六自由度机械手设计说明书

1、 六自由度机械手 设计说明书设计参数 摘要随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥了相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人值守工厂，无一不能看到机械手的身影。机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性

2、或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。应用前景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机

3、械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。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，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿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，因

4、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目录机械手的设计一、方案设计方案一：机械手采用气动控制，气压传动，其优点：1）以空气为工作介质，来源放不安，且用后可直接排入大气而不污染环境。2）空气粘性小，损失小，节能高效。3）动作迅速、反应快、维护简单、不易堵塞。4 工作环境适应性好，安全可靠。5）成本低、过载能自动保护。缺点：1）工作速度稳定性差。2）不易获得较大的推力或转矩。3）有较大的排气噪声，4）以空气无润滑性能，需在气路中设计给油润滑装置。方案二：机械手采用电气控制，机械传动，其优点：1）精度高，伺服电机作为动力源，同步带等组成结构简单且效率高的传动机构。2）控制精度高，根

5、据设定的参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术的支持下，能够大大超过其他控制方式达到的控制精度。3）改善环保水平，由于使用能源品种的减少及其优化的性能，污染减少了，噪音降低了，能够提供良好的工作环境。4）降低噪音，其运行噪音低于70分贝，大约是液压驱动的三分之二。 因此选用电气控制，机械传动，局部气动的机械手。能够更好的发挥两者的优点避免缺点。二、结构设计气动控制运动结构图如下图所示： 电气控制运动结构件图如下图所示： 其中电气传动的回转等复杂动作因采用的伺服电机及计算机控制，较气动控制简单，因此该结构选取完全的电气控制。而其机械手的加持可采用气动控制。1、 电机的选择机械手除

6、去加持装置总共有六个自由度，总共需用六个伺服电机。1）主回转轴电机的选用主电机传动比选择：i =25主回转轴电机转矩，转动惯量计算：11J 1=md 2=500.3352=0.701kg m 2 8811222 J 2=md =801.3=33.8Kg m 44J +J 0.701+33.8=0.055Kg m 2 J max =122=i 62511T 1=mgr =50100.335=41.8N m 4411T 2=mgL =80101.3=520N m 22T +T 41.8+520T 电=12=22.472N m i 25根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW ，额定

7、转矩28.4N ·m ，最大转矩，63.7N ·m ，电机转动惯量，55.710-4Kg m 2，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F 型。2）大臂摆动电机选用传动比选择：i =25电机转矩，转动惯量计算：11J =md 2=801.22=28.8Kg m 2 44J 28.8J 电=2=2=0.004608Kg m 2 i 2511mgL =80101.2=480N m 22T 480T 电=19.2N m i 25根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 3KW ，额定转矩28.4N ·m ，T =最大转矩，63.7N

8、·m ，电机转动惯量，55.710-4Kg m 2，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F 型。3）大臂转动电机选用传动比选择：i =10电机转矩转、动惯量计算：11J =md 2=800.0652=0.0325Kg m 2 88J 0.0325J 电=2=0.000325Kg m 2 i 10011T 1=mgr =30100.065=4.875N m 4411T 2=mgL =30100.55=82.5N m 22T +T 4.875+82.5T 电=12=8.7375N m i 10根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W ，额定

9、转矩8.62N ·m ，最大转矩，19.3N ·m ，电机转动惯量，11.210-4Kg m 2，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D 型。4）小臂摆动电机的选择传动比选择：i =1511J =md 2=200.552=1.5125kg m 2 44J 1.51252J 电=2=0.0051Kg m 2i 1511T =mgL =20100.55=55N m 22T 55T 电=3.67N m i 15根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MGMA 900W ，额定转矩8.62N ·m ，最大转矩，19.3N ·m ，电

10、机转动惯量，11.210-4Kg m 2，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D 型。5 小臂转动电机选择传动比选择：i =1011222 J =md =200.13=0.04225kg m 88J 0.04225=0.0004225Kg m 2 2i 10011 T =mgr =20100.065=3.25N m 44T 3. 25=0. 32N 5m T 电=i 10根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MDMA 750W ，额定转矩3.57N ·m ， J 电=最大转矩，10.7N ·m ，电机转动惯量，6.210-4Kg m 2，额定

11、转速2000r/min,最大转速，3000r/min，外形分类D 型5）手腕摆动电机选择传动比选择：i =1011J =md 2=50.0452=0.0025kg m 244J 0.0025J 电=2=0.000025Kg m 2 i 10011T =mgL =5100.045=1.125N m 22T 1.125T 电=0.1125N m i 10根据转矩、转动惯量选择电机型号：松下电机MQMA 200W ，额定转矩0.64N ·m ，最大转矩，0.91N ·m ，电机转动惯量，0.4210-4Kg m 2，额定转速3000r/min,最大转速，5000r/min，外形分

12、类A 型。2、 V 带的选择该机械手中大臂摆动和手腕摆动需要选择V 带。1）大臂摆动V 带选择 计算功率：P ca =K A P =1.23000=3.6Kw 小带轮转速：n 1=1000由上述数据可以选择带型为型；根据参考文献【】P155和P157可以选择小带轮直径为：d d 1=100mm 计算得大带轮直径d d 2=id d 1=4100=400mm 验算带速：v 1=d d 1n 1601000=3.141001000=5.23m /s 符合V 带选择标准。 601000中心距的初算：0.7(d d 1+d d 2 a 02(d d 1+d d 2得350a 01000，取a 0=80

13、0； 计算相应带长：(d d 1+d d 2 2L d 02a 0+(d d 1+d d 2 +=1600+785+78.125=2463.1mm 24a 0根据参考文献【1】P146，L d =2240mm 同时查得长度系数 K L =1.06； 计算中心距：a a 0+中心距的变动范围： L d -L d 0=688mm 2a min =a -0.015L d =688-33.6=654mma max =a +0.03L d =688+67.2=755mm 验算小带轮包角：57.3°57.3°°1180-（d d 2-d d 1=180-300=155

14、6; a 688°大于90°符合要求。确定带的根数：z =P ca P ca 3.6=4根 P r (P 0+P 0 K K L (0.95+0.11 0.931.06 确定带的初拉力：(F 0 min =500=500(2.5-K P ca +qv 2K zv (2.5-0.93 3.6+0.15.232 0.9345.23=145.2+2.7=147.7N对于新安装的V 带初拉力为1.5(F 0 min ，对于运转后的V 带初拉力应为1.3(F 0 min 计算带传动压轴力：2=24147.7sin 77.5°=1148.1N F P =2zF 0sin 12

15、）手腕摆动的V 带的选择： 计算功率：P ca =K A P =1.2200=0.24Kw小带轮转速：n 1=3000由上述数据可以选择带型为Z 型；根据参考文献【】P155和P157可以选择小带轮直径为：d d 1=75mm 计算得大带轮直径d d 2=id d 1=475=300mm 验算带速：v 1=d d 1n 1601000=3.14753000=11.775m /s 符合V 带选择标准。 601000中心距的初算：0.7(d d 1+d d 2 a 02(d d 1+d d 2得262a 0750，取a 0=400； 计算相应带长：(d d 1+d d 2 2L d 02a 0+(

16、d d 1+d d 2 +=800+588+87.89=1475.8mm 24a 0根据参考文献【1】P146，L d =1400mm 同时查得长度系数 K L =1.14； 计算中心距：a a 0+中心距的变动范围： L d -L d 0=362.1mm 2a min =a -0.015L d =362-21=341mma max =a +0.03L d =362+42=404mm 验算小带轮包角：57.3°57.3°°1180-（d d 2-d d 1=180-225=144° a 362°大于90°符合要求。确定带的根数：z =

17、P ca P ca 0.24=1根 P r (P 0+P 0 K K L (0.50+0.04 0.911.14 确定带的初拉力：(F 0 min =500=500(2.5-K P ca +qv 2K zv (2.5-0.91 0.24+0.111.7752 0.91111.775=17.8+13.8=31.6N对于新安装的V 带初拉力为1.5(F 0 min ，对于运转后的V 带初拉力应为1.3(F 0 min 计算带传动压轴力：2=2131.6sin 72°=60.1N F P =2zF 0sin 13、 传动齿轮的计算对于该机械手臂，采用标准直齿轮传动。1）小齿轮的计算选择齿轮

18、材料、热处理方式、精度等级机械手为一般机械，大小齿轮均选用45号钢，采用软齿面，由参考文献1表8.2查得：小齿轮调质处理，齿面硬度为217225HBS，平均硬度236HBS ；大齿轮正火处理，齿面硬度162217HBS，平均硬度190HBS 。大、小齿轮齿面平均硬度差为46HBS ，在3050HBS范围内。选用8级精度。初步计算传动主要尺寸因为齿轮采用软齿面开式传动，齿面不会发生疲劳点蚀，因此初步确定按齿根弯曲疲劳强度设计齿轮传动主要参数和尺寸。齿根弯曲疲劳强度设计公式 m 压力角的选择由机械原理可知增大压力角，齿轮的尺厚及节点处的尺廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强

19、度。我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角=20°齿数z 的选择若保持齿轮传动的中心距a 不变，增加齿数，除能增大重合度、改善平稳性外，还可减小模数降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。另外降低齿高还能降低滑动速度，以减少磨损及胶合的危险。但模数小了齿厚随之减薄，则要降低齿轮的弯曲强度，不过在一定的齿数范围内尤其是当承载能力主要取决于齿面接触强度时，以齿数多一些为好。初选小齿轮z 1=17 设计要求中齿轮传动比i =i 25=6.25，故 i 14z 2=iz 1=6.2517=106.25圆整后，并保证其互质，取z 2=106，此时传动比误差=|i -i 06.25-106

20、/17|100%=|100%=0.23%<5% i 6.25小齿轮传递的转矩T 1T 1=9.55106=9.55106P 1n 13.42 1000/4=1.2105N mmP 1=12P m =0.960.993.6=3.42Kw式中1带轮的传动效率 2对滚动轴承的传递的功率载荷系数K v 的确定由于v 值未知，K v 不能确定，故可初选K = 1.1 1.8 ，这里初选K = 1.3 齿宽系数d 的确定由参考文献【1】表10-7，选取齿宽系数d =0.95齿形系数Y Fa 和应力修正系数Y Sa由参考文献【1】表10-5查得齿形系数Y Fa 1=2.97，Y Fa 2=2.18 应

21、力修正系数Y Sa 1=1.52，Y Sa 2=1.79重合度系数Y 的确定对于标准外啮合齿轮传动，端面重合度 11=1.88-3.2(+z 1z 2式中 z 1、z 2齿数把z 1= 17 ，z 2 = 106，代入上式得=1.88-3.2(根据经验公式，确定 1111+=1.88-3.2(+ =1.66 z 1z 217106Y =0.25+0.75=0.25+0.75=0.702 1.66许用弯曲应力的确定F =K N F lim S F式中F lim 计入了齿根应力修正系数之后, 试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限应力；当齿轮双侧工作时图中时值乘以0.7S F 安全系数；与疲劳点蚀相比，断齿的

22、后果更为严重，所以，一般取S F =1.25由参考文献【1】图10-20弯曲疲劳极限应力F lim1=240MPa ，F lim2=170MPa由参考文献【1】，取安全系数S F =1.25小齿轮与大齿轮的应力循环次数可按下式计算N =60njL hn 齿轮转速，r/min；J 齿轮转一周，同一侧齿面啮合的次数； 式中L h 齿轮的工作寿命，h （小时）代入数值，分别有N 1=60n 1jL h =60n m jL h 6010001525028=3108 i 14N 13108N 2=4.8107 i 6.25由参考文献【1】图8.30 得，弯曲强度寿命系数K N 1=K N 2=1.0 故

23、弯曲应力F 1/MPa =K N 1F lim11.0240=192 S F 1.25F 2/MPa =K N 2F lim21.0170=136 S F 1.25Y Fa 1Y Sa 12.971.52=0.0235 F 1192Y Fa 2Y Sa 22.181.79=0.0287 F 2136所以Y Fa 1Y Sa 1Y Fa 2Y Sa 2=0.0287 =F F 2初算模数 m t 计算载荷系数K =2.27 设计要求机器工作平稳，由参考文献2表8.3查得K A =1.0v /(m s -1 =d 1n 1601000=mz 1n 1601000=3.142.61171000/4=

24、0.58 60000由参考文献【1】图10-8得动载荷系数 K v =1.1由参考文献【1】表10-4得齿向载荷分布系数 K =1.06由参考文献【1】表10-3得齿间载荷分布系数K =1.1，则K =K A K V K K =1.01.11.061.1=1.28K 值与初取的K t = 1.3差距很小，不须修正修正 mm /mm =m =2.61=2.60 由参考文献【1】公式10-10b ，圆整取第一系列标准模数3。计算传动尺寸中心距a /mm =m (z 1+z 2 3(17+106 =184.5 22中心距圆整至185， 满足条件。d 1/mm =mz 1=317=51d 2/mm =mz 2=3106=318b =d d 1=0.9551=48.45mm取b 2=b =48.45mm ，取b 2=50mm ，b 1=55mm2）大齿轮结构尺寸的确定齿轮结构型式的确定齿顶圆直径d a =d 2+2h a =(z 2+2 m =(