机器人三自由度灵巧手爪设计-中期报告-(2)

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告1河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计题目：反恐机器人三自由度灵巧手爪设计专业：机械设计制造及其自动化学生信息：姓名：王浩宇学号：105509班级：机设C105指导教师信息：教师号20014姓名丁承君职称教授报告提交日期：1.灵巧机械手总体方案的确定机械手需要满足的动作要求为，以实现其具有开门、取物等相对灵巧的能力，手指开度不小于50mm，总体重量不超过2kg，要求抓取物体质量3kg。方案一：图1.1机械手结构方案一方案二：河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告2图1.2机械手结构方案二方案一与方案二比较：方案一中结构紧凑且运用动力种类单一，有更为广阔的应用型，但是由于手爪需要抓取3kg的物体，如果在机械运动中超过一倍的加速度，电机将不能满足手爪的设计要求或是机械结构更为繁琐致使机械手超出预定的质量；方案二中机械结构更为简单，动力源有气缸与电机，机械对环境的要求比方案一要高，但是在实际的操作中方案二有较高的稳定性与安全性。2.主要机构的详细设计经过多方资料，与结构优缺点比较，因此选择方案二作为本次设计的方案。机械手由三部分组成，手指部分、翻转结构以及旋转结构，通过气缸推动齿轮轴带动手指的齿轮实现手指的张和，翻转结构电机经齿轮变速与固定在手腕的齿轮啮合，实现手部的翻转；电机带动行齿轮轴系实现手部的旋转。2.1手指结构设计灵巧机械手设计要求为整体重量不超过2kg，而且手指开度为50mm，因此手指的长度设计为80mm，考虑其工作状态，加速度为一倍重力加速度，因此在手指的选材上选择非金属材料，而且要求具有稳定的工作特性和防腐防老化的性能，综合各个方面要求选择聚丙烯材料，其密度低，工作特性稳定，且具有较高强度。河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告3图3.1手指结构手指选材：聚丙烯pp，密度为3/91.0cmg，在-10---100摄氏度一下可稳定工作。校核：手指所承受的径向力FNggkgF60203)(33.1重力mNg10已知条件：手指总长l=0.08m集中载荷P=60N弹性模量E=5GPa截面的轴惯性矩45101mI纵向作用力Q=60N剪切面积44108.0mA许用剪切应力[τ]=33MPa河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告4材料弹性模量E=5GPa波松比μ=1计算结果：悬臂梁一的危险截面B处的:支座反力NFrb60反力矩NMb8.4最大剪力NQb60最大挠度mfa4102048.0最大转角510384.0a剪应力τ=0.75MPa剪应变m410264.0手指一端齿轮模数为1压力角020，齿轮宽12mm。]2[2.2气缸的选择。由气缸所提供的力为nFNFrbFn1010605.9/160/23.2安全系数K=1.2NKFFn12122.110103.3气缸选择根据机械手质量的要求，尽量选择尺寸较小的气缸。初定气压0.8mpa气缸内径20mm24621014.31010mmA3.4NPAF2.251108.014.363.5选定气压1mpa气缸内径25mm河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告524621091.410425mmA3.6NPAF491101091.4643.7选取气压1mpa气缸内径35mmNA125644023.812561212因此选用气缸CM2YG40-25图3.2CM2YG40-25质量0.176kg工作环境-10—60摄氏度气体压力1mp,用节流阀控制气缸前进速度，使手指达到每秒张开不大于90。2.3.1选择电动机容的量电机分为直流电机与交流电机，根究反恐机器人的工作要求于各个国家的所用交流电之间的差异，因此选用直流电动机。直流电机，额定电流有12V、24v、42v等。2.3．2确定电动机转速翻转时力矩mNNlFgT18.006.0303.9有效功率为wnTPw08.167.118.03.10河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告6手腕的翻转速度：srnw/164.0η1、η2、分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》表9.1取η1=0.98，η2=0.97，则滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015直齿轮齿轮的机械效率97.01轴承的机械效率98.02从电动机到翻转轴输送总效率95.097.098.0213.11所以电动机所需工作功率为wPPWd18.13.12初选电机SM40-00130LFB，转速3000r/min,转矩0.1N·m，质量0.23kg。300616030003000wni3.13电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，因此选用电机SM40-00130LFB需要做5级减速装置，这样会大大加大机械手的重量与机械复杂程度，因此此电机不符合设计要求。2.4手腕旋转电机选择选择电机GMP-2855TD720为转速13r/min，额定功率44w，转矩2N·m。河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告7图3.3电动机安装尺寸L=25mm减速比3.1616013i3.14计算传动装置各轴的运动和动力参数I轴min/131rnII轴min/102rn各轴的输入功率I轴wppd18.11II轴wpp12.195.018.123.15各轴的输入转矩mNnPTwdd086.01318.1955095503.16mNTTd086.01mNTT081.095.0086.0123.17轴名功率P/w转矩T/(N·m)转速n/(r/min)传动比效率I轴1.180.086131.30.95II轴1.120.08110表3.1轴的运动参数电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告8质量0.12kg工作环境-10—70摄氏度2.4.1选择电动机容的量按工作要求和工作条件选用无刷直流伺服电机，额定电流24v。翻转时力矩mNNlgFT3.005.06013.18有效功率为wnTPw80.1167.03.03.19式中，1、2分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》成大先版表9.1取98.01，97.02，则滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015轴承的机械效率98.01直齿轮齿轮的机械效率97.02从电动机到翻转轴输送总效率95.097.098.0213.20所以电动机所需工作功率为wPPWd89.195.080.13.212.4．2确定电动机转速电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，选用电机为转速13r/min，减速比i=1.3。河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告9图3.4电机安装尺寸计算传动装置各轴的运动和动力参数I轴min/131rnII轴min/102rn各轴的输入功率I轴wppd89.11II轴wpp80.195.089.123.22各轴的输入转矩mNnPTwdd138.01389.1955095503.23mNTTd138.01mNTT131.095.0138.0123.24轴名功率P/w转矩T/(N·m)转速n/(r/min)传动比效率I轴1.890.138131.30.95II轴1.800.13110表3.1轴的运动参数电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。质量0.12kg工作环境-10—70摄氏度河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告10直流无刷电机是用电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了10-30倍。外置驱动的直流无刷属静态电机，空载电流小；输出效率高；外置驱动的无刷电机可以做到体积很小。内置驱动器的无刷电机，由于散热问题，在电机运行一段时间后，就出现发热情况。缺点：无霍尔的无刷电机在起动时有轻微振动，速度正常后就感觉不到振动现象了；空心杯结构的无刷电机价格高，控制器要求高；外置驱动器的无刷电机，使用不方便，需要外配控制器，在尺寸、成本方面不易控制三．参考文献【1】成大先.机械设计手册.第1版.北京：化学工业出版社，20021-5卷【3】工业机器人技术郭洪红主编：西安电子科技大学出版社【3】机械原理高中庸主编华中科技大学出版社【4】材料力学章梓茂主编高等教育出版社【5】工业机器人的操作设计马香峰冶金工业出版1996【6】工业机械手设计李允文机械工业出版社1996【7】工业机械手设计基础天津大学《工业机械手设计基础》编写组1980【8】工业机械手图册机械工业出版社1978【9】机械手作者（苏联）A.N.别洛夫原子能出版社【10】机械设计手册（软件版）R2.0数字化手册系列（软件版）编写委员会机械工业出版社