自动卸车机械手设计毕业设计说明书.docx

1、本科毕业论文（设计）自动卸车机械手设计系（部）机械工程系专业机械设计制造及其自动化学号学生姓名指导教师提交日期2022年4月17日目录目录摘要IABSTRACTI1绪论31. 1弓I言31.2 自动卸车机械手的特点与分类31.2 .1自动卸车机械手的特点31.3 .2自动卸车机械手的分类41.3 自动卸车机械手的国内外研究现状51.3 .1国外卸车机械手发展现状51.4 .2国内自动卸车机械手发展现状61.4 课题来源与意义61.5 本文主要研究内容：71.6 本章小节72机械手总体结构的设计82. 1弓I言83. 2卸车机械手本体的构型分析82. 2.1卸车机械手的技术参数83. 2.2自动

2、卸车机械手总体设计92. 3臂长及参数112. 3.1臂的结构II3. 3.2前臂124. 3.3小臂145. 3.411（小臂传动杆）的校核156. 3.5对I,（前臂连动杆）进行校核157. 3.6对大臂的校核158. 4本章小名吉173腰部及关节的设计189. 1电机的种类183. 2减速机的种类193. 3自动卸车机械手关节的详细设计223. 3.1回转关节T轴的设计223. 3.2旋转关节轴的设计243. 3.3小臂旋转电机的选择273. 3.4大臂旋转电机的选择283. 5本章小结294手部的设计304.1手部的结构设计304. 1.1概述304. 1.2设计时应考虑的几个问题30

3、4. 1.3手部夹紧力的计算314. 2气压缸的选择324 .2.1气压缸的简介325 .2.2气压缸的选择354. 3本章小结365结论与展望375. 1结论376. 2展望37参考文献38致谢39摘要本文设计的是一个拥有多个自由度的机械手，用于给物流运输进行卸车。在很多物流仓储企业中，物料存储、自动分拣，自动输送、自动识别、自动跟踪等设备都已实现了自动化，但通过货车运输的货物在卸货上，基本还是靠人工手动或罪人工和辅助设备如叉车等来实现。这不仅增加了劳动者的劳动强度，而且严重影响了工作效率。通过调研和分析，对于一些规范的货物，如货物外观尺寸，货物包装方式和包装材料，货物重量、货物允许承受的压

4、力等条件相对规范时，可设计一种自动装卸车的机械手来实现货物装卸的自动化。从而提高工作效率和降低劳动强度。该机械手由手部、手臂、腰身和底座等组成，具备上下料，翻转和转位等多种功能,并且结构简单，操作方便。驱动方式为电机驱动，采用伺服电机。关键词：自动卸车；机械手；工作方式；结构设计；伺服电机ABSTRACTThistextistodesignonerobotownfourfreedomdegree,ItsusedtogivebluntpressanequipmentscarryingmaterialInmanylogisticsandwarehousingenterprises,equipmen

5、tsuchasmaterialstorage,automaticsorting,automatictransportation,automaticidentification,andautomatictrackinghavebeenautomated,buttheunloadingofgoodstransportedbytrucksisbasicallymanualormanualandassisted,equipmentsuchasaforklift.Thisnotonlyincreasesthelaborintensityofworkers,butalsoseriouslyaffectsw

6、orkefficiency.Throughresearchandanalysis,forsomestandardizedgoods,suchastheappearancesizeofthegoods,thepackagingmethodandpackagingmaterialsofthegoods,theweightofthegoods,theallowablepressureofthegoodsandotherconditionsarerelativelystandardized,amanipulatorofanautomaticloadingandunloadingvehiclecanbe

7、designedtorealizetheloadingandunloadingofthegoods,ofautomation.Therebyimprovingworkefficiencyandreducinglaborintensity.Itsrobotsturntoconstitutebythehand,arm,waistlineandbaseetc.andhavetopandbottomanticipate,insideoutwithturnetc.varietyfunction,andstructuresimple,operationconvenience.Driveawaytodriv

8、efortheelectricalengineering,adoptionstepenterelectricalengineering.KEYWORDS:robot;workway;structuredesign;thestepenterelectricalengineering371绪论1.1 引言机械手技术是一种高新技术，它涉及诸多学科及技术领域，综合了计算机、机构学、信息和传感技术、控制论、仿生学和人工智能等多学科而形成的。机械手按照用途可分为工业机械手、服务机械手和特种机械手，其中工业机械手是目前应用最多、技术上发展最成熟的一类机械手。随着我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进，使得机

9、械手在自动卸车、喷涂、挥接、测量等行业有着相当广泛的应用。自动卸车机械手是实现物流和包装自动化的关键装备，可以实现高速、自动、连续、准确的自动卸车任务，满足产品自动卸车需求。人工自动卸车是强度大、重复性高的劳动，特别是高粉尘、有毒、有害等物料，基本不适合人工码设，因此有必要研发一种自动卸车机械手，减低生产过程中对工人的身心伤害。工业机械手有多种不同的分类方式，按照机械手工作空间的坐标系形式可以分成：直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、关节式机械手和机械手。关节式机械手和机械手如图所示。关节式机械手由一个时关节和两个肩关节定位，腕关节进行定向。关节式机械手的构型动作灵活，工作空间大，占地面积小，

10、结构紧凑，手臂的干涉最小。按照机械手的用途可以分成：燥接机械手、喷涂机械手、自动卸车机械手、装配机械手和专门用途的机械手。1.2 自动卸车机械手的特点与分类1.3 .1自动卸车机械手的特点自动卸车机械手相对于辉接机械手、装配机械手和喷涂等机械手有很大的区别，主要体现在以下几个方面：(1)自动卸车机械手搬运的物料实现水平面内的旋转和空间内的平移，动作难度较小，无需进行物料的翻转动作。卸车任务只需要四个自由度，关节控制末端位置，和关节控制末端姿态；(2)自动卸车机械手利用了“平行四边形”原理，通过两组平行四连杆的传动，使机械手末端的腕部关节轴线始终与地面垂直，保证了包装的袋子或者箱子在搬运过程中的

11、平稳状态；(3)自动卸车机械手减少了两个自由度，结构简单，零部件少，性能更可靠，(4)故障率降低，保养和维护起来方便；(5)集成性较高，占地面积小，方便企业优化配置厂房面积；(6)功率消耗低，大大降低了客户的生产运行成本和能源的消耗；(7)适用性和灵活性高，面对产品的多样性或特定客户的产品的尺寸、形状、体积及托盘的形状和尺寸发生变化时，只需要在控制器上稍作修改即可满足需求，不会影响正常的生产，这是传统的自动卸车装备无可比拟的；(8)控制方式和示教方法简便；(9)自动卸车的任务相对于挥接或装配任务，定位精度要求相对较低。1.2.2自动卸车机械手的分类自动卸车机械手按照驱动传动和结构的不同可以分成

12、：混联自动卸车机械手，并联自动卸车机械手和关节式串联自动卸车机械手。欧洲和美国主要以关节式串联自动卸车机械手为主。混联自动卸车机械手主要以日本的机械手为代表。121并联机械手具有以下特点：无累计误差，精度较高；运动部分重量轻，速度高，动态响应好，驱动装置可置于固定平台上；结构紧凑，承载能力大；并联机构的各向同性优异。同时，由于并联机械手工作空间较小，承载能力弱，在现实的自动化生产线重载环境下，适用性和灵活性不高，因此在食品行业和快速分拣、蹄选行业等轻载环境下，并联机械手突显出它的优势，在高速重载行业，主要是混联码设机械手和串联关节式自动卸车机械手。本节就自动卸车行业常用的混联码棵机械手和串联关

13、节式自动卸车机械手两种机械手做出对比。两者的区别在于混联码设机械手四个关节中，两个关节为移动关节，其余为旋转关节，后者的四个关节皆为旋转关节。两者都经过两个四连杆机构传动，使末端的腕部关节旋转轴线始终与地面垂直。混联自动卸车机械手和关节式串联机械手的第一关节与第四关节同为旋转关节。而混联自动卸车机械手的第二关节和第三关节为移动关节，第二关节为水平移动，第三关节为垂直移动，两关节部分各有驱动系统，每个电机控制同步带轮的旋转驱动滚珠丝杠，从而带动其滑块的运动，可以实现大臂上下运动，小臂前后运动。这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。目前搬运机械手研发方面，均采用四轴旋

14、转的关节式结构，与两个旋转和两个移动关节的混联自动卸车机械手比较，具有如下优势：结构紧凑，外形美观，为目前四轴搬运自动卸车机械手的主流发展方向；维护方便，故障率低，与滚珠丝杠、精密行星减速机的传动方式相比，减速机传动简单，易于维护，使用寿命长，前者在润滑与密封方面较后者复杂；成本基本持平，两者使用相同数量的伺服电机和减速机，混联自动卸车机械手还另外需要滚珠丝杠和导轨；关节式自动卸车机械手的旋转关节方式定位精度高于混联自动卸车机械手的直线关节方式的定位精度；在机械结构设计方面，混联自动卸车机械手的结构较关节式自动卸车机械手更为复杂，需要解决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题；混联自动

15、卸车机械手虽然也有行程放大的机构，但由于外观尺寸的限制，滚珠丝杠和导轨的长度受限，运动空间小于关节式自动卸车机械手。1.3 自动卸车机械手的国内外研究现状从上世纪八十年代开始，欧美以及日本等国家，在推广搬运自动卸车的自动化和机械手化方面取得了很大的进步，在国家“七五”、“八五”期间，我国许多高校科研院所也研究和开发了自动卸车机械手，并取得了一些成果。1.3.1 国外卸车机械手发展现状工业机械手技术在国外起步较早，第一次将机械手技术应用于自动卸车作业的是在世纪年代，由日本提出的。目前，世界各发达国家的机械手公司针对各种载荷、运行空间和运行环境，不断推出高性能、高可靠性、高速、高精度的自动卸车机械

16、手。自动卸车机械手市场主要分为欧系和日系。欧系自动卸车机械手以ABB和KUKA为代表，日系自动卸车机械手以FANUC和YASKAWA为代表。111ABB公司是全球领先的工业机械手供应商，在自动卸车作业方面，有着全套先进的机械手解决方案。1974年，设计研发了全世界第一台全电控式、微处理器控制的工业机械手。随着技术积累，最近公司研制了全球速度最快的紧凑型四轴自动卸车机械手。在工作节拍方面，每小时最快可以达到2190次，工作空间的直径达到2400mm,在运行速度方面，较相同类型的机械手提升了百分之十五左右，在占地面积方面，只是同类机械手的五分之四，在工厂狭小空间内的高速作业，将更加适用。针对不同行

17、业的需求，开发了特殊规格的机械手，是实现高精度拾放料作业的并联机械手，范围可达1600mm。作为全球最大机械手生产商之一的德国KUKA机械手公司，涵盖了所有应用场合和负荷等级的机械手类型，其中litan是目前市场上最强悍的工业机械手主要应用于包装及蹄选，承载能力可以达到1300Kg,最大作用范围3202mm,重复定位精度也能达到土0.2mm。凭借矫健的身姿，获得了全球公认的红点设计奖。机械手在长时间停止时，伺服系统将会自动关闭，节约电力的消耗，减少运行成本。同时机械手配有助力弹簧，用于降低驱动电机负载，提局机械手的承载能力。日本安川公司于1977年研制出第一台全电动工业机械手，至今在全球已生产

18、13万多台机械手。安川机械手的MP系列是专门应用于自动卸车作业的，自动卸车机械手的负载能力达到了160kg重复定位精度达到0.5mm。1.3.2 国内自动卸车机械手发展现状我国工业机械手技术研究与应用开始于上世纪70年代，自主研发的自动卸车机械手主要结构形式有直角坐标式和关节式。近几年，在自动卸车机械手方面，出现了一批具有较强研发实力的科研院所和专家企业。161上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研发了TPR系列自动卸车机械手。TPR系列机械手与日本自动卸车机械手结构相似，具有独特的线性四连杆机构利用工控机、运动控制卡、PLC实现机械手的控制，并且可以通过人机交互，核心算法由工控机完成，控制软件

19、在平台上编写，实现自动卸车机械手生产能力达到1600包/小时。沈阳新松机械手自动化公司是我国工业机械手的产业化基地，我国第一台工业机械手样机，就是在该公司研发与制造成功的。在机械手技术方面，新松机械手优化了机械手控制、操作机设计、工程应用和机械手作业等关键技术难题，解决了高精度插补、机械手语言、多轴协调和传感器控制等技术，研发了具有我国自主版权的机械手控制器其应用涵盖搬运、俾接、冲压、喷涂以及机加工等领域。清华大学陈恳、杨向东和北京邮电大学李金泉以及北京理工大学付铁共同开发了TH50型自动卸车机械手，负载50kg,可搬运1000袋小时。HT50型自动卸车机械手的结构与ABB、KUKA等机械手不

20、同，第二关节和第三关节采用滚珠丝杠驱动，HT50码设机械手是各关节直接驱动方式，这种驱动方式的好处是可以减小驱动电机和减速机的功率，不需要平衡气赶、弹餐等元器件。相对于国外工业机械手技术，我国工业机械手技术在产品研发和生产制造方面与国外还存在一定的差距，大部分技术还是被国外公司掌握，自主产权的核心技术较少因此,发展自主产权和核心竞争力的工业机械手产品，已成为我国机械手产业的当务之急。1.4 课题来源与意义本课题来源于中国科学院新兴战略产业项目“面向大型冲压生产线作业的锻压机械手开发与产业化”。随着我国自动卸车、包装等物流产业的迅速发展，不断增长的市场需求与生产效率之间的矛盾，对自动卸车设备的生

21、产效率提出了更高的要求，但目前我国的自动卸车机械手市场多为国外机械手公司所垄断，国外自动卸车机器人产品在中国的年产销额已近五亿元，因此研发具有自主知识产权的低成本自动卸车机械手产品己成为我国机械手领域亟待解决的问题。自动卸车的自动化可以保护工人的人身安全，减少产品的破损，快速地将物品码放整齐。自动卸车机械手能够帮助人们从事单调劳累的工作，降低劳动成本、稳定产品质量和提高劳动生产率，研究分析自动卸车机械手具有广阔的市场前景。1.5 本文主要研究内容：卸车机械手作为集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品，其结构复杂，因此本课题侧重于对小型卸车机械手的结构设计。力求在既定

22、的课题要求内完成对小型卸车机械手的驱动机构，多自由度手臂，以及卸车机械手的抓取结构的设计，并进行不断的探索。对本课题中小型卸车机械手结构设计的主要任务包含如下几个方面：1 .小型卸车机械手的驱动机构设计2 .小型卸车机械手多自由度手臂的结构设计3 .小型卸车机械手的抓取结构设计1.6 本章小节本章介绍了工业机械手特点及分类，自动卸车机械手特点及分类，综述国内外自动卸车机械手研究进展，最后阐述了本课题的来源与意义及主要研究内容，同时介绍了本文的研究内容和各章节的安排。2机械手总体结构的设计2.1引言自动卸车机械手是自动卸车自动化生产线的重要组成部分，自动卸车机械手本体是自动卸车机械手系统的载体与

23、核心，其设计的科学性与合理性将直接影响自动卸车机械手的制造与使用，本章将重点研究自动卸车机械手的本体构型和主要技术参数，驱动电机与减速机的类型，进而通过计算，确定驱动电机和减速机的型号，并建立机械手的三维模型。2. 2卸车机械手本体的构型分析作为机械手结构设计的核心环节，卸车机械手的机械手臂的设计是至关重要的。手臂是机械手的执行部件，它主要起到对机械手腕部和抓取手部的支撑作用，并带动它们进行空间的往复，循环等运动。卸车机械手臂部设计需要达到的基本目标：（1）手臂自重轻，承载能力大，强度大，刚度好（2）手臂运动灵活性好（3）手臂运动速度高，灵敏度好本设计采用四杆平行机构，双摇杆机构，以使调整器、

24、大臂和上臂组成的双平行四边形结构能够保证末端执行器始终与水平面平行，如图（1）所示。为了使卸车机械手轻量化，其操作臂均采用空心薄壁杆件。2. 2.1卸车机械手的技术参数根据自动卸车机械手项目任务书上的设计要求，机械手要能完成自动卸车的基本功能，末端需要连接执行手爪，机械手本体能够灵活运动，能够实现抓取袋状或箱体的功能。虽然码设机械手的机构构型、用途以及客户的个性化要求各异，国内外机械手供应商提供的技术参数也不相同，但一般来说，自动卸车机械手的主要技术参数有：自由度、重复定位精度、工作空间范围、运行速度和末端承载能力。本文项目要求的自动卸车机械手臂展为2000mm,末端承载能力达到50kg,具有

25、个4个自由度的关节分布，重复定位精度为lmm。下表列出了自动卸车机械手各项参数。项目参数项目参数本体构造关节型（多自由度）最大速度S轴（旋转）90度每秒载荷50kgL轴（大臂）85度每秒重复定位精度lmmU轴（小臂）85度每秒动作范围S轴（旋转）90度T轴（同转）210度每秒L轴（大臂）0度90度本体重量W800kgU轴（小臂）135度180度末端执行器重量W60kgT轴（同转）360度功率W10KW3. 2.2自动卸车机械手总体设计自动卸车机械手本体主要由底座、主构架、大臂、小臂、腕部和末端执行器组成的,具有四个自由度，即四个旋转关节，四个关节分别为：底座与主构架之间，主构架与大臂之间，大臂

26、与小臂之间以及腕部与末端执行器之间的四个旋转关节。底座是自动卸车机械手的承重基础部件，固定在地面或支架上，主构架是大臂的支撑部件，实现机械手的回转功能，主构架可以在底座上进行旋转，大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动可以改变末端执行器在水平方向上的行程，而、臂的俯仰则可以实现末端执行器在垂直方向上的位置变换，腕部的末端执行器旋转关节可以调整承载目标的旋转角度和位置。自动卸车机械手可用于箱状、块状和袋状等物料的自动卸车搬运，机械手本体结构如图所示：1、底座通过一个轴线垂直于地面的旋转关节与主构架联接。1、主构架安装在底座上，为整个臂部提供支撑，其上安装有大臂、小臂和保持腕部水平的连杆。大臂、小臂与连

27、杆相互构成平行四边形，增加了整个臂部的刚度。各连杆参数的选择将直接影响自动卸车机械手的工作范围。3、第三关节的驱动系统采用后置式，即第三关节的驱动伺服电机和减速机在主构架上，这样将明显改善系统的动态特性和降低系统的运动惯量。4、腕部与臂部之间有一个转动关节，末端关节通过串联平行四边形机构的叠加效应，满足腕部的易控性。自动卸车机械手为了保持末端腕部的轴线与地面垂直，利用了“平行四边形”原理,通过水平保持连杆和腕部水平保持连杆组成的两个平行四边形，保证末端腕部的轴线与地面垂直。其原理是：理是：例+62+63=180如图所示，无论自动卸车机械手处于何种位置与姿态，91,。2和。3的角度始终不变，并且

28、三个角度之和等于180。另外小臂传动连打利用一个四连杆机构，将小臂的动力传递到支撑小臂，这样的四连打机构具有四个功能：1、增加整个臂部刚度平行四边形的相互耦合作用，增加了整个机械手传动系统的刚度减小了启动与急停情况下造成的机械手颤动。2、行程放大功能见图，线段BCD在同一直线上，即BCD是同一连杆，0ABC是平行四边形，线段0A和BC是等长的，0A即是小臂，在小臂转动时，驱动连杆BCD会绕点转动，回转的角速度和角加速度相同，而线段CD的长度大于线段BC的长度，因此小臂和支撑小臂组成的平行四边形具有行程放大的作用，放大系数为线段CD长度与线段BC长度的比值。3、减小系统惯量自动卸车机械手第三关节

29、（u轴）的驱动电机和减速机采用了后置式分布，通过平行四边形传递动力，使驱动传动系统可以放置在主构架上，减小了系统的惯量。在选择第一关节和第二关节的驱动系统时，对驱动电机可作适当的调整，降低驱动电机的功率和力矩，节约成本，同时增加了系统的稳定性。4、自动卸车机械手利用“平行四边形”原理简化了机械手位姿的控制，降低了过程控制的难度，可以缩短机械手的工作周期和研发设计成本。图2-1卸车机械手的本体结构2.3臂长及参数2.3.1臂的结构本文设计的机械结构如下图所示:首先确定k/k的值。根据经验，比值一般为2飞，根据实际需要选取5。因此在本设计中取16为1.5m,l5=l6/5=30cm令1.,的长度与

30、16的长度相等,也为1.5m。调整器为等腰直角三角形，腰长为15cm。水平保持架连杆12的长度为1.5m,小臂13的长为30cm，小臂连动杆L=12=1.5mo17=12=150cmo因此，L,L,L,15组成平行四边形结构，可以保证前臂与小臂一直保持平行。A,B,C,D也构成平行四边形结构,因此在三角形调整器的调整下，AE可以一直与0Q2保持平行，C,B,也保持平行，从而使得机械手的执行机构一直保持水平。经过仔细的分析，并在实际需要的基础上，当前臂转动到水平位置，大臂转动到竖直位置，如图实线所示位置时爪手上升到最高点；当机构处在如图所示虚线位置时执行机构爪手下降到最低点，此时大臂L与水平面成

31、45度角。2.3.2前臂对前臂处于实线位置时进行受力分析，如下:mgfgffA02令前臂FB的重量为600N,手部执行端重量为40N,货物重量为500N。由此时系统平衡可得到：品妁隹网15=居sin450xl5由mg到B的距离为3fcm,前臂连动杆到前臂的距离为15cm可知：900x37=./,xl5=f；-xl5练帆锦痂网硒to冏f附）故此三酬加45廷22鼓叫川）取赢湄础葩蒲为再入口蝴十，M（x）=0所以引网吐谛舞面健式前肢的受光国和嘀矩图，如下：当冗=6|刑时，A点力矩为M（x）=0fF13600N12100N啾产M处爆胸ig=12100+500+900=13600N且A处承受最大弯矩，很

32、显然，A处为危险截面。综上所述，本设计采取Q235为前臂的材料。Q235材料q=225Mpa,cr=曳=150MPa,其中n取1.5。npP又知，7=2=124mm2=d=12.6mm,取d=13mmao=b=JL=022a3.5mm经分析查表知，前臂在A处的截面模量为：bh26所以，er,=M1 %bh1=13600二=且544加叫为抗弯截面模量q为压应力a为许用应力又由于a碣然大于60,故方可以小于等于4综上所述，选取a=20mm,b=1OUmtn,%=41G=80mm,d=15mm.又由于材料%=(1.72.0)。=(178.5210)MPa,此处取200MPa,82/加2最终选择：a-

33、20mm,b=10mm2.3.5对1,（前臂连动杆）进行校核由于L只受拉力作用，且受最大力为2220N,P22202220r,由7=5mm2cr拉应力a许用拉应力P拉力A承受面积根据实际情况，最终选择a=Smm,b-l0mm2.3.6对大臂的校核作出手部，前臂，调整器的受力简图，如下图所示（有的力未画出）：-f-fi-mg-sin450-45。底N又因为，寸sin45中却=力疗理所以得：力=90N-力=力=力=吆=900N因此，A点受到竖直向下的合力为：启=/1/sin45+f4sin45+mg前臂=900匹+45忘+500x1836N有因为，大臂自身重量约为500N因此，当机构转动至如图所示

34、位置时，U轴（大臂旋转轴）所受力矩为:+大鸭sin45=1836xl.5xsin450+-x500sin452x2124M72所以前臂的受力图及弯矩图如图所示:大臂的受力图和弯矩图2.4本章小结本章根据自动卸车机械手的工况及载荷特点介绍了自动卸车机械手的主要技术参数和本体构成，对自动卸车机械手的本体构型进行详细的描述，利用“平行四边形”原理,保证末端执行器的轴线始终与地面垂直，初步完成了四自由度自动卸车机械手本体规划和设计。3腰部及关节的设计3.1 电机的种类在自动卸车机械手系统的总体规划与方案设计完成后，首先要进行机械手驱动与传动系统的设计计算。除了确定驱动方式外，还需要确定驱动系统的具体参

35、数，例如各个电机的驱动力矩数值和功率等。电机驱动相对于气压和液压驱动方式，运动速度快，定位精度高，驱动效率高，对温度变化不敏感，噪声和污染都比较小。根据实际的需要，自动卸车机械手选用电机驱动方式。目前，机械手电机主要有以下几种：(1)直流伺服电机：直流伺服电机调速特性好，功率密度大和快速响应特性优异，具有较大的启动力矩，并且直流伺服电机的控制技术成熟，但结构复杂，成本比较高。在500W以内的功率范围，通常采用直流伺服电机，而本文的自动卸车机械手各个电机的功率明显要大于500W。(2)步进电机：步进电机控制结构简单，控制性能强，可直接实现数字化控制与调节，具有自锁能力和保持转矩的能力，同时位置误

36、差不会积累，适用于传动效率小和功率不大的小型机械手或关节机械手。(3)交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，使用维修方便，成本较高，可靠性能好，快速响应能力优异，并且交流伺服电机的驱动力矩与电动机本身惯量之比大，可频繁进行正反向和加减速运行，在短时间内具有较好的承受过载能力。自动卸车机械手的关节驱动电机应该具有较大功率质量比、扭矩惯量比、调速范围宽和启动力矩高的特点。特别是自动卸车机械手的腕部关节，由于需要快速响应，应该选用体积小、质量小的驱动电机，并且需要有很高的可靠性、稳定性以及较大的短时间过载能力，交流伺服电机是最优的选择。机械手的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，主要生产厂商有博

37、世、德国西门子、力士乐公司、美国AB公司、日本松下以及安川公司等。其中安川电机瞬时力矩大，可以过载，超低惯量，设定简单，维护简便，灵活性强，相配备的伺服驱动器速度响应达到L6KHz,减少启动加速时的振动以及停止减速时机械前端的颤动。最终本文选用安川交流伺服电机。3. 2减速机的种类自动卸车机械手末端执行器的运动是由各个关节的运动轨迹合成形成的，末端执行器的定位精度也是取决于所使用驱动装置与传动装置的精度。适用于机械手的精密减速机有以下特点：输出转矩高、回程间隙小、承受倾覆力矩大、刚度大、可润滑性好等。目前，减速机的结构形式和精度都有了很大的进步与发展，RV减速机、摆线针轮减速机、谐波减速机以及

38、行星减速机都可以应用于工业机械手。1,01(1)行星减速机行星减速机主要的传动结构为：行星轮、太阳轮和外齿圈，行星减速机的结构简单,单级的减速比一般不会超过10,同时减速机的极数一般也不超过3。行星减速机具有高刚度，高精度，传动效率高、减速比范围大、输入与输出同轴、方便与电机集成一体化等特点，多数安装在步进电机和伺服电机上，但行星减速机的制造精度要求较高，应用于要求结构紧凑的传动系统。(2)谐波减速机【谐波传动是上世纪50年代随着太空科技的发展，基于薄壳弹性形变理论发展起来的一项新型传动技术。经过几十年的发展，谐波减速机不仅应用于空间技术领域，现已推广到能源、机械手、纺织和医疗等诸多领域。谐波

39、减速机的特点如下：1 .传动速比大，传动范围广。谐波减速机的单级传动比为70320如果采用复合形式传动，速比可以更高。2 .传动效率高。相对于其它类型减速机，在相同的传动比条件下，谐波传动与行星齿轮传动的效率相当。在传动比为时100时，传动效率为85%左右。3 .同时哨合的齿轮数多。谐波减速机在工作状态时，同时哨合的齿数可以达到齿轮总数的30限50%这是突出于其他类型减速机的。4 .传动精度高。减速机传动零部件在相同的制造精度条件下，谐波减速机的传动精度比其它减速机的传动精度高一级，同时谐波减速机的回差率小，可以实现零回差传动。5 .利用其柔性的特点，可以在密闭空间内传递运动，这是其它机械传动

40、都无法实现的传动方式。6 .谐波减速机的主要零件柔轮的制造工艺较复杂，承载能力差，因此谐波减速机主要应用于小功率、大传动比的场合。图2-2谐波减速机结构图和实物图（3）减速机RV减速机是基于摆线针轮传动发展起来的一种新型减速机，20世纪年80代日本开始研发减速机，国内从90年代初开展了相关研究。减速机的特点是重量轻、体积小、传动效率高和传动速比大。RV减速机主要应用在机械手行业。减速机的结构简图和原理图如图2-3所示。减速原理为：图2-3RV减速机原理图第一级：直（正）齿轮减速输入齿轮与直（齿轮哨合并使之旋转，直（正）齿轮与曲柄轴相连接。在此处，按齿数差减速，该部分为第一级减速。第二级：行星齿

41、轮减速直（正）齿轮驱动曲柄轴，引起两个RV齿轮的偏心运动，RV齿轮相互偏转度以提供平衡负载；RV齿轮的偏心运动引起摆线轮与位于外壳内缘的圆柱形针齿的哨合；如果曲柄轴旋转一周，RV齿轮沿着与曲柄轴的旋转方向相反方向旋转个1齿数的距离。RV齿轮的偏心运动使得轮齿与针齿紧密接触，许多轮齿共同承担负载。输出可以是轴或外壳。如果是外壳固定，那么轴为输出。如果轴固定，那么外壳是输出。目前，本生产的RV减速机的精度在一弧分以内，为了跟上世界先进水平，发展我国的机械手事业和填补国内RV减速机的空白，我国从“九五”开始研制高精度传动，并制造出减速机的样机，总体的性能与国外有很大的差距，高刚度、高精度的减速机主要

42、依赖进口。减速机的两大品牌是日本的纳博特斯克原本帝人减速机制造公司和日本住友减速机。两者的产品整体相似，价格也大同小异，住友减速机的封装性和封闭性要优于纳博特斯克减速机，纳博特斯克减速机的输出轴需要自己设计加工制造，由于本文设计的机械手关节所选的伺服电机类型与尺寸各不相同，与电机输出轴配套的减速机的输入轴的尺寸参数不同，选用输入轴非标件比较方便，即自行设计加工减速机输入轴。图2-4左图为RV减速机的立体剖视结构图。图2-4RV减速机实物图1151工业机械手的关节一般都需要承受较大的倾覆力矩，特别是第一轴的回转关节，相当于悬臂梁结构，机械手的臂展越大，就对机械手基座支撑倾覆力矩的要求越高。若使用

43、其他类型减速机，例如行星减速机或谐波减速机，需要配套使用交叉滚子轴承，而RV减速机自身配有主轴承（类似于交叉滚子轴承），将轴承与减速机集成一体，优点是结构紧凑，可承受倾覆力矩大，可靠性和稳定性好，便于安装与设计。综上所述，由于重量轻、结构紧凑、刚度大、回差小、体积小、传动效率高和传动速比大等优点，减速机是码设机械手传动的最佳选择，因此本文选用RV减速机。在初步构造机械手的总体结构后，可以对各个关节的伺服电机和减速机进行选型与计算。选择电机和减速机的基本要求是使其满足转速、力矩和惯量匹配等要求。电机和减速机在不同工况下，所选择的参数不同，若机械手是连续工作，那么选择匹配的力矩参数应为额定输出力矩

44、；若机械手是周期工作，那么选择匹配的力矩参数应为最大加速力矩。在一般情况下，机械手是以周期工作方式运行的。3.3自动卸车机械手关节的详细设计3.3.1回转关节T轴的设计T轴是在自动卸车机械手手臂的最前端，即机械手的腕部关节，主要功能是驱动夹持器的旋转。末端的负载由两部分组成：夹持器和包装袋（箱）。包装袋（箱）和负载可以看成一个长方体，长、宽、高分别为a、b、c因此在计算惯量时可以利用公式：(3-4)(16m(a2+b2)12上式中，m为负载的质量，本文设计的机械手末端承受负载为50,包装箱的尺寸：长为0.9m宽为0.5m代入公式得：J=3.708kg.m2自动卸车机械手在自动卸车过程中，由于空

45、间位姿的变化，速度与加速度随时都在变化。根据生产节拍需要并初期计算，方案规划阶段确定加速时间为0.1s,轴的速度与加速度参数为：%=3.67rad/5=35/min=210a4-3.61rad/s2式中，m为轴的额定转速，a.为轴的角加速度。初选伺服电机是YASKAWA的旋转型伺服电机SGMSV-15A,额定输出功率为1.5KW。额定转矩为4.9Nm瞬时最大转矩为14.7N.m,额定转速为3000r/min,最高转速为5000r/min,转子转动惯量为2.25*101kg.n?带制动器。减速机选用纳博特斯克的RV-40E减速机，减速比为81:1,输出转矩为334N.m容许加速减速转矩为1029N.m,瞬时最大容许转矩为2058Nm,减速机输入轴惯性矩为2.4*105kg.T轴减速机输出端的负载转动惯量换算到电机端为：J43.708,sTi2m=5.652x10kg26561负载的转动惯量与减速机输入轴转动惯量之和与伺服电机自身转动惯量的比值为：%=5652+024=269*10-4卜2(3-5)J电42.25