第三部分 摇臂的设计
1、关于摇臂：
众所周知摇臂在工业机械手的各个部件当中属于承上 启下的一个部件：摇臂的下端与负责围绕竖直方向基准轴 旋转的下关节部件相连，它的上端则直接承载着上关节以 及与上关节所连接的其他零部件。该部件的重要性在于它 的尺寸很大程度上决定了工业机械手的工作范围，机械手 执行部件在工作空间中的移动就是通过摇臂与上关节、下 关节的配合来实现的。
2、手部的主要零件
基 座
半 齿 轮 连 杆
手 爪
连 杆
3、手部结构三维图示如下
第八部分 机械手的装配与仿真
1、用ProE将各个部件用“连接约束”装配起来，结果如下图所示。
2、用ProE仿真后结果
仿真动画
底座螺纹孔：用以将机械 手底座与地面固定，防治 机器移位
总装效果图
第二部分 下关节的设计
一、关节的概述：
部件与部件之间连接的地方称为关节，是差别生
长、伸展力、剪切力、压缩力、扭转力的传输以及各 种各样的运动所必须的结构，能活动的叫“活动关节 ”，不能活动的叫“不动关节”。
在本次设计中关节处的目的是需要活动的所以是活 动关节。在图中有两个地方，一是底座与下关节外壳 的连接处，作用是使装卸机械手底座以上部分左右动 作；另一处是下关节外壳与连杆之间，作用是使连杆 能够上下动作。
第一部分 底座的设计
一、底座的概述
底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件 和驱动系统均安装于机座上。
底座的主要作用是固定整个机械手、支撑整个机械手 的重量，并让机械手左右旋转。
底座的设计是根据各个零件的大小选择合适的尺寸比 例。
二、底座的主要结构及作用
花键及孔：花键与下关节处齿 轮锁紧，孔用以和上关节进行 定位
下关节外壳的三维模型
• 下关节外壳与基座配合处
• 下关节外壳与摇臂配合处
三、下关节连接处的设计
下关节连接处1：位置 如右图在底座与外壳 之间，此处有两根平 行的轴，一根电机主 轴，一根轴在底座上， 大齿轮固定在底座轴 上，小齿轮与大齿轮 啮合使上面部分完成 左右动作。
下关节连接处2：位置 如右图在外壳与连杆 之间，此处只有一根 电机主轴，因此我在 这里采用的是行星齿 轮来完成动作。齿圈 固定在外壳上电机通 过主轴由太阳轮输入， 行星架输出动力使连 杆完成上下摆动的动 作。
Hale Waihona Puke 上手臂的动力来自上关节处的一套齿轮传动所传递的转 动惯量；其转动方向依靠电机的正反转来控制。 三维模型展示：
上手臂的三维模型在下面展现，其端均采用键连接同上 关节的齿轮传动机构相连，手臂轴与手臂采用螺纹连接，且 为紧连接，轴承采用过盈配合，并用卡簧固定。为使加工方 便，后端手臂上的两侧面的孔径采用相同的尺寸，这样做可 以在制造时方便设计夹具，达到节约成本的目的。手臂的整 体组装结构如下图所示
在现代制造业中采用数字化制造通常能降低风险，提供 虚拟工厂展现，建立概念验证，部署机械设备，验证之前的 设计的生产过程，减少占地面积和设备的重新设计，在真正 投产之前找出瓶颈，碰撞干涉和人机问题，提高资源利用率 ，机械设备动作的协调，消除潜在技术问题，减少返修或报 废，节约成本和时间。
第一部分 底座的设计 第二部分 下关节的设计 第三部分 摇臂的设计 第四部分 上关节的设计 第五部分 上手臂的设计 第六部分 手腕的设计 第七部分 手部的设计 第八部分 机械手的装配与仿真
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件的部件， 它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手腕的前 端，是装卸机械手的重要组成部分之一。由于与物 体接触的形式和被夹持工件的形状、尺寸、和重量、 材质以及被抓取部位不同，手部可分为夹持式和吸 附式，在本次实践中，我们采用夹持式手部结构。 夹持式手部由手爪、传力机构和基座所构成。手爪 是与物件直接接触的构件，而传力机构是通过手爪 产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构的型 式较多，本次实践采用常用的半齿轮连杆式。
这次项目实践中腕关节主要有两个功能。第一、 连接固定机械手手的部分，此次采用的是用法兰盘， 螺栓固定；第二、实现机械手的上下摆动，由于电机 是竖直插在腕关节里面，于是用一对锥齿轮、一个圆 柱齿轮和一个齿圈来实现动力的转向。
手腕的整体结构
手腕的内部传动
腕关节与上手臂连接处所用轴
第七部分 手部设计
1、关于手部
项目实践展示 装卸机械手的数字化设计与仿真
一、设计机械手的意义
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题 。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配 有机械手。
二、利用数字化设计与仿真的意义
数字化制造是一个新兴的软件技术，已成为管理或PLM产 品生命周期管理的关键组成部分。这是一个在产品初期用来 模拟和优化制造工艺，管理制造过程信息，并支持工程学科 之间的有效合作的模拟数字技术。
3、行星齿轮的主要结构
齿 圈
行星齿轮
太
阳
齿
轮
4、行星齿轮的装配图如下图1、图2所示。
图1
图2
第五部分 上手臂的设计
1、关于上手臂：
众所周知上手臂在工业机械手的各个部件当中属于承上 启下的一个部件：上手臂及后端安装在上手臂上的部件都 可以随前端连接的上关节一起旋转和移动；上手臂的前端 与负责围绕水平方向基准轴旋转的上关节部件相连，并且 自身需要围绕自身轴线旋转，由于该旋转轴安装在上关节 上的尺寸较长，需要在手臂轴的末端安装轴承，为旋转提 供方便；它的后端则直接承载着手腕以及与手腕所连接的 其他零部件。该部件的重要性在于它的尺寸很大程度上决 定了工业机械手的工作范围，机械手执行部件在工作空间 中的移动就是通过上手臂与前端上关节、下端摇臂的配合 来实现的。
摇臂的动力来自下关节处的一套行星齿轮所传递的转 动惯量；其转动方向依靠电机的正反转来控制。
2、三维模型展示：
摇臂的三维模型如下图所示，其上下两 端均采用键连接同上下两组行星齿轮机构相 连。为使加工方便，上下两端的通孔以及键 槽采用相同的尺寸，这样一来制造时可以少 设计一种夹具，达到节约成本的目的。
油封：用以密 封上圆锥滚针 轴承，保证密 封性及防治润 滑油泄漏
上端面：上圆锥滚针轴承上端面对 机械手上部部件起支撑作用
上圆锥滚针轴承：机械手上部产生的径 向力轴向力主要由此部件承载
下圆锥滚针轴承：安装 在中心轴下部，与底座 上部的圆锥滚针轴承相 结合使中心轴受力均匀
中心轴：底 座整体装配 的紧固件以 及圆锥滚针 轴承的固定 件，其端面 上的小孔用 于拆卸下轴 承
二、下关节外壳的设计
下关节外壳主要作用是让摇臂和基座配合。在下关节 中，关节中的机构通过伺服电机驱动，以伺服电机的转动 轴为输出轴，与关节机构紧密配合，从而达到下关节的上 下与左右的运动输出。
在运动输出过程中，下关节的上下运动是下关节内的 连接件与摇臂的配合处；下关节的左右运动是下关节的连 接件与基座的配合处。
2、上手臂在机械手中的位置如下图所示
3、上手臂在机械手中的位置及手腕的连接
第六部分 腕关节
腕关节是支承和调整末端执行器姿态的部件，主 要是用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的 活动范围，一般有2~3个回转自由度以调整末端执行 器的姿态。有些专用的机器人可以没有手腕，而直接 将末端执行器安装在手臂端部。
第四部分 上关节设计
一、上关节外壳设计
• 外壳是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。
二、上关节的连接设计
1、如下图，是计机械手上关节处的传动连接部分。
上 关 节
2、上关节连接的行星齿轮与外啮合齿轮
• 此地方的连接与下关节连接处相似。在摇臂和 关节的连接处由于传动在同一条轴线上，且电 动机转速较高，所以可以通过行星齿轮传动实 现传动。而在上关节与上手臂的连接处，由于 传动不是在同一条轴线上，故采用一对外啮合 齿轮就可实现传动。