四自由度棒料搬運機(jī)械手

1、 目 錄 摘 要: 本設(shè)計的機(jī)械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動強(qiáng)度而設(shè)計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手代替人力勞動。本設(shè)計為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉(zhuǎn)方向。本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。通過氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60mm 的棒料的搬運。在控制器的作用下，機(jī)械手執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉(zhuǎn)過來這一簡單的動作.關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；搬運；工業(yè)機(jī)器人TheThe FourFour Degrees-of-freed

2、omDegrees-of-freedom BarBar ManipulatorManipulator DesignsDesigns Abstract:Abstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the

3、 robots can replace worker to do it.This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger w

4、as Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes.KeyKey wordswords: four degrees of freedom; robot; transpor

5、ting; Industrial robot 1 前言1.1 工業(yè)機(jī)器人的概述與發(fā)展機(jī)器人（又稱機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有自，早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。機(jī)器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機(jī)械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對于提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量

6、和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件的作用日見顯著。不少勞動條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢。 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

7、組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開始進(jìn)入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。世

8、界上工業(yè)機(jī)器人萌芽于 50 年代的美國，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于人類社會很多領(lǐng)域，正如計算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。進(jìn)入 90 年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界上已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機(jī)器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機(jī)器人市場也開始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市場一樣，中國機(jī)器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達(dá) 200 家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有 410 臺，其中已用于生產(chǎn)的約占 3/4。目前全國約有

9、機(jī)器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺數(shù)約為1200 臺，其中從 40 家外國公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺的速度增加。從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢，工業(yè)機(jī)器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景2。1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手所實現(xiàn)的功能本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。 本設(shè)計中的機(jī)械手有四個自由度，由底座的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，手臂的伸縮，手爪的旋轉(zhuǎn)組成。本設(shè)計中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運機(jī)械手。通過氣爪手指的不同選擇可滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運。通過

10、示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實現(xiàn)在機(jī)械手工作范圍內(nèi)把棒料從指定點搬運到另一指定點，并把棒料翻轉(zhuǎn)過來。通過對機(jī)械手的相應(yīng)控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手設(shè)計的意義機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應(yīng)用與許多生產(chǎn)領(lǐng)域。由目前的發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。本機(jī)械手就是基于此并為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動強(qiáng)度而設(shè)計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手代替人力勞動。在社會不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出

11、來是歷史發(fā)展的趨勢4。2 機(jī)械手的總體設(shè)計2.1 設(shè)計要求 要求：本畢業(yè)設(shè)計要求學(xué)生掌握機(jī)器人或工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運機(jī)器人設(shè)計，要求所設(shè)計機(jī)器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達(dá)規(guī)定的地點。2.2 機(jī)器手的組成圖 1 機(jī)械手的組成圖Fig1 The composition diagram of the robotic 機(jī)械系統(tǒng)：本機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)組成。2.2.1 執(zhí)行系統(tǒng)： 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機(jī)械部件，它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。2.

12、2.2 驅(qū)動系統(tǒng)： 為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。本設(shè)計選用機(jī)械傳動、氣壓傳動和電機(jī)驅(qū)動。 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。2.3 總體方案擬定由設(shè)計要求本設(shè)計機(jī)械手實現(xiàn)的作用：自動線上有，兩條輸送帶，之間距離為 0.7m，現(xiàn)設(shè)計機(jī)械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過來。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2 個為旋轉(zhuǎn)，2 個為平移。在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確

13、定機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸實現(xiàn)7。其外觀與工作移動方位如圖 2。圖 2 機(jī)器人外形圖Fig2 Robot Outline Drawings 2.4 機(jī)器人的工作空間 本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相對工作空

14、間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比，絕對工作空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積，只要工件搬運點都在此范圍內(nèi)即可實現(xiàn)搬運。 下圖 3 描述了本機(jī)械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。圖 3 工作空間圖 Fig3 Workspace map 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動器機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動臂，桿和載荷完成指定的運動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器

15、（在第 5 章計算說明步進(jìn)電機(jī)的選擇） ，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來作為驅(qū)動器6。2.5.2 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現(xiàn)伸縮運動的。氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 4。圖 4 氣爪連接示圖Fig4 Gripper connection diagram 底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運動。如下圖 5。1支座，2電機(jī)，3軸承，4帶傳動，5殼體6位置傳

16、感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖 5 機(jī)械手底座傳動示圖Fig5 Robot base transmission diagram本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 1。 表 1 機(jī)械手參數(shù)表Table 1 Robot parameter table 機(jī)械手類型四自由度圓柱坐標(biāo)型抓取重量2Kg自由度4 個（2 個回轉(zhuǎn) 2 個移動）底座長 290mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂升降機(jī)構(gòu)長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂伸縮機(jī)構(gòu)長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動 活塞位置控制氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)

17、構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制3 機(jī)械手的傳動設(shè)計 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過答辯3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定一般一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕，運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。本設(shè)計的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔

18、輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器11。諧波齒輪的設(shè)計基本參數(shù)如下：傳動比：i2=100；柔輪變形波數(shù)：U=2 ； 柔輪齒數(shù)： ZR=Ui=2100=200 剛輪齒數(shù)： ZG=ZR+U=200+2=200 模數(shù)：m=0.4mm 柔輪臂厚：H=0.5mm 尺寬：b=20mm 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算分別確定如下： 全齒高：hR=07mm hG=0.72mm 分度圓直徑：dR=80mm 80.8Gdmm 齒頂圓直徑：daR=83.2mm 82.8aGdmm 齒根圓直徑：dfR=79.7mm 84.28fGdmm 齒形角：aR=20 20G 變位系數(shù)：XR=3.7 3.71GX 柔輪與剛輪均

19、采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。諧波齒輪輪齒的耐磨計算：由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪齒工作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作表面的耐磨損能力可由下式計算： PvnRPbZhdTKp2000（1） 式中：T作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（Nm） ，由前計算取得 T=2 Nm； dR柔輪分度圓直徑，本設(shè)計中取為 dR=80mm ； hn最大嚙入深度，近似取 hn=（1.41.6）m，本設(shè)計中取 ；1.4 0

20、.40.56nhmmb 齒寬（mm） ，設(shè)計中取為 b=20mm ； ZV當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可?。?.075 20015vZ K載荷系數(shù)，取 K=1.31.75 ，設(shè)計中取為 K=1.5 ；PP齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 PP=8MPA ；所以，代入 得： PvnRPbZhdTKp2000 2000 2 1.580 0.56 20 150.4464MPaP 因滿足 ppp，所以符合耐磨性要求 。0.4464MPa8MPa柔輪強(qiáng)度計算：諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動變化，若以分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)

21、力的應(yīng)力幅和平均應(yīng),amam 力。（1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： (2) 035. 321mpaDEh（2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： (3) 122120005 . 0hDTDEhppy則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： (4) 0.5 ()amy以上式中：T柔輪工作轉(zhuǎn)矩（） ，由前計算取為：T=2 ；mN mN h1柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設(shè)計中取為：h1=0.6mm ； DP計算平均直徑（mm） ，設(shè)計中為：DP=dfh179.70.679.1mm ； E彈性模量（MPa） ，設(shè)計中為 E =206000 MPa ； 變形量（mm） ，本設(shè)計中為GRdd =80.88

22、0=0.8mm ； 柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： (5)323220.8 206 100.63.5556.103()79.100.8 206 100.60.57.902()79.12000 20.339()79.10.60.5 ()0.5 (7.9020.339)4.121()aamyaaamyaMPMPMPMP30CrMnSiA 的力學(xué)性能如下： ，球化處理后硬度為 2426HRC ，1100,900basaMPMP且，取： 110.450.45 1100

23、495()0.250.25 1100275()babaMPMP柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 114953.5292.5 56.10327523.380.22.25 4.801 0.2 4.801aamnknk柔輪的安全系數(shù)： (6) 22223.529 23.383.4893.52923.38n nnnn此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強(qiáng)度滿足要求。4 機(jī)械手的各電動機(jī)的選擇進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是

24、步進(jìn)電機(jī)。4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。初選步進(jìn)電機(jī) 75BF003由前計算絲桿導(dǎo)程為 L0=6mm本設(shè)計機(jī)械手手臂升降速度選定為 S=35mm/s所以絲桿轉(zhuǎn)速 (7) 0w =S/L =35/6 =5.833r/s=349.98(r/min)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： Mc=Mga+Mf (8)式中：Mc 機(jī)械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ； Mf 機(jī)械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；Mga機(jī)械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；其中： ， twJMga0(9) 式中：手臂升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度

25、：w； (10)/(649.3660298.349min)/(98.349sradrww 手臂升降啟動或制動的時間：本設(shè)計取為；t)(3 . 0st 手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量，0J)(2kgm其中： (13)0SldJJJJ 式中：絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量，sJ)(2kgm 其中： (11)437.810smJDL式中：絲桿的公稱直徑由前計算得mD0.025( )mDm 絲桿的長度本設(shè)計取為 0.6(m)L 代入得： 4327.8 0.0250.45 100.00137()sJkgm 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量lJ2s J =0.0018(kg)m 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)

26、R2.0 得； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量dJ20.0001764()dJkgm 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-18 得；代入得：J0=JS+Jl+Jd 2 =0.00137+0.0018+0.0001764 =0.00335()kgm把以上代入得： (12)twJMga036.6490.003350.3gaM 0.409()Nm其中： ； /2mfMGfD(13) 式中： G手臂的自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數(shù) f=0.08 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得代入得： (14)/2mfMGfD200 0.08 0.025/20.2()Nm 得： Mc=Mga+Mf 0.20.

27、4090.609()Nm電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1；所以 0.609()ipcMMNm 36.649(/ )lpwwrad s上式中：負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計算 ：；lpw36.649(/ )lprad s 負(fù)載峰值力矩（） ，如上計算：lpMNm0.609()ipMNm電動機(jī)的功率計算式： (15)lplpmMP上式中：計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中取：；5 . 25 . 12 絲桿傳動裝置的效率，一般取，本設(shè)計中?。?；9 . 07 . 00.8代入以上數(shù)據(jù)得： (16)lplpmMP 2 0.609 36.649/0.855.80()W根據(jù)負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩，選用

28、步矩角為 3 步進(jìn)電機(jī) 75BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 0.882，滿足負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩的要求.N m 電機(jī)參數(shù)表 2Table2 Motor parameter table 電機(jī)型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(Kgfcm)最高空載啟動頻 率/HZ運行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm52分配方式質(zhì)量/Kg75BF0033 330 0882（9）1250160001568三相六拍1584.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇機(jī)械手機(jī)身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn)機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速： 設(shè)計選取為即旋轉(zhuǎn) 1800的時間為 3s；10 /minr回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： (

29、17) cgafMMM式中： 機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM 機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；fM機(jī)械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；gaM其中： ， twJMga0(18) 式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度：w；)/(047. 160210min)/(10sradrww 底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計中；t)(3 . 0st 與的轉(zhuǎn)化系數(shù)：，本設(shè)計中取fMgaM95. 085. 00.85 手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量0J)(2kgm 由于本機(jī)械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體,所以算得在選用電機(jī)時相應(yīng)把最大

30、靜轉(zhuǎn)矩要求提高來選擇。 (19)222223322221107 . 99 . 020214 . 015314 . 01531213131mkgrmrmrmJ式中：手臂無氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；1mkgm151手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；2mkgm152其中：手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉(zhuǎn)動慣量；21mm 機(jī)身的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為； 3mkgm203 其中：的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計算；3m 與相對應(yīng)的長度（m） 。321,rrr321,mmm把以上數(shù)據(jù)代入得： (20)(827.3985. 0853.33mNMMgaf (21)(68.73827

31、.39853.33mNMMMfgac底座電機(jī)通過諧波減速器連接轉(zhuǎn)動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。所以： (22)(737. 010068.73mNiMMclp1.047 100104.7(/ )lpirad s 上式中：負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計算 ：；lpw104.7(/ )lprad s 負(fù)載峰值力矩（） ，如上計算：lpM)(mN 0.737()ipMNm電動機(jī)功率的計算公式式： (23) lplpmMP0.737 104.720.8192.910W式中： 步進(jìn)電動機(jī)的功率（W） ； mP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，由前計算 ：；lp104.7(/ )lprad s

32、負(fù)載峰值力矩（） ，由前計算：Mlp=0.737（） ；lpM)(mN )(mN 計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中?。?；5 . 25 . 12 底座傳動裝置的效率，估算為，本機(jī)械手取為：。9 . 07 . 00.8根據(jù)負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3 的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 1.96，滿足要求。mN 電機(jī)參數(shù)表 3Table3 Motor parameter table電機(jī)型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(Kgfcm)最高空載啟動頻 率/HZ運行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm52分配方式質(zhì)量/Kg90BF0033 360 196（20）150080

33、001764三相六拍425 機(jī)械手各氣動件的設(shè)計計算5.1 氣爪夾緊力的計算與氣爪的選擇5.1.1 氣爪夾緊力要求由設(shè)計任務(wù)書的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為2kg。本設(shè)計設(shè)計的機(jī)械手搬運的工件定為圓柱形的棒料。 工件重力 G=2x9.8=19.6N夾起工件主要是靠氣爪手指與工件的靜摩擦力克服工件的重力。其加緊視圖如圖 6:圖 6 工件夾緊視圖Fig6 Workpiece clamping view氣爪拿起工件所需的力 123LFK K K G 式中：G機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本設(shè)計 G=19.6； K1安全系數(shù)，一般取 K1=1.22.0,本設(shè)計中取

34、 K1=1.2； K2機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按 (24)21aKg 計算得 K2=1.2； a 為機(jī)器人手爪運動加速度的絕對值； K3方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀選 K3=1把以上數(shù)據(jù)代入得：123LFK K K G FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N氣爪能拿起工件所需的夾緊力： (25)LNFF式中：鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù)=0.2 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得 把以上數(shù)據(jù)代入(19)得： 2LNFF (26)28.224114.120.2NFN氣缸的選定中，首先確定其負(fù)載的大小，負(fù)載決定了缸徑的大小；其次要確定其行程、安裝形式等. 5.1.2 缸徑的確定缸徑

35、與所使用的氣源的壓力有關(guān)，同時要確定動作方向是推力還是拉力。本設(shè)計的氣爪氣缸工作主要以拉力。本設(shè)計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學(xué)計算公式為： 拉力 F=0.25(D2-d2)P式中：D氣缸直徑（m）,本設(shè)計初取為 0.04m ；d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設(shè)計初取為 0.012m ；P氣缸工作壓力（Pa） ，本設(shè)計取為 0.6MPa；F氣缸理論推力、拉力（N）把以上數(shù)據(jù)代入 F=0.25(D2-d2)P 得：226F=0.25(0.040.012 ) 0.6 10686.104N計算得的 F 為理論拉力，其實際拉力可根據(jù) Fs=F 計算。式中：氣缸的工作效率

36、，一般在 0.70.95 之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時效率增大。本設(shè)計工作壓力交大取為 0.85。把以上數(shù)據(jù)代入 Fs=F 得： (27)0.85 686.104sF 583.189N圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm 為活塞桿推動手指的力臂。氣爪夾緊工件的力 FN1=FsR/L 代入數(shù)據(jù)得：1583.189 2250NF 256.603N由計算得 FN1FN所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿足設(shè)計要求。氣缸是氣爪的的驅(qū)動器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 7。 圖 7 氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)Fig7 The connection structur

37、e of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的確定氣缸的行程就是活塞移動的距離，對外表現(xiàn)為負(fù)載移動的距離，確定此距離時要充分考慮工況情況，應(yīng)預(yù)留出一點行程，避免活塞桿撞壞。由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。5.1.4 氣缸的運動速度 氣缸的運動速度主要由所驅(qū)動的工作機(jī)構(gòu)的需要來決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：本氣缸為水平安裝采用用排氣節(jié)流； 本設(shè)計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。本氣缸使用注意事項 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-3580，工作壓力為 0.40.6MPa； 2

38、）安裝前，應(yīng)在 1.5 倍工作壓力條件下進(jìn)行試驗，不應(yīng)漏氣； 3）裝配時，所有密封元件的相對運動工作表面應(yīng)涂以潤滑脂； 4）安裝的氣源進(jìn)口處必須設(shè)置氣源調(diào)節(jié)裝置：過濾器-減壓閥-油霧器；5.1.5 擺動氣缸的選擇前選擇的 HGW40A 的氣爪其轉(zhuǎn)動慣量 Jq=124X10-4kgm2其爪夾持的工件的轉(zhuǎn)動慣量為： (28)22(3)12gmJRl式中：m工件的質(zhì)量（kg） ，本設(shè)計為 m=2kg; R工件的半徑（m） ，本設(shè)計為 R=20mm; l工件的長度（m） ，本設(shè)計為 l=50mm;把以上數(shù)據(jù)帶入得：22(3)12gmJRl222(3 0.020.05 )12gJ 426.167 10

39、kgm加在擺動氣缸工作上的轉(zhuǎn)動慣量為：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2由擺動氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量 J=130.167 kgm2 選用預(yù)選費斯托(festo)公司的 DSM-32-270-P-PW 型氣缸。該氣缸的許用轉(zhuǎn)動慣量為：500X10-4 kgm2 滿足要求。由下圖 5-3 擺動的時間約需 0 .3s該氣缸是葉片驅(qū)動雙作用氣缸，在整個擺角范圍內(nèi)可實現(xiàn)無極擺角調(diào)節(jié)，終端位置可通過止動螺釘和緊固螺母調(diào)節(jié)。止動桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收，終端緩沖由緩沖器實現(xiàn)。轉(zhuǎn)動葉片本身不用于確定終端位置，既止動杠桿和止動裝置不能移動。該擺動氣缸防水防塵10。

40、圖 8 氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量與擺動時間關(guān)系Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship 本氣缸可實現(xiàn)擺角范圍內(nèi)無極擺角調(diào)節(jié)下圖 9 為其擺角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示圖：圖 9 擺角調(diào)節(jié)示圖Fig9 Swing angle adjustment diagram 擺動氣缸參數(shù)表 4Table4 Swing cylinder parameter table結(jié)構(gòu)特點工作壓力緩沖角重量32MM葉片驅(qū)動的擺動缸15-10bar09o-17o1.02kg5.2 手臂伸縮氣缸的選擇缸徑的確定： 缸徑的計算公式 (29) 14/()

41、DFP 查液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊得式中：P氣缸的工作壓力（Pa）,本氣缸選為 0.6MP 氣缸總的機(jī)械效率，本氣缸估算為 0.4 D氣缸的內(nèi)徑（m） 。 F1氣缸的負(fù)載力（N） 。本氣缸負(fù)載較小取為 10N把以上數(shù)據(jù)代入得： (29)14/()DFP 64 5/(0.63 0.4 10 )D =0.02526m查機(jī)械設(shè)計手冊-氣壓傳動表 22-1-64 氣缸內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)為 32mm。行程的確定由設(shè)計的工作要求活塞行程取為 320mm。氣缸型號的選擇：由以上參數(shù)的計算選費斯托(festo)公司的 DNG-32-320-PPV-A 型氣缸本氣缸活塞安裝有傳感裝置，活塞位置可以被行程開關(guān)檢測到，從而實現(xiàn)

42、對氣缸位置的控制。選用的控制安裝附件為 SMB-2-B。該氣缸的緩沖長度為 19mm。 連接形式：由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負(fù)載較大，使推桿受的彎曲應(yīng)力較大。選用該氣缸的一個安裝附件，導(dǎo)向單元 FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導(dǎo)向單元上。下圖為該導(dǎo)向單元外觀圖 10圖 10 導(dǎo)元向單 Fig10 Guide element to a single 下圖 11 為最大工作負(fù)載與導(dǎo)桿投影距離之間的關(guān)系圖圖 11 負(fù)載特性圖Fig11 Load characteristic diagram 由上圖表可查得本設(shè)計選用的 FENG-32 氣缸在最大伸長距離 320mm 的情況下

43、其最大負(fù)載為 55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為 4kg，擺動氣缸質(zhì)量為 1.02kg。所以導(dǎo)向單元的實際總負(fù)載 Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N 滿足設(shè)計要求，該導(dǎo)向單元可用。圖 12 導(dǎo)向單元與氣缸連接圖Fig12 Guide unit with cylinder connection diagram 6 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計6.1 機(jī)械手控制器的選擇工業(yè)機(jī)械于是一種模仿人手動作井按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具進(jìn)行操作的機(jī)電一體化自動化裝置。工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)是通過控制氣缸電磁換向閥，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)不同的動作的，有采用單片機(jī)控制的，也有采用可編程控

44、制器來控制的，若采用單片機(jī)控制由于電磁的工作電壓高于單片機(jī)的+5伏電源所需驅(qū)動電流較大因而須設(shè)計功率接口電路還要進(jìn)行抗干擾及其可靠性的設(shè)計。而采用PLC控制，則無需考慮上述問題。有著極大的靈活性，易于模塊化，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時，只要對點的接線稍作修改，或繼電器重新分配，程序中作簡單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。機(jī)械手的速度、電機(jī)運行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用控制的機(jī)械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計機(jī)械手采用控制。6.2 機(jī)器手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機(jī)器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個

45、多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機(jī)，PLC，計算機(jī)等來實現(xiàn)。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點

46、保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中； 2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。本設(shè)計機(jī)械手用于棒料的點對點搬運，對運動軌跡沒太大要求。所以選用點位控制方式。6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本功能：本機(jī)械手要具有回原點、手動點動)和自動單步、連續(xù)1控制的操作方式；手動操作 用按鈕操作對機(jī)械手的每一種運動單獨進(jìn)行控制；回原點操作方式 按下回原點啟動按

47、鈕，機(jī)械手自動返回原點位置。自動操作 包括單步操作和連續(xù)運行兩種操作方式。操作前提是機(jī)械手須處在原點位置上；1)單步操作 每按一次按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止；2)連續(xù)運行 系統(tǒng)一旦啟動，機(jī)械手的動作將自動地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期間若按停止按鈕，要完成一個完整的動作循環(huán)才停止。為方便控制系統(tǒng)適應(yīng)各具體工作情況作小幅，整個控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以方便指令中的IST狀態(tài)初始化指令來進(jìn)行設(shè)計?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報警程序、點動操作程序、回原點程序及自動操作程序五大模塊構(gòu)成，分別解決單個問題然后再進(jìn)行綜合。本機(jī)械手中驅(qū)動部分由電機(jī)與氣動兩部分組成，其中電機(jī)部分由PLC直接控制。而氣

48、動部分則由PLC控制電磁筏來實現(xiàn)控制。下圖13為氣動部分原理圖：圖 13 氣動原理Fig13 Pneumatic principles 為了使機(jī)械手在作過程中實現(xiàn)自動或手動運行及運行的安全可靠，擺動氣缸，手臂升降都選用限位開關(guān)控制，以給相應(yīng)的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸則運用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實現(xiàn)PLC對其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過帶傳動帶動底座位置傳感器，從而將位置信息傳給PLC實現(xiàn)控制7 手臂驗算與機(jī)械手參7.1 手臂平衡的驗算手臂工作長度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對絲桿力矩較大。所以應(yīng)該作平衡驗算。手臂氣爪

49、端對絲桿的力矩： (30)()gbgzML GGG式中：Mg手臂工件端對絲桿的力矩（） ；Nm Gb擺動氣缸的重力（N）,本設(shè)計為 12.25N； Gg工件的重力（N）, 本設(shè)計為 19.8N； Gz氣爪的重力（N）, 本設(shè)計為 19.6N； L手臂氣爪端對絲桿的力矩（ m）, 本設(shè)計為 0.4m;把以上數(shù)據(jù)代入得:()gbgzML GGG0.4 (12.25 19.8 19.6)20.96gMNm手臂端蓋端對絲桿的力矩： (31) 1ddML G式中：Md手臂端蓋端對絲桿的力矩（） ；Nm Gd端蓋端的重力（N）,本設(shè)計為其質(zhì)量為 4.452KG,得重力為43.623N；L1手臂端蓋對絲桿的力臂（ m）, 本設(shè)計為 0.3m;把以上數(shù)據(jù)代入得:1ddML G 0.3 43.62313.087dMNm由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為gdMMM代入得: (32)20.96 13.0877.83gdMMMNm手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最