机械手结构设计毕业论文设计.docx

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1、1.绪论1.1 工业机械手设计的意义1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤；2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产；3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。1.2 国外的机械情况现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一

2、台数控示教再现型机械手。商名为Uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰， 用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Uni-mate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni-mate

3、型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Uni-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国Kn-Ka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清

4、理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年， 机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60% 的速

5、度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国

6、际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 国形势1：经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力， 已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说 20 世纪 90 年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结

7、合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化 24 小时连续运转。如擅长专机制作的意大利 COMAU 公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9 月在汉诺威 EMO2005 展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次 CCMT2006 展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是 1 号馆 W 1 - 9 1 6 意大利意沃乐EVOLUT 公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台 DC-5 机器人修边、倒角装置特别引人注目。该

8、机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺， 甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3 D 编程软件将以往 8 小时编程时间缩减为 15 分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机

9、械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1. 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)， 而单机不断下降，平均单机价格从 1991 年的 10.3 万美元降至 2002 年的 6.5 万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服

10、电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，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2 总体分析2.1 自由度分析该机械手臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。整个机械臂安装在一个回转支座上，回转角度围为 360；肩关节为转动关节,回转角度围为 360；小臂相对于大臂可摆动，摆动围为 60-120；小臂末端的手腕也可以摆动，水平和垂直摆动围为-60到+60；手腕的末端安装一机械手，机械手具有开闭能力，用

11、于直径 30-45mm 工件的抓取。系统共有 5 个自由度，分别是基座的回转旋转、肩部俯仰、肘部左右俯仰、腕部转动及俯仰。2.2 功能分析该机构是一个五自由度的工业机械手，能完成夹紧、旋转、俯仰、摇摆以及回转动作，可用于工业流水线上的操作。我们主要针对设计的是在流水线上对已加工成品的夹取放置（围为边长为 1000mm），机构简便、效率高，可控围大，基座运用齿轮传动，效率高，强度大，可调角度大，回转机构和俯仰机构都是-60到 60。机构所用零件便于加工，标准件较多，便于机构的组装，相应的成本也不高2.3 机械手的机构形式基座的回转可以进行 360的回转，实现机器人本体除基座以外机构的转动（腰部）

12、；与基座相连的转动肩关节，可以带动大臂，小臂，手腕及工件的上下转动，幅度较大，可以满足60-120的俯仰要求（肩部）；与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成-6060度的左右来回摆动，可满足机器人工作空间上高度的要求（肘部）；接着下去手腕的是俯仰机构和摆动机构，也可实现上下俯仰动作，也可完成左右摆动，分别实现手爪的俯仰和摆动，角度围为-6060。机构采用齿轮传动控制各自 由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。2.4 各关节的结构原理及分析根据功能要求，在设计研究时将其分为肩部机构，上臂机构，肘部传动机构， 前臂机构，手爪夹持机构。肩部机构实现肩关节的转动动作，

13、电机转动，带动减速此轮传动机构，从而实现肩关节的旋转运动。肘部传动机构实现关节屈|伸动作。由上臂外层，上臂层，定位螺钉，电机，齿轮组成。电机驱动小齿轮，通过小齿轮带动大齿轮，大齿轮与前臂机构固定连接， 从而实现肘关节的屈|伸动作。前臂机构实现前臂的转|外转和腕关节的外展|收两个动作。有腕关节驱动电机， 前臂机构的外壁与腕关节的壁的过渡套圈，腕关节壁，前臂机构的外壁，前臂机构的外壁，前臂驱动电机，传动齿轮等组成。腕关节的旋转动作比较简单，因此可以直接用小电机带动腕关节实现。前臂的转|外转动作是通过前臂的电机驱动小齿轮， 带动大齿轮实现的。腕关节俯仰用电机驱动齿轮传动实现。2.5 电机布局分析机器

14、人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照腰部关节转动的电机 1 就安装在机座上；但是对于驱动肩关节的电机 2 则应该放置到底座部件上边。如果把电机 2 也同样安装在机座上，那么它的传动则是一个问题，因为电机 1 和电机 2 均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节， 无疑会增加基座和腰部的体积，而且在丝杆的传动中可以到达很高的速度，故把电机 2 安装在机器人的顶部直接驱动齿轮。机器人的肘关节是通过同步带传动，对于腕部的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机 3 的体积小，质量小，按照就近原则,将其安装在小臂上，腕部的摆动依靠电机4 传动齿轮实现，电机4 安装把

15、其放在手腕的末端。3 机械手方案的创成和机械结构设计3.1 机械手机械设计的特点串联型机械手设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机械结构学的角度来看，机械手的结构是有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机械手的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位置关系，末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系，末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般分析机构方法能解决的了的，需要建立一套针对空间的开链机构的运动学，静力学方法。末端执行器是运动学分析的主要容。其次，由于开链机构相当于一系列悬挂臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的

16、累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机械手机械设计时要特别注意刚度和精度的设计。再次，机械手是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须考虑到驱动和控制等方面的问题，这和一般的机械设计的产品设计不同。另外，与一般机械产品相比，机械手的设计在结构的紧凑性，灵巧性方面有更高的要求。3.2 与机械手有关的概念7自由度：机械手一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有很多移动副和转动副。相应的，与转动副相连的关节成为转动关节。以移动副相连的关节为移动关节。这些关节中，单独驱动的关节为主动关节。主动关节的数目成为机械手的自由度。机械手由于用途广泛2，种类繁多，机构也多种多样，根据本体结构坐标系的特

17、点，大体上可分为：（1） 直角坐标型 这种机械手具有三个互相垂直的移动轴线，它们通过手臂的上下，左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系。其手腕能摆动和旋转。这种机械手的机械结构和控制方式比较简单，精度较高，但操作围小，运动速度低，而且其适应性比较差。（2） 圆柱坐标型 该机械手前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以 ， r，z 为坐标，位置函数为 P=f（，r，z），其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移， 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。（3） 球坐标型 具有两个转动关节和一个移动关节。以 ，y 为坐标，位置函数为 P=f（，y），该型机器人的优点是灵

18、活性好，占用面积小，但刚度，精度较差。（4） 关节坐标型 有垂直关节型和水平关节型机械手，前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大，占用面积小，缺点是刚度和精度较差。3.3 方案设计3.3.1 需求分析该机械手是针对流水作业上成品的夹取及转移的，根据现场的实际需要，设计的具体要求为：（1） 抓取物件为直径为 50mm 的立方形产品，长度为 150mm。（2） 抓取和放下的时间尽可能的短。（3） 从机身中心 500mm 的边长为 1000mm，距离地面高度为 500mm 的正方形平台上抓取成品，装在成品箱，即可。3.3.2 机械手的自由度的分配本课题要求机械手臂能达到工作空间的任意位置

19、和姿态，同时考虑到产品的长度为 150mm，采用单臂机械手进行夹持和堆放，其中手爪的横向尺寸为 200mm， 综合考虑后该机械手的五个自由度，其均为转动自由度，其中机身腰部一个自由度， 大臂小臂各一个自由度，手腕处两个自由度。前三个关节决定了末端执行器在空间的位置，后两个关节决定了末端执行器在空间的状态。3.3.3 方案的描述机械手本体由机座，大臂，小臂，手腕，末端执行器，和驱动装置组成。参考同类机械手的性能参数，进行主尺寸和运动围的确定，考虑到机构可行前提下有尽可能大的作业围。根据设计的要求及使用的围，定出该型机械手的主要性能参数如表2-1 所示，其中 1 代表腰部转动角度，2 代表大臂俯仰

20、角度，3 代表小臂俯仰角度，4 代表手腕起落角度，5 代表手腕转动角度。肩高自由度大臂小臂腕部腰部（mm12345长长长度直径表 2-1 机械手主要性能参数）（mm）（mm）（mm）（mm）1000-60-240225-345180-270-60-9030-120500600100260根据其用途和特点提出如下技术参数： 自由度数目：5 个坐标形式：垂直关节型额定负荷质量（含末端执行器）：48kg最大活动半径：1280mm本体重量：200kg各关节最大工作转速见下表 2-2。表 2-2 各关节最大工作转速r/min最大工作转速rad/s/s腰部回转关节101.0560大臂转动关节101.056

21、0小臂转动关节101.0560腕部摆动关节202.1120腕部回转关节303.141803.3.4 该方案结构设计与分析该机械手的本体结构组成如图 2-3图 2-3 成品装夹机械手本体组成各部件组成和功能描述如下： 底座部件：底座部件包括底座、齿轮传动部件、轴承，步进电机等。机座作用是支撑部件， 支承和转动大臂部件,承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定运行。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、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

22、实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。末端执行器：因为抓取的坯料形状为长方体，载面积为，长度为，所以末端执行器设计得开合围。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。4 机械手结构方案和驱动方案的选择根据本设计的要求，参考国外工业机器人的典型结构 8，初步对各个回转关节的结构和驱动方案单独分析。4.1 腰部回转关节腰部外安放一驱动电机 1，驱动部涡轮 2 涡杆 3 传动装置，实现竖直主轴 4 的转动，从而实现大臂5，

23、小臂6 等工作部分的旋转自由度，如图3-1 腰部设计,部传动， 如图 3-3 腰部部传动设计。图 3-1 腰部设计1-电机 1 5-大臂图 3-3 腰部部传动设计2-蜗杆 3-涡轮 4-主轴4.2 大臂和小臂转动关节在大臂与肩部连接关节处安装一驱动电机 7，带动与之相连的小齿轮 8 旋转，进而带动与小齿轮 8 啮合的大齿轮 9 旋转，大齿轮旋转使得与之相连的轴 10 旋转，这样最终转动大臂 5，机构设计如图 3-3 大臂传动设计。而小臂与大臂之间用一同步带 11（黑色）连接，当大臂5 上轴旋转，便经由同步带使得小臂 6 的轴旋转，最终使得小臂 6 旋转起来，设计如图 3-4 小臂传动设计。图

24、3-3 大臂传动设计7-电机 8-小齿轮 9-大齿轮 10- 传动轴 11-同步带图 3-4 小臂传动设计5-大臂 6-小臂4.2.1 机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则6；1. 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2. 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如

25、果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3. 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在

26、保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4. 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5. 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量。6. 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。4.3 腕部活动关节步进电机 12 的旋转驱动圆柱型装置 13 部直齿轮传动装置的传动

27、，从而带动轴14 的转动，便可实现手腕部分的旋转自由度，如图3-5 腕部转动设计。而用马达15 驱动小齿轮 16 转动，进而带动与之啮合的大齿轮 17 转动，大齿轮的转动带动手腕部分的上下俯仰摆动，如图 3-6 腕部俯仰设计。该方案的结构相对复杂，整体重量也相对更重，但紧凑性更好，可以自由选择电机类型，因此运用围也更广。图 3-5 腕部转动设计12-传动电机 13-齿轮传动装置 14-传动轴图 3-6 腕部俯仰设计15-传动电机 16-小齿轮 17-大齿轮4.3.1 机器人手腕结构的设计要求1. 机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计 3。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则

28、机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为 2 至 3 个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2. 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器

29、采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3. 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4. 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5. 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6. 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。4.4 机器人驱动方案的对比分析及选择通常，机器人驱动方式有以下四种4：（1） 步进电机 可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具

30、有自锁能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力，有利于控制系统的定位。但步进电机基本上不具有过载能力，功率偏大者，体积较大，并且其空间分辨率较低；功率较小者，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。（2） 直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，体积偏大，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。（3） 交流伺服电机 交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶

31、闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电子器件、脉冲调宽技术和计算机控制技术的发展，交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16 位CPU+32 位 DSP 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。（4） 液压伺服马达 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。由于本设计研究的机械手的额定负

32、载一般，体积和重量均要求小，综合分析后，决定采用混合式步进电机和交流伺服电机混合驱动。腰部、大臂和小臂要求动态特性好、传动功率较大，采用交流伺服电机驱动；腕部所需传动功率较小，采用混合式步进电机驱动。4.5 驱动电机的选择机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机械手应用最多的驱动方式。为实现机械手灵活自由地移动，驱动系统使用了交流电源供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点，确定该机械手的 3 个关节和腰部旋转都采用步进电

33、机驱动，开环控制。在现代机械手结构中广泛使用这各种轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种机械手专用轴承具有结构简单紧凑，精度高，刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。单考虑到这些轴承价格昂贵，而是用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以再该机械手的结构中仍然全部采用球轴承。在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。4.5.1 电机选型有关参数计算由于传动负载作回转运动负载额定功率：P =T N1L（3-1）09550 hGD2 N 2

34、负载加速功率：P =LL（3-2）a3577 103 ta负载力矩（折算到电机轴）：NT=L T（3-3）L负载 GD（折算到电机轴）：Nhl MNGD2L= ( N LM)2 GD2（3-4）l起动时间：=(GD2tM+ GD 2 ) NLM（3-5）制动时间：a375(TP- T )L=(GD2tM+ GD2 ) NLM（3-6）d375(TP- T )L式中， P0-为额定功率，KW；P为加速功率，KW；aN为负载轴回转速度，r/min；lN为电机轴回转速度，r/min；MV为负载的速度，m/min；lh为减速机效率；m为摩擦系数；T -为负载转矩（负载轴）， N m ；lT -为电机启

35、动最大转矩， N m ；pT -为负载转矩（折算到电机轴上）， N m ；LGD2 -为负载的GD 2 ， N m2 ；lGD 2 -为负载GD2 （折算到电机轴上）， N m2 ；LGD 2M-为电机的GD2 ， N m2 ；具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。因为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的转矩，则在回转轴上有；T = Flf R = G f R（3-7）式中, f -为滚动轴承摩擦系数，取 0.005；G -为机械手本身与负载的重量之和，取 100 KG ；R -为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240 m

36、m ；带入数据，计算得Tl=0.12 N m ；同时，腰部回转速度定为 N=5r/min；传动比定为 1/120；l且， GDl= mgD 2带入数据得：GDl=10.45667 N m2 。将其带入上（3-1）（3-7）式，得：P= 1.3227W； P0a= 0.0068W；启动时间ta制动时间td= 0.002962s 3ms ； 3ms ；折算到电机轴上的负载转矩为： T= 0.0010523 N m 。L4.5.2 电机型号的选择根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产和利时电机技术（原四通电机公司）的步进电机，具体型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG5

37、50B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301,该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301 型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。驱动方式：升频升压；步距角：0.36；其中步距角0.36，同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的， 故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。4.6 传统系统设计传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机械

38、手相应的执行部件，以实现各种预订的运动。目前常见的传动方式有：皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、涡轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭动刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点是用语中等减速比传动，单存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用，涡轮蜗杆结构机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间过易松弛，

39、传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运动平稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。另外，在数控传动系统中，同步齿形带传动由于具有稳定的工作性能也得到了广泛的应用。在本设计中，采用齿轮机构来传递驱动电机输出的扭矩，通过齿轮传动系统将扭矩传递到关节 1，用同步带传动来实现由步进电机输出的扭矩到关节 24.7 本章小结本章对机械手的结构进行了设计，包括自由度的分配，连杆基本的特性参数， 系统的组成结构和功能描述，系统传动结构，驱动结构都做了简

40、要的概述。4.8 机械手设计总图图 3-7 设计总图图 3-8 设计总图致此次我做的毕业设计是工业机械手的设计，通过 1 个多月努力，设计终于完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在此次的毕业设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过指导教师的指导和我的努力，这些问题都得到了较好的解决。虽然我们设计的只是个简单的上料机械手，但需要完成伸缩、升降、回转等功能，对应分别要对这些机构进行设计和计算，控制回路和电机控制的设计。通过这些机构设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。

41、自学了许多相关学科的容，求教了多位专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。由于时间问题，对于本次机械手的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进和提高，希望各位专家评审多多指教。参考文献1 熊有伦.机器人技术基础M.:华中科技大学，20022 富春，朱纪虹.机器人学导论一分析、系统及应用M.:电子工业，2004 3吴振彪.工业机器人M.:华中理工人学，19974王庭树.机器人运动学与动力学M.电子科技大学，1990谭.机械手工作空间分析J.机械，2003，30(3 ) : 15 - 176 朱小平.轻型装卸机抓袋机械手的优化设计川.工商大学学报(自然科学版),2001,19(3):38 - 417 王小北，林建龙，朱小平.抓取箱形物品的机械手的优化设计J.机械设计与制造， 2002(6): 67-688 马纲，王之栋，松元一种新型搬运码垛机械手的设计J.机械设计与制造，2000(4)： 26-279 CRAWFPRD W，GORMAN M Dreams，Madness，& RealityChicago：American Library Association，1995