拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書題 目： 拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計(jì) 作 者： 學(xué) 號(hào)： 系 (院)： 機(jī) 械 工 程 系 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘 要：本文簡要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)型式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，plc控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了利用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持的手部結(jié)構(gòu)并選擇了一種較好的夾持方案；通過對(duì)手腕、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)計(jì)了機(jī)械手腕、手臂的結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了利

2、用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)手腕手臂的控制。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的plc，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 氣動(dòng) 可編程序控制器畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要the design of mechanical hand picking up accessories like axesabstract: the paper introduces the conception of the industrial robot, the composition and classif

3、ication of the mechanical hand, the freedom and coordinates of the mechanical hand, the characteristics of the pneumatic technology and plc, and the development in home and abroad.in this paper, author discussed the overall project for the design of mechanical hand, and determined the coordinates of

4、 patterns, freedom and technical parameters of the mechanical hand. at the same time, used the pneumatic drive system to realize the holding structure of the mechanical hand and selected a better project to hold accessories. through the calculations to drive moment needed by the wrists and arm rotat

5、ion, designed the structure of the wrists and arm and realized the control to the wrists and arm by electric motors. author also used programmable controller to control mechanical hand and selected a suitable plc models. based on mechanical hand workflow, developed plc project and drawn a control ci

6、rcuit diagram of electric motors for the mechanical hand, and developed a program for the plc.keywords: industrial robot; mechanical hand; pneumatic drive; plc.目 錄1 引言（或緒論） 11.1國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)11.2課題的提出及主要任務(wù)22 制定設(shè)計(jì)方案 42.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 42.2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案 42.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案52.4手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案62.5手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案62.6機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)方案62.7

7、機(jī)械手的主要參數(shù)73 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)83.1設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題83.2手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)84 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)194.1執(zhí)行元件的選擇194.2軸的設(shè)計(jì)214.3軸承的選用224.4銷、螺栓的選用235 手臂升降運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)245.1滾珠絲杠的選擇245.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇285.3軸承的選用296 手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)306.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇306.2減速器的選擇317 機(jī)械手的plc控制設(shè)計(jì)327.1 可編程控制器的選擇及其工作過程327.2 機(jī)械手可編程控制器的控制方案327.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器337.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制33結(jié)論 36致謝 37參考文獻(xiàn)381 引言現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人在結(jié)

8、構(gòu)形式上與人臂和遙控機(jī)械手相似，控制原理則是基于數(shù)控（nc）和遙控的概念。因此，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人可以看成是“數(shù)控操作臂”，其中操作人員直接操作的主臂由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置所代替。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多科學(xué)而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)

9、器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的長期進(jìn)化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)效率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；

10、尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。1.1國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)1.1.1國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)近年來，國外的工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3 萬美元降至97年的6.5 萬美元。機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造的機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝

11、配機(jī)器人產(chǎn)品問市。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)性、易操作性和可維修性。機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動(dòng)系統(tǒng)，

12、而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.1.2國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有

13、130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品： 機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此，迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)

14、行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在

15、“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.2課題的提出及主要任務(wù)1.2.1課題的提出隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）液壓傳動(dòng)在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)

16、行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。（2）工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。（3）因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。（4）為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高；且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題。（2）阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較?。ㄒ话銉H為油路的千分之一），空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏

17、不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。（3）動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。（4）能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。（5）工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。（6）成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺

18、服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.2.2課題的主要任務(wù)：本課題將要完成的主要任務(wù)如下：（1）選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度；（2）設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)；（3）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選

19、取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)；（4）機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本機(jī)械手采用可編程序控制器（plc）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取plc型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出plc程序。2 制定設(shè)計(jì)方案對(duì)于搬運(yùn)物體類的機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放并且能搬運(yùn)物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性

20、，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用拾取軸類零件的機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可以用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手是對(duì)軸類零件的搬運(yùn)，因此它需具有升降、回轉(zhuǎn)的自由度。圖1機(jī)械手運(yùn)動(dòng)示意圖2.2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案在普通的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，機(jī)械的驅(qū)動(dòng)一般有氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電機(jī)傳動(dòng)等。油壓執(zhí)行器具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：（1）構(gòu)造簡單，可靠性高。（2）體積小，可獲得部較高的推力

21、和轉(zhuǎn)矩。（3）比較易控制。缺點(diǎn)有：（1）漏油污染。（2）噪聲。（3）低速不穩(wěn)定。（4）必須對(duì)工作油的清潔度進(jìn)行管理。氣壓執(zhí)行器由于空氣構(gòu)成的工作流體具有壓縮性，所以在負(fù)荷作用下速度容易變動(dòng)難以確定精確位置。但不會(huì)發(fā)生漏油那樣環(huán)境也不必?fù)?dān)心火災(zāi)發(fā)生，另外，由于空氣黏性小，易安裝管道，維護(hù)簡單，且空氣是慣性小的壓縮性流體。當(dāng)迅速的使其流動(dòng)停止時(shí)不會(huì)造成壓力波動(dòng)，因此比較安全，不必安裝過負(fù)荷防止裝置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)制角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的脈沖數(shù)及頻

22、率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，電動(dòng)機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)交、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)積累誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累計(jì)誤差變?yōu)椤傲恪保虼瞬粫?huì)長期積累；（3）控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被

23、廣泛的應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。作為搬運(yùn)機(jī)械手，它需要在抓取工件的過程中精確的定位，在搬運(yùn)到另一個(gè)地方是也必須準(zhǔn)確，因此機(jī)械手手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來控制，這樣可以避免了用氣壓傳動(dòng)帶來的不準(zhǔn)確性或用液壓傳動(dòng)帶來的漏油而導(dǎo)致環(huán)境污染問題。對(duì)于手部的抓取，可以用氣壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。手臂的提升這幾種傳動(dòng)的方法都可以，但為了避免漏油帶來的污染，液壓傳動(dòng)的方法暫不做考慮，而用氣壓傳動(dòng)則不能很好的控制其提升高度的精確性，因此選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（手抓）和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜契杠桿

24、式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等等。夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手指式；按手指夾持工件的部位又可以分為內(nèi)卡式（或內(nèi)漲式）和外夾持式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可以分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。幾種機(jī)械手指夾持設(shè)計(jì)方案如

25、下圖2所示圖2 機(jī)械手的夾持方案對(duì)于圖2中幾種夾持方案的評(píng)價(jià)：由于本課題手部夾持的動(dòng)力源選用的是氣壓傳動(dòng)，利用氣壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持，而方案（7）是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持。顯然（7）方案不適合。其中方案（6）是對(duì)重軸類零件的夾持機(jī)構(gòu)，而本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要夾持的工件重量小于等于50公斤，沒有必要使用此種夾持方案。由于設(shè)計(jì)的是利用氣壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持，因此方案（5）比較適合，它能承受氣缸的伸縮帶來的一定的沖擊，但是此方案對(duì)工件夾持的范圍過小，因此將其作為備選而不做第一選擇。同樣對(duì)于方案（1）（2）（3）（4）（9）雖然可以實(shí)現(xiàn)夾持的工件范圍比較大，但是卻需要?dú)飧椎拇?/p>

26、范圍的伸縮才能實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)使整個(gè)機(jī)械手的體積變大，而所需設(shè)計(jì)的機(jī)械手是用于生產(chǎn)線，這就要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較緊湊。因此選用方案8最為合適，并且為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)更好的夾持，采用雙夾持的結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)獨(dú)立的氣缸來控制，以便更好的適應(yīng)軸的各種形狀如光軸、階梯軸等等。2.4手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2.5手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案按照抓取搬運(yùn)工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的

27、，手臂的各種運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。2.6機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)方案考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器（plc）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變plc程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7機(jī)械手的主要參數(shù)2.7.1主要參數(shù) 機(jī)械手的最大抓取重量是其規(guī)格的主參數(shù)，該機(jī)械手主參數(shù)定為50公斤。2.7.2基本參數(shù) 運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂及手腕的回轉(zhuǎn)速度和手臂的提升速度。該機(jī)械手手臂提升的平均速度設(shè)計(jì)為0.01m /s，平均回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。機(jī)械手動(dòng)

28、作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的工作半徑約為1500mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為。手臂升降行程定為1500mm定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。2.7.3機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表（1）用途：拾取軸類零件的機(jī)械手。（2）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：抓重：50公斤；自由度：3個(gè)自由度；坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)；最大工作半徑：；手

29、臂最大中心高：手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：升降行程 ；升降速度 ；回轉(zhuǎn)范圍 ；回轉(zhuǎn)速度 ；手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 ；回轉(zhuǎn)速度 ；手指夾持范圍 ；定位方式 機(jī)械擋塊；定位精度 ；驅(qū)動(dòng)方式手指部分：氣壓傳動(dòng)；手腕及手臂等部分：均用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；控制方式采用plc的點(diǎn)位程序控制。機(jī)械手使用壽命：50000小時(shí)。3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題（1）具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。（2）手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或

30、脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。（3）保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“v”形面的手指，以便自動(dòng)定心。（4）具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。（5）考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由

31、于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成v型，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.2手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)3.2.1手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算根據(jù)以上提出的問題及參數(shù)對(duì)手部的各零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部示意結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。圖3 齒輪齒條式手部由于夾持的工件重量小于等于50公斤。根據(jù)以上給出的所夾持工件的直徑范圍為。但又因?yàn)椴捎玫氖怯脙蓚€(gè)獨(dú)立氣缸的雙夾持機(jī)構(gòu)則每個(gè)機(jī)械手夾持的重量為25公斤。對(duì)于相同重量的工件軸徑越大其所需夾持的力也越大。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，且假定夾持的工件時(shí)手指的夾持點(diǎn)與軸心線的連線和水平線的夾角為。根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為： （31）其中：驅(qū)動(dòng)力夾緊力手指軸心到工件軸心的垂直方向的距

32、離（如圖3所示）齒輪半徑初步假設(shè)手指軸心到工件軸心的距離為，取，手指軸心到齒條中心的距離為。則 （32）根據(jù)手指夾持工件的方位，根據(jù)力學(xué)的受力分析可得握力計(jì)算公式： （33）由此根據(jù)（31）可得驅(qū)動(dòng)力：實(shí)際驅(qū)動(dòng)力： （34）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取安全系數(shù)為。故由（34）得，實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為因此，夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為2260.3n。由于機(jī)械手的能夾持的最大的直徑為，而夾持后的，故直齒的長度為略大于，因此初步選取氣缸伸長長度為60mm。3.2.2氣缸的選擇根據(jù)以上得出的驅(qū)動(dòng)力查詢手冊(cè)選取氣壓缸，其型號(hào)為：lga 3250 g-fa-y-fc；得主要技術(shù)參數(shù)如下表1：表1選取

33、氣缸的相關(guān)數(shù)據(jù)缸徑/行程/工作壓力范圍/耐壓力/使用速度范圍使用溫度范圍/工作介質(zhì)給油32600.0490.981.475070-2580空氣、干燥空氣無3.2.3電磁換向閥的選擇為了實(shí)現(xiàn)用plc對(duì)氣壓缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，則需要一個(gè)電磁換向閥對(duì)輸入氣壓缸的氣體進(jìn)出方向進(jìn)行控制。根據(jù)上述的氣壓缸的工作壓強(qiáng)，采用系列的雙電控兩位五通的電磁換向閥。此電磁換向閥的型號(hào)為：xq 25 08 41220v/50hz其主要的技術(shù)參數(shù)如下表2：表2電磁換向閥主要技術(shù)參數(shù)通徑接口螺紋工作壓力/切換時(shí)間工作電壓消耗功率環(huán)境溫度耐久性0.151.015220v/50hz6v.a550400萬次3.2.4齒輪齒

34、條的設(shè)計(jì)計(jì)算事實(shí)上在齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)中，真正進(jìn)行嚙合傳動(dòng)的只是齒輪的一部分，即可以看成是扇形齒輪，但在下面的計(jì)算過程中，為了計(jì)算的方便將其看作整個(gè)齒輪來做。3.2.4.1選定齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)（1）安圖1所式的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪齒條傳動(dòng)。（2）用7級(jí)精度。（3）材料選擇。由12表10-1選擇齒輪齒條材料為40cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280hbs。（4）初步選取齒輪的齒數(shù)為30齒。3.2.4.2安齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由12設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即 （35）（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值試選載荷系數(shù)；計(jì)算齒輪傳遞的力矩； （36）由12表10-7選取齒寬系數(shù)；由12表1

35、0-6查得材料的彈性影響系數(shù)；由12圖10-21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限。由12式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由氣缸的使用速度范圍，取氣缸的速度為，根據(jù)以上的假設(shè)，可以得到齒輪的轉(zhuǎn)速為： （37）而且使用壽命為，由此可以得出應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： （38）由12圖10-19查得解除疲勞壽命系數(shù)；計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1，由12式（10-12）得 （39） （310）（2）計(jì)算試算齒輪分度圓直徑，根據(jù)（35）式代入中較小的值圓整取圓周速度由氣缸的使用速度范圍，取氣缸的速度為。計(jì)算齒寬 （311）計(jì)算齒寬于齒高之比模數(shù) （312）齒高 （3

36、13）齒寬于齒高之比 計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)，級(jí)精度，由12圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)直齒輪，假設(shè)。由12表10-3查得；由12表10-2查得使用系數(shù)由12表10-4查得7級(jí)精度、齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí)， （314）將數(shù)據(jù)代入后得由，查12圖10-13得；故載荷系數(shù) （315）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由12式（10-10a）得 （316）由式（312）計(jì)算模數(shù)m3.2.4.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算由12式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 （317）（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值由12圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；由12圖10-18查得齒輪的彎曲疲勞壽命

37、系數(shù)；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)；計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，由12式（10-12）得齒輪： （318）齒條： （319）計(jì)算載荷系數(shù) （320）查取齒形系數(shù)由12表10-5查得齒輪的齒形系數(shù)；齒條的齒形系數(shù)；查取應(yīng)力校正系數(shù)由12表10-5可查得齒輪的應(yīng)力校正系數(shù)；齒條的應(yīng)力校正系數(shù)；計(jì)算齒輪、齒條的并加以比較齒輪：齒條：（2）根據(jù)（317）設(shè)計(jì)計(jì)算得對(duì)比計(jì)算結(jié)果由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得

38、的模數(shù)2.03mm圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2.5mm。由此可以得出齒數(shù)為： （321）取35個(gè)齒。3.2.4.4幾何尺寸計(jì)算（1）中心距：由假設(shè)可知中心距 （2）計(jì)算分度圓直徑齒輪：齒條：根據(jù)中心距可知，齒條中心到分度圓的距離為（3）計(jì)算齒輪寬度由式（311）得（4）齒高由式（313）得3.2.4.5驗(yàn)算 （322）結(jié)果合適。3.2.4.6齒條的齒數(shù)由于氣缸的伸長為，則齒數(shù)為： （323）取齒條的齒數(shù)為7個(gè)齒。3.2.5軸承的選用（1）受力分析根據(jù)機(jī)械手手指的受力情況可知：軸承盡受徑向力而不受軸向力，由此可以只考慮只受徑向力的軸承。為了使軸擁有更好的支撐能力即由于軸承選擇的不同，可影響到軸徑的大小?？紤]到

39、這個(gè)問題，可選用軸承相對(duì)較薄的滾針軸承。根據(jù)機(jī)械手手指傳動(dòng)方式（如圖1），可以得出軸承的受力情況：（2）初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷p，根據(jù)12式（13-8a） （324）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4滾針軸承取 ；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4對(duì)于滾針軸承 由此可得當(dāng)量動(dòng)載荷p：（3）根據(jù)12式（13-6），求軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷值 （325）（4）按照軸承樣本或設(shè)計(jì)手冊(cè)4選擇的na6906軸承。此軸承的基本額定靜載荷。（5）壽命的計(jì)算 （326）所以所選用的軸承合適。3.2.6軸的設(shè)計(jì)計(jì)算由圖4可以看出，此軸是非轉(zhuǎn)動(dòng)軸，根據(jù)其用途和安裝位置，可以看出其軸盡受到徑向力，不受軸向力，扭轉(zhuǎn)力矩等一些其它的力。因此為了能安全使

40、用，只需找到軸的應(yīng)力最大處，看它是否滿足，若滿足則說明設(shè)計(jì)的軸可以使用反之則說明不能使用需要重新設(shè)計(jì)。（1）初步確定軸的最小直徑選取軸的材料45鋼調(diào)質(zhì)處理，軸的最小軸徑顯然是在安裝軸承處軸（如圖4）為了使所選的軸的直徑與軸承的孔徑相適應(yīng)根據(jù)以上所選的軸承，選取安裝軸承處的軸徑為。圖4 軸的裝配方案（2）軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)擬訂軸上的裝配方案，如圖4所示；根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；段：根據(jù)選取的軸承長度為安裝手指的寬度為又由于在軸承的頂端有擋圈及在套筒的端部有一個(gè)卡環(huán)，因此選用的長度需大于初步選取。段：2-3段的設(shè)計(jì)是為了夾持工件的穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的，否則用單獨(dú)的一對(duì)手指來搬運(yùn)工件時(shí)雖然可以實(shí)

41、現(xiàn)但此相當(dāng)不穩(wěn)定，會(huì)造成擺動(dòng)，是整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)不穩(wěn)定。故間的跨距大一些對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定有益，但也不能過大，否則過大使，對(duì)短粗的工件不能夾持。因此初步選擇。段：由于與段是對(duì)稱的關(guān)系，故選取。確定軸上的倒角尺寸軸各處的倒角均取為：。（3）求軸上的載荷如圖3所示，可以看出軸上所受的力為齒輪齒條傳動(dòng)中產(chǎn)生的力即齒輪所受的徑向力，周向力。首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖（圖4）作出軸的計(jì)算簡圖（圖5）。其受力情況如圖5所示：圖5 軸的計(jì)算簡圖根據(jù)軸的計(jì)算簡圖得出：水平方向的支反力：由于齒輪受到的周向力為：則可知齒輪所受到的徑向力為：由此可得：垂直方向的支反力：由于；則可得：從而可以計(jì)算出支反力為：根據(jù)軸的受力簡圖，做出彎矩

42、圖，計(jì)算彎矩水平方向的彎矩圖如圖6所示：圖6 水平方向的彎矩圖水平方向的彎矩為：垂直方向的彎矩圖如圖7 所示：垂直方向的彎矩為：則合成的總彎矩為：圖7 垂直方向的彎矩圖彎應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度由軸的軸徑的大小可得： （327） （328）前面已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由12表15-1查得，因此。故，安全使用。3.2.7手部螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算固定氣缸用的螺栓根據(jù)氣缸上的用來固定的孔大小選用標(biāo)準(zhǔn)件。校核：由氣缸的固定方式可以看出氣缸上的螺栓僅受軸向的拉力。因此， （329）由12表5-4可以查得45鋼的螺紋連接件的疲勞極限為：250340mpa。故，選用的螺釘適用。3.2.8墊圈的選用如圖4所示在與

43、滾針軸承接觸的套筒是套在軸承上的，但又靠在手指上而手指與軸是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，考慮到套筒與手指間會(huì)有摩擦，故為了減少這種摩擦造成的磨損，在套筒上增加一個(gè)耐磨的墊圈，根據(jù)各種耐摩擦的材料的特性，加油的方式等各種因素，選擇粉末冶金做成的墊圈，其材料呈多孔海綿狀，在溫度的油中浸漬后，潤滑油貯存在軸承中材料的孔隙中。工作時(shí)，由于抽吸作用和摩擦生熱后油膨脹作用，潤滑油自動(dòng)分泌出來進(jìn)行潤滑。不工作時(shí)，油又冷卻而被吸回內(nèi)部。該種軸承可在長期工作中無須添加潤滑劑，維護(hù)十分簡單，但是由于材料質(zhì)地疏松而耐壓強(qiáng)度較低。適用于低速、輕栽。故對(duì)于此處的墊圈用此材料十分適合。4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生產(chǎn)線上由于不同種類的工件放置的方

44、式有所不同，因此為了能更好的能適應(yīng)，手腕部分采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來控制要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。被控對(duì)象由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)和被控對(duì)象的需要相匹配，如冗余量大、易使執(zhí)行元件價(jià)格貴，使機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場(chǎng)競爭力下降；在使用時(shí)，冗余部分用戶用不上，易造成浪費(fèi)。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達(dá)不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對(duì)象的需要相應(yīng)的執(zhí)行元件。4.1執(zhí)行元件的選擇4.1.1系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配（1）求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為： （41）設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為： （42）由于，故 （43）用工程上常用單位時(shí)，可將上式改寫為： （44）式中

45、：執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速（r/min）。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與軸及工件的轉(zhuǎn)速是項(xiàng)等的，故由式（43）計(jì)算后得機(jī)械手抓重后其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間內(nèi)克服負(fù)載所作的功的總和為： （45）同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角為： （46）則執(zhí)行元件所作的功為： （47）由于，故 （48）采用工程上常用單位時(shí)，可將上式改寫為： （49）同理，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與軸及工件的轉(zhuǎn)速是項(xiàng)等的，且機(jī)械手抓重后其所受到的負(fù)載為軸承的摩擦力，故經(jīng)計(jì)算后得等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：（3）設(shè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效慣性轉(zhuǎn)矩為，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （410）考慮到機(jī)械的總的傳動(dòng)效率時(shí)，則

46、因?yàn)檩S所承受的等效慣性轉(zhuǎn)矩為： （411）所以根據(jù)的出的轉(zhuǎn)矩，初步選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為：110bf004反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其最大的轉(zhuǎn)矩為。當(dāng)采用三相六拍的通電方式，為保證帶負(fù)載能正常起動(dòng)和定位停止，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足下列要求：查表3.7可知，。因?yàn)?，故可選用。4.1.2系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率從上述可知，在計(jì)算等效負(fù)載力矩和等效負(fù)載慣量時(shí)，需要知道電動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，常先進(jìn)行預(yù)選，然后再進(jìn)行必要的驗(yàn)算。預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率（單位w）可由下式確定 （412）式中：電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（r/min）; 電動(dòng)機(jī)的最高加速度（rad/s） 考慮電動(dòng)機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般取，對(duì)于小功率伺

47、服系統(tǒng)可達(dá)2.5。根據(jù)以上結(jié)果帶入公式可得：4.2軸的設(shè)計(jì)根據(jù)這軸的用途，可知此軸為傳動(dòng)軸，其受到的力為拉應(yīng)力和扭矩。4.2.1初步確定軸的最小直徑選取軸的材料45鋼調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)12表15-3，取，此轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑。取聯(lián)軸器處的直徑為。4.2.2軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（1）擬訂軸上的裝配方案，如圖8所示；（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；段：由于段是與聯(lián)軸器相連接，因此由上一步可知。其中由于此軸是傳動(dòng)軸，故在段上開一個(gè)銷軸孔，利用銷軸來傳遞。令，從銷軸空中心到2的距離為20mm。段：此段是用來使段與安裝軸承段的3-4段過渡段，因此設(shè)計(jì)為，其長度的設(shè)計(jì)是為了手腕轉(zhuǎn)

48、動(dòng)的方便，因?yàn)榇硕翁虝?huì)使手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)碰到氣缸，故此段的長度必須大于氣缸的長度，取。段：此段用于安裝軸承，初步選擇軸承。因軸承僅受到軸向力，故選用推力軸承。參照工作要求并根據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取基本游隙、標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的軸承51405。4-5段：此段為軸肩有手冊(cè)上查得51405軸肩處的直徑為47mm。因此，取。5-6段：此段為過渡段。取。6-7段：此段與段相似均用于與聯(lián)軸器相連接，但此段是用鍵來連接傳遞運(yùn)動(dòng)，故取。4.3軸承的選用（1）受力分析當(dāng)機(jī)械手的抓取重物后，其軸承僅受到軸向力。軸向力為：（2）初步選擇軸承51405當(dāng)量動(dòng)載荷p為：當(dāng)量靜載荷為：因?yàn)?，故：，則： （412）由機(jī)械手冊(cè)4

49、可查得；故；因此當(dāng)量靜載荷符合要求。則由式（325）可得軸承應(yīng)有的基本額定動(dòng)載荷值：根據(jù)機(jī)械手冊(cè)4可查得；故；因此當(dāng)量動(dòng)載荷符合要求。（3）.壽命的計(jì)算由式（326）可得所以所選用的軸承合適。4.4銷、螺栓的選用銷的選用手部手腕的連接是通過半聯(lián)軸器聯(lián)接起來的。其中，手腕用銷釘與半聯(lián)軸器聯(lián)接，而手部是用螺栓與半聯(lián)軸器聯(lián)接。如下圖8所示：圖9手部手腕的連接根據(jù)手腕軸的直徑，初步選取銷軸：gb882-86 銷軸的校核，由圖9可以知道此銷軸受到的力為徑向的剪應(yīng)力，因?yàn)槭植孔ブ刈畲鬄?0公斤，加上手部的重量，其總的受力為。則銷軸受到的剪應(yīng)力為： （412）根據(jù)12表15-1可知：故此銷軸合適。螺栓的選用如圖9可知，此半聯(lián)軸器上的螺栓僅受到軸向的拉力，因此，由式（329）可得由12表5-4可以查得45鋼的螺紋連接件的疲勞極限為：250340mpa。故，選用的螺釘適用。5手臂升降運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)5.1滾珠絲杠的選擇手臂的提升、下降通過螺旋傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。主要是利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而