.緒論機械手在當(dāng)前的生產(chǎn)中應(yīng)用非常的廣泛，工廠的生產(chǎn)線中機械手的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)。比如汽車行業(yè)的自動化裝配生產(chǎn)線，之前通過人工裝配，不但效率低下而且不能充分保證裝配的質(zhì)量。通過機械手實現(xiàn)自動化裝配、組裝、噴漆、焊接等一系列生產(chǎn)線，目前組裝一臺汽車只需要5分鐘。另外即使在普通的機械行業(yè)，如果能合理的應(yīng)用機械手也會很大的提高生產(chǎn)效率。表面上看一臺機械手價格相對較高，但是通過一臺機械手的使用[1]，可以替代一個人甚至兩個人到三個人的作業(yè)，目前人工成本非常昂貴，通過使用機械手可以24小時不間斷工作。早期的機械手主要以模仿人手的動作，進行簡單的抓取零件的作業(yè)，定位精度也不是十分準(zhǔn)確，只能簡單地實現(xiàn)抓取[2]。隨著我國步入改革開放，一直到近期的不斷發(fā)展。機械手也從原先的非常簡單的發(fā)展到現(xiàn)在復(fù)雜的機械手，其定位精度已經(jīng)可達0.05毫米，其結(jié)構(gòu)是六軸機械手，每個關(guān)節(jié)都采用非常精準(zhǔn)的私服電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，定位后又通過位置信息反饋進行二次確認。針對現(xiàn)在國家的工業(yè)自動化發(fā)展趨勢，高精密機械手主要應(yīng)用在汽車行業(yè)，電子行業(yè)等比較精密的行業(yè)。其中電子行業(yè)的機械手種類最多，從簡單的兩軸、三軸、一直到六軸、七軸的機械手應(yīng)有具有。機械手的快速發(fā)展也得益于PLC編程程序的進步。機械手每個零件的加工精度必須保證在IT5級左右，只有這樣加工出來的機械手才能保證定位準(zhǔn)確,PLC和機械加工是機械手的關(guān)鍵構(gòu)成部分[3]。我國的自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較快，但是起步比較晚，和發(fā)達國家還是有一定差距的，如果我們能在加工制造行業(yè)取得較大進步，同時芯片行業(yè)也有較大進展的情況下，那么我們生產(chǎn)出來的機械手也會有較高的市場價值，相信在黨中央國務(wù)院的領(lǐng)導(dǎo)下，我們的發(fā)展一定會越來越好。目前生產(chǎn)制造的主要發(fā)展方向就是智能制造,即我們所說的工業(yè)4.0時代，智能制造的核心內(nèi)容就是工業(yè)機械臂[4]。使用工業(yè)機械臂可以有效提高工作效率，減少人工作業(yè)的強度、降低生產(chǎn)成本。隨著國內(nèi)工業(yè)機械臂的普遍應(yīng)用，工業(yè)機械臂集群協(xié)作模式對控制中心的運算、協(xié)調(diào)能力提出了更高的要求。工業(yè)機械臂云服務(wù)平臺，是由前列的信息技術(shù)、計算機技術(shù)及新興云計算、聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融會貫通的產(chǎn)物，是一種源于互聯(lián)網(wǎng)的、指向工業(yè)機械臂的服務(wù)框架產(chǎn)物。機械臂云服務(wù)平臺通過云計算在內(nèi)的當(dāng)代信息技術(shù)前沿理念，在普遍的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境下，協(xié)助機械臂卸載運算計量的工作，使控制中心的運算能力大大提高，將產(chǎn)品打造成高附加值、低成本和全機球化制造的服務(wù)[5]。2.滅火器生產(chǎn)線自動上下料機械臂方案設(shè)計2.1功能分析2.1.1滅火器生產(chǎn)線自動上下料機械臂主要功能分析該機械手通過升降、旋轉(zhuǎn)等一系列動作，實現(xiàn)將生產(chǎn)線上輸送的滅火器進行自動抓取，并放置于指定位置，從而實現(xiàn)一個自動下料的功能。關(guān)于該機械手的機構(gòu)構(gòu)成如下圖2.1所示。圖2.1機械臂組成機構(gòu)圖2.1.2滅火器生產(chǎn)線自動上下料機械臂主要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)機械手的工作需要根據(jù)指令進行相應(yīng)的操作，所謂的指令就是PLC程序。根據(jù)動作的需要先對機械手的動作進行PLC編程[6]，之后機械手的每個動作都是根據(jù)程序進行動作的。機械手的其機械系統(tǒng)分成執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)兩部分，每次碼垛的位置是否準(zhǔn)確又通過檢測系統(tǒng)進行位置信息反饋給PLC,如果位置信息不準(zhǔn)確，系統(tǒng)會報警，需要人工進行排除處理。其中執(zhí)行機構(gòu)主要是末端的抓手機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)是各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動馬達等，關(guān)于驅(qū)動機構(gòu)除了采用馬達的方式之外，也可以采用氣缸、液壓缸等均可做為動力源。各部分關(guān)系圖如下圖2.2所示。圖2.2各部分關(guān)系圖2.2總體布局方案2.2.1方案一桁架式機械手臂桁架的支撐立柱由于受力比較大，采用矩形管焊接制作，橫梁和縱梁采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)鋁型材，采用工業(yè)鋁型材既能減輕重量，同時也能保證很好的強度。工業(yè)鋁型材由于特殊的加工工藝，平面度直線度等均符合要求。該機械臂可以在X軸、Z軸的兩個方向進行移動，同時Z軸上有一個氣爪可對零件進行抓取作業(yè)。移動均采用齒輪齒條機構(gòu)，電機通過減速器進行減速，輸出軸端連接齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動是直接在齒條上進行的，然后通過導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)進行輔助支撐。關(guān)于總體方案中行走機構(gòu)通過減速機減速從而增加扭矩，提升機構(gòu)通過蝸輪蝸桿減速機減速、同時也能很好的實現(xiàn)自鎖，充分利用蝸輪蝸桿的特性。圖2.3桁架桁架式機械手臂2.2.2方案二五自由度式機械手臂該機械手底座固定在混凝土地面之上，其中底盤能夠?qū)崿F(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要是通過蝸輪蝸桿減速器實現(xiàn)減速并旋轉(zhuǎn)，該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，當(dāng)電機停止轉(zhuǎn)動后能夠?qū)崿F(xiàn)位置的鎖定，無需電機抱閘制動。第二節(jié)的旋轉(zhuǎn)作業(yè)通過電機驅(qū)動一個拉桿實現(xiàn)，拉桿的強度相對較高通過鑄鐵加工成本較低，經(jīng)濟性較好[7]。第三節(jié)通過減速電機驅(qū)動齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。圖2.4五自由度式機械手臂通過方案一和方案二的對比，方案一占用空間較大、結(jié)構(gòu)龐大，方案二占地小、結(jié)構(gòu)緊湊，同時方案定位更精準(zhǔn)，效率更高。綜合比較選用方案二為總體設(shè)計方案。2.2.3抓取部分方案（1）方案一寬氣爪采用SMC標(biāo)準(zhǔn)氣爪寬型做為機械臂末端滅火器的抓手，采用氣缸執(zhí)行抓取操作，更快捷、省時。具體樣式如下圖2.5所示。圖2.5寬氣爪（2）方案二普通氣爪下圖2.6所示為SMC標(biāo)準(zhǔn)兩爪氣爪，爪子兩側(cè)固定專用夾具，可以直接進行抓取滅火器作業(yè)。圖2.6普通氣爪通過以上兩種抓取方案對比，寬氣爪自身強度更高，爪子受力面積更大，更適合用在滅火器生產(chǎn)線自動上下料的生產(chǎn)線中，所以選擇方案一。2.2.4成本核算機械臂代替了手工勞動，操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。面對當(dāng)前操作工人的工資不斷上裝，勞動力成本占據(jù)著產(chǎn)品制造成本的比例正在不斷擴大，當(dāng)前通過自動化設(shè)備代替人的操作，既能夠提高生產(chǎn)效率又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，可謂是雙贏的解決方案。本次設(shè)計所采用的機械手，制造成本僅為6萬元，每個工人的工資按照6000元計算，只需十個月時間設(shè)備的成本就能返回。如果能夠在更多的場合實現(xiàn)自動化改造，勢必會帶來更大的經(jīng)濟效益。2.3方案對環(huán)境與安全的影響整個設(shè)備體積不大、占地小，采用電動驅(qū)動加氣動組合的方式，均采用常規(guī)方式且耗電量較低，不會對環(huán)境造成污染，相比通過自動化設(shè)備帶來的高速自動化，更是節(jié)約了人工成本同時提高了生產(chǎn)效率。設(shè)備在各機械運動極限位置都通過機械硬限位來保證安全，在合理運動范圍內(nèi)通過防護欄和光柵同時保護人員的安全，當(dāng)人員誤入機械臂活動區(qū)域后，光柵檢測后整個設(shè)備緊急停止運動，充分保障安全。3.主要部件詳細設(shè)計3.1小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1四桿機構(gòu)設(shè)計計算在這里采用曲柄搖桿機構(gòu)具體如圖3.1所示。ab邊代表大臂，長度為1000mm，ad邊代表底桿,長度為400mm，dc邊代表后桿，長度為1000mm，bc邊代表小臂長兩個連接點間的部分，長度為200mm。ab邊為機架，ad邊為搖桿，bc邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)首先滿足了bc邊長度小于小臂長度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案要小。圖3.1四連桿機構(gòu)簡圖3.1.2齒輪的設(shè)計與校核計算選擇小齒輪材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度190-240HBS，精度8級。取小齒輪齒數(shù)=24，則=5×24=120，大齒輪齒數(shù)Z2＝120。按齒面接觸疲勞強度設(shè)計確定各個參數(shù)數(shù)值（1）T=9.55×10×=9.55×10×(0.4/0.75)×0.99=5.04×10Nmm（2）初選載荷系數(shù)為=1.4（3）查表取齒寬系數(shù)為=1（4）查表取彈性系數(shù)為ZE=188.9（5）查表取節(jié)點區(qū)域系數(shù)為=2.5（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強度極限為=1150MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60×75×15×250×16=2.7×大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2=N1/5=5.7×（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1==1242MPa==1332.8MPa3.1.3確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm（2）按K值對進行修正由圓周速度 =2.28m/s查表取動載荷系數(shù)為=1.075查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2查表取齒向載荷分布系數(shù)為=1.07查表取使用系數(shù)為=1.00所以載荷系數(shù)K==1.38按K值對進行修正==29.04=28.9mm（4）確定模數(shù)m以及主要尺寸m==1.2mm為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2==216mm分度圓直徑==72mm，==360mm齒寬b==72mm，取小齒輪齒寬=80mm，大齒輪齒寬=75mm齒頂高===3mm，齒根高===3.75mm3.1.4按齒根彎曲疲勞強度校核確定各個參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù)=1.25可得==539.6MPa==556.64MPa（5）驗算齒根彎曲疲勞強度===58.48MPa==54.61MPa彎曲疲勞強度足夠了。圖3.2小臂三維模型3.2手腕傳動的設(shè)計3.2.1腕部的設(shè)計要求本課題所設(shè)計的是一個三自由度的機械臂手腕，由法蘭固定在機械臂小臂上，分別用三個直流伺服電機對其進行驅(qū)動。手腕主要分三部分：一部分是通過法蘭和小臂固結(jié)在一起，可實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動；一部分是圍繞軸的擺動；另外一部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運動。3.2.2腕部電機的選擇相對于步進電動機，交流伺服電動機更適于做超機械臂的動力部件，直流伺服電動機具有和交流伺服電動機相似的優(yōu)點[8]，并且對于本機械手應(yīng)用較方便，如用交流電動機則需在機械手只上安置一根電源線，這對移動性機械手是一個極大的累贅，不僅限制其移動范圍而且對機械手的速度和旋轉(zhuǎn)有一定影響，所以經(jīng)過比較，選用直流電動機作為機械手移動底盤的驅(qū)動裝置較為合適。所選用的直流電動機輸出功率為50W，額定電壓24V,轉(zhuǎn)速為600r/min,額定電流的2.8A。該電動機可以使用電池作電源，適用于普通傳動力及機械設(shè)備的驅(qū)動，該電動機具有一下特點：1、改變供電電壓的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以使用較低于技術(shù)指標(biāo)內(nèi)的電壓以獲得較低的轉(zhuǎn)速[9]。2、電機可以正、反轉(zhuǎn)，一般紅色線接正極，黑色線接負極。如果需反方向旋轉(zhuǎn)，只需將紅色線接負極，黑色線接正極即可[10]。由于腕部具有三個自由度，故對應(yīng)每個自由度都有一個電機。電機1帶動手爪轉(zhuǎn)動，電機2則帶動手腕左右擺動，電機3帶動整個手腕繞小手臂中心軸線轉(zhuǎn)動。由前文的總體方案設(shè)計可知，工件為30X30X30cm的立方體，重為5kg。工件的轉(zhuǎn)動慣量為J==0.00075kg.m2已知它的轉(zhuǎn)動速度為w=330°/s取啟動時間為0.1s，轉(zhuǎn)動角加速度β=3300°/s2由此計算力矩得：T=Jβ=0.043N.m功率P=Tw=2.48所以定做的電機額定電壓220V，輸出功率至少3W，輸出轉(zhuǎn)矩至少為1N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機輸出軸端進行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。3.2.3手腕齒輪連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3.3手腕齒輪連接軸結(jié)構(gòu)該軸的材料為40Cr，調(diào)制處理。ab段的主要用處是與電機相連，電機輸出端的軸徑是24mm，再根據(jù)凸緣軸器的寬度，ab段的長度為35mm，直徑為24mm。這一段由于和聯(lián)軸器連接，所以開有鍵槽，具體尺寸和電機輸出端的一樣。bc段是過渡段，長度為40mm，直徑為28mm。由于密封箱的壁厚為45mm，孔徑為62mm，因為外部還要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以cd段的長度為25mm，直徑為30mm，裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是7206C。固定軸承的軸肩高度為4mm。由于小齒輪的齒寬為70mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度為12mm。長度為56mm，鍵槽的鍵槽深為5mm。3.2.4手腕齒輪連接軸的強度校核（1）計算齒輪的受力轉(zhuǎn)矩T=9.55×10=9.55×10×(3/75)×0.99=378180Nmm圓周力==12606N徑向力==4588.2N（2）計算支撐反力水平面受力圖如圖3.4(a)所示。+=×153=×(67+153)故=-1397.32N，=3190.88N垂直面受力圖如圖3.4(b)所示。+=×(67+153)=×67故=3839.10N，=8766.90N（3）畫軸彎矩圖水平面彎矩圖見圖3.4(c)圖。垂直面彎矩圖見圖3.4(d)圖。合成彎矩圖見圖3.4(e)圖，合成彎矩M=。（4）畫軸轉(zhuǎn)矩圖軸受轉(zhuǎn)矩T=T，轉(zhuǎn)矩圖見圖3.4(f)圖。（a）（b）（c）（d）（e）（f）圖3.4手腕齒輪連接軸的受力分析（5）按彎扭合成應(yīng)力進行強度校核fg段的中間截面為危險截面。取=0.6。當(dāng)量轉(zhuǎn)矩=0.6×378180=226908Nmm=60.28MPa，查表知=70MPa，所以<。因此小軸1的強度滿足要求，故安全。圖3.5手腕三維模型

圖3.6三維裝配模型4旋轉(zhuǎn)機構(gòu)重要零部件參數(shù)設(shè)計4.1電機的設(shè)計與選型電機作為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力來源，對于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是否可以正常運行具有十分重要的意義，只有對各電機進行合理選型才能達到理想的效果[11]。同時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)橫向空間較小，在電機滿足效率的同時還需要考慮到電機的大小，力求達到合理的布局安排。首先對于電機功率的計算，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在最大承載時的所需功率為：式中：—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作的效率，KW；—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作時受到的阻力，N；—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作的速度，KW；—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作的效率，KW；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)額定重量50KG，額定載重50KG，總重量100KG：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)額定運載速度為0.1m/s≤V≤5m/s，計算時按照最大運載速度進行計算。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)工作時遇到的阻力為：代入相關(guān)數(shù)值可得阻力具體數(shù)值為：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的傳動效率計算：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用直流無刷減速電機通過連接。最后將上述所有參數(shù)代入得到每個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)所需要的功率為：接下來計算電機所需要的轉(zhuǎn)矩，電機工作轉(zhuǎn)矩計算公式如下：式中：—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)加速度，本文取2.5m/s2?！D(zhuǎn)機構(gòu)車輪半徑，本文取75mm。將相關(guān)參數(shù)代入，可得：最后計算旋轉(zhuǎn)機構(gòu)按最大速度運動時，電機所需要的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速計算公式如下：代入相關(guān)數(shù)值可得：結(jié)合電機輸出扭矩以及電機功率，最終選擇型號為60BL90-440-57XG直流無刷減速電機。具體參數(shù)如表4-1所示。表4-1旋轉(zhuǎn)機構(gòu)電機具體參數(shù)型號功率輸出轉(zhuǎn)速輸出扭矩配備減速器減速比60BL90-440-57XG0.75KW3000r/min8.64N·m94.2旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計計算本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿傳動的形式。本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)左右近似對稱，進行設(shè)計計算，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)力計算公式如下：滑動摩擦系數(shù)為：0.4，將相關(guān)參數(shù)代入可得：根據(jù)杠桿定理，可知連接軸的單側(cè)推力為：式中：—旋轉(zhuǎn)軸的半徑，取15mm；—連接傳動距離旋轉(zhuǎn)軸的距離，取60mm；代入相關(guān)參數(shù)，可得連接軸單側(cè)推力為：上文提到，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進而左右對稱，因此連接軸總推力計算如下：式中：—安全系數(shù)，查閱相關(guān)設(shè)計手冊，取3；代入?yún)?shù)，可得連接軸總推力計算為：接下來計算連接傳動的行程，設(shè)定旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的最大旋轉(zhuǎn)角度為45°，連接傳動的行程為：式中：—回轉(zhuǎn)半徑，本文取75mm；代入相關(guān)參數(shù)，可得：根據(jù)連接傳動的推力和行程，最終選擇型號為CA2-2A-060連接傳動。4.3驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)軸器設(shè)計計算與校核驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)軸器主要是連接減速電機與小連接軸，聯(lián)軸器主要根據(jù)電機的輸出扭矩[12]，電機的輸出扭矩計算公式如下：聯(lián)軸器扭矩計算公式如下：查閱機械設(shè)計手冊，選取：。將相關(guān)參數(shù)帶入公式可得；根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩需小于其公稱轉(zhuǎn)矩，可選取公稱轉(zhuǎn)矩為：的螺紋式聯(lián)軸器，其具體型號為SYM3B-D38.1[13]。具體參數(shù)如表4-3所示。表4-3聯(lián)軸器具體參數(shù)型號轉(zhuǎn)矩聯(lián)軸器外徑長度軸徑SYM3B-D38.16.3N·m38.1mm41.38~15mm/s4.4蓄電池的設(shè)計計算本文設(shè)計的底部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)其動力源主要由電池提供，目前常見的電池類型有以下四種，各種類型蓄電池特點如圖3-1所示。圖4-1各種類型蓄電池特點旋轉(zhuǎn)機構(gòu)需要長時間運行，最大運行時間為6h，并且使用壽命需要較長，橫向?qū)Ρ纫陨纤姆N電池，本文設(shè)計的底部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)電源類型選擇鉛酸蓄電池組，電壓為48V[14]。接下來計算電池組的容量，電池組容量計算公式公式如下：式中：—蓄電池容量（）；—電池輸出功率（）；—電池使用時間（）；—電池組電壓（）；—電池逆變效率，本文取0.9；—電池放電效率，取0.9；本文1塊電池帶動4個電機運動，可看做并聯(lián)的形式，因此，電池電壓等于電機電壓，電池輸出功率為4個電機功率之和，即，。將相關(guān)數(shù)值如下可得：單個蓄電池電壓為12V，本文電池組輸出電壓為48V，因此該電池組一共有4個電池，每個電池的容量為：圓整，選擇每個電池的容量為40Ah。4.5連接軸的設(shè)計與校核1）連接軸結(jié)構(gòu)連接軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2所示。圖4-2輸入軸結(jié)構(gòu)示意圖連接軸左端與聯(lián)軸器連接，右端分別安裝軸承，套筒以及軸承端蓋。2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度（1）選擇軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由機械設(shè)計表15-3查的，于是得，故取。（2）由于段是與連接軸連接，故。（3）第三段軸連接軸承，軸承型號為深溝球軸承,61901，故即可[15]。3）軸上零件的周向定位帶輪與軸的周向固定采用平鍵連接。軸向固定采用套筒和軸承端蓋的方式。4）確定軸端倒角見查機械設(shè)計表15-2軸端倒角取。5）軸的受力分析以及軸的校核（1）作用在連接軸上的力即圓周力、徑向力及齒輪作用在軸上的力（2）根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的受力簡圖軸的受力簡圖如圖4-3所示。圖4-3軸受力簡圖上文已經(jīng)介紹，前進檔的右端是以軸端擋圈進行固定，因此可以把軸看作是懸臂梁，由力矩平衡可知：最終可以得到：計算得到水平面的力矩分別為：計算豎直面的力矩為：計算力矩合理：輸入軸是收到的扭矩為：5090N·mm，最終合成彎矩和扭矩，得到彎扭矩圖如圖4-4所示。圖4-4輸入軸彎扭矩圖最大危險界面校核：由圖3-4可知連接軸軸在輸出端彎扭矩最大，因此只需要驗證齒輪處的界面應(yīng)力是否大于許用應(yīng)力即可。因為，故連接軸軸驗算合格。4.6軸承的設(shè)計與校核本文設(shè)計的連接軸軸兩端均由軸承連接，軸承的型號為：61901，軸承的校核主要根據(jù)軸承的使用壽命，軸承預(yù)期壽命計算公式如下：通過查閱機械設(shè)計手冊可知，軸承61911的額定動載荷為，兩個軸承的受力在前節(jié)已經(jīng)詳細計算，其合力計算公式如下：將相關(guān)數(shù)值代入，可得：?。海S承安裝位置靠近旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，存在一定的振動沖擊，取。接下來計算兩個軸承的當(dāng)量動載荷，計算公式如下：當(dāng)相關(guān)參數(shù)代入上式，可得到具體數(shù)值為：接著分別計算兩個軸承的工作壽命，計算結(jié)果如下：通過上式可得，兩個軸承的工作壽命分別為：以及，均超過了預(yù)期壽命11520h，驗算合格。主要零件有限元分析5.1有限元分析闡述將Solidworks軸三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，具體如下圖所示。結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析是零件結(jié)構(gòu)分析最基礎(chǔ)的部分，靜力學(xué)分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員使用最頻繁的分析手段[16]，主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或時間作用效果可忽略的靜力載荷（如集中載荷、分布載荷、螺栓預(yù)備緊載荷、溫度載荷、強制位移、慣性載荷等）作用下的響應(yīng)，得出所需的節(jié)點位移、節(jié)點力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等[17]。ANSYS是一款專業(yè)的有限元分析軟件，它幾乎滿足所有類型的結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析，本文所需要的模型所受載荷和約束相對較簡單，采用ANSYS軟件對它進行分析將會得到非常精確的結(jié)果。5.2軸的有限元分析圖5-1軸導(dǎo)入ANSYS軸三維模型網(wǎng)格劃分是有限元分析前處理工作之一，也是有限分析計算的基礎(chǔ)[18]。網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣是決定計算精度的重要環(huán)節(jié)，特別是對于大型和復(fù)雜的模型來說，網(wǎng)格的劃分有特別的耗時。對一般的模型來說，網(wǎng)格的劃分還是比較容易的。ANSYS中網(wǎng)格的劃分主要分為線網(wǎng)格、面網(wǎng)格、體網(wǎng)格三種形式[19]，本課題采用體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，在體網(wǎng)格劃分中又可分為四面體和六面體網(wǎng)格，主要根據(jù)模型情況來定需要哪種劃分。圖5-2劃分網(wǎng)絡(luò)圖5-3分析設(shè)置圖5-4總變形圖5-5等效彈性應(yīng)變圖5-6等效應(yīng)力通過ANSYS分析總變形、等效彈性應(yīng)變、等效應(yīng)力等均符合要求，合格。5.3驅(qū)動臂座的有限元分析根據(jù)查閱資料以及實際使用情況，關(guān)于該驅(qū)動臂座的材料選用美國標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金6061-T6。其材料力學(xué)性能及各項參數(shù)如下所示。圖5-7各向同性彈性圖5-8雙線性各向同性硬化圖5-9熱膨脹系數(shù)圖5-10S-N曲線圖5-11各向同性導(dǎo)熱系數(shù)圖5-12比熱恒壓圖5-13驅(qū)動臂座導(dǎo)入ANSYS軸三維模型圖5-14網(wǎng)絡(luò)劃分圖5-15總變形圖5-16等效彈性變形圖5-17等效應(yīng)力通過ANSYS分析總變形、等效彈性應(yīng)變、等效應(yīng)力等均符合要求，合格。

結(jié)論該機械手通過升降、旋轉(zhuǎn)等一系列動作，實現(xiàn)將生產(chǎn)線上輸送的滅火器進行自動抓取，并放置于指定位置，從而實現(xiàn)一個自動下料的功能。手腕部分由法蘭固定在機械臂小臂上，分別用三個直流伺服電機對其進行驅(qū)動。手腕主要分三部分：一部分是通過法蘭和小臂固結(jié)在一起，可實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動；一部分是圍繞軸的擺動；另外一部分就是手爪的回轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機型號為60BL90-440-57XG直流無刷減速電機，減速器減速比為9；機構(gòu)電源類型選擇鉛酸蓄電池組，電壓為48V。電池為4組，容量為40Ah；兩個軸承的工作壽命分別為：以及，均超過了預(yù)期壽命11520h，驗算合格。

參考文獻[1]任志剛.工業(yè)機械臂的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù),2015(03):166-168.[2]韓維敏.工業(yè)機械臂現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢淺析[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2017(30):68.[3]ChaoYu,MingheJin,HongLiuAn.Analyticalsolutionforinversekinematicof7-DOFredundantmanipulatorswithoffset-wrist[J].IEEE,2012,8(5):92-97.[4]HaklidirM,TasdelenI.Modeling.SimulationandfuzzycontrolofananthropomorphicrobotarmbyusingDymola[J].JournalofIntelligentManufacturing,2009,20(2):177-186.[5]張慶峰.新型數(shù)控機床裝夾機械手設(shè)計與分析[D].江蘇大學(xué),2010.[6]奚陶.工業(yè)機械臂運動學(xué)標(biāo)定與誤差補償研究[D].華中科技大學(xué),2012.[7]?？低?桁架機械臂運動學(xué)建模、定位誤差分析及實驗研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2016[8]韓靜，方亮，孫甲鵬，等.基于Pro/e與ANSYSWORKBENCH的復(fù)雜裝配件系統(tǒng)仿真及優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2010，1：190-192[9]樊炳輝，焦浩，賈娜.基于ANSYSWorkBench的排爆機械臂機械手靜力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動化，36（2）：32.16[10]王明強，朱永梅，劉文欣，等.有