機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)-三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、摘 要本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用三自由度機(jī)械手為實(shí)驗(yàn)用專(zhuān)用機(jī)械手，主要由手爪、手臂、機(jī)身、機(jī)座等組成，具備上料、搬運(yùn)等多種功能，本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，實(shí)驗(yàn)對(duì)象圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動(dòng)等3個(gè)自由度；驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)各個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手能對(duì)不同物體完成多種動(dòng)作。采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；伺服

2、。目 錄摘 要 . . I Abstract . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第1章 緒論 . . 11.1 題目提出的意義 . 11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 1第2章 方案的確定與比較分析 . 32.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 . 42.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇 . 6第3章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算 . 93.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 . 93.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算 . 103.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 . 113.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 . 123.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 . 13第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 154.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) . 154.1.1 手指的形狀和分類(lèi) .

3、 154.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 . 154.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) . 164.2.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 164.2.2 對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 . 174.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。 . 174.2.4 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 . 184.2.5 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 194.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計(jì) . 214.2.7 活塞桿運(yùn)動(dòng)行程的計(jì)算 . 21第5章 各機(jī)械部件的設(shè)計(jì)選擇與校核 . 235.1 軸的設(shè)計(jì)與校核 . 235.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) . 235.1.2 大臂軸的強(qiáng)度校核 . 245.2 鍵的選擇與強(qiáng)度的校核 . 275.3 軸承壽命的校核 . 305.4 聯(lián)

4、軸器的選擇與圓錐銷(xiāo)的校核 . 315.4.1 聯(lián)軸器的選擇. . 315.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷(xiāo)的校核 . 32第6章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 336.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) . 336.1.1 8051單片機(jī)介紹 . 346.2.2 復(fù)位電路 . 366.1.3 振蕩電路 . 366.2 串行接口電路 . 376.3 傳感器 . 386.3.1 傳感器的選型 . 386.3.2 硬件電路的設(shè)計(jì) . 396.4 電動(dòng)機(jī)的控制 . 406.4.1 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介 . 406.4.2 硬件電路圖 . 41結(jié) 論 . . 42致 謝 . . 43參 考 文 獻(xiàn) . . 44CONTENTSAbst

5、ract . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 Chapter 1 Introduction . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.1 Significance of proposed topics . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.2 Development of domestic and foreign . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。Chapter 2 Determination and comparative analysis of the program錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.1 Comparison of robotic mechanical systems and choice錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2.2 Robot driv

6、e system comparison and selection . 6Chapter 3 The driving source of the selection and design calculations . 93.1 Main Technical Parameters . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。3.2 The selection and calculation of the joint motor . 103.2.1 Choice of arm rotating motor . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。3.2.2 Choice of arm rotating motor . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。

7、3.2.3 The choice of rotating electrical waist . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。Chapter 4 Hand structure design . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.1 The structure of the hand clamp . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.1.1 The shape of the fingers and classification 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.1.2 Issues to consider when designing . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2 The design of the hand clamp cylinder

8、. 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.1 Design and calculation of the spring . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.2 Checking for the stability of compression spring錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.3 Fatigue strength and stress intensity of checking.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.4 Calculation of driving force of the hand. 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.5 The diameter of the cylinder design calculat

9、ion . . 194.2.6 Design of cylinder wall thickness . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.7 Calculation of grasping gripping range . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。Chapter 5 Of the mechanical components of the design choices and Verification . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.1 Design and Verification of Shaft . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.1.1 Design of the axis of rotation of ar

10、m . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.1.2 Arm strength check of shafts . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 5.2 The key to check the strength of selection . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.3 Check of bearing life . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.4 Selection and cone coupling pin check . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.4.1 Coupling choice. . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.4.2 Checking the coupling pin cone . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 Cha

11、pter 6 Control System Design . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.1 Minimum System microcontroller. 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.1.1 Introduction 8051 . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.2.2 Reset Circuit . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.1.3 Oscillation Circuit . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 6.2 Serial interface circuit . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.3 Sensor . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.3.1 Sensor Selection . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.3.2 Point det

12、ecting circuit . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.4.1 L298N motor drive chip profile . 40 6.4.1 L298N motor drive chip profile . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。6.4.2 Hardware Circuit . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 Conclusions . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 Thanks . . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 References . 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第1章 緒論1.1 題目提出的意義本次設(shè)計(jì)的目的是為了解決本科教學(xué)中理論與實(shí)踐操作融合性不強(qiáng)等問(wèn)題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上能得到較好的實(shí)際操作，通過(guò)不同程

13、序的輸入使學(xué)生真實(shí)的觀察到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)一步強(qiáng)化大學(xué)生學(xué)習(xí)與就業(yè)能力。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)

14、和鐵路工業(yè)部門(mén)的重視1。1. 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀專(zhuān)用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開(kāi)發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國(guó)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。目前國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)是2：(1 研制有更多自由度的機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加

15、的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。(2 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。(3 研制維修維護(hù)方便的機(jī)械手。(4 研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的機(jī)械手。(5 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽(tīng)筒和聲敏元件作為耳朵能聽(tīng)，用揚(yáng)聲器作為嘴能說(shuō)話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺(jué)和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。(6 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最

16、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。(7 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r目前，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。如果把這種再現(xiàn)式機(jī)械手稱(chēng)為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了。現(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫(xiě)入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來(lái)的更多的自由度3,4。雖然在這方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還有點(diǎn)落后，但是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也越來(lái)越感覺(jué)到機(jī)械手的重要性，國(guó)家大力支持相關(guān)的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的

17、設(shè)計(jì)上也取得了一定的成果，國(guó)內(nèi)每年都將舉行機(jī)器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作5?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)具有越來(lái)越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來(lái)，我國(guó)一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方面處于領(lǐng)先地位6。第2章 方案的確定與比較分析本畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種7,8：表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表 續(xù)表 2.1 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇1. 直角坐標(biāo)型機(jī)械手直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X 、Y 、Z 三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2

18、-1。其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X 、Y 、Z 三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A 、B 、C 三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上是很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。2. 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X 、Z 、三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2-1.圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：(1 手臂水平回轉(zhuǎn)；(2 手臂伸縮；(3 手臂上下；

19、(4 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；(5 手爪夾緊動(dòng)作。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z ）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（）。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。3 球坐標(biāo)型機(jī)械手球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X 、三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：(1 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；(2 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；(3 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；(4

20、手腕上下彎曲；(5 手腕左右擺動(dòng)；(6 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；(7 手爪夾緊動(dòng)作；(8 機(jī)械手整體移動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類(lèi)似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。其缺點(diǎn)是壁障性差，有平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，控制難度大。4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過(guò)肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和

21、俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點(diǎn)是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來(lái)越多10。本次設(shè)計(jì)的是實(shí)驗(yàn)用三自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對(duì)精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類(lèi)型機(jī)械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。2.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類(lèi)型。1 液壓驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa ，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)

22、場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：(1 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。(2 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。(3 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大。(4 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。(5 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。2 氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速

23、，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa ，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：(1 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm2(2 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。(3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題比液壓小。(4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具11。3 電力驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

24、（SM ）驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（DC ），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（AC ）驅(qū)動(dòng)也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過(guò)減速器裝置來(lái)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC 伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：(1 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用

25、于中型或重型機(jī)械手。(2 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類(lèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無(wú)爬行。）和低速、

26、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過(guò)載、重載能力強(qiáng)。）之分。(3 交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。(4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累

27、定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。純硬件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機(jī)技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡(jiǎn)化線路，降低成本，而且又提高可靠性12,13。綜上所述，由于本次設(shè)計(jì)機(jī)械手負(fù)載較小，對(duì)體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)和各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，直流伺服電機(jī)體積小，控制精度高

28、，與傳動(dòng)系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機(jī)械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手部采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。第3章 驅(qū)動(dòng)源的選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 圖3-1 機(jī)械手手臂重量分布圖 圖3-2 開(kāi)口盤(pán)重量分布圖如圖3-1所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手大臂與小臂的尺寸和重量如下：1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為397mm ，質(zhì)量為M1(6kg左右 ，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸220mm 處，L1=220mm。2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為435mm ，質(zhì)量為M 2(7kg左右 ，重心在距第二關(guān)節(jié)軸280mm 處，L 2=397+280=677mm。如圖3-2所示，設(shè)計(jì)機(jī)械手開(kāi)口盤(pán)質(zhì)量和尺寸如下：旋轉(zhuǎn)軸與

29、轉(zhuǎn)盤(pán)中心距離為160mm ，轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量為15Kg 。本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載1kg ；大臂回轉(zhuǎn)：090，60/s ；小臂回轉(zhuǎn)：0±60，60/s ； 腰部旋轉(zhuǎn)：0±360，600/s；手爪夾持半徑45m m 95mm 。3.2 各關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇計(jì)算當(dāng)機(jī)械手手臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)臂伸開(kāi)呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為J G1、J G2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14：J 1=JG1+M1L 12+JG2+M2L 22 （3-1）其中：M 1，M 2，分別為6Kg ，7Kg ；L

30、1，L 2，分別為220mm ，677mm 。J G1M 1L 12、J G2M 2L 22，故可忽略不計(jì)，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J 1= M1L 12+M2L 22 (3-2=6×0.22+7×0.6772=3.45kg . m 2同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M 2=7Kg ，L 4=280mm 。J 2=M2L 42 (3-3=7×0.282=0.5488kg.m 2腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為開(kāi)口盤(pán)繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。設(shè)開(kāi)口盤(pán)繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J 3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：M 3

31、=15Kg ，L 5=160mm 。J 0=J 1+J 3=J 1+M 3L 5=3.45+150.162=3.834Kg m 2 （3-4）3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇設(shè)大臂速度為1=60/s ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：T =J （3-5）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m 。J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m 2。角加速度，rad/s。設(shè)機(jī)械手大臂從0=0到1=60/s 所需的時(shí)間為：t =0.2s ，由式（3-5）有：T 1=J 11=J 11-0t =3.4530.2=18.1N . m若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：

32、T 01=2T =218.1=36.2N . m選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)）額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m減速比：i 1=100諧波減速器的的傳遞效率為：=90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：T 36.2T out 1=0.402N . m (3-6 i 1000.9選擇小型直流伺服電機(jī)：型號(hào)：MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：40w電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速2=60/s ，設(shè)角速度從0加到2所需加速時(shí)間t

33、=0. 2s ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：T =J （3-7）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m 。J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。角加速度，rad/s2。由式（3-7）有：T 2=J 2=J 22-0t =0.548830.1=10.47N . m若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T 02=2T 2=210.47=20.94N . m （3-8選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE235 （同軸式行星減速機(jī)）額定輸出轉(zhuǎn)矩：40N.m減速比：i 2=100諧波減速器的的傳遞效率為：=90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：T 20.94T o

34、ut 2=02=0.233N . m (3-9 i 1000.9選擇小型直流伺服電機(jī)：型號(hào)：MAXON-EC118896額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m額定電壓：24V額定電流：1.5A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：40w電機(jī)尺寸：L=93mm D=46mm3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇設(shè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度為3=60/s ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：T =J （3-10）式中：T 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩，N.m 。J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m 2。角加速度，rad/s。設(shè)機(jī)械手大臂從0=0到3=60/s 所需的時(shí)間為：t =0.2s 則：T 0=J 0=J 0-0t =3.83430.2=

35、20.07N . m若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機(jī)輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：T 00=2T 0=220.7=41.4N . m (3-11選擇減速機(jī)：型號(hào)：APEX-AE238 （同軸式行星減速機(jī)）額定輸出轉(zhuǎn)矩：50N.m減速比：i 3=100設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：=90%，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：T 41.4T out 0=0.46N . m (3-12 i 1000.9選擇小型直流伺服電機(jī)型號(hào)：MAXON-EC137489額定轉(zhuǎn)矩：0.9N.m額定電壓：24V額定電流：2A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：60w

36、電機(jī)尺寸：L=124mm D=64mm第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪 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、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。4.1.1 手指的形狀和分類(lèi)夾持式是最常見(jiàn)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(dòng)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(dòng)型(或稱(chēng)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(wú)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(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為

37、移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。4.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)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(guò)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(kāi)閉角兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，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(kāi)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

38、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(guò)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，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V 型。16。4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)4.2.1 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓

39、柱壓縮彈簧。如圖4-1所示： 圖4-1 圓柱壓縮彈簧圖4-1中，D 為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離；D 1為彈簧中心線到彈簧絲內(nèi)圈的距離；D 2為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；d 為彈簧絲直徑；H 0為彈簧長(zhǎng)度，本次設(shè)計(jì)彈簧具體尺寸參數(shù)如下：D=20mm；d=7mm ；D 1=D -d=16.5mm ；D 2=D +d=27mm；H 0=50mm ; n =5164.2.2 對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，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)象本次使用的壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比H 50b =0=2.5，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。篋 20當(dāng)兩端固定時(shí)

40、，b 5.3, 當(dāng)一端固定；一端自由時(shí)，b 3.7；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，b 2.6。本設(shè)計(jì)彈簧b =2.52.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適。4.2.3 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)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(duì)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)N 103，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）?，F(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：S S ca =式中：SS Smax(4-1）S s 選取1.3到1.7之間（力學(xué)性精確能高）K 取1.2 F 取1620N8KDF 81.20.020max =1621=288975135

41、d 33.140.0073S S cas 800106pa =2.768S S max 288975135pa17結(jié)論：經(jīng)過(guò)校核，彈簧適應(yīng)。4.2.4 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4-2所示 :圖4-2 齒輪齒條式手部其工件重量G=1公斤，V 形手指的角度2=120 ，b =100mm >R =40mm , 摩擦系數(shù)為f =0. 10 (1 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:2bN （4-2）p = R(2 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:N =0.5Gtg =0.510tg60=8.66（N ）（4-3） 取8.7N所以2bN =43.5(N p =R(3 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:18p 實(shí)際pK 1K 2（4-4）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取=0. 94，并取K 1=1. 5。若被抓取a工件的最大加速度取a =3g 時(shí)，則:K 2=1+=4g1.54=277.65(N 取280（N 0.94所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為280N 。所以p 實(shí)際=43.54.2.5 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞