RV20F六轴机械手结构设计

目 录 摘 要 I Abstract II 引 言 1 1设计目标 3 1.1研究的目的与意义 3 1.2国内外研究现状和发展趋势 5 1.2.1国外研究现状 5 1.2.2国内研究现状 5 1.3主要研究内容 6 1.4本章小结 6 2设计要求 7 2.1具体成果 7 3设计方案 8 3.1简易的六轴机械手总体方案设计 8 3.2机械手传动方案设计 11 3.2.1底座部件的传动方案设计 11 3.2.2手臂部件 11 3.2.3手腕部件 11 3.3简易机械手大臂部结构设计 11 3.4主要技术参数的确定 13 3.5本章小结 26 4三维建模 27 4.1手腕处的三维建模 27 4.2小臂的三维建模 30 4.3连接处修改以及整体装配 32 4.4本章小结 33 5整体渲染 34 6实物制作 37 结 论 38 参考文献 39 致 谢 41 摘 要 本文将设计RV-20F六轴机械手设计，六轴机器人具有作业灵活且在工作空间内达到区域较好的优点，广泛的使用在机床上下料，搬运，码垛，焊接，喷涂等作业场合，在中国智能制造的背景下，成为企业转型升级的机械的核心的设备。

本次设计从六轴工业机器人的发展现状及实际应用等多方面考虑，比较全面的介绍工业机器人在世界的发展地位及实用背景，提出本文的设计方案；
其次，步进电机驱动的简洁型的六轴机械人的机械主体构造的设计，其中详细包含机器人的底座设计、大臂设计、腕部设计及机械的机械夹手部分的设计，进行六轴机器人的驱动方式及传动方式的设计，具体包括驱动步进电机的选型计算，大臂内部的传动机构设计计算，腕部的内部传动机动的设计及计算等内容，最后根据设计的传动零件的尺寸大小，用solidworks建模软件进行RV-20F六轴机械手的装配图及零件图的计算加工。

通过本文进行的简易的六轴机械手设计，将大学所学的机械设计、机械原理、机械制造及机械制图等内容全面进行综合运用，综合的将所学的理论知识运用到了实际设计中，在即将踏入社会进行了一次系统的设计训练，为将来走向工作岗位上进行了系统锻炼，为顺利进入社会工作打下基础。

关键词：六轴机械手；
大臂；
腕部；
步进电机 Abstract In this paper, the rv-20f six axis manipulator is designed. The six axis robot has the advantages of flexible operation and good area in the working space. It is widely used in machine tool loading and unloading, handling, palletizing, welding, spraying and other operating occasions. Under the background of Intelligent Manufacturing in China, it becomes the core equipment of the machinery transformation and upgrading for enterprises. Considering the current development and practical application of the six axis industrial robot, this design comprehensively introduces the development status and practical background of the industrial robot in the world, and puts forward the design scheme of this paper. Secondly, the design of the simple six axis robot driven by the stepping motor, including the design of the robot base, the design of the big arm and the design of the wrist Part design and mechanical gripper part design, the driving mode and transmission mode design of six axis robot, including the selection and calculation of driving stepping motor, the design and calculation of the transmission mechanism inside the boom, the design and calculation of the internal transmission of the wrist, etc. Finally, rv-20f is carried out with Solidworks modeling software according to the size of the designed transmission parts Calculation and processing of assembly drawing and part drawing of six axis manipulator. Through the simple six axis manipulator design in this paper, the mechanical design, mechanical principle, mechanical manufacturing, mechanical drawing and other contents learned in the university are comprehensively applied, and the theoretical knowledge learned is comprehensively applied to the actual design. A systematic design training is carried out in the coming society, and systematic exercise is carried out for the future to the work position, in order to smooth the process To lay the foundation for social work. Key words: six-axis manipulator; big arm; wrist; stepper motor 引 言 现代化的工厂里面的生产线上都有机械手，而相对与一些要加工的原件的空间的位置和姿态变化较多的就必须得靠多轴多关节的机械手才能完成。而目前的六轴工业机器人作为工业机器人中应用中最为广泛的类型，具有高灵活性、超大负载、高定位精度等众多优点。常见的六轴关节的机械手，是通过六个伺服电机直接通过减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转。六轴工业机器人一般有六个自由度，常见的六轴工业机器人包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）。六个关节合成实现末端的六自由度动作。

六轴工业机械手的特点主要有以下几方面，一是可编程属性，六轴工业机械手最大特点是柔性启动化，它可随其工作环境变化以及加工件的变化进行再编程，适合于小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造生产线的应用。二是拟人化属性，六轴工业机械手结合机械手与人的特点。在六轴工业机械手的结构设计让它具备了类似人的行走、腰转等部分功能；
其传感器更是使其提高对周围环境的自适应能力。

还有其通用性，一般六轴工业机械手在执行不同的作业任务时比其他的专用型的工业机械手具有更好的通用性。最后是机电一体化：六轴工业机械手是机械学和微电子学的结合。工业机械手具有各种传感器可以获取外部环境信息，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。[15] 六轴机械手的研发设计及制造已经有好几十年的历史了，整个工业机械手的研发制造体系较为完善，各研发厂家在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新。大正百恒智能多年来坚持投入研发、生产各类自动化设备，其中包括：双臂回斜式机械手、回斜式机械手、双截单臂回斜式机械手、立式注塑机专用机械手、单臂回斜式机械手、中型一轴伺服横走式机械手、中型两轴伺服横走式机械手、CNC悬挂式全伺服机械手、CNC开放式全伺服机械手。多年来不断推陈出新，研发生产的自动化设备帮助许多企业解决了生产难题，备受企业的喜爱。

普遍企业研发的机器人装置的动力来源可以是电力驱动，可以做成是液压形式驱动，考虑到目前的目前发展的普遍性，尽可能采用电力驱动设备，因此政府大力鼓励企业使用在工业机器人设备中，因此本文设计的简易的六轴机器人装置采用的驱动为步进电机驱动，本文设计的简易的六轴工业机器人具有广阔的使用性，具有作业效率较高，可靠的工作模式，简易的六轴机器人装置体积较小，设备的结构较为简单维修方便，操作容易，设备的出现会使得人们作业的时间大大降低，六轴的工业机器人设备目前正处于一个发展的强劲时期，有广阔的市场前景。

[13] 1 设计目标 本次设计从六轴机械手的发展现状及实际应用等多方面考虑，比较全面的介绍工业机械手在世界的发展地位及实用背景，提出本文的设计方案；
其次，步进电机驱动的简洁型的六轴机械人的机械主体构造的设计，其中详细包含机械手的底座设计、大臂设计、腕部设计及机械的机械夹手部分的设计，进行六轴机械手的驱动方式及传动方式的设计，具体包括驱动步进电机的选型计算，大臂内部的传动机构设计计算，腕部的内部传动机动的设计及计算等内容，最后根据设计的传动零件的尺寸大小，用solidworks建模软件进行RV-20F六轴机械手的装配图及零件图的计算加工。

图1.1 RV-20F六轴机械手实物图 1.1 研究的目的与意义 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置[1]。我国的工业机器人设计生产是在20世纪60年代开始的，截止到今天已经有60多年的历史了，但是从设计的工业机器人的产品系列来看，目前对于工业机器人才刚刚起步，相对于国外的设备的研发状况我国的工业机器人主要表现的不足为设计的工业机器人的系列化的生产规模不大，设备的设计水平相对落后，工业机器人的作业的效果表现出一定的差距。但是随着我国的经济技术的发展，我国的工业化进程的加快，企业的转型发展不容忽视，传统的企业生产方式已经无法满足现代化的企业生产模式，因此需要进行设备转型升级，在这样的背景下，工业机器人设备有了市场需求，大量的资金投入设备的设计与研发，从2005年以后，国内的工业机器人的设备逐年呈现上升的趋势，但是对于发展较快的国家我国的工业机器人设备的研发生产还是处于初级阶段。

在中国的工业化进程速度的加快，原有的企业依赖人工作业生产的弊端已经完全的展现出来，主要表现在人工作业生产作业效率低下，设备较为老旧故障率较高，人力成本的不断上升，企业面临的招工难等问题。与此同时现代化的工业机器人代替人工完成作业，使得设备能够实现工业机器人作业效率快速提升的同时，能够实现节省人力，降低人工成本，但是相对作业复杂的工位，主要还是需要人工进行作业，机器人的无法实现人工的代替，基本上还是停留在使用传统的人工进行作业，作业效率较低，作业的效果较差，人力成本的浪费以及人工耗时耗力。

在工业机器人装置中走在世界的前列的国家有德国，日本及欧洲的发达国家，这些国家的工业机器人设备的公司的研发已经放眼未来的全系列的工业机器人的装置[2]，日本的某公司设计一种能够实现家庭除灰尘作业的清扫作业机器人装置，在作业的过程中可以通过运用无线电控制技术，使得清扫作业装置能够实现运动，能够进行转向运动及避障运动，具有较高的使用价值，因此被广泛的使用在家具市场，企业的底面清洁位置完成清扫作业任务，使得人能够在清洁劳动的工作环境中解放出来，国外发达国家的使用的工业机器人设备使用率与我国相比设备的台套数量远远大于我们国家，因此这方面国内的设备的研发投入相对较少，设备的规格相对较少，随着国家的经济状况的发展，我国的企业的规模的增长，在企业的数量不断增多的今天，企业的生产利润的要求不断增加，高效的工业机器人装置必须应运而生用以满足企业的生产需要，伴随着人力成本的不断上涨的社会，减少人员工作已经成为企业越来越追逐利益的方式，因此，由上述分析可以得出工业机器人装置在中国未来的市场上必然会越来越多的被应用，有广阔的市场空间。

普遍企业研发的机器人装置的动力来源可以是电力驱动，可以做成是液压形式驱动，考虑到目前的目前发展的普遍性，尽可能采用电力驱动设备，因此政府大力鼓励企业使用在工业机器人设备中，因此本文设计的简易的六轴机器人装置采用的驱动为步进电机驱动，本文设计的简易的六轴工业机器人具有广阔的使用性，具有作业效率较高，可靠的工作模式，简易的六轴机器人装置体积较小，设备的结构较为简单维修方便，操作容易，设备的出现会使得人们作业的时间大大降低，六轴的工业机器人设备目前正处于一个发展的强劲时期，有广阔的市场前景。

1.2 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1 国外研究现状 1950年上下，美国率先使用简易机械手在流水线上运输放射性材料，但这些老式的机械手需要相关专业技术人员在一旁运用遥控装置来操作机械手，仍旧需要人力作业，总体自动化程度非常差[3]。到1960年之后，机械手应用在世界各国得到了极大的应用，其被常用于高热环境，高污染环境，同时在常规机床，全自动流水生产线和全自动加工中心也得到了防范使用，在当时，通用机械手普遍采用了继电逻辑控制或计算机逻辑控制，机械手可以通过人工编程，来完成理想的实际作业，达到产业最大化。直至今日，世界上传统机械手的应用趋势接近饱和，机械手技术已经越来越向智能化的方向发展。

1.2.2 国内研究现状 我国的工业机器人经历了60年的发展历程，已经在技术上有了较大的进步，但是我国研制的工业机器人装置仍然在以下方面存在一定的劣势，下面的设备的问题是我国未来工业机器人的发展方向。

（1）设备的工作可靠性 我国的工业机器人装置的工作的可靠性相对国外的清扫装置的可靠性存在一定的差距，分析产生差距的原因：①国内的基础工业生产的基础工业零件受到其工作性能影响，由于基础零件的限制导致设备整机的工作可靠性的降低；
②设备的零部件的制造及加工工艺性相对国外存在一定的问题[4]；

（2）工业机器人多功能性 我国研发的工业机器人作业设备的功能主要为单一的作业，不能够与其他方式作业，无法实现多种功能集聚一台装置上，如果能够开发出上述功能于一身的设备，能够使得设备的使用价值提升。

（3）工业机器人需要系列化设计 工业机器人作业设备使用的作业情况不尽相同，因此设计的设备需要根据作业任务的要求进行开发设计，需要有系列化的设备完成不同的作业条件的作业，原因在于对于作业场合要求较高的地方，工业机器人在进行作业时，需要工业机器人作业效果较好及作业时产生的噪音较低的工作要求，使得设备设计时产生的成本较高，对于作业要求比较粗况的使用场合，工业机器人装置的使用条件宽泛，设备开发及设备的作业成本较低，因此设计不同形式不同系列的工业机器人装置用以满足不同工况的使用的作业工业机器人装置势在必行 [5]。

1.3 主要研究内容 从六轴工业机器人的发展现状及实际应用等多方面考虑，比较全面的介绍工业机器人在世界的发展地位及实用背景，提出本文的设计方案；
其次，步进电机驱动的简洁型的六轴机械人的机械主体构造的设计，其中详细包含机器人的底座设计、大臂设计、腕部设计及机械的机械夹手部分的设计，进行六轴机器人的驱动方式及传动方式的设计，具体包括驱动步进电机的选型计算，大臂内部的传动机构设计计算，腕部的内部传动机动的设计及计算等内容，最后根据设计的传动零件的尺寸大小，用solidworks建模软件进行RV-20F六轴机械手的装配图及零件图的计算加工。

1.4 本章小结 本章主要提出了整体的设计目标，以及对本产品研发的意义所在，根据国内外发展近况，对本产品有一个初步了解，根据所获得的信息，确定研究的内容，为之后的设计过程打好基础。

2 设计要求 本文计划制作一种相对简单六轴机械手装置，本次计划制作六轴机械手装置能够进行汽车装配作业。六自由度机器人设计要求，由于六轴机器人输送的速度快，加速度大，加减速时间短。当运送较重的工件时，整体惯性较大，所以伺服驱动电机要有足够的驱动力以及强大的制动本领，支持元件也要有充足的刚度及强度。如此这般，就可以令伺服电动机满足六轴关节机器人输送的高响应、高刚度及高精度要求。

2.1 具体成果 预期的具体成果如下：
（1）零件三维造型及装配，电子文件，一套；

（2）所有非标零件图（标准CAD图）电子文件，一套；

（3）装配图（标准CAD图）电子文件，1张；

（4）最复杂的非标件图纸，打印图纸3张，A3图幅；

（5）装配图，打印图纸1张；
A1或A0图幅；

（6）设计说明书；

（7）产品模型（3D打印）
3 设计方案 3.1 简易的六轴机械手总体方案设计 这次要设计的简易的六轴机械手装置要求从以下几个方面进行机械手装置的总体方案要求。

在简易机械手的工作负载主要考虑机械手的实际作业任务，结合本文设计的任务书中规定的参数，选择本文的工作负载设计为：3kg，用以满足电机的驱动选型方便及机械手的运动灵活性等要求设计[6]。

简易机械手的驱动系统 本文设计的机械手工作方式为发动机运转。根据本文的设计要求，机械手的驱动操作为步进电机操作。由于发动机运转，机械手相应的工作效率高，工作方式多变灵活，机械手装置的工作效率高，因此，各方面设计的发动机都使用步进电机。

简易机械手的传动系统 本文设计的机械手装置考虑到结构的紧凑性能要求，要求机械手的作业时灵活，因此设计的机械的转动惯量需要尽可能的小些，在机械传动中常见的传动包含带传动，链传动，齿轮传动等，在众多传动中能够保证瞬时传动比恒定的机构为齿轮传动，由于设计的电机的转动的速度较大，机器人的关节轴上的转动速度较低，因此设计的减速装置需要在有限的空间内实现大传动比的减速，因此本文有限考虑到谐波减速器，谐波减速其中主要的传动为齿轮轮系的传动[7]。

简易机械手的作业范围 设计的简易机械手的作业范围要求能够进行封闭的空间区域内进行作业，因此设计的机械手的作业区域主要受到机械手的设计的尺寸控制，因此本文在进行尺寸综合设计时，才能确定机械手的作业范围。

简易机械手的工作运动速度 机械手装置的第六轴的法兰盘的中心点的作业速度的大小能够确定机械手的运动速度，该速度的大小受限于电机的选择速度及机械手的连杆的长度及减速器的参数等条件共同作用，因此本文设计的法兰盘的中心点处的速度设计为：4m/s。

简易机械手的总体形式 结合多次的方案论证，形成的简易的六轴机械手的可行性方案如下，首先研究机械手的作业形式如下。

直角坐标机器人 直角坐标机器中应用较多有两自由度的直角坐标机器和三自由度的直角坐标机器人，形式如图3.1.1及3.1.2所示。常见的直角坐标机器人又称为桁架机器人，该形式的机器人具有设备结构简单，操作方便，维护较为方便，广泛的被应用在金属加工机床、冲压机床、注塑机上下料领域。

图3.1.1 两自由度直角坐标机器人 图3.1.2 三自由度直角坐标机器人 关节机器人 关节机器人的连杆与连杆的连接位置都是由转动副所构成，在关节机器人中最为普遍的为六轴的工业机器人和四轴的码垛机器人，六轴的工业机器人的作业功能较为广泛被使用在焊接作业领域中，四轴码垛机器相对于六轴机器人来说，码垛机器人的五轴及六轴是固定的[8]，因此，作业机器人只能实现法兰盘相对于地面的平行，六轴关节机器人如图3.1.3所示，码垛机器人如图3.1.4所示。

图3.1.3 六关节机器人 图3.1.4 码垛机器人 球面坐标机器人、柱面坐标机器、水平多关节机器人、并联机器人 球面坐标机器人的作业运动副包括两个转动副和一个移动副构成（如图3.1.5），柱面坐标机器人运动副包括一个转动副和两个移动副（如图3.1.6），水平多关节机器人包括两个转动副和一个移动副（如图3.1.7），并联机器人结构中由多个移动度及一个转动副所构成（如图3.1.8），并联机器人具有作业效率较高，动作十分敏捷的特点。

图3.1.5 球面坐标机器人 图3.1.6 柱面坐标机器人 图3.1.7 水平多关节机器人 图3.1.8 并联机器人 结合上述机械手的工作形式及使用领域，工作的特点等要求，本文综合论证选择简易的六轴机械手的形式为关节式机械手。

3.2 机械手传动方案设计 根据上述机械手的整体方案的确定，确定机械手的大概形式，为了进一步确定机械手的传动形式，本文进行机械手传动方案设计。

本文设计的机械手形式为步进电机驱动下的六关节的机械手，因此机械手的形式与市场上的工业机器的形式相类似，机械手的机械本体的组成包括：底座部件、大臂部件、小臂部件、手腕部件等部件组成。

3.2.1 底座部件的传动方案设计 底座部分主要完成简易机械手的整体回转运动，因此设计一个支撑结构，通过电机驱动减速器，带动齿轮在齿圈上完成转动，从而实现机械手的整体回转运动[9]。

3.2.2 手臂部件 手臂的部件包括大臂及小臂的装置，采用的整体方式仍然为电机驱动减速机，完成齿轮的啮合，从而实现机械臂的运动[10]。

3.2.3 手腕部件 作为机械手的外界的连接尺寸结构，设计的手腕部需要进行两个自由度的设计，在狭小的空间内合理布置，因此本文设计的电机驱动带能够实现锥齿轮的运动并完成腕部的转动。

3.3 简易机械手大臂部结构设计 3.3.1 大臂部设计基本要求 机械手的大臂在整个六关节的机械手的作业中起到至关重要的作业，机械手的作业空间及作业能力主要依托大臂完成作业，因此设计时，需要满足设计的基本要求：
（1）为了减低驱动电机的工作负载，因此设计的大臂的质量需要尽可能的轻便；

（2）为了能够使得机械手的运动灵活性增加，因此大臂需要具有较高的运动速度，运动时的运动惯量设计较低。

（3）大臂要求运动的位置精度需要进一步提高[11]。

3.3.2 大臂部结构设计 考虑到大臂设计要求，因此本文设计的简易机械手的大臂从材料选择上选择质量相对较轻的铸铝材料，材料具有质量较轻，材料的使用强度较高的优点，能够满足本文的设计使用。

3.3.3 大臂驱动电机及减速器选型 电动机作为市场上已经成熟的标准化、规格化的成型产品，在机械设计领域，只要合理的选择电动机的参数，在本文的设计中，本文从电动机的输出功率、工作条件及设计的经济型要求考虑，在电动机产品中满足上述参数要求，确定型号。

电动机作为驱动原动机的主要零部件之一，电动机的形式的选择与工作环境是分不开的，可以参考电动机的电源的种类及工作条件及工作的负载的情况进行综合考虑。

直流电动机的主要的优点：市场电机较为容易采购，使用的电机的功率较大，能够满足大功率的功率机械设备的使用。直流电动机主要缺点为：设计的装置需要设计减速机，通常电机的电流需要较大，较难实现装配，控制较为复杂。

步进电动机主要的优点是设备的运动精度较高，设备的设计型号较为广泛，适合较多设备的使用，电动机的接口形式简单，容易使用，市场价格较低。因此，设计的电机的功率较小，使用时电机需要的电流较大，电机的结构不紧凑，体积较高，与其他装置进行装配较为困难，电机的承载能力较低，总功率较小，控制难度较大，运动精度较低。

考虑到本文设计的简易机械手的作业要求平稳及设备的控制简单可靠等要求，因此设计的简易机械手的电机选择为步进电机进行驱动。

3.3.4 电动机的型号选择 本结合本文设计任务书中规定的参数，选择本文的工作负载设计为：3kg，为了能够使得动力满足使用要求，本文采用的电机型号为130FY280的130步进电机[12] 电机参数 电机型号：130FY280 输出力矩：50Nm 出轴长度：47mm 出轴轴径：19MM/24MM 槽：8*8*30 出轴方式：单/双出轴 出线方式：二相四根引出线 电流：8.5A 机身长度：280mm 2.适用范围 传动比范围：单级传动 两级传动 输出扭矩范围：
输入转速范围：
3.代号 根据参考文献[4]的谐波形式的减速器的使用代号，代号的具体形式为两部分组成，分别为型号、规格部分。型号通常采用汉语字母拼音来进行表达，例如X代表谐波减速器形式，W—代表卧式减速器，D—代表电动机。设备的规格具体包含设备的功率、设备的机型号和设备的传动比三项规格，均用实际数字加以表达。

4.驱动电动机的型号选择 RV-20F六轴机械手设计的电动机的力矩为50N.m，电动机的最高反应频率可达200KPPS，查阅参考文献[3]可知，电动机可以具体的选择110BYG350D型制动式步进电动机电动机。电动机使用的驱动器为HB3722S2 220V。

3.4 主要技术参数的确定 3.4.1 腕部的传动比分配 根据设计的转速，根据设计的电机转速及小臂轴转速数据，因此计算二者的设计总传动比为：
由于设计的减速装置为二级减速传动，因此设计的电机至带轴I的传动装置传动比为：
从轴I到腕部轴III进行的传动比设计为：
3.4.2 带轮的结构设计 按照机械设计教材中的带传动的设计步骤设计如下：
计算功率公式为：
查询《机械设计》教材中的表8—7，可知：工况系数为：=1，额定功率为：w 因此计算的功率为：w 选择同步带的类型 结合计算功率及小带轮的转速为：r/min（电机直接驱动），根据《机械设计》教材中的图8—11进行选择，本文设计普通同步带的型号为：Z型 设计带轮基准直径，验证带速 （a）进行小带轮基准直径的初选 设计带传动时，由于带需要满足具有足够的疲劳强度，在设计时，为了降低带传动的弯曲应力，因此设计时需要限定小带轮的尺寸，需要满足≥，查询《机械设计》教材中的表8—6、8—8确定小带轮的基准直径，本文设计为=50mm，本文进行带轮的适当整圆为：=50(mm)。

（b）验证带速 因此满足带速度要求。

（c）计算大带轮的基准直径 根据第二章的传动设计，可知带传动比为，由此可以得知，大带轮的尺寸为：
，进行带轮的尺寸的圆整，因此设计为：=250(mm) 设计带的实际中心距，设计同步带基准长度 （a）中心距尺寸太小的话会令带传动的包角较小，会降低总体传动的能力，但中心矩过大的话，也会导致整体带传动的结构不紧凑，工作平稳性较差，因此需要合理的选择中心距的尺寸，根据《机械设计》教材中式（8 —20），初选中心距 ++ 因此：，本文取=300(mm) （b）计算相应带长尺寸为：
++ =(mm) 带的基准长度，选择为标准尺寸为(mm) （c)因此计算出中心距实际的尺寸及允许的安装尺寸的其变动范围 传动时实际中心距尺寸近似为：
=(mm) 考虑到带轮在实际的制造过程中误差，安装过程中的误差，以及带在制造时，长度都会有一定的误差，因此中心距的尺寸只要在合理的范围内是可以满足要求的，因此查询机械设计资料可知，中心距的变化需用值范围为：
=(mm) (mm) 验算小带轮包角数值 为了能够避免带出现打滑现象产生，在带的设计上需要严格限制包角的大小，需要设计带轮上的包角大于120°，由于小带轮的包角始终小于大带轮包角，因此出现打滑的失效形式往往出现在小带轮上，因此需要严格的计算小带轮的包角尺寸，用以实现工作能力，计算小带轮的包角公式为[14]：
带的根数设计 查询《机械设计》教材中的表8—7可知工况系数为=1.1，查表8—4a 可知单个V带的基本额定功率为：=1.94，查表8—4b可知，修正功率为：=0.15，查表8—5可知包角修正系数为：=0.98，查表8—2可知带长修正系数为：=0.99，将刚刚得到的结果带入公式4-8计算得：
∴ ，因此本文取=1（根），满足使用要求。

初拉力计算 根据《机械设计》教材中式8—6计算出单根同步带所需最小初拉力为：
=29.46（N）
带传动的压轴力的计算 （N）
带轮的结构尺寸设计 本文设计的同步带带轮根据带的设计条数设计带轮的齿形，设计的带轮需要满足：带轮的的质量较小，结构性能较好，加工工艺性能较好的优点及铸造的材料选择合理，铸造内部无缺陷及铸造内用力需要在加工前进行实效处理，根据带轮的工作特点，因此需要尽可能的提高带轮的设计精度，用于降低带的磨损，因此设计的带轮的槽型的尺寸及表面精度需要满足一定条件，实现带的载荷分布均匀的条件[15]。

查询带轮设计的机械设计手册知识可知：
带轮的基准宽度设计尺寸与带的基准宽度一样，故设计的带轮的基准宽度尺寸为8.5mm，设计的带轮的齿形深为：2mm；
设计的带轮的齿形深度为：7mm；
带轮的设计的宽度尺寸为：
；
设计的带轮的外径尺寸为：
本文设计的带轮的各个位置的尺寸为：
进行小带轮孔径初步设计为：
设计小带轮的基准直径为：
设计小带轮的外径为：
设计小带轮的外径为：
设计小带轮的轮齿形宽度为：
本文设计的小带轮的尺寸满足，因此设计的小带轮的结构设计为实心结构的带轮。

根据设计的传动比，设计大带轮基准直径尺寸为：
由于本文设计的大带轮的尺寸及小带轮的尺寸满足：，因此大带轮的结构设计为孔板式。大带轮的腹板厚设计为：， 大带轮的轮宽设计为：
，，， mm。

大带轮的轮槽宽设计为：b=8.5mm 3.4.3 腕部主轴的设计计算 1．计算扭矩为：
2．计算齿轮有效圆周力、轴向力及径向力 3．预估算最小轴径尺寸，确定联轴器 查询机械设计手册，可知最小轴径的预估经验公式为：
设计为：=14mm. 4．轴的结构设计[16] 图3-1 主轴装配示意图 轴的结构设计的参数需要严格根据轴上安装的零件进行设计。

在轴安装联轴器部位的设计尺寸为A：=9mm，=18mm， L；
为了能够实现联轴器的可靠安装。设计的周长尺寸需要小于20mm，本文设计为=18mm。

安装轴承部分设计尺寸为B：，直径由轴承的内孔决定的，设计采用的轴承为：深沟球轴承6002，因此设计尺寸为：，。

轴向定位的轴肩部分C设计为：。

安装齿轮部分尺寸设计为D：，由于尺寸齿轮与轴的尺寸接近，根据安装有关因素，本文设计的为齿轮轴。

定位轴肩部分的设计尺寸为E：。

安装轴承尺寸设计为F：。

考虑到功能部件齿轮的连接及轴承的连接，因此在设计轴时，需要在安装部分采用严格的配合要求，齿轮安装部分采用H7/k6，滚动轴承与轴采用H7/k6。

为了减小应力集中及安装时导向方便在轴肩处设计轴肩处的圆角半径为：R=1，轴端倒角为：1。

5. 考虑到轴需要表面具有足够的硬度保证耐磨性能，心部要有足够的韧性，因此轴的材料选择45，通过热处理方式为：调质处理。达到下面的力学性能[18]。

，。

6．轴的强度校核 根据设计的轴的尺寸及安装要求，支点跨距尺寸为， 计算出轴的水平面约束反力为：
, 垂直面的约束反力为：
， 7．根据上述计算，得出弯矩图，转矩图 水平弯矩图计算为：
垂直面弯矩计算为 合成弯矩图为：
转矩图为：T=13728N 图3-2 水平轴弯矩、扭矩图 8．静强度计算轴强度校核 求出危险截面上的上的最大弯矩：
，查询机械设计手册计算公式为：
根据计算可知强度足够。

9．根据弯曲疲劳强度进行校核 根据上文计算的弯矩图及扭矩图，查询机械设计手册可知：
查询机械设计手册可知尺寸系数为：。

查询机械设计手册可知表面质量系数为：=0.93。， 查询机械设计手册可知钢的为：。

查询机械设计手册可知许用安全系数为：。

计算弯曲应力幅为：。

扭转应力幅为：。

只考虑弯矩作用时，计算的安全系数为：
只考虑转矩作用时，计算的安全系数为 弯矩和转矩同时应用时安全系数为：= ，根据结果显示，满足疲劳强度设计要求。

（1）键选用与校核[23] 本文设计的带轮与轴，减速器与轴实现与轴进行连接，选择的键为普通型平键，选择键的尺寸为：、。

取低速轴危险的键进行安全校核 进行键的挤压强度校核，查询机械设计可知校核公式为：
查询机械设计手册可知：
将上述公式带入数据，可以计算得：
设计的键满足使用的挤压强度，因此安全。

在减速器与轴处，安装的键尺寸为：
进行键的挤压强度校核，查询机械设计可知校核公式为：
查询机械设计手册可知：
将上述公式带入数据，可以计算得：
设计的键满足使用的挤压强度，因此安全。

3.4.4 齿轮设计与校核 1．齿轮的设计包括选择齿轮的材料，齿轮的热处理方式及齿轮的参数设计 本文设计的齿轮的传动，由于本文设计的传动功率较小，转速较低，因此选用软齿面传动[19]。

设计小齿轮的材料为：45，热处理方式为调质处理，使得齿轮的表面硬度达到：240HBS，设计大齿轮的材料为：45钢，不进行热处理，表面硬度达到：200HBS 查询机械设计手册，本文设计的齿轮的精度为8级精度 初选齿轮的齿数为：
，取 本文设计的减速机为闭式齿轮传动，设计的齿轮的齿面为软齿面，故利用齿面接触疲劳强度进行设计，按照齿根弯曲强度进行校核[24]。

2．进行齿面接触疲劳强度设计，查询机械设计手册知：
式中 --载荷系数，根据使用条件，取K=1.3 --齿宽系数，根据使用条件，取。

--小齿轮扭矩为：
--弹性影响系数，查询机械设计手册，取 --取大齿轮与小齿轮的接触极限的较小值。

查询机械设计手册知：小齿轮的接触疲劳强度为：，大齿轮的接触疲劳强度为：
按照年工作任务，计算应力作用次数：
根据上述计算结果进行，需用应力计算[22]。

查询设计手册，取接触强度最小安全系数为：。

MPa MPa 齿轮的尺寸参数设计 设计小齿轮的分度圆直径为：
计算齿轮的圆周速度为：
m/s 计算齿轮的定载荷系数为：
查询机械设计手册，可知使用系数为：， 查询齿轮的不均分布系数为：。

查询齿轮的轴线系数为：
因此，计算的载荷系数为：
校正小齿轮的分度圆直径为：
3．最终设计的小齿轮的几何尺寸为 模数大小为：取模数为 ，整圆为 齿轮的几何尺寸设计：
(a）齿轮的分度圆直径设计为：(mm) 5-4 (mm) (b）中心距尺寸设计为：(mm) 5-5 (c）齿轮宽度设计为：(mm) 5-6 (mm) 根据《机械设计》教材中的齿轮的校核公式为：
， 进行轴I的尺寸的弯曲强度校核：
∴ 根据公式中的数据带入得到：
根据结果进行比较知：，因此设计的齿轮满足设计要求。

根据上述过程对轴I的另一个齿数为56的齿轮进行校核，同样满足设计要求。

因此，轴I上设计的齿轮满足要求。

3.4.5 轴承的选择与校核 轴承根据使用时的工作性质进行分类，可以分成滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承两大类，滚动摩擦由于摩擦系数较小，运转阻力较小等优点，被广泛的使用在工程场合，由于使用场合众多，因此滚动轴承在市面上已经做到了标准化，滚动轴承的的选用及维护得到了广泛的提升。

滚动轴承的使用领域可以大到国防科技、航空航天、装备制造，小到家用电器、交通工具等场合，可以说轴承的使用无所不在，多数轴承的使用形式为滚动轴承，滚动轴承的组成是由，外圈零件，内圈零件，滚动体零件及保持架零件所组成，外圈用于常常与机架进行配合，通常采用基轴制的小间隙配合，内圈用于连接轴，采用基孔制的过渡配合，内圈与外圈采用滚动体分离，实现运动部件与静止部件的分类，保持架的功能是实现滚动体之间彼此分类，防止滚动体之间的相互作用，提高轴承的寿命 [20]。

在进行轴承的选择时，经常需要考虑下面的因素：
(1）轴承所受的载荷 载荷的性质经常可以根据载荷的大小、载荷的方形进行分类，载荷的大小可以限制轴承选用轻载系列轴承或重载系列轴承；
载荷的方向决定是选用推力轴承还是无需推力轴承，因此合理的了解轴承承受的载荷是选择轴承的重要依据，例如，能够承受轴向力和径向力的轴承有圆锥滚子轴承和角接触球轴承，但是二者的区别在于圆锥滚子轴承能够承受较大的轴向力和径向力，但是轴承运动的极限速度相对于球轴承差些，但是对于主要承受径向力要求具有较高的转动速度要求的，可以选择深沟球轴承等。

(2）轴承的转速 除了载荷要求外能够限定轴承的选用的就是转速的要求，对于工作时转速要求较高，需要优先选择球轴承[21]。

(3）轴承的调心功能 对于工作场合要求轴的中心相对于轴承座的中心有一定的偏离时，如果没有合理的选择轴承，会造成轴承的内圈与外圈之间产生附加的载荷，导致轴承较早的产生破坏，因此对于这样的情况需要选择一种能够在运动过程中释放载荷，实现调心功能的轴承。

考虑到上述轴承的选择的因素，本文设计用圆锥滚子轴承型号为：
设计简易的六轴机械手的使用寿命为：15000—20000小时作为设备的总寿命，因此设计的轴承的寿命应该大于该寿命，才能满足合理的设计要求。

查询《机械设计手册》进行轴承的寿命计算，计算公式为：
式中——轴承的额定寿命，——轴承的额定负载，——轴承的当量动载荷，，对于球类轴承寿命系数为，对于滚子轴承寿命系数为。

根据《机械设计手册》资料查询，可知：
式中—轴承的速度因数， —轴承的温度因数， —轴承的寿命因数， —轴承的力矩载荷因数，当工作时的力矩载荷较小时，工作时的力矩载荷较大时，—轴承的冲击载荷因数。

将上述公式带入计算出公式：
因此，带入轴I上的轴承计算相关参数计算得：
(h) 故轴承的计算寿命满足：
，表示轴承的使用寿命是足够的。

3.5 本章小结 本章对于本次设计是最重要的一环，首先确定了六轴机械手的传动方式，以及对类似产品的细节介绍，再根据需求将所用的电机选型确定，了解具体的电机各项参数。之后对本产品的具体细节参数，例如大臂，齿轮，主轴等部件的各种参数以及对应校核进行了精密计算，使每个部件的每个参数都有一个明确地表达，并验证其可用性及寿命，明确了产品的整体构建。

4 三维建模 在整理完基本数据之后开始进行三维模型的制作，这里列举一到两个不见的三维建模制作过程，本次三维建模使用的是solidworks2019建模软件，这款软件在同级别软件中处于较高级的水平，其系列产品问世时间也十分长远，是一款有着质量保证的建模软件。本次三维模型制作主要以表达六轴机械手的结构，外观，作业运动仿真为主要目的，细节上可能会稍加欠妥。

4.1 手腕处的三维建模 首先打开软件，点击【草图】—【草图绘制】，进入草图编辑页面，选择功能栏中的【直线】，【圆】功能来绘制手腕部主体形状，并输入对应的数据，之后利用【剪裁实体】功能将多余部分删除，令其形成一个完全封闭的空间，完成此部分的草图绘制，如图4.1.1，图4.1.2所示。

图4.1.1草图选项 图 4.1.2手腕轮廓绘制 退出草图，继续点击【特征】选项中的【拉伸】功能，选中刚刚绘制好的草图，向两侧拉伸对应的数值，完成草图的拉伸，形成一个块。如图4.1.3所示。

图 4.1.3手腕主体拉伸过程 继续在前端矩形处点击【草图】—【草图绘制】，进入草图编辑页面，选择功能栏中的【弧】，【圆】，【直线】功能来绘制手腕处凸出的连接部分，并输入对应的数据，退出草图，继续点击【特征】选项中的【拉伸】功能，选中刚刚绘制好的草图，向两侧拉伸对应的数值，完成草图的拉伸，注意本次拉伸为了方便下一部分制作，在拉伸完成后可利用上一次绘制的草图进行【等距实体】命令，使其全部轮廓自动向内移动对应数值，省去了重新绘制的麻烦，可在新草图上进行进一步拉伸，完成手腕部的主体制作。草图形状如图4.1.4所示，拉伸结果如图4.1.5所示. 图4.1.4草图形状 图 4.1.5手腕部拉伸结果 完成主体之后继续细节的制作，在矩形上方点击【草图】—【草图绘制】，进入草图编辑页面，选择功能栏中的【矩形】，【圆】功能来绘制手腕处上部细节，并输入对应的数据，之后利用【剪裁实体】功能将多余部分删除，利用【拉伸切除】去掉对应小矩形部分，拉伸出绘制的各类按钮，再按着预期进行尾部细节的制作，手法大相径庭，从而完成细节部分的草图绘制，最终手腕处零部件如图4.1.6所示。

图 4.1.6整体效果展示 4.2 小臂的三维建模 首先打开软件，点击【草图】—【草图绘制】，进入草图编辑页面，选择功能栏中的【弧】，【直线】，【剪裁实体】命令绘制出出总体轮廓，按数据用【拉伸】命令进行实体化，形成左连接体主体形状，如图4.2.1所示。

图 4.2.1左连接体主体形状 按结构导出整体实体形状后，利用【拉伸切除】去除上端相应位置，点击【草图】—【草图绘制】，在其面上绘制一个矩形并拉伸，在举行的正面进行四个大螺栓的三维建模。螺栓的建模是由多层草图和拉伸构成的，首先找准四分之一的中心点，利用【圆】命令绘制对应大小的图形，之后立即利用【拉伸】完成对应部分建模，根据每层的不同特征来完成螺栓的建立。如图4.2.2所示。完成细节后的零部件如图4.2.3所示。

图 4.2.2螺栓建模展示 图4.2.3整体展示 4.3 连接处修改以及整体装配 在完成一系列细节之后，为了使模型可很好的进行整体装配，需要对相关零部件进行连接处的修改，这里以大臂为例，将完成建模的大臂中部圆心处，利用【草图】中【圆】的命令在两边对应连接处进行圆的绘制，之后使用【拉】伸或【拉伸切除】使其凸出或凹进相同的部分，用以和其他的零部件进行连接操作，有了这一环节，无论是装配过程还是时候的运动仿真，都可以找到圆心从而减轻工作量，加快整体进度，追加的连接部分如图4.3.1所示，整体装配效果如图4.3.2所示. 图 4.3.1连接部位 图 4.3.2整体装配效果 4.4 本章小结 本章主要展示了部分三维建模的过程，由于本次三维建模的目的主要是为了鲜明的表达其外观以及一用仿真动画来展示其工作过程，所以只展示了部分三维建模过程，整体建模过程大体步骤相似，建模整体较为细节，可以直观地表现出产品外观。

5 整体渲染 接下来对三维模型装配体进行渲染作业，首先在solidworks2019中打开成品六轴机械手装配体，进入【外观，布景和贴图】功能页面，选择装配体整体，应用到零部件层，如图5.1所示。

图5.1 渲染选项示意图 继续作业，在右侧功能页面的【外观】选项中，选择【金属】—【钢】—【抛光钢】选项，将装配体整体渲染成为带有反光效果的光滑钢面材质，具体操作步骤如图5.2，图5.3所示。

图5.2 材质选项 图5.3 抛光钢选项 继续进行背景的渲染，在【外观，布景和贴图】功能页面中选择【布景】选项，继续选择其中的【工作间布景】经过多次试验，发现工厂地板的背景效果更加适合机械手这类工业产品，故选择【工厂地板】的布景作为背景板。操作过程如图5.4，图5.5所示。

图 5.4外景选项 图 5.5工厂地板选项 经过各种角度调节以及打光等细节操作，装配体整体渲染到此就基本完成，由于使用的是solidworks 2019的内部自带渲染功能，成果可能不如专业软件鲜明，但作为产品展示的目的可以达到，整体效果如图5.6所示，较好的表现了机械手整体的线条感以及机械化风格。

图5.6 三维装配渲染图 6 实物制作 根据毕业设计的实物制作要求以及对性价比的考虑，我决定将RV-20F六轴机械手利用3D打印的方式制作出实物模型，3D打印技术，就是将通过软件制作的模型文件，经过比例缩放，细节数据就修改等操作，输入3D打印机中进行识别，再一层一层的喷洒原料，按着模型的分布和细节进行绘制，制作出的成品可以进行手动作业展示。

目前国内的3D打印技术越来越成熟精湛，可惜清楚地展示模型各个细节，有着较好的延展性，但是由于机械手的整体结构尺寸比较大，考虑到成本以及工序问题，需要进行模型等比缩放。由于机械手模型零件大多部分为实心，所以需要利用拔模工序将中心部位掏空，此工序与预计可以节省近80%成本，同时又可以正常安装模型，达到工作展示的目的，所以在打印时可以适当地对缩放模型进行修改，修改的细节尽量在内部进行，不要变动整体尺寸。

综上所述，对产品模型进行3D打印作业，得到的实体模型如图6.1所示，此模型的主要意义在于展示产品整体外观与展示产品如何作业，属于简易模型的范畴。

图6.1 实物模型图 结 论 在中国的工业化进程速度的加快，原有的企业依赖人工作业生产的弊端已经完全的展现出来，主要表现在人工作业生产作业效率低下，设备较为老旧故障率较高，人力成本的不断上升，企业面临的招工难等问题。与此同时现代化的工业机器人代替人工完成作业，使得设备能够实现工业机器人作业效率快速提升的同时，能够实现节省人力，降低人工成本，但是相对作业复杂的工位，主要还是需要人工进行作业，机器人的无法实现人工的代替，基本上还是停留在使用传统的人工进行作业，作业效率较低，作业的效果较差，人力成本的浪费以及人工耗时耗力。

本文将设计步进电机六轴简易机械手设计，六轴机器人具有作业灵活且在工作空间内达到区域较好的优点，广发的使用在机床上下料，搬运，码垛，焊接，喷涂等作业场合，在中国智能制造的背景下，成为企业转型升级的机械的核心的设备。

本次设计从六轴工业机器人的发展及应用出发，致力于创造一种功能全面的机械手装置；
其次，步进电机驱动的简易的六轴机械人的机械主体结构的设计，具体包含机器人的基座设计、大臂设计、小臂设计及机械的机械夹手部分的设计，进行简易机器人的驱动方式及传动方式的设计，具体包括驱动步进电机的选型计算，大臂内部的传动机构设计计算，小臂的内部传动机动的设计及计算等内容，最终，根据设计的传动零件的尺寸设计，运用CAD软件进行简易六轴机器人的装配图及零件图设计。

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对于设计中的错误和知识有了重新的认识。感谢我的毕业指导老师，是您在我遇到困难的时候给予了我及时的指导，才帮我渡过了一个个难关。通过此次毕业设计，使我对以前所学的知识有了更进一步的了解，使我对以前的知识有了更新的认识。

深深地感觉到，当真正进行产品设计时，所学之少，日后还需不断努力，从工程实践中得到更多对本专业的认知，这样才能更好的适应社会。

在整个设计过程中，深知如何将知识实践化，这其中还有很长的路要走。知行合一路途较长。这设计过程中，我还要特别感谢本班的同学、同寝室的同学，正是你们平时对我不厌其烦的辅导，才使得我对于设计上面的诸多问题迎刃而解，才使得我能够顺利的完成毕业设计。在此，祝福你们日后前程似锦，工作顺利！ 特别感谢，在百忙中抽出时间来审阅本论文的专家老师，谢谢你们!