自動上下料機(jī)械手的主要零部件設(shè)計及三維造型

摘要本次設(shè)計的課題是自動上下料機(jī)械手的主要零部件設(shè)計及三維造型，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。 機(jī)械手能代替人工操作，起到減輕工人勞動強(qiáng)度，節(jié)約加工時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。在實用基礎(chǔ)上，對自動上下料機(jī)械手直臂與夾持部件進(jìn)行三維設(shè)計，其中分為三個部分：手爪、手腕、直臂。整體機(jī)械手為直角坐標(biāo)型，驅(qū)動均為電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單可靠，精度高。設(shè)計了手爪為平移型夾持式手爪，傳動結(jié)構(gòu)為滑動絲桿；手腕為回轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)動角度為0-180，傳動結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿；設(shè)計了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩；畫出機(jī)械手的運(yùn)動簡圖；對工作機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計計算，包括主要部件的設(shè)計計算、強(qiáng)度校核和運(yùn)動分析；設(shè)計繪制起升裝置的總圖和主要零件工作圖；利用三維CAD軟件對主要零件進(jìn)行實體設(shè)計和造型。關(guān)鍵詞：直臂與夾持部件；機(jī)械手；CAD二維設(shè)計；Pro/e三維設(shè)計Abstract 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 freedom, 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 for 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 screw; 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, including 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; Manipulator; 2 d CAD design;Pro/e 3 d design目 錄摘要.IAbstract.IIAbstractI1緒論11.1前言和意義11.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢32機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計52.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇52.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇62.3傳動結(jié)構(gòu)的選擇62.4 機(jī)械手的基本形式選擇82.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動82.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)93機(jī)械手手爪的三維設(shè)計113.1 手部設(shè)計基本要求113.2 典型的手部結(jié)構(gòu)113.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計計算113.3.1選擇手爪的類型和夾緊裝置113.3.2 手爪夾持范圍計算123.3.3 滑動絲杠設(shè)計133.3.4 直齒輪設(shè)計153.3.5電機(jī)選型163.4 機(jī)械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖174機(jī)械手手腕部分的三維設(shè)計204.1腕部設(shè)計的基本要求204.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇204.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)204.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇204.3 腕部的設(shè)計計算214.3.1 蝸輪軸的設(shè)計計算214.3.2 蝸輪齒輪設(shè)計224.3.3 步進(jìn)電機(jī)選型234.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖245 直臂部分的三維設(shè)計315.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)315.2 滾珠絲杠設(shè)計315.3 錐齒輪設(shè)計335.4 電機(jī)選型355.5 機(jī)械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖366. 總結(jié)407.致謝42參考文獻(xiàn)43湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）1緒論1.1前言和意義作為本次畢業(yè)設(shè)計研究的課題，此項研究是檢驗學(xué)生在校學(xué)習(xí)成果的重要措施，也是提高教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。是對大學(xué)幾年所學(xué)的專業(yè)知識的一次整體的回顧，它將所學(xué)的機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、機(jī)械加工工藝、機(jī)械制造裝配設(shè)計等有關(guān)的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)主要課程緊密的聯(lián)系在一起；真正利用所學(xué)的專業(yè)知識來解決實際的生產(chǎn)問題，很好的將理論設(shè)計與實際應(yīng)用結(jié)合起來，考慮多方面的問題，諸如成本，可行性，設(shè)備的安全性，使用壽命，工作效率等的；在研究的過程當(dāng)中，通過不斷的遇到問題并設(shè)法解決之，可以培養(yǎng)我們的個人獨(dú)立思考的能力和創(chuàng)新的意識；提高個人分析問題、解決實際問題的能力；此外，該通過對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機(jī)械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機(jī)結(jié)合。本次設(shè)計也要培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力。因此本次設(shè)計綜合性和實踐性強(qiáng)、涉及知識面廣。所以在設(shè)計中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實踐的需要，只有將各種理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設(shè)計。這對我們將來所從事的行業(yè)有莫大的幫助。大學(xué)生在畢業(yè)前都必須完成畢業(yè)論文的撰寫任務(wù)。 大學(xué)生撰寫畢業(yè)論文的目的，主要有兩個方面；一是對學(xué)生的知識相能力進(jìn)行一次全面考核。二是訓(xùn)練學(xué)生對進(jìn)行科學(xué)研究的基本功，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識獨(dú)立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文打下良好的基礎(chǔ)。自動上下料機(jī)械手的主要零部件設(shè)計及三維造型是在學(xué)完了機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械工程材料等進(jìn)行設(shè)計之后的下一個教學(xué)環(huán)節(jié)。本次設(shè)計也要培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力。因此本次設(shè)計綜合性和實踐性強(qiáng)、涉及知識面廣。所以在設(shè)計中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實踐的需要，只有將各種理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設(shè)計。1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。當(dāng)時數(shù)字計算機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，電子技術(shù)也有了長足的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了受計算機(jī)控制的可編程數(shù)控機(jī)床，與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的控制技術(shù)和零部件加工也已有了扎實的基礎(chǔ)。另外，人類需要開發(fā)自動機(jī)械，替代人去從事一些惡劣環(huán)境下的作業(yè)。正是在這一背景下，機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用得到了快速發(fā)展。 以下列舉了現(xiàn)代機(jī)器人工業(yè)史上的幾個標(biāo)志性事件。 1954年：美國人戴沃爾（G.C.Devol）制造出世界上第一臺可編程的機(jī)械手，并注冊了專利。這種機(jī)械手能夠按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1959年：戴沃爾（G.C.Devol）與美國發(fā)明家英格伯格（Ingerborg）聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一個機(jī)器人制造工廠Unimaton公司。由于英格伯格對工業(yè)機(jī)器人富有成效的研究和宣傳，他被成為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年：美國AMF公司生產(chǎn)出萬能搬運(yùn)（Versatran）機(jī)器人，與Unimaton公司生產(chǎn)的萬能伙伴（Unimate）機(jī)器人一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。1967年：日本川崎重工公司和豐田公司分別從美國購進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人Unimate和Verstran的生產(chǎn)許可證，日本從此開始了對機(jī)器人的研究和制造。20世紀(jì)60年代后期，噴漆弧焊機(jī)器人問世并逐步開始應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)。1968年：美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木，不過控制它的計算機(jī)有一個房間那么大。Shakey可以成為世界上第一臺智能機(jī)器人，由此拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。1969年：日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長期致力于研發(fā)仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長，后來更進(jìn)一步，催生出本田公司的ASIMO機(jī)器人和索尼公司的QRIO機(jī)器人。1973年：世界上機(jī)器人和小型計算機(jī)第一次攜手合作，單身了美國Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。1979年：美國Unimaton公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在生產(chǎn)第一線，許多機(jī)器人技術(shù)的研究都一概機(jī)器人為模型和對象。1979年：日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明了平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人，該型機(jī)器人在此后的裝配作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。1980年：工業(yè)機(jī)器人在日本開始普及。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國”的美稱。1984年：英格伯格再次推出機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能夠在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，英格伯格還預(yù)言：我要讓機(jī)器人擦地板、做飯、出去幫我洗車、檢查安全。1996年：本田公司推出仿人型機(jī)器人P2，使雙足行駛機(jī)器人的研究達(dá)到了一個新的水平。隨后許多國家著名企業(yè)爭相研制代表自己公司形象的仿人型機(jī)器人，以展示公司的科研實力。1998年：丹麥樂高公司推出機(jī)器人Mind-storms套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，是機(jī)器人開始走入個人世界。1999年：日本索尼公司推出機(jī)器人狗愛寶（AIBO），當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭。2002年：美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它是目前世界上銷量最大、商業(yè)化最成功的家用機(jī)器人。2006年：微軟公司推出Microsoft Robotics Studio機(jī)器人，從此機(jī)器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯。比爾蓋茨語言，家用機(jī)器人將很快席卷全球。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展和完善；機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，又促進(jìn)了人民生活的的改善，推動著生產(chǎn)力的提高和整個社會的進(jìn)步。機(jī)器人技術(shù)作為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿科學(xué)，將成為未來社會和生活中不可或缺的一門技術(shù)。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： 1.工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降。 2.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)械手整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 3.工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4.機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)械手。總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，從二十世紀(jì)八十年代才開始。我國早就把機(jī)器人列入國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，在一系列計劃的支持下，機(jī)器人基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)元、器件研究全面展開。目前我國已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計基礎(chǔ)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件。在以后的機(jī)器人設(shè)計制造技術(shù)中，我國逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。2機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 （1）手部是裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。分為機(jī)械鉗爪式手部結(jié)構(gòu)和吸附式手部結(jié)構(gòu)。具有以下特點(diǎn)：1）手部與腕部相連處可拆卸，手部與手腕有機(jī)械接口，也可能有電、汽、液接頭，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)對象不同時，可以方便的拆卸和更換手部。2）手部是工業(yè)機(jī)器人的末端操作器。它可以像人手那樣具有手指，也可以不具備手指；可以是類人的手爪，也可以是進(jìn)行專業(yè)操作的工具，如裝在機(jī)器人手腕上的噴漆槍、焊接工具等。3）手部的通用性比較差。工業(yè)機(jī)器人的手部通常是專用的裝置，一種手爪往往只能抓我一種工件或幾種在形狀、尺寸、質(zhì)量等方面相近似的工件，只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。4）手部是一個獨(dú)立的部件，假如把手腕歸屬于臂部，那么工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三大件就是機(jī)身、臂部、和手部。手部是決定整個工業(yè)機(jī)器人作業(yè)完成好壞、作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。 （2）腕部是連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部姿態(tài)的作用。機(jī)器人操作臂將末端工具至于其工作的三維空間內(nèi)的任意點(diǎn)需要三個自由度。為了進(jìn)行實際操作，它應(yīng)該能夠獎工具置于任意的方位，同時需要一個腕部，一般還需要三個自由度，即回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動。腕部可具有不同的自由度數(shù)目和不同的結(jié)構(gòu)。腕部所需要的自由度根據(jù)機(jī)器人的工作性能來確定，在多數(shù)情況下，玩不具有兩個自由度，即回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。腕部可用安裝在連接處的驅(qū)動器直接驅(qū)動，也可以從底座內(nèi)的動力源經(jīng)鏈條、同步齒形帶、連桿或其他機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程驅(qū)動。直接驅(qū)動一般采用液壓或氣動，具有較高的驅(qū)動力和強(qiáng)度，但增加了機(jī)械手的質(zhì)量和慣性。遠(yuǎn)程驅(qū)動可降低機(jī)械手的慣性，但需要傳動裝置，設(shè)計較為復(fù)雜。 （3）臂部是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 可分為以下四類：（1）氣壓傳動機(jī)械手 氣壓機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。（2）液壓傳動機(jī)械手 是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機(jī)械手對密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護(hù)、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會導(dǎo)致對其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴(yán)格，成本高。（3）機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手 它是由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動的機(jī)械手，是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，動力是由工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為：運(yùn)動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。（4）電氣驅(qū)動機(jī)械手 它是由電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：運(yùn)動速度快，行程長，定位精度高，易于維護(hù)、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置?？紤]機(jī)械手的工作環(huán)境以及各驅(qū)動的特點(diǎn)我們采用電動驅(qū)動。2.3傳動結(jié)構(gòu)的選擇（1）齒輪傳動機(jī)構(gòu)圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪蝸輪蝸桿及，擺線針輪傳動等是在工業(yè)機(jī)器人中經(jīng)常使用的幾種齒輪傳動機(jī)構(gòu)。（2）諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運(yùn)動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。（3）螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動為主的，如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%98%），其運(yùn)動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動裝置。（4）同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動鋼帶傳動的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。（6)鏈傳動機(jī)器人的手腕傳動采用鏈傳動，考慮到降低機(jī)器人尾端的重量，經(jīng)常將腕關(guān)節(jié)處的驅(qū)動電機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)處或小臂后端。 （7)鋼絲繩輪傳動鋼絲繩輪傳動的有點(diǎn)有傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟、成本較低、結(jié)構(gòu)簡單等。其缺點(diǎn)有加速度不宜太高、帶輪較大、安裝面積大等。2.4 機(jī)械手的基本形式選擇 根據(jù)手臂的動作形態(tài)分析,常見的工業(yè)機(jī)械手按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。圖2.1 機(jī)械手基本形式 按照此次設(shè)計機(jī)械手的工作環(huán)境選用直角坐標(biāo)型機(jī)械手，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度高，比較滿足設(shè)計要求。2.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動在直角坐標(biāo)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，關(guān)于機(jī)械手具有4個自由度 即：手爪張合；手腕回轉(zhuǎn)；直臂升降；橫臂平移4個主要運(yùn)動。機(jī)械手主要由3個大部件和4個電機(jī)組成：（1）手部，采用滑動絲桿結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)帶動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個步進(jìn)電機(jī)帶動蝸輪蝸桿實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)0180（3）臂部，采用滾珠絲杠，電機(jī)帶動絲桿使螺母在橫臂上移動來實現(xiàn)手臂平動，帶動絲桿螺母使絲桿在直臂上移動實現(xiàn)手臂升降。圖2.2 機(jī)械手直臂與夾持部件總裝三維圖圖2.3 二維示意圖2.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)（1）用途：自動上下料（2）設(shè)計技術(shù)的參數(shù): 1、抓取重量:600g (夾持式手爪) 2、自由度數(shù):4個自由度 3、坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)型 4、橫臂手臂的長度:2000mm 5、手臂最大的高度:3000mm 6、手臂運(yùn)動的參數(shù)升降行程：950mm升降速度：150mm/s 7、手腕運(yùn)動的參數(shù)回轉(zhuǎn)的范圍:0-1803機(jī)械手手爪的三維設(shè)計3.1 手部設(shè)計基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力及驅(qū)動力。應(yīng)考慮到在一定的夾緊力的條件下，不同的傳動機(jī)構(gòu)需要不同大小的的驅(qū)動力。（2） 為了方便的抓取工件，手指必須能夠張開足夠的范圍以達(dá)到所需的開閉角度（即手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）。（3） 手部設(shè)計應(yīng)該做到結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、重量輕，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動。（3） 平面平移型。3.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計計算3.3.1選擇手爪的類型和夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計抓取圓柱形物塊的機(jī)械手。常用的工業(yè)機(jī)械手手爪按握持工件的原理,分為吸附和夾持兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 適于夾持平板和圓柱類材料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差為零。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇平移型夾持式手爪，采用滑動絲桿這種傳動結(jié)構(gòu)方式。運(yùn)行方式為電機(jī)帶動直齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動手爪接觸塊移動，從而形成手爪的張合，當(dāng)手爪抓到零件時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，手爪產(chǎn)生自鎖，在機(jī)械手臂的帶動下帶動零件移動。圖3.1 二維手爪結(jié)構(gòu)圖3.3.2 手爪夾持范圍計算 1、加工毛坯尺寸：20mm-30mm 2、長度：100mm上下 3、毛坯質(zhì)量（以鋼材密度計算）：約250g-550g（按最大600g計算） 4、裝夾深度：約 25mm 5、縱向定位精度：0.1mm 6、橫向定位精度：1mm 手爪接觸塊為橡膠制品，橡膠具有定伸強(qiáng)度高，彈性大，電絕緣性優(yōu)良和抗撕裂性，耐旱性良好和加工性佳，耐磨性等特點(diǎn)。圖3.2 手爪橡膠3.3.3 滑動絲杠設(shè)計設(shè)計條件： 1、需自鎖 2、絲杠長度 145mm 3、最大質(zhì)量共計約1100g。 4、絲杠載荷：絲杠豎直時承受最大軸向力為，G=mg (g取10N/kg)。設(shè)計計算：（1） 牙型、材料和許用應(yīng)力采用梯形單頭螺紋螺桿材料選45鋼，經(jīng)調(diào)制處理，由機(jī)械手冊查表可得許用拉應(yīng)力為 .（3.1）手爪部分為輕載，螺母材料選擇耐磨鑄鐵。由機(jī)械手冊查表可得許用彎曲應(yīng)力為， 取 ；許用剪應(yīng)力為由機(jī)械手冊查表可得許用壓強(qiáng)為，其中取（2） 按耐磨性計算螺桿的中徑由表中公式得， .（3.2）采用整體式螺母，其中取，由GB/T 5796.3-1986，可選用，的梯形螺紋、中等精度。螺桿左右兩端分別采用不同的旋轉(zhuǎn)方向，螺旋副標(biāo)記分別為：，。螺母高度為，其中取則螺紋圈數(shù)為圈（3） 自鎖性驗算由于是單頭螺紋，導(dǎo)程為，故螺紋升角為 .（3.3）由機(jī)械手冊查表可得耐磨鑄鐵和鋼的，取，可得 .（3.4），所以自鎖可靠。（4） 螺桿的強(qiáng)度校核由機(jī)械手冊查表可得，螺紋摩擦力矩為， .（3.5）代入以下公式可得.（3.6）（5） 螺母螺紋的強(qiáng)度校核由于螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋的強(qiáng)度即可。由機(jī)械手冊查表可得牙根寬度為，基本牙高為代入以下中的公式得 .（3.7） .（3.8）（6） 橫向振動校核對于鋼制螺桿 .（3.9）應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速n使（7） 效率由回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動時有 .（3.10）所以效率取為3.3.4 直齒輪設(shè)計表3.1 直齒輪參數(shù)表項 目符號齒輪1單位單位齒 輪2 單位幾何參數(shù)：齒 數(shù) Z2035法 向 模 數(shù) m n1.5毫米法 向 壓 力 角 n20度有 效 齒 寬 b12毫米齒 頂 高 系 數(shù) ha*1頂 隙 系 數(shù) c*0.25標(biāo) 準(zhǔn) 中 心 距 a041.2毫米中 心 距 a42毫米分 度 圓 直 徑 d30毫米52.5毫米基 圓 直 徑 d b28.191毫米49.33毫米頂 圓 直 徑 d a33毫米57毫米根 圓 直 徑d f26.25毫米50.34毫米齒 頂 高h(yuǎn) a1.452毫米2.25毫米齒 根 高h(yuǎn) f1.875毫米1.077毫米全 齒 高h(yuǎn) t3.33毫米弧 齒 厚S t2.356毫米2.93毫米名 義 轉(zhuǎn) 矩T0.0539Nm0.09Nm名 義 功 率P0.02Kw0.04Kw轉(zhuǎn) 速n3500r / min1998r / min材 質(zhì)支 承 形 式非對稱支承3.3.5電機(jī)選型計算條件：空行程最長為，夾緊時間不應(yīng)超過1.2s設(shè)計計算：（電機(jī)選型部分根據(jù)計算需要而定）螺母移動平均速度為， .（3.11）絲杠的平均轉(zhuǎn)速為摩擦轉(zhuǎn)矩有.（3.12） .（3.13）故.（3.14）選用轉(zhuǎn)速為的直流電機(jī)，速比為齒輪傳動效率為、滑動螺旋傳動效率為總效率為電機(jī)軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩： .（3.15）電機(jī)軸輸出功率： .（3.16）電機(jī)選用40ZY-02型號直流電動機(jī)3.4 機(jī)械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖圖3.3 手爪三維圖圖3.4 直齒輪絲桿圖3.5 電機(jī)齒輪圖3.6 齒輪箱圖3.7 手爪接觸塊連接件和絲桿螺母圖3.8 手爪裝配件4機(jī)械手手腕部分的三維設(shè)計4.1腕部設(shè)計的基本要求（1） 力求重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊腕部處于機(jī)械手臂的最前端，它連同手部的動、靜載荷且均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的重量、結(jié)構(gòu)和動力載荷，直接影響著臂部的重量、結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。所以，在設(shè)計機(jī)械手腕部時，必須力求重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，又承擔(dān)支撐和連接的作用，除保證力和運(yùn)動的要求以外，要有足夠的剛度、強(qiáng)度外，還應(yīng)該綜合考慮，合理布局，解決好腕部與手部和臂部的連接。（3） 必須考慮工作的條件對于此次設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工過程中產(chǎn)生的棒料，因此不太受環(huán)境的影響，沒有處在腐蝕性和高溫的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部材料沒有太多的不利因素。4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的典型腕部結(jié)構(gòu)。它具有靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角的極限值由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸比較大，一般適用在懸掛式臂部結(jié)構(gòu)中。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有垂直和水平轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇此次設(shè)計要求手腕的回轉(zhuǎn)角度為90或180，則腕部結(jié)構(gòu)則選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)是一種利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。將數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，計算機(jī)再根據(jù)給定的數(shù)據(jù)和要求進(jìn)行運(yùn)算，而后發(fā)出電脈沖信號，計算機(jī)每發(fā)出一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)過一定角度，又步進(jìn)電機(jī)通過傳動裝置來控制腕部轉(zhuǎn)動一個很小角度。脈沖接著一個一個的發(fā)來，步進(jìn)電機(jī)便一步一步的轉(zhuǎn)動，從而帶動手腕轉(zhuǎn)動到所需要的角度。 因此手腕結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動渦輪蝸桿運(yùn)動的結(jié)構(gòu)：其主要功能是控制手爪的轉(zhuǎn)向，從而使其能準(zhǔn)確的抓取零件和放置零件。 運(yùn)行方式為步進(jìn)電機(jī)帶動蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，繼而控制手腕的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到一定的角度(90或180)時電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，手爪產(chǎn)生自鎖，進(jìn)而完成手腕的轉(zhuǎn)動功能。4.3 腕部的設(shè)計計算計算條件：夾取工件重量600g左右，回轉(zhuǎn)角度為180。4.3.1 蝸輪軸的設(shè)計計算設(shè)計計算：（1）選擇軸的材料軸的材料選擇為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械手冊表6-1-1查得：，（2）初步確定最小軸徑按表選取由機(jī)械手冊查得 .（4.1）（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖4.1 蝸輪軸結(jié)構(gòu)圖（4）鍵的選擇與校核1、蝸輪連接鍵選擇普通平鍵為 由機(jī)械手冊可查得 .（4.2）由機(jī)械手冊可查得所以2、軸端連接鍵選擇普通平鍵為。由機(jī)械手冊可查得 .（4.3）由機(jī)械手冊可查得所以（5）軸的強(qiáng)度校核其條件為 .（4.4）其中 軸的計算應(yīng)力，MPa； M 軸所受的彎矩，Nmm ； .（4.5） T 軸所受的扭矩，Nmm； W 軸的抗彎截面系數(shù)，； 對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力，其值按表計算.（4.6）即270MPa，故所設(shè)計的軸安全。4.3.2 蝸輪齒輪設(shè)計計算條件：蝸輪軸輸出功率為，轉(zhuǎn)速為，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，傳動比為。工作壽命為設(shè)計計算：1選擇材料和加工精度蝸桿材料選用45鋼、蝸輪材料選用ZCuAl10Fe3、加工精度為7級1. 初選幾何參數(shù)，2. 計算蝸輪蝸桿傳動效率和蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩粗算傳動效率為 .（4.7）蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩為 .（4.8）蝸桿輸入轉(zhuǎn)矩為 .（4.9）3. 確定許用接觸應(yīng)力蝸桿輸入功率為 .（4.10）滑動速度為、 .（4.11） .（4.12）4. 求載荷系數(shù)K動載荷系數(shù)為、嚙合質(zhì)量系數(shù)為、小時載荷率為、小時載荷率系數(shù)為、環(huán)境溫度系數(shù)為、工作情況系數(shù)為由于不帶風(fēng)扇，所以： .（4.13）5. 計算m和q值 .（4.14）其中取 ，167.蝸輪齒面接觸強(qiáng)度的校核驗算 .（4.15）所以接觸強(qiáng)度足夠。4.3.3 步進(jìn)電機(jī)選型計算條件：手腕電機(jī)載荷約為85N，蝸輪軸轉(zhuǎn)速為設(shè)計計算：手腕轉(zhuǎn)動時的時間約為，期間做功為 .（4.16）蝸輪軸輸出功率為 .（4.17）渦輪軸轉(zhuǎn)矩為 .（4.18）電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為 .（4.19）電機(jī)軸輸出功率為 .（4.20）步距角取。 .（4.21）靜力矩為 .（4.22）選用型號為57BYG450C的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)4.4 手腕部分出圖及主要零部件出圖圖4.2 手腕三維圖圖4.3 手腕法蘭圖4.4 蝸桿圖4.5 蝸輪圖4.6 蝸輪軸圖4.7 軸端法蘭圖4.8 蝸輪蝸桿箱體圖4.9 蝸輪蝸桿箱蓋圖4.10 蝸輪軸承蓋圖4.11 蝸輪軸承蓋開口圖4.12 嵌入式軸承蓋圖4.13 嵌入式軸承蓋開口5 直臂部分的三維設(shè)計 臂部運(yùn)動的目的是把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果需要改變手部的姿態(tài)（方位），則利用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足所需的基本要求，既手臂左右回轉(zhuǎn)、伸縮和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動往往利用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（設(shè)計所選為步進(jìn)電機(jī)）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，由臂部的受力情況分析可知，它在工作中不僅直接承受手部、腕部和工件的靜、動載荷，而且其自身運(yùn)動也較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運(yùn)動。手臂運(yùn)動應(yīng)該包括3個運(yùn)動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本次設(shè)計主要講直臂的升降。5.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機(jī)構(gòu) 機(jī)械手的手臂升降伸縮運(yùn)動都為直線運(yùn)動。直線運(yùn)動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。 我們選用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的手臂，螺母帶動絲杠進(jìn)行升降和平移，采用電機(jī)驅(qū)動。結(jié)構(gòu)如下圖：中間為絲杠，兩邊為光桿。 運(yùn)行方式為電機(jī)帶動錐齒輪，繼而帶動絲杠螺母，絲杠螺母是固定點(diǎn)，相對的絲杠做上下移動。5.2 滾珠絲杠設(shè)計（1）選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為磨制絲杠(右旋)上固定端到螺母間距離(臨界長度)為 下固定端到螺母間距離(臨界長度)為設(shè)計的后絲杠總長為最大行程為 支承方式設(shè)計為兩端固定定位精度： 由表查得，有效行程內(nèi)目標(biāo)行程公差為，行程變動量為 由表查得，任意300mm行程內(nèi)行程變動量為，2弧度內(nèi)行程變動量為