圓柱坐標(biāo)型三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)及其控制（含全套CAD圖紙）

1、圓柱坐標(biāo)型三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)及其控制 41摘 要 本設(shè)計(jì)中機(jī)械手可模仿人的動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求設(shè)計(jì)為夾持型。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體

2、，需有3個(gè)自由度。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，設(shè)計(jì)，手部，手腕，手臂，機(jī)身，結(jié)構(gòu)abstractrobot arm to mimic certain actions of staff and functions, to capture a fixed procedure, carrying objects or operating tools, automation equipment. it can replace human labor in order to achieve the heavy mechanization and automation of production, can opera

3、te in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power sectors.manipulator mainly by hand, sports bodies and the control system has three major components. task of hand is holding the workpiece

4、of the components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of the various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. . sports organizations to accomplish a variety of hand rotation, move, or complex movement to

5、 achieve the required action to change the location of objects by grasping and posture. sports organizations lifting, stretching and rotating the independence movement, is known as freedom manipulator. crawl space to an arbitrary position and orientation of objects, the need for six degrees of freed

6、om. freedom is the mechanical design of the key parameters of hand. more freedom, greater flexibility of the manipulator, the more wide versatility。keywords: manipulator, design, hand, wrist, arm, body, structure目 錄1緒論11.1 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量11.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械手區(qū)域市場(chǎng)分析12 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2 2.1 機(jī)械手組成2 2.2 機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)33 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)計(jì)算4 3.1 手

7、部設(shè)計(jì)基本要求4 3.2 手部手部力學(xué)分析5 3.3 夾緊力與驅(qū)動(dòng)力計(jì)算5 3.4 手爪夾持范圍計(jì)算7 3.5 手爪夾持精度的計(jì)算8 4 珠絲杠螺母副的選型104.1 提升機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型104.2 伸縮機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型135 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算17 5.1 面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)17 5.2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計(jì)18 5.3 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核19 5.4 精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定206 電機(jī)的計(jì)算和選型216.1 提升步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型216.2 伸縮步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型256.3 蝸輪蝸桿電機(jī)的計(jì)算及選型288 機(jī)械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)317.

8、1 接近開(kāi)關(guān)的工作原理及選型317.2 限位開(kāi)關(guān)的工作原理及選型317.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計(jì)方案317.4 plc的選型及plc外部接線圖設(shè)計(jì)327.5 plc控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)34結(jié) 論35參考文獻(xiàn)36致謝37附件381 緒論1.1 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總量 我國(guó)，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機(jī)械手主要的使用領(lǐng)域。但我國(guó)在工業(yè)機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷量在100臺(tái)以上、產(chǎn)值過(guò)5000萬(wàn)元的規(guī)模企業(yè)非常少，國(guó)外大型公司年產(chǎn)量都達(dá)5000到10000臺(tái)，銷售額為數(shù)十億美元。工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用前景極為廣闊。 目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手的保有量在4000臺(tái)左右，并將以每年8001000臺(tái)左右的速度快速增長(zhǎng)。2005年底，我國(guó)工業(yè)機(jī)

9、械手實(shí)際安裝量為11557臺(tái)，比2004年底安裝量的7096臺(tái)，增長(zhǎng)了63%。增長(zhǎng)慢于2004年。2006年底，我國(guó)工業(yè)機(jī)械手實(shí)際安裝量為17327臺(tái)，增長(zhǎng)47%。2007年底，實(shí)際安裝量為23900臺(tái)，增長(zhǎng)31%，平均增長(zhǎng)45%以上。1.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械手區(qū)域市場(chǎng)分析雖然目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)還主要依靠進(jìn)口，高科技的技術(shù)主要還掌握在國(guó)際龍頭廠商手里。我國(guó)本土企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場(chǎng)，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭(zhēng)奪市場(chǎng)時(shí)主要還是采取價(jià)格戰(zhàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，日臻成熟，會(huì)有更多的廠商加入此行業(yè)。我國(guó)目前比較大的生產(chǎn)企業(yè)有上海abb工程有限公司、沈陽(yáng)新

10、松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司、柯馬（上海）汽車設(shè)備有限公司、青島歐地希機(jī)電(青島)有限公司等。2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)(1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單），手部多為二指（也由多指），根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種，也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。（2）手臂 是支撐被抓物體手部、腕部的重要部件，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)，它的主要作用是帶動(dòng)手指去抓取工件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定的位置，一般手臂需要三個(gè)給定自由度才能滿足要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升

11、降運(yùn)動(dòng)。2.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，根據(jù)動(dòng)力源的不同大致可分為氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)和機(jī)械式四種。采用液壓機(jī)構(gòu)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，臂力大，尺寸緊湊，控制方便。2.1.3 控制機(jī)構(gòu) 在機(jī)械手控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種，大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，也有用plc進(jìn)行控制，主要控制的是坐標(biāo)位置。2.2機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)抓重：2kg自由度：3個(gè) 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)式輸入電壓：220v或24v 功率：50w伸縮行程（x）： 200mm伸縮速度： 3mm/s升降行程（z）： 200mm升降速度： 3mm/s回轉(zhuǎn)范圍： 0-270度回轉(zhuǎn)速度： 位置檢測(cè)： 用電位器反饋式驅(qū)動(dòng)方式

12、： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式： 可編程控制3 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，以便于抓取工件。在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2 手部力學(xué)分析通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開(kāi)式夾緊裝置，它在彈簧的作用下手抓閉合，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而手爪張開(kāi)。下面對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為，并通過(guò)銷軸中心點(diǎn)，兩手指的滑槽對(duì)銷軸的反作用

13、力為和，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長(zhǎng)線于和。 由 得 （3-1） 得 （3-1） 由 得 （3-3）又因?yàn)?（3-4）所以 （3-5）手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（mm）工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角 1手指 2銷軸 3杠桿 圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)原理圖由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好。3.3 夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向與作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生動(dòng)

14、的載荷，以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： (3-6) 安全系數(shù)，通常； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按,其中是重力方向的最大上升加速度，是重力加速度，。 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度； 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取； 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； 被抓取工件所受重力；表3-1 驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系圖作用在活塞上外力f(n)液壓缸工作壓力mpa作用在活塞上外力f(n)液壓缸工作壓力mpa500005.08.0 設(shè),機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為，求夾緊力，驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。（1）設(shè) 設(shè) 因此 所以 設(shè) 根據(jù)以上公式得： （2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公

15、式得： 由于實(shí)際所采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于計(jì)算，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取。（3）取 即 （4）確定液壓缸的直徑 因?yàn)?（3-7）選取活塞桿直徑，選擇液壓缸工作壓力。 所以 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（jb826-66），選取液壓缸的內(nèi)徑為：則活塞桿直徑為：。所以手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)見(jiàn)表3-2。表3-2手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)液壓缸內(nèi)徑d活塞桿直徑 d工作壓力p驅(qū)動(dòng)力f20mm10mm0.8mpa57n3.4 手爪夾持范圍計(jì)算材料密度灰口鑄鐵6.60-7.40可鍛鑄鐵 7.20-7.40 黃銅 8.80 工業(yè)純鐵 7.87普通碳素鋼7.85鉛 11.40 設(shè)夾持物體取高度為10cm的圓柱體。根據(jù)公

16、式 （3-8)算出夾持物體的半徑的最小值為2.4cm,最大值為3.1cm。為了保證手爪張開(kāi)角為,設(shè)手爪長(zhǎng)為，當(dāng)手爪沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑,當(dāng)張開(kāi)角為時(shí),根據(jù)雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的誤差分析，取最大夾持半徑。所以機(jī)械手的夾持半徑為。3.5 手爪夾持精度計(jì)算機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也與機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)，特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)的變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差

17、分析。圖3-2 手爪夾持誤差分析示意圖以棒料（高度為10cm）來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持半徑為，一般夾持誤差不超過(guò),分析如下：工件的平均半徑： 手爪長(zhǎng)， 取v型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： （3-9）計(jì)算得 式中 理論平均半徑 因?yàn)?（3-10） 夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。4 滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算4.1 提升機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型4.1.1 計(jì)算提升力作用在絲杠上的提升率引力主要包括工作在上升時(shí)移動(dòng)件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。fm（n）計(jì)算公式如下：矩形導(dǎo)軌： （4-1）式中重力在各方向上的分力； 水平工作臺(tái)重力；考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)

18、系數(shù)在正常情況下，可取以下數(shù)值：矩形導(dǎo)軌 上列摩擦系數(shù)均是指滑動(dòng)導(dǎo)軌。機(jī)械手的最大抓取重量為2，機(jī)械手伸縮機(jī)構(gòu)總重量，水平機(jī)構(gòu)工作臺(tái)重量，提升機(jī)構(gòu)重量。顯然在最底點(diǎn)上升時(shí)絲杠受力最大，此時(shí) （4-3） （4-3） （4-4）此設(shè)計(jì)中選用矩形導(dǎo)軌 =4.1.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載c，可用下式計(jì)算： （4-5）式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個(gè)單位，絲杠轉(zhuǎn)速，用下式計(jì)算 （4-6） 為最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度；絲杠的導(dǎo)程，； 使用壽命，一般；運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見(jiàn)表4-

19、1。 表4-1運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.01.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.21.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.52.5該設(shè)計(jì)的最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度為3mm/s，絲杠導(dǎo)程初選，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)=1.2， (4-7) (4-8) (4-9)4.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 查表可采用 1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為8800n，可滿足要求，選定精度等級(jí)為3級(jí)。4.1.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： ( 4-10)式中絲杠螺旋長(zhǎng)升角；摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 = (4-11)4.1.5 剛度驗(yàn)算先畫出提升機(jī)構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖4-1。最大牽引

20、力為570.76n，支承間距為300mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。圖4-1提升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖4.1.6 絲杠拉伸或壓縮變形量根據(jù)， 查出，可算出： (4-11)由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量（）為： (4-12)4.1.7 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形查表得，系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量： 因進(jìn)行了預(yù)緊， （4-13）4.1.8 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用8102推力球軸承，滾動(dòng)體直徑 =4.763， 滾動(dòng)體數(shù)量=12， (4-14)上式中軸承所受軸向載荷 軸承滾動(dòng)體數(shù)目 軸承滾動(dòng)體直徑

21、因施加預(yù)緊力，故 根據(jù)以上計(jì)算 (4-15)小于定位精度。4.2 伸縮機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副的計(jì)算及選型4.2.1 計(jì)算伸縮引力作用在絲杠上的伸縮率引力主要包括工作在伸縮移動(dòng)件的重量及其作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。 式中為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，4.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載c，可用下式計(jì)算： 式中壽命，為轉(zhuǎn)為一個(gè)單位， 絲杠轉(zhuǎn)速，用下式計(jì)算 為最大負(fù)載條件下的進(jìn)給速度； 絲杠的導(dǎo)程，； 使用壽命，一般； 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見(jiàn)表該設(shè)計(jì)的最大負(fù)載條件下的速度為，絲杠導(dǎo)程初選

22、，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)， 4.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型可采用，1列圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為395n，可滿足要求，選定精度等級(jí)為3級(jí)。4.2.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： 式中絲杠螺旋長(zhǎng)升角；摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 =4.2.5 剛度驗(yàn)算先畫出提升機(jī)構(gòu)絲杠支承方式草圖如圖4-2所示。圖4-2伸縮機(jī)構(gòu)絲杠計(jì)算草圖最大牽引力為14.7n，支承間距為，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的。由于牽引力很小無(wú)需進(jìn)行剛度驗(yàn)算。4.3滾珠絲杠幾何參數(shù)表4-2 絲杠參數(shù) 名稱 符號(hào)螺紋滾道公稱直徑 2010導(dǎo)程54接觸角鋼球直徑（mm）3

23、175滾道法面半徑1651偏心距0045螺紋升角螺桿螺桿外徑194螺桿內(nèi)徑16788螺桿接觸直徑16835螺母螺母螺紋直徑23212螺母內(nèi)徑 206355 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇普通圓柱蝸桿的漸開(kāi)線蝸桿（zi），該蝸桿的傳遞功率不大，速度中等，故蝸桿材料用45鋼，因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45-55hrc，蝸輪用鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，為節(jié)約貴重有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵ht100制造。5.1 面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動(dòng)中心距 （5-1）5.1.1

24、確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按=1，單頭蝸桿的效率為0.7-0.75估取效率，則 （5-2）5.1.2 定載荷系數(shù)k因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)=1，選取系數(shù)=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)=1.05，則： （5-3）5.1.3確定彈性影響系數(shù)因選取的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=5.1.4 確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距的比值，查得=2.95.1.5 確定接觸應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋面齒面硬度45hrc，查得蝸輪的基本許用應(yīng)力=268假設(shè)壽命=10000h，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： (5-4)壽命系數(shù)： （5-5）則：

25、 （5-6）5.1.6計(jì)算中心距a = （5-7）取，因，故取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑=這時(shí)，（滿足假設(shè)）5.2 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計(jì)表 5-1蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算過(guò)程結(jié)果蝸桿軸向齒距=直徑系數(shù)分度圓導(dǎo)程角齒頂圓直徑齒根圓直徑蝸桿軸向齒厚蝸桿齒數(shù)蝸輪變位系數(shù)蝸輪齒數(shù)蝸輪分度圓直徑蝸輪喉圓直徑蝸輪齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑蝸輪齒寬5.3 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 （5-8）當(dāng)量齒數(shù)： （5-9）據(jù)，查得齒形系數(shù)=2.72螺旋角系數(shù) ： （5-10）許用彎曲應(yīng)力查手冊(cè)得zcusn10p1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力壽命系數(shù)： （5-11） （5-12） （5-13），

26、所以彎曲強(qiáng)度是滿足的。5.4精度等級(jí)公差和表面粗糙度的確定考慮到所設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)屬于動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速器，從gb/t 10089 1988圓柱蝸桿、蝸輪精度中選擇8級(jí)精度，側(cè)隙種類為f，標(biāo)注為8f。然后由有關(guān)手冊(cè)查得要求的公差項(xiàng)目及表面粗糙度，在零件圖中標(biāo)出。6 電機(jī)的計(jì)算和選型6.1 提升步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型6.1.1 提升機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型（1） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式進(jìn)行計(jì)算： (6-1)式中 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (6-2) 代入上式： = 考慮步進(jìn)電機(jī)與

27、傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題。 滿足慣量匹配的要求。6.1.2 電機(jī)力矩的計(jì)算機(jī)械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不同，下面分別按各階段進(jìn)行計(jì)算。（1） 快速空載起動(dòng)力矩。在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： （6-3） （6-4） （6-5）上式中傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)最大角加速度 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 脈沖當(dāng)量（） 步進(jìn)電機(jī)步距角 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間 起動(dòng)加速時(shí)間 (6-6)摩擦力矩 (6-7）上式中導(dǎo)軌的摩擦力 （6-8） 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 運(yùn)動(dòng)部件總重量 齒輪降速比，按 計(jì)算 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 （6-9）折算到電機(jī)

28、上的摩擦力矩 =0.84n/cm （6-10） 附加摩擦力矩 （6-11）式中滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取，為進(jìn)給率引力 滾珠絲杠導(dǎo)程 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 (6-12) 折算到電機(jī)軸上的軸向負(fù)載力矩 (6-13）式中進(jìn)給方向的最大抗力 （6-14) 上述三項(xiàng)合計(jì)： (2) 快速起動(dòng)所需力矩 (3) 最大負(fù)載所需力矩 從上面計(jì)算可以看出，三鐘工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí) (6-15)最大靜力矩=按此靜力矩查出，45bf003最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號(hào)。6.2 伸縮機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型6.2.1

29、 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式進(jìn)行計(jì)算： 式中 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 參考數(shù)控機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 代入上式： =考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題。 滿足慣量匹配的要求。6.2.2 電機(jī)力矩的計(jì)算機(jī)械手在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不同，下面分別按各階段進(jìn)行計(jì)算。(1)快速空載起動(dòng)力矩。在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 上式中傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)最大角加速度 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 脈沖當(dāng)量（） 步進(jìn)電機(jī)步距角 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)

30、加速到最大速度所需時(shí)間 起動(dòng)加速時(shí)間 =10.38n/cm(2)摩擦力矩 上式中導(dǎo)軌的摩擦力 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 運(yùn)動(dòng)部件總重量 齒輪降速比，按 計(jì)算 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 折算到電機(jī)上的摩擦力矩 (3)附加摩擦力矩 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取，為進(jìn)給率引力 滾珠絲杠導(dǎo)程 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 折算到電機(jī)軸上的軸向負(fù)載力矩 =0.35上述三項(xiàng)合計(jì)： (1) (2) 快速起動(dòng)所需力矩 (3) 最大負(fù)載所需力矩 從上面計(jì)算可以看出，三鐘工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí) 最大靜力矩=按此靜力矩從表查出，最大靜轉(zhuǎn)距為，大于所需最大靜

31、轉(zhuǎn)矩，可作為選定型號(hào)。6.3 蝸輪蝸桿電機(jī)的計(jì)算及選型6.3.1 電機(jī)的計(jì)算及選型 根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速，選擇額定轉(zhuǎn)速為910r/min的電作為動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)功率為： （6-16） 式中：ni =4r/min，效率蝸桿傳動(dòng)部分為0.75，聯(lián)軸器為0.992，由此可得。選擇電機(jī)型號(hào)和參數(shù)見(jiàn)表6-1。表 6.1型號(hào)額定功率/kw滿載轉(zhuǎn)速/（r/min）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量/kgy-90-s61.19602.02.023 電機(jī)軸直徑為。其他參數(shù)為：電流7.23a，效率0.83，功率因數(shù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。6.3.2 聯(lián)軸器的計(jì)算及選型 為了隔離振動(dòng)和沖擊，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。公稱轉(zhuǎn)矩 （6-17）由手冊(cè)查得

32、,故得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 （6-18)(1）型號(hào)選擇從gb4323-84中查得tl5型彈性套柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為125n.m，許用最大轉(zhuǎn)速為4600r/min，軸徑為25-35mm，考慮到聯(lián)軸器聯(lián)接的電機(jī)軸為28mm，蝸桿聯(lián)接端為30mm，故適用。（聯(lián)軸器效率為0.992）。7 機(jī)械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1 接近開(kāi)關(guān)的工作原理及選型電感式接近開(kāi)關(guān)由三大部分組成：振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式

33、之檢測(cè)目的接近傳感器可以在不與目標(biāo)物實(shí)際接觸的情況下檢測(cè)靠近傳感器的金屬目標(biāo)物。根據(jù)操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。在本設(shè)計(jì)中我選用xl-ljm8短圓圓柱電感式接近開(kāi)關(guān)。7.2限位開(kāi)關(guān)的工作原理及選型行程開(kāi)關(guān)又稱限位開(kāi)關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開(kāi)關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開(kāi)關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行

34、終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。 在本設(shè)計(jì)中伸縮機(jī)構(gòu)限位開(kāi)關(guān)我們選用交叉滾輪柱塞型接近開(kāi)關(guān)，提升機(jī)構(gòu)限位開(kāi)關(guān)我們選用滾輪連桿型限位開(kāi)關(guān)。7.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和總體設(shè)計(jì)方案7.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能系統(tǒng)要求利用機(jī)械手從a點(diǎn)搬運(yùn)到b點(diǎn)。在工作過(guò)程中，機(jī)械手要在三個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)完成升降，回轉(zhuǎn)，左右平移，和手抓夾緊與放松動(dòng)作。為滿足生產(chǎn)要求，系統(tǒng)要求設(shè)置手動(dòng)與自動(dòng)（包括連續(xù)，單周期，單步，回原點(diǎn)）工作方式。7.1.2 總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)要求選用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的s-266型plc作為控制的核心方案。控制上采用模塊化結(jié)構(gòu)。主

35、要包括控制模塊，執(zhí)行模塊和檢測(cè)模塊。圖7-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.4 plc控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)7.4.1 plc選型設(shè)計(jì)根據(jù)工作流程，需21個(gè)數(shù)字輸入和16個(gè)數(shù)字輸出，交流電磁閥的控制電壓為ac 220v.為使指示燈與電磁閥狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，將其與電磁閥并聯(lián)輸出，可以減少8個(gè)輸出點(diǎn)。選用西門子s7-200小型plc系列，其中cpu選用s7-226模塊。7.4.2 s7-226型plc控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，通過(guò)設(shè)置上下，左右限位及左右會(huì)轉(zhuǎn)限位等六個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制機(jī)械手的升降，左右行，左右回轉(zhuǎn)及手抓的加緊放松的五個(gè)運(yùn)動(dòng)輸出。為滿足生產(chǎn)要求，系統(tǒng)要求設(shè)置手動(dòng)與自動(dòng)（包括連續(xù)，單周期，單步，回原點(diǎn)）

36、工作方式。控制面板如圖7-2。圖7-2系統(tǒng)控制面板在控制面板中，工作方式選擇開(kāi)關(guān)的5個(gè)位置（i2.0-i2.4)分別對(duì)應(yīng)于5種工作方式，并在控制面板下部設(shè)置了10個(gè)手動(dòng)按鈕（i1.0-i1.7，i2.5-i2.6)。其中為了保證在緊急情況下能可靠的切斷可編程程序控制器的負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器km和“緊急停車”按鈕。在可編程序控制器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)按下“負(fù)載電源”按鈕，使km線圈得電并自鎖，km的主觸點(diǎn)接通，給外部負(fù)載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況是用“緊急停車”按鈕斷開(kāi)負(fù)載電源。為滿足上述要求的s7-226型plc的i/o端口定義如表7-1。表7-1 機(jī)械手系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表名稱代號(hào)輸入名稱代號(hào)

37、輸入下限位sq1i0.1松開(kāi)sb6i1.5上限位sq2i0.2左行sb7i1.6右轉(zhuǎn)限位sq3i0.3左轉(zhuǎn)sb7i1.7左限行sq4i0.4手動(dòng)sb9i2.0右限位sq5i0.5回原點(diǎn)sb10i2.1左轉(zhuǎn)限位sq6i0.6單步sb11i2.2下降sb1i1.0單周期sb12i2.3夾緊sb2i1.1連續(xù)sb13i2.4上升sb3i1.2啟動(dòng)sb14i2.5右轉(zhuǎn)sb4i1.3停止sb15i2.6右行sb5i1.4名稱代號(hào)輸出名稱代號(hào)輸出下降km1q0.0右行km7q0.4夾緊km3q0.1松開(kāi)km4q0.5上升km2q0.2左行km8q0.6右轉(zhuǎn)km5q0.3左轉(zhuǎn)km6q0.77.5 plc控制

38、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng),單周期，單步，連續(xù)和回原點(diǎn)等多種功能，在plc的軟件設(shè)計(jì)上，我采用了模塊化的編程方法。分為手動(dòng)程序模塊，自動(dòng)程序模塊（包括單周期，單步，連續(xù)），自動(dòng)回原點(diǎn)模塊和用于手動(dòng)與自動(dòng)程序模塊相互切換的公用程序模塊四部分。并設(shè)定機(jī)械手在最上和最左且為放開(kāi)狀態(tài)是，為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)。主程序見(jiàn)附錄。公用程序模塊用于自動(dòng)程序模塊和手動(dòng)程序模塊相互轉(zhuǎn)換的處理，自動(dòng)回原點(diǎn)程序模塊的作用是為進(jìn)入連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備，手動(dòng)程序模塊是為系統(tǒng)調(diào)試而設(shè)計(jì)的，通過(guò)i1.0-i1.7對(duì)應(yīng)的8個(gè)按鈕控制機(jī)械手的升，降，左右行，左右轉(zhuǎn)及手抓的夾緊和放松等動(dòng)作。公共程序模塊見(jiàn)附錄。自動(dòng)程序的流程圖見(jiàn)

39、圖8-3圖7-3自動(dòng)程序流程圖結(jié) 論本設(shè)計(jì)的機(jī)械手有三個(gè)自由度，分別用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)，用直流電機(jī)來(lái)完成腰部的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在提升機(jī)構(gòu)中用兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)限制機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)邊界，伸縮機(jī)構(gòu)中同樣也是用兩限位開(kāi)關(guān)來(lái)限制機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)邊界，在腰部用兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)來(lái)限制正反轉(zhuǎn)的極限角度，所以plc的輸入點(diǎn)數(shù)有6個(gè)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，直流電機(jī)用個(gè)直流電機(jī)控制器控制，手抓的夾緊和張開(kāi)用一個(gè)液壓缸控制。畢業(yè)設(shè)計(jì)復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)這次設(shè)計(jì)覺(jué)得自己受益匪淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它可以讓我們進(jìn)一步鞏固和加深所學(xué)的理論知識(shí)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)把機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其他有關(guān)課程（如

40、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、工程材料等）中所獲得的理論知識(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)踐中加以綜合運(yùn)用，使理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐密切的結(jié)合起來(lái)。本次設(shè)計(jì)是我們學(xué)生首次進(jìn)行完整綜合的機(jī)械設(shè)計(jì)，它讓我樹(shù)立了正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)了我對(duì)機(jī)械電子設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力。獲得了一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)電一體話設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。參考文獻(xiàn)1吳振彪.工業(yè)機(jī)器人.武漢：華中理工大學(xué)出版社，19972郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.33王天然.機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20024白井良明日.機(jī)器人工程.北京：科學(xué)出版社，20015大熊繁日.機(jī)器人控制.北京：科學(xué)出版社，20026陸鑫盛，周洪.氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)m.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.57smc(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù).第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.108鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制，第二版m.北京：機(jī)械工業(yè)