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第四章 机械手手腕部分的三维设计
4.1腕部设计的基本要求
（1） 力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。
（3） 必须考虑工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
4.2 腕部的结构以及选择
4.2.1 典型的腕部结构
(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕
部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270°）。
(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞
驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。
(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。
(4) 机-液结合的腕部结构。
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4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择
本设计要求手腕回转90°或180°，则腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构。步进电机是一种步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
故手腕结构为步进电机带动涡轮蜗杆运动的结构：其主要功能是带动手爪的转向，使其能准确的抓取零件和放置零件。
运行方式为步进电机带动蜗轮蜗杆转动，继而带动手腕的转动，转到一定角度(90°或180°)时电机停止转动，完成手腕的转动功能。
4.3 腕部的设计计算
计算条件：夹取工件重量600g左右，回转180°。
4.3.1 蜗轮轴的设计计算
设计计算：（计算部分由小组成员张益完成） （1）选择轴的材料
选择轴的材料为45钢，调质处理。由机械手册表6-1-1查得：?b?650MPa，
?s?360MPa，??1?270MPa，??1?155MPa
（2）初步确定最小轴径 按表选取A?115 由
机
械
手
册
得
?3P211.9?10dmin?A3?115?3?10.6mm .....................................
n215（4.1）
（3）轴的结构设计
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图4.1 蜗轮轴结构图
（4）键的选择与校核 1、蜗轮连接键 选择普通平键8?7?20 查
机
械
手
册
可
得
2T22?7.576?103p1???12MPa ........................................
D1k1l130?3.5?12..（4.2）
查机械手册可得?pp?100MPa 所以p1??pp 2、轴端连接键
选择普通平键5?5?20。 查
机
械
手
册
可
得
2T22?7.576?103p2???25MPa .......................................
D2k2l216?2.5?15..（4.3）
查机械手册可得?pp?100MPa 所以p2??pp （5）轴的强度校核
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其条件为
?ca??M/W?2 ?4??T/2W??M2?(?T)2/W????1?....................（4.4）
2其中?ca —— 轴的计算应力，MPa； M
—
—
轴
所
受
的
弯
矩
，
Nmm
M?MH2?MV2； ............................（4.5）
T —— 轴所受的扭矩，Nmm； W —— 轴的抗弯截面系数，mm3；
??1 —— 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算
M???T?M???T??M???T??ca????4?????3W0.2d?W??2W?0.1456222222?3.45?1.13???0.6*7.576?2220.2*10.63?..........................................................................................................................................（4.6） 即?ca??σ-1?＝270MPa，故安全。
4.3.2 蜗轮齿轮设计 计算条件：
蜗轮轴输出功率P2?11.9?10?3kW，转速n?15r/min，负载转矩TL?7.576N?m，传
h 动比i?50。工作寿命Lh?20000设计计算：
1选择材料和加工精度
蜗杆选用45钢、蜗轮选用ZCuAl10Fe3、加工精度7级 1.初选几何参数
z1?1，z2?50
2.计算蜗轮蜗杆传动效率及蜗杆输入转矩
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粗算传动效率
??(100?3.5i)%?(100?3.550)%?0.753 .................................
（4.7）
蜗轮输出转矩
T1?9.55P11.91?9.55??7.576N?m ........................................n15......（4.8） 蜗杆输入转矩
TL?T17.576??0.201N?m ............................................i?50?0.753.......（4.9）
3.确定许用接触应力?Hp 蜗杆输入功率
PL?TLn00.201?750??15.78w ............................................9.559.55..........（4.10）
滑动速度vs?6.8m/s、?Hbp?115N/mm2、Zs?0.88
N?60n2Ln?60?15?20000?1.8?107、
ZN?0.76 ..............................................（4.11）
?Hp??HbpZsZN?115?0.88?0.76N/mm2?76.912N/mm2 ......................
............（4.12） 4.求载荷系数K
动载荷系数K1?1.1、啮合质量系数K2?0.96、小时载荷率JC?15%、小时载荷率系数K3?0.68、环境温度系数K4?1.37、工作情况系数K5?1.0 由于不带风扇，K6?1
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