通用机械臂设计说明书.docx

1、通用机械臂设计说明书题 目: 通用机械臂机构设计 1.绪论1。1 选题背景机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械臂越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前

2、，机械臂已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械臂共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低,机械臂的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此,进行机械臂的研究设计是非常有意义的. 1.2 国内外研究现状和趋势目前,在国内外各种机器

3、人和机械臂的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：A机械结构向模块化、可重构化发展.例如关节模块中的伺服电机、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。B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,控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C机械臂中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

4、D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式，喷涂机械臂产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究,控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究;以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向:其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法,复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块,在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1。3机械臂的组成机械臂由执行机构、

5、驱动机构和控制机构三部分组成1。3。1执行机构（1) 手部 既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）.手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸附光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传动机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强.手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满

6、足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑,灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具)，并带动它们做空间运动.臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点.如果改变手部的姿态（方位）,则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、

7、左右旋转、升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能.（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段.1。3.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分.根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类.采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.4 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大

8、学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械臂的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标,能够实现理论和实践的有机结合.目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械臂代替人工工作,以提高劳动生产率。本机械臂主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程(上料、加工、

9、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业.本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求,从而减轻工人劳动强度,节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1。5研究内容本文研究了国内外机械臂发展的现状，通过学习机械臂的工作原理,熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上,确定了搬运机械臂的基本系统结构，对搬运机械臂的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作(包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作.2.机械臂的总体设计方案2.1 机械臂总体结构的类型机械臂的结构形式主

10、要有直角坐标结构，圆柱坐标结构,球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。直角坐标机械臂结构 直角坐标机械臂的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械臂有可能达到很高的位置精度（m级）.但是,这种直角坐标机械臂的运动空间相对机械臂的结构尺寸来讲,是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间,直角坐标机械臂的结构尺寸要比其他类型的机械臂的结构尺寸大得多。直角坐标机械臂的工作空间为一空间长方体.直角坐标机械臂主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械臂有悬臂式，龙门式,天车式三种结构。圆柱坐标机械臂结构

11、圆柱坐标机械臂的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1。b。这种机械臂构造比较简单，精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间.球坐标机械臂结构 球坐标机械臂的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的,如图21。c。这种机械臂结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。关节型机械臂结构 关节型机械臂的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1。d.关节型机械臂动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械臂在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这种类型的机械

12、臂。 关节型机械臂结构，有平面关节型和垂直关节型两种。图21 四种机械臂坐标形式由要求可知本设计是一个用于搬运的机械臂，要有三自由度的空间位置改变、三自由度的姿态变化，为了满足设计要求，我们综合以上几种坐标形式的不同特点，最终选用平面关节型机械臂结构。2。2机械臂主要部件及其运动在平面关节型机械臂的基本方案选定后,根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械臂具有6个自由度既:手抓张合；腕部翻转;腕部俯仰；腕部偏转;手臂升降；小臂回转；大臂回转7个主要运动。本设计的机械臂由5个大部件和7个伺服电机组成:（1）手部，采用一个伺服电机，通过机构运动实现手抓的张合。（2)腕部，采用三个伺服电机分别

13、控制腕部的三种回转形式回转一定角度.(3）臂部，采用伺服电机来实现手臂伸缩、回转。（4）机身采用铸件稳定整个机构。2。3驱动机构选择驱动机构是工业机械臂的重要组成部分， 工业机械臂的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置.根据动力源的不同, 工业机械臂的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类.由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低,控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其

14、他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。2.4机械臂技术参数设计技术参数:抓重:100g (夹持式手部）自由度数:6个自由度座标型式：平面关节型工作空间:200200200mm手臂运动参数最大运动范围：大臂回转：180小臂回转：180手腕伸缩：220mm腕部翻转：180腕部俯仰：180腕部偏转：180最大角速度180/s最大升降速度:300mm/s3。机械臂手部计算3.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开

15、到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件.（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4)应保证手抓的夹持精度。3.2典型手部结构（1)回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。(2)移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3。3机械臂手爪的设计计算3.3。1选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计搬运机械臂，考虑到所要达到的原始参数:手抓张合角=,夹取重量为100g。常用的工业机械臂手部,按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类.吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械

16、臂采用夹持式手爪，夹持式手爪按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置， 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指， 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的,因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用齿轮齿条这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在伺服电机的作用下控制机械臂手爪张开、闭和。3。3.2手爪计算下面对其基本结构进行力学分析:齿轮齿条 图3.1（a）为常见的齿轮齿条手部结构。（a） (b)图3。1 滑槽杠杆式手部结构

17、、受力分析1-手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下,销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B.由=0 得 =0 得 由=0 得h （3。1）式中 a-手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. -工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角.由分析可知，当驱动力一定时,角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=30403。3.3夹紧力及驱动力计算手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算.一般来说,需要克服工件重

18、力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： （3。2）式中 安全系数，通常1。22.0; 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算其中a，重力方向的最大上升加速度； -运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G被抓取工件所受重力（N）。A27。5B37.5计算：设a=100mm,b=50mm,;机械臂达到最高响应时间为0。5s，求夹紧力，驱动力，齿条，齿轮以及电机.(1)设 =1.02根据公式,将已知条件带入： (2）根据驱动力公式

19、得： （3）取由于手爪张开闭合有一定的速度，要求齿条升降的速度在一定范围内，v30mm/s，所以电机的转速比较低,可以选取n120r/min。根据公式可以选取西安创联超声技术有限公司生产的USM20-1超声电机。其技术参数如下:P=0。6w n=100r/min 根据公式mm，可以选取的齿条。3.3.4手爪夹持范围计算 为了保证手抓张开角为，齿条运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长50mm，当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径=25，当张开时，如图3。2（b）所示，最大夹持半径计算如下：机械臂的夹持半径从25-50mm（a） （b)图3.2 手抓张开

20、示意图3.4机械臂手爪夹持精度计算机械臂的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力.机械臂能否准确夹持工件,把工件送到指定位置，不仅取决于机械臂的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定)，而且也于机械臂夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化,一定进行机械臂的夹持误差。图3.3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械臂的夹持误差精度。机械臂的夹持范围为50mm-100mm。一般夹持误差不超过1mm，分析如下：工件的平均半径：手指长l=50mm，取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算 当S时带入有：夹持

21、误差满足设计要求。4.腕部的设计计算4。1腕部设计基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻.（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械臂的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑,合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接.（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械臂的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械臂的腕部没有太多不利因

22、素.4.2腕部结构4。2。1典型的腕部结构（1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构.它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部。（3） 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。（4） 机电结合的腕部结构.4。2。2腕部结构和驱动机构选择本设计要求手腕回转，夹取工件重量100g，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结

23、构选择具有三个自由度的翻转，俯仰,偏转驱动腕部结构，采用伺服电机驱动。4.3腕部的设计计算选取的电机的计算为代表。根据计算可得电机三的转矩T1.0N。m，n120r/min根据公式，西安创联超声技术有限公司生产的USM系列超声电机可满足要求。对于电机伸出轴的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题.对于本设计，采用一个支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。本设计采用两个深沟球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双向轴向载荷.4.3。1齿轮计算1）材料：小齿轮选取40 调质 ，大齿轮选取45调质

24、2）齿轮齿数的选择：根据教材闭式小齿轮齿数一般为20-40，可选取小齿轮齿数Z1=24，则Z2=243。37=80.88,取88，由于高速轴转速较高因此为了传动平稳选用直齿轮，再者腕部速度也不高故选用7级精度（GB1009588).试选 根据资料【1】图1030取 3)由资料【1】图1026查得小齿轮传递的转矩T1=7。797 ,有资料【1】10-1可知道齿宽系数由资料表106得材料的弹性影响系数由资料10-21d按齿轮硬度得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度为由资料【1】中式10-13计算应力循环次数h由资料【1】10-19取接触疲劳寿命系数 4)计算接触疲劳许用应力取失效概率1

25、安全系数S=1由资料【1】式1012得许用接触应力则 =10。87mm5）计算圆周速度0.8m/s 6）计算齿宽b和模数7）计算纵向重合度8)计算载荷系数K已知=1 根据v=2。75级精度由资料【1】图108查得=11.1 由资料【1】表1014查得=1。419由资料表10-13查得=1.30 由资料【1】表10-3查得，所以9）按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径由资料【1】式1010a得计算模数10）按齿根弯曲强度设计由资料【1】1017 得公式 计算载荷系数根据纵向重合度从资料【1】图1028查得螺旋角影响系数，安全系数S=1。3。由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限由图10-

26、18得计算当量齿数查取齿形系数由资料【1】表10-5查得 查取应力校正系数由资料【1表10-5查得计算大、小齿轮的的大小并加以比较 大齿轮的大11）计算弯曲疲劳许用应力,对比计算结果，由齿面接触强度计算的法面模数大于齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数取=2。0,已经可以满足弯曲强度，但是为了同时满足接触疲劳强度，需根据接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=70。14mm来计算齿数，于是由，则Z2=58（12）几何尺寸计算中心距 a=19（14)计算大小齿轮的分度圆直径：（15）计算齿轮宽度，则取同理可以得出电机的基本参数P=5w T=1.0n.m n=100r/min电机的基本参数P=8w T=1。5

27、n。m n=100r/min5.臂部设计以及有关计算手臂部件是机械臂的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具)，并带动它们作空间运动.手臂运动应该包括3个运动：回转、回转和升降。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械臂的工作性能.5。1臂部设计的

28、基本要求一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1）根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸.（2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3）合理布置作用力的位置和方向。（4）注意简化结构。（5）提高配合精度。二、 臂部运动速度要高,惯性要小机械臂手部的运动速度是机械臂的主要参数之一，它反映机械臂的生产水平.对于高速度运动的机械臂，其最大移动速度设计在1000-1500mm/s,最大回转角速度设计在180/s以内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在90/s。在速度和回转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此,机械臂臂部要尽可能的轻。减少惯量具

29、体有3个途径：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3）减少回转半径,再安排机械臂动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作.（4）驱动系统中设有缓冲装置.三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械臂,其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此,必须计算使之满足不自锁的条件.总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械臂。5.2手臂的

30、典型机构及其选择5.2.1手臂的典型机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有:直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动,如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3）双活塞杆液压岗结构。(4）活塞杆和齿轮齿条机构.5。2.2手臂运动机构选择通过以上，综合考虑，本设计选择电机-轴-齿轮机构,使用电机驱动,电机选取特微电机。通过计算可以选择出电机，选用西安创联超声技术有限公司生产的USM系列超声电机可满足要求.根据公式mm，可以选取的齿条。与齿条配合的齿轮计算如下：齿轮的设计（直齿轮）1）

31、材料 ：选取40 调质 齿轮齿数的选择:根据教材闭式小齿轮齿数一般为20-40，可选取齿轮齿数Z1=24。由于高速轴转速较高因此为了传动平稳选用直齿轮，手爪张开闭合速度很慢故选用7级精度（GB1009588）试选根据资料图1030取3）由资料【1】图10-26查得齿轮传递的转矩T1=由资料 101可知道齿宽系数由资料【1】表10-6得材料的弹性影响系数由资料【1】10-21d按齿轮硬度得小齿轮的接触疲劳强度极限 由资料【1】中式1013计算应力循环次数由资料10-19取接触疲劳寿命系数 4）计算接触疲劳许用应力取失效概率1 安全系数S=1由资料【1】式1012得许用接触应力则 =18。1mm5）计算圆周速度0。7m/s6）计算齿宽b和模数7）计算纵向重合度8）计算载荷系数已知=1 根据v=2.75级精度由资料【1】图10-8查得=11。1 由资料【1】表1014查得=1。419由资料【1】表1013查得=1.30 由资料【1】