目 录
摘 I
Abstract II
引 言 1
1设计目标 3
11研究目意义 3
12国外研究现状发展趋势 5
121国外研究现状 5
122国研究现状 5
13研究容 6
14章结 6
2设计求 7
21具体成果 7
3设计方案 8
31简易六轴机械手总体方案设计 8
32机械手传动方案设计 11
321底座部件传动方案设计 11
322手臂部件 11
323手腕部件 11
33简易机械手臂部结构设计 11
34技术参数确定 13
35章结 26
4三维建模 27
41手腕处三维建模 27
42臂三维建模 30
43连接处修改整体装配 32
44章结 33
5整体渲染 34
6实物制作 37
结 38
参考文献 39
致 谢 41
摘
文设计RV20F六轴机械手设计六轴机器具作业灵活工作空间达区域较优点广泛机床料搬运码垛焊接喷涂等作业场合中国智制造背景成企业转型升级机械核心设备
次设计六轴工业机器发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机器世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机器底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
通文进行简易六轴机械手设计学学机械设计机械原理机械制造机械制图等容全面进行综合运综合学理知识运实际设计中踏入社会进行次系统设计训练走工作岗位进行系统锻炼利进入社会工作基础
关键词：六轴机械手臂腕部步进电机
Abstract
In this paper the rv20f six axis manipulator is designed The six axis robot has the advantages of flexible operation and good area in the working space It is widely used in machine tool loading and unloading handling palletizing welding spraying and other operating occasions Under the background of Intelligent Manufacturing in China it becomes the core equipment of the machinery transformation and upgrading for enterprises
Considering the current development and practical application of the six axis industrial robot this design comprehensively introduces the development status and practical background of the industrial robot in the world and puts forward the design scheme of this paper Secondly the design of the simple six axis robot driven by the stepping motor including the design of the robot base the design of the big arm and the design of the wrist Part design and mechanical gripper part design the driving mode and transmission mode design of six axis robot including the selection and calculation of driving stepping motor the design and calculation of the transmission mechanism inside the boom the design and calculation of the internal transmission of the wrist etc Finally rv20f is carried out with Solidworks modeling software according to the size of the designed transmission parts Calculation and processing of assembly drawing and part drawing of six axis manipulator
Through the simple six axis manipulator design in this paper the mechanical design mechanical principle mechanical manufacturing mechanical drawing and other contents learned in the university are comprehensively applied and the theoretical knowledge learned is comprehensively applied to the actual design A systematic design training is carried out in the coming society and systematic exercise is carried out for the future to the work position in order to smooth the process To lay the foundation for social work
Key words sixaxis manipulator big arm wrist stepper motor
引 言
现代化工厂里面生产线机械手相加工原件空间位置姿态变化较必须轴关节机械手完成目前六轴工业机器作工业机器中应中广泛类型具高灵活性超负载高定位精度等众优点常见六轴关节机械手通六伺服电机直接通减速器步带轮等驱动六关节轴旋转六轴工业机器般六度常见六轴工业机器包含旋转（S轴）臂（L轴）臂（U轴）手腕旋转（R轴）手腕摆动（B轴）手腕回转（T轴）六关节合成实现末端六度动作
六轴工业机械手特点方面编程属性六轴工业机械手特点柔性启动化工作环境变化加工件变化进行编程适合批量品种具均衡高效率柔性制造生产线应二拟化属性六轴工业机械手结合机械手特点六轴工业机械手结构设计具备类似行走腰转等部分功传感器更提高周围环境适应力
通性般六轴工业机械手执行作业务时专型工业机械手具更通性机电体化：六轴工业机械手机械学微电子学结合工业机械手具种传感器获取外部环境信息具记忆力语言理解力图识力推理判断力等工智微电子技术应特计算机技术应密切相关[15]
六轴机械手研发设计制造已十年历史整工业机械手研发制造体系较完善研发厂家相互竞争中相互模仿改善断推陈出新正百恒智年坚持投入研发生产类动化设备中包括：双臂回斜式机械手回斜式机械手双截单臂回斜式机械手立式注塑机专机械手单臂回斜式机械手中型轴伺服横走式机械手中型两轴伺服横走式机械手CNC悬挂式全伺服机械手CNC开放式全伺服机械手年断推陈出新研发生产动化设备帮助许企业解决生产难题备受企业喜爱
普遍企业研发机器装置动力源电力驱动做成液压形式驱动考虑目前目前发展普遍性采电力驱动设备政府力鼓励企业工业机器设备中文设计简易六轴机器装置采驱动步进电机驱动文设计简易六轴工业机器具广阔性具作业效率较高工作模式简易六轴机器装置体积较设备结构较简单维修方便操作容易设备出现会作业时间降低六轴工业机器设备目前正处发展强劲时期广阔市场前景
[13]
1 设计目标
次设计六轴机械手发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机械手世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机械手底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机械手驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
图11 RV20F六轴机械手实物图
11 研究目意义
机械手模仿着手部分动作定程序轨迹求实现动抓取搬运操作动机械装置[1]国工业机器设计生产20世纪60年代开始截止天已60年历史设计工业机器产品系列目前工业机器刚刚起步相国外设备研发状况国工业机器表现足设计工业机器系列化生产规模设备设计水相落工业机器作业效果表现出定差距着国济技术发展国工业化进程加快企业转型发展容忽视传统企业生产方式已法满足现代化企业生产模式需进行设备转型升级样背景工业机器设备市场需求量资金投入设备设计研发2005年国工业机器设备逐年呈现升趋势发展较快国家国工业机器设备研发生产处初级阶段
中国工业化进程速度加快原企业赖工作业生产弊端已完全展现出表现工作业生产作业效率低设备较老旧障率较高力成断升企业面招工难等问题时现代化工业机器代工完成作业设备够实现工业机器作业效率快速提升时够实现节省力降低工成相作业复杂工位需工进行作业机器法实现工代基停留传统工进行作业作业效率较低作业效果较差力成浪费工耗时耗力
工业机器装置中走世界前列国家德国日欧洲发达国家国家工业机器设备公司研发已放眼未全系列工业机器装置[2]日某公司设计种够实现家庭灰尘作业清扫作业机器装置作业程中通运线电控制技术清扫作业装置够实现运动够进行转运动避障运动具较高价值广泛家具市场企业底面清洁位置完成清扫作业务够清洁劳动工作环境中解放出国外发达国家工业机器设备率国相设备台套数量远远国家方面国设备研发投入相较少设备规格相较少着国家济状况发展国企业规模增长企业数量断增天企业生产利润求断增加高效工业机器装置必须应运生满足企业生产需伴着力成断涨社会减少员工作已成企业越越追逐利益方式述分析出工业机器装置中国未市场必然会越越应广阔市场空间
普遍企业研发机器装置动力源电力驱动做成液压形式驱动考虑目前目前发展普遍性采电力驱动设备政府力鼓励企业工业机器设备中文设计简易六轴机器装置采驱动步进电机驱动文设计简易六轴工业机器具广阔性具作业效率较高工作模式简易六轴机器装置体积较设备结构较简单维修方便操作容易设备出现会作业时间降低六轴工业机器设备目前正处发展强劲时期广阔市场前景
12 国外研究现状发展趋势
121 国外研究现状
1950年美国率先简易机械手流水线运输放射性材料老式机械手需相关专业技术员旁运遥控装置操作机械手旧需力作业总体动化程度非常差[3]1960年机械手应世界国极应常高热环境高污染环境时常规机床全动流水生产线全动加工中心防范时通机械手普遍采继电逻辑控制计算机逻辑控制机械手通工编程完成理想实际作业达产业化直日世界传统机械手应趋势接饱机械手技术已越越智化方发展
122 国研究现状
国工业机器历60年发展历程已技术较进步国研制工业机器装置然方面存定劣势面设备问题国未工业机器发展方
（1）设备工作性
国工业机器装置工作性相国外清扫装置性存定差距分析产生差距原：①国基础工业生产基础工业零件受工作性影响基础零件限制导致设备整机工作性降低②设备零部件制造加工工艺性相国外存定问题[4]
（2）工业机器功性
国研发工业机器作业设备功单作业够方式作业法实现种功集聚台装置果够开发出述功身设备够设备价值提升
（3）工业机器需系列化设计
工业机器作业设备作业情况相设计设备需根作业务求进行开发设计需系列化设备完成作业条件作业原作业场合求较高方工业机器进行作业时需工业机器作业效果较作业时产生噪音较低工作求设备设计时产生成较高作业求较粗况场合工业机器装置条件宽泛设备开发设备作业成较低设计形式系列工业机器装置满足工况作业工业机器装置势必行
[5]
13 研究容
六轴工业机器发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机器世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机器底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
14 章结
章提出整体设计目标产品研发意义根国外发展况产品初步解根获信息确定研究容设计程基础
2 设计求
文计划制作种相简单六轴机械手装置次计划制作六轴机械手装置够进行汽车装配作业六度机器设计求六轴机器输送速度快加速度加减速时间短运送较重工件时整体惯性较伺服驱动电机足够驱动力强制动领支持元件充足刚度强度般令伺服电动机满足六轴关节机器输送高响应高刚度高精度求
21 具体成果
预期具体成果：
（1）零件三维造型装配电子文件套
（2）非标零件图（标准CAD图）电子文件套
（3）装配图（标准CAD图）电子文件1张
（4）复杂非标件图纸印图纸3张A3图幅
（5）装配图印图纸1张A1A0图幅
（6）设计说明书
（7）产品模型（3D印）
3 设计方案
31 简易六轴机械手总体方案设计
次设计简易六轴机械手装置求方面进行机械手装置总体方案求
简易机械手工作负载考虑机械手实际作业务结合文设计务书中规定参数选择文工作负载设计：3kg满足电机驱动选型方便机械手运动灵活性等求设计[6]
简易机械手驱动系统
文设计机械手工作方式发动机运转根文设计求机械手驱动操作步进电机操作发动机运转机械手相应工作效率高工作方式变灵活机械手装置工作效率高方面设计发动机步进电机
简易机械手传动系统
文设计机械手装置考虑结构紧凑性求求机械手作业时灵活设计机械转动惯量需机械传动中常见传动包含带传动链传动齿轮传动等众传动中够保证瞬时传动恒定机构齿轮传动设计电机转动速度较机器关节轴转动速度较低设计减速装置需限空间实现传动减速文限考虑谐波减速器谐波减速中传动齿轮轮系传动[7]
简易机械手作业范围
设计简易机械手作业范围求够进行封闭空间区域进行作业设计机械手作业区域受机械手设计尺寸控制文进行尺寸综合设计时确定机械手作业范围
简易机械手工作运动速度
机械手装置第六轴法兰盘中心点作业速度够确定机械手运动速度该速度受限电机选择速度机械手连杆长度减速器参数等条件作文设计法兰盘中心点处速度设计：4ms
简易机械手总体形式
结合次方案证形成简易六轴机械手行性方案首先研究机械手作业形式
直角坐标机器
直角坐标机器中应较两度直角坐标机器三度直角坐标机器形式图311312示常见直角坐标机器称桁架机器该形式机器具设备结构简单操作方便维护较方便广泛应金属加工机床压机床注塑机料领域
图311 两度直角坐标机器 图312 三度直角坐标机器
关节机器
关节机器连杆连杆连接位置转动副构成关节机器中普遍六轴工业机器四轴码垛机器六轴工业机器作业功较广泛焊接作业领域中四轴码垛机器相六轴机器说码垛机器五轴六轴固定[8]作业机器实现法兰盘相面行六轴关节机器图313示码垛机器图314示
图313 六关节机器 图314 码垛机器
球面坐标机器柱面坐标机器水关节机器联机器
球面坐标机器作业运动副包括两转动副移动副构成（图315）柱面坐标机器运动副包括转动副两移动副（图316）水关节机器包括两转动副移动副（图317）联机器结构中移动度转动副构成（图318）联机器具作业效率较高动作十分敏捷特点
图315 球面坐标机器 图316 柱面坐标机器
图317 水关节机器 图318 联机器
结合述机械手工作形式领域工作特点等求文综合证选择简易六轴机械手形式关节式机械手
32 机械手传动方案设计
根述机械手整体方案确定确定机械手概形式进步确定机械手传动形式文进行机械手传动方案设计
文设计机械手形式步进电机驱动六关节机械手机械手形式市场工业机器形式相类似机械手机械体组成包括：底座部件臂部件臂部件手腕部件等部件组成
321 底座部件传动方案设计
底座部分完成简易机械手整体回转运动设计支撑结构通电机驱动减速器带动齿轮齿圈完成转动实现机械手整体回转运动[9]
322 手臂部件
手臂部件包括臂臂装置采整体方式然电机驱动减速机完成齿轮啮合实现机械臂运动[10]
323 手腕部件
作机械手外界连接尺寸结构设计手腕部需进行两度设计狭空间合理布置文设计电机驱动带够实现锥齿轮运动完成腕部转动
33 简易机械手臂部结构设计
331 臂部设计基求
机械手臂整六关节机械手作业中起关重作业机械手作业空间作业力托臂完成作业设计时需满足设计基求：
（1）减低驱动电机工作负载设计臂质量需轻便
（2）够机械手运动灵活性增加臂需具较高运动速度运动时运动惯量设计较低
（3）臂求运动位置精度需进步提高[11]
332 臂部结构设计
考虑臂设计求文设计简易机械手臂材料选择选择质量相较轻铸铝材料材料具质量较轻材料强度较高优点够满足文设计
333 臂驱动电机减速器选型
电动机作市场已成熟标准化规格化成型产品机械设计领域合理选择电动机参数文设计中文电动机输出功率工作条件设计济型求考虑电动机产品中满足述参数求确定型号
电动机作驱动原动机零部件电动机形式选择工作环境分开参考电动机电源种类工作条件工作负载情况进行综合考虑
直流电动机优点：市场电机较容易采购电机功率较够满足功率功率机械设备直流电动机缺点：设计装置需设计减速机通常电机电流需较较难实现装配控制较复杂
步进电动机优点设备运动精度较高设备设计型号较广泛适合较设备电动机接口形式简单容易市场价格较低设计电机功率较时电机需电流较电机结构紧凑体积较高装置进行装配较困难电机承载力较低总功率较控制难度较运动精度较低
考虑文设计简易机械手作业求稳设备控制简单等求设计简易机械手电机选择步进电机进行驱动
334 电动机型号选择
结合文设计务书中规定参数选择文工作负载设计：3kg够动力满足求文采电机型号130FY280130步进电机[12]
电机参数
电机型号：130FY280
输出力矩：50Nm
出轴长度：47mm
出轴轴径：19MM24MM
槽：8*8*30
出轴方式：单双出轴
出线方式：二相四根引出线
电流：85A
机身长度：280mm
2适范围
传动范围：单级传动
两级传动
输出扭矩范围：
输入转速范围：
3代号
根参考文献[4]谐波形式减速器代号代号具体形式两部分组成分型号规格部分型号通常采汉语字母拼音进行表达例X代表谐波减速器形式W—代表卧式减速器D—代表电动机设备规格具体包含设备功率设备机型号设备传动三项规格均实际数字加表达
4驱动电动机型号选择
RV20F六轴机械手设计电动机力矩50Nm电动机高反应频率达200KPPS查阅参考文献[3]知电动机具体选择110BYG350D型制动式步进电动机电动机电动机驱动器HB3722S2 220V
34 技术参数确定
341 腕部传动分配
根设计转速根设计电机转速臂轴转速数计算二者设计总传动：
设计减速装置二级减速传动设计电机带轴I传动装置传动：
轴I腕部轴III进行传动设计：
342 带轮结构设计
机械设计教材中带传动设计步骤设计：
计算功率公式：
查询机械设计教材中表8—7知：工况系数：1额定功率：w
计算功率：w
选择步带类型
结合计算功率带轮转速：rmin（电机直接驱动）根机械设计教材中图8—11进行选择文设计普通步带型号：Z型
设计带轮基准直径验证带速
（a）进行带轮基准直径初选
设计带传动时带需满足具足够疲劳强度设计时降低带传动弯曲应力设计时需限定带轮尺寸需满足≥查询机械设计教材中表8—68—8确定带轮基准直径文设计50mm文进行带轮适整圆：50(mm)
（b）验证带速
满足带速度求
（c）计算带轮基准直径
根第二章传动设计知带传动知带轮尺寸：
进行带轮尺寸圆整设计：250(mm)
设计带实际中心距设计步带基准长度
（a）中心距尺寸太话会令带传动包角较会降低总体传动力中心矩话会导致整体带传动结构紧凑工作稳性较差需合理选择中心距尺寸根机械设计教材中式（8
—20）初选中心距
++
：文取300(mm)
（b）计算相应带长尺寸：
++
(mm)
带基准长度选择标准尺寸(mm)
（c)计算出中心距实际尺寸允许安装尺寸变动范围
传动时实际中心距尺寸似：
(mm)
考虑带轮实际制造程中误差安装程中误差带制造时长度会定误差中心距尺寸合理范围满足求查询机械设计资料知中心距变化需值范围：
(mm)
(mm)
验算带轮包角数值
够避免带出现滑现象产生带设计需严格限制包角需设计带轮包角120°带轮包角始终带轮包角出现滑失效形式出现带轮需严格计算带轮包角尺寸实现工作力计算带轮包角公式[14]：
带根数设计
查询机械设计教材中表8—7知工况系数11查表8—4a 知单V带基额定功率：194查表8—4b知修正功率：015查表8—5知包角修正系数：098查表8—2知带长修正系数：099刚刚结果带入公式48计算：
∴ 文取1（根）满足求
初拉力计算
根机械设计教材中式8—6计算出单根步带需初拉力：
2946（N）
带传动压轴力计算
（N）
带轮结构尺寸设计
文设计步带带轮根带设计条数设计带轮齿形设计带轮需满足：带轮质量较结构性较加工工艺性较优点铸造材料选择合理铸造部缺陷铸造力需加工前进行实效处理根带轮工作特点需提高带轮设计精度降低带磨损设计带轮槽型尺寸表面精度需满足定条件实现带载荷分布均匀条件[15]
查询带轮设计机械设计手册知识知：
带轮基准宽度设计尺寸带基准宽度样设计带轮基准宽度尺寸85mm设计带轮齿形深：2mm设计带轮齿形深度：7mm带轮设计宽度尺寸：
设计带轮外径尺寸：
文设计带轮位置尺寸：
进行带轮孔径初步设计：
设计带轮基准直径：
设计带轮外径：
设计带轮外径：
设计带轮轮齿形宽度：
文设计带轮尺寸满足设计带轮结构设计实心结构带轮
根设计传动设计带轮基准直径尺寸：
文设计带轮尺寸带轮尺寸满足：带轮结构设计孔板式带轮腹板厚设计：
带轮轮宽设计：
mm
带轮轮槽宽设计：b85mm
343 腕部轴设计计算
1．计算扭矩：
2．计算齿轮效圆周力轴力径力
3．预估算轴径尺寸确定联轴器
查询机械设计手册知轴径预估验公式：
设计：14mm
4．轴结构设计[16]
图31 轴装配示意图
轴结构设计参数需严格根轴安装零件进行设计
轴安装联轴器部位设计尺寸A：9mm18mm L够实现联轴器安装设计周长尺寸需20mm文设计18mm
安装轴承部分设计尺寸B：直径轴承孔决定设计采轴承：深沟球轴承6002设计尺寸：
轴定位轴肩部分C设计：
安装齿轮部分尺寸设计D：尺寸齿轮轴尺寸接根安装关素文设计齿轮轴
定位轴肩部分设计尺寸E：
安装轴承尺寸设计F：
考虑功部件齿轮连接轴承连接设计轴时需安装部分采严格配合求齿轮安装部分采H7k6滚动轴承轴采H7k6
减应力集中安装时导方便轴肩处设计轴肩处圆角半径：R1轴端倒角：1
5 考虑轴需表面具足够硬度保证耐磨性心部足够韧性轴材料选择45通热处理方式：调质处理达面力学性[18]
6．轴强度校核
根设计轴尺寸安装求支点跨距尺寸
计算出轴水面约束反力：
垂直面约束反力：
7．根述计算出弯矩图转矩图
水弯矩图计算：
垂直面弯矩计算
合成弯矩图：
转矩图：T13728N
图32 水轴弯矩扭矩图
8．静强度计算轴强度校核
求出危险截面弯矩：
查询机械设计手册计算公式：
根计算知强度足够
9．根弯曲疲劳强度进行校核
根文计算弯矩图扭矩图查询机械设计手册知：
查询机械设计手册知尺寸系数：
查询机械设计手册知表面质量系数：093
查询机械设计手册知钢：
查询机械设计手册知许安全系数：
计算弯曲应力幅：
扭转应力幅：
考虑弯矩作时计算安全系数：
考虑转矩作时计算安全系数
弯矩转矩时应时安全系数： 根结果显示满足疲劳强度设计求
（1）键选校核[23]
文设计带轮轴减速器轴实现轴进行连接选择键普通型键选择键尺寸：
取低速轴危险键进行安全校核
进行键挤压强度校核查询机械设计知校核公式：
查询机械设计手册知：
述公式带入数计算：
设计键满足挤压强度安全
减速器轴处安装键尺寸：
进行键挤压强度校核查询机械设计知校核公式：
查询机械设计手册知：
述公式带入数计算：
设计键满足挤压强度安全
344 齿轮设计校核
1．齿轮设计包括选择齿轮材料齿轮热处理方式齿轮参数设计
文设计齿轮传动文设计传动功率较转速较低选软齿面传动[19]
设计齿轮材料：45热处理方式调质处理齿轮表面硬度达：240HBS设计齿轮材料：45钢进行热处理表面硬度达：200HBS
查询机械设计手册文设计齿轮精度8级精度
初选齿轮齿数：
取
文设计减速机闭式齿轮传动设计齿轮齿面软齿面利齿面接触疲劳强度进行设计齿根弯曲强度进行校核[24]
2．进行齿面接触疲劳强度设计查询机械设计手册知：
式中
载荷系数根条件取K13
齿宽系数根条件取
齿轮扭矩：
弹性影响系数查询机械设计手册取
取齿轮齿轮接触极限较值
查询机械设计手册知：齿轮接触疲劳强度：齿轮接触疲劳强度：
年工作务计算应力作次数：
根述计算结果进行需应力计算[22]
查询设计手册取接触强度安全系数：
MPa MPa
齿轮尺寸参数设计
设计齿轮分度圆直径：
计算齿轮圆周速度：
ms
计算齿轮定载荷系数：
查询机械设计手册知系数：
查询齿轮均分布系数：
查询齿轮轴线系数：
计算载荷系数：
校正齿轮分度圆直径：
3．终设计齿轮尺寸
模数：取模数
整圆
齿轮尺寸设计：
(a）齿轮分度圆直径设计：(mm) 54
(mm)
(b）中心距尺寸设计：(mm) 55
(c）齿轮宽度设计：(mm) 56
(mm)
根机械设计教材中齿轮校核公式：
进行轴I尺寸弯曲强度校核：
∴
根公式中数带入：
根结果进行较知：设计齿轮满足设计求
根述程轴I齿数56齿轮进行校核样满足设计求
轴I设计齿轮满足求
345 轴承选择校核
轴承根时工作性质进行分类分成滑动摩擦轴承滚动摩擦轴承两类滚动摩擦摩擦系数较运转阻力较等优点广泛工程场合场合众滚动轴承市面已做标准化滚动轴承选维护广泛提升
滚动轴承领域国防科技航空航天装备制造家电器交通工具等场合说轴承数轴承形式滚动轴承滚动轴承组成外圈零件圈零件滚动体零件保持架零件组成外圈常常机架进行配合通常采基轴制间隙配合圈连接轴采基孔制渡配合圈外圈采滚动体分离实现运动部件静止部件分类保持架功实现滚动体间彼分类防止滚动体间相互作提高轴承寿命
[20]
进行轴承选择时常需考虑面素：
(1）轴承受载荷
载荷性质常根载荷载荷方形进行分类载荷限制轴承选轻载系列轴承重载系列轴承载荷方决定选推力轴承需推力轴承合理解轴承承受载荷选择轴承重例够承受轴力径力轴承圆锥滚子轴承角接触球轴承二者区圆锥滚子轴承够承受较轴力径力轴承运动极限速度相球轴承差承受径力求具较高转动速度求选择深沟球轴承等
(2）轴承转速
载荷求外够限定轴承选转速求工作时转速求较高需优先选择球轴承[21]
(3）轴承调心功
工作场合求轴中心相轴承座中心定偏离时果没合理选择轴承会造成轴承圈外圈间产生附加载荷导致轴承较早产生破坏样情况需选择种够运动程中释放载荷实现调心功轴承
考虑述轴承选择素文设计圆锥滚子轴承型号：
设计简易六轴机械手寿命：15000—20000时作设备总寿命设计轴承寿命应该该寿命满足合理设计求
查询机械设计手册进行轴承寿命计算计算公式：
式中——轴承额定寿命——轴承额定负载——轴承量动载荷球类轴承寿命系数滚子轴承寿命系数
根机械设计手册资料查询知：
式中—轴承速度数 —轴承温度数 —轴承寿命数 —轴承力矩载荷数工作时力矩载荷较时工作时力矩载荷较时—轴承击载荷数
述公式带入计算出公式：
带入轴I轴承计算相关参数计算：
(h)
轴承计算寿命满足： 表示轴承寿命足够
35 章结
章次设计重环首先确定六轴机械手传动方式类似产品细节介绍根需求电机选型确定解具体电机项参数产品具体细节参数例臂齿轮轴等部件种参数应校核进行精密计算部件参数明确表达验证性寿命明确产品整体构建
4 三维建模
整理完基数开始进行三维模型制作里列举两见三维建模制作程次三维建模solidworks2019建模软件款软件级软件中处较高级水系列产品问世时间十分长远款着质量保证建模软件次三维模型制作表达六轴机械手结构外观作业运动仿真目细节会稍加欠妥
41 手腕处三维建模
首先开软件点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中直线圆功绘制手腕部体形状输入应数利剪裁实体功余部分删令形成完全封闭空间完成部分草图绘制图411图412示
图411草图选项
图 412手腕轮廓绘制
退出草图继续点击特征选项中拉伸功选中刚刚绘制草图两侧拉伸应数值完成草图拉伸形成块图413示
图 413手腕体拉伸程
继续前端矩形处点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中弧圆直线功绘制手腕处凸出连接部分输入应数退出草图继续点击特征选项中拉伸功选中刚刚绘制草图两侧拉伸应数值完成草图拉伸注意次拉伸方便部分制作拉伸完成利次绘制草图进行等距实体命令全部轮廓动移动应数值省重新绘制麻烦新草图进行进步拉伸完成手腕部体制作草图形状图414示拉伸结果图415示
图414草图形状
图 415手腕部拉伸结果
完成体继续细节制作矩形方点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中矩形圆功绘制手腕处部细节输入应数利剪裁实体功余部分删利拉伸切掉应矩形部分拉伸出绘制类钮着预期进行尾部细节制作手法相径庭完成细节部分草图绘制终手腕处零部件图416示
图 416整体效果展示
42 臂三维建模
首先开软件点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中弧直线剪裁实体命令绘制出出总体轮廓数拉伸命令进行实体化形成左连接体体形状图421示
图 421左连接体体形状
结构导出整体实体形状利拉伸切端相应位置点击草图—草图绘制面绘制矩形拉伸举行正面进行四螺栓三维建模螺栓建模层草图拉伸构成首先找准四分中心点利圆命令绘制应图形立利拉伸完成应部分建模根层特征完成螺栓建立图422示完成细节零部件图423示
图 422螺栓建模展示
图423整体展示
43 连接处修改整体装配
完成系列细节模型进行整体装配需相关零部件进行连接处修改里臂例完成建模臂中部圆心处利草图中圆命令两边应连接处进行圆绘制拉伸拉伸切凸出凹进相部分零部件进行连接操作环节装配程时候运动仿真找圆心减轻工作量加快整体进度追加连接部分图431示整体装配效果图432示
图 431连接部位
图 432整体装配效果
44 章结
章展示部分三维建模程次三维建模目鲜明表达外观仿真动画展示工作程展示部分三维建模程整体建模程体步骤相似建模整体较细节直观表现出产品外观
5 整体渲染
接三维模型装配体进行渲染作业首先solidworks2019中开成品六轴机械手装配体进入外观布景贴图功页面选择装配体整体应零部件层图51示
图51 渲染选项示意图
继续作业右侧功页面外观选项中选择金属—钢—抛光钢选项装配体整体渲染成带反光效果光滑钢面材质具体操作步骤图52图53示
图52 材质选项
图53 抛光钢选项
继续进行背景渲染外观布景贴图功页面中选择布景选项继续选择中工作间布景次试验发现工厂板背景效果更加适合机械手类工业产品选择工厂板布景作背景板操作程图54图55示
图 54外景选项
图 55工厂板选项
种角度调节光等细节操作装配体整体渲染基完成solidworks 2019部带渲染功成果专业软件鲜明作产品展示目达整体效果图56示较表现机械手整体线条感机械化风格
图56 三维装配渲染图
6 实物制作
根毕业设计实物制作求性价考虑决定RV20F六轴机械手利3D印方式制作出实物模型3D印技术通软件制作模型文件例缩放细节数修改等操作输入3D印机中进行识层层喷洒原料着模型分布细节进行绘制制作出成品进行手动作业展示
目前国3D印技术越越成熟精湛惜清楚展示模型细节着较延展性机械手整体结构尺寸较考虑成工序问题需进行模型等缩放机械手模型零件部分实心需利拔模工序中心部位掏空工序预计节省80成时正常安装模型达工作展示目印时适缩放模型进行修改修改细节量部进行变动整体尺寸
综述产品模型进行3D印作业实体模型图61示模型意义展示产品整体外观展示产品作业属简易模型范畴
图61 实物模型图
结
中国工业化进程速度加快原企业赖工作业生产弊端已完全展现出表现工作业生产作业效率低设备较老旧障率较高力成断升企业面招工难等问题时现代化工业机器代工完成作业设备够实现工业机器作业效率快速提升时够实现节省力降低工成相作业复杂工位需工进行作业机器法实现工代基停留传统工进行作业作业效率较低作业效果较差力成浪费工耗时耗力
文设计步进电机六轴简易机械手设计六轴机器具作业灵活工作空间达区域较优点广发机床料搬运码垛焊接喷涂等作业场合中国智制造背景成企业转型升级机械核心设备
次设计六轴工业机器发展应出发致力创造种功全面机械手装置次步进电机驱动简易六轴机械机械体结构设计具体包含机器基座设计臂设计臂设计机械机械夹手部分设计进行简易机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算臂部传动机动设计计算等容终根设计传动零件尺寸设计运CAD软件进行简易六轴机器装配图零件图设计
参考文献
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致 谢
期月毕业设计告段落日子感觉繁忙充实感谢指导教师惜时间难题中解救出遇种问题查找方设计中错误知识重新认识感谢毕业指导老师您遇困难时候予时指导帮渡难关通次毕业设计前学知识更进步解前知识更新认识
深深感觉真正进行产品设计时学少日需断努力工程实践中更专业认知样更适应社会
整设计程中深知知识实践化中长路走知行合路途较长设计程中特感谢班学寝室学正时厌烦辅导设计面诸问题迎刃解够利完成毕业设计祝福日前程似锦工作利
特感谢百忙中抽出时间审阅文专家老师谢谢
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摘 I
Abstract II
引 言 1
1设计目标 3
11研究目意义 3
12国外研究现状发展趋势 5
121国外研究现状 5
122国研究现状 5
13研究容 6
14章结 6
2设计求 7
21具体成果 7
3设计方案 8
31简易六轴机械手总体方案设计 8
32机械手传动方案设计 11
321底座部件传动方案设计 11
322手臂部件 11
323手腕部件 11
33简易机械手臂部结构设计 11
34技术参数确定 13
35章结 26
4三维建模 27
41手腕处三维建模 27
42臂三维建模 30
43连接处修改整体装配 32
44章结 33
5整体渲染 34
6实物制作 37
结 38
参考文献 39
致 谢 41
摘
文设计RV20F六轴机械手设计六轴机器具作业灵活工作空间达区域较优点广泛机床料搬运码垛焊接喷涂等作业场合中国智制造背景成企业转型升级机械核心设备
次设计六轴工业机器发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机器世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机器底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
通文进行简易六轴机械手设计学学机械设计机械原理机械制造机械制图等容全面进行综合运综合学理知识运实际设计中踏入社会进行次系统设计训练走工作岗位进行系统锻炼利进入社会工作基础
关键词：六轴机械手臂腕部步进电机
Abstract
In this paper the rv20f six axis manipulator is designed The six axis robot has the advantages of flexible operation and good area in the working space It is widely used in machine tool loading and unloading handling palletizing welding spraying and other operating occasions Under the background of Intelligent Manufacturing in China it becomes the core equipment of the machinery transformation and upgrading for enterprises
Considering the current development and practical application of the six axis industrial robot this design comprehensively introduces the development status and practical background of the industrial robot in the world and puts forward the design scheme of this paper Secondly the design of the simple six axis robot driven by the stepping motor including the design of the robot base the design of the big arm and the design of the wrist Part design and mechanical gripper part design the driving mode and transmission mode design of six axis robot including the selection and calculation of driving stepping motor the design and calculation of the transmission mechanism inside the boom the design and calculation of the internal transmission of the wrist etc Finally rv20f is carried out with Solidworks modeling software according to the size of the designed transmission parts Calculation and processing of assembly drawing and part drawing of six axis manipulator
Through the simple six axis manipulator design in this paper the mechanical design mechanical principle mechanical manufacturing mechanical drawing and other contents learned in the university are comprehensively applied and the theoretical knowledge learned is comprehensively applied to the actual design A systematic design training is carried out in the coming society and systematic exercise is carried out for the future to the work position in order to smooth the process To lay the foundation for social work
Key words sixaxis manipulator big arm wrist stepper motor
引 言
现代化工厂里面生产线机械手相加工原件空间位置姿态变化较必须轴关节机械手完成目前六轴工业机器作工业机器中应中广泛类型具高灵活性超负载高定位精度等众优点常见六轴关节机械手通六伺服电机直接通减速器步带轮等驱动六关节轴旋转六轴工业机器般六度常见六轴工业机器包含旋转（S轴）臂（L轴）臂（U轴）手腕旋转（R轴）手腕摆动（B轴）手腕回转（T轴）六关节合成实现末端六度动作
六轴工业机械手特点方面编程属性六轴工业机械手特点柔性启动化工作环境变化加工件变化进行编程适合批量品种具均衡高效率柔性制造生产线应二拟化属性六轴工业机械手结合机械手特点六轴工业机械手结构设计具备类似行走腰转等部分功传感器更提高周围环境适应力
通性般六轴工业机械手执行作业务时专型工业机械手具更通性机电体化：六轴工业机械手机械学微电子学结合工业机械手具种传感器获取外部环境信息具记忆力语言理解力图识力推理判断力等工智微电子技术应特计算机技术应密切相关[15]
六轴机械手研发设计制造已十年历史整工业机械手研发制造体系较完善研发厂家相互竞争中相互模仿改善断推陈出新正百恒智年坚持投入研发生产类动化设备中包括：双臂回斜式机械手回斜式机械手双截单臂回斜式机械手立式注塑机专机械手单臂回斜式机械手中型轴伺服横走式机械手中型两轴伺服横走式机械手CNC悬挂式全伺服机械手CNC开放式全伺服机械手年断推陈出新研发生产动化设备帮助许企业解决生产难题备受企业喜爱
普遍企业研发机器装置动力源电力驱动做成液压形式驱动考虑目前目前发展普遍性采电力驱动设备政府力鼓励企业工业机器设备中文设计简易六轴机器装置采驱动步进电机驱动文设计简易六轴工业机器具广阔性具作业效率较高工作模式简易六轴机器装置体积较设备结构较简单维修方便操作容易设备出现会作业时间降低六轴工业机器设备目前正处发展强劲时期广阔市场前景
[13]
1 设计目标
次设计六轴机械手发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机械手世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机械手底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机械手驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
图11 RV20F六轴机械手实物图
11 研究目意义
机械手模仿着手部分动作定程序轨迹求实现动抓取搬运操作动机械装置[1]国工业机器设计生产20世纪60年代开始截止天已60年历史设计工业机器产品系列目前工业机器刚刚起步相国外设备研发状况国工业机器表现足设计工业机器系列化生产规模设备设计水相落工业机器作业效果表现出定差距着国济技术发展国工业化进程加快企业转型发展容忽视传统企业生产方式已法满足现代化企业生产模式需进行设备转型升级样背景工业机器设备市场需求量资金投入设备设计研发2005年国工业机器设备逐年呈现升趋势发展较快国家国工业机器设备研发生产处初级阶段
中国工业化进程速度加快原企业赖工作业生产弊端已完全展现出表现工作业生产作业效率低设备较老旧障率较高力成断升企业面招工难等问题时现代化工业机器代工完成作业设备够实现工业机器作业效率快速提升时够实现节省力降低工成相作业复杂工位需工进行作业机器法实现工代基停留传统工进行作业作业效率较低作业效果较差力成浪费工耗时耗力
工业机器装置中走世界前列国家德国日欧洲发达国家国家工业机器设备公司研发已放眼未全系列工业机器装置[2]日某公司设计种够实现家庭灰尘作业清扫作业机器装置作业程中通运线电控制技术清扫作业装置够实现运动够进行转运动避障运动具较高价值广泛家具市场企业底面清洁位置完成清扫作业务够清洁劳动工作环境中解放出国外发达国家工业机器设备率国相设备台套数量远远国家方面国设备研发投入相较少设备规格相较少着国家济状况发展国企业规模增长企业数量断增天企业生产利润求断增加高效工业机器装置必须应运生满足企业生产需伴着力成断涨社会减少员工作已成企业越越追逐利益方式述分析出工业机器装置中国未市场必然会越越应广阔市场空间
普遍企业研发机器装置动力源电力驱动做成液压形式驱动考虑目前目前发展普遍性采电力驱动设备政府力鼓励企业工业机器设备中文设计简易六轴机器装置采驱动步进电机驱动文设计简易六轴工业机器具广阔性具作业效率较高工作模式简易六轴机器装置体积较设备结构较简单维修方便操作容易设备出现会作业时间降低六轴工业机器设备目前正处发展强劲时期广阔市场前景
12 国外研究现状发展趋势
121 国外研究现状
1950年美国率先简易机械手流水线运输放射性材料老式机械手需相关专业技术员旁运遥控装置操作机械手旧需力作业总体动化程度非常差[3]1960年机械手应世界国极应常高热环境高污染环境时常规机床全动流水生产线全动加工中心防范时通机械手普遍采继电逻辑控制计算机逻辑控制机械手通工编程完成理想实际作业达产业化直日世界传统机械手应趋势接饱机械手技术已越越智化方发展
122 国研究现状
国工业机器历60年发展历程已技术较进步国研制工业机器装置然方面存定劣势面设备问题国未工业机器发展方
（1）设备工作性
国工业机器装置工作性相国外清扫装置性存定差距分析产生差距原：①国基础工业生产基础工业零件受工作性影响基础零件限制导致设备整机工作性降低②设备零部件制造加工工艺性相国外存定问题[4]
（2）工业机器功性
国研发工业机器作业设备功单作业够方式作业法实现种功集聚台装置果够开发出述功身设备够设备价值提升
（3）工业机器需系列化设计
工业机器作业设备作业情况相设计设备需根作业务求进行开发设计需系列化设备完成作业条件作业原作业场合求较高方工业机器进行作业时需工业机器作业效果较作业时产生噪音较低工作求设备设计时产生成较高作业求较粗况场合工业机器装置条件宽泛设备开发设备作业成较低设计形式系列工业机器装置满足工况作业工业机器装置势必行
[5]
13 研究容
六轴工业机器发展现状实际应等方面考虑较全面介绍工业机器世界发展位实背景提出文设计方案次步进电机驱动简洁型六轴机械机械体构造设计中详细包含机器底座设计臂设计腕部设计机械机械夹手部分设计进行六轴机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算腕部部传动机动设计计算等容根设计传动零件尺寸solidworks建模软件进行RV20F六轴机械手装配图零件图计算加工
14 章结
章提出整体设计目标产品研发意义根国外发展况产品初步解根获信息确定研究容设计程基础
2 设计求
文计划制作种相简单六轴机械手装置次计划制作六轴机械手装置够进行汽车装配作业六度机器设计求六轴机器输送速度快加速度加减速时间短运送较重工件时整体惯性较伺服驱动电机足够驱动力强制动领支持元件充足刚度强度般令伺服电动机满足六轴关节机器输送高响应高刚度高精度求
21 具体成果
预期具体成果：
（1）零件三维造型装配电子文件套
（2）非标零件图（标准CAD图）电子文件套
（3）装配图（标准CAD图）电子文件1张
（4）复杂非标件图纸印图纸3张A3图幅
（5）装配图印图纸1张A1A0图幅
（6）设计说明书
（7）产品模型（3D印）
3 设计方案
31 简易六轴机械手总体方案设计
次设计简易六轴机械手装置求方面进行机械手装置总体方案求
简易机械手工作负载考虑机械手实际作业务结合文设计务书中规定参数选择文工作负载设计：3kg满足电机驱动选型方便机械手运动灵活性等求设计[6]
简易机械手驱动系统
文设计机械手工作方式发动机运转根文设计求机械手驱动操作步进电机操作发动机运转机械手相应工作效率高工作方式变灵活机械手装置工作效率高方面设计发动机步进电机
简易机械手传动系统
文设计机械手装置考虑结构紧凑性求求机械手作业时灵活设计机械转动惯量需机械传动中常见传动包含带传动链传动齿轮传动等众传动中够保证瞬时传动恒定机构齿轮传动设计电机转动速度较机器关节轴转动速度较低设计减速装置需限空间实现传动减速文限考虑谐波减速器谐波减速中传动齿轮轮系传动[7]
简易机械手作业范围
设计简易机械手作业范围求够进行封闭空间区域进行作业设计机械手作业区域受机械手设计尺寸控制文进行尺寸综合设计时确定机械手作业范围
简易机械手工作运动速度
机械手装置第六轴法兰盘中心点作业速度够确定机械手运动速度该速度受限电机选择速度机械手连杆长度减速器参数等条件作文设计法兰盘中心点处速度设计：4ms
简易机械手总体形式
结合次方案证形成简易六轴机械手行性方案首先研究机械手作业形式
直角坐标机器
直角坐标机器中应较两度直角坐标机器三度直角坐标机器形式图311312示常见直角坐标机器称桁架机器该形式机器具设备结构简单操作方便维护较方便广泛应金属加工机床压机床注塑机料领域
图311 两度直角坐标机器 图312 三度直角坐标机器
关节机器
关节机器连杆连杆连接位置转动副构成关节机器中普遍六轴工业机器四轴码垛机器六轴工业机器作业功较广泛焊接作业领域中四轴码垛机器相六轴机器说码垛机器五轴六轴固定[8]作业机器实现法兰盘相面行六轴关节机器图313示码垛机器图314示
图313 六关节机器 图314 码垛机器
球面坐标机器柱面坐标机器水关节机器联机器
球面坐标机器作业运动副包括两转动副移动副构成（图315）柱面坐标机器运动副包括转动副两移动副（图316）水关节机器包括两转动副移动副（图317）联机器结构中移动度转动副构成（图318）联机器具作业效率较高动作十分敏捷特点
图315 球面坐标机器 图316 柱面坐标机器
图317 水关节机器 图318 联机器
结合述机械手工作形式领域工作特点等求文综合证选择简易六轴机械手形式关节式机械手
32 机械手传动方案设计
根述机械手整体方案确定确定机械手概形式进步确定机械手传动形式文进行机械手传动方案设计
文设计机械手形式步进电机驱动六关节机械手机械手形式市场工业机器形式相类似机械手机械体组成包括：底座部件臂部件臂部件手腕部件等部件组成
321 底座部件传动方案设计
底座部分完成简易机械手整体回转运动设计支撑结构通电机驱动减速器带动齿轮齿圈完成转动实现机械手整体回转运动[9]
322 手臂部件
手臂部件包括臂臂装置采整体方式然电机驱动减速机完成齿轮啮合实现机械臂运动[10]
323 手腕部件
作机械手外界连接尺寸结构设计手腕部需进行两度设计狭空间合理布置文设计电机驱动带够实现锥齿轮运动完成腕部转动
33 简易机械手臂部结构设计
331 臂部设计基求
机械手臂整六关节机械手作业中起关重作业机械手作业空间作业力托臂完成作业设计时需满足设计基求：
（1）减低驱动电机工作负载设计臂质量需轻便
（2）够机械手运动灵活性增加臂需具较高运动速度运动时运动惯量设计较低
（3）臂求运动位置精度需进步提高[11]
332 臂部结构设计
考虑臂设计求文设计简易机械手臂材料选择选择质量相较轻铸铝材料材料具质量较轻材料强度较高优点够满足文设计
333 臂驱动电机减速器选型
电动机作市场已成熟标准化规格化成型产品机械设计领域合理选择电动机参数文设计中文电动机输出功率工作条件设计济型求考虑电动机产品中满足述参数求确定型号
电动机作驱动原动机零部件电动机形式选择工作环境分开参考电动机电源种类工作条件工作负载情况进行综合考虑
直流电动机优点：市场电机较容易采购电机功率较够满足功率功率机械设备直流电动机缺点：设计装置需设计减速机通常电机电流需较较难实现装配控制较复杂
步进电动机优点设备运动精度较高设备设计型号较广泛适合较设备电动机接口形式简单容易市场价格较低设计电机功率较时电机需电流较电机结构紧凑体积较高装置进行装配较困难电机承载力较低总功率较控制难度较运动精度较低
考虑文设计简易机械手作业求稳设备控制简单等求设计简易机械手电机选择步进电机进行驱动
334 电动机型号选择
结合文设计务书中规定参数选择文工作负载设计：3kg够动力满足求文采电机型号130FY280130步进电机[12]
电机参数
电机型号：130FY280
输出力矩：50Nm
出轴长度：47mm
出轴轴径：19MM24MM
槽：8*8*30
出轴方式：单双出轴
出线方式：二相四根引出线
电流：85A
机身长度：280mm
2适范围
传动范围：单级传动
两级传动
输出扭矩范围：
输入转速范围：
3代号
根参考文献[4]谐波形式减速器代号代号具体形式两部分组成分型号规格部分型号通常采汉语字母拼音进行表达例X代表谐波减速器形式W—代表卧式减速器D—代表电动机设备规格具体包含设备功率设备机型号设备传动三项规格均实际数字加表达
4驱动电动机型号选择
RV20F六轴机械手设计电动机力矩50Nm电动机高反应频率达200KPPS查阅参考文献[3]知电动机具体选择110BYG350D型制动式步进电动机电动机电动机驱动器HB3722S2 220V
34 技术参数确定
341 腕部传动分配
根设计转速根设计电机转速臂轴转速数计算二者设计总传动：
设计减速装置二级减速传动设计电机带轴I传动装置传动：
轴I腕部轴III进行传动设计：
342 带轮结构设计
机械设计教材中带传动设计步骤设计：
计算功率公式：
查询机械设计教材中表8—7知：工况系数：1额定功率：w
计算功率：w
选择步带类型
结合计算功率带轮转速：rmin（电机直接驱动）根机械设计教材中图8—11进行选择文设计普通步带型号：Z型
设计带轮基准直径验证带速
（a）进行带轮基准直径初选
设计带传动时带需满足具足够疲劳强度设计时降低带传动弯曲应力设计时需限定带轮尺寸需满足≥查询机械设计教材中表8—68—8确定带轮基准直径文设计50mm文进行带轮适整圆：50(mm)
（b）验证带速
满足带速度求
（c）计算带轮基准直径
根第二章传动设计知带传动知带轮尺寸：
进行带轮尺寸圆整设计：250(mm)
设计带实际中心距设计步带基准长度
（a）中心距尺寸太话会令带传动包角较会降低总体传动力中心矩话会导致整体带传动结构紧凑工作稳性较差需合理选择中心距尺寸根机械设计教材中式（8
—20）初选中心距
++
：文取300(mm)
（b）计算相应带长尺寸：
++
(mm)
带基准长度选择标准尺寸(mm)
（c)计算出中心距实际尺寸允许安装尺寸变动范围
传动时实际中心距尺寸似：
(mm)
考虑带轮实际制造程中误差安装程中误差带制造时长度会定误差中心距尺寸合理范围满足求查询机械设计资料知中心距变化需值范围：
(mm)
(mm)
验算带轮包角数值
够避免带出现滑现象产生带设计需严格限制包角需设计带轮包角120°带轮包角始终带轮包角出现滑失效形式出现带轮需严格计算带轮包角尺寸实现工作力计算带轮包角公式[14]：
带根数设计
查询机械设计教材中表8—7知工况系数11查表8—4a 知单V带基额定功率：194查表8—4b知修正功率：015查表8—5知包角修正系数：098查表8—2知带长修正系数：099刚刚结果带入公式48计算：
∴ 文取1（根）满足求
初拉力计算
根机械设计教材中式8—6计算出单根步带需初拉力：
2946（N）
带传动压轴力计算
（N）
带轮结构尺寸设计
文设计步带带轮根带设计条数设计带轮齿形设计带轮需满足：带轮质量较结构性较加工工艺性较优点铸造材料选择合理铸造部缺陷铸造力需加工前进行实效处理根带轮工作特点需提高带轮设计精度降低带磨损设计带轮槽型尺寸表面精度需满足定条件实现带载荷分布均匀条件[15]
查询带轮设计机械设计手册知识知：
带轮基准宽度设计尺寸带基准宽度样设计带轮基准宽度尺寸85mm设计带轮齿形深：2mm设计带轮齿形深度：7mm带轮设计宽度尺寸：
设计带轮外径尺寸：
文设计带轮位置尺寸：
进行带轮孔径初步设计：
设计带轮基准直径：
设计带轮外径：
设计带轮外径：
设计带轮轮齿形宽度：
文设计带轮尺寸满足设计带轮结构设计实心结构带轮
根设计传动设计带轮基准直径尺寸：
文设计带轮尺寸带轮尺寸满足：带轮结构设计孔板式带轮腹板厚设计：
带轮轮宽设计：
mm
带轮轮槽宽设计：b85mm
343 腕部轴设计计算
1．计算扭矩：
2．计算齿轮效圆周力轴力径力
3．预估算轴径尺寸确定联轴器
查询机械设计手册知轴径预估验公式：
设计：14mm
4．轴结构设计[16]
图31 轴装配示意图
轴结构设计参数需严格根轴安装零件进行设计
轴安装联轴器部位设计尺寸A：9mm18mm L够实现联轴器安装设计周长尺寸需20mm文设计18mm
安装轴承部分设计尺寸B：直径轴承孔决定设计采轴承：深沟球轴承6002设计尺寸：
轴定位轴肩部分C设计：
安装齿轮部分尺寸设计D：尺寸齿轮轴尺寸接根安装关素文设计齿轮轴
定位轴肩部分设计尺寸E：
安装轴承尺寸设计F：
考虑功部件齿轮连接轴承连接设计轴时需安装部分采严格配合求齿轮安装部分采H7k6滚动轴承轴采H7k6
减应力集中安装时导方便轴肩处设计轴肩处圆角半径：R1轴端倒角：1
5 考虑轴需表面具足够硬度保证耐磨性心部足够韧性轴材料选择45通热处理方式：调质处理达面力学性[18]
6．轴强度校核
根设计轴尺寸安装求支点跨距尺寸
计算出轴水面约束反力：
垂直面约束反力：
7．根述计算出弯矩图转矩图
水弯矩图计算：
垂直面弯矩计算
合成弯矩图：
转矩图：T13728N
图32 水轴弯矩扭矩图
8．静强度计算轴强度校核
求出危险截面弯矩：
查询机械设计手册计算公式：
根计算知强度足够
9．根弯曲疲劳强度进行校核
根文计算弯矩图扭矩图查询机械设计手册知：
查询机械设计手册知尺寸系数：
查询机械设计手册知表面质量系数：093
查询机械设计手册知钢：
查询机械设计手册知许安全系数：
计算弯曲应力幅：
扭转应力幅：
考虑弯矩作时计算安全系数：
考虑转矩作时计算安全系数
弯矩转矩时应时安全系数： 根结果显示满足疲劳强度设计求
（1）键选校核[23]
文设计带轮轴减速器轴实现轴进行连接选择键普通型键选择键尺寸：
取低速轴危险键进行安全校核
进行键挤压强度校核查询机械设计知校核公式：
查询机械设计手册知：
述公式带入数计算：
设计键满足挤压强度安全
减速器轴处安装键尺寸：
进行键挤压强度校核查询机械设计知校核公式：
查询机械设计手册知：
述公式带入数计算：
设计键满足挤压强度安全
344 齿轮设计校核
1．齿轮设计包括选择齿轮材料齿轮热处理方式齿轮参数设计
文设计齿轮传动文设计传动功率较转速较低选软齿面传动[19]
设计齿轮材料：45热处理方式调质处理齿轮表面硬度达：240HBS设计齿轮材料：45钢进行热处理表面硬度达：200HBS
查询机械设计手册文设计齿轮精度8级精度
初选齿轮齿数：
取
文设计减速机闭式齿轮传动设计齿轮齿面软齿面利齿面接触疲劳强度进行设计齿根弯曲强度进行校核[24]
2．进行齿面接触疲劳强度设计查询机械设计手册知：
式中
载荷系数根条件取K13
齿宽系数根条件取
齿轮扭矩：
弹性影响系数查询机械设计手册取
取齿轮齿轮接触极限较值
查询机械设计手册知：齿轮接触疲劳强度：齿轮接触疲劳强度：
年工作务计算应力作次数：
根述计算结果进行需应力计算[22]
查询设计手册取接触强度安全系数：
MPa MPa
齿轮尺寸参数设计
设计齿轮分度圆直径：
计算齿轮圆周速度：
ms
计算齿轮定载荷系数：
查询机械设计手册知系数：
查询齿轮均分布系数：
查询齿轮轴线系数：
计算载荷系数：
校正齿轮分度圆直径：
3．终设计齿轮尺寸
模数：取模数
整圆
齿轮尺寸设计：
(a）齿轮分度圆直径设计：(mm) 54
(mm)
(b）中心距尺寸设计：(mm) 55
(c）齿轮宽度设计：(mm) 56
(mm)
根机械设计教材中齿轮校核公式：
进行轴I尺寸弯曲强度校核：
∴
根公式中数带入：
根结果进行较知：设计齿轮满足设计求
根述程轴I齿数56齿轮进行校核样满足设计求
轴I设计齿轮满足求
345 轴承选择校核
轴承根时工作性质进行分类分成滑动摩擦轴承滚动摩擦轴承两类滚动摩擦摩擦系数较运转阻力较等优点广泛工程场合场合众滚动轴承市面已做标准化滚动轴承选维护广泛提升
滚动轴承领域国防科技航空航天装备制造家电器交通工具等场合说轴承数轴承形式滚动轴承滚动轴承组成外圈零件圈零件滚动体零件保持架零件组成外圈常常机架进行配合通常采基轴制间隙配合圈连接轴采基孔制渡配合圈外圈采滚动体分离实现运动部件静止部件分类保持架功实现滚动体间彼分类防止滚动体间相互作提高轴承寿命
[20]
进行轴承选择时常需考虑面素：
(1）轴承受载荷
载荷性质常根载荷载荷方形进行分类载荷限制轴承选轻载系列轴承重载系列轴承载荷方决定选推力轴承需推力轴承合理解轴承承受载荷选择轴承重例够承受轴力径力轴承圆锥滚子轴承角接触球轴承二者区圆锥滚子轴承够承受较轴力径力轴承运动极限速度相球轴承差承受径力求具较高转动速度求选择深沟球轴承等
(2）轴承转速
载荷求外够限定轴承选转速求工作时转速求较高需优先选择球轴承[21]
(3）轴承调心功
工作场合求轴中心相轴承座中心定偏离时果没合理选择轴承会造成轴承圈外圈间产生附加载荷导致轴承较早产生破坏样情况需选择种够运动程中释放载荷实现调心功轴承
考虑述轴承选择素文设计圆锥滚子轴承型号：
设计简易六轴机械手寿命：15000—20000时作设备总寿命设计轴承寿命应该该寿命满足合理设计求
查询机械设计手册进行轴承寿命计算计算公式：
式中——轴承额定寿命——轴承额定负载——轴承量动载荷球类轴承寿命系数滚子轴承寿命系数
根机械设计手册资料查询知：
式中—轴承速度数 —轴承温度数 —轴承寿命数 —轴承力矩载荷数工作时力矩载荷较时工作时力矩载荷较时—轴承击载荷数
述公式带入计算出公式：
带入轴I轴承计算相关参数计算：
(h)
轴承计算寿命满足： 表示轴承寿命足够
35 章结
章次设计重环首先确定六轴机械手传动方式类似产品细节介绍根需求电机选型确定解具体电机项参数产品具体细节参数例臂齿轮轴等部件种参数应校核进行精密计算部件参数明确表达验证性寿命明确产品整体构建
4 三维建模
整理完基数开始进行三维模型制作里列举两见三维建模制作程次三维建模solidworks2019建模软件款软件级软件中处较高级水系列产品问世时间十分长远款着质量保证建模软件次三维模型制作表达六轴机械手结构外观作业运动仿真目细节会稍加欠妥
41 手腕处三维建模
首先开软件点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中直线圆功绘制手腕部体形状输入应数利剪裁实体功余部分删令形成完全封闭空间完成部分草图绘制图411图412示
图411草图选项
图 412手腕轮廓绘制
退出草图继续点击特征选项中拉伸功选中刚刚绘制草图两侧拉伸应数值完成草图拉伸形成块图413示
图 413手腕体拉伸程
继续前端矩形处点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中弧圆直线功绘制手腕处凸出连接部分输入应数退出草图继续点击特征选项中拉伸功选中刚刚绘制草图两侧拉伸应数值完成草图拉伸注意次拉伸方便部分制作拉伸完成利次绘制草图进行等距实体命令全部轮廓动移动应数值省重新绘制麻烦新草图进行进步拉伸完成手腕部体制作草图形状图414示拉伸结果图415示
图414草图形状
图 415手腕部拉伸结果
完成体继续细节制作矩形方点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中矩形圆功绘制手腕处部细节输入应数利剪裁实体功余部分删利拉伸切掉应矩形部分拉伸出绘制类钮着预期进行尾部细节制作手法相径庭完成细节部分草图绘制终手腕处零部件图416示
图 416整体效果展示
42 臂三维建模
首先开软件点击草图—草图绘制进入草图编辑页面选择功栏中弧直线剪裁实体命令绘制出出总体轮廓数拉伸命令进行实体化形成左连接体体形状图421示
图 421左连接体体形状
结构导出整体实体形状利拉伸切端相应位置点击草图—草图绘制面绘制矩形拉伸举行正面进行四螺栓三维建模螺栓建模层草图拉伸构成首先找准四分中心点利圆命令绘制应图形立利拉伸完成应部分建模根层特征完成螺栓建立图422示完成细节零部件图423示
图 422螺栓建模展示
图423整体展示
43 连接处修改整体装配
完成系列细节模型进行整体装配需相关零部件进行连接处修改里臂例完成建模臂中部圆心处利草图中圆命令两边应连接处进行圆绘制拉伸拉伸切凸出凹进相部分零部件进行连接操作环节装配程时候运动仿真找圆心减轻工作量加快整体进度追加连接部分图431示整体装配效果图432示
图 431连接部位
图 432整体装配效果
44 章结
章展示部分三维建模程次三维建模目鲜明表达外观仿真动画展示工作程展示部分三维建模程整体建模程体步骤相似建模整体较细节直观表现出产品外观
5 整体渲染
接三维模型装配体进行渲染作业首先solidworks2019中开成品六轴机械手装配体进入外观布景贴图功页面选择装配体整体应零部件层图51示
图51 渲染选项示意图
继续作业右侧功页面外观选项中选择金属—钢—抛光钢选项装配体整体渲染成带反光效果光滑钢面材质具体操作步骤图52图53示
图52 材质选项
图53 抛光钢选项
继续进行背景渲染外观布景贴图功页面中选择布景选项继续选择中工作间布景次试验发现工厂板背景效果更加适合机械手类工业产品选择工厂板布景作背景板操作程图54图55示
图 54外景选项
图 55工厂板选项
种角度调节光等细节操作装配体整体渲染基完成solidworks 2019部带渲染功成果专业软件鲜明作产品展示目达整体效果图56示较表现机械手整体线条感机械化风格
图56 三维装配渲染图
6 实物制作
根毕业设计实物制作求性价考虑决定RV20F六轴机械手利3D印方式制作出实物模型3D印技术通软件制作模型文件例缩放细节数修改等操作输入3D印机中进行识层层喷洒原料着模型分布细节进行绘制制作出成品进行手动作业展示
目前国3D印技术越越成熟精湛惜清楚展示模型细节着较延展性机械手整体结构尺寸较考虑成工序问题需进行模型等缩放机械手模型零件部分实心需利拔模工序中心部位掏空工序预计节省80成时正常安装模型达工作展示目印时适缩放模型进行修改修改细节量部进行变动整体尺寸
综述产品模型进行3D印作业实体模型图61示模型意义展示产品整体外观展示产品作业属简易模型范畴
图61 实物模型图
结
中国工业化进程速度加快原企业赖工作业生产弊端已完全展现出表现工作业生产作业效率低设备较老旧障率较高力成断升企业面招工难等问题时现代化工业机器代工完成作业设备够实现工业机器作业效率快速提升时够实现节省力降低工成相作业复杂工位需工进行作业机器法实现工代基停留传统工进行作业作业效率较低作业效果较差力成浪费工耗时耗力
文设计步进电机六轴简易机械手设计六轴机器具作业灵活工作空间达区域较优点广发机床料搬运码垛焊接喷涂等作业场合中国智制造背景成企业转型升级机械核心设备
次设计六轴工业机器发展应出发致力创造种功全面机械手装置次步进电机驱动简易六轴机械机械体结构设计具体包含机器基座设计臂设计臂设计机械机械夹手部分设计进行简易机器驱动方式传动方式设计具体包括驱动步进电机选型计算臂部传动机构设计计算臂部传动机动设计计算等容终根设计传动零件尺寸设计运CAD软件进行简易六轴机器装配图零件图设计
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