【工业送料六轴机械手结构设计9400字（论文）】

要性不言而喻。小臂主要驱动手腕部分的旋转以及手腕部分的俯仰等动作。而要实现这样一个动作就必须要用到机械传统系统，常用的传统系统无非是齿轮、皮带和链条。而小臂的结构都是非常紧凑的，而皮带、链条他们能够适应比较长的中心距之间的传动，但是结构太不紧凑了，无法安装到小臂内进行传动作业，所以我们就采用了齿轮进行传动。对于机械机构里面齿轮出现的概率非常的高，所以齿轮已经成了机械最直接的代名词，我们常看到的一些影视作品当中，尤其是在一些古装的影视作品中，为了表现出古代机关的精巧以及机械的复杂，一般都会把很多齿轮把它叠加在一起。在现实当中的机械传动不敢说都有齿轮，但可以说九成以上都要依靠齿轮。从齿轮出现的概率我们就不难想象齿轮在机械传动中的位置。齿轮之所以这么受欢迎，其主要的原因在于齿轮传动特点就是传动力矩大，使用寿命长，维护也简单[6]。而且齿轮传动它还有好多变形，比如说有不完全齿轮传动，以及其他一些异形齿轮传动，这些变形以后的齿轮传动可以实现比单一圆周旋转更为丰富多样的运动。为了让手腕部分旋转的速度可调，本设计采用多个电机驱动不同传动比的齿轮副实现转速的调节。其实实现转速调节还有一个很典型的办法，就是通过一个电机驱动变速齿轮传动系统通过滑移齿轮改变镍和齿轮的传动比，从而实现转速的调节。这个方法是比较传统的，最典型的应用就是车床的床头箱，这个方法看似节约了电机数量，其实它增加了传动系统的复杂程度，让传动系统变的不紧凑，而且也增加了设计难度。而机械手要求传动系统机构紧凑，而且要求结构要尽可能的简单一些，同时方便实现自动控制。因此采用多个电机独立驱动不同的齿轮副实现变速，更加符合本设计机械手的设计要求。因此本设计采用三个独立的电机驱动三个不同传动比的齿轮副实现手腕转速的调节，如下图2-2所示。图2-2变速驱动系统4.手腕部分机械手手腕部分本身要旋转，他不光要有圆柱齿轮传动，还需要有锥齿轮传动，通过锥齿轮传动带动手腕部分进行旋转。图2-3手腕部分的传动结构5.末端执行器由于本设计机械手它主要是应用在工业生产行业的，所以它的末端执行器担负的作用一般是工业的，所以它的第一要务就是要能够对工业用料进行夹紧和松开，因此它的末端执行器是卡爪式的结构。末端执行器采用气缸进行驱动，它的结构也是比较成熟，是通过气缸的伸缩拉动拉杆，拉杆带动两侧的卡爪实现开合。将上述各部分结合起来，就得到了本设计工业送料机械手的整体结构，如下图2-4所示。图2-4整体结构三、工业送料机械手的设计计算（一）机械手底座的设计1.底座设计要求工业送料机械手的底座，它承担了整个机械手的重量，同时如果机械手夹持重物的话，那么它还要承担重物的重量，这就要求机械手的底座必须具有足够的强度和刚性，一般来说像底座支座之类的零件都采用铸造，材料往往采用非常容易铸造成型的灰铸铁。加上灰铸铁具有良好的吸振的性能，所以在很多大型的机械上都采用灰铸铁铸造底座。但是灰铸铁要发挥出良好的抗压减振性能必须要具有足够的体量，而工业送料机械手底座尺寸有限，即使使用灰铸铁铸造也难以满足使用要求，因此底座采用强度更高的铸钢材料来制造。材料选用ZG200-400，外形设计为薄壁结构，以减轻自身的质量[7]。2.底座电机选择小手臂转动惯量： J3=J0+mp2=0.80+9.5X(15Xcos15°)2=23.43kg.m2 （3-1）大手臂转动惯量：J2=（a2+臂2+c2+d2）+mp2=（0.22+0.12+0.122+0.062）+44.8×0.352=5.742kg.m2（3-2）两电动机的转动惯量： J电=J电1+J电2=34×0.22+8.5×0.42=2.72kg.m2 （3-3）减速箱的转动惯量： J减=150×0.452=30.375kg.m2 （3-4）腰部本身的转动惯量：J1=mp2=250×0.252=40kg.m2（3-5）所以，总的转动惯量为J总=23.4+5.742+20+2.72+28.125+40+30.375=150.392kg.m2（3-6）而转动角加速度为ε=7.854°/s2输出轴的转矩为M=J总ε=150.392×7.854=1181.179N·m（3-7）转换到电机上的转矩为M电=17.71N·m根据要求M电<M额，选P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服电机，额定转矩为28.4N·m。（二）机械手手臂的设计1.手臂电机选择大手臂的转动惯量，由上可知; J2=5.742kg.m2 （3-8）电动机转动惯量 J电2=8.5×0.42=1.366kg.m2 （3-9）摆线减速器转动惯量： J减=150×0.452=30.375kg.m2 （3-10）大手臂总惯量：J总=5.742+1.366+30.375=40.602kg.m2（3-11）所以电动机的转矩为M电=14.17N.m根据要求M电<M额，选P=2.5kw，n=1000r/min的GY2.5型电机小手臂的转动惯量 J3=34×0.22=1.36kg.m2 （3-12）电动机转动惯量 J电3=100×0.52=25kg.m2 （3-13）摆线减速器转动惯量 J减3=150×0.452=30.375kg.m2 （3-14）所以小手臂总的转动惯量为J总=23.43+1.36+25+30.375=80.165kg.m2（3-15）对应在电动机上M电=9.45N.m根据要求M电<M额，选P=2.2KW，Y-H系列电机，转速n=800r/min2.小臂设计经过上面的分析，小臂的俯仰实际上是通过电机驱动连杆从而拉动小臂进行摆动，这实际上就是一个曲柄摇杆机构。如图3-1所示。图3-1四杆机构示意图3.手臂齿轮的设计计算取小齿轮齿数=24，则=5×24=120，大齿轮齿数Z2＝120。按齿面接触疲劳强度设计选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286H臂S。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240H臂S，精度8级。确定各个参数数值（1）T=9.55×10×=9.55×10×(0.4/0.75)×0.99=5.04×10Nmm（2）初选=1.4；=1；ZE=188.9；=2.5（6）小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150MPa，大齿轮为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7×（8）查表取接触疲劳寿命系数为=1.08，=1.19（9）取安全系数为=1==1242MPa （3-16）==1332.8MPa（3-17）确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值=29.04mm（2）按K值对进行修正由圆周速度 =2.28m/s （3-18）查机械设计手册得到=1.075，为=1.2。=1.07，=1.00所以载荷系数K==1.38按K值对进行修正==29.04=28.9mm （3-19）（4）确定模数m以及主要尺寸m==1.2mm为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2==216mm分度圆直径==72mm，==360mm齿宽臂==72mm，取小齿轮齿宽=80mm，大齿轮齿宽=75mm齿顶高===3mm，齿根高===3.75mm3、按齿根弯曲疲劳强度校核 （3-20）确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98（2）查表取齿形系数和应力校正系数=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取弯曲疲劳极限=710MPa，=710MPa（4）取弯曲疲劳系数=1.25可得==539.6MPa==556.64MPa（5）验算齿根弯曲疲劳强度===58.48MPa==54.61MPa弯曲疲劳强度足够了。（三）机械手手腕部分设计（1）确定手腕齿轮连接轴的结构齿轮系统广泛应用于各类机械设备，而系统中物理参数和几何参数等的不确定性可能会导致系统运动精度丧失、运动可靠度下降。针对不确定性下齿轮系统运动精度问题，分析了齿轮机构的动态传递误差REF_Ref20967\r\h[8]。齿轮和轴作为传动系统中关键的零部件，他们是直接传递动力和扭矩的，可以说是传动系统中的中流砥柱。所以他们使用的材料都是有讲究的，强度刚度要满足要求自然不用说，另外还要有一定的韧性要求。一般情况下作为轴来说45号钢和40Gr都是非常合适的材料，之所以这些材料常用，是因为他们的性价比高，调制过后的综合力学性能非常好价格也不贵。根据上面的分析，本轴的材料为40Cr，调制处理。轴的基本结构如下3-2所示。图3-2轴的基本结构2.手腕齿轮连接轴的强度校核（1）计算齿轮的受力转矩T=9.55×10=9.55×10×(3/75)×0.99=378180Nmm圆周力==12606N径向力==4588.2N（2）计算支撑反力水平面受力图如图3.3(a)所示。+= （3-21）×153=×(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力图如图3.3(臂)所示。+= （3-22）×(67+153)=×67故=3839.10N，=8766.90N（3）画轴弯矩图水平面弯矩图见图3.3(c)图。垂直面弯矩图见图3.3(d)图。合成弯矩M=。（4）画轴转矩图轴受转矩T=T，转矩图见图3-3(f)图。（a）（臂）（c）（d）（e）（f）图3-3手腕齿轮连接轴的受力分析（5）按弯扭合成应力进行强度校核fg段的中间截面为危险截面。取=0.6。当量转矩=0.6×378180=226908Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以<。因此小轴1的满足强度要求，所以有安全保障。四、工业送料机械手的控制（一）自动控制方式概述控制系统就是一种控制各种硬件的装置，并对其进行各种操作功能进行管理的系统。最早控制系统都是由纯粹的机械来进行操作控制的，以机械对机械的方式来进行控制硬件运行。工业革命时期国外发明了蒸汽机，就是依靠纯粹的机械控制机械的运行，虽然这样的方法可以是机械得到长久的使用，具有较大的经济性和实用性，但单纯靠机械控制机械不够灵活。而且机械较小的话还可以进行手动控制，但如果都是大的机械的话，就很不好去调整了，这说明机械对机械的控制灵活性很差，需要耗费很大的人力成本。后来随着科技的发展，人们对此作出了研究，逐步研发出的是PLC控制系统，这个控制系统是依靠改编程序来实现控制的改变。PLC能够实现大型设备的控制，尤其对工业上大型机械的控制操作有着非常大的帮助，在许多庞大以及数量复杂的机械中都有很好的应用，在发电厂、化工厂等大型工厂都会运用到PLC，它有着能够实现自动化的控制系统，初期它的价格也不便宜。随着信息技术的迅猛发展，集成电路的广泛应用，人们又研发出了高性能的单片机，单片机同样是依靠改编程序来实现控制系统的操作运行，单片机与PLC最大的区别就在控制方式的不同。单片机更擅长控制小型的机器，所以它大都应用在电脑内部、电子秤、儿童玩具等这样的小型控制系统，它的价格很便宜，因此有很多的企业去运用单片机，所以单片机也是一项非常成功的研究。而国内早先是依靠人控制机械的方法，十分落后，后来是依靠机械对机械的控制系统，并一直沿用了很久，虽说很耐用，但是不够灵活。随着改革开放之后，中国面向世界，有了更多的科技和文化的交流，人们也发现了PLC和单片机的应用之非常广，所以国内也决定研发这样的控制系统，但由于当时的技术较落后，人们苦于研究未果之后，引进了国外先进的控制系统，对其进行消化吸收，在此基础上做出了大量的研发成果。随着科技的成熟发展，我国已经能够自主研发PLC和单片机这样的控制系统，国内许多大小企业也相继研发了控制系统，实现机械的自主控制，在工业机械和自动化领域控制系统也得到了广泛的发展，并且取得了不错的成绩。相信在未来，我国在控制系统的研究上还会取得更大的突破，创造出更加智能化的控制系统。不管是单片机也好还是PLC也好，他们其实都能够实现自动控制，而本课题研究的他这种工业送料机械手都可以使用这些方法进行控制，不过二者相比PLC要更胜一筹，为什么这么说，因为PLC它更加适合在工业中对于机械手、生产线这种有固定工作程序的设备进行控制。加上plc它具有控制性能稳定，抗干扰能力强这一优点，所以机械手基本上都会选用PLC进行控制，本设计自然是不例外。（二）plc的选型确定了选用PLC，那么使用哪一个类型的plc呢，再选择PLC时重点要考虑的几个问题，首先输入输出的点数，其次存储空间，另外就是PLC的功能。输入输出点数是非常重要的，首先我们要预估控制系统需要多少输入输出点数，选择的PIC型号要能够在满足点数要求的前提下再预留一些点数，作为备用。比如总共需要32个点数，而此型号正好总有32个点数，那么有的人就会认为它是符合要求的，其实不然因为要考虑到后期的扩展问题，至少要有36个才能满足要求，也就是说要比要求的点数还要多一些才行。同样的存储空间也是这个道理，在满足要求的前提下再放一些。另外就是PLC的控制功能的选择，选择的PLC型号所带有的功能要涵盖设备控制需求的全部功能才行。采用单片机技术和PＩＤ闭环反馈调节控制技术，设计了一款新型的仿人多指机械手，并设计了机器人的控制系统。其中，控制系统的核心采用了一款性价比较高、使用灵活的ＡＴ８９Ｓ５２单片机。通过测试发现,单片机可以实现机械手指夹紧力信号的收集、处理，并能够发出动作指令REF_Ref22760\r\h[9]。总结在研究工业送料机械手时，我获得了很多的启发，帮我作为机械设计的学生，对于机械设计的知识有了深入的认识，同时对于我所学的这个专业主要从事的工作也有了深刻的了解。更重要的是他让我把大学4年所学习的各种专业的知识，有了一次实际检验的用武之地。但是通过毕业设计也暴露出了许多的问题，比如很多基础的专业知识没有掌握，导致在用到他们时感觉到心有余力不足。所以在未来的学习中，我还要进一步刻苦努力提升自己。本课题主要研究的工业送料机械手属于六自由度机械手的一种。本课题研究的机械手主要用来对工业进行和收集工作，进一步提高工业生产的自动化水平。在研究前首先参考了类似机械手的设计方法，设计思路和要点，然后设计了工业送料机械手的整体方案。在分别设计了工业送料机械手的手部、臂部和末端执行机构，对于机械手的关键零部件和传动系统进行设计