多自由度机械手虚拟样机设计.doc

1、摘要机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，有长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。机械手涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。本文将设计一台六自由度的机械手，主要对机械手进行结构，重点设计机械手夹持部位和大臂的传动。本次设计的机械手主要是用于教学。关键词：机械手，结构设计，传动，教学AbstractManipulator is

2、 the first industrial robots, as well as the first modern robot, there is long time continuous operation, high accuracy and ability to resist bad environment, it can be hard work instead of people to achieve the mechanization and automation of production.Manipulator involving computer science, mecha

3、nics, electronics, automatic control, artificial intelligence, and other aspects of the discipline, it represents the highest achievement of electromechanical integration. It is one of the important production industry and the industry and service facilities, is an indispensable automation equipment

4、 of the advanced manufacturing technology. Today, the manipulator has been applied to various fields, especially in the case of assembly operations.This paper will design the main structure of the six degrees freedom manipulator, the key design of manipulator clamping part and the big arm drive. The

5、 design of the manipulator is mainly used in the teaching.Keywords: mechanical, structural design, transmission, teaching目 录Abstract3目 录4第1章 绪论511机械手概述51.2机械手的组成和分类51.2.2机械手的分类81.3机械手市场前景101.4机械手的发展趋势10第2章 机械手的总体整体设计方案132.1设计任务书132.1.1设计的目标132.1.2技术要求132.2机械手总体设计中总体方案的论证132.3 机械手机械传动原理142.4整体方案设计152

6、.41初拟设计方案152.42 最终设计效果图162.43 机械手各关节结构图17第3章 结构设计与计算233.1机械结构的部分计算233.2传动零件设计计算253.2.1 I轴齿轮传动强度设计253.2.2 II轴齿轮传动强度设计323.2.3 III轴齿轮传动强度设计37结论46参考文献47致 谢48附录49第1章 绪论11机械手概述机械手由操作机(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，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十

7、分重要的作用。机械手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、仿生学等多学科而形成的高新技术，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。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手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，又有机器可长时间持续工作、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进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各

8、，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.在生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: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引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，机械手能够独立的按程序控制实现重复操作。适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很

9、快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-2所示。图1-2机械手的组成方框图1. 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对

10、机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。2.驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。3.执行机构执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。（1）手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传动机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件

11、直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传动机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传动机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真

12、空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.（2）手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、

13、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立住通常是固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。（5）行走机

14、构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。（6）机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 4.位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2.2机械手的分类目前，我国对机械手尚无统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能、使用范围和驱动方式来分。1按规

15、格（所搬运的工件重量）分类（1）微型的搬运重量在1kg以下。（2）小型的搬运重量在10kg以下。（3）中型的搬运重量在50kg以下。（4）大型的搬运重量在500kg以下。目前大多数工业机械手能搬运的重量为1-30kg。最小的为0.5kg，最大的已达800kg。2按功能分类（1）简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单一服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。（2）记忆再现型工业机械手这种工业机械手有人工通过示教装置运动

16、一遍，有记忆元件（如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者相比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较强。（3）计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制（DNC）。计算机可以是可编程序控制器或微型计算机。（4）智能工业机械手有计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。3按使用范围分类（1）专用机械手附属于主机的，具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，实用可靠，

17、适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。（2）通用机械手具有独立控制系统、程序可变、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，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。4按驱动方式分（1）气压传动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。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。（2）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

18、达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，液压油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)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

19、动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便1.3机械手市场前景机械手是机器人的重要组成部分，从20世纪下半叶起，世界机器人工业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。据联合国颁布的最新调查显示，2000年世界机器人工业增长率达到15%左右，一年增加了近10万台机器人，使世界机器人总拥有量达到75万台以上，世界机器人市场呈现出日益兴旺的大好态势，目前为止，工作在世界各领域的工业机器人将突破百万台。1.4机械手的发展趋势机械手在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，

20、提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛兴趣。在新的世纪，机械手行业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。从近年世界机械手产品看，未来机械手具有如下的发展趋势：1重复高精度精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和

21、现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。3节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料

22、制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正

23、并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机

24、械制造系统的人工操作状态。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。第2章 机械手的总体整体设计方案2.1设计任务书2.1.1设计的目标使机械手能够在一定范围内某一位置W1抓取物体，并在另一任意位置W2放下该物体。2.1.2技术要求名称技术参数结构形式关节式自由度数6躯干旋转0360大臂转动-180+180小臂转动-90+90手腕上下摆动-90+90手腕左右旋转0360总体定位精度2mm手爪最大张开距离100mm手爪加紧

25、方式旋转变直线运动2.2机械手总体设计中总体方案的论证1.确定负载目前，国内外使用的机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数手爪最大张开距离为100mm，可初估本次设计机械手属于小型机械手。2.工作范围机械手的工作范围是根据其作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和

26、各关节轴转角的大小及变动范围的选择。3.驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动4.传动系统设计机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。机械手常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，故本次设计选用齿轮传动。5.

27、运动速度在机械手手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机械手机械传动原理本课题设计的是一种小型机械手。该机器人为平面多关节型，具有六个自由度。采用伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装

28、壳体与轴的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量。为了保证较高的传动精度和较好的加工工艺性，其传动均采用齿轮传动。2.4整体方案设计2.41初拟设计方案 如图2-1所示，为初拟机械手结构简图图2-1 机械手结构简图2.42 最终设计效果图 如图2-2所示，为多自由度机械手虚拟样机最终效果图。图 2-2 机械手效果图2.43 机械手各关节结构图1.手爪1-轴F1 2-平键 3-蜗轮 4-联轴器 5-电机支架 6-电机 7-挡板J3 8-齿条J1 9-夹具JZ 10-齿轮Z17M1.5 11-夹具JY 12-支架J2 13-手腕F1 14-端盖ET 15-轴承620

29、2 16-蜗杆 17 手腕F2图2-3机械手手爪结构图2.手腕1- 手腕E2 2-轴E1 3-轴承6202 4-平键 5-蜗轮 6-轴套ET1 7-电机支架 8-电机 9-联轴器 10-手腕E1 11-蜗杆 12-端盖ET 图2-4 机械手手腕结构图3小臂1-小臂D2 2-轴承6202 3-轴套D1T1 4-连接臂D-E1 5-轴套D1T2 6-连接臂D-E27-端盖ET 8-蜗杆 9-蜗轮 10-小臂D1 11-联轴器 12-电机支架 13-电机图2-5 机械手小臂结构图4.大臂1-电机 2-电机支架 3-大臂C2 4-轴承6202 5-轴套C1T2 6-连接臂C-D 7-轴套C1T18-轴

30、C1 9-齿轮Z128M1 10-大臂C1 11-轴C2 12-齿轮Z100M1 13-齿轮Z20M114-轴套C2T 15-联轴器图2-6 机械手大臂结构图5底座1-底座B2 2-电机 3-电磁制动阀 4-联轴器 5-轴套A1T2 6-轴承6200 7-轴套A0T 8-轴A0 9-齿轮Z105M0.5 10-齿轮Z35M0.5 11-齿轮Z33M0.8 12-轴A1 13-轴承6200 14-底座B1 15-轴套A1T1 16-轴承6202 17-轴套A2T1 18-轴A2 19-齿轮Z132M0.8 20-轴承6204 21-轴A3 22-齿轮Z128M1 23-轴套A3T24-轴套A2T

31、2 25-齿轮Z32M1图2-7机械手底座B（大臂传动）结构图 1-底座AX 2-齿轮Z132M0.8 3-齿轮Z32M1 4-轴A2 5-轴套A2T2 6-轴承6202 7-轴套A3T 8-轴承6204 9-轴A3 10-齿轮Z128M1 11-齿轮Z33M0.8 12-轴MA 13-轴套A0T 14-轴套A2T1 15-底座AG 16-底座AS 17-底座BB 18-电机19-联轴器 20-电机支架图2-8机械手底座A结构图第3章 结构设计与计算3.1机械结构的部分计算机械手大臂传动原理如下图所示图3-1 机械手大臂传动结构简图图3-2 机械手大臂传动最终效果图3.1.1大臂的设计计算 由

32、于系统的整体性能主要取决于机座及大臂部分的驱动及传动能力，因此必须对其进行详细的设计计算。下面是大臂传动部分的设计计算。1.选择电动机由大臂及机器人的大概尺寸和本体质量15KG，初步估计大臂及小臂、手腕及爪的总质量M=10KG，质心离转动轴距离L为400mm，故大臂转动的阻力矩大臂的转动速度初步设定为为联轴器的传动效率, 为一对圆柱齿轮的传动效率, 为一对滚动轴承的传动效率,为大臂的总传动效率,故初步选定电动机满载转速满载转矩2.计算传动装置的总传动比和分配各级传动比(1) 传动装置总传动比(2) 分配传动装置的传动比为关节2中锥齿轮的传动比,为大臂中第一对圆柱齿轮的传动比, 为大臂中第二对圆

33、柱齿轮的传动比.为大臂中第三对圆柱齿轮的传动比。为使齿轮外廓尺寸不致过大 取传动比分配3.计算传动装置的运动和动力参数(1)各轴转速I 轴 II 轴 III 轴 大臂输出转速 (2) 各轴功率I轴II轴III轴3.2传动零件设计计算3.2.1 I轴齿轮传动强度设计 51 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）选用直齿圆柱齿轮传动（2）机械手为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 1009588）。（3）材料选择由文献5选择小齿轮材料为45钢（调质）,硬度为240HBS，大齿轮材料为45钢（表面正火），硬度为200HBS，二者材料硬度相差40HBS。（4）由于是半开式软齿面齿轮传动，选

34、小齿轮齿数大齿轮齿数2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行计算(1)确定式中各项数值1）因载荷平稳,可初选载荷系数2）小齿轮传递的扭矩3）由表10-7,选取4）由表10-6,查得 5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限6）计算应力循环次数。预设工作寿命20年，每年300天，每天4小时。7)由图10-19取接触疲劳寿命系数8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-20得（2）计算1)试算小齿轮分度圆直径。代入中较小的值。2)计算圆周速度。3）计算齿宽b。4）计算齿宽与齿高之比。模数齿高 5）计算载荷系数根据，7级精度、

35、由图10-8查得动载系数；直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置，由， 查图10-13得；故载荷系数6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径。7）计算模数。3按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式（1）确定公式内的各计算数值1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限。2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数；。3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得4）计算载荷系数K。5)查取齿形系数。由表10-5查得 ；。6）查取应力校正系数。由表10-5查得；。7）计算大、小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值较

36、大。（2）设计计算对比计算结果，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，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数0.436并就近圆整为标准值m=0.5mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径,算出小齿轮齿数大齿轮齿数。4.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距 （3）计算齿轮宽度取，。图3-2 I轴小齿轮工程图图3-3 I轴大齿轮工程图3.2.2 II轴齿轮传动强度设计1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）选用直齿圆柱齿轮传动（2）选用7级精度（GB 1009588

37、）。（3）材料选择由表10-1选择小齿轮材料为45钢（调质）,硬度为240HBS，大齿轮材料为45钢（表面正火），硬度为200HBS，二者材料硬度相差40HBS。（4）由于是半开式软齿面齿轮传动，选小齿轮齿数，大齿轮齿数。2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行计算（1）确定式中各项数值1）因载荷平稳,可初选载荷系数。2）小齿轮传递的扭矩。3）由表10-7,选取。4）由表10-6,查得。5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6）计算应力循环次数。7)由图10-19取接触疲劳寿命系数（允许点蚀）；。8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安

38、全系数S=1，由式10-20得（2）计算1)试算小齿轮分度圆直径。代入中较小的值。2)计算圆周速度。3）计算齿宽b。4）计算齿宽与齿高之比。模数 齿高 5）计算载荷系数根据，7级精度、由图10-8查得动载系数；直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置，由查图10-13得；故载荷系数6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径。7）计算模数。3按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式（1）确定公式内的各计算数值1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限。2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数；。3）计算弯曲疲劳许用应力。

39、取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得4）计算载荷系数K。5)查取齿形系数。由表10-5查得 ；。6）查取应力校正系数。由表10-5查得；。7）计算大、小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值较大。（2）设计计算取m=0.8mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径,算出小齿轮齿数大齿轮齿数。4.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度取，。图3-4 II轴小齿轮工程图图3-5 II轴大齿轮工程图3.2.3 III轴齿轮传动强度设计1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）选用直齿圆柱齿轮传动（2）选用7级精度（GB 1009588）。（3）材料选择由表10-1选择小齿轮材料为45钢（

40、调质）,硬度为240HBS，大齿轮材料为45钢（表面正火），硬度为200HBS，二者材料硬度相差40HBS。（4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数。2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行计算（1）确定式中各项数值1）因载荷平稳,可初选载荷系数。2）小齿轮传递的扭矩。3）由表10-7,选取。4）由表10-6,查得。5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6）计算应力循环次数。7)由图10-19取接触疲劳寿命系数（允许点蚀）；。8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-20得（2）计算1)试算小齿轮分度圆直径。代入中较小的值。

41、2)计算圆周速度。3）计算齿宽b。4）计算齿宽与齿高之比。模数 齿高 5）计算载荷系数根据，7级精度、由图10-8查得动载系数；直齿轮，；由表10-2查得使用系数；由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置，由，查图10-13得；故载荷系数6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径。7）计算模数。3按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式（1）确定公式内的各计算数值1）由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限。2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数；。3）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得4）计算载荷系数K。5)查取齿形系数。由表10-

42、5查得 ；。6）查取应力校正系数。由表10-5查得；。7）计算大、小齿轮的并加以比较。大齿轮的数值较大。（2）设计计算取弯曲强度算得的模数0.896并就近圆整为标准值m=1mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径,算出小齿轮的齿数大齿轮齿数。4.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度取，。图3-6 III轴小齿轮工程图图3-7 III轴大齿轮工程图3.3机械手爪的设计由于任务书要求手爪采用旋转变直线运动，结合机械手的手爪传动形式，本次采用齿轮齿条式手爪加紧装置。齿轮齿条式加紧装置的优点在于机械手的夹具运动方向为平行移动，运动轨迹为一条直线。这样可以提高机械手的精度。其结

43、构如下图3-8所示。1-挡板； 2-支架； 3-齿轮； 4-齿条； 5-夹具图3-8 齿轮齿条式机械手爪装配图3.4 结构设计的特点1.为了实现机械手大臂有360旋转，故而大臂在底座支架的一侧。这样就会使得底座受力不均匀，从而对底座的旋转轴及其连接在轴上的轴承的受力相对增大。 为了解决这个问题，本次设计把底座设计成圆形，底座的旋转轴在底座中心，底座外围有一个半圆的槽，与底座转轴连接的部件也有一个半圆槽，并且与底座相互配作，形成一个圆槽，中间可以放入滚珠，从而减小底座转轴的弯矩。其装配结构如下图3-9所示。1-基座上部； 2- 滚珠 3.基座中部图3-9 基座部分装配图2. 为了保证手臂操作过程

44、中安全可靠，本次机械手设计时加入的断电位置保护。具体方案为1） 由于底座是在XOY平面旋转，当断电时，机械手就会自然停下，而且底座的传动比为16，且所选电机转速较慢，故按一般传动来设计。2） 机械手大臂是在XOZ平面180转动，当断电时，由于机械手臂自身重力与工件重力影响，机械手可能会转动，为了实现机械手大臂的自锁，在机械手大臂的传动轴上装有一个电磁制动阀。当切断电源时，机械手大臂产生制动，使手臂保持原有姿态，电磁制动阀原理如下图所示。当手臂电源被切断时，弹簧1把活动压块紧压锥形块4 ，而锥形块4与轴5是固定的。由于摩擦，轴5被锁住。当手臂电源接通时，电磁铁8通电产生磁力，把活动压块6吸向电磁

45、铁，即与锥形块4脱开，轴5便能自由转动1-弹簧；2-支柱；3-螺母；4-锥形快；5-轴；6-活动压块；7-定位快；8-电磁阀；9-电机支撑件；10-电动机图 310 电磁制动阀工作原理图。3） 小臂的处理方式与大臂一样。4） 机械手手腕的运动范围为在XOZ平面上下180摆动，在YOZ平面180转动，为了实现断电自锁，其传动方式采用蜗轮蜗杆的形式，采用该形式的好处是蜗轮蜗杆传动的传动比较大，而且有很好的自锁能力，这样不仅能减少重量，还节省空间。5) 机械手爪采用齿轮齿条的方式来夹紧工件，由于机械手爪与工件的摩擦因数=0.1左右，故而手爪在水平方向受到的力为工件重量的10倍以上，而机械手爪是距离大臂的传动轴最远的部件，其重量的增加会很大程度上影响到大臂的齿轮传动的设计及电机的选择，为了使机械手结构紧凑，故而机械手爪不能太重，综合考虑，机械手爪采用蜗