機械手腕部結構設計【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p><b>　　機械手腕部結構設計</b></p><p><b>　　誠信申明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學位論文

2、，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。</p><p>　　本人簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b>

3、</p><p>　　設計題目： 機械手腕部結構設計 </p><p>　　設計的主要任務及目標</p><p>　　1、熟悉機械手等機械設備的應用場合及有關機械手腕部設計的步驟；</p><p>　　2、參照現(xiàn)有的機械手腕部，分析和優(yōu)化機械手腕部；<

4、;/p><p>　　3、結合機械手腕部設計這方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題、 研究問題、解決問題； </p><p>　　4、通過該論文來檢驗四年所學以及鍛煉我獨立思考、動手完成任務的能力。</p&g

5、t;<p>　　2．設計的基本要求和內容</p><p>　　1、分析機械手腕部的功能和作業(yè)任務，確定機械手腕部的結構形式；</p><p>　　2、進行機械傳動系統(tǒng)的設計；</p><p>　　3、在PRO/E中進行三維裝配圖的建模。</p><p><b>　　3．主要參考文獻</b></p>

6、;<p>　　[1] 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊第二版[M].北京:高等教育出版 社,1999.</p><p>　　[2]陳錦昌,劉就女,劉林.計算機工程制圖[M].廣州:華南理工大學出版社，1999.</p><p>　　[3]馮辛安,黃玉美,杜君文.機械制造裝備設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

7、 </p><p>　　[4]周伯英.工業(yè)機器人設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.</p><p>　　[5]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,1995.</p><p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　機械手腕部設計 </p

8、><p>　　摘要：在現(xiàn)在社會的發(fā)展中，機器人正扮演著極其重要的角色，工業(yè)生產、軍事、科學實驗、資源探測、生活服務等領域中都有機器人在其中充當著人們的高級幫手；在工業(yè)生產中，機器人有著廣泛的應用，尤其是在各種人們不適應的環(huán)境中，如：高溫、高壓、粉塵、噪音、氣候極端變化以及帶有放射性和污染的場合等。而機器人則是在近幾年中發(fā)展較快的自動化設備，它正開始代替人們完成各種不利條件下的工作和任務；手腕是連接末端執(zhí)行器和機械手臂

9、的關鍵，是聯(lián)接機械手部與臂部的部件，它的作用是調整執(zhí)行器位置、更換加工工具和配合機械手完成高難度復雜動作等，在某些工作環(huán)境下還是承擔著高應力的關節(jié)。本文對機械手腕的結構設計進行了相關的研究，對整個設計工作和造型的過程進行了介紹和總結。</p><p>　　關鍵詞：機械手腕，結構設計，機器人，部件 </p><p>　　Robot wrist design</p>&l

10、t;p>　　Abstract：In the development of the society now, robots are playing a very important role in industrial production, military and scientific experiment, resource exploration, life service in areas such as people h

11、ave robots in it ACTS as a senior assistant; In industrial production, the robot has been widely used, especially in all kinds of people do not adapt to the environment, such as: high temperature and high pressure, dust,

12、 noise, and radioactive pollution of extreme climate change on occasi</p><p>　　Keywords:Mechanical wrist，The structure design，The robot，parts</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&g

13、t;<b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1機器人簡介1</p><p>　　1.2機械手簡介1</p><p>　　2機械手腕的總體設計2</p><p>　　2.1機械手腕的總體設計背景及自由度概述2</p><p>　　2.2機械手腕的特點3</p>

14、<p>　　3機械手腕的機械系統(tǒng)設計4</p><p>　　3.1四個自由度的實現(xiàn)4</p><p>　　3.2傳動機構的設計5</p><p>　　3.3機械手腕機構設計特點6</p><p>　　4機器人手腕的機械傳動裝置設計6</p><p>　　4.1俯仰電機的選擇7

15、 </p><p>　　4.4.1.電動機類型和結構的選擇7</p><p>　　4.1.2電機相關參數的計算7</p><p>　　4.1.3電動機轉速的選擇7</p><p>　　4.1.4電動機型號的確定7</p><p>　　4.2計算傳動裝置的運動和動力8</

16、p><p>　　4.2.1傳動裝置的傳動比8</p><p>　　4.2.2軸的轉速計算8</p><p>　　4.2.3大齒輪軸的輸入功率計算8</p><p>　　4.2.4大齒輪軸的輸入轉矩計算8</p><p>　　4.3傳動件設計計算9</p><p>　　4.3.1外部傳動零件

17、—閉式齒輪傳動9</p><p>　　4.4蝸桿電機的選擇10</p><p>　　4.4.1電動機類型和結構的選擇11</p><p>　　4.4.2電機相關參數的計算12</p><p>　　4.4.3電動機轉速的選擇12</p><p>　　4.4.電動機型號的確定12</p><

18、p>　　4.5蝸輪蝸桿傳動設計13</p><p>　　4.5.1軸的轉速計算13</p><p>　　4.5.2蝸輪軸的輸入功率計算13</p><p>　　4.5.3蝸輪軸的輸入轉矩計算13</p><p>　　4.5.4選擇蝸輪蝸桿類型、材料、精度13</p><p>　　4.5.5計算步驟13

19、</p><p>　　4.6蝸桿軸的設計18</p><p>　　4.7潤滑油的選擇19</p><p>　　5三維造型的部分運動仿真19</p><p>　　5.1Proe 即 Pro/ENGINEER19</p><p>　　5.2典型部分運動仿真21</p><p>　　5.3使

20、用注意說明30</p><p><b>　　結論31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p><

21、;b>　　1.1機器人簡介</b></p><p>　　機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。</p><p>　　它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。國際上對機器人的概念已經逐漸

22、趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處！機械人是近代自動控制領域中的一個新成員，并且已經成為現(xiàn)在機械制造生產系統(tǒng)中不可缺少的一個重要組成部分。機械手的迅速發(fā)展得益于它的作用已被人們所認識，在工業(yè)生產中，

23、有著不可缺少的重要作用；其一，能夠代替工人完成一些操作；其二，能夠在在生產線上，按照編寫好的程序在一定的時間和位置完成工件的裝卸、傳送、裝配等；其三，能夠在一些不利于人們作業(yè)的環(huán)境代替工人完成工作；其四，能夠配合一些機構實現(xiàn)高自動化程度，完成高難度的動作等。這些作用大大的改善人們的工作環(huán)境，工作效率有顯著的提高，加快了社會機械化、自動化的前進步伐。所以，機械手在世界收到廣泛的應用和技術開發(fā)，各國在其研發(fā)上相繼投入大量的時間、人員和物資。

24、在我國，近幾年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)</p><p>　　餐廳、家庭等，受到了人們的廣泛認識和重視。</p><p><b>　　1.2機械手簡介</b></p><p>　　機械手一般分為三類；第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的的不服輸于某一主機的裝置，它可以根據任務的血藥編寫程序以完成各項規(guī)定操作，它的特點是具備普通機械的屋里

25、性能之外，還具備通用機械、記憶只能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機，它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機械手來完成</p><p>　　抓取、探測等作業(yè)，工業(yè)中采用的鑄造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或生產線上，用以解決機床上下料、工件傳送和裝配生產線上，這種機械手在國外稱為‘Mechanical Hand’，它是為主機服

26、務的，由主機驅動，除少數外，工程程序一般是固定的，因此是專用的。</p><p>　　機械手腕是機械手的一部分，手腕是鏈接末端執(zhí)行器和手臂的關鍵，所以它需要有其獨立的自由度，為機器人末端執(zhí)行器能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸X、Y、Z的旋轉運動，這便是腕部的三個自由度，分別是翻轉R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏轉Y（Yaw）。根據使用要求，手腕的自由度不一定是三個，可能受一個、兩個或者比

27、三個更多。手腕自由度的選用與機器人的通用性、加工工藝性、工件放置方位和定位精度等有關。</p><p>　　2機械手腕的總體設計</p><p>　　2.1機械手腕的總體設計背景及自由度概述</p><p>　　本次設計的機械手腕機構源于通用機械手腕部結構，在實習工作中需要機械手的應用和開發(fā)，由此，引入本次設計的思想：</p><p>　　產

28、品裝配完成后進入質檢區(qū)檢查，進行產品入庫和產品供給客戶前的試用和檢查，此階段由于產品數量過大，純人工工作時，給工人帶來過大的勞動量，且工作效率低，因此采用機械手代替人工，可較大的提高工作效率，降低工人的勞動量，由此在機械手抓取產品并將產品安放到檢測器或從檢測器上將產品拿下時，就需要較靈活的機械手來適應同種而不同型號的產品，設計出機械手腕的大體結構如下圖：</p><p><b>　　圖2.1</b

29、></p><p>　　從圖2.1中可以看出該機械手腕為4自由度，而手腕的設計除應滿足起動和傳遞過程中所需的輸出力矩外，還要求滿足以下要求：</p><p>　?。?） 由于腕部處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求腕部結構緊湊、減少重量和體積。腕部機構的驅動裝置多采用分離傳動，將驅動器安置在手臂的后端。</p><p>　?。?） 手腕部件的自由度越多，各關

30、節(jié)的運動范圍越大，動作靈活性越高，但會使手腕結構復雜，運動控制難度加大。因此不應盲目增加手腕的自由度。通用的機器人手腕多配置3個自由度，某些專用工業(yè)機器人的手腕，根據實際需要，可增加或減少其自由度，這里取4個自由度。</p><p>　?。?） 為提高腕部動作的精確性，應提高傳動的剛度，盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產生的反轉回差。 </p><p>　?。?） 對手腕各回轉關節(jié)軸上要

31、設置限位開關，以防止關節(jié)超限造成事故</p><p>　　2.2機械手腕的特點</p><p>　　4自由度的機械手腕比3自由度的機械手腕多了一定的微調能力和橫向移動能力，能夠更好的適應不同的動作環(huán)境，更好的配合機械手完成動作，適用條件更加廣泛。</p><p>　　3機械手腕的機械系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1四個自由度的實現(xiàn)<

32、/p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　第一個自由度是圖3.1中（1）所示的滑塊沿絲杠的運動，該自由度為安裝的機械手提供平移運動；</p><p>　　第二個自由度是圖3.1中（2）所示的軸向運動，該自由度為機械手腕的旋轉運動；</p><p>　　第三個自由度是圖3.1中（3）所示的軸向運動，該自由

33、度為整個機械手腕的偏轉運動；</p><p>　　第四個自由度是圖3.1中（4）所示的軸向運動，該自由度為整個機械手腕的俯仰運動。</p><p>　　3.2傳動機構的設計</p><p>　　初步設計擬定如下圖的設計方案。</p><p>　　本手腕可以實現(xiàn)兩個方向上的彎轉、一個方向上的旋轉和一個方向上的平移。</p><

34、;p>　　第一個自由度是由電機5通過齒輪副4、3的咬合傳動將動力床給絲杠1，實現(xiàn)前端能夠安裝機械手的滑塊平移運動。</p><p>　　第二個自由度是由電機7通過齒輪副8、6的嚙合傳動將動力輸出給齒輪6所在的整個機構，從而使電機7所在的機構實現(xiàn)旋轉運動。</p><p>　　第三個自由度是由電機12通過蝸桿13和蝸輪11將動力傳給齒輪10，再通過齒輪10和齒輪9的嚙合傳動，將動力傳給

35、齒輪9所在的機構，從而是整個機械手腕做偏轉運動。</p><p>　　第四個自由度是有電機14通過齒輪服15、16將動力傳給機械臂，從而是整個機械手腕做俯仰運動。</p><p><b>　　圖3.2</b></p><p><b>　　圖3.3</b></p><p>　　3.3機械手腕機構設計特

36、點</p><p>　　由于該機械手腕應用于質檢，在生產線的尾端，以至于工作量較大，為了便于維修和更換，特將手腕整體分為4部分；</p><p>　　在工作中由于工作空間較小，因此設計中多采用小型步進電機配上鑲嵌式電機減速箱，該減速箱與電機一體，結構緊湊可靠性高；</p><p>　　在工作中由于安裝和卸下工件時要與檢測器配合，因此手腕的動作要有較高的精度，圖3.2

37、中17為4個不同型號的編碼器；</p><p>　　圖3.3中第3部分采用兩個齒輪副，為了在有限的空間內輸出足夠的動力，提高第2部分的偏轉精度；</p><p>　　圖3.3中第1部分的滑塊的平移運動便于整個機械手跟檢測器的配合。</p><p>　　4 機器人手腕的機械傳動裝置設計計算</p><p>　　機械手要抓取的產品重量加上機械手腕

38、的重量約為10KG，機械手腕整體俯仰轉速最大為30r/min，齒輪減速比為1：6，以此為前提，設計手腕傳動機構俯仰軸齒輪的計算；機械手偏移前端重量5KG最大速度30r/min,蝸輪蝸桿減速比為1：10，設計手腕傳動機構偏移結構中蝸輪蝸桿的計算。</p><p>　　4.1俯仰電機的選擇</p><p>　　4.1.1電動機類型和結構的選擇</p><p>　　電動機

39、的類型根據動力源和工作條件，選用步進電機。 </p><p>　　4.1.2電機相關參數的計算</p><p>　　機械手腕所需的有效功率為 </p><p>　　Pw＝Fv/1000 =(98000*0.2/1000)kW=19.6kW</p><p>　　電動機前配一個1：48的減速箱</p><p>　　電動機

40、的輸出功率為0.81kW</p><p>　　為了計算電動機的所需功率Pd,先要確定從電動機到機械臂的總效率η。η為開式圓柱齒輪傳動效率，由課程設計表2-2查</p><p><b>　　η＝0.95</b></p><p>　　4.1.3電動機轉速的選擇</p><p>　　選擇常用的步進電機轉速為n=8000r/m

41、in</p><p>　　電機所需扭矩為：T=9550*P/n=0.97N·m</p><p>　　4.1.4電動機型號的確定</p><p>　　根據電動機所需功率和同步轉速，根據電動機的扭矩根據下圖選取電機</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　根據圖示選

42、取無錫三拓生產的86HS6640A8型號的電機</p><p>　　4.2計算傳動裝置的運動和動力參數</p><p>　　4.2.1傳動裝置的傳動比</p><p>　　根據原始條件，取閉式齒輪傳動的傳動比i=6</p><p>　　4.2.2軸的轉速計算：</p><p>　　n1=nm=8000/48=166.6

43、7r/min</p><p>　　n2= n1/ i=(166.67/6) r/min =27.78r/min</p><p>　　4.2.3大齒輪軸的輸入功率計算：</p><p>　　P=T*n/9550=5.45KW</p><p>　　4.2.4大齒輪軸的輸入轉矩計算：</p><p>　　T=9550Pn/

44、n= 1873.71N·m</p><p>　　4.3傳動件設計計算</p><p>　　4.3.1外部傳動零件——閉式齒輪傳動</p><p><b>　　壓力角α的選擇</b></p><p>　　由《機械原理》可知，增大壓力角α，齒輪的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，</p><

45、;p>　　有利于提高齒輪傳動的彎曲強度及接觸強度。我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的壓力角為</p><p><b>　　α=20。</b></p><p>　　考慮此對齒輪傳遞的功率不大，故大、小齒輪都選用軟齒面。小齒輪選用40Cr，調質，齒面硬度為240~260HBS；大齒輪選用45鋼，調質，齒面硬度為220HBS。因機床用齒輪，選用7級精度，要求齒面粗糙度Ra

46、≤1.6~3.2μm。</p><p>　　1、按齒面接觸疲勞強度設計</p><p>　　因兩齒輪均為鋼制齒輪，所以得</p><p><b>　　≥2.32</b></p><p>　　查得材料的彈性影響系數</p><p><b>　　確定有關參數如下：</b><

47、/p><p><b>　　齒輪z和齒寬系數</b></p><p>　　取小齒輪齒數的z1=20，則大齒輪齒數 ，</p><p><b>　　齒數比 </b></p><p>　　查表取(因非對稱布置及軟齒面)</p><p><b>　　轉矩 </b>&

48、lt;/p><p>　　載荷系數K 查表取K=1.30</p><p>　　許用接觸應力[] </p><p><b>　　由圖查得，</b></p><p><b>　　應力循環(huán)次數</b></p><p>　　查表得接觸疲勞的壽命系數，</p><p&g

49、t;　　按一般可靠度要求選擇安全系數。所以計算兩輪的許用接觸應力</p><p><b>　　故得</b></p><p><b>　　模數 </b></p><p>　　由于電機軸的直徑過大，故選取較大的模數</p><p>　　查表得取標準模數 m=2mm</p><p&

50、gt;　　2、校核齒根彎曲疲勞強度 </p><p><b>　　確定有關參數和系數</b></p><p>　　(1) 分度圓直徑 </p><p>　　(2)齒寬 </p><p>　　取b1=16mm（電機軸小齒齒寬）</p><p>　　b2=20mm（大齒輪軸大齒

51、齒寬）</p><p>　?。?）齒形系數YFa和應力修正系數YSa</p><p>　　根據齒數z1=20，z2=120，查表得 ，，，</p><p>　　（4）許用彎曲應力 </p><p><b>　　查表得；</b></p><p>　　試驗齒輪的應力修正系數

52、 </p><p>　　按一般可靠度選擇安全系數 </p><p>　　計算兩輪的許用彎曲應力</p><p>　　將求得的各參數代入下式</p><p>　　故輪齒齒根彎曲疲勞強度足夠。</p><p>　　計算齒輪傳動的中心距</p><p><b>　　計算齒輪的圓周速度&l

53、t;/b></p><p>　　查表可知，可選用7級或8級精度的齒輪，因核對齒輪為機械手腕部用，所以選用7級精度合適。</p><p>　　4.4蝸桿電機的選擇</p><p>　　4.4.1電動機類型和結構的選擇</p><p>　　電動機的類型根據動力源和工作條件，選用步進電機。</p><p>　　4.4.

54、2電機相關參數的計算</p><p>　　機械手腕所需的有效功率為 </p><p>　　Pw＝Fv/1000 =(49000*0.2/1000)kW=9.8kW</p><p>　　電動機前配一個1：24的減速箱</p><p>　　電動機的輸出功率為0.81kW</p><p>　　為了計算電動機的所需功率Pd,

55、先要確定從電動機到機械臂的總效率η。η為開式圓柱齒輪傳動效率，由課程設計表2-2查</p><p><b>　　η＝0.85</b></p><p>　　4.4.3電動機轉速的選擇</p><p>　　選擇常用的步進電機轉速為n=8000r/min</p><p>　　電機所需扭矩為：T=9550*P/n=0.79N&

56、#183;m</p><p>　　4.4.4電動機型號的確定</p><p>　　根據電動機所需功率和同步轉速，根據電動機的扭矩選取電機如下圖：</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　4.5蝸輪蝸桿傳動設計</p><p>　　4.5.1軸的轉速計算：</p>

57、;<p>　　n3=nm=8000/24=333.33r/min</p><p>　　n4= n1/ i=(333.33/20) r/min =16.67r/min</p><p>　　4.5.2蝸輪軸的輸入功率計算：</p><p>　　P1=T*n/9550=0.041KW</p><p>　　4.5.3蝸輪軸的輸入轉矩計算

58、：</p><p>　　T1=9550Pn/ n= 23.49N·m</p><p>　　4.5.4選擇蝸輪蝸桿類型、材料、精度</p><p>　　根據GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）蝸桿材料選用45鋼，整體調質，表面淬火，齒面硬度45~50HRC。蝸輪齒圈材料選用ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造，滾銑后加載跑合，8級精度，標準

59、保證側隙c。</p><p><b>　　4.5.5計算步驟</b></p><p>　　1.按接觸疲勞強度設計</p><p><b>　　設計公式≥mm</b></p><p>　　(1)選z1，z2：</p><p>　　查表7.2取z1=2，</p>&

60、lt;p>　　z2= z1×n1／n2=2×333.33／16.67=39.99≈40</p><p>　　z2在30～64之間，故合乎要求。</p><p><b>　　初估=0.82</b></p><p>　　（2）蝸輪轉矩T2：</p><p>　　T2=T1×i×=

61、9.55×10×0.041×20×0.82／333.33=19264.45 Nmm</p><p><b>　?。?）載荷系數K：</b></p><p>　　因載荷平穩(wěn)，查表7.8取K=1.1 </p><p><b>　?。?）材料系數ZE</b></p&

62、gt;<p>　　查表7.9，ZE=156 </p><p>　?。?）許用接觸應力[0H]</p><p>　　查表7.10，[0H]=220 Mpa </p><p>　　N=60×jn2×Lh=60×73.96×1×12000=5.325×107

63、</p><p>　　ZN===0.81135338</p><p>　　[H]=ZN[0H]= 0.81135338×220=178.5 Mpa</p><p><b>　　（6）md1：</b></p><p>　　md1≥ =1.1×19264.45×=70.34mm</p>

64、;<p>　　（7）初選m，d1的值：</p><p>　　查表7.1取m=2，d1=20</p><p>　　md1=80〉70.34</p><p><b>　?。?）導程角 </b></p><p><b>　　tan= =0.2</b></p><p>

65、;　　=arctan0.2=11.3°</p><p><b>　?。?）滑動速度Vs</b></p><p>　　Vs= =0.72m/s</p><p><b>　　（10）嚙合效率</b></p><p>　　由Vs=0.72 m/s查表得 ν=2°35′</p>

66、;<p>　　1 ==0.2/0.247=0.80</p><p><b>　　（11）傳動效率</b></p><p>　　取軸承效率 2=0.99 ，攪油效率3=0.98</p><p>　　=1×2×3=0.8×0.99×0.98=0.78</p><p>　　

67、T2=T1×i×=9.55×10×0.041×20×0.78／333.33=1832.47Nmm</p><p>　?。?2）檢驗md1的值</p><p>　　md1≥=1.1×1832.47×=6.69＜80</p><p>　　原選參數滿足齒面接觸疲勞強度要求</p>

68、<p>　　2.確定傳動的主要尺寸</p><p>　　m=2mm，=40mm，z1=2，z2=40</p><p><b>　　中心距a</b></p><p><b>　　a==50mm</b></p><p><b>　　(2)蝸桿尺寸</b></p&g

69、t;<p>　　分度圓直徑d1 d1=20mm</p><p>　　齒頂圓直徑da1 da1=d1+2ha1=(20+2×0.2)=22.2mm</p><p>　　齒根圓直徑df1 df1=d1﹣2hf=20﹣2×(1+0.2)=17.6mm</p><p>　　導程角 tan=1

70、1.30993247° 右旋</p><p>　　軸向齒距 Px1=πm=3.14×2=6.28mm</p><p>　　齒輪部分長度b1 b1≥m(11+0.06×z2)=2×(11+0.06×40)=26.8mm</p><p><b>　　取b1=90mm</b>&

71、lt;/p><p><b>　　(2)蝸輪尺寸</b></p><p>　　分度圓直徑d2 d2=m×z2=2×40=80mm</p><p>　　齒頂高 ha2=ha*×m=2×1=2mm</p><p>　　齒根高 hf2

72、= (ha*+c*)×m=(1+0.2)×2=2.4mm</p><p>　　齒頂圓直徑da2 da2=d2+2ha2=80+2×2×1.2=84.8mm</p><p>　　齒根圓直徑df2 df2=d2﹣2m(ha*+c*)=80﹣2×2×1.2=75.2mm</p><p>　　導

73、程角 tan=11.30993247° 右旋</p><p>　　軸向齒距 Px2=Px1=π m=3.14×2=6.28mm</p><p>　　蝸輪齒寬b2 b2=0.75da1=0.75×20=15mm</p><p>　　齒寬角 sin(α/2)

74、=b2/d1=15／20=0.75</p><p>　　蝸輪咽喉母圓半徑 rg2=a—da2／2=50﹣42.4=7.6mm</p><p><b>　　(3)熱平衡計算</b></p><p><b>　?、俟浪闵崦娣eA</b></p><p><b>　　A=</b>

75、</p><p>　?、隍炈阌偷墓ぷ鳒囟萾i</p><p><b>　　室溫：通常取。</b></p><p>　　散熱系數：Ks=20 W/(㎡·℃)。</p><p><b>　　℃＜80℃</b></p><p><b>　　油溫未超過限度<

76、/b></p><p><b>　?。?） 潤滑方式</b></p><p>　　根據Vs=4.84m/s，查表7.14，采用浸油潤滑，油的運動粘度V40℃=350×10-6㎡/s</p><p>　　(5)蝸桿的結構設計(單位：mm)</p><p><b>　　蝸桿的設計</b>

77、;</p><p><b>　　最小直徑估算</b></p><p>　　dmin≥c× = 120×=5.97 取dmin=6</p><p>　　d1=dmin+2a=6+2×2.5=11 a=(0.07～0.1)dmin</p><p>　　d2=d1+(1～5)=11+5=1

78、6</p><p>　　d3=d2+2a=16+2×2=20 a=(0.07～0.1)d2</p><p><b>　　d4=d2=16</b></p><p>　　h查《機械設計》表11.4</p><p>　　蝸桿和軸做成一體，即蝸桿軸。蝸輪采用輪箍式，青銅輪緣與鑄造鐵心采用H7/s6配合，并加臺肩和螺

79、釘固定，螺釘選6個</p><p>　　幾何尺寸計算結果列于下表4.1：</p><p>　　幾何尺寸計算結果列于下表4.1：</p><p><b>　　4.6蝸桿軸的設計</b></p><p><b>　　（1）選擇軸的材料</b></p><p>　　選取45鋼，調質

80、處理，硬度HBS=230，強度極限=650 Mpa，屈服極限=360 Mpa，彎曲疲勞極限=300 Mpa，剪切疲勞極限=155 Mpa，對稱循環(huán)變應力時的許用應力=60 Mpa。</p><p>　　(2) 初步估算軸的最小直徑</p><p><b>　　最小直徑估算</b></p><p>　　dmin≥cx= 120x=16.13 取

81、dmin=16.5 </p><p><b>　　（3）軸的結構設計</b></p><p>　　按軸的結構和強度要求選取軸承處的軸徑d=20mm，初選軸承型號為30207圓錐滾子軸承（GB/T297—94），采用蝸桿軸結構，其中，齒根圓直徑mm，分度圓直徑mm，齒頂圓直徑mm，長度尺寸根據中間軸的結構進行具體的設計，校核的方法與蝸輪軸相類似，經過具體的設計和校核

82、，得該蝸桿軸結構是符合要求的，是安全的，軸的結構見圖4.2所示：</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p>　　考慮到所設計的蝸桿傳動是動力傳動，屬于通用機械減速器，從GB/T10089—1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級精度，側隙種類為f，標注為8f GB/T10089—1988。查得蝸桿的齒厚公差為 =71μm[1]， 蝸輪的齒厚公差為 =

83、140μm[1]；蝸桿的齒面和頂圓的表面粗糙度均為1.6μm， 蝸輪的齒面和頂圓的表面粗糙度為1.6μm和3.2μm。</p><p><b>　　4.7潤滑油的選擇</b></p><p>　　考慮到齒輪的潤滑和間隙配合，由于機械手腕的運動速度不是很快，齒輪摩擦溫度上升慢，因此根據設計手冊，齒輪傳動和間隙配合處選用全損耗系統(tǒng)用油（GB 443-1989）,軸承選用滾

84、珠潤滑脂（SH 0386-1992）。</p><p>　　5 三維造型的部分運動仿真</p><p>　　5.1 Proe 即 Pro/ENGINEER </p><p>　　Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型

85、軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。本設計采用的造型軟件是Pro/ENGINEER野火版5.0，Pro/ENGINEER Wildfire野火版5.0以其易學易用、功能強大和互連互通的特點，推動了整個產品開發(fā)機構中個人效率和過程效率的提高。它既能節(jié)省時間和成本，又能提高

86、產品質量。Pro/ENGINEER野火版5.0構建于Pro/ENGINEER野火版的成熟技術之上，包括了400多個增強功能，它使CAD系統(tǒng)的互連互通性能又上了一個新的臺階。</p><p><b>　　主要特性：</b></p><p>　　Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需

87、要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。</p><p>　　Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。</p><p><b>　　1．參數化設計</b><

88、/p><p>　　相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。</p><p><b>　　基于特征建模</b></p><p>　　Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模

89、型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。</p><p>　　3． 單一數據庫（全相關）</p><p>　　Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數據庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他

90、是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。</p><p>　　Pro/ENGINEER野火版提供了更新更簡單的設計屬性分析工具。全新的曲線和曲面（Curve and Su

91、rface）分析用戶界面降低了該過程的復雜性，單擊鼠標即可變換一種分析方法。由此而產生的易用性提高了評估和改進設計的靈活性，從而最終提高了效率和產品質量。另外，Pro/ENGINEER野火版5.0還提供了一種被稱為偏移分析（Offset Analysis）的新工具，它可以實時查看Pro/ENGINEER中曲線和曲面上的補償效果。這使得用戶能夠及時準確地發(fā)現(xiàn)與外形和復雜操作相關的問題并及早解決。Pro/ENGINEER野火版5.0還提供了

92、新的動態(tài)反射分析（Reflection Analysis）（或條形碼處理）工具，這對核查曲面和連接質量非常有用。</p><p>　　最后，經改進的實時渲染工具可以反映出環(huán)境對模型的感觀影響，讓空間外觀在模型內得到反射。環(huán)境映射不僅確保了真實性，而且能讓用戶在進行高質量的靜態(tài)渲染之前快速設置適當的反射參數。 </p><p><b>　　4高效的NC過程 </b>&l

93、t;/p><p>　　Pro/ENGINEER野火版5.0是供制造業(yè)使用的最高版本。從模具制造到生產加工，所有人都會從新的制造過程（Manufacturing Process）管理器中受益。這一全新的圖形用戶界面使使用者能輕而易舉地獲得NC過程信息以及所有制造信息。在這個可定制的先進界面中，可以執(zhí)行許多操作?？梢愿鶕輬D或XML模板建立NC路徑（刀路軌跡）、可以逐個或者一起修改路徑、可以使用簡單的“拖放”操作來重新調

94、整路徑、可以合并以優(yōu)化路徑、可以復制和粘貼路徑，可以計算路徑時間、可以歸檔和仿真路徑。全新的圖形用戶界面、起始制造零件定義功能以及可以直接操作制造模型樹上的功能等特點，可以提高NC編程人員的效率，使他們能把精力集中在優(yōu)化零件制造過程上。 </p><p>　　其它許多與制造相關的新功能可以幫助用戶計劃生產過程。使用Pro/ENGINEER野火版5.0，制造部門的用戶可以充分利用先進的繪圖功能，該功能通過移去標準工

95、具和整體工具的線路，提供了遮擋加工仿真。Pro/ENGINEER野火版5.0提供了模具制造者的專用功能，它能直接處理STL數據和新的拋光刀路軌跡，它能一次快速完成深淺不同的加工。另外，該系統(tǒng)還提供了獨特的生產加工新功能，它支持多端工具以及直角頂端等特殊配件。</p><p>　　5.2典型部分運動仿真</p><p>　　首先打開Pro/ENGINEER野火版5.0主界面</p>

96、;<p>　　打開將要作仿真的裝配圖</p><p>　　將基準平面、基準軸、基準點、坐標系、3D注釋級注釋元素 關閉，點擊‘應用程序’下拉菜單中的‘機構’選項</p><p>　　進入后點擊右側菜單中的‘齒輪副連接’</p><p>　　點擊進入頁面后先選擇紅色小齒輪的軸為齒輪1的軸，直徑20mm</p><p>　

97、　點擊齒輪2進入頁面后選擇上面黑褐色齒輪的軸為齒輪2的軸，直徑60mm然后點擊應用、確定。</p><p>　　點擊右側菜單中的‘伺服電動機’，進入頁面</p><p>　　進入頁面后選擇紅色齒輪的軸為運動軸，后點擊‘輪廓’</p><p>　　進入‘輪廓’頁面后點擊‘位置’的下拉菜單選擇‘速度’</p><p>　　然后在右下角的‘速度’前

98、的方框打√，再將A中的數值改變非零的值（在速度選項下數值越大，機構動作距離越大），這里取100。而后點擊應用、確定。</p><p>　　點擊右側菜單中的‘機構分析’，</p><p>　　進入頁面后將終止時間的初始值10改為500（修改的時間越大，機構運動時間越長），幀數將初始值10改為1（運動過程中跳動?。?lt;/p><p>　　選擇‘電動機’選項，點擊一下電動機

99、（帶下拉菜單）然后點擊確定（先點擊運行則進入運動仿真，可以先不進行直接點擊確定）</p><p>　　點擊右側菜單中的‘回放’ </p><p>　　進入菜單后點擊左上角的按鈕進入下一菜單</p><p>　　點擊右側的單箭頭，實驗一下能否正常運行（注意滑塊的位置，盡量留下足夠的運動空間，這里滑塊從左向右運動，因此滑塊靠左），可以調節(jié)‘改變動畫速度’</

100、p><p>　　選擇一個合適的運行速度后，點擊左下角的‘捕捉’，計入頁面</p><p>　　點擊‘瀏覽’選擇合適的保存位置然后，輸入新名字（為能夠正常制作視頻盡量應用英文字母或數字，做完視頻后可以將名字改為自己喜歡的），選擇視頻格式‘AVI’點擊確定，點擊確定。然后等待一會，待完成后退出PROE，打開你的電腦裝的視頻軟件（注意：能夠播放AVI文件），就可以查看運動效果，便于保存和向他人展示。

101、</p><p><b>　　5.3使用注意說明</b></p><p>　　本機械手腕的設計根據隆迪電機設備制造公司FK輔助開關的檢驗，因此目前只是用于FK輔助開關這一款型號；</p><p>　　使用時注意插頭漏電及機械手腕的關節(jié)是否漏油，為避免發(fā)生意外請工作人員帶上絲滑類的手套；</p><p>　　注意保養(yǎng)，定期

102、對各關節(jié)注潤滑油。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　大學四年，在時光匆匆中逝去，馬上就要離開學校，這是大學里最后一次鍛煉，做為最后一次鍛煉，把四年所學的知識大體上都用到其中，我們進行了這次畢業(yè)設計；做為大學里的終點，也做為即將踏入社會的大門的鑰匙。</p><p>　　機械手腕在社會生產生活中多處可見，常用的單自由

103、度、兩自由度、三自由度，至于更，就一直在關注著機械手的各部分關節(jié)，機械手腕做為與機械手直接相連的關節(jié)更是我一直想要了解的地方。畢業(yè)設計題目下來后，結合宋老師的建議后過段選擇《機械手腕部設計》這個設計題目，從此后通過查閱大量資料、現(xiàn)場參觀和詢問相關專業(yè)工程師等方式對機械手腕進行一個更加透徹的了解，也開始著手設計我在實習中要用到的這款機械手腕，將近兩個多月的研究分析，終于在近幾天完善了這個設計，可謂是下了一番汗水。能夠最終設計出也算是對自己

104、努力的回報，可能設計中會參雜著當局者迷的部分，但是隨著今后參加工作后經驗的增加，也會對這個設計繼續(xù)晚上，爭取做到盡善盡美；即將成為一名走向社會技術人員，就要有最求完美的精神，只有這樣才能有好的作品回報社會，回報自己的汗水。</p><p>　　在這次設計過程中，可謂是困難重重，從一個不是很了解的機構到研究透徹并開發(fā)出自己的產品，這是一條坎坷路。在設計中，經常會遇到不解的地方，這時就需要自己去發(fā)掘，要自己去思考，實

105、在解決不了就要通過各種渠道去解決，直至問題解決，這種獨自解決問題時的困惑和無助與解決成功后的興奮和喜悅，是我在本次設計中體會最為深刻的。雖然在這段時間應用和學習到很多老舊知識，但這也是機械這個大篇幅里的一個角落，因此，在今后的生活工作中我們更要去虛心學習，只有不斷的充實自己，才能體會其中的樂趣，逐漸產生自己“機械思想”。而且通過此次設計，把自己所學習的知識運用到實際中解決實際生產中的問題，增強了我的理論聯(lián)系實際的觀念，提高了自己理論聯(lián)系

106、實際的能力，獨立分析問題，獨立解決問題，這個過程更是在為即將進入社會的工作做了鋪墊。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊第二版[M].北京:高等教育出版社,1999.</p><p>　　[2]陳錦昌,劉就女,劉林.計算機工程制圖[M].廣州:華南理工大學出版社,199

107、9.</p><p>　　[3]馮辛安,黃玉美,杜君文.機械制造裝備設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.</p><p>　　[4]周伯英.工業(yè)機器人設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.</p><p>　　[5]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,1995.</p><p>　　[6]龔振幫.機器人機械設計

108、[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.</p><p>　　[7]鄭堤,唐可洪.機電一體化設計基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.</p><p>　　[8]張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州:華南理工大學出版社,2001.</p><p>　　[9]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京:高等教育出版社,1997.</p>&l

109、t;p>　　[10]余達太,馬香峰.工業(yè)機器人應用工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.</p><p>　　[11]鄒慧君主編.機械原理教程. 北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[12]吳宗澤主編.機械結構設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1988</p><p>　　[13]吳宗澤主編.機械設計禁忌500例. 北京：機械工業(yè)出版社，19

110、87</p><p>　　[14]王大康，盧頌峰主編.機械設計課程設計. 北京：北京工業(yè)大學出版社，2000</p><p>　　[15]［德］S弗羅尼斯主編.設計學-傳動零件.王汝霖等譯.北京：高等教育出版社，1988</p><p>　　[16]齒輪手冊編委會.齒輪手冊.第2版. 北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[17

111、]徐灝主編.機械設計手冊. 第2版. 北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[18]辛一行主編.現(xiàn)代機械設備設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　[19]卜炎主編.機械傳動裝置設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[21]［德］尼曼.G著.機械零件.余夢生等譯. 北京：機械工業(yè)出版社，1991<

112、/p><p>　　[22]王步贏編.機械零件了強度計算的理論和方法. 北京：高等教育出版社，1986</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　通過這次設計，使我對機械手腕部結構有了比較系統(tǒng)的認識，在這次設計的過程中，從一開始就受到了宋老師細心輔導。這次畢業(yè)設計能夠順利地完成，與前期宋老師的指導是分不開的，在此，衷心地感謝宋老師