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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 34 頁 共 34 頁
目 錄
第1章 緒論 …………………………………………………………………………2
1.1 機(jī)器手概述………………………………………………………………………2
1.2 機(jī)器手的歷史、現(xiàn)狀……………………………………………………………4
1.3 機(jī)器手的發(fā)展趨勢………………………………………………………………5
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計算 ………………………6
2.1電機(jī)的選擇 ……………………………………………………………………6
2.2 一級減速器（蝸輪蝸桿減速器）………………………………………………6
2.3 二級減速器（V帶減速器）……………………………………………………16
2.4 傳動機(jī)構(gòu)的各桿應(yīng)力計算 ……………………………………………………17
2.4.1 曲柄參數(shù)計算……………………………………………………………… 17
2.4.2 連桿參數(shù)計算……………………………………………………………… 18
2.4.3 擺桿參數(shù)計算……………………………………………………………… 19
第3章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計………………………20
3.1 傳動機(jī)構(gòu)整體組裝結(jié)構(gòu)……………………………………………………… 20
3.2 傳動機(jī)構(gòu)個零件結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………… 21
3.2.1 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………… 21
3.2.2 曲柄的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………… 22
3.2.3 連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………… 23
3.2.4 擺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………… 24
3.2.5伸縮手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………… 26
3.2.6連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………… 27
3.2.7總裝配三維實(shí)體圖………………………………………………………… 29
第4章 總結(jié)…………………………………………………………………………30
4.1 所完成的工作………………………………………………………………… 30
4.2 設(shè)計經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………………… 30
4.3 誤差分析……………………………………………………………………… 30
4.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………………… 31
致 謝…………………………………………………………………………………31
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 33
第1章 緒論
1.1機(jī)器手概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。
簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。
機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。
要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.2 機(jī)器手的歷史、現(xiàn)狀
機(jī)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。
目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。
目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機(jī)作為上層主控計算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。
美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：
（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機(jī)器人，工作時間共達(dá)60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機(jī)控制50臺機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人。
“Versatran”和“Unimate”型機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實(shí)用化時期以后，從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時代。
我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的發(fā)展。
1.3機(jī)器手的發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢：
提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；
開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合；
研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。
第2章 玩具箱、玩具柜關(guān)閉件試驗(yàn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計算
2.1電機(jī)的選擇
蝸桿的傳動比，蝸桿為下置式：
故電動機(jī)可取轉(zhuǎn)速范圍為，符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，所以選型號Y160L-8，滿載轉(zhuǎn)速為720r/min。其主要技術(shù)參數(shù)見下表 2-1。
表 1 Y160L-8的技術(shù)參數(shù)
型號
功率（kW）
轉(zhuǎn)速
（）
效率
（％）
功率因數(shù)
）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
堵轉(zhuǎn)電流
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
Y160L-8
7.5
720
86
0.75
2.0
5.5
2.0
2.2一級減速器（蝸輪蝸桿減速器）
總傳動比:
蝸桿采用45鋼，表面硬度45HRC以上，蝸輪材料采用ZCuSn1091，砂型鑄造。
⑴ 許用接觸應(yīng)力
式中，t－工作壽命，h，取180000
根據(jù)N由簡明機(jī)械手冊圖6-5-56查得 =1.1.許用接觸應(yīng)力=··=220×0.87×1.1=210.54MPA
由圖6-5-55查得=0.87
⑵ 計算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩 T2
⑶ 計算渦輪蝸桿的中心距a
使用系數(shù):查表6-6-51得
彈性系數(shù)：根據(jù)蝸輪副材料查表6-6-55得，
壽命系數(shù)：
接觸系數(shù)：由曲線圖表6-6-67得：
接觸疲勞極限：由表6-5-67得：
解除疲勞安全系數(shù)
中心距：
取a＝220mm
⑷ 蝸桿尺寸
蝸桿頭數(shù)：
蝸輪齒數(shù)：
模數(shù)：
，取m＝5
分度圓直徑：
查表 五 取標(biāo)準(zhǔn)值
表 2 普通圓柱蝸桿傳動的m和d1搭配值
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
m(mm)
d1(mm)
1
18
2.5
(22.4)
4
40
6.3
(80)
1.25
20
28
(50)
112
22.4
（35.5）
71
8
（63）
1.6
20
45
5
(40)
80
28
3.15
（28）
50
(100)
2
(18)
35.5
(63)
140
22.4
（45）
90
10
(71)
(28)
56
6.3
(50)
90
35.5
4
（31.5）
63
(112)
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
蝸桿齒寬：
蝸桿模數(shù)增長20mm所以b1=119mm
蝸桿導(dǎo)程角：
，
⑸ 蝸輪尺寸
分度圓直徑：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
外圓直徑：
蝸輪齒寬：
蝸桿圓周速度：
相對滑動速度：
當(dāng)量摩擦系數(shù)：由表6-5-67查得
螺距：
圖 2-1 渦輪事實(shí)物圖
2.2.1 蝸輪減速器的校核
2.2.1.1 蝸桿的強(qiáng)度校核
⑴ 接觸應(yīng)力強(qiáng)度
最大接觸應(yīng)力：
故所以合格
蝸桿軸擾度驗(yàn)算：
軸慣性矩
允許蝸桿擾度
蝸桿軸擾度
故渦輪軸撓度合格
蝸桿軸聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔＝40mm，L1＝84mm，L=112mm
鍵
蝸桿軸的校核：
圖 七 蝸桿軸的彎扭矩圖
蝸桿上的轉(zhuǎn)矩
作用在蝸桿和蝸輪上的力
圓周力：
軸向力：
徑向力：
垂直面上的支承反力：
水平面的支承反力：
繪垂直面的彎矩圖：
繪水平面的彎矩圖：
求合成彎矩：
該軸所受扭矩為：
按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
2.2.1.2 蝸輪軸的強(qiáng)度校
蝸輪軸的校核：
圖 2-4 蝸輪軸的彎扭矩圖
垂直面上的支承反力：
水平面的支承反力：
繪垂直面的彎矩圖：
繪水平面的彎矩圖：
求合成彎矩：
該軸所受扭矩為
按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
故，渦輪軸的強(qiáng)度滿足條件
2.2.2 渦輪軸健的校核
選取LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器,d軸孔＝40mm，L1＝86mm，L=114mm
鍵
蝸桿軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩
選取LX6型彈性柱銷聯(lián)軸器，
蝸桿軸上零件的周向定位：
蝸輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接，平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為70mm，蝸輪與軸的配合
半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵，半聯(lián)軸器與軸的配合，軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，選軸的直徑公差為s6。
查表 六 得=120MPa
表 3 健連接的許用壓力
許用擠壓應(yīng)力許用壓力
連接工作方式
健、軸的材料
載荷性質(zhì)
靜載荷
輕微沖擊
沖擊
靜連接
鋼
120～150
100～120
60～90
鑄鐵
70～80
50～60
30～45
動連接
鋼
50
40
30
2.3二級減速器（V帶減速器）
2.3.1 大輪與小輪直徑的確定
選定的電機(jī)的轉(zhuǎn)速為720轉(zhuǎn)/分，一級減速器的傳動比為36，為達(dá)到試驗(yàn)機(jī)的曲柄轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分。故二級減速器選擇傳動比為5的帶傳動減速器。
i =D1D2
帶型 小帶輪基準(zhǔn)直徑 小帶輪在720（r/min）的轉(zhuǎn)速
Z型 50（mm） 0.09
故選大輪直徑為250mm
2.3.2 中心距的計算
對于V帶傳動，中心距a一般可初取a0，為
0.7D1+D2
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