摘
机械手顾名思义机械原件做成手样器械代手完成量重复复杂危险工作机器手机械电子相互结合产生产品机械手目点：劳动生产率提升加工程更先进更高效减轻劳动负担改善劳动环境等等求进行动化技术装备机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量常工业生产中出现频繁工件法手工解决困难时机械手完美代手进行工业生产劳动机械手工作环境相广泛高低温放射性等毒污染环境工作占相优势机械手工厂运作中占着代作
次课程设计基机械设计原理解四度关节型机械手基信息介绍范围设计原理步骤设计台着四度关节型机械手机械手发明极改善工工作环境简化工工作容提高整体生产劳动效率类生产活动中利帮手文运机械手工作原理设计四度设计等方面专业知识设计四度关节型机械手程中结合已知识解决程中难题进行深入探讨已基础融入创意想法机械手设计更简洁实性更强
关键词：关节型机械手机械设计四度
ABSTRACT
The manipulator as the name implies is a humanlike device made of mechanical originals which can replace a lot of repetitive complicated and dangerous work The robot is a product produced by the combination of machinery and electronics The purpose of using the robot is as follows the labor productivity is improved the processing process is more advanced more efficient the labor burden is reduced the working environment is improved and the like Automated technical equipment is available upon request The robot can replace the manual work reduce the labor consumption improve the physical and equipment conditions required in the work and increase the number of products produced per unit time When the frequent occurrence of frequent workpieces in industrial production cannot be solved by hand it is the most effective way to use the robot at this time moreover the robot can work under high and low temperature radioactive and other toxic pollution environments occupying considerable advantages Therefore the robot plays an irreplaceable role in the operation of the factory
This course design is based on the mechanical design principle After understanding the basic information of the fourdegreeoffreedom articulated manipulator the scope of its use is introduced An articulated manipulator with four degrees of freedom is designed according to the design principles and steps The invention of the robot greatly improved the working environment of the workers simplified the work content of the workers and improved the overall production labor efficiency which is a favorable helper in human production activities This thesis uses the professional knowledge of the working principle and indepth discussion How to integrate your own ideas and ideas on the existing basis so that the robot is designed to be more concise and practical
Key Words Articulated manipulatorMechanical DesignFour degrees of freedom
目录
1 绪 1
11 引言 1
12 设计目 2
13 关节机械手研究概况 2
131 国外研究现状 2
132国研究现状 3
14 关节型机械手构成机件作 4
2 总体方案设计 5
21 机械手工程概述 5
22 工业机械手总体设计方案述 6
23 机械手机械传动原理 7
24 机械手总体方案设计 8
3手部设计计算 9
31手部设计求 9
32拉紧装置 10
33机械运动范围（速度） 12
34手部右腔流量 12
35手部工作压强 12
4 移动关节设计计算 12
41驱动方式较 12
42汽缸设计 13
5臂设计 16
51 臂结构设计求 16
52 臂结构设计 16
53臂电机减速器选型 16
54臂计算 17
55 轴设计计算 18
56 轴承选择 18
57 轴承校核 18
58 计算轴承摩擦力矩： 19
59步进电动机齿轮选择 20
6 臂设计计算 20
61臂部结构设计基求 20
62 臂结构设计 22
63 臂电机减速器选型 22
64臂计算 23
65 轴设计计算 24
66轴承选择 24
67 轴承摩擦力矩计算 25
68步进电动机齿轮选择 25
7 机身设计 27
8 电机选型关参数计算 27
81 相关参数计算 28
82 电机型号选择 30
总结展 31
致 谢 32
参考文献 33
1 绪
11 引言
世纪八十年代国社会济科学技术取突飞猛进进展科学技术领域机器学断发展进步机械设计制造技术方面取非常高成果机械手机械电子融合创新出款产品结合学科知识非常价值新生产品机械手类型中关节型机械手途广泛占重位置关节型机械手研究结合许科学力学电子学信息计算机等时机械手诞生改良升级程中促进种学科发展容更新关节型机械手许机械手类型工作环境
世界第台工业机械手诞生世纪五十年代末出现机械手开创新历史时代伴科技进步机械手形态范畴工作容断改变
日早稻田学加藤郎教授认机械手功重特征机械手双臂具极高动调节功维持系统动态衡电灯泡发明者爱迪生说：造物者鬼斧神工中类双臂双腿伟杰作说明双臂重程度机械说机械手等重单范围广具强适应环境力正样功机械行业发现开辟限广阔前景机械行业方面奠定坚实基础
制作出种样机械手生产生活中具备作包括方面：制造出机械手种类型工作环境中代工操作避免危险重复单调工作工浪费伤害机械手熟悉掌握类基特征生活等帮助例：造假肢拥非常充足动力学特证方面讨力学机械探索发展机械手属动化机械手类生产生活中表现出关重作
关节型机械手定义世界没明确规定分类方式美国机械手协会机械手定义——联合国采种定义方式：关节型机械手机械手臂种重复编程操作种动作功机械装置通机械动作编程方式改变执行工作容作搬运工件传递工件等通外国理解国机械手介绍总结关节型机械手定义：
关节型机械手种动操作机器手臂实现度移动灵活程度非常高动操作机器动进行搬运传动种样物体
关节型机械手机械手具备快速移动速度运输身质量零件定位操作准确度手达根输入求外部信号改变机械手执行种务时更正调节工作容
关节型机械手手臂具强刚性计算机控制系统属机械手系统种够机械手动运动机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量然机械手出现发展30年历史着独特优点世界种行业领域应着非常发展前景种行业发展做出巨贡献
12 设计目
次设计学四年学机械设计制造动化关知识完成具搬运功求关节型机械手设计程中考察动化专业学生机械制造原理机械设计原理机械手相关专业知识握程度理应实际力考察学生否具备合格专业力该毕业设计指导目标非常明确希动化毕业生够学致理知识运实践程中完成关节型机械手整设计程
完成机械手设计制造需生产线数控车床铣床等加工整机械手制造程全动化国制造行业年发展形势较国家投入量力物力聚拢资金进入制造行业造制造业迅速发展次机械手加工交工厂车间动车床进行较满足加工求机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量
13 关节机械手研究概况
131 国外研究现状
Muybridge早研究动物运动机制学者发明种相机种触发相机种相机拍摄种样动物奔跑时片Demeny相机类运动进行拍片进行深刻研究世纪三十五十年代间前苏联科学家——伯恩斯坦运生物动力学理动物运动机制进行长达二十年研究提出理成果
20世纪60年代机械手进行全面研究目前止机械手研究具较完整理体体系日美国苏联等国家机械手已研制成功
世纪六十年代末机械手控制理取突破性进展三种重控制方法提出成学者参考标准三种控制方法分模型参考控制算法控制限状态控制种样机械手3种控制方法中适美国学者Farnsworth提出模型参考控制南斯拉夫学者Mikhail提出算法控制美国学者Vukobratovic提出限状态控制三种控制方法独立存相互间某种深层次关系
步态研究许学者提出法苏联Umnov等学者提出优步态定义Kugushev等解释什步态步态规步态组相概念面情况整机械工作时设置步序行进适应实际情况会出现诸失误机械走路时应该充分考虑环境影响实时改进步伐适应面环境种步态称步态
提高机械手稳定性美国学者Hemami等提出果系统身稳定性系统控制力简化成倒立振子模型机械前进运动振子倒立状态恢复成直立状态控制更简便容易Hemami等研究机械手降阶模型问题
提出限状态控制方式美国学者Vukobratovic研究着时间推移联合系统力会逐渐改变没机械手耗问题进行研究探索中Vukobratovic提出非常关键问题表面越光滑该系统损耗功率越
132 国研究现状
中国机械手探究发展相外国迟段时间1980左右中国开始工作行业进行探索操作1986年进行第七五年机械手项目进行考察世纪80年代末国正式高度重视机械手设计制造该技术探索列入国863高技术计划中直现国然断机械手技术进行研究探索推出新研究成果前国机械手技术探究原世界国家机械手设计探究接轨然获成果
世纪八十年代中期国研究学者制作出款两脚机械手型号HITI长度110厘米质量70公斤包含10度面移动左右两侧移动移动距离45cm移动速度10步秒制作HITIIHITIII质量42公斤长度103厘米包含12度移动距离25厘米移动速度达23步秒目前持续研发新型机械手度超50移动距离移动速度前面研究基础提高档次
1988年国成功研制方位运动机械手单直线前行走时楼梯型号
KDW1包含着六度高移动距离40厘米移动速度达四步秒接着年制作出KDW1升级款——KDWII度做拓展总十度长度达69厘米质量减少13公斤1990年KDWII表面添加机械手变成KDWIII包含12度工作时手臂旋转完成工作时方运动中移速度08步秒移动距离20厘米～22厘米中面坡面间夹角13度2000年根KDWIII条件利制造出国台仿动作先行者中高度14m质量20kg具类五官特征具语言功
14 关节型机械手构成机件作
关节型机械手三部分构成包含执行驱动双重系统机械系统二控制系统第三部分智系统
（1）执行系统：关节型机械手执行系统完成关节部件操作整执行系统包含系列零件手臂手腕机身等时零件完成动作包含
（a）末端执行器：机械手想举起搬动挪动工件需末端执行器配合执行
(b) 手腕：手爪手臂连接部位手爪工作求进行角度运动
(c) 臂部：连接机座手部部分旋转升降等手抓移动种位置承受手抓抓工件质量扩机械手工作中活动范围时载荷传递机座
(d) 机身：机械手根源手臂运动机械手需机身进行支撑
(2) 驱动系统：认机械手重部分机械手想完成种运动操作需驱动系统供量驱动系统定位等
(3) 控制系统：通驱动系统控制执行系统根需求完成务机械手运动遇困难时会时出信息
通种工厂情况关节型机械手相较力完成许完成繁琐重复工作完成手完成危险高难度工作机械手应
降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量工业生产中常出现工件重者种原双手法进行工作时候机械手优势体现出时该机械手高低温放射性等毒污染环境工作占相优势具良发展前景
2 总体方案设计
21 机械手工程概述
机械手工程具强综合性包括种样知识力学机构学仿生学机械设计机械制造广电学传感技术计算机技术动控制技术等系统现学科容知识结合起解决综合复杂工程问题机械手制造方面工程学觉应该做整系统进行探索开发创新应系统外部组成部分机结合起
系统实整体眼光处机械部位机械部位单零件机结合整体许子系统定规律进行组合更更统系统系统作整体存果拆分成零部件系统功会丧失整体宏观意识设计制作机器时应该首先明确整系统框架工作机制系统具特点：
（1）整体性：系统具完整属性拆分开话功丧失
（2）相关性：系统中相互配合协调工作系统零部件具相关性
（3）目性：系统针性目性完成工作样时结合方式系统功会相应变化
（4）环境适应性 ：系统会着环境改变适应相应环境
机械手设计制造中单单零部件设计关键需零部件成整体进行考虑功进行考察满足机器功零件组合成功系统制造出具良机械手产品机械工厂中满足工作需求复杂机械手中系统组成非常复杂
工业操作中机械手功样调整灵活性重优势特点柔性制造系统中机械手发挥重作灵活传送类零件完成零件组合装配等柔性制造系统中机械手外基础工艺设备辅
助设备控制装置通相互配合组成种功技术综合体系制造业生产部门非制造业会机械手系统制造业类似例医疗农军工采矿交通运输等
22 工业机械手总体设计方案述
（）确定负载
国外目前普遍机械手额定负载差范围较负载已超九千N额定负载5N更低机械手额定负载素关：运动方机械接口受力扭矩确定机械手负载机械手设计中较关键步机械手末端执行器质量关节结构部件质量力扭矩源外包含工件运动中加速度速度产生惯性力通次设计参数知道负载数值
（二）驱动方式
伺服电动机优势控制系统中具较控制性够精准控制速度位置灵活性较强等等该驱动方式噪音较周围环境产生影响高效率适中型机械手中机械手运动中具严格控制求次设计选伺服电机驱动
（三）传动系统设计
机械手装置中量机构变紧密质量较轻减少惯性力降低占面积首先传动链中需间隙进行处理间隙提升机械手运动稳定性精准点位传动系统中常传动机构包括：齿轮传动蜗杆传等齿轮传动具备高效率精确传动机构紧密作业时质量保障时间长加学期间传动系统学更掌握传动设计齿轮传动系统适合次机械设计
（四）工作范围
机械手工作范围较广局限性工业操器操作期间操作范围轨道机械手工作范围衡量标准工作方实现工作方外形面积会机械手机械坐标度数机械臂长短影响时工作点会影响机械手臂关节旋转角度整机械手移动范围
（五）运动速度
确定机械手机械臂工作时运动范围接确定机械臂运动速度ms表示机械臂运动时间分派中非常素需考虑例：机械臂旋转圈需时间考虑机械臂工作时先序应制作机械臂工作时间表格进行分析制作时间表格时仅需思考机械臂工作时运动范围需考虑定位精度否满足求驱动控制采种方式机械臂路径长短规划
23 机械手机械传动原理
图关节型机械手示意图：
关节型机械手示意图
关节型机械手组成部件：
机身部位列举出基座齿轮传动构件轴承步进电动机等机身底座支撑支撑旋转机械臂部件臂应具非常高硬度度容量关节操器支持工作重量负载需底座底部面积确保机器运动程中够正常工作
机械臂手臂样分半部分臂包括步进电动机整臂架齿轮传动装置半部分臂——包括臂驱动轴传动带等臂左端安装手腕运动电动机
24 机械手总体方案设计
图展示关节型机械手运动三旋转机构完成机械手运动机械手结构十分紧凑占面积工作时具较灵活性机械手身长度说机械手工作环境较完成需工作需求种关节型机械手生产生活着起着关重作焊接喷漆搬运装配等工作关节型机械手生产生活普遍
务书数求应选择机械手类型关节型
技术参数见表11
3手部设计计算
31手部设计求
(a)夹紧力应合适
机械手臂足够夹紧力夹住工件避免工件掉落时夹紧力太容易导致工件形状发生变化求破坏工件面粗糙度刚性较工件夹取力度完全变应该留调节余应该设置动锁保证工作时工件安全
(b)开闭范围应保持足够
工件外部圆直径长度知夹具尺寸少120mm
机械手手抓具开关闭功手抓抓取零件手爪开关闭两点间远距离做闭合区间机械手开闭范围受素影响例零件样式零件表面积尺度通常假工作条件状况允许情况手爪开关闭间距离应该变样满足零件工作求图示：
(c) 手抓设置应合理
手腕前端手抓位置操作期间运动状况变完整手抓机构构造受零件质量占面积影响手爪部具抓取零件确定位置准确度运动速度等功手抓设置制作程中应充分考虑机构简单便利需求重较增加整体占空间
(d) 机械臂手指具较强度刚度
(e)求外应满足：
工件重量形状进夹紧机械手机构常外卡式双指钳口夹取零件常方法弹簧进行加紧零件松开零件时单式液压缸样处制作程较简单
32拉紧装置
图整油缸工作示意图油缸右边机器里进油时弹簧身弹力工件夹紧进油时单式液压缸弹簧工件松开
P
（1）设定活塞直径D50mm系统压力P25Mpa计算右腔推力：
（2）根手爪抓取工件位置通查表出夹紧力计算公式：
中 N′498N392N带入公式计算：
求实际加紧力：
取整：F13500N
公式：
（3）手部活塞杆行程长L计算
取整：L25mm
（4）确定V型钳爪Lβ
取LRcp3
式中： RcpP4200450
公式：L3×Rcp150
选机械手手部角度2α120º旋转角β采取优旋转角
查表：
β22º39′
33机械运动范围（速度）
(a)伸缩运动 Vmax500mms
Vmin50mms
(b)升运动 Vmax500mms
Vmin40mms
(c)降Vmax800mms
Vmin80mms
(d)回转 90ºs
30ºs
取手部驱动活塞速度V60mms
34手部右腔流量
60
60×314×25²
11775mm³s
35手部工作压强
350019625178Mpa
4 移动关节设计计算
41驱动方式较
机械手驱动方式四种：根驱动液体气体压力分液压气压驱动外电机驱动机械传动机械手驱动方式少中种组合式工作较复杂机械手中采取种方式驱动种驱动特点见表41
42汽缸设计
气压运行时较组成气动元件加工零件形状尺寸低液压环境没影响工作时活动灵活反应快保养外型容易利起安全方物体力没必太选气压传动
汽缸型选择：活塞回移动时间较长回反复移动动选单活塞汽缸采挤压气体方式活塞回反复运动
令活塞杆直径d12mm活塞杆质量估算：
取整约等5N
取80N
气压缸径D计算
液压传动气压传动公式 131
D表示汽缸里面圆(m)P表示工作压力（Pa）表示单位时间担负工作量中单位时间担负工作量汽缸工作压力定关系取查液压传动气压传动表132 汽缸垂直安装取P03般选03
根液压传动气压传动表133出圆直径40mm
般选03
mm
汽缸壁厚计算
根液压传动气压传动表135查
汽缸重量计算
中：R表示汽缸外部圆半径r表示汽缸里面圆半径h表示汽缸尺寸g取10表示汽缸材料密度
取25N
5臂设计
机械臂机械手操作部分功支持手爪手腕机械臂零件方位发生变化手臂运动决定手爪活动范围
51 臂结构设计求
(1) 臂选取材料坚固应正确选机械臂部表面外形尺寸普通钢做机械臂导杆支撑板工字钢槽钢制成保证刚度求达佳选材效果
(2) 偏重力矩
(3) 机械臂身质量惯量太减机械臂工作程中遭受击碰撞缓解决办法时机械臂结构应该设置更紧凑合理保障体性重量需达较轻程度样降低惯性力
(4) 具较导性
52 臂结构设计
臂表面采工字钢造型抗变型程度显著增强臂表面积设计更降低机械手臂重量降低制造成手臂活动起方便快捷
53臂电机减速器选型
臂转速w设置15度角速度0直增加15度需时间输出转矩计算：
考虑惯性力矩围绕机器臂部分重心摩擦力矩时臂旋转开始时假设起动扭矩10N m安全系数2 输出谐波减速器需转矩计算：
选择型号XB350100谐波减速器
额定输出转矩减速分：20Nm i1100
设谐波减速器传递效率：计算出步进电机应输出力矩：
选择型号55BF003BF反应式步进电机
静转矩：0686Nm
步距角：15°
54臂计算
选10号工字钢理重臂长600mm
较核：（N）
取75N
受力图
F75+105180（N）
根材料力学公式511
中h表示工字钢长度b表示 工字钢腰部长度Q表示受力
选10号工字钢合适
55 轴设计计算
轴直径20mm材料45号钢
受力图
验算：
F180N
合适
56 轴承选择
轴承仅承受径力轴承承受轴力径力选择圆锥滚子轴承根机械零件手册表961（GB 297 84）选择7304E d20 mm e03
57 轴承校核
臂轴承工件工作期间低速振荡需进行轴承试验果接触应力太永久压痕会增加（材料具接受永久变形）选择负载力公式：
根机械设计1317
中静载荷表示轴承静强度安全系数表示轴承决定根机械设计表38 作摇晃运动轴承碰撞时产生载荷
处15
轴承受纯径载荷
轴承合适
轴承受径轴载荷
R径载荷
A轴载荷
X Y分代表径轴载荷系数根机械设计表13－5查取需参数值
：
进
轴承适合承受力较必进行校准
58 计算轴承摩擦力矩：
果 （CP分表基额定动载荷量动载荷）根机械设计手册第二版 (16113)公式
估算数值
式子中FD分滚动轴承摩擦数轴承载荷轴承径
查表
根机械设计手册第二版 表16129
样估算
保留两位数01
59步进电动机齿轮选择
驱动机械臂力需精度没特高求控制越方便越选择步进电动机时候误差容易积累类型
选择步距角度较时达静转矩两求满足情况矩频特性考虑转速参数表选45BF005
相关参数：步电动机矩角15°U27V静转矩02NMm400gD45mml58mm轴直径4mm
验证精度发现满足求：
采级齿轮传动目提高精度：5
齿数分二十七十
根机械原理表82标准模数系列表GB135787取m1取
齿轮宽度计算：
根机械设计表107 圆柱齿轮齿宽度系数
两轴承相齿轮称布置取值范围0914间文取1
两齿轮组装机械手机应避免少量齿轮轴错位齿轮齿轮宽度减宽度需增加需24 mm
6 臂设计计算
61臂部结构设计基求
关节型机械手中臂机身臂结合起带动臂做旋转
重零部件臂部运动目带动臂部运动样手部抓取工件意方转动达工作需假改变手部旋转姿势机械手臂部度实现般说臂部设计基求
(1)臂应强承受力硬度身质量轻
手臂部通常弯曲(方发生弯曲)扭曲更硬度弯曲抗扭横截面形状具等横截面积重量基致前提圆钢轴力矩远工字钢钢槽钢制造关节型机械手导杆时钢合适材料工字钢槽钢作支撑钢样仅提增机械手臂硬度幅度降低身重量空心部装备驱动装置传动装置道机械臂结构紧密外部形状起美观节省制作时材料
(2)臂运动速度快惯性
通常情况手臂工作时运动速度均匀正常工作样启动关闭时候运动状态发生改变瞬时速度发生变化求机械手开始时加速度太停止时速度快避免发生碰撞损坏然会引起手臂碰撞
(3)减少刚体绕轴转动时惯性量度作出规定
第机械臂制作应选择重轻定刚度硬度材料
第二机械臂整体尺寸量缩减
第三回转半径应量减
第四缓装置设置必少
(4)手臂应灵活运转
降低臂工作时工件间存摩擦力选滚动摩擦换滑动摩擦
(5)求较高位置精度
机械手位置精度关节手类型关节型机械手属较难定位位置精度控制种类型更需关节型机械手设计程中位置精度提出更高求提高机械臂定位精度臂设置定位装置时应设置相应位置检测装置
机械臂外壁材料采铝合金机械臂强度硬度达求时降低机械臂质量降低机座关节型电动机承受重量增机械臂运动时瞬时反应困难壁厚铸造：种样合金材料适合厚度
种样合金壁厚样壁厚材料尺寸相关表反映壁厚尺寸材料关系：
表描述砂型铸件结构设计特点铸造工艺特殊情况工艺方法应根铸件结构应采铸造方法性样关节型机械臂外币材料采铝合金生产方式铸造
62 臂结构设计
臂机身材料铸铝材料形状长方形身体重较轻具较强度硬度
63 臂电机减速器选型
假设臂部围绕轴质量：
臂转速分钟十转 转矩：
式中：T 旋转开始时转矩 Nm
J – 转动惯量 kgm2
角加速度rads2
花费时长：：
考虑惯性力矩围绕机器臂部分重心摩擦力矩时臂旋转开始时假设起动扭矩
10Nm安全系数2 输出谐波减速器需转速：
选择谐波减速器：
⑴型号：XB350120 （XB3型扁式谐波减速器）
额定输出转矩：20Nm
减速：i1120
设谐波减速器传递效率：步进电机应输出力矩：
选择BF反应式步进电机
型号：55BF003
静转矩：0686Nm
步距角：15°
64臂计算
选14号工字钢理重臂长700mm
较核：（N）
取140N
受力图
书中公式知：
中h表示工字钢长度b表示工字钢腰部尺寸Q表示受力
算出
结果表明10号工字钢适合
65 轴设计计算
轴材料选择45号钢D20mm
受力图
验算：
材料选择直径选取
66轴承选择
工件工作时臂轴承总低速摆动需进行轴承检查果接触应力太永久压痕会增加（材料具接受永久变形）轴承载荷：
式中分静载荷轴承静强度安全系数根书表中数碰撞时产生载荷选择15合适
轴承受纯径载荷
知轴承选择
轴承受径轴载荷
R径载荷
A轴载荷
X Y分代表径轴载荷系数需参数值根机械设计表13－5查取
知轴承选择必校准受力
67 轴承摩擦力矩计算
果 （C表示基额定动载荷P表示受量动载荷）数值根机械设计手册第二版 (16129)公式
估算
中滚动轴承摩擦数代表轴承载荷F代表轴承径d代表
查表机械设计手册第二版 表16129
公式估算
根机械设计手册第二版 表16129
公式估算
取01
68步进电动机齿轮选择
机械臂需较少驱动功率需精度高选择具实际控制输出角度没频繁累积误差步进电机
步进电机选择：步进角必须更需静态扭矩发动机转速低需考虑转矩频率曲线请根机械电气设计般说明中表211中反应型BF步进电机技术参数检查表格
选择45BF005相关参数：
步进电机扭矩角15°U27V静止扭矩0196Nmm400g外径45mm长度58mm轴直径4mm
进行精度验算发现：
精度满足求直接传动性排需变速机构辅助完成传动处选择直齿圆柱齿轮合适
级齿轮传动助提高精度：
齿数分二十七十
根书相关参数表取
齿轮宽度计算：
根机械设计表107 圆柱齿轮齿宽度系数
两承相齿轮进行称布置取09—14选择1合适
两齿轮组装机械手应避免少量齿轮轴错位齿轮齿轮宽度减需适加宽需24 mm
7 机身设计
机械手机身直接支承传动手臂部件通常促进机械臂运动起落回旋等操作驱动装置传动构件装配体组成机身体底盘相通机械臂身躯配置组成说明机械手机构基分布
机械臂机构体设计座椅式机械臂装置独立具独立系统整体机构易意摆放移动具行走功机械臂装置底座中柱间常回旋型机械臂装置手臂旋转齿轮减速器轴旋转带动机身旋转实现度
机身部运电动机带动机身回旋转动
带动机身回转电机：
初选转速 W 60ºs
N 16转秒
10转分
齿轮 I 3
减速器 I 30
n 10×3×30900转分
Y90L6型笼型异步电动机
电动机采B级绝缘外部防护等级IP44降温方式I（014）U380VP50Hz
表 Y90S6电动机技术数示：
Y90L6电动机技术
型号
额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
转矩
电流
A
转速
rmin
效率
功率素
额定电流
额定转矩
额定转矩
Y9OL6
11
32
910
735
072
60
20
20
8 电机选型关参数计算
81 相关参数计算
(1) 果传动负载运动方式直线运动
负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
负载：
起动时间：
制动时间：
(2) 传动负载作回转运动
负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
起动时间：
制动时间：
式中 额定功率KW
加速功率KW
负载轴回转速度rmin
电机轴回转速度rmin
负载速度mmin
减速机效率
摩擦系数
负载转矩（负载轴）
电机启动转矩
负载转矩（折算电机轴）
负载
负载（折算电机轴）
电机
机械臂腰部没受扭转力摩擦力存旋转轴
式中 滚动轴承摩擦系数取0005
机械手身负载重量取100
回转轴传动齿轮分度圆半径R240
数带入计算结果 012
时腰部回转速度定5rmin传动定1120
带入数： 1045667
带入计算公式式算出：
计算出启动停止时间
负载转矩（折算电机轴）算出：
82 电机型号选择
文计算分析选择三种型号步进电机： 110BYG550BSAKRMA0301 110BYG550BSAKRMT0301 110BYG550BBAKRMT0301
选择步进电机具特点：转矩高振副频率种功较良面型电机矩频关性参数
采升频升压驱动方式步距角度036°
机械臂腰部齿轮传动百二减速步进电动机驱动旋转轴理电动机实际步进角应该旋转轴实际步进角120倍旋转角步距角时非常精度非常高满足机械手工作时位置确定
图32 选电机相关参数
总结展
文首先研究关节型机械手臂整体机构运转方式功重点完成重零件设计计算
关机械手制作设计程解传感器技术控制技术等然需更深步讨者研究：
(1)机械手机械结构进步优化升级
机械手设计制造程中关键两部分机械臂设计二模块细节化设计机械臂重零部件进行协调设计规结构规划保证组合成系统整体时效运转设计程中参数选择合理运算符合强度硬度方位求相零件满足设计求值实际零件会计算选择结果非关键零部件设计通常会采前验进行型号选择样会导致制造零件时材料浪费形间增加机械制造成
（1）机械臂设计程中计算机限元软件分析较工具笔者缺乏相关软件解认知零件强度刚度机械臂动力学分析达结构次设计中没进步学
（2）笔者文中没深入讨机械手控制系统建立控制系统中涉运动控制路径规划进行定位导航等等技术研究方
机械手工厂非制造业公司中非常广阔途着技术提升会更广阔技术前景应军事中话国国防军事力量显著进步次机械手毕业设计中笔者学积累量理应实际验关节型机械手认知更深刻相信笔者改良机械手进程中贡献份力量机械手臂技术更先进实程度更高
致 谢
三月毕业终文终完成期间成功完成四年学知识终设计步步进行理设计计算机械结构设计技术图纸绘制撰写设计规范等理水实际操作技设计进步改进关技设计分析实际应等方面实践时采前学知识巩固加强
终项目已成功完成导师学专业知识方面帮助想先谢谢初步设计阶段准备阶段导师非常关注设计题目出题方帮助分析题行性实际情况中出现问题选择程中展示需掌握知识量帮助分析设计知识困难原便终设计够利进行
时感谢学里没帮助四年老师教诲学专业知识未工作未学奠定坚实基础正老师敬业精神更加解应该做事做关未生活更深刻印象真诚感谢帮助老师外感谢许学生许想法建议启发谢谢
时间知识技限文中存缺陷错误希老师批评纠正谢谢
参考文献：
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机械手顾名思义机械原件做成手样器械代手完成量重复复杂危险工作机器手机械电子相互结合产生产品机械手目点：劳动生产率提升加工程更先进更高效减轻劳动负担改善劳动环境等等求进行动化技术装备机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量常工业生产中出现频繁工件法手工解决困难时机械手完美代手进行工业生产劳动机械手工作环境相广泛高低温放射性等毒污染环境工作占相优势机械手工厂运作中占着代作
次课程设计基机械设计原理解四度关节型机械手基信息介绍范围设计原理步骤设计台着四度关节型机械手机械手发明极改善工工作环境简化工工作容提高整体生产劳动效率类生产活动中利帮手文运机械手工作原理设计四度设计等方面专业知识设计四度关节型机械手程中结合已知识解决程中难题进行深入探讨已基础融入创意想法机械手设计更简洁实性更强
关键词：关节型机械手机械设计四度
ABSTRACT
The manipulator as the name implies is a humanlike device made of mechanical originals which can replace a lot of repetitive complicated and dangerous work The robot is a product produced by the combination of machinery and electronics The purpose of using the robot is as follows the labor productivity is improved the processing process is more advanced more efficient the labor burden is reduced the working environment is improved and the like Automated technical equipment is available upon request The robot can replace the manual work reduce the labor consumption improve the physical and equipment conditions required in the work and increase the number of products produced per unit time When the frequent occurrence of frequent workpieces in industrial production cannot be solved by hand it is the most effective way to use the robot at this time moreover the robot can work under high and low temperature radioactive and other toxic pollution environments occupying considerable advantages Therefore the robot plays an irreplaceable role in the operation of the factory
This course design is based on the mechanical design principle After understanding the basic information of the fourdegreeoffreedom articulated manipulator the scope of its use is introduced An articulated manipulator with four degrees of freedom is designed according to the design principles and steps The invention of the robot greatly improved the working environment of the workers simplified the work content of the workers and improved the overall production labor efficiency which is a favorable helper in human production activities This thesis uses the professional knowledge of the working principle and indepth discussion How to integrate your own ideas and ideas on the existing basis so that the robot is designed to be more concise and practical
Key Words Articulated manipulatorMechanical DesignFour degrees of freedom
目录
1 绪 1
11 引言 1
12 设计目 2
13 关节机械手研究概况 2
131 国外研究现状 2
132国研究现状 3
14 关节型机械手构成机件作 4
2 总体方案设计 5
21 机械手工程概述 5
22 工业机械手总体设计方案述 6
23 机械手机械传动原理 7
24 机械手总体方案设计 8
3手部设计计算 9
31手部设计求 9
32拉紧装置 10
33机械运动范围（速度） 12
34手部右腔流量 12
35手部工作压强 12
4 移动关节设计计算 12
41驱动方式较 12
42汽缸设计 13
5臂设计 16
51 臂结构设计求 16
52 臂结构设计 16
53臂电机减速器选型 16
54臂计算 17
55 轴设计计算 18
56 轴承选择 18
57 轴承校核 18
58 计算轴承摩擦力矩： 19
59步进电动机齿轮选择 20
6 臂设计计算 20
61臂部结构设计基求 20
62 臂结构设计 22
63 臂电机减速器选型 22
64臂计算 23
65 轴设计计算 24
66轴承选择 24
67 轴承摩擦力矩计算 25
68步进电动机齿轮选择 25
7 机身设计 27
8 电机选型关参数计算 27
81 相关参数计算 28
82 电机型号选择 30
总结展 31
致 谢 32
参考文献 33
1 绪
11 引言
世纪八十年代国社会济科学技术取突飞猛进进展科学技术领域机器学断发展进步机械设计制造技术方面取非常高成果机械手机械电子融合创新出款产品结合学科知识非常价值新生产品机械手类型中关节型机械手途广泛占重位置关节型机械手研究结合许科学力学电子学信息计算机等时机械手诞生改良升级程中促进种学科发展容更新关节型机械手许机械手类型工作环境
世界第台工业机械手诞生世纪五十年代末出现机械手开创新历史时代伴科技进步机械手形态范畴工作容断改变
日早稻田学加藤郎教授认机械手功重特征机械手双臂具极高动调节功维持系统动态衡电灯泡发明者爱迪生说：造物者鬼斧神工中类双臂双腿伟杰作说明双臂重程度机械说机械手等重单范围广具强适应环境力正样功机械行业发现开辟限广阔前景机械行业方面奠定坚实基础
制作出种样机械手生产生活中具备作包括方面：制造出机械手种类型工作环境中代工操作避免危险重复单调工作工浪费伤害机械手熟悉掌握类基特征生活等帮助例：造假肢拥非常充足动力学特证方面讨力学机械探索发展机械手属动化机械手类生产生活中表现出关重作
关节型机械手定义世界没明确规定分类方式美国机械手协会机械手定义——联合国采种定义方式：关节型机械手机械手臂种重复编程操作种动作功机械装置通机械动作编程方式改变执行工作容作搬运工件传递工件等通外国理解国机械手介绍总结关节型机械手定义：
关节型机械手种动操作机器手臂实现度移动灵活程度非常高动操作机器动进行搬运传动种样物体
关节型机械手机械手具备快速移动速度运输身质量零件定位操作准确度手达根输入求外部信号改变机械手执行种务时更正调节工作容
关节型机械手手臂具强刚性计算机控制系统属机械手系统种够机械手动运动机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量然机械手出现发展30年历史着独特优点世界种行业领域应着非常发展前景种行业发展做出巨贡献
12 设计目
次设计学四年学机械设计制造动化关知识完成具搬运功求关节型机械手设计程中考察动化专业学生机械制造原理机械设计原理机械手相关专业知识握程度理应实际力考察学生否具备合格专业力该毕业设计指导目标非常明确希动化毕业生够学致理知识运实践程中完成关节型机械手整设计程
完成机械手设计制造需生产线数控车床铣床等加工整机械手制造程全动化国制造行业年发展形势较国家投入量力物力聚拢资金进入制造行业造制造业迅速发展次机械手加工交工厂车间动车床进行较满足加工求机械手代手工进行工作降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量
13 关节机械手研究概况
131 国外研究现状
Muybridge早研究动物运动机制学者发明种相机种触发相机种相机拍摄种样动物奔跑时片Demeny相机类运动进行拍片进行深刻研究世纪三十五十年代间前苏联科学家——伯恩斯坦运生物动力学理动物运动机制进行长达二十年研究提出理成果
20世纪60年代机械手进行全面研究目前止机械手研究具较完整理体体系日美国苏联等国家机械手已研制成功
世纪六十年代末机械手控制理取突破性进展三种重控制方法提出成学者参考标准三种控制方法分模型参考控制算法控制限状态控制种样机械手3种控制方法中适美国学者Farnsworth提出模型参考控制南斯拉夫学者Mikhail提出算法控制美国学者Vukobratovic提出限状态控制三种控制方法独立存相互间某种深层次关系
步态研究许学者提出法苏联Umnov等学者提出优步态定义Kugushev等解释什步态步态规步态组相概念面情况整机械工作时设置步序行进适应实际情况会出现诸失误机械走路时应该充分考虑环境影响实时改进步伐适应面环境种步态称步态
提高机械手稳定性美国学者Hemami等提出果系统身稳定性系统控制力简化成倒立振子模型机械前进运动振子倒立状态恢复成直立状态控制更简便容易Hemami等研究机械手降阶模型问题
提出限状态控制方式美国学者Vukobratovic研究着时间推移联合系统力会逐渐改变没机械手耗问题进行研究探索中Vukobratovic提出非常关键问题表面越光滑该系统损耗功率越
132 国研究现状
中国机械手探究发展相外国迟段时间1980左右中国开始工作行业进行探索操作1986年进行第七五年机械手项目进行考察世纪80年代末国正式高度重视机械手设计制造该技术探索列入国863高技术计划中直现国然断机械手技术进行研究探索推出新研究成果前国机械手技术探究原世界国家机械手设计探究接轨然获成果
世纪八十年代中期国研究学者制作出款两脚机械手型号HITI长度110厘米质量70公斤包含10度面移动左右两侧移动移动距离45cm移动速度10步秒制作HITIIHITIII质量42公斤长度103厘米包含12度移动距离25厘米移动速度达23步秒目前持续研发新型机械手度超50移动距离移动速度前面研究基础提高档次
1988年国成功研制方位运动机械手单直线前行走时楼梯型号
KDW1包含着六度高移动距离40厘米移动速度达四步秒接着年制作出KDW1升级款——KDWII度做拓展总十度长度达69厘米质量减少13公斤1990年KDWII表面添加机械手变成KDWIII包含12度工作时手臂旋转完成工作时方运动中移速度08步秒移动距离20厘米～22厘米中面坡面间夹角13度2000年根KDWIII条件利制造出国台仿动作先行者中高度14m质量20kg具类五官特征具语言功
14 关节型机械手构成机件作
关节型机械手三部分构成包含执行驱动双重系统机械系统二控制系统第三部分智系统
（1）执行系统：关节型机械手执行系统完成关节部件操作整执行系统包含系列零件手臂手腕机身等时零件完成动作包含
（a）末端执行器：机械手想举起搬动挪动工件需末端执行器配合执行
(b) 手腕：手爪手臂连接部位手爪工作求进行角度运动
(c) 臂部：连接机座手部部分旋转升降等手抓移动种位置承受手抓抓工件质量扩机械手工作中活动范围时载荷传递机座
(d) 机身：机械手根源手臂运动机械手需机身进行支撑
(2) 驱动系统：认机械手重部分机械手想完成种运动操作需驱动系统供量驱动系统定位等
(3) 控制系统：通驱动系统控制执行系统根需求完成务机械手运动遇困难时会时出信息
通种工厂情况关节型机械手相较力完成许完成繁琐重复工作完成手完成危险高难度工作机械手应
降低劳动消耗程度改进工作中需物质设备条件提升单位时间制作产品数量工业生产中常出现工件重者种原双手法进行工作时候机械手优势体现出时该机械手高低温放射性等毒污染环境工作占相优势具良发展前景
2 总体方案设计
21 机械手工程概述
机械手工程具强综合性包括种样知识力学机构学仿生学机械设计机械制造广电学传感技术计算机技术动控制技术等系统现学科容知识结合起解决综合复杂工程问题机械手制造方面工程学觉应该做整系统进行探索开发创新应系统外部组成部分机结合起
系统实整体眼光处机械部位机械部位单零件机结合整体许子系统定规律进行组合更更统系统系统作整体存果拆分成零部件系统功会丧失整体宏观意识设计制作机器时应该首先明确整系统框架工作机制系统具特点：
（1）整体性：系统具完整属性拆分开话功丧失
（2）相关性：系统中相互配合协调工作系统零部件具相关性
（3）目性：系统针性目性完成工作样时结合方式系统功会相应变化
（4）环境适应性 ：系统会着环境改变适应相应环境
机械手设计制造中单单零部件设计关键需零部件成整体进行考虑功进行考察满足机器功零件组合成功系统制造出具良机械手产品机械工厂中满足工作需求复杂机械手中系统组成非常复杂
工业操作中机械手功样调整灵活性重优势特点柔性制造系统中机械手发挥重作灵活传送类零件完成零件组合装配等柔性制造系统中机械手外基础工艺设备辅
助设备控制装置通相互配合组成种功技术综合体系制造业生产部门非制造业会机械手系统制造业类似例医疗农军工采矿交通运输等
22 工业机械手总体设计方案述
（）确定负载
国外目前普遍机械手额定负载差范围较负载已超九千N额定负载5N更低机械手额定负载素关：运动方机械接口受力扭矩确定机械手负载机械手设计中较关键步机械手末端执行器质量关节结构部件质量力扭矩源外包含工件运动中加速度速度产生惯性力通次设计参数知道负载数值
（二）驱动方式
伺服电动机优势控制系统中具较控制性够精准控制速度位置灵活性较强等等该驱动方式噪音较周围环境产生影响高效率适中型机械手中机械手运动中具严格控制求次设计选伺服电机驱动
（三）传动系统设计
机械手装置中量机构变紧密质量较轻减少惯性力降低占面积首先传动链中需间隙进行处理间隙提升机械手运动稳定性精准点位传动系统中常传动机构包括：齿轮传动蜗杆传等齿轮传动具备高效率精确传动机构紧密作业时质量保障时间长加学期间传动系统学更掌握传动设计齿轮传动系统适合次机械设计
（四）工作范围
机械手工作范围较广局限性工业操器操作期间操作范围轨道机械手工作范围衡量标准工作方实现工作方外形面积会机械手机械坐标度数机械臂长短影响时工作点会影响机械手臂关节旋转角度整机械手移动范围
（五）运动速度
确定机械手机械臂工作时运动范围接确定机械臂运动速度ms表示机械臂运动时间分派中非常素需考虑例：机械臂旋转圈需时间考虑机械臂工作时先序应制作机械臂工作时间表格进行分析制作时间表格时仅需思考机械臂工作时运动范围需考虑定位精度否满足求驱动控制采种方式机械臂路径长短规划
23 机械手机械传动原理
图关节型机械手示意图：
关节型机械手示意图
关节型机械手组成部件：
机身部位列举出基座齿轮传动构件轴承步进电动机等机身底座支撑支撑旋转机械臂部件臂应具非常高硬度度容量关节操器支持工作重量负载需底座底部面积确保机器运动程中够正常工作
机械臂手臂样分半部分臂包括步进电动机整臂架齿轮传动装置半部分臂——包括臂驱动轴传动带等臂左端安装手腕运动电动机
24 机械手总体方案设计
图展示关节型机械手运动三旋转机构完成机械手运动机械手结构十分紧凑占面积工作时具较灵活性机械手身长度说机械手工作环境较完成需工作需求种关节型机械手生产生活着起着关重作焊接喷漆搬运装配等工作关节型机械手生产生活普遍
务书数求应选择机械手类型关节型
技术参数见表11
3手部设计计算
31手部设计求
(a)夹紧力应合适
机械手臂足够夹紧力夹住工件避免工件掉落时夹紧力太容易导致工件形状发生变化求破坏工件面粗糙度刚性较工件夹取力度完全变应该留调节余应该设置动锁保证工作时工件安全
(b)开闭范围应保持足够
工件外部圆直径长度知夹具尺寸少120mm
机械手手抓具开关闭功手抓抓取零件手爪开关闭两点间远距离做闭合区间机械手开闭范围受素影响例零件样式零件表面积尺度通常假工作条件状况允许情况手爪开关闭间距离应该变样满足零件工作求图示：
(c) 手抓设置应合理
手腕前端手抓位置操作期间运动状况变完整手抓机构构造受零件质量占面积影响手爪部具抓取零件确定位置准确度运动速度等功手抓设置制作程中应充分考虑机构简单便利需求重较增加整体占空间
(d) 机械臂手指具较强度刚度
(e)求外应满足：
工件重量形状进夹紧机械手机构常外卡式双指钳口夹取零件常方法弹簧进行加紧零件松开零件时单式液压缸样处制作程较简单
32拉紧装置
图整油缸工作示意图油缸右边机器里进油时弹簧身弹力工件夹紧进油时单式液压缸弹簧工件松开
P
（1）设定活塞直径D50mm系统压力P25Mpa计算右腔推力：
（2）根手爪抓取工件位置通查表出夹紧力计算公式：
中 N′498N392N带入公式计算：
求实际加紧力：
取整：F13500N
公式：
（3）手部活塞杆行程长L计算
取整：L25mm
（4）确定V型钳爪Lβ
取LRcp3
式中： RcpP4200450
公式：L3×Rcp150
选机械手手部角度2α120º旋转角β采取优旋转角
查表：
β22º39′
33机械运动范围（速度）
(a)伸缩运动 Vmax500mms
Vmin50mms
(b)升运动 Vmax500mms
Vmin40mms
(c)降Vmax800mms
Vmin80mms
(d)回转 90ºs
30ºs
取手部驱动活塞速度V60mms
34手部右腔流量
60
60×314×25²
11775mm³s
35手部工作压强
350019625178Mpa
4 移动关节设计计算
41驱动方式较
机械手驱动方式四种：根驱动液体气体压力分液压气压驱动外电机驱动机械传动机械手驱动方式少中种组合式工作较复杂机械手中采取种方式驱动种驱动特点见表41
42汽缸设计
气压运行时较组成气动元件加工零件形状尺寸低液压环境没影响工作时活动灵活反应快保养外型容易利起安全方物体力没必太选气压传动
汽缸型选择：活塞回移动时间较长回反复移动动选单活塞汽缸采挤压气体方式活塞回反复运动
令活塞杆直径d12mm活塞杆质量估算：
取整约等5N
取80N
气压缸径D计算
液压传动气压传动公式 131
D表示汽缸里面圆(m)P表示工作压力（Pa）表示单位时间担负工作量中单位时间担负工作量汽缸工作压力定关系取查液压传动气压传动表132 汽缸垂直安装取P03般选03
根液压传动气压传动表133出圆直径40mm
般选03
mm
汽缸壁厚计算
根液压传动气压传动表135查
汽缸重量计算
中：R表示汽缸外部圆半径r表示汽缸里面圆半径h表示汽缸尺寸g取10表示汽缸材料密度
取25N
5臂设计
机械臂机械手操作部分功支持手爪手腕机械臂零件方位发生变化手臂运动决定手爪活动范围
51 臂结构设计求
(1) 臂选取材料坚固应正确选机械臂部表面外形尺寸普通钢做机械臂导杆支撑板工字钢槽钢制成保证刚度求达佳选材效果
(2) 偏重力矩
(3) 机械臂身质量惯量太减机械臂工作程中遭受击碰撞缓解决办法时机械臂结构应该设置更紧凑合理保障体性重量需达较轻程度样降低惯性力
(4) 具较导性
52 臂结构设计
臂表面采工字钢造型抗变型程度显著增强臂表面积设计更降低机械手臂重量降低制造成手臂活动起方便快捷
53臂电机减速器选型
臂转速w设置15度角速度0直增加15度需时间输出转矩计算：
考虑惯性力矩围绕机器臂部分重心摩擦力矩时臂旋转开始时假设起动扭矩10N m安全系数2 输出谐波减速器需转矩计算：
选择型号XB350100谐波减速器
额定输出转矩减速分：20Nm i1100
设谐波减速器传递效率：计算出步进电机应输出力矩：
选择型号55BF003BF反应式步进电机
静转矩：0686Nm
步距角：15°
54臂计算
选10号工字钢理重臂长600mm
较核：（N）
取75N
受力图
F75+105180（N）
根材料力学公式511
中h表示工字钢长度b表示 工字钢腰部长度Q表示受力
选10号工字钢合适
55 轴设计计算
轴直径20mm材料45号钢
受力图
验算：
F180N
合适
56 轴承选择
轴承仅承受径力轴承承受轴力径力选择圆锥滚子轴承根机械零件手册表961（GB 297 84）选择7304E d20 mm e03
57 轴承校核
臂轴承工件工作期间低速振荡需进行轴承试验果接触应力太永久压痕会增加（材料具接受永久变形）选择负载力公式：
根机械设计1317
中静载荷表示轴承静强度安全系数表示轴承决定根机械设计表38 作摇晃运动轴承碰撞时产生载荷
处15
轴承受纯径载荷
轴承合适
轴承受径轴载荷
R径载荷
A轴载荷
X Y分代表径轴载荷系数根机械设计表13－5查取需参数值
：
进
轴承适合承受力较必进行校准
58 计算轴承摩擦力矩：
果 （CP分表基额定动载荷量动载荷）根机械设计手册第二版 (16113)公式
估算数值
式子中FD分滚动轴承摩擦数轴承载荷轴承径
查表
根机械设计手册第二版 表16129
样估算
保留两位数01
59步进电动机齿轮选择
驱动机械臂力需精度没特高求控制越方便越选择步进电动机时候误差容易积累类型
选择步距角度较时达静转矩两求满足情况矩频特性考虑转速参数表选45BF005
相关参数：步电动机矩角15°U27V静转矩02NMm400gD45mml58mm轴直径4mm
验证精度发现满足求：
采级齿轮传动目提高精度：5
齿数分二十七十
根机械原理表82标准模数系列表GB135787取m1取
齿轮宽度计算：
根机械设计表107 圆柱齿轮齿宽度系数
两轴承相齿轮称布置取值范围0914间文取1
两齿轮组装机械手机应避免少量齿轮轴错位齿轮齿轮宽度减宽度需增加需24 mm
6 臂设计计算
61臂部结构设计基求
关节型机械手中臂机身臂结合起带动臂做旋转
重零部件臂部运动目带动臂部运动样手部抓取工件意方转动达工作需假改变手部旋转姿势机械手臂部度实现般说臂部设计基求
(1)臂应强承受力硬度身质量轻
手臂部通常弯曲(方发生弯曲)扭曲更硬度弯曲抗扭横截面形状具等横截面积重量基致前提圆钢轴力矩远工字钢钢槽钢制造关节型机械手导杆时钢合适材料工字钢槽钢作支撑钢样仅提增机械手臂硬度幅度降低身重量空心部装备驱动装置传动装置道机械臂结构紧密外部形状起美观节省制作时材料
(2)臂运动速度快惯性
通常情况手臂工作时运动速度均匀正常工作样启动关闭时候运动状态发生改变瞬时速度发生变化求机械手开始时加速度太停止时速度快避免发生碰撞损坏然会引起手臂碰撞
(3)减少刚体绕轴转动时惯性量度作出规定
第机械臂制作应选择重轻定刚度硬度材料
第二机械臂整体尺寸量缩减
第三回转半径应量减
第四缓装置设置必少
(4)手臂应灵活运转
降低臂工作时工件间存摩擦力选滚动摩擦换滑动摩擦
(5)求较高位置精度
机械手位置精度关节手类型关节型机械手属较难定位位置精度控制种类型更需关节型机械手设计程中位置精度提出更高求提高机械臂定位精度臂设置定位装置时应设置相应位置检测装置
机械臂外壁材料采铝合金机械臂强度硬度达求时降低机械臂质量降低机座关节型电动机承受重量增机械臂运动时瞬时反应困难壁厚铸造：种样合金材料适合厚度
种样合金壁厚样壁厚材料尺寸相关表反映壁厚尺寸材料关系：
表描述砂型铸件结构设计特点铸造工艺特殊情况工艺方法应根铸件结构应采铸造方法性样关节型机械臂外币材料采铝合金生产方式铸造
62 臂结构设计
臂机身材料铸铝材料形状长方形身体重较轻具较强度硬度
63 臂电机减速器选型
假设臂部围绕轴质量：
臂转速分钟十转 转矩：
式中：T 旋转开始时转矩 Nm
J – 转动惯量 kgm2
角加速度rads2
花费时长：：
考虑惯性力矩围绕机器臂部分重心摩擦力矩时臂旋转开始时假设起动扭矩
10Nm安全系数2 输出谐波减速器需转速：
选择谐波减速器：
⑴型号：XB350120 （XB3型扁式谐波减速器）
额定输出转矩：20Nm
减速：i1120
设谐波减速器传递效率：步进电机应输出力矩：
选择BF反应式步进电机
型号：55BF003
静转矩：0686Nm
步距角：15°
64臂计算
选14号工字钢理重臂长700mm
较核：（N）
取140N
受力图
书中公式知：
中h表示工字钢长度b表示工字钢腰部尺寸Q表示受力
算出
结果表明10号工字钢适合
65 轴设计计算
轴材料选择45号钢D20mm
受力图
验算：
材料选择直径选取
66轴承选择
工件工作时臂轴承总低速摆动需进行轴承检查果接触应力太永久压痕会增加（材料具接受永久变形）轴承载荷：
式中分静载荷轴承静强度安全系数根书表中数碰撞时产生载荷选择15合适
轴承受纯径载荷
知轴承选择
轴承受径轴载荷
R径载荷
A轴载荷
X Y分代表径轴载荷系数需参数值根机械设计表13－5查取
知轴承选择必校准受力
67 轴承摩擦力矩计算
果 （C表示基额定动载荷P表示受量动载荷）数值根机械设计手册第二版 (16129)公式
估算
中滚动轴承摩擦数代表轴承载荷F代表轴承径d代表
查表机械设计手册第二版 表16129
公式估算
根机械设计手册第二版 表16129
公式估算
取01
68步进电动机齿轮选择
机械臂需较少驱动功率需精度高选择具实际控制输出角度没频繁累积误差步进电机
步进电机选择：步进角必须更需静态扭矩发动机转速低需考虑转矩频率曲线请根机械电气设计般说明中表211中反应型BF步进电机技术参数检查表格
选择45BF005相关参数：
步进电机扭矩角15°U27V静止扭矩0196Nmm400g外径45mm长度58mm轴直径4mm
进行精度验算发现：
精度满足求直接传动性排需变速机构辅助完成传动处选择直齿圆柱齿轮合适
级齿轮传动助提高精度：
齿数分二十七十
根书相关参数表取
齿轮宽度计算：
根机械设计表107 圆柱齿轮齿宽度系数
两承相齿轮进行称布置取09—14选择1合适
两齿轮组装机械手应避免少量齿轮轴错位齿轮齿轮宽度减需适加宽需24 mm
7 机身设计
机械手机身直接支承传动手臂部件通常促进机械臂运动起落回旋等操作驱动装置传动构件装配体组成机身体底盘相通机械臂身躯配置组成说明机械手机构基分布
机械臂机构体设计座椅式机械臂装置独立具独立系统整体机构易意摆放移动具行走功机械臂装置底座中柱间常回旋型机械臂装置手臂旋转齿轮减速器轴旋转带动机身旋转实现度
机身部运电动机带动机身回旋转动
带动机身回转电机：
初选转速 W 60ºs
N 16转秒
10转分
齿轮 I 3
减速器 I 30
n 10×3×30900转分
Y90L6型笼型异步电动机
电动机采B级绝缘外部防护等级IP44降温方式I（014）U380VP50Hz
表 Y90S6电动机技术数示：
Y90L6电动机技术
型号
额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
转矩
电流
A
转速
rmin
效率
功率素
额定电流
额定转矩
额定转矩
Y9OL6
11
32
910
735
072
60
20
20
8 电机选型关参数计算
81 相关参数计算
(1) 果传动负载运动方式直线运动
负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
负载：
起动时间：
制动时间：
(2) 传动负载作回转运动
负载额定功率：
负载加速功率：
负载力矩：
起动时间：
制动时间：
式中 额定功率KW
加速功率KW
负载轴回转速度rmin
电机轴回转速度rmin
负载速度mmin
减速机效率
摩擦系数
负载转矩（负载轴）
电机启动转矩
负载转矩（折算电机轴）
负载
负载（折算电机轴）
电机
机械臂腰部没受扭转力摩擦力存旋转轴
式中 滚动轴承摩擦系数取0005
机械手身负载重量取100
回转轴传动齿轮分度圆半径R240
数带入计算结果 012
时腰部回转速度定5rmin传动定1120
带入数： 1045667
带入计算公式式算出：
计算出启动停止时间
负载转矩（折算电机轴）算出：
82 电机型号选择
文计算分析选择三种型号步进电机： 110BYG550BSAKRMA0301 110BYG550BSAKRMT0301 110BYG550BBAKRMT0301
选择步进电机具特点：转矩高振副频率种功较良面型电机矩频关性参数
采升频升压驱动方式步距角度036°
机械臂腰部齿轮传动百二减速步进电动机驱动旋转轴理电动机实际步进角应该旋转轴实际步进角120倍旋转角步距角时非常精度非常高满足机械手工作时位置确定
图32 选电机相关参数
总结展
文首先研究关节型机械手臂整体机构运转方式功重点完成重零件设计计算
关机械手制作设计程解传感器技术控制技术等然需更深步讨者研究：
(1)机械手机械结构进步优化升级
机械手设计制造程中关键两部分机械臂设计二模块细节化设计机械臂重零部件进行协调设计规结构规划保证组合成系统整体时效运转设计程中参数选择合理运算符合强度硬度方位求相零件满足设计求值实际零件会计算选择结果非关键零部件设计通常会采前验进行型号选择样会导致制造零件时材料浪费形间增加机械制造成
（1）机械臂设计程中计算机限元软件分析较工具笔者缺乏相关软件解认知零件强度刚度机械臂动力学分析达结构次设计中没进步学
（2）笔者文中没深入讨机械手控制系统建立控制系统中涉运动控制路径规划进行定位导航等等技术研究方
机械手工厂非制造业公司中非常广阔途着技术提升会更广阔技术前景应军事中话国国防军事力量显著进步次机械手毕业设计中笔者学积累量理应实际验关节型机械手认知更深刻相信笔者改良机械手进程中贡献份力量机械手臂技术更先进实程度更高
致 谢
三月毕业终文终完成期间成功完成四年学知识终设计步步进行理设计计算机械结构设计技术图纸绘制撰写设计规范等理水实际操作技设计进步改进关技设计分析实际应等方面实践时采前学知识巩固加强
终项目已成功完成导师学专业知识方面帮助想先谢谢初步设计阶段准备阶段导师非常关注设计题目出题方帮助分析题行性实际情况中出现问题选择程中展示需掌握知识量帮助分析设计知识困难原便终设计够利进行
时感谢学里没帮助四年老师教诲学专业知识未工作未学奠定坚实基础正老师敬业精神更加解应该做事做关未生活更深刻印象真诚感谢帮助老师外感谢许学生许想法建议启发谢谢
时间知识技限文中存缺陷错误希老师批评纠正谢谢
参考文献：
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[14] 文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
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