毕业设计（论文）-机械手手臂前后伸缩机构设计（全套图纸）(19页).doc

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1、-毕业设计（论文）-机械手手臂前后伸缩机构设计（全套图纸）-第 14 页摘 要“机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置，如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。实现了自动化生产方式，达到了减少劳动力、节约费用、提高工作效率、增加企业经济效益之目的。本文设计的机械手手臂前后伸缩机构由电动机、丝杠螺母副、导杆、手臂、连接板等构成。设计过程中，首先，调查了机械手研究现况，在此基础上根据设计技术要求选定了驱动机构及伸缩机构方案；接着，根据选定的结构方案对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AutoCAD绘图软件绘制了该机械手

2、手臂前后伸缩机构的装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD软件，本次机械手臂的设计代表了设计的一般过程，对今后的设计工作有一定的参考价值。关键词：机械手；手臂；伸缩；设计AbstractRobot (mechanical hand): most of the refers to attach belongs to the host program fixed automatic crawl, operation device, such as automa

3、tic assembly line, automatic line, cutting, machining center automatically change knife automatic device. The realization of automatic production, to reduce labor, save costs, improve work efficiency, increase the economic efficiency of the purpose of the enterprise.In this paper, the manipulator an

4、d the front and back telescopic mechanism of the manipulator is composed of a motor, a lead screw nut pair, a guide rod, an arm, a connecting plate, and the like. In the design process, firstly, to investigate the status of the research of manipulator, based on the driving mechanism and the telescop

5、ic mechanism scheme is selected according to design requirements; then, based on the selected structure of the main parts were designed and checked. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn before and after the manipulator arm telescopic mechanism assembly and major parts of the map.Throu

6、gh the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing, and master the design method of general machinery products and be able to skillf

7、ully use AutoCAD software, the design of the mechanical arm represents the general process of design, have certain reference value for the design work in the future.Key words: manipulator; arm; expansion; design目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状1第2章 总体方案设计32.1设计要求32.2方案设计32.2.1驱动机构32.2.2伸

8、缩机构32.2.3总体方案4第3章 设计计算53.1手臂伸缩驱动力计算53.1.1 手臂摩擦力的分析与计算53.1.2手臂密封处的摩擦阻力的计算63.1.3手臂惯性力的计算63.2电机的选择73.2.1 扭矩的计算73.2.2 启动矩频特性校核83.3丝杠螺母的选择与计算83.3.1丝杠螺母副支承方式选择83.3.2确定滚珠丝杠副的导程93.3.3强度计算103.3.4螺母选择123.4联轴器的选用123.5轴承及键的选用与校核133.5.1轴承133.5.2键133.6手臂设计与校核143.6.1导向装置143.6.2平衡装置143.6.3尺寸设计143.6.4尺寸校核15结 论16参考文献

9、17致 谢18第1章 绪论1.1研究背景及意义机械手具有许多人类无法比拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下：（1）能代替人从事危险、有害的操作。只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。（2）能长时间工作，不怕疲劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3）动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。（4）机械手特别是通用机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。（5）机械手能明显

10、地提高劳动生产率和降低成本。由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。1.2国内外研究现状机械手（Industral Robot ,简称IR）是1960年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国GeorgeCPevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol与美国Cons

11、olide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Versatran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。在欧洲第一台机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机

12、械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机械手仅比日本晚56年，但由于种种原因，机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古丽。在1986年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电I号，也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼

13、系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。2第2章 总体方案设计2.1设计要求设计机械手手臂前后伸缩机构，其中机械手参数要求如下：（1）臂力10公斤；（2）手臂前后伸缩行程600mm（速度1000mm/s）；（3）手臂左右转动角度240（角速度90/s）；（4）手臂上下升降行程150mm(速度500mm/s)；（5）小臂伸缩行程300mm(速度1000mm/s)；（6）小臂转动角度180（角速度150/s）；（7）手臂最大工作半径1460mm。2.2方案设计2.2.1驱动

14、机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。根据设计要求，本次采用电动式驱动机构。2.2.2伸缩机构常用的平移伸缩机构有以下几种：（1）齿轮齿条传动齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递率可达到数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。有以下特点：1）.

15、效率高2）.结构紧凑3）.工作可靠4）.传动比稳定。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。（2）涡轮涡杆传动优点是传动比大，结构尺寸紧凑，但轴向力大、易发热、效率低。（3）曲柄滑块机构常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动；或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度等优点，因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等。（4）丝杆螺母副梯形螺杆、螺母的滑动螺旋传动：梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好但主要缺点是效率低。滚珠

16、丝杠螺母副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想产品。它是传统滑动性丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠螺母副因优良的摩擦特性，并且可以消除方向间隙并施加预载，高精度和高灵敏度使其广泛的运用于各种工业设备。随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，要求滚珠丝杠副的运动平稳，无爬行现象，传动精度高。综上述分析：本次设计的机械手手臂前后伸缩机构采用滚珠丝杠螺母副。2.2.3总体方案结合上述选定的驱动机构和伸缩机构方案得出本次机械手手臂前后伸缩机构方案如下：图2-1 手臂前后伸缩机构方案第3章 设计计算3.1手臂伸缩驱动力

17、计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的丝杆螺母副的驱动力根据克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定丝杆螺母副所需要的驱动力。丝杆螺母副的驱动力的计算为。3.1.1 手臂摩擦力的分析与计算由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得 得 式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算； a导向支撑的长度（m）； 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：摩擦系数，对

18、于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：油缸杆的材料选择钢，导向套支撑选择钢， 预估，已知L=800mm，导向支撑a设计为200mm将有关数据代入进行计算600=1260N3.1.2手臂密封处的摩擦阻力的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为： =0.03F。3.1.3手臂惯性力的计算=0.1式中 参与运动的零件的总重力（包括工件）(N)；从静止加速到工作速度的变化量(m/s)；启动时间(s)，一般取0.010.5；设启动时间为0.2s，最大为0.233m/s。 则：=0.1=69.9N由于背压

19、阻力较小，可取=0.05所以 =+=1260+69.9+0.03F+0.05F求得 =1446N所以手臂伸缩驱动力为=1446N。3.2电机的选择根据该机械臂的参数，其动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且功率小，并且可用于开环系统。而BF系列伺服电动机为反应式伺服电动机，具备以上的所有条件，我们选用的型号90BF004的电动机作为主运动的动力源。选用时主要有以下几个步骤：3.2.1 扭矩的计算伺服电机最大静转矩是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系是；伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：

20、 空载启动力矩； 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩； 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；而且初选电机型号时，应满足伺服电动机所需空载启动力矩小于伺服电动机名义启动转矩，即：计算的各项力矩如下：加速力矩=1.810=0.519N/m空载摩擦力矩=0.6附加摩擦力矩=0.519+0.6+1.222=2.341=0.95125=23.7753.2.2 启动矩频特性校核伺服电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩

21、频特性进行校核。伺服电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.3丝杠螺母的选择与计算3.3.1丝杠螺母副支承方式选择丝杠螺母副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。设最大行程为800mm，移动部件大概质量为720Kg。表3-1 丝杠螺母副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。

22、一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.3.2确定滚珠丝杠副的导程滚珠丝杠副的导程按下式计算：式中 滚珠

23、丝杠副的导程，（）；Vmax工作台最高移动速度，（）；电机最高转速，（）；由进给系统设计要求知：Vmax=2.5查阅机械设计手册13得：步进电机110BF003的最高转速nmax=6000。将数值代入上式(5-1)可得：Ph10。故取Ph=S=10。3.3.3强度计算1）对于圆柱导杆的牵引力计算Fm=KFX+f(Fz+2FY+G)取 K=1.4 f=0.2考虑工作台在移动过程中只受G影响故F=fG=0.2309.8=58.8()考虑工作台在加工时静止只受FX影响故F= KF=1.49.8130=1783.6()故Fm= F F=58.81783.6=1842.42）计算最大动载荷 C当转速时，

24、滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲 劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，即式中 动载荷系数； 硬度影响系数； 当量动载荷，； 滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，； 寿命，以为一个单位。式中 T使用寿命，； N循环次数； 滚珠丝杠的当量转速，。 取 T=15000代入数据可得：取 取f=1.0当工作载荷单调连续或周期性单调连续变化时，则式中 、最大和最小工作载荷，。所以 计算可得：查阅机械设计手册7选取GD3210-4型滚珠丝杠副 （），所以刚度满足要求。 3）静载强度计算当转速时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大塑性变形，影响正常

25、工作。为此进行静载强度计算，最大计算静载荷为：式中 硬度影响系数；查机械设计手册7可得：GD3210-4型滚珠丝杠副额定静载荷，所以满足要求。滚珠丝杠螺母的主要参数如表3-2所示：表3-2滚珠丝杠螺母副的主要参数滚珠丝杠副型号GD3210-4公称直径导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定动载荷额定静载荷接触刚度3.3.4螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。滚珠的工作圈数i和列数j

26、。根据所要求性能、工作寿命，推荐按表3-3选取。表3-3要求特性插管式(ij)滚珠循环流畅1.521.532.51刚性2.522.53法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。导程精度选择根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式估算：E(0.250.6)TD式中：E累计代表导程偏差，m；TD机床有效行程的定位精度，m。3.4联轴器的选用根据前面计算，轴最小直径：取查机械手册，根据轴径和计算转矩选用弹性柱销联轴器：联轴器转矩计算 查表课本14-1， K=1.3，则启动载荷为名义载荷的1.25倍，则按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查手册

27、选择联轴器型号为选用HL1（J1型）弹性柱销联轴器，其允许最大扭矩T=63,许用最高转速 n=5000，半联轴器的孔径d=15，孔长度l=30mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L1=32。3.5轴承及键的选用与校核3.5.1轴承1）按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承的预期寿命取为：Lh29200h由上面的计算结果有轴承受的径向力为Fr1=340.43N，轴向力为Fa1=159.90N，2）初步选择深沟球轴承6204，其基本额定动载荷为Cr=51.8KN，基本额定静载荷为C0r=63.8KN。3）径向当量动载荷动载荷为，查得，

28、则有 由式13-5得 满足要求。3.5.2键1）选择键联接的类型和尺寸选用单圆头平键，尺寸为2)校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为键的工作长度，合适3.6手臂设计与校核3.6.1导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单

29、导向杆来增加手臂的刚性和导向性。3.6.2平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3.6.3尺寸设计长度设计为,内径为,半径R=105mm,轴径半径,运行角速度=，加速度时间0.5s,压强, 则力矩：3.6.4尺寸校核（1）测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,总驱动力矩： 设计尺寸满足使用要求。结 论

30、这次毕业设计几乎用到了我们大学所学的所有专业课程，可以说是我们大学所学专业知识的一次综合考察和评定。通过这次毕业设计，使我们对以前所学的专业知识有了一个总体的认识与融会贯通。例如我们在设计过程当中需要用到所学的工程制图、材料力学、机械工程材料、机械设计、极限配合与公差以及CAD计算机辅助制图等基础的专业知识。在做毕业设计的过程中，不仅使我们熟悉了旧的的知识点，还使我们发现了许多以前没有注意的细节问题，而这些细节问题恰恰是决定我们是否能够成为一名合格的机械技术人才的关键所在。此外，我感觉两个月的毕业设计极大的丰富了我们的知识面，使我学到了许多知识，不仅仅局限于多学的专业知识.在做设计的过程中，由

31、于需要用到课本外的知识，这要求我们上网或者到图书馆等查阅资料。例如在设计传动方案时就需要我们对提升装置的工作环境和工作能力等由一定的了解才能选择合适的传动方式。由于以前没有注意此方面的问题,所以必须通过实践认识和查阅资料才能做到更好。参考文献1乔东凯 黄崇林. 移动式工业机器人设计的动力学分析J .茂名学院学报，2003， 13（3） 2张广鹏 方英武 田忠强. 工业机器人整机结构方案的动态性能评价J. 西安理工大3徐灏. 机械设计手册M第5卷. 机械工业出版社， 1992 4吴宗泽. 机械设计师手册M. 机械工业出版社， 2002 5成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 2002年6

32、罗洪量 . 机械原理课程设计指导书M（第二版）. 高等教育出版社，1986 7 JJ.杰克（美）. 机械与机构的设计原理M（第一版）. 机械工业出版社，1985 8王玉新. 机构创新设计方法学M（第一版）. 天津大学出版社， 1996 9张建民. 工业机器人BM. 北京理工大学出版社，1992 10马香峰. 机器人结构学B M . 机械工业出版社，1991 11 俄IO.M.索罗门采夫. 工业机器人图册B M. 机械工业出版社，1993 12黄继昌、徐巧鱼、张海贵等. 实用机械机构图册B M. 人民邮电出版社，1996 13天津大学工业机械手设计基础编写组. 工业机械手设计基础B M. 天津科

33、学技术出版社，1981 14金茂菁. 我国工业机器人发展现状J. 机器人技术与应用， 2001， 01（4）15 席伟光，杨光，李波.机械设计课程设计.北京：高等教育出版社，200316 甘永立主编。几何量公差与检测 上海科学技术出版社，2003致 谢从基础课到专业课四五十门，但这都是零散的，成块吸收，而最终的毕业设计就是把这些零散、成块的知识有条理、系统化，综合运用。达到检验所学程度的目的，既是对综合运用知识的能力的培养，又是为将来走上工作岗位的做的一次实战模拟。课题对我来说是陌生的，因为平时接触这方面的知识很少。在整个设计过程中，我学会了如何把所学的知识应用到设计中去，不是单一的设计一件东西，而是要灵活运用，举一反三，能运用到别的设计中去，不过，在设计上还有很多缺陷，需要进一步完善，希望各位领导和老师提出意见，批评指正，使以后不在犯同样的错误，不断成熟、进步，在此我感谢各位领导和老师的孜孜不倦的教悔和热心帮助。经过了近3个月的时间，我的毕业设计终于作完了，在整个设计过程中我尊敬的老师们和我的同学给予了我很大的帮助，在此我深表感谢，没有他们的帮助我很难将这次毕业设计做好。我更加感谢的我的指导，在我的整个设计过程中都给予了我很大的支持和帮助，在此，我对老师衷心的说一声谢谢。我还要感谢院里的领导，因为是他们为我提供了这次机会。谢谢！