搬箱机械手结构设计机械机电专业毕业设计.doc

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1、毕 业 设 计搬箱机械手结构设计毕 业 设 计 任 务 书搬箱机械手结构设计题目名称：搬箱机械手结构设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）一 具体任务1 运动功能方案设计2 传动系统方案设计3 结构布局方案设计4 设计参数： 纸箱尺寸 522419122mm 纸箱重量 5kg 最大工作半径 900mm 最大上升范围 300mm二 时间安排 11-3周 调研、撰写开题报告24周 毕业实习35-6周 熟悉软件开发环境，确定设计方案47-10周 设计搬箱机械手，确定各零部件尺寸511-12周 对搬箱机械手各零部件进行设计建模，并装配成整体模型，导出整体装配图613-15周

2、 撰写毕业论文716周 准备答辩三完成工作量1)毕业实习报告、开题报告一份、设计任务书一份、论证报告一份。2)搬箱机械手设计二维CAD、手绘A1图纸一份、零件图数份。3)设计说明书一份。四水平具体要求：1）综合运用所学的知识解决实际工程设计和实验研究课题；2）能独立设计计算、分析、绘图、实验数据处理撰写技术报告；3）学习机械设计的设计方法和科学研究的基本方法，学会查阅科学文献、论文资料、机械手册工具书等。4）对总体方案设计及研究的确定与实施，确定主要系统和主要部件的设计依据。其中： 参考文献篇数：说明书字数：图纸张数：10篇以上6 000字以上折合A0图纸4张，其中至少1张装配图专业负责人意见

3、签名：年 月 日 搬箱机械手结构设计摘要鉴于目前我国的发展状况，对外对内经济的繁荣发展，对于物流运输越来越依赖，运输的自动化提高对于目前国内发展情况的提高至关重要。因此工业机器人在工业生产、运输中更多更灵活的运用就是最好的提高方法。工业机器人种类繁多功能各不同。根据本设计需要，参考纸箱重量、纸箱尺寸，工作范围合理选择传动与驱动装置，从而设计出一种搬运纸箱的机械手。最终完成任务实现了预期目标设计出可靠可行的搬箱机械手。本机械手结构简单、制造、装配方便成本较低、占空间较小、工作范围较大、运动灵活、操作简便，可大批量生产用于搬运工作，柔性度较高，可匹配多种负载。本题目涉及到理论力学、机械设计、工程材

4、料、工程制图、互换性测量、液压与气压传动、机械原理、计算机辅助设计等方面的知识内容。关键词：机械手；搬箱；结构设计The structural design ofmanipulator for moving boxAbstractIn view of the present state of development in China.The internal and external economic prosperity.More and more dependent on logistics and transport.Transportation automations improvme

5、nt of the domestic development is essential to improve the current situation.So its the best way to use industrial robot in industrial production and transportation more and flexibler.Industrial robots have a lot of variety and feature.According to the design requirement and weight、size of boxes,wor

6、king range choose the transmission and drive device in reason to design out a manipulator for moving boxes.At last complete the task and achieve the desired objectives to design reliable and feasible to move the box manipulator.The manipulator is simple,easy to manufacture and rig out,low price .Can

7、 be used for handling high-volume work and many situation. The completing design manipulator has the small covered area,big working range,simple structure,low cost,merits of the vivid movement and simple operation etc.Therefore,its suitable for use in reality production.Keywords：Manipulator;Moving b

8、ox;Structure design目录摘要Abstract1 绪论11.1 工业机器人定义11.2 工业机械手的组成与分类11.2.1 工业机械手的组成11.2.2 工业机械手的分类11.3 选题背景21.4 设计目的22 总体设计方案论证32.1 机械手的总体方案32.1.1 机械手总体结构方式32.1.2 确定方案42.2 机械手腰部方案确定42.2.1 机械手腰部结构设计要求42.2.2 确定方案42.3 机械手手臂方案确定52.3.1 机械手手臂结构设计要求52.3.2 确定方案52.4 机械手手腕连接方式62.5 机械手手部方案确定62.5.1 机械手手部设计要求62.5.2 机

9、械手夹持器的运动和驱动方式62.5.3 机械手夹持器的典型结构62.5.4 确定方案72.6 机械手机械传动方案确定72.6.1 机械手传动结构设计应注意的问题72.6.2 机械手传动机构常见形式72.6.3 确定方案82.7 机械手驱动系统方案确定82.7.1 机械手各类驱动系统的特点82.7.2 确定方案92.8 机械手手臂平衡机构选择103 主要结构设计计算113.1 液压缸气缸设计计算113.1.1 手部气缸设计计算113.1.2 手臂液压缸设计计算133.1.3 升降液压缸设计计算153.2 电机选型参数计算163.2.1 相关参数的计算163.2.2 电机型号选择183.3 齿轮传

10、动强度校核19结论21参考文献22致谢231 绪论1 绪论1.1 工业机器人定义机器人是一个拥有很多自由度的，能够实现许多模拟人动作和肢体结构功能的机器；工业机器人则是在实际生产中应用的机器人。1.2 工业机械手的组成与分类1.2.1 工业机械手的组成各类工业机器人一般都由操作机（执行机构）、驱动装置、控制系统组成。(1) 操作机（执行机构）操作机具有和人臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。包括机座、手臂、手腕和末端执行器。 1) 末端执行器（手部） 是执行最重要动作的操作机部件，能装配夹持机构、执行机构等构件。夹持器可分为机械加紧、真空抽吸、液压张紧和磁力等多种。2)

11、手腕 是用来支承并调整手部姿态，拥有23个自由度的起连接作用的部件，可增大手部的转动范围。有的专用机器人可以没有手腕而直接降末端执行器安装在手臂的端部。常采用齿条传动及轮系结构。3) 手臂 是由操作机的连接杆件和关节组成，用于支持和协调手腕及末端执行器的位置。手臂有时不止一条，还可以包括肘关节和肩关节。一般将靠近末端执行器的一节称为小臂，靠近机座的称为大臂。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的运动范围。 4) 腰部 称为立柱，是承载手臂的元件，手臂依靠它来位移，用来扩大手臂地工作半径。 5) 机座 是固定不动并承受各种应力、力的的元件。分为固定式和移动式两类，移动式机座下部安装行

12、走机构，可扩大机器人的工作范围；行走机构多为滚轮或履带，分为有轨与无轨两种。近些年来发展的步行机器人，其行走机构多为连杆机构。 (2) 驱动装置机器人的驱动设备用来驱动机器人工作，根据能量源的不同分为电子式、液压式和气压式三种，其中执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过齿轮、谐波减速器和链条装置等传动机构与操作机连接。(3) 控制装置控制系统根据动作要求可分为开环和闭环控制系统。很多工业机器人采用计算机控制，一般分为决策级、策略级和执行级三级。决策级的功能是识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；

13、执行级给出各关节伺服系统执行给定的指令。1.2.2 工业机械手的分类(1) 按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1) 专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。2) 通用机械手它是一种具有独立控制系统的程序可变的、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大定位精度高通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。(2) 按驱动方式分1) 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。2) 气压传动机械手

14、是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。3) 机械传动机械手即由机械传动机构驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4) 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(3) 按控制方式分1) 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位

15、置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。2) 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。1.3 选题背景鉴于目前我国的发展状况，对外对内经济的繁荣发展，对于物流运输越来越依赖，运输的自动化提高对于目前国内发展情况的提高至关重要。因此工业机器人在工业生产、运输中更多更灵活的运用就是最好的方法。鉴于现如今工业的自动化程度体现了一个国家的整体工业现代化水平，因此对于工业自动化的多样性、灵活性等体现明显的工业机械手就成为世界主流的发展方向。工业的现代化体

16、现一个国家是否强大，能否抵御外敌让百姓过上和平快乐安逸富足的生活。目前中国消费者网上购物的次数是欧洲消费者的4倍，是美国和英国消费者的两倍左右。在2012年前3季度，中国网上购物市场交易规模达7788亿元人民币，超2011年的全年总数;2013年网上零售总额将占整体社会消费品零售总额6%左右。由此可见，市场对于工业机械手的需求量如此之大，如此大的产业需要有充沛的“后勤”保障，对于机械手的设计是非常有意义的。 1.4 设计目的现在，机械手以不仅仅应用于生产在物流领域里也应用广泛。为了能够灵活迅速的运输商品不仅需要快速的传送轨道，还要有稳定灵活的搬运机器人完成运输不同阶段的交接。本次设计就是要设计

17、一个搬运纸箱的机械手，在结构上力求简单实用满足结构刚度和强度要求，来完成目前繁忙的搬运工作，节约了劳动力的同时提高了搬运效率，减少诸多不确定且对人体健康不利的因素。运用大学四年学习的专业知识完成本次毕业设计，体现出机械设计制造及其自动化专业学生的素质也是本次毕业设计的目的之一。- 25 -2 总体设计方案论证2 总体设计方案论证2.1 机械手的总体方案2.1.1 机械手总体结构方式工业机器人的结构形式主要有直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标式，关节型结构四种。各个结构的特点与形式，介绍如下。(1) 直角坐标式机械手如图2-1，其手臂的运动方式由直线位移构成，即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横

18、移。它特点是结构简单，定位精度高，适用于的场合是主机的坐标规律排列。但是它的占地面积较大而工作范围较小且运动不太灵活导致它的使用率不高。 图2-1 直角坐标机械手 图2-2 圆柱坐标机械手(2) 圆柱坐标式机械手如图2-2，其手臂运动方式由直线位移和旋转摆动构成，即朝X轴的远近位移，朝Z轴的上下位移和绕Z轴的旋转。它占用底层水平二维空间小、工作空间大、机构不复杂可以完成比较高的定位精度应用广泛。 (3) 球座标式机械手如图2-3，其手臂的运动方式由直线位移和圆周摆动构成，即X轴的位移、绕Y轴的俯仰、绕Z轴的旋转。这种机械手动作灵活、工作范围大、占地面积小。它适用于沿伸缩方向向圆周外侧作业的传动

19、形式。(4) 关节式机械手如图 2-4，其机械手可以做几个自由度的旋转，它由大臂和小臂以及腰部组成，大小两臂的连接为肘关节，大臂与立柱的链接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂的俯仰、大臂的回转。它工作范围大、动作灵活、通用性强，能够绕过机体与工作主机抓取物体。它的手指控制位置精度不高，需要多个关节同时转动来提供姿态并且其辅助设施、结构都较很复杂。绪论 图2-3 球坐标机械手 图2-4 关节式机械手2.1.2 确定方案具体到本设计，设计为搬运尺寸、毛重5kg纸箱，用传送带运输，考虑在满足要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。

20、根据动作要求，把纸箱从一个传送带上抓取下来放到更大的纸箱中进行装箱，在装箱的过程中要求有X轴的伸缩来排列纸箱，要求有绕Z轴的旋转来完成从传送带上去下纸箱并进行装箱，要求要有沿Z轴的升降来完成对纸箱进行层层码垛，并且结构简单为宜便于安装维修，同时对于手部的设计要求可以根据纸箱的不同位置可以用不同的姿态来完成抓取，即手腕处要求有一个绕Z轴的旋转。综上所述，要求的自由度为3个外加一个手腕的旋转自由度，所以选择圆柱坐标式即一个绕Z轴的旋转、一个沿Z轴的上下移动、一个沿X轴的伸缩，其特点是：结构比较简单，手臂运动范围大，且有较高的定位准确度。2.2 机械手腰部方案确定2.2.1 机械手腰部结构设计要求(

21、1)要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性(2)腰部承受机器人全部重力和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。(3)腰部轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此，腰部与手臂的连接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。2.2.2 确定方案腰座回转的驱动形式只有电机减速机构以及摆动液压缸或液压马达。因为电动机驱动系统采用低转动惯量、大转矩交直流伺服电动机及其配套的伺服驱动器，又具有不需要能量转换、使用方便控制灵活等特点。考虑到腰座的回转对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。经考虑采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭

22、矩的放大。选用一级齿轮传动来减小齿侧间隙导致的误差，并且为了减少空间加强机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰部升降的驱动形式采用液压升降，因为液压缸既是驱动元件又是执行元件，并且液压缸的液压杆自带导程无需额外的光杠辅助导程，液压缸的强度也很大可以保证机械手因旋转产生的扭矩，且动力大能够承受机械手的全部重量，技术成熟并且便于用计算机实现直接控制。腰部具体结构如图2-5所示。2 总体设计方案论证1.齿轮 2.圆锥滚子轴承 3.锁紧螺母 4.回转电机 5.升降液压缸图2-5 机械手腰部结构2.3 机械手手臂方案确定2.3.1 机械手手臂结构设计要求(1)手臂的结构设计要

23、符合动作需求。(2)根据手臂所受载荷和结构特点，合理选择手臂截面形状和高强度材质材料。(3)要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精准性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。2.3.2 确定方案手臂的运动是沿X轴的伸缩运动，是直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。气压传动的运动平稳性不高，对于本次设计的精度考虑不宜采用，电机驱动精度高但是电机本身无法直接完成动作需要另外的执行元件，因此结构比较复杂且成本较高。液压驱动稳定性好，精度较高，主要是液压元件既是驱动元件又是可以执行元件较之电动元件结构简单节约了空间，而且液压缸有良好的刚度符合本次设计

24、对于机械手手臂刚度的要求。液压缸的驱动力较大，能够提供很好的伸缩运动的动力。对于不同级别的负载更换元件也比较方便。所以手臂采用液压缸驱动。2.4 机械手手腕连接方式通过对实际情况分析，机械手手部与手臂连接无需自由度，采用固连即可。本设计通过中心孔带有螺纹的法兰与手部用螺栓连接，手臂与法兰螺纹连接并通过锁紧螺母使手部保持竖直状态。具体设计结构如图2-6所示。1.法兰 2.锁紧螺母 3.活塞杆图2-6 手腕连接方式2.5 机械手手部方案确定2.5.1 机械手手部设计要求(1)末端执行器要能够实现动作需要的夹持力以及按要求可以达到的位置精度。(2)应尽可能使末端执行器的结构简单、紧凑、质量轻，以减轻

25、手臂的负荷。提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。(3)夹持范围要与工件相适应，动作要快速灵活。(4)结构应简单、重量轻、强度可靠、易磨损处应便于更换。2.5.2 机械手夹持器的运动和驱动方式工业机器人中应用的夹持器多为双指手抓式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式。机械式夹持器按驱动方式可分为电动（或电磁）、液压和气动三种。2.5.3 机械手夹持器的典型结构(1)楔块杠杆式夹持器利用楔块与连杆的相对运动来实现手爪的张、紧来完成抓取工件的动作。(2)连杆杠杆式夹持器这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使

26、手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧一起使用。(3)齿轮齿条平行连杆式夹持器这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。(4)平行杠杆式夹持器采用平行四边形机构，不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，但是比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2 总体设计方案论证2.5.4 确定方案结合具体的工作情况，本次设计任务为搬运两侧为平面的纸箱，因此选择齿轮齿条平行连杆式夹持器较为合适，通过对齿条的驱动可以使带有齿轮的连杆绕定轴转动，通过平面机构带动夹块的移动实现对纸箱的夹紧，由于这种夹持方式对纸箱的夹紧力有限所

27、以在夹持器下方选择有带翻边的夹块。具体设计结构如图2-7所示。1.平行连杆 2.吊环 3.扇形齿轮连杆 4.谐波减速器 5.回转电机图2-7 末端夹持器结构图2.6 机械手机械传动方案确定2.6.1 机械手传动结构设计应注意的问题(1)为了提高并控制机械手的运动速度及准确度，要求机械手各元件的质量小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，质量轻，体积小。(2)传动部件应尽量降低静摩擦力，保证小的正斜率动摩擦否则会出现爬行现象，传动精度失准。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。(3)采取消除传动间隙、减少支承变形等措施缩小反向死区误差。2.6.2 机械手

28、传动机构常见形式(1) 带传动带传动又分为平带传动、V带传动和多楔带传动1) 平带传动 应用较多的情况为传动中心距较大的情况。常用的平带有橡胶布带、缝合棉布带、棉织带和毛织带等数种。其中以橡胶布带应用广泛。2) V带传动 V带传动的结构更紧凑，V带已经大量标准化生产且可以承受较大的传动比等优点，因而V带传动的应用最广泛。3) 多楔带传动 结构尺寸小，传动平稳，常用于传递功率较大，有要求结构紧凑的场合。(2) 链传动由于没有弹性滑动和打滑现象，链传动比带传动更能保持准确的平均传动比；传动效率高，能达到98%；又因链条与链轮之间不用张得很紧，所以作用于轴上的压力较小；在同样使用条件下，链传动的承载

29、能力也比带传动强；适于远距离传动，中心距可达十几米；链传动的结构较为紧凑，且成本低廉，可在温度较高、湿度较大、有油污、腐蚀等恶劣条件下工作。(3) 齿轮传动齿轮传动的特点：1.效率高2.结构紧凑3.工作可靠、寿命长4.传动比准确、恒定5.适用的速度和功率范围广6.要求加工精度和安装精度较高，制造时需要专用工具和设备，因此成本比较高。7.不适合在两轴中心距大的情况下使用。(4) 蜗杆传动可以达到大的传动比，噪音小，传动稳定可靠，具有自锁能力，但是安装时对中心距的尺寸精度要求较高。2.6.3 确定方案具体到此次设计两个直线自由度和一个旋转自由度，末端夹持器直线运动应用气动方式无需传动机构转换，手臂

30、直线自由度采用液压缸驱动直接当作执行元件无需传动机构简化结构并且增强刚度，腰部的旋转用步进电机驱动，必须要有传动机构来减速并增大扭矩。经分析采用圆柱齿轮，利用一级齿轮传动来减小齿轮传动因尺侧间隙导致的传动误差，故齿轮需要更高的强度来完成既定的动作。2.7 机械手驱动系统方案确定2.7.1 机械手各类驱动系统的特点机械手关节的驱动方式有液压式、气压式和电动式。(1) 液压驱动机械手的驱动方式采用液压驱动有以下几个优点：1）液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；2）液压系统介质可压缩性小，工作平稳可靠，可以获得较高的位置精度。3）液压传动中比较容易控制速度和力并使之自动化。4

31、）液压的介质为油液，具备润滑和防锈能力，可以增加使用年限和提高机械效率。液压系统的不足之处是：油液的黏度随温度变化而变化影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；造价较高；容易引起故障(2) 气动驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是：1）压缩空气黏度小容易达到高速2）动力来源易取得，可集中控制3）空气可应用于高温工作的情况4）气压元件工作压力低，故制造要求比液压元件低它的不足之处是：1）压缩空气常用压力为0.40.6Mpa较低。2）空气压缩性大工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很难3）除水问题处理不当会使钢类零件生锈，导致机械手失灵，排气还会造成空气污染。(3) 电动机驱动电动

32、机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动如果不加减速器无法提供足够的有效力矩，且运动不易控制，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出较小的力矩，惯性小易于控制，可以实现速度与位置的精确控制，用于中小型机器人更合适。不同驱动各种特点见表2-1。表2-1各种驱动方式在不同方面的特点比较驱动方式特点输出力控制性能维修使用结构体积使用范围制造成本液压驱动压力高，可获得大的输出力输出力大，稳定，容易控制，可无级调速维修方便，液体对温度变化敏感在输出力相同的情况下比气压驱动体积小中小型及重型机器人液压元件成本较高，油路比较复杂气压驱动压力低

33、，输出力小可高速，冲击大，精确定位困难，阻尼差，低速难控制维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境下使用，泄漏无污染体积较大中小型机器人结构简单，能源方便，成本低电动驱动异步、直流电机输出力较大控制性能交差，惯性大，不易精确定位维修使用方便需要减速装置，体积较大速度低，特重大的机器人成本低步进、伺服电机输出力较小或较大响应快，定位精度高，控制系统复杂维修使用较复杂体积较小程序复杂，运动轨迹要求严格成本较高2.7.2 确定方案具体到本设计，考虑到腰部的回转关联末端执行器的定位精度，所以应用定位精度高并且响应速度快的步进电机。回转下方的升降元件用液压元件，考虑到承载能力以及垂直布置，可以利用重力实现下降

34、，所以选用柱塞缸。手臂无法利用重力且对于驱动力要求不是非常大选用单活塞液压缸。末端执行器的回转也要求高定位精度，快速的反应能力、灵活的转动，输出力要求不高选用步进电机。考虑到夹持器的驱动气压元件垂直放置而且对于工作环境要求较高，由于液压元件的漏油是无法避免的元件的结构导致无法经常拆卸维护，所以选用单作用活塞杆式气压缸。气缸通过活塞杆带动齿条使扇形齿轮转动来完成手爪的扩张合拢。2.8 机械手手臂平衡机构选择除了关节坐标机械手都可以通过合理布局，使手臂自身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。本设计采用圆柱坐标结构，由于手部结构较多而且还有负载，考虑

35、到机械手自身结构根据实际情况选择配重块平衡机构。3 主要结构设计计算3 主要结构设计计算3.1 液压缸气缸设计计算3.1.1 手部气缸设计计算(1)手爪气缸驱动力的计算纸箱重量 ，摩擦系数为1)根据手部结构，其驱动力为: （3-1）得式中，FN为沿水平方向X轴作用于纸箱的力，N FP为气缸沿Z轴的驱动力，N l 为连杆的长度，m R为扇形齿轮的节圆半径，m 为连杆与竖直方向的夹角2)实际驱动力: （3-2） 因为传递力的机构为齿轮齿条机构，故取机械效率，并取。若被抓取工件的最大加速度，则: 夹持工件时所需驱动力为(2)气缸的直径的设计本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，气缸活塞杆的输出力需

36、要克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: （3-3）式中，F1 活塞杆上的推力，N Ft 弹簧反作用力，N Fz气缸工作时的总阻力，N P 气缸工作压力，Pa弹簧反作用计算: （3-4） （3-5） (3-6) 绪论式中，Gf弹簧刚度，N/m l 弹簧预压缩量，m s 活塞行程，m d1弹簧钢丝直径，m D1弹簧平均直径，m n 弹簧有效圈数 G 弹簧材料剪切模量，一般取 在设计中，必须考虑负载率的影响，则: (3-7)由以上分析得单向作用气缸的直径: (3-8)代入有关数据，可得 所以 查机械手册圆整，得D=70mm由d/D=0.30.5，可得活塞杆直径:d=（0.30.5)D

37、=2135mm圆整后，取活塞杆直径d=20mm校核，按公式有:其中，则: 满足设计要求。(3)缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: (3-9) 式中，缸筒壁厚，mm 液压缸内径，mm 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:3 主要结构设计计算取，则缸筒外径为:3.1.2 手臂液压缸设计计算做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性、密封等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。(1) 液压缸活塞的阻力的计算 F= F1F2+F3F4+F5+F

38、6 (3-10)式中，F1作用在活塞杆上的工作阻力，N，无 F2液压缸在启动制动换向时的惯性阻力，F2=Ma,N M活塞及运动部件总质量，kg a 加速度，m/s2 F3除液压缸外运动元件的摩擦阻力，N，无 F4运动部件自重，N F5活塞缸活塞及活塞杆处的密封摩擦力，一般由缸体的机械效率来表示，通常取m=0.95，N F6回油背压阻力，N，取0.05F1) 手臂惯性力的计算本设计手臂平动是v=0.3m/s,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度, (3-11) 2) 运动部件自重 (3-12)3) 密封装置的摩擦阻力 (3-13) 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力（阻力）：(2)

39、液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=231.1N，查表选择液压缸的工作压力P=0.8MPa1) 确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图3-1所示：图3-1 双作用液压缸示意图绪论当油进入无杆腔， (3-14) 当油进入有杆腔中， (3-15) 液压缸的有效面积：故有 （3-16） （有杆腔） （3-17）式中，P活塞的驱动力，N P1油缸的工作压力，MPa d活塞杆直径，mm,本案初设d=D/2D油缸内径，mm油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.96据上述计算，F=2311N P=0.8MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。将有

40、关数据代入： 查表油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径， D=72mm活塞杆直径d=72/2=36mm2) 液压缸外径的设计本案液压缸考虑到具体结构，最小壁厚不小于3mm，而驱动力又偏低，故最大壁厚不超过10mm。按中等壁厚进行计算(16D/3.2)： （3-18）式中，强度系数(当为无缝钢管时取值为1) C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 油缸材料的许用应力(MPa)；，其中为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般n=35一般常用缸体材料的许用应力 为： 锻钢 铸钢 无缝管 代入数据： 圆整为4mm，即缸体外径80mm3.1.3 升降液压缸设计计算(1) 计算升降液压缸的总机械

41、载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为： （3-19）式中，外加的载荷； 活塞上所受的惯性力； 密封阻力； 导向装置的摩擦阻力； 回油被压形成的阻力；1）的计算 （3-20）式中，液压缸的负载总重，取为50kg； 重力加速度， ； 速度变化量,； 启动或制动时间，一般为0.010.5s，取0.2s将各未知数带入上式，得：2）的计算 （3-21）式中，克服液压缸活塞及活塞杆处密封摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力16 MPa，查相关机械手册取0.2MPa ； 为进油工作腔有效面积； 启动时： 运动时： 3）的计算回油背压形成的阻力按下式计算： （3-22）式中，为回油背压，一般为，

42、取 为有杆腔活塞面积，两边差动比取2； 将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为：(2) 液压缸强度的较核1）缸筒壁厚的较核当缸体由脆性材料制造时，液压缸壁厚按第二强度理论计算： （3-23）式中，为缸筒内径；绪论 为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取； 为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查机械手册取为600MPa，为安全系数，此处取n=4； 带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为： （3-24）式中， 为活塞杆上作用力； 为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数值，计算校核上式成立，因此活塞杆的强度能

43、满足工作要求。3.2 电机选型参数计算3.2.1 相关参数的计算(1) 若传动负载作直线运动（滚珠丝杠）则有负载额定功率： （3-25）负载加速功率： （3-26）负载力矩（电机轴）： （3-27）负载（电机轴）： （3-28）起动时间： （3-29）制动时间： （3-30）(2) 若传动负载作回转运动负载额定功率： （3-31）负载加速功率： （3-32）负载力矩（电机轴）： （3-33）负载GD（电机轴）： 3 主要结构设计计算 （3-34）起动时间： （3-35）制动时间： （3-36）式中，额定功率，Kw； 加速功率，Kw； 负载轴回转速度，r/min； 电机轴回转速度，r/min；

44、负载的速度，m/min； 减速机效率； 摩擦系数； 负载转矩（负载轴），； 电机启动最大转矩，； 负载转矩（电机轴），； 负载的，； 负载（电机轴），； 电机的，；下面进行具体的计算由于腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他转矩，则在回转轴上有： （3-37）式中，滚动轴承摩擦系数，取0.005； 机械手本身与负载的重量之和，最大取80； 大齿轮分度圆半径，R=180；带入数据，计算得 =0.045；同时，腰部回转速度为=30r/min；传动比定为；且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3-31）（3-37）得： 启动时间 ；绪论制动时间 ；折算到电机轴上的负载转

45、矩为：。由于手部旋转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有； （3-38）式中，滚动轴承摩擦系数，取0.01； 机械手本身与负载的重量之和，最大取7.5； 传动齿轮分度圆半径，R=90；带入数据，计算得 =0.00675；同时，手爪回转速度为=120r/min 且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3-7）（3-13）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到电机轴上的负载转矩为：。3.2.2 电机型号选择根据上述计算，考虑诸多因素，腰部电机选择北京和利时电机技术有限公司的步进电机，具体型号为：90BYG550B-SAKRML-0301 该步进电机高

46、转矩，低振动，综合性能很好。手爪旋转电机选择国产北京和利时电机技术有限公司的步进电机，具体型号为：90BYG550A-SAKRML-0301下表为步进电机相关技术参数，如表3-1所示表3-1 步进电机相关参数货物编号规格型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻（）相电感（mH）保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）重量（Kg）转动惯量（gcm2）00027090BYG550A-SAKRML-030150.36/0.7230.22.02.00.12.2230000028090BYG550B-SAKRML-030150.36/0.7230.44.04.00.23.445003 主要结构设计计算下图为步进

47、电机矩频特性曲线，如图3-2所示图3-2 步进电机矩频特性曲线3.3 齿轮传动强度校核(1) 确定齿轮材料、热处理方式、精度等级和齿数因传动尺寸无严格要求，传动功率较大，查手册得，小齿轮采用，齿面硬度为，取；大齿轮采用45钢调质，齿面硬度为，取；精度等级7级。取，一天工作16小时，电机转速1000r/min(2) 确定许用应力查手册得 取 查手册接触疲劳强度计算的寿命系数得 查手册弯曲疲劳强度计算的寿命系数得 查手册尺寸系数得 (3-39) (3-40) (3-41) (3-42)(3) 齿面接触疲劳强度计算1）计算工作转矩： (3-43)2）初步计算小齿轮直径 (3-44)查手册取；齿宽系数

48、 取d1=55，则b=33mm3） 按齿面接触疲劳强度设计 (3-45)因工作均匀平稳，查手册工作情况系数得设计齿轮精度7级，查手册取齿轮对称布置，；(4) 校核轮齿弯曲疲劳强度查手册齿形系数得，；查手册应力修正系数得，；因，所以得由弯曲强度校核公式得 大小齿轮弯曲疲劳强度满足要求千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。结论结论通过本次设计，我完成了以下工作：（1）手部设计选择了能够完成搬箱任务的平行连杆齿轮齿条式气动末端执行器，根据纸箱的大小设计了连杆的尺寸、连杆转动的范围，根据实际要求选择了合适的驱动系统。考虑到实际工作环境及要求增加了末端执

49、行器的绕Z轴回转自由度，由步进电机驱动完成动作，可以很好的控制旋转角度达到定位精度要求。（2）手臂本设计选用液压缸直接驱动并执行动作，同样对于小负载，选择更合理结构利用电动方式驱动更好，而本设计的好处是简化了结构在达到设计要求的前提下，相对的节约了成本。并且液压缸的刚度可靠对于本设计的要求十分够用。（3）腰部选用电机驱动齿轮传动，可以很好的控制旋转角度和速度，可以选用大功率电机，也可选用够用的电机，对于本机械手的升级十分方便。升降系统选用液压柱塞缸，液压柱塞缸的驱动力很大，刚度也很大，本身有导向套导向，所以本人认为合理可靠。同时也有很多不足之处（1）对于末端执行器相比其他结构，结构灵活，易实现

50、设计的要求动作且可以很好的抓取侧面为平面的物体，如果在结构刚度即材料上有所改进可以抓取更重一些的物体，对于驱动方式由于本人学术非常有限没能设计处更合理的方式，较理想的驱动方式是电机传动，电机传动可以非常好的控制手爪的张角，对于负载不大的机械手十分灵活可靠。（2）如果对于机械手的整体材料进行改进可以更灵活、经济。比如全部用铝合金材料，雅马哈就有全铝合金机械手在各方面都很不错。对于本设计的结构也存在复杂不合理之处，由于本人技术有限，对于错误诚恳希望老师指出。结论参考文献1 吕宏,王慧.机械设计M.北京:北京大学出版社,2009.2 王慧,吕宏.机械设计课程设计M.北京:北京大学出版社,2009.3

51、 关慧贞,冯辛安.机械制造装备设计第3版M.北京:机械工业出版社,2012.4 左健民.液压与气压传动第4版M.北京:机械工业出版社,2011.5 郑堤，唐可洪.机电一体化设计M.北京:机械工业出版社,2005.6 张建民.机电一体化系统设计（修订版）M.北京:北京理工大学出版社,2011.7 张铁.机器人学M.广州：华南理工大学出版社,2000.8 龚正等.液压传动与控制M.上海：上海科学技术出版社,1989.9 徐灏.机械设计手册J.北京：机械工业出版社, 1991.10 张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社,2001. 11 Suat Genc,Rob.Research in Engineering DisgnC.Springer:Verlug London Limited,1998.12 HEWITT J A. Technical services J.Library Resource Services,1984,28(3):205-218.致谢结论建议成绩：指导教师（签字）： 年 月 日建议成绩：评阅人（姓名、职称）: 年 月 日建议成绩：评阅人（姓名、职称）: 年 月 日答辩委员会意见: 答辩委员会(教师姓名、职称)：毕业设计成绩： 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。