機(jī)械手-車削中心工件裝卸機(jī)械手設(shè)計(jì)-說明書

1、摘 要隨著科技的發(fā)展，在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手廣泛被運(yùn)用，它可以節(jié)省勞動力、完成危險(xiǎn)的工作，并且能夠大大提高生產(chǎn)率。 本文通過對機(jī)械手的了解，對本課題進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括手抓、手腕、手臂、腰部及基座，并確定采用圓柱坐標(biāo)式。手抓及手腕采用氣缸，其他部分用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。此機(jī)械手運(yùn)用在加工中心，可以完成將工件從托盤運(yùn)到卡盤上的工作。機(jī)械手的控制部分由可編程序控制器完成，按照機(jī)械手的動作流程，完成相應(yīng)的接線圖和程序。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，圓柱坐標(biāo)，氣缸，步進(jìn)電機(jī)，可編程序控制器ABSTRACTWith the development of science and technology，in the mechan

2、ical manufacturing,manipulators are increasingly wide used,it can save labor force、do some dangerous works,and it can inprove the producting efficiency.This article through the understanding of manipulator,has carried on design to this topic,including hand、wrist、arm、waist and base,and determine the

3、type with cylindrical coordinates.The hand and wrist are driven by the cylinder,and the other parts use stepper motor.This manipulator can be applied to machining center,to complete the transport of the work piece from the tray to the chuck.The control section of the manipulator is completed by prog

4、rammable logic controller,according to the movement process,finish the wiring diagram and programKey word: manipulator, cylindrical coordinates, cylinder, stepper motor, programmable logic controller目 錄1 緒論-1 1.1 機(jī)械手簡介-21.2 工業(yè)機(jī)器人簡介-2 1.3 中國機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展前景-2 1.4 本章小結(jié)-3 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案-4 2.1 機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求-42.2 機(jī)械手的

5、工作原理及組成-42.3 機(jī)械手基本形式的選擇-52.4 機(jī)械手驅(qū)動的選擇-52.5 本章小結(jié)-63 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算-73.1 手部結(jié)構(gòu)-73.2 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算-73.3 本章小結(jié)-84 手腕部分設(shè)計(jì)計(jì)算-144.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求-144.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算-144.3 本章小結(jié)-185 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)-195.1 手臂的設(shè)計(jì)要求-195.2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算-195.3 手臂升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算-245.4 平衡裝置-305.5 本章小結(jié)-306 腰部和基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算-316.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-316.2 電動機(jī)的選取-316.3 本章小結(jié)-327 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)-

6、327.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖-327.2 氣壓傳動系統(tǒng)元件選型-327.3 本章小結(jié)-338 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-358.1 驅(qū)動器的選擇-358.2 可編程序控制器的選擇及分類-388.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案-398.4 本章小結(jié)-449 結(jié)論-45參考文獻(xiàn)-46致謝-471 緒論機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它

7、具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。1.1機(jī)械手的簡介1.1.1機(jī)械手的概述伴隨著機(jī)電一體化在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。因此機(jī)械手就在這樣誕生了，機(jī)械手是機(jī)械手系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。如蛇形機(jī)械手的出現(xiàn)，幫助人類完成了許多危險(xiǎn)區(qū)域的任務(wù)。機(jī)械手能模仿人手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞

8、動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的能力，改善熱、累等勞動條件。1.1.2機(jī)器人的歷史人們通常認(rèn)為的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)明人是喬治迪沃爾，在1954年創(chuàng)建了通用可編程機(jī)械手。在1956年，迪沃爾和恩格伯格創(chuàng)辦了Unimation，從此一個產(chǎn)業(yè)誕生了。恩格伯格雖然是一個工程師，但他在他在促銷宣傳上也有天賦。使用機(jī)器人一詞描述這些機(jī)械臂后來才成為市場營銷的新方法之一。經(jīng)過多年試圖通過傳統(tǒng)的工業(yè)銷售營銷渠道出售這些革命性的設(shè)備，恩格伯格帶著公司的機(jī)器人之一出現(xiàn)在約翰尼卡森的“今夜秀”節(jié)目，反應(yīng)是完全不可想象的。在幾個月內(nèi)Unim

9、ation有很多的訂單。1975年，經(jīng)過差不多20年以后，Unimation經(jīng)歷了首個盈利年度。在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)狂熱的時期，新進(jìn)入者研究Unimation開發(fā)的液壓機(jī)器人的弱點(diǎn)，并出現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)。這些配置包括全電式機(jī)器人，甚至氣動機(jī)器人。雖然液壓機(jī)器人保持著最重要的應(yīng)用，電動機(jī)器人很快的開始支配獲利的方法和輕應(yīng)用。有時人們說所有的新技術(shù)經(jīng)歷五個階段：狂野的熱情，越來越多的失望，因?yàn)閮?nèi)疚而去尋找，因?yàn)闊o知而被懲罰，促進(jìn)所有的非參與者。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速下滑到后期階段。顧客們開始取消訂單而新訂單幾乎沒有。大型的美國公司開始退出這個行業(yè)，而獨(dú)立的美國公司向蒼蠅一樣。美國的管理人員和金融機(jī)構(gòu)把機(jī)器人工

10、廠作為廢料出售，并嘗試從失敗中走出來，日本則建立了對機(jī)器人不動搖的情感。隨后的幾年，工廠開始采取靈活的，更好的適應(yīng)自動化組織結(jié)構(gòu)，同時制造工程師開始明白哪些職能適合機(jī)器人而哪些不能。通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，到1990年的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是2000億美元一年，主要由40多個強(qiáng)大的日本公司支配。Unimation被Westinghouse購買，很快打破了機(jī)器人先驅(qū)和對外出售知識產(chǎn)權(quán)。美國的金融社會得到了不可磨滅的教訓(xùn)“機(jī)器人=壞”！隨后日本在這產(chǎn)業(yè)上的成功沒有因?yàn)檫@一結(jié)論受到任何影響。1.1.3機(jī)械手的種類機(jī)械手的種類：按驅(qū)動方式可分為液壓式機(jī)械手、氣動式機(jī)械手、電驅(qū)動式機(jī)械手；按適用范圍可分為專

11、用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等；按坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)系機(jī)械手、極坐標(biāo)系機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手、多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。1.2工業(yè)機(jī)器人的簡介目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。1.3中國機(jī)械手的現(xiàn)

12、狀和發(fā)展前景國內(nèi)機(jī)械手是從日本傳過來的，1980年在日本普及，此后在日本機(jī)械手得到前所未有的發(fā)展，在后來傳到臺灣再到了大陸。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸と肆魇矢?，以及為?/p>

13、人交工傷費(fèi)帶來的挑戰(zhàn)。我國對機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見，在不久的將來，機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。1.4本章小結(jié)本章簡單的介紹了機(jī)械手的歷史、工業(yè)機(jī)器人以及中國機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，讓大家對機(jī)械手有了一個初步的了解。2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手

14、的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺給車削中心裝卸工件的機(jī)械手，能在托盤和卡盤之間搬運(yùn)，裝卸工件。工件尺寸直徑80120mm，長度60100mm，托盤位置與卡盤中心平行距離不大于2m，高度相差不大于1m，機(jī)械手能完成手動或自動的工作循環(huán)。2.2機(jī)械手的工作原理及組成機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報(bào)警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)

15、的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置。（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1）手部即與物件接觸的部件，用于抓去工件。手部通常使用夾持式和吸附式，但考慮到工件的形狀，為了能更好裝卸工件，在這里選用夾持式。夾持式手由爪子和傳力機(jī)構(gòu)所組成，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。根據(jù)工件的形狀大小，選擇平移型比較合適。傳力

16、機(jī)構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。由于滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)簡單，傳動方便，所以選用這種傳動機(jī)構(gòu)。2）手腕手腕的作用是能更準(zhǔn)確的夾取和安裝工件。3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。5）基座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。（2）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的。它由動力裝置、調(diào)

17、節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動。（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報(bào)警信號。 2.3機(jī)械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機(jī)械手按坐標(biāo)形式分為以下四種，如圖2-1所示：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；極坐標(biāo)型機(jī)械

18、手；多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。圖2-1 工業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)形式根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。2.4機(jī)械手驅(qū)動的選擇根據(jù)驅(qū)動源的不同，機(jī)械手的驅(qū)動方式有：氣動式；液壓式；電驅(qū)動式。氣動方式: 成本低,出力小,噪聲大,控制簡單。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。屬于簡單非伺服型。液壓方式: 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動力源,漏油和油性變化會影響系統(tǒng),各軸耦合較強(qiáng),成本較高。可用于易爆的環(huán)境。電驅(qū)動方式: A 步進(jìn)驅(qū)動: 功率小,開環(huán)控制,控制簡單,可能失步。B 直流驅(qū)動: 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護(hù),不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。C 交流驅(qū)動: 維護(hù)簡單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性

19、差。D 伺服驅(qū)動：快速性、起動轉(zhuǎn)矩慣量比大、調(diào)速范圍寬、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時間內(nèi)承受過載。經(jīng)過多方面因素的考慮，本課題，手抓抓放及手腕旋轉(zhuǎn)選擇氣壓傳動，其他機(jī)構(gòu)選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。2.5本章小節(jié)本章對本課題的機(jī)械手進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，對幾種工作形式、驅(qū)動形式等簡單介紹了下，并確定工作形式及驅(qū)動形式，下面將依次進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算3.1手部結(jié)構(gòu)本課題采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用滑槽杠桿式的傳力機(jī)構(gòu)。3.1.1

20、手指的結(jié)構(gòu)和分類手部通常使用夾持式和吸附式，夾持式是最常見的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(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)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，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，就成為移動型?；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。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2設(shè)計(jì)時應(yīng)

21、該注意的問題（1）要有足夠的夾緊力：在確定手指的握力時，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，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落（2）手指要有一定的開合角度：保證工件能順利的進(jìn)入和脫開。若要夾持不同直徑大小的工件，則需要按最大直徑的工件考慮。（3）保證工件能準(zhǔn)確定位：必須根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手指形狀。本課題采用V型手指，便于自動定心。（4）要有足夠的強(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)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。3.2手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算本課題手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下

22、圖3-1所示圖3-13.2.1手部驅(qū)動力的計(jì)算（1） 零件的計(jì)算 （3-1）（2） 夾緊力的計(jì)算圖3-2手指受力分析如圖3-2所示，采用摩擦鎖緊方式，根據(jù)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊表1-2-3得 （3-2）其中：是抓緊力（即），F(xiàn)；是軸向力（即重力G） ；-安全系數(shù)，取2.5；-V型手爪張開的角度，取120；-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手抓材料采用45鋼，工件材料是鐵，查簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得=0.3所以 取=315N。（3） 驅(qū)動力的計(jì)算：根據(jù)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)式4-56可知 （3-3）為驅(qū)動力，在驅(qū)動力一定的情況下，增大，夾緊力增大，但這將加大桿的行程和滑槽的長度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸增大，因此最好取取，得（

23、4）實(shí)際驅(qū)動力： （3-4）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為滑槽杠桿結(jié)構(gòu)，一般取，取所以 (5)確定氣壓缸直徑D （3-5）選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇氣壓缸工作壓力P=0.8-1.0MPa選取氣壓缸徑：D=50mm則活塞桿的直徑：(6)活塞桿的行程L計(jì)算圓整為L=25mm3.2.2手抓夾持范圍為了保證手抓張開角度為手指長度為80mm，當(dāng)手指沒有張開角度時，如圖a所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，最小夾持半徑40mm，當(dāng)張開角度為時，如圖b所示，最大夾持半徑計(jì)算如下：所以機(jī)械手的夾持范圍半徑從符合要求。圖3-3手抓張開示意圖3.2.3機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度搞，重復(fù)定位精度和

24、運(yùn)動穩(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，也取決于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差計(jì)算。手抓的夾持范圍，工件的范圍工件的平均半徑：手指長度80mm，V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： （3-6）當(dāng)時所以定位誤差小于2mm3.2.4彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖所示，計(jì)算如下。圖3-4圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3-7）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 （3-8）(4).

25、試算彈簧絲直徑 （3-9）取7mm(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3-10）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度

26、驗(yàn)算）。 現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式： （3.6）選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） （3-11）結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 3.3本章小結(jié)本章通過對手抓機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析，選擇滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)并確定了驅(qū)動力，然后對手抓開合角度、夾持精度、彈簧等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而整個手抓部分設(shè)計(jì)完成。4 手腕部分設(shè)計(jì)計(jì)算4.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1） 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕：腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2） 布局合理：腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠

27、的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工件條件4.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)夾取工件重量8.817kg，回轉(zhuǎn)90度4.2.2腕部驅(qū)動力矩計(jì)算手腕在回轉(zhuǎn)時一般需要克服三種力矩：1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩為簡化計(jì)算，一般取2）克服由于工件重心偏置所需要的力矩式中：G是工件的重量，N e是工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離，m3）克服啟動慣性所需要的力矩啟動過程近似等加速運(yùn)動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動所需要的時間，按公式：計(jì)算 （4-1）式中：是手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量，是工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量， 是手腕回轉(zhuǎn)過程

28、的角速度， 是啟動過程中所轉(zhuǎn)過的角度 ，所以手腕回轉(zhuǎn)所需要的力矩為： （4-2）抓取的工件，直徑120mm，長度100mm，當(dāng)手抓夾持在工件中間位置回轉(zhuǎn)，將手抓、手抓驅(qū)動缸和擺動缸等效為一個圓柱體，長，重力為G，啟動過程轉(zhuǎn)過的角度等速轉(zhuǎn)動角速度圓柱體重力 （4-3）因?yàn)槭肿A持在工件中間位置，所以工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離為0，即，所以由于 （4-4）因?yàn)樗?.2.3腕部工作壓力計(jì)算表4-1氣壓缸的內(nèi)勁系列2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)計(jì)腕部的部分尺寸：根據(jù)表格設(shè)缸體內(nèi)徑80mm，根據(jù)內(nèi)徑選擇外徑為

29、95mm，這是缸壁最小的厚度情況下的外徑，考慮實(shí)際安裝后的情況，選擇外徑170mm，動片寬度b=66mm，輸出軸r=20mm表4-2氣壓缸外經(jīng)氣壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P(yáng)5060769510812113316814618019421924545鋼50607695108121133168146180194219245由于實(shí)際回轉(zhuǎn)氣缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于，即： （4-5）式中：P為回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力，MPa R為缸體內(nèi)孔半徑，mm r為輸出軸半徑，mm b為動片寬度，mm取P=1MPa4.2.4氣壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖4-1缸蓋螺釘間距示

30、意表4-2螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系工作壓力P（Mpa）螺釘?shù)拈g距t(mm) 小于150小于120小于100小于80缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如上圖，t為螺釘?shù)拈g距，間距和工作壓強(qiáng)有關(guān)系，見表，每個螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力： （4-6）工作壓強(qiáng)P=1MPa，所以螺釘間距小于150mm，試選4個螺釘，所以Z=4個螺釘合適危險(xiǎn)截面， （4-7）所以， （4-8） 所以 螺釘材料選擇Q235，（） （4-9）螺釘?shù)闹睆?（4-10）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=4mm.,結(jié)合軸承蓋的大小，選擇8mm的開槽盤頭螺釘4.2.5動片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺

31、釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 （4-11）D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 （4-12） 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.選擇M8的開槽盤頭螺釘。4.3本章小結(jié)本章對手腕部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定手腕旋轉(zhuǎn)角度，對腕部驅(qū)動力矩進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，然后根據(jù)手腕的工作壓力，計(jì)算出缸蓋和連接螺釘?shù)拇笮　? 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運(yùn)動。手臂運(yùn)動應(yīng)該包括3個運(yùn)

32、動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。5.1手臂的設(shè)計(jì)要求（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求（2）根據(jù)手臂所受載荷和

33、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。（3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動的動載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度。（4）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。本設(shè)計(jì)中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動以及手抓前后運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。5.2手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手需要考慮定位精度、即開急停、控制性能好等多方面因素，手臂的伸縮采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電動機(jī)，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械

34、角位移（或線位移）的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動機(jī)輸出的角位移（或線位移）與輸入的脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同步。因此，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動機(jī)繞組的通電順序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動方向。當(dāng)無脈沖輸入時，在繞組電流的激勵下，步進(jìn)電動機(jī)可以鎖相。步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)相應(yīng)快、易于起停、正反轉(zhuǎn)和無級變速也容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：低頻時有震蕩、速度不夠均勻、在高速時輸出轉(zhuǎn)矩減小。5.2.1電機(jī)的選擇根據(jù)參考資料，初選電機(jī)為90BYG2502表5-1 90BYG2502步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)相電流步距角最大靜轉(zhuǎn)矩空載啟動頻率空

35、載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動慣量A度N.mHzHzKg.cm290BYG250224.01.8618002000045.2.2滾珠絲杠的選擇根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬使用條件負(fù)載重量 G=18kg最大行程 =200mm快速移動速度=60mm/s加減速時間常數(shù)t=0.3s導(dǎo)軌摩擦因素 絲杠使用壽命T=30000h脈沖當(dāng)量 （1）絲杠的選型計(jì)算初選絲杠導(dǎo)程5mm工作載荷最近移動速度=60mm/s =3.6m/min，此時絲杠轉(zhuǎn)速取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù)=648（單位）查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表3-30得到載荷系數(shù)硬度系數(shù)，代入公式求得初選型號選擇啟動潤澤機(jī)床附件有限公

36、司生產(chǎn)的CDM2005-2.5型滾珠絲杠，公稱直徑為20mm，基本導(dǎo)程5mm，額定動載荷7988N，滿足要求。（2）絲杠的效驗(yàn)(穩(wěn)定性的驗(yàn)算)滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)是的臨界載荷應(yīng)滿： （5-1）(其中：開始引起壓曲的負(fù)載 ：負(fù)載作用點(diǎn)間距絲杠長度L = 最大行程+預(yù)估計(jì)余量= 200+250= 450mm設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距E：楊氏模量 (彈性模量 一般鋼材取200Gp)I：絲杠軸最小慣性矩 (絲杠外徑20mm)（5-2）： 安全系數(shù)，一般取為2.54，垂直安裝時取小值：由絲杠的支撐方法決定的系數(shù)，本課題選用單推-單推的支撐方法，系數(shù)為1得滿足要求

37、，所以適合。由于電機(jī)的速度并不快，所以肯定安全，無需校驗(yàn)危險(xiǎn)速度5.2.3減速箱的設(shè)計(jì)根據(jù)式 （5-3）式中：為步距角， 為脈沖當(dāng)量， 由于傳動比等于1，所以沒必要加減速箱。5.2.4校核驅(qū)動電機(jī)（1）傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算： （5-4）（其中：普通碳鋼的材料密度為 D為滾珠絲杠的直徑為滾珠絲杠的長度） 手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算因?yàn)闄C(jī)械手是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進(jìn)行計(jì)算： （式中：為絲杠導(dǎo)程（cm） 為移動部件的重量）帶入得： （5-5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算1）啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式=+可知，包括三部分：快速啟

38、動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動部件折算時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)警后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式可知，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有 =+ （5-6）根據(jù)式 =，考慮縱向鏈的總效率，計(jì)算快速啟動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：=* （5-7）對應(yīng)最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電動機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時間，0.3-1s。其中： 空載最快移動速度，為60mm/s； 步進(jìn)電動機(jī)步矩叫角，為； 脈沖當(dāng)量，=0.025mm/脈沖。將以上各式帶入式，算得=720。 設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.3s，

39、縱向傳動鏈總效率=0.7；則由式:=由式可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：-導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，取0.15垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0； 縱向傳動總效率，取0.7則由式得：=0.03最后由式，求得快速啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：=+=0.196步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：4=0.784根據(jù)電動機(jī)型號可知道，該型號的最大靜轉(zhuǎn)矩為6，完全滿足要求。5.2.5步進(jìn)電動機(jī)的性能校核最快移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核最快移動速度60mm/s=3600mm/min，脈沖當(dāng)量0.025mm/脈沖，由公式 （5-8）求得根據(jù)90BYG2502的運(yùn)行頻率看出，在此頻率下電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)大于，滿足要求。最快移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核電動機(jī)的運(yùn)行頻率，根據(jù)90BYG2502的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，沒有超過，所有滿足。啟動頻率的計(jì)算已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量，查表可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高空載啟動頻率=1800Hz。則由式可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載