承载能力好和安装方便.但这些轴承价格昂贵,而使用普通的球轴承也能满足低负荷的设计要求,所以在机械手的结构中运用球轴承.参考KUKA和ABB的低负荷工业机械手设计参数,初步确定工业机械手的设计参数如表2-2所示.
表2-2 机械手设计参数
自由度 最大负荷 尺寸 最大行程 6 16KG 要求零点尺寸小于1050*1450*1000 手臂旋转S 手臂进出L 手臂上下U 手腕转动R 手腕弯曲B 手腕扭转T 最大速度 手臂旋转S 手臂进出L 手臂上下U 手腕转动R 手腕弯曲B (-185,+185) (-45, +45) (-20, +45) (-350, +350) (-100, +100) (-350, +350) 156/s(6KG) 156/s 156/s 343/s 330/s o o o o oo o o o o o o o o o o o. o.156/s(16KG) 156/s 156/s 330/s 330/s o o o o o o手腕扭转T 659/s 615/s 最大到达范围 1800*2000 3. 样机设计与优化
根据设计的参数和方案运用虚拟样机软件Solidworks进行样机3D模型建立,并根据虚拟样机仿真出末端的工作范围,对设计参数进行优化.根据虚拟样机的参数和设计参数确定电机、减速器设计参数,并利用simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,对模型进行优化. 3.1虚拟样机技术简介
虚拟样机技术在是80年兴起,其概念尚处于发展中.这种数字化设计方法, 整合各个领域CAx/DFx(计算机辅助/面向产品生命周期)技术.虚拟样机技术融
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合了先进的计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程、辅助过程控制、面向制造的设计、面向装配的设计、面向性能的设计、绿色设计技术,将应用于这些技术完成产品的虚拟化全方位设计分析评估.基于虚拟样机技术的设计可以极大的减少产品设计时间,减少设计过程中的错误,避免浪费,优化产品性能,提高产品质量. 3.2 Solidworks软件及其插件介绍
SolidWorks是最著名CAD软件品牌之一,Solidworks功能强大、容易学习方便使用.SolidWorks可以减少设计过程中的错误,优化出高质量产品.
Solidworks不仅自身插件很多,而且合作兼容的外部接口也很多,以下为Solidworks部分插件介绍：
Simulation插件可以实现简单的初步分析.包括静态受力分析、杆件静态扭矩、非线性分析、扭曲分析、容积压力测试、疲劳测试、设计分析与优化、热力分析、线性动态分析等.
Motion插件可以通过完整的运动性建模来实现计算零部件运动.分析弹簧、阻尼、马达及摩擦的模型中的力.同时可以生成动画运动算例,用来显示零件在机械装置中的移动.
Sustainability 插件可以评估设计在产品整个生命周期过程中对环境的影响,并显示如何降低零件对环境的影响. 3.3机械手方案设计与分析
为了保证机械手运转平稳,装配方便,提高寿命,减少噪声,实现互换性,根据机械设计手册,按照金属切削机床设计机械手传动部分齿轮的传动精度为7级.从工艺角度分别建立机械手样机. 3.3.1 初步建立机械手模型
装配样机如图3-1所示,其中等效连杆0-6分别对应图2-5中的连杆.连杆的尺寸构成如表3-1所示,此过程将抽象的连杆参数转化为具体的构件参数.
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图3-1六轴机械手装配方案
等效连杆0对应底座部分,等效连杆1对应腰部回转部分,等效连杆2对应大手臂部分,等效连杆3对应小手臂部分,等效连杆4对应手腕部分,等效连杆5对应末端执行器.
表3-1 连杆构件组成
等效连杆序号 等效连杆0 等效连杆1 等效连杆2 等效连杆3 等效连杆4 等效连杆5 等效连杆6 等效连杆组成部件 底座、底盘旋转涡轮箱 驱动臂座 大手臂 肘关节部分 小手臂 手腕 末端夹手 各部件组成和功能描述如下： （1） 底座部分
底座部分由以下几部分组成,共计16个零件(如图3-2)：安装底座、旋转涡轮箱、电机、底盘旋转涡轮轴、底盘旋转涡轮轴上油封、底盘旋转涡轮轴上法兰、底盘旋转涡轮轴上法兰轴承16032、底盘旋转轴承51315、底盘旋转涡轮轴下法兰轴承6215(两个)、底盘法兰盘、底盘旋转涡轮和底盘旋转蜗杆、底盘旋转下
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法兰、底盘旋转蜗杆电机法兰、底盘旋转蜗杆轴承法兰.
上述零件中,旋转涡轮箱外壳用于支撑和保护,油封由橡胶材料制成用于密封防尘.底部采用的轴承分两类,一类是平面推力球轴承,如底盘旋转轴承51315,平面推力球轴承可以承受轴向负荷.另一类是最常用的深沟球轴承,如底盘旋转涡轮轴上法兰轴承16032、底盘旋转涡轮轴下法兰轴承6215.深沟球轴承设计简单,是使用范围最广的一类标准件轴承.可以用来承受径向载荷和一定的轴向载荷.和尺寸相似的其他类轴承相比,该轴承的特点是摩擦因数小,转速高.
对于底座部分,采用HT150铁素体珠光体灰铸铁,该铸铁的特点是性能优秀,工艺简单,时效应力小,不用人工时效,具有机械强度高,减震性良好,常用于一般机械制造中的铸件.
蜗轮蜗杆传动部分,采用阿基米德圆柱蜗杆,模数均选为5.0,传动比为6,涡轮Z1=10,涡轮选用Z2=60.由于蜗杆涡轮啮合过程中相对滑动速度较大,摩擦大,磨损严重,传动效率不高,易出现发热现象,所以蜗轮的轮缘要使用耐磨材料,硬度要低些,使用型号为ZQAl9-4的铸铝铁青铜,蜗杆使用45#钢调质处理.除标准件外,本部分其余材料选用强度良好的#45钢.
图3-2 底盘透视装配图
（2） 腰部回转部分
腰部回转部分是驱动臂座,该部分的精度对机械手末端精度影响很大,需要选用耐磨高强度材质铸造完成.如图2-7所示,为了增加驱动臂座刚度,在臂座的两耳设置肋板.材质为高强度的耐磨铸铁,即 MTCrMoCu-235,材料抗拉强度为、是235 MPa,硬度为200～250HBS,该铸铁常用用于活塞环、机床床身、卷筒、密封
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圈等耐磨零件.
图3-3 驱动臂座
（3） 大手臂部分
大手臂部分主要包括手臂、减速器、安装法兰.手臂和安装法兰选用材质为高强度的铸造碳钢.为了提高手臂抗变形那能力.分别设计加强筋如图3-4所示，采用焊接工艺焊接完成.
图3-4 驱动臂座
（4） 肘关节部分
肘关节部分主要包括连杆电机减速器、安装法兰、连杆减速器、连杆轴承套、连杆轴传动轴、连杆、连杆轴承盖、连杆轴承盖2、小手臂关节轴心、小手臂关节轴承、小手臂关节轴心1、小手臂关节轴承2,如图3-5所示.非标准件的材质选用耐磨铸铁.
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