模块化设计，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， 6000m 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；

15、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。1.2 课题的提出及主要任务课题的提出 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必 将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产 率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及

16、轻工业生产中，往往冲压成型这一工序 还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究 的课题。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 （ 摩擦损失、泄露损失等 ） ；液压传动易 泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动 平稳性及正确性。（2）工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特 性变化。（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要 较高技术水平。鉴于以上这些缺陷

17、，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点：（1）介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气， 处理方便，一般不需设置回收管道和容器；介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及 补充的问题。（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小（一般仅为油路的 千分之一），空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明 显降低和严重污染。（ 3）动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力和速 度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。（4）能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电

18、等情况时，机器及 其工艺流程不致突然中断。（5）工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中， 气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制 性能。（ 6）成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精 度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为：由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较 困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象 ） 。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气 动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手， 用气动元件组成的控制系统己被接受，但

19、由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要 进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和 前景存在不少疑虑。1.2.2 课题的主要任务：本课题将要完成的主要任务如下： （1）选取机械手的坐标型式和自由度； （2）设计出机械手的各执行机构，包括：手部、手腕、手臂等部件的设计；（3）气压传动系统的设计。本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的 选取，气动回路的设计；（4）机械手的控制系统的设计。本机械手采用可编程序控制器（PLC对机械手进行控制, 本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出 PLC程序。2制定设计方案对于搬运物体类的机械手的基

20、本要能快速、准确地拾一一放并且能搬运物件，这就要 求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任 意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象和环境，明确 工作的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数 等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，尽量选用定型的标准组件，简化设 计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产 的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和 操作单调频繁的

21、生产场合。2.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐 标式、球坐标式和关节式。由于本机械手是对轴类零件的搬运，因此它需具有升降、回转 的自由度。图1机械手运动示意图2.2机械手的驱动设计方案在普通的机械运动中，机械的驱动一般有气压传动、液压传动、电机传动等。油压执行器具有以下的一些优点：（1）构造简单，可靠性高。（2）体积小，可获得部 较高的推力和转矩。（3）比较易控制。缺点有：（1）漏油污染。（2）噪声。（3）低速不稳 定。（4）必须对工作油的清洁度进行管理。气压执行器由于空气构成的工作流体具有压缩性， 所以在负荷作用下速度容易变

22、动难 以确定精确位置。但不会发生漏油那样环境也不必担心火灾发生，另外，由于空气黏性小， 易安装管道，维护简单，且空气是惯性小的压缩性流体。当迅速的使其流动停止时不会造 成压力波动，因此比较安全，不必安装过负荷防止装置 。步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输 入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步 距角。转制角位移的大小及转速分别与输入的脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉 冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得 所需的转交、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有

23、以下特点： （1） 步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变 化、温度等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机 产生“丢步”现象之前，就 不影响其正常工作；（2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现积 累误差，但转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累计误差 变为“零”，因此不会长期积累； （3）控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步” 。 因此，步进电动机被广泛的应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠的获 得较高的位置精度。作为搬运机械手，它需要在抓取工件的过程中精确的定位，在搬运到另一个地方是

24、也 必须准确，因此机械手手臂的转动和手腕的转动用步进电动机来控制，这样可以避免了用 气压传动带来的不准确性或用液压传动带来的漏油而导致环境污染问题。对于手部的抓 取，可以用气压传动来实现。手臂的提升这几种传动的方法都可以，但为了避免漏油带来 的污染，液压传动的方法暂不做考虑，而用气压传动则不能很好的控制其提升高度的精确 性，因此选择步进电动机。2.3 手部结构的设计方案 夹持式手部结构由手指（手抓）和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽 杠杆式、斜契杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等等。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手指式；按手指夹持工件 的部位又可以分为卡式（或涨

25、式）和外夹持式两种；按模仿人手手指的动作，手指可以分 为一支点回转型，二支点回转型和移动型 （或称直进型 ） ，其中以二支点回转型为基本型式。 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手 指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开 闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当 移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。几种机械手指夹持设计方案如下图 2 所示<5><8>图2机械手的夹持方案对于图2中几种夹持方案的评价：由于本课题手部夹持的

26、动力源选用的是气压传动， 利用气压缸的伸缩来实现对工件的夹持，而方案（ 7）是通过旋转运动来实现对工件的夹 持。显然（7）方案不适合。其中方案（6）是对重轴类零件的夹持机构，而本课题所设计 的机械手需要夹持的工件重量小于等于50公斤，没有必要使用此种夹持方案。由于设计的是利用气压缸的伸缩来实现对工件的夹持，因此方案（5）比较适合，它能承受气缸的伸缩带来的一定的冲击，但是此方案对工件夹持的围过小，因此将其作为备选而不做第一 选择。同样对于方案（1）（2）（ 3）（ 4）（ 9）虽然可以实现夹持的工件围比较大，但是却 需要气缸的大围的伸缩才能实现，这样会使整个机械手的体积变大，而所需设计的机械手

27、是用于生产线，这就要求机械手的结构比较紧凑。因此选用方案8最为合适，并且为了使机械手的通用性更强更好的夹持，采用双夹持 的结构，用两个独立的气缸来控制，以便更好的适应轴的各种形状如光轴、阶梯轴等等。 2.4手腕结构的设计方案考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运 动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构由步进电 机驱动。2.5手臂结构的设计方案按照抓取一一搬运工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的左右回转和 升降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，手臂的各种运动由步进 电机的驱动来实现。2.6 机械

28、手的控制设计方案考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的主要参数2.7.1 主要参数 机械手的最大抓取重量是其规格的主参数，该机械手主参数定为 50 公 斤。2.7.2 基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要 求，设计速度过低限制了它的使用围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂及手腕的 回转速度和手臂的提升速度。该机械手手臂提升的平均速度设计为 0.01m /s ，平均回转速度设计为 900 /s。 机械手动作时有启动、停止

29、过程的加、减速度存在，用速度行程曲线来说明速度特 性较为全面， 因为平均速度与行程有关， 故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有工作半径。大部分机械手设计成相当于 人工坐着或站着且略有走动操作的空间。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统 计和比较，该机械手手臂的工作半径约为1500mm手臂回转行程围定为360°。手臂升降行 程定为1500mn定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为0.5 1mm。2.7.3 机械手技术参数列表（1）用途：拾取轴类零件的机械手。（2）设计技术参数： 抓重：50公斤； 自由度：3个自由度； 坐标型

30、式：圆柱坐标；最大工作半径：1500mm；©手臂最大中心咼:2262mm手臂运动参数：升降行程1500mm；升降速度100mm/s；回转围003600 ；回转速度900/s；©7 手腕运动参数回转围00003600 ；回转速度900/s；手指夹持围40 mm 160mm ；定位方式 机械挡块；定位精度0.5mm;驱动方式手指部分：气压传动； 手腕及手臂等部分：均用步进电动机；控制方式采用PLC的点位程序控制。13 机械手使用寿命： 50000小时。3 手部结构设计3.1 设计时考虑的几个问题（1）具有足够的握力 （即夹紧力 ） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑

31、在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定的开闭角 两手指开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型 手指只有开闭幅度的要求。（3）保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V'形面的手指，以便自动定心。（4）具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外， 还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和 振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断

32、或弯曲变形，应当尽量使结构简单紧凑， 自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。（5）考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型，其结构如图3所示。3.2 手部夹紧气缸的设计手部驱动力的计算根据以上提出的问题及参数对手部的各零件进行设计计算。 本课题气动机械手的手部 示意结构图如下图 3所示。图3齿轮齿条式手部由于夹持的工件重量小于等于50公斤。根据以上给出的所夹持工件的直径围为40mm 60mm。但又因为采用的是用两个独立气缸的双夹持机构则每个机械手夹持的重量 为2

33、5公斤。对于相同重量的工件轴径越大其所需夹持的力也越大。根据以上的数据 dmax 160mm，且假定夹持dmax 160mm的工件时手指的夹持点与轴心线的连线和水平线的夹角为300。根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：(3- 1)2bN P R其中：p驱动力N夹紧力b手指轴心到工件轴心的垂直方向的距离（如图3所示）R齿轮半径初步假设手指轴心到工件轴心的距离为 L 160mm，取R 40mm，手指轴心到齿条 中心的距离为a 70mm。贝U(3-2)bL2 a2. 1602 702143.8mm根据手指夹持工件的方位，根据力学的受力分析可得握力计算公式：N 0.5G/COS6000.5 250/

34、0.5250N由此根据（3- 1）可得驱动力：实际驱动力:因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 实际驱动力为2bN 2 143.8 250P K1789.4NP实际kP-P实际40(3-4)0.95，并取安全系数为k 1.2。故由(3-4)得,k12p- 17894 0952260.3N因此，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为2260.3N。由于机械手的能夹持的最大的直径为dmax 160mm，而夹持后的b 143.8mm，故直齿的长度为略大于L 143.8 80 63.8mm，因此初步选取气缸伸长长度为 60mm气缸的选择根据以上得出的驱动力查询手册选取气压缸，其型号为：LGA 32 50 G-F

35、A-Y-FC;得主要技术参数如下表1:表1选取气缸的相关数据缸径/ mm行程/ mm工作压力围/ MPa耐压力 / MPa使用速度围mm/s使用温度围/ c工作介质给油32600.0490.981.4750 70-25 80空气、干燥空气无电磁换向阀的选择为了实现用PLC对气压缸的运动进行点位程序控制，则需要一个电磁换向阀对输入气 压缸的气体进出方向进行控制。根据上述的气压缸的工作压强，采用XQ系列的双电控两 位五通的电磁换向阀。此电磁换向阀的型号为：XQ 25 08 41 220v/50Hz其主要的技术参数如下表2:表2电磁换向阀主要技术参数通径/mm接口螺纹工作压力/ MPa切换时间/ m

36、s工作电压消耗功率环境温度/ c耐久性8G 1/40.151.015220v/50Hz6V.A550400万次齿轮齿条的设计计算事实上在齿轮齿条的啮合传动中，真正进行啮合传动的只是齿轮的一部分，即可以看 成是扇形齿轮，但在下面的计算过程中，为了计算的方便将其看作整个齿轮来做。选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数(1) 安图1所式的传动方案，选用直齿圆柱齿轮齿条传动。(2) 用7级精度。(3) 材料选择。由12表10-1选择齿轮齿条材料为40Cr (调质)，硬度为280HBS(4)初步选取齿轮的齿数为30齿。3.242安齿面接触强度设计由12设计计算公式(10-9a )进行试算，即dit2.32

37、KtTiu 1(1)确定公式的各计算数值试选载荷系数Kt 1.3 ；计算齿轮传递的力矩;T195.592240N由12表10-7选取齿宽系数d 0.6 ；io5p /mmmr 40 2306O由12表10-6查得材料的弹性影响系数ZE由12图10-21d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限189.8MPa 2;H lim 1触疲劳强度极限Hlim2 600MPa。由12式10-13计算应力循环次数由气缸的使用速度围，取气缸的速度为v 70mm/s，根据以上的假设到齿轮的转速为：60v60 70n2 R 24016.7rad / min而且使用寿命为Lh 10000h，由此可以得出应力循环次数为

38、:N160n 1jLh 60 16.7 1 500005 107由12图10-19查得解除疲劳寿命系数Khn1 0.98 ； Khn2 0.98计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数S=1，由12式(10-12 )得K HN 1 H lim1 0.98600H 1S1588 MPa(3 5)(3 6)600MPa ；齿条的接R 40mm，可以得(3 7)(3 8)(3 9)K HN 2 H lim 2S0.98 6001588MPa(2)计算试算齿轮分度圆直径d1t，根据(3 5)式代入H中较小的值d1t 2.32 3,KtT1 u 1d uZe21.3 92240 1 1 189.80

39、.615882.32 379.8mm圆整取d1t 80mm圆周速度70mm/ s。由气缸的使用速度围，取气缸的速度为计算齿宽bd48mmdit0.6 80(3- 11)O计算齿宽于齿高之比b h 模数mtdit /zi2.6780/30(3- 12)齿高齿宽于齿高之比h 2.25mt6mmb h 48/62.25 2.67(3- 13)计算载荷系数 根据v 70mm/ s ,7级精度,12图10-8查得动载系数K 直齿轮，假设KAFt/b 100N /mm。由12表10-3查得KH 由12表10-2查得使用系数Ka 1.25 由12表10-4查得7级精度、1.02Kf 1.2 ;将数据代入后得

40、由b h 16， KhKh' A齿轮相对支承对称布置时，1.12 0.18 J 0.23 10 3b1.12 0.18 0.620.23 10 3 48Kh1.1961.196查12图10-13得Kf 1.16 ;故载荷系数K KaKvKh Kh 1.25 1.02 1.2 1.196 1.83 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由12式（10-10a ）得d1 dJ.K/K；803 1.83/1.389.7mm 由式（3- 12）计算模数mm d1 /Z|89.7/303mm按齿根弯曲强度设计计算(3- 14)(3- 15)由12式(10-5)得弯曲强度的设计公式为m 32V

41、dZi2KT1 YFaYs(3- 17)(1) 确定公式的各计算数值fe1 500MPa ；齿条的弯曲疲劳强度极Kfn1 0.85 ;齿条的弯曲疲劳寿命系数 由12图10-20C查得齿轮的弯曲疲劳强度极限限 fe2 500MPa ； 由12图10-18查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数K FN 20.85 ; 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数齿轮：S=1.4，由12式(10-12 )得K FN1 FE10.85 500F 1S1.4(3- 18)303.57MPa齿条：K FN2 FE20.85 500F 2S1.4(3- 19)303.57MPa计算载荷系数K 匚心心Kf1.7751.25 1

42、.02 1.2 1.16(3- 20)查取齿形系数由12表10-5查得齿轮的齿形系数YFa12.52 ；齿条的齿形系数YFa22.52 ;查取应力校正系数由12表10-5可查得齿轮的应力校正系数 Ysa11.625 ;齿条的应力校正系数Ysa21.625 ;计算齿轮、齿条的Yf 并加以比较F齿轮：YFaMa12.52 1.625F 1303.570.0134齿条：YFa2Ysa22.52 1.625F 2303.570.0134(2)根据(3- 17)设计计算得o 2 1.775 922403 0.6 3020.0134mm2.03mm对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲

43、劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 2.03mm圆整为标准值2.5mm由此可以得出齿数为：d 89.7 zm 2.535.88(3- 21)取35个齿。3.2.4.4几何尺寸计算中心距：由假设可知中心距计算分度圆直径齿轮：(1)(2)a 70mmd1 Z1m 35 2.5 87.5mm齿条：根据中心距可知，齿条中心到分度圆的距离为87.52(3)r2 a 虫 702 26.25mm计算齿轮宽度由式(3- 11 )得b dd10.652.5mm87.5(4)

44、齿高由式（3- 13）得h 2.25mt 2.25 2.55.625mm验算Ftd12108N2 92240N(3- 22)KaR1.25 210887.530.12N /mm 100N /mm87.5结果合适。齿条的齿数由于气缸的伸长为60mm，则齿数为:z 36607.86(3- 23)取齿条的齿数为7个齿轴承的选用（1）受力分析根据机械手手指的受力情况可知：轴承尽受径向力而不受轴向力，由此可以只考虑只受径 向力的轴承。为了使轴拥有更好的支撑能力即由于轴承选择的不同，可影响到轴径的大小。考虑到这个问题，可选用轴承相对较薄的滚针轴承。根据机械手手指传动方式（如图1），可以得出轴承的受力情况：

45、Fr1 2p 2306N 1153N2Fr2G4Fr1500N 125N 4Fr2 1378 N(13-8a)Fr（2）初步计算当量动载荷P,根据12式fp（XFr YFa）(3 24)根据机械设计手册4滚针轴承取 根据机械设计手册4对于滚针轴承 由此可得当量动载荷P:1.5 ；1;Y0.1 1378 2067N（3）根据12式（13-6），求轴承应有的基本额定动载荷值1.5C P 60nLhC - 106 9964.4.2N（4）按照轴承样本或设计手册4选择Cr载荷 C070.8KN。（5）寿命的计算2067 3 60 16.76 50000N V106(3 25)43.8KN的NA6906

46、轴承。此轴承的基本额定静6C10Pm60 16.7Lh垃60 g69.5 10 h 50000h3438002067(3 26)所以所选用的轴承合适轴的设计计算由图4可以看出，此轴是非转动轴，根据其用途和安装位置，可以看出其轴尽受到径 向力，不受轴向力，扭转力矩等一些其它的力。因此为了能安全使用，只需找到轴的应力 最大处，看它是否满足，若满足则说明设计的轴可以使用反之则说明不能使用需要重新设计。（1）初步确定轴的最小直径选取轴的材料45钢调质处理，轴的最小轴径显然是在安装轴承处轴d1 2 （如图4）为了使所选的轴的直径与轴承的孔径相适应根据以上所选的轴承，选取安装轴承处的轴径为30mm。图4轴

47、的装配方案(2) 轴结构的设计 拟订轴上的装配方案，如图4所示； 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度；1 2段：根据选取的轴承长度为30mm安装手指的宽度为42mm又由于在轴承的顶端有挡圈及在套筒的端部有一个卡环，因此选用的长度需大于42mm初步选取di 2 48mm。2 3段：2-3段的设计是为了夹持工件的稳定而设计的，否则用单独的一对手指来搬运工件时虽然可以实现但此相当不稳定，会造成摆动，是整个机械手系统不稳定。故2 3间的跨距大一些对系统的稳定有益，但也不能过大，否则过大使，对短粗的工件不能夹持。因 此初步选择d2 3200mm。3 4段：由于与1 2段是对称的关系，故选取d3 4

48、 d1 2 48mm。 确定轴上的倒角尺寸轴各处的倒角均取为：3 45°。(3) 求轴上的载荷如图3所示，可以看出轴上所受的力为齿轮齿条传动中产生的力即齿轮所受的径向力Fr，周向力Ft。首先，根据结构图(图4)作出轴的计算简图(图5)。其受力情况如图5所示：Fr1Fr27K-419.7N支反力G/4、/Fa支反力图5轴的计算简图根据轴的计算简图得出： 水平方向的支反力：由于齿轮受到的周向力为：Ft - 2306 1153N2 2则可知齿轮所受到的径向力为：Fr Ft tan20° 1153 tan 200由此可得：FNH 1 FNH 22 419.7NFr 30 FNH2

49、200 Fr (30 200)Fnh1 419.7NFnh2 419.7N 垂直方向的支反力：丄十 P 2306由于 Ft1153N ； G 50 10N 500N2 2则可得：G500FzFt4115341278NF NV1FNV22FzFz30FNV2200Fz(30 200)从而可以计算出支反力为:Fnv1 1278NFnv2 1278N根据轴的受力简图，做出弯矩图，计算弯矩 水平方向的弯矩图如图6所示：Fr1Fr2p L支反力IKr厂图6水平方向的弯矩图 水平方向的弯矩为：M H Fr 30419.7 30N mm1295N mm垂直方向的弯矩图如图7所示：垂直方向的弯矩为：M V F

50、z 301278 30N mm 38340 N mm则合成的总弯矩为：M 总 ,M H2 MV2 J295238340238360.9N mmG/4VFa.支反力图7垂直方向的弯矩图弯应力校核轴的强度 由轴的轴径的大小可得:d3320.1d3(3- 27)330.1 (30 10 )M38.4(3- 28)60MPa ,因此13W 0.1 (0.03)14.2MPa前面已选定轴的材料为45钢，调质处理，由12表15-1查得 故，安全使用。手部螺栓的设计计算固定气缸用的螺栓根据气缸上的用来固定的孔大小选用标准件 M 6。校核：由气缸的固定方式可以看出气缸上的螺栓仅受轴向的拉力。因此,F。d242

51、30681.6MPa(3- 29)-0.00624由12表5-4可以查得45钢的螺纹连接件的疲劳极限为：250340MPa 故，选用的M4螺钉适用。垫圈的选用如图4所示在与滚针轴承接触的套筒是套在轴承上的， 但又靠在手指上而手指与轴是 相对转动的，考虑到套筒与手指间会有摩擦，故为了减少这种摩擦造成的磨损，在套筒上 增加一个耐磨的垫圈，根据各种耐摩擦的材料的特性，加油的方式等各种因素，选择粉末 冶金做成的垫圈，其材料呈多孔海绵状，在 120 C温度的油中浸渍后，润滑油贮存在轴承 中材料的孔隙中。工作时，由于抽吸作用和摩擦生热后油膨胀作用，润滑油自动分泌出来 进行润滑。不工作时，油又冷却而被吸回部

52、。该种轴承可在长期工作中无须添加润滑剂， 维护十分简单，但是由于材料质地疏松而耐压强度较低。适用于低速、轻栽。故对于此处 的垫圈用此材料十分适合。4手腕结构设计在生产线上由于不同种类的工件放置的方式有所不同，因此为了能更好的能适应，手 腕部分采用步进电动机来控制要转动的角度。被控对象由电动机驱动，因此电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要 相匹配，如冗余量大、易使执行元件价格贵，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力 下降；在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。如果选用的执行元件的参数数值偏 低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的需要相应的执行元件。4.1执行元件的选择系

53、统执行元件的转矩匹配（1）求等效转动惯量J；q。该系统运动部件的动能总和为:1 E -2 i设等效到执行元件输出轴上的总动能为：mmi12ViJj1(41)Ek1Jkeq(4 2)由于E Ek，故JfqmiViJj1(4 3)用工程上常用单位时，可将上式改写为:j eqmiVinkJj12njnk(4 4)式中：nk执行元件的转速（r/min因为步进电动机的转速与轴及工件的转速是项等的，故由式 后其转动惯量为：4 3）计算后得机械手抓重nJfqnJjj 1Jjj 124.2kg m（2）求等效负载转矩T°q°设上述系统在时间t克服负载所作的功的总和为:nkmWFiViti 1同理，执行元件输出轴在时间t的转角为：nT t j j