自动上下料机械手的主要零部件设计及三维造型

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1、 摘要本次设计的课题是自动上下料机械手的主要零部件设计与三维造型，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。 机械手能代替人工操作，起到减轻工人劳动强度，节约加工时间，提高生产效率，降低生产本钱的特点。在实用根底上，对自动上下料机械手直臂与夹持部件进展三维设计，其中分为三个局部：手爪、手腕、直臂。整体机械手为直角坐标型，驱动均为电机驱动，结构简单可靠，精度高。设计了手爪为平移型夹持式手爪，传动结构为滑动丝杆；手腕为回转型，转动角度为0-180，传动结构为蜗轮蜗杆；设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩；画出机械手的运动简图；对工作机构和传动系统进展设计计算，包括

2、主要部件的设计计算、强度校核和运动分析；设计绘制起升装置的总图和主要零件工作图；利用三维CAD软件对主要零件进展实体设计和造型。关键词：直臂与夹持部件；机械手；CAD二维设计；Pro/e三维设计45 / 49Abstract The topic of this design is the main component of the automatic up-down material manipulator design and 3 d modelling, determine the coordinates of the manipulator type and degree of free

3、dom, determine the technical parameters of the manipulator. Robots can replace manual operation, reduce labor intensity, save processing time, improve the production efficiency, reduce the production cost. On the basis of practical, automatic manipulator arm straight up and down and clamping parts f

4、or 3 d design, which is divided into three parts: hand, wrist, arm straight. Integral type manipulator for rectangular coordinates, drive for motor drive, structure simple, reliable and high precision. Design hand claw clamping type gripper for translation, the transmission structure for sliding scr

5、ew; Wrist for transformation, rotation Angle of 0-180 , for the worm gear and worm drive structure; Manipulator wrist structure was designed, calculated the wrist when the driving moment; Draw the manipulator kinematic sketch; The working mechanism and transmission system design and calculation, inc

6、luding design calculation, intensity and the movement of the main parts of analysis; Design drawing general layout and main parts of lifting device working drawing; Using three-dimensional CAD software for the main parts for physical design and modelling. Key word: Straight arm and clamping parts; M

7、anipulator; 2 d CAD design;Pro/e 3 d design目 录摘要.IAbstract.IIAbstractI1绪论11.1前言和意义11.2 工业机械手的简史11.3 国外研究现状和趋势32机械手直臂局部的总体设计52.1 执行机构的选择52.2 驱动机构的选择62.3传动结构的选择62.4 机械手的根本形式选择82.5 机械手直臂局部的主要部件与运动82.6 机械手的技术参数93机械手手爪的三维设计113.1 手部设计根本要求113.2 典型的手部结构113.3 机械手手爪的设计计算1111121315163.4 机械手手爪的三维出图与其主要零部件出图174机

8、械手手腕局部的三维设计204.1腕部设计的根本要求204.2 腕部的结构以与选择2020204.3 腕部的设计计算212122234.4 手腕局部出图与主要零部件出图245 直臂局部的三维设计315.1 手臂的结构的选择与其驱动机构315.2 滚珠丝杠设计315.3 锥齿轮设计335.4 电机选型355.5 机械手直臂局部三维出图与主要零部件出图366. 总结407.致42参考文献431绪论1.1前言和意义作为本次毕业设计研究的课题，此项研究是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。是对大学几年所学的专业知识的一次整体的回忆，它将所学的机械设计、机械原理、机械加工工艺、机械

9、制造装配设计等有关的机械设计制造与其自动化专业主要课程严密的联系在一起；真正利用所学的专业知识来解决实际的生产问题，很好的将理论设计与实际应用结合起来，考虑多方面的问题，诸如本钱，可行性，设备的平安性，使用寿命，工作效率等的；在研究的过程当中，通过不断的遇到问题并设法解决之，可以培养我们的个人独立思考的能力和创新的意识；提高个人分析问题、解决实际问题的能力；此外，该通过对机械设计制造与其自动化专业大学本科四年的所学知识进展整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比拟好地表达机械设计制造与其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以与专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的

10、实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉与知识面广。所以在设计中既要注意根本概念、根本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完本钱次设计。这对我们将来所从事的行业有莫大的帮助。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。 大学生撰写毕业论文的目的，主要有两个方面；一是对学生的知识相能力进展一次全面考核。二是训练学生对进展科学研究的根本功，培养学生综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的根底。自动上下料机械手的主要零部件设计与三维造型是在学完了机械制图、

11、机械制造技术根底、机械设计、机械工程材料等进展设计之后的下一个教学环节。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉与知识面广。所以在设计中既要注意根本概念、根本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完本钱次设计。1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。当时数字计算机已经出现，电子技术也有了长足的开展，在产业领域出现了受计算机控制的可编程数控机床，与机器人技术相关的控制技术和零部件加工也已有了扎实的根底。另外，人类需要开发自动机械，替代人去从事一些恶劣环境下的作业。正是在

12、这一背景下，机器人技术的研究与应用得到了快速开展。 以以下举了现代机器人工业史上的几个标志性事件。Unimaton公司。由于英格伯格对工业机器人富有成效的研究和宣传，他被成为“工业机器人之父。 1962年：美国AMF公司生产出万能搬运Versatran机器人，与Unimaton公司生产的万能伙伴Unimate机器人一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1967年：日本川崎重工公司和丰田公司分别从美国购进了工业机器人Unimate和Verstran的生产许可证，日本从此开场了对机器人的研究和制造。20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开

13、场应用与工业生产。1968年：美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以成为世界上第一台智能机器人，由此拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年：日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研发仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO机器人和索尼公司的QRIO机器人。1973年：世界上机器人和小型计算机第一次携手合作，单身了美国Cincinnati Milacro

14、n公司的机器人T3。1979年：美国Unimaton公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在生产第一线，许多机器人技术的研究都一概机器人为模型和对象。1979年：日本山梨大学牧野洋创造了平面关节型SCARA机器人，该型机器人在此后的装配作业中得到了广泛的应用。1980年：工业机器人在日本开场普与。随后，工业机器人在日本得到了巨大开展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称。1984年：英格伯格再次推出机器人Helpmate，这种机器人能够在医院里为病人送饭、送药、送。同年，英格伯格还预言：我要让机器人擦地板、做饭、出去帮我洗车、检查平安。1996

15、年：本田公司推出仿人型机器人P2，使双足行驶机器人的研究到达了一个新的水平。随后许多国家著名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人，以展示公司的科研实力。1998年：丹麦乐高公司推出机器人Mind-storms套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，是机器人开场走入个人世界。1999年：日本索尼公司推出机器人狗爱宝AIBO，当即销售一空，从此娱乐机器人迈进普通家庭。2002年：美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它是目前世界上销量最大、商业化最成功的家用机器人。2006年：微软公司推出Microsoft Robotics Studio机器人，从此机器人模块

16、化、平台统一化的趋势越来越明显。比尔盖茨语言，家用机器人将很快席卷全球。随着科学技术的不断进步，推动着机器人技术不断开展和完善；机器人技术的开展和广泛应用，又促进了人民生活的的改善，推动着生产力的提高和整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术开展的前沿科学，将成为未来社会和生活中不可或缺的一门技术。1.3 国外研究现状和趋势 目前，在国外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： 1.工业机械手性能不断提高(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。 2.机械结构向模块化、可重构化开展。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

17、节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 3.工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，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。 4.机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手那么采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进展环境建模与决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 5.虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生

18、置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。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，在满足工作要求的根底上，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。我国的机器人技术起步较晚，从二十世纪八十年代才开场。我国早就把机器人列入国家重点科研规划容，在一系列计划的支持下，机器人根底理论和根底元、器件研究全面展开。目前我国已经根本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计根底、运动学和轨迹规划技术，生产了局部机器人关键元器件。在以

19、后的机器人设计制造技术中，我国逐步缩小了与世界先进水平的差距。2机械手直臂局部的总体设计2.1 执行机构的选择 1手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。分为机械钳爪式手部结构和吸附式手部结构。具有以下特点：1手部与腕部相连处可拆卸，手部与手腕有机械接口，也可能有电、汽、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。2手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以不具备手指；可以是类人的手爪，也可以是进展专业操作的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。3手部的通用性比拟差。工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能抓我一种工件或几

20、种在形状、尺寸、质量等方面相近似的工件，只能执行一种作业任务。4手部是一个独立的部件，假设把手腕归属于臂部，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、臂部、和手部。手部是决定整个工业机器人作业完成好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。 2腕部是连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用。机器人操作臂将末端工具至于其工作的三维空间的任意点需要三个自由度。为了进展实际操作，它应该能够奖工具置于任意的方位，同时需要一个腕部，一般还需要三个自由度，即回转、俯仰和摆动。腕部可具有不同的自由度数目和不同的结构。腕部所需要的自由度根据机器人的工作性能来确定，在多数情况下，玩不具有两个自由度，即回转和俯仰或摆

21、动。腕部可用安装在连接处的驱动器直接驱动，也可以从底座的动力源经链条、同步齿形带、连杆或其他机构远程驱动。直接驱动一般采用液压或气动，具有较高的驱动力和强度，但增加了机械手的质量和惯性。远程驱动可降低机械手的惯性，但需要传动装置，设计较为复杂。 3臂部是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部包括工作或夹具，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动围任意一点。如果改变手部的姿态方位，那么用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足根本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降或俯仰运动。手臂的各种运动通常用驱动机构如液压缸或者气缸和各种传动机构来实现，从臂部的

22、受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作围、灵活性以与抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。2.2 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成局部。根据动力源的不同, 可分为以下四类：1气压传动机械手 气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单本钱低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。2液压传动机械手 是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大

23、。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，本钱高。3机械驱动机械手 它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动准确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。4电气驱动机械手 它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、本钱也较高。 驱动机构是工业机械手的重要组成局部, 工业机械手的性能价格比

24、在很大程度上取决于驱动方案与其装置。考虑机械手的工作环境以与各驱动的特点我们采用电动驱动。2.3传动结构的选择1齿轮传动机构圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮蜗轮蜗杆与，摆线针轮传动等是在工业机器人中经常使用的几种齿轮传动机构。2谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大几十到几百，传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差异。3螺旋传动螺旋传动与丝杠螺母，它主

25、要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠滑动摩擦和滚珠丝杠滚动摩擦，前者结构简单、加工方便、制造本钱低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低30%40%。后者虽然结构复杂、制造本钱高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高92%98%，其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向

26、传动时，须附加自锁机构或制动装置。4同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面与带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高可达98%、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动可达40m/s、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮

27、间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。6)链传动机器人的手腕传动采用链传动，考虑到降低机器人尾端的重量，经常将腕关节处的驱动电机安装在大臂关节处或小臂后端。 7)钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动的有点有传动刚度大、结构柔软、本钱较低、结构简单等。其缺点有加速度不宜太高、带轮较大、安装面积大等。2.4 机械手的根本形式选择 根据手臂的动作形态分析,常见的工业机械手按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; (3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。图2.1 机械手

28、根本形式 按照此次设计机械手的工作环境选用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比拟满足设计要求。2.5 机械手直臂局部的主要部件与运动在直角坐标型机械手的根本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，关于机械手具有4个自由度 即：手爪合；手腕回转；直臂升降；横臂平移4个主要运动。机械手主要由3个大部件和4个电机组成：1手部，采用滑动丝杆结构，通过电机带动实现手抓的合。2 腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部回转01803臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。图2.2 机械手直臂与夹持部件总装三维图图

29、2.3 二维示意图2.6 机械手的技术参数1用途：自动上下料2设计技术的参数: 1、抓取重量:600g (夹持式手爪) 2、自由度数:4个自由度 3、坐标型式:直角坐标型 4、横臂手臂的长度:2000mm 5、手臂最大的高度:3000mm 6、手臂运动的参数升降行程：950mm升降速度：150mm/s 7、手腕运动的参数回转的围:0-1803机械手手爪的三维设计3.1 手部设计根本要求1 应具有适当的夹紧力与驱动力。应考虑到在一定的夹紧力的条件下，不同的传动机构需要不同大小的的驱动力。2 为了方便的抓取工件，手指必须能够开足够的围以到达所需的开闭角度即手指从开到闭合绕支点所转过的角度。3 手部

30、设计应该做到结构紧凑、效率高、重量轻，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。4 应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构1 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。2 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。3 平面平移型。3.3 机械手手爪的设计计算选择手爪的类型和夹紧装置本设计是设计抓取圆柱形物块的机械手。常用的工业机械手手爪按握持工件的原理,分为吸附和夹持两大类。吸附式常用于抓取工件外表平整、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。平移型手指的开闭合靠手指的平行移动,这种手

31、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，本设计选择平移型夹持式手爪，采用滑动丝杆这种传动结构方式。运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动进而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的合，当手爪抓到零件时，电机停止转动，手爪产生自锁，在机械手臂的带动下带动零件移动。图3.1 二维手爪结构图 手爪夹持围计算 1、加工毛坯尺寸：20mm-30mm 2、长度：100mm上下 3、毛坯质量以钢材密度计算：约250g-550g按最大600g计算 4、装夹深度：约 25mm 5、纵向定位精度：0.1mm 6、横向定位精度：1mm 手爪接触块为

32、橡胶制品，橡胶具有定伸强度高，弹性大，电绝缘性优良和抗撕裂性，耐旱性良好和加工性佳，耐磨性等特点。图3.2 手爪橡胶 滑动丝杠设计设计条件： 1、需自锁 2、丝杠长度 145mm 3、最大质量共计约1100g。 4、丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力为，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，经调制处理，由机械手册查表可得许用拉应力为 .3.1手爪局部为轻载，螺母材料选择耐磨铸铁。由机械手册查表可得许用弯曲应力为， 取 ；许用剪应力为由机械手册查表可得许用压强为，其中取（2） 按耐磨性计算螺杆的中径由表中公式得， .3.2采用整体

33、式螺母，其中取，由GB/T 5796.3-1986，可选用，的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋转方向，螺旋副标记分别为：，。螺母高度为，其中取那么螺纹圈数为圈（3） 自锁性验算由于是单头螺纹，导程为，故螺纹升角为 .3.3由机械手册查表可得耐磨铸铁和钢的，取，可得 .3.4，所以自锁可靠。（4） 螺杆的强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩为， .3.5代入以下公式可得.3.6（5） 螺母螺纹的强度校核由于螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹的强度即可。由机械手册查表可得牙根宽度为，根本牙高为代入以下中的公式得 .3.7 .3.8（6） 横向振动校核对于钢制螺杆 .3.9

34、应满足转速n使（7） 效率由回转运动转化为直线运动时有 .3.10所以效率取为 直齿轮设计表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 Z2035法 向 模 数 m n1.5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标 准 中 心 距 a041.2毫米中 心 距 a42毫米分 度 圆 直 径 d30毫米52.5毫米基 圆 直 径 d b28.191毫米49.33毫米顶 圆 直 径 d a33毫米57毫米根 圆 直 径d f26.25毫米50.34毫米齿 顶 高h a1.452毫米2.25毫米

35、齿 根 高h f1.875毫米1.077毫米全 齿 高h t3.33毫米弧 齿 厚S t2.356毫米2.93毫米名 义 转 矩T0.0539Nm0.09Nm名 义 功 率P0.02Kw0.04Kw转 速n3500r / min1998r / min材 质支 承 形 式非对称支承电机选型计算条件：空行程最长为，夹紧时间不应超过1.2s设计计算：电机选型局部根据计算需要而定螺母移动平均速度为， .3.11丝杠的平均转速为摩擦转矩有.3.12 .3.13故.3.14选用转速为的直流电机，速比为齿轮传动效率为、滑动螺旋传动效率为总效率为电机轴驱动转矩： .3.15电机轴输出功率： .3.16电机选用

36、40ZY-02型号直流电动机3.4 机械手手爪的三维出图与其主要零部件出图图3.3 手爪三维图图3.4 直齿轮丝杆图3.5 电机齿轮图3.6 齿轮箱图3.7 手爪接触块连接件和丝杆螺母图3.8 手爪装配件4机械手手腕局部的三维设计4.1腕部设计的根本要求1 力求重量轻、结构紧凑腕部处于机械手臂的最前端，它连同手部的动、静载荷且均由臂部承当。显然，腕部的重量、结构和动力载荷，直接影响着臂部的重量、结构和运转性能。所以，在设计机械手腕部时，必须力求重量轻，结构紧凑。2结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构之一，又承当支撑和连接的作用，除保证力和运动的要求以外，要有足够的刚度、强度外，还应该综

37、合考虑，合理布局，解决好腕部与手部和臂部的连接。3 必须考虑工作的条件对于此次设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工过程中产生的棒料，因此不太受环境的影响，没有处在腐蚀性和高温的工作介质中，所以对机械手的腕部材料没有太多的不利因素。4.2 腕部的结构以与选择 典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构。它具有灵活、结构紧凑等优点而被广泛运用，总力矩M，需要克制以下几种阻力：克制启动惯性所用。回转角的极限值由动片和静片之间允许回转的角度来决定一般小于270。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸比拟

38、大，一般适用在悬挂式臂部结构中。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有垂直和水平转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。 腕部结构和驱动机构的选择此次设计要求手腕的回转角度为90或180，那么腕部结构那么选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。步进电机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。将数据输入计算机，计算机再根据给定的数据和要求进展运算，而后发出电脉冲信号，计算机每发出一个脉冲，步进电机便转过一定角度，又步进电机通过传动装置来控制腕部转动一个很小角度。脉冲接着一个一个的发来，步进电机便一步一步的转动，从而带动手腕转动到所需要的角度。 因

39、此手腕结构为步进电机带动涡轮蜗杆运动的结构：其主要功能是控制手爪的转向，从而使其能准确的抓取零件和放置零件。 运行方式为步进电机带动蜗轮蜗杆转动，继而控制手腕的转动，转到一定的角度(90或180)时电机停止转动，手爪产生自锁，进而完成手腕的转动功能。4.3 腕部的设计计算计算条件：夹取工件重量600g左右，回转角度为180。 蜗轮轴的设计计算设计计算：1选择轴的材料轴的材料选择为45钢，经调质处理。由机械手册表6-1-1查得：，2初步确定最小轴径按表选取由机械手册查得 .4.13轴的结构设计图4.1 蜗轮轴结构图4键的选择与校核1、蜗轮连接键选择普通平键为 由机械手册可查得 .4.2由机械手册

40、可查得所以2、轴端连接键选择普通平键为。由机械手册可查得 .4.3由机械手册可查得所以5轴的强度校核其条件为 .4.4其中 轴的计算应力，MPa； M 轴所受的弯矩，Nmm ； .4.5 T 轴所受的扭矩，Nmm； W 轴的抗弯截面系数，； 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算.4.6即270MPa，故所设计的轴平安。 蜗轮齿轮设计计算条件：蜗轮轴输出功率为，转速为，负载转矩为，传动比为。工作寿命为设计计算：1选择材料和加工精度蜗杆材料选用45钢、蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3、加工精度为7级1. 初选几何参数，2. 计算蜗轮蜗杆传动效率和蜗杆输入转矩粗算传动效率为 .4.7蜗轮输

41、出转矩为 .4.8蜗杆输入转矩为 .4.93. 确定许用接触应力蜗杆输入功率为 .4.10滑动速度为、 .4.11 .4.124. 求载荷系数K动载荷系数为、啮合质量系数为、小时载荷率为、小时载荷率系数为、环境温度系数为、工作情况系数为由于不带风扇，所以： .4.135. 计算m和q值 .4.14其中取 ，167.蜗轮齿面接触强度的校核验算 .4.15所以接触强度足够。 步进电机选型计算条件：手腕电机载荷约为85N，蜗轮轴转速为设计计算：手腕转动时的时间约为，期间做功为 .4.16蜗轮轴输出功率为 .4.17涡轮轴转矩为 .4.18电机轴输出转矩为 .4.19电机轴输出功率为 .4.20步距角

42、取。 .4.21静力矩为 .4.22选用型号为57BYG450C的永磁感应子式步进电机4.4 手腕局部出图与主要零部件出图图4.2 手腕三维图图4.3 手腕法兰图4.4 蜗杆图4.5 蜗轮图4.6 蜗轮轴图4.7 轴端法兰图4.8 蜗轮蜗杆箱体图4.9 蜗轮蜗杆箱盖图4.10 蜗轮轴承盖图4.11 蜗轮轴承盖开口图4.12 嵌入式轴承盖图4.13 嵌入式轴承盖开口5 直臂局部的三维设计 臂部运动的目的是把手部送到空间运动围任意一点。如果需要改变手部的姿态方位，那么利用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足所需的根本要求，既手臂左右回转、伸缩和升降运动。手臂的各种运动

43、往往利用驱动机构设计所选为步进电机和各种传动机构来实现，由臂部的受力情况分析可知，它在工作中不仅直接承受手部、腕部和工件的静、动载荷，而且其自身运动也较多。因此，它的结构、工作围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 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。本次设计主要讲直臂的升降。5.1 手臂的结构的选择与其驱动机构 机械手的手臂升降伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以与电动机驱动滚珠丝杠来实现。 我们选用滚珠丝杠结构的手臂，螺母带动丝杠进展升降和平移，采用电机驱动。结

44、构如以下图：中间为丝杠，两边为光杆。 运行方式为电机带动锥齿轮，继而带动丝杠螺母，丝杠螺母是固定点，相对的丝杠做上下移动。5.2 滚珠丝杠设计1选取的滚珠丝杠转动系统为磨制丝杠(右旋)上固定端到螺母间距离(临界长度)为 下固定端到螺母间距离(临界长度)为设计的后丝杠总长为最大行程为 支承方式设计为两端固定定位精度： 由表查得，有效行程目标行程公差为，行程变动量为 由表查得，任意300mm行程行程变动量为，2弧度行程变动量为 丝杠精度选择5级，可靠性90%。2计算载荷手腕手爪局部重量为其中重力加速度取 .5.1轴向载荷为3初算导程：丝杠螺母转速为，直臂移动速度为初算导程为，所以选取（4） 选工作

45、寿命：5由表查得， .5.2 式中，查机械手册得，精度系数为查机械手册得，可靠性系数为查机械手册得，载荷性质系数为查机械手册得，预加载荷系数为所以，（6） 静载计算：由机械手册查得，式中 .5.47选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型。其中，故满足承载能力要求。8计算预紧力：， .5.59值校验由机械手册查得，故符合要求。10临界转速校核 .5.6式中，查机械手册得，故满足转速要求（11） 螺杆强度：螺杆材料为45钢，经调质处理，其许用应力为螺杆当量应力为： .5.7式中，故符合强度要求(12)系统刚度计算 机械刚度的指标称为刚性，滚珠丝杠的刚性取决于螺母与

46、螺杆之间轴向负荷珠槽接触刚性与由螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽螺杆与钢珠珠槽两者间的刚性合二为一，成为螺帽刚性，因此 .5.8 5.3 锥齿轮设计 锥齿轮传动的特点：圆锥齿轮的简称是锥齿轮，它是用来实现两相交轴之间的传动的,轴角称为两轴交角S，根据传动需要来确定它的值，一般情况下采用90。在截圆锥体之上排列着锥齿轮的轮齿，轮齿从齿轮的小端到大端逐渐延伸变大，如以下图所示。由于这个特点，在圆柱齿轮中的每个有关圆柱的名称在锥齿轮中就变成了圆锥，如节锥、基锥、分度锥、齿顶锥等。其轮齿有曲线齿、斜齿和直齿等形式。斜齿和直齿形式的锥齿轮计算设计、机械制造和安装都比拟简单，

47、不过因为有比拟大的噪声，所以多用在低速传动中5m/s；曲线齿锥齿轮具有噪声小、传动平稳和承载的能力相对较大等特点，多用于高速重载的场合。此次采用S=90的标准直齿锥齿轮传动设计。图5.4 锥齿轮计算条件：负载转矩为，直线锥齿轮，传动比为为，锥齿轮转速为材料选为45钢，经调质处理，齿面硬度为HBS=217255，齿面粗糙度为锥齿轮设计计算：1.初步计算：电机轴端齿轮转矩为载荷系数为齿数比为估算时，平安系数取为，接触疲劳强度极限知因此在估算时的齿轮的许用接触应力 .5.9估算结果为：所以得考虑到丝杠需要从锥齿轮2的中心穿过，并且所选用丝杠的公称直径为，丝杠螺母为，因此取，2.几何计算齿数：取大端模

48、数： .5.103.强度校核1.齿根弯曲疲劳强度设计其条件为 .5.11其中 载荷系数为 为齿形系数 为应力校正系数 为齿宽系数查机械手册得 1 查图得 1.09查机械手册得 1.4 查表得 1.2可得 2.1可得 1.5其中取常用值1/3代人计算得 .5.12即，故平安。2.齿面接触疲劳强度计算其条件为 .5.13其中 为弹性影响系数查机械手册得代人计算得 .5.14即，所以设计平安。5.4 电机选型计算条件：丝杠移动速度为，丝杠轴向工作载荷约为圆锥齿轮传递效率为设计计算：丝杠工作的功率为： .5.15丝杠转矩为电机选用同步转速为的三相异步电机，速比为 所以电机输出轴的负载转矩为：电机输出轴

49、功率为 .5.16所以选用型号为YS5012的三相异步电动机5.5 机械手直臂局部三维出图与主要零部件出图图5.1 直臂结构三维图图5.2 直臂局部传动机构三维图图5.3 滚珠丝杆螺母图5.4 直臂套筒图5.5 光杆丝杆连接件图5.6 直臂箱体图5.7 直臂箱盖6. 总结经过近三个月的毕业设计，通过资料的收集、方案的选择比拟和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以与毕业设计论文的撰写等各个环节，使我对大学四年所学的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对机械设计这门专业的理解更加深刻和准确。在设计过程中尽量使用标准的配件，降低本钱，每一个设计都小心慎重，仔细计算，最终能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化。 机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济开展的重要行业，是一个国家或地区开展的重要根底与有力支柱。从某中意义上讲，机械制造水平的上下是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。自动上下料机械手的主要