机械手的结构设计

目 录

摘要.............................................................................................. 错误！未定义书签。 ABSTRACT ..................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章 前言 ............................................................................ 错误！未定义书签。

1.1 机器人概述 .................................................................................................... 1

1.2 选题背景与意义 ............................................................................................ 3

1.2.1 选题背景 ............................................................................................. 3

1.2.2 选题的意义 ......................................................................................... 3

1.3 喷涂机械手简介 ............................................................................................ 4

1.4 本文内容安排 ................................................................................................ 4

1.5 本章小结 ........................................................................................................ 4

第2章 喷涂机器手的总体设计 .............................................................................. 5

2.1 设计要求 ........................................................................................................ 5

2.2 机械手方案设计 ............................................................................................ 5

2.2.1 结构设计 ............................................................................................. 5

2.2.2 机械手动力设计 ................................................................................. 6

2.3 机械手整体移动方案 .................................................................................... 7

2.4 本章小结 ........................................................................................................ 7

第3章 喷涂机械手的详细结构 ................................................................................. 8

3.1 机械手手臂结构设计 .................................................................................... 8

3.2 机械手末端执行机构的设计 ...................................................................... 10

3.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计 .......................................................... 12

3.4 本章小结 ...................................................................................................... 13

第4章 动力进给系统设计 ....................................................................................... 14

4.1 传动系统设计 .............................................................................................. 14

4.2 滚珠丝杠的选择 .......................................................................................... 15

4.2.1 滚珠丝杠精度 ................................................................................... 15

4.2.2 滚珠丝杠选择 ................................................................................... 15

4.3 丝杠支撑的选择 .......................................................................................... 17

4.4 电机的选择 .................................................................................................. 18

4.5 本章小结 ...................................................................................................... 20

第5章 关键部件的校核 ........................................................................................... 21

5.1 丝杠的校核验算 .......................................................................................... 21

5.2 大小臂静力载荷计算 ................................................................................ 23

5.3 本章小结 .................................................................................................... 23 结论.............................................................................................. 错误！未定义书签。

参考文献...................................................................................................................... 25 致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。

1 前言

1.1 机器人概述

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的

驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。

图1-1 机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。

机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。

图1-2 机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动

力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。

1.2 选题背景与意义

1.2.1 选题背景

机器人技术是由多学科形成的高新技术，在现代的研究非常活跃，应用十分广泛。它的研究和发展水平是一个公家工业化水平的重要标志。 喷涂机械手是可进行自动喷漆或喷涂其它涂料的工业机器人。中国研制出集中型号的喷漆机械手并投入使用，取得了良好的经济效果。喷涂机械手主要由机械手本体和控制系统组成，多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大运动空间，并可作复杂的轨迹运动，其腕部一般有2-3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机械手腕部采用柔性手腕，既可以像各个方向弯曲，又可以转动，其动作类似于人的手腕。喷涂机械手的运动方式可以有液压传动，气动和电动等。液压喷涂机械手的结构多为6轴多关节式，工作空间大，手臂采用油缸驱动，手部采用柔性手腕结构。传动装置重量轻，结构紧凑，惯性小，传递运动均衡平稳，负载变化时较稳定。电动喷涂机械手一般有6个轴，工作空间大，结构简单，惯性小，轨迹精度高。气压传动以空气为介质，来源方便，且用后可直接排入大气而不污染环境。气动元件结构简单，制造容易，对工作环境适应性好，成本低，过载能自动保护。 喷涂机械手在国外是一项比较成熟的技术，已经有四十多年的发展和历史，很早运用该技术的德国的hata公司，美国的fudge公司等。随着机器人技术的不断提高，喷涂机械手的喷涂精度也越来越高。著名的外国喷涂机器人生产厂家有瑞典的ABB公司，日本的安川和德国的KUKA公司，其中ABB公司是目前世界领先的全球喷涂机械手供应商，在喷涂技术领域具有丰富的技术和经验，因此ABB喷涂机械手在全世界被广泛应用。

1.2.2 选题的意义

在解国内外机械手方面的发展趋势的基础上，以典型机械手为模型，为方便清洁高层建筑的玻璃和墙壁，提高工作效率，节省大量劳动力和财力，减轻劳动强度，保证劳动者人身安全，尽可能在有限时间内对更大面积的墙壁和玻璃进行有效清洁。另外，通过对当前典型机械手的改进和学习，可以促进笔者对机械手

设计的认识，增加机械手设计方面的知识。

1.3 喷涂机械手简介

传统机器人的机械结构使用串联机构实现,称为串联机器人.串联机构具有结构简单,控制简便,工作空间大等优点。串联式机器人在机械加工行业特别是全动轿车装配生产线上大量采用 ,其技术已经非常成熟。将其扩展到高空喷涂作业，主要是根据喷涂作业的工作特点和工艺需求，对其终端的串联式机械结构进行改变，按照喷涂用喷头，形成高空作业喷涂机器人。

本文所设计的机械手是一套不需要人工操作的通用机器人，可以根据任务的需要编制程序，以完成高空中的喷涂作业。鉴于串联机器人的结构简单，控制简单等优点，决定选取串联机器人结构。由于设计者技术知识有限，对其控制方式采用开环式，没有识别能力，所以其很大的缺点在于精度低。

1.4 本文内容安排

第1章“绪论”，主要介绍机器人的概念以及当前设计涂料机器手的背景和意义。

第2章“涂料机械手的总体设计”，这章主要介绍机械手的总体结构和运动方案。

第3章“涂料机械手的详细设计”，包括手臂和末端执行器的结构设计以及丝杠的安装设计。

第4章“动力进给系统设计”，主要对传动系统进行设计，采用步进电机带动滚珠丝杠进给的开环控制方式。

第5章“关键部件的校核”，这部分则是对机械手的一些关键部件进行校核，包括丝杠和大小臂。

1.5 本章小结

本章主要介绍了机器人的概况，以及进行本课题设计的背景和意义，通过了解学习当前先进技术理论，在已有技术和方案的基础上更好的完成对喷涂机器手的设计。本章还介绍了所设计机器手在现有串联机器人的基础上所做的改进。

2 喷涂机器手的总体设计

2.1 设计要求

设计一种简洁的喷涂机械手，实现对壁面的涂料喷吐。机械手在喷吐过程中喷枪应能实现上下左右的移动，以完成对整个壁面的喷涂。作业时，喷枪保持与壁面的适当的距离，约200 mm，喷嘴的喷射压力约6MPa，喷速为6m/s。；在某一定点处，喷射的范围尽量大，整个机械手的重量尽量轻。

2.2 机械手方案设计

对于上述的设计要求，现有的串联机器人都能满足，并且串联机器人具有结构简单，控制简便，工作空间大等优点，所以对于喷涂机械手的设计，本文决定以当前典型的串联机器人为模板进行设计。

2.2.1 结构设计

喷涂对象为高空中的玻璃，所以机器手只需要四个自由度既可以完成作业任务。在查阅了相关资料，经过老师指导后，对于喷涂机器手的结构，笔者起草了以下两个方案。

方案一：

图2.1 方案一

方案二：

图2.2 方案二

方案一为倒挂式，大小臂的运动都是来复摆动，通过控制大小臂的摆动进而控制喷头（安装在小臂顶端）的高度方向以及垂直于玻璃方向上的运动，通过控制喷头的旋转来实现垂直于玻璃方向的旋转。这种结构的特点是结构紧凑，设计简单，但是传动行程大。

方案二采用的是腰部的回转运动，以及导轨和滚珠丝杠做直线运动，这样也可以实现喷涂作业的完成。这种结构的特点是控制简单，扩大工作空间较为方便，只是结构主要分布在横向，重心较高，平衡性不易控制。

经过综合对比上述两个备选方案，本文决定旋转方案一作为设计方案。所控制的四个自由度为：大小臂三个节点上三个自由度，喷嘴的旋转自由度。

2.2.2 机械手动力设计

机械手的结构设计选定以后就可以对其动力及运动进行设计。目前所流行的动力驱动方式是采用液压或者气压驱动，液气压驱动的技术已经比较成熟，且市场上也有不同的液气压件出售，但是这种驱动方式的位置控制不甚精确，所以在考虑设计动力驱动时，本文决定电动驱动系统。

电动驱动系统又分为闭环控制和开环控制，其中闭环控制定位精确，误差较小，但是考虑到技术条件限制，本文采用的控制系统为开环控制系统，所使用的电机为步进电机（本文中所涉及的步进电机均选择森创系列86BYG350AH-0201，

步距角为0.6/1.2°，相电流为2A，保持转矩2.5N.m），传动方式为步进电机带动滚珠丝杠转动，将旋转运动转变为大小臂的进给运动。

2.3 机械手整体移动方案

机械手整体上升和下降的控制方式有：真空吸附爬墙式升降，通过升降台控制机械手升降，通过爬绳机构带动机械手升降。由于真空吸附爬墙式升降移动缓慢，由于本身结构限制，吸附方式的负荷能力特别下，而且需要专用的真空设备，安全保障能力差，所以不在考虑范围；对于升降台控制机械手，由于是高空清洗，升降台式也不方便。所以通过比对，采用爬绳机构来实现比较合适，爬绳机构采用两侧对称式布置。机械手固定在移动小车上，通过爬绳机构来调整机械手的喷涂高度。移动小车水平移动调节机械手的水平喷涂位置。其结构如图2.3所示：

图2.3 机械手及爬升机构

2.4 本章小结

本章主要介绍了喷涂机械手的总体设计，分别机械手结构、动力方案、机械手整体移动方案进行设计。对于机械手结构，本文采用的是大小臂串联来回往复摆动的结构，这个方案结构紧凑，设计简单；而动力方案采用的是步进电机带动

丝杠旋转进而产生大小臂的摆动进给的开环控制；考虑到经济型和可行性，机械手整体移动方案采用的是爬绳机构，这种机构具有可靠、经济等特点，但是定位不精确，不过这对于实际的作业影响不大。

3 机械手的详细结构

3.1 机械手手臂结构设计

工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有很大的关系，因此手臂尺寸设计要合理。为了提高机械手的运动速度和控制精度，应保证手臂有足够的强度和刚度，尽可能减少手臂重量。 本文中初定大臂型号，两根各；小臂型号，

两根各0.8m。大小臂布局图如图3.1，操作大小臂驱动机构都设计成曲柄滑块机构。

图3.1 结构图

在如图3.1所示的2处的丝杠与电机相连，3处的丝杠与丝杠螺母副相配合，当电机转动时，滚珠丝杠通过套筒式离合器与电机一起转动，此时由于丝杠螺母副固定在底座上，所以丝杠就会带动电机以及大臂相对于底座进给，即完成大臂绕节点1的旋转。

同样，在5处的丝杠与电机通过套筒式离合器相连，而4处的丝杠与丝杠螺母副相配合，电机转动带动丝杠一起转动，进而丝杠将转动转变为丝杠方向的进给运动，使小臂绕节点2旋转。

这样2处和5处的电机就提供了完成喷头的上下运动，以及垂直于玻璃方向运动的动力。作业时，喷枪保持与壁面的适当的距离，约200 mm。

其cad图如下：

图3.2 手臂CAD图

3.2 机械手末端执行机构的设计

机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类有很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计末端执行器时，应注意如下几点：

1） 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行

器的出现就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器将不断的扩大机器人的应用领域。

2） 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和不应超过

机器人允许的负荷力。因此，要求机器人的末端执行器重量轻结构紧凑。 3） 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能的末端执行器在结

构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人手的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。

4） 通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能的概念，而通用性是

指功能有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行

器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实行标准化和积木化。 本设计的末端执行模块（末端执行器）是对高空玻璃直接进行喷涂或洗刷，主要由水（药）箱、喷头组成，考虑到末端执行模块结构简单质量小的原则，设计方案中将水（药）箱脱离末端执行模块，而只是通过使用软管将水（药）送到喷头。另外，为了使喷头喷施更加均匀，设计中将喷头安装在电机上，使喷头在电机的带动下左右摆动，同时这样也可以扩大喷施的范围。所以机械手的末端执

图3.3 末端执行模块

行模块如图3.3所示。

另外，喷头的技术参数如下： 直径：5mm

压力：7Mpa(70kg/cm2) 喷速：8m/s 流量：9.4L/Min

静压力：F=138N（如图3.4）

图3.4 喷头受力图

3.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计

由上文叙述可以知道，丝杠将旋转运动转化为沿丝杠方向的进给是整个运动中最为重要的部分，而这部分的运动离不开丝杠螺母副及步进电机处的结构设计。首先都有丝杠绕吊耳的摆动，其次又有丝杠沿其方向上的进给运动以及随电机的转动。所以在

在步进电机处，首先有丝杠随同电机绕吊耳的摆动，同时又要限制电机的旋转运动以及沿丝杠方向的移动；而在丝杠螺母副处，也有丝杠绕吊耳的摆动，同时不能限制丝杠的转动，却要限制丝杠沿丝杠方向的进给—这样的结果是随着丝杠的转动，丝杠螺母副随之沿丝杠方向进给。

步进电机及丝杠螺母副处的机构如图3.5所示：

图3.5吊耳处结构图

在图3.5中，一个两侧焊接有对称转轴的专用套筒与丝杠螺纹副配合，使用螺钉拧紧，使之与丝杠螺纹副一起运动；同时两侧对称的转轴通过一对深沟球轴承插入两侧的吊耳中。这样，这个结构就可以完成丝杠绕吊耳的摆动，以及吊耳随丝杆螺纹副的丝杠方向进给。

3.4 本章小结

本章主要对机械手的详细和典型结构进行设计和论述，分别对手臂的布局及结构、末端执行机构的结构、以及吊耳处的结构进行论述，使这些重要的结构能够支持机械手的运动。首先，手臂采用的是串联式连接，手臂的进给动力是通过步进电机带动丝杠运动实现；其次，末端执行机构主要是指完成喷施作业的喷涂设备，要求设计这些设备时要依据重量轻等原则；最后是对丝杠螺母副和步进电机处（即吊耳处）的结构进行了单独设计，因为这些节点是丝杠旋转运动转化为丝杠方向进给运动的关键。

4动力进给系统设计

4.1 传动系统设计

根据本课题中的设计要求和实际定位精度需求，可以设定传动系统为开环式系统。

根据相关资料，可以选择步进电机的步距角系列为0.6/1.2°，步进电机通过离合器与丝杠直接相连，即传动比i=1。则步进电机获得一个脉冲所带动的丝杠

P

方向进给量为进给量为360（采集跨度有限制，P为丝杠导程，α为步进角°，这里α=0.6°）

脉冲当量



步距角螺距360传动速比

即

则脉冲当量=P/600，即步进电机获得一个脉冲，大小臂在吊耳处就有沿丝杠方向上的P/600mm的进给量。

4.2 滚珠丝杠的选择

4.2.1 滚珠丝杠精度

鉴于系统没有要求定位精度，所以对于滚珠丝杠的精度选择一般等级即可，查滚珠丝杠样本选择三级精度丝杠，任意300mm导程允差为0.1mm。 4.2.2 滚珠丝杠选择

滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按照当量动载荷Cm进行选择，具体选择步骤如下所示：

（1） 计算丝杠副的等效载荷

鉴于本设计中有两个丝杠副，在此以小臂上丝杠副为样板计算，下同。

首先丝杠副上的载荷大多是来自于进给力，摩擦力和喷头所受反向力，而进给力又受设备的重量影响而不同。下面是设计中一些设备的重量估算：

电机：8 Kg

喷头等喷施设备：5 Kg 轮子：0.3 Kg 小臂等结构：2 Kg

另外喷嘴处受到水压反向力为138N。总的受力如图4.1：

图4.1 小臂受力图

图中，

根据力矩平衡原理得：

求得F3=182N。

，（重力加速度g=10,下同）

查阅样本资料得到导轨表面贴聚四氟乙烯软带时的摩擦系数为0.04，所以丝杠所受到的摩擦力为：

进给力为：

由上可知，摩擦力很小，可以忽略不计，所以丝杆副上的等效载荷F为：

（2） 计算丝杠副的等效转速

丝杠的进给速度设定在0.5m/s-3m/s范围内，根据丝杠转速与进给的关系公式：

其中P为导程，大概为6-20mm

所以转速取值范围为1000r/min~2000r/min

，则平均转速为

，即为等效转速。

（3） 计算丝杠副的预期当量动载荷

丝杠使用寿命取12 000h，查《机械设计师手册》[3]（以下简称《手册》）表16-40～表16-41取载荷性质系数fw=1.0、精度系数fa=1.0、可靠性系数fc=0.53（可靠性为96%）。计算丝杠的当量动载荷（由于等效转速n=1000r/min＞

10r/min）

（4）确定滚珠丝杠副尺寸规格

查滚珠丝杠样本（THK直线运动系列），选择BSA5012—10型标准滚珠丝杠螺杆和BSA5012—10型端法兰单螺帽。名义直径32mm，导程6mm，螺母有2列滚珠。额定动载荷Ca=14500N，Cm＜Ca，符合设计要求。轴向刚度为Kc=550N/μm，预紧力Fp=600N。本系统中Fmax=91N，远小于3Fp，故不必对预紧力提出额外的要求。

4.3 丝杠支撑的选择

本传动系统的丝杠采用两端均为固定支承的结构形式。查阅NSK轴承生产公司的轴承样本，固定端一对60°接触的30TAC62BDEFC10PN7A角接触球轴承背对背或面对面组配。

系统中角接触球轴承的基本参数如下：预定使用寿命为Lh′=15000h，轴转速为n=3000r/min，轴向力Fa=76N，径向力Fr=3000N，查阅样本得7603030TVP角接触球轴承Cr=54800N，C0r=538000N，e=1.2，静载荷安全系数S0=1.2。 计算轴承组的基本额定动载荷和基本额定静载荷

N

N

（1）寿命计算 由于为：

轴承组寿命

=19600＞15000h

，查阅手册取双列轴承X=1，Y=0，则当量动载荷

故30TAC62BDEFC10PN7A角接触球轴承满足系统的轴承寿命要求。

（2）静载荷计算

查阅手册得X0=0.5，

Y00.9

0.44cot0.22cot

0.8

，则当量静载荷为：

则

C0rS0P0r1.212001440N

'

，则轴承组

C0C0r

'

，满足系统的轴承静载荷

要求。

4.4 电机的选择

（1） 小车电机的选择

小车电机的作用是控制小车的横向移动，此过程主要克服的是车轮与导轨的摩擦力，如图4.2：

小车的行走速度为0.3m/s

钢丝轮的直径：d=80mm 导轨承受重量：G=6210=620N 电机转速为;n

小车轮与导轨的摩擦系数为：f=0.1 P=Gfv

图4.2小车电机

=6200.10.3 =18.6w 取P=20w

由v=(dn)/60得：

n=60v/d

=(600.3 )/( 3.140.08) =70.62r/min

根据以上数据，我们选择的小车的电机的型号为：110BF003 其转矩T=7.84Nm,重量G2=8.5Kg

（2）大臂电机的选择

大臂电机的作用是带动大臂绕节点旋转，所以此过程中电机需要克服大臂及小臂等结构的自重，以及运动过程中的摩擦力做功，如图4.3。根据功守恒得：

Fp2T

其中为电机效率，取值为0.9；F=934N，为丝杠所受到的力。 可以计算出： T=Fp/2

=(9346)(23.140.9) =891Nmm =0.891Nm

图4.3 大臂电机

选择大臂电机的型号为90BF001,其相关参数为：T=3.92Nm,G3=4.5Kg

（4）

臂电机的选择

小臂电机的作用同大臂电机相同，主要是克服小臂自重以及摩擦力做功，如图4.4所示。

图4.4 小臂电机

小

根据力矩平衡以及功守恒原理，得出：

F100120700694002325025420

得到 F=395N

根据公式：Fp2T得： T=Fp/2

=(3956)(23.140.9) =372Nmm =0.372Nm

根据以上数据，我们可以选择电机型号为75BC380。其规格参数为：T=1.18Nm,G4=1.3 Kg。

4.5 本章小结

本章主要是对喷涂机械手的动力进给系统进行设计，包括传动系统方案设计，传动关键部件—滚珠丝杠的选择以及相应的丝杠支撑的选择；另外，在本章，还介绍了此机械手中所使用的步进电机型号。

5 关键部件的校核

5.1 丝杠的校核验算

（1）校核丝杠稳定性 丝杠不失稳的条件是

Fcfqfz10d2/LC1Fm

5

4

2

ax

（式5-1）

式中：Fc——丝杠不失稳的临界压缩载荷（N)；

fq——安全系数，水平安装时为0.33，垂直安装时为0.5； Fz——支承系数；

Lc1——安装距离（挫曲压力计算长度）（mm）； Fmax——丝杠承受的最大轴向力（N)；

d2——丝杠螺纹底径，d2=d0-1.01172db，d0为丝杠螺纹公称直径，db为丝杠副滚珠直径。

查阅样本得到d0=32mm，db=3.969mm，Fz=2，Lc1=160+500=660mm，带入式（5-1）

Fc0.33210(321.011723.969)/660

542

92923(N)

＞F，故丝杠满足

不失稳条件。

（2）校核丝杠副的临界转速

丝杠副的最大转速nmax大于100，为避免丝杠副发生共振需进行临界转速校核，需满足一下条件：

式中：Ncr——丝杠副的临界转速（r/min）; λ——与安装方法有关的系数，取3.927；

E——杨氏模量（2.1×105 N/mm2）；

LC2——丝杠副临界转速的计算长度（mm)，LC2=（70+500）=570；

I(mm)

4



64

I——螺杆的最小截面惯性矩

d2

4

，d2为螺杆底径（mm）；

g——重力加速度，取10m/s2; γ——比重（7.85×10-5N/mm3）；

A(mm)

2



4

A——螺杆的截面面积

d2

2

；

nmax——丝杠和螺母的最大转速。

查阅样本得到fn=3.927，则在（式5-2）中代入数据得 故满足临界转速要求。 （3）校核丝杠轴强度 丝杠的强度条件是：

4Fm

d

ax

22



（式5-3）

式中：Fmax——最大轴向载荷（N）； [σ]——丝杠轴材料许用应力（MPa）； d2——丝杠螺纹底径（mm）。 带入数据到（式5-3）中，得

4Fmax

d

2

2



4120

（321.011723.969）

2

0.19（5MPa）

，故满足丝

杠轴的材料强度要求。

5.2 大小臂静力载荷计算

（1）大臂载荷校核

弯矩：M=120127069170

两侧分别受力：145.2/2=22.6N/mm2 经验证知，强度足够。 挠度计算：fA=pl3/3EI 其中I=(BH3bh3)/12=157750mm3

则：fA=pl3/3EI

= (5350.83)/(320210915.775108)

=3.1 mm

又因为是两侧受力，所以其实际的挠度为fA1=3.1/2=1.55mm，经验证知符合要求。

（2）小臂载荷校核

弯矩：M=120530253002310077320Nmm W=1547mm3



MW

773201547

48.7N/mm

2

因为是两侧受力，所以每侧的受力为：

1=24.35N/mm2

经过验证可知，强度足够。

则fb

pl

3

3EI



1250.8

9

3

8

3202102.321310

4.20mm

因为是两侧受力，所以每侧的挠度为：fb2.10mm 经过验证知，大小臂都符合要求。

5.3 本章小结

本章是对前面章节所使用的丝杠和大小臂进行校核。对丝杠的校核主要有三

个方面：一是校核丝杠的稳定性，二是校核丝杠副的临界转速，三是校核丝杠轴的强度；校核结果显示，高空喷涂机器手所使用的丝杠稳定性、临界转速和强度都满足条件。而对于大小臂的校核主要分为两个部分：一部分是分析大小臂的受力，根据受力情况判定大小臂钢材的强度是否足够；另一部分是大小臂的挠度计算，求解出挠度最大点以判别挠度是否在允许范围内。校核结果表明大小臂的强度和挠度都符合工作条件。

结 论

1、

涂料机械手的设计作为机械手的一种，其在设计中大多秉承了机械手的设计原则。尽管如此，由于这是笔者第一次设计机械手，难免会出现一些不合理的地方，机械手的可行性也没有得到验证；不过这次的机械手设计还是让笔者学到了很多东西，感触甚深。

另外，机械手的设计是一个前途光明、意义非凡的学科，当然这也需要多门学科知识的汇集。相信在不久的将来，机械手的工作更加自动化和智能化，应用更加普遍化，以及精度更高。

参 考 文 献

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[2] 熊有伦 喷涂机械手技术基础. 武汉 ：华中科技大学出版社，1996

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[20] VACUUM ROBOT FOR CLEANING THE GLASS FRONTAGE OF THE BUILDINGS Lecturer .dr. eng. Dănuţ- Pavel TOCUŢ, lecturer. eng. Călin TRIPE-VIDICAN, univ. prof. dr. eng. AronTRIPE-VIDICAN. University of Oradea, Faculty of Managerial and Technological Engineering.

致 谢

这次毕业设计的顺利完成，首先需要感谢苏东宁老师对我的耐心指导和帮助，从课题的选择、设计的过程再到论文的撰写，苏东宁老师为我提供了多方面的专业知识的指导和一些富于创造性的建议。我还要感谢的是同宿舍的舍友，以及一块做毕业设计的同学，正是他们在技术方面的帮助，让我有了很大的提高。

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，在各位老师的辛勤教育下，才使我逐渐积累所学的知识，从入门到逐渐提高，从课程设计到毕业设计的顺利完成。

感谢我的家人这些年来对我的关爱和支持，没有他们的默默付出和真诚教诲，我不可能获得今天的成绩

面对经过几个月的忙碌所完成的毕业设计，我并没有想象中那样有瞬间轻松

的感觉，反而多了几分沉重，一者我将要作别亲爱的同学，二者是在设计过程中我发现，我所学的知识还远远不够，路漫漫其修远兮，未来的道路还是曲折而漫长的。总之，我在这里对帮助过我的所有老师和同学表示深深的感谢和崇高的敬意。