四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手

.21/21目錄摘要:本設(shè)計(jì)的機(jī)械手是基于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在某些勞動(dòng)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(dòng)。本設(shè)計(jì)為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手,其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手,主要是針對(duì)質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運(yùn)。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(yùn)。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(dòng)作.關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；搬運(yùn)；工業(yè)機(jī)器人TheFourDegrees-of-freedomBarManipulatorDesignsAbstract:Thispaperdesignforenhancesthelaborproductivity,productquality,economicefficiencyandreducestheworkerlaborintensity.Somejobworkingatextremelybadenvironment,thatpeoplecan’tworkinhand,sotherobotscanreplaceworkertodoit.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforfourdegreeoffreedom.ItiscomposedoftwolinearaxesandtworotaryaxiscurrentThispapermainlyuseatthetransportingofcirculargoodmaterialthatqualityisshortto2KG.ThedifferentfingernailfingerwasChoicefortransportingthegoodmaterialthatdiameterissmallerthan60mm.Undercontrollerfunctiontherobotmovethecomponentsfromoneassemblylinetootherassemblylineandturnoveritinspace,performrelativelysimpletakes.Keywords:fourdegreesoffreedom;robot;transporting;Industrialrobot1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(shí)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(xiǎn)。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(duì)于提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,改善工人勞動(dòng)條件的作用日見顯著。不少勞動(dòng)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(dòng)已是必然的趨勢。工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立,動(dòng)作自由度較多,程序可靈活變更,能任意定位,自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度,可以搬運(yùn)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(hào),自動(dòng)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(jí)到高級(jí)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(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(shí)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(shí)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(shí)自身和周圍的環(huán)境,識(shí)別對(duì)象的有無及其狀態(tài),再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)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(duì)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(huì)很多領(lǐng)域,正如計(jì)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(tái)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(tái),其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。目前全國約有機(jī)器人用戶500家,擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為1200臺(tái),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100～150臺(tái)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(dòng)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(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手,主要是針對(duì)質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運(yùn)。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手有四個(gè)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(jì)中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)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(yùn)。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手工作范圍內(nèi)把棒料從指定點(diǎn)搬運(yùn)到另一指定點(diǎn),并把棒料翻轉(zhuǎn)過來。通過對(duì)機(jī)械手的相應(yīng)控制還可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的排列。1.3本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)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(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在某些勞動(dòng)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(dòng)。在社會(huì)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(dòng)中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢[4]。2機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求要求：本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個(gè)自由度,完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì),要求所設(shè)計(jì)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(diǎn)。2.2機(jī)器手的組成圖1機(jī)械手的組成圖Fig1Thecompositiondiagramoftherobotic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(dòng)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(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)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)。2.2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力,并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。2.3總體方案擬定由設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的作用：自動(dòng)線上有Ａ,Ｂ兩條輸送帶,之間距離為0.7m,現(xiàn)設(shè)計(jì)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(gè)為旋轉(zhuǎn),2個(gè)為平移。在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中,抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定機(jī)械手,利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作范圍不大,故利用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器,用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)[7]。其外觀與工作移動(dòng)方位如圖2。圖2機(jī)器人外形圖Fig2RobotOutlineDrawings2.4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(gè)具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對(duì)工作空間和絕對(duì)工作空間,所謂相對(duì)工作空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(duì)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(yùn)點(diǎn)都在此范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。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Fig3Workspacemap2.5機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.5.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動(dòng)臂,桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)、液壓和氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置,其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是最常用的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)器〔在第5章計(jì)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(dòng)器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動(dòng)氣缸來作為驅(qū)動(dòng)器[6]。2.5.2機(jī)械手傳動(dòng)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(dòng)手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動(dòng)氣缸的擺動(dòng)氣缸安裝板,從而實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)的。氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動(dòng)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Fig4Gripperconnectiondiagram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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下圖5。1—支座,2—電機(jī),3—軸承,4—帶傳動(dòng),5—?dú)んw6—位置傳感器,7—柔輪,8—波發(fā)生器,9—?jiǎng)傒唸D5機(jī)械手底座傳動(dòng)示圖Fig5Robotbasetransmissiondiagram本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)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Table1Robotparametertable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(gè)〔2個(gè)回轉(zhuǎn)2個(gè)移動(dòng)底座長290mm,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)角240°,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PLC控制手臂升降機(jī)構(gòu)長550mm,升降運(yùn)動(dòng),升降范圍400mm,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PLC控制手臂伸縮機(jī)構(gòu)長826mm,伸縮運(yùn)動(dòng),伸縮范圍270mm,氣缸驅(qū)動(dòng)活塞位置控制氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)角180o,氣缸驅(qū)動(dòng),行程開關(guān)控制3機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì)此處省略

NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計(jì)圖紙等.請(qǐng)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(jì)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(jí)諧波齒輪減速比可以在50～500之間,諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡單,零件少,重量輕,運(yùn)動(dòng)誤差小,無沖擊,齒的磨損小,傳動(dòng)精度高,傳動(dòng)平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動(dòng)裝置明顯的優(yōu)點(diǎn),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(jì)的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動(dòng)。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)組合件。它是由三個(gè)基本構(gòu)件構(gòu)成的,帶凸緣的環(huán)形剛輪,杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器[11]。諧波齒輪的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下：傳動(dòng)比：i2=100；柔輪變形波數(shù)：U=2；柔輪齒數(shù)：ZR=U×i=2×100=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(jì)算分別確定如下：全齒高：hR=07mmhG=0.72mm分度圓直徑：dR=80mm齒頂圓直徑：daR=83.2mm齒根圓直徑：dfR=79.7mm齒形角：aR=20o變位系數(shù)：XR=3.7柔輪與剛輪均采用漸開線齒形,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(gè)直徑為7.14mm滾珠的薄臂軸承。諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)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(shí)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(jì)算：〔1式中：T——作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩〔Nm,由前計(jì)算取得T=2Nm；dR——柔輪分度圓直徑,本設(shè)計(jì)中取為dR=80mm；hn——最大嚙入深度,近似取hn=〔1.4~1.6m,本設(shè)計(jì)中??；b——齒寬〔mm,設(shè)計(jì)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),一般可取；K——載荷系數(shù),取K=1.3~1.75,設(shè)計(jì)中取為K=1.5；PP——齒寬許用比壓,對(duì)于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪,取PP=8MPA；所以,代入得：因滿足p≤pp,所以符合耐磨性要求。柔輪強(qiáng)度計(jì)算：諧波齒輪工作時(shí),柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài),其正應(yīng)力基本上是對(duì)稱變化的,而切應(yīng)力則呈脈動(dòng)變化,若以分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。〔1正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為：<2>〔2由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為：<3>則,切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為：<4>以上式中：T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩〔,由前計(jì)算取為：T=2；h1——柔輪齒根處的臂厚〔mm,設(shè)計(jì)中取為：h1=0.6mm；DP——計(jì)算平均直徑〔mm,設(shè)計(jì)中為：DP=dfＲ－h(huán)1＝79.7－0.6＝79.1mm；E——彈性模量〔MPa,設(shè)計(jì)中為E=206000MPa；——變形量〔mm,,本設(shè)計(jì)中為=80.8－80=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>30CrMnSiA的力學(xué)性能如下：,球化處理后硬度為24~26HRC,且,?。喝彷喺龖?yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為：柔輪的安全系數(shù)：<6>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(dòng)機(jī)的選擇進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī),是一種把電脈沖信號(hào)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(duì)系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實(shí)現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是步進(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(dòng),通過絲桿傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)升降。初選步進(jìn)電機(jī)75BF003由前計(jì)算絲桿導(dǎo)程為L0=6mm本設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂升降速度選定為所以絲桿轉(zhuǎn)速<7>回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：Mc=Mga+Mf<8>式中：Mc——機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的回轉(zhuǎn)力矩；Mf——機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的摩擦阻力矩；Mga——機(jī)械手手臂升降在停止〔制動(dòng)過程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩；其中：,<9>式中：——手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)過程中角速度的變化量,也就是工作的角速度：；<10>——手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)取為；——手臂升降時(shí)各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中：<13>式中：——絲桿對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中：<11>式中：——絲桿的公稱直徑由前計(jì)算得——絲桿的長度本設(shè)計(jì)取為0.6<m>代入得：——升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)<軟件版>R2.0得；——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2-18得；代入得：J0=JS+Jl+Jd把以上代入得：<12>其中：；<13>式中：G——手臂的自重約為200Nf——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(jì)手冊(cè)<軟件版>R2.0得代入得：<14>得：Mc=Mga+Mf電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以i=1；所以上式中：——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速〔rad/s,如上計(jì)算：；——負(fù)載峰值力矩〔,如上計(jì)算：電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算式：<15>上式中：——計(jì)算系數(shù),其中一般,本設(shè)計(jì)中取：；——絲桿傳動(dòng)裝置的效率,一般取,本設(shè)計(jì)中取：；代入以上數(shù)據(jù)得：<16>根據(jù)負(fù)載峰值力矩Mlp≤最大靜轉(zhuǎn)矩,選用步矩角為3o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.電機(jī)參數(shù)表2Table2Motorparametertable電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角/〔°電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/N·m<Kgf·cm>最高空載啟動(dòng)頻率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10Kg·m分配方式質(zhì)量/Kg75BF00333300．882〔91250160001．568三相六拍1．584.2機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(shí)將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn)機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速：設(shè)計(jì)選取為即旋轉(zhuǎn)1800的時(shí)間為3s；回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：<17>式中：——機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩；——機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩；——機(jī)械手底座在停止〔制動(dòng)過程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩；其中：,<18>式中：——底座旋轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過程中角速度的變化量,也就是工作角速度：；——底座旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)中；——與的轉(zhuǎn)化系數(shù)：,本設(shè)計(jì)中取——手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對(duì)底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于本機(jī)械手是一個(gè)不規(guī)則,不均勻的回轉(zhuǎn)體,所以算得在選用電機(jī)時(shí)相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來選擇。<19>式中：——手臂無氣爪邊的質(zhì)量〔kg,本機(jī)械手為；——手臂有氣爪邊的質(zhì)量〔kg,本機(jī)械手為；其中：手臂的質(zhì)量,手臂兩邊都看作長桿來計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；——機(jī)身的質(zhì)量〔kg,本機(jī)械手為；其中：的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量看作均勻圓柱體來計(jì)算；——與相對(duì)應(yīng)的長度〔m。把以上數(shù)據(jù)代入得：<20><21>底座電機(jī)通過諧波減速器連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸,偕波減速器傳動(dòng)比為i=100。所以：<22>上式中：——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速〔rad/s,如上計(jì)算：；——負(fù)載峰值力矩〔,如上計(jì)算：電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式式：<23>式中：——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率〔W；——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速〔rad/s,由前計(jì)算：；——負(fù)載峰值力矩〔,由前計(jì)算：Mlp=0.737〔；——計(jì)算系數(shù),其中一般,本設(shè)計(jì)中取：；——底座傳動(dòng)裝置的效率,估算為,本機(jī)械手取為：。根據(jù)負(fù)載峰值力矩Mlp≤最大靜轉(zhuǎn)矩,選用步矩角為3o的步進(jìn)電機(jī)90BF003,其最大靜轉(zhuǎn)矩為1.96,滿足要求。電機(jī)參數(shù)表3Table3Motorparametertable電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角/〔°電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/N·m<Kgf·cm>最高空載啟動(dòng)頻率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10Kg·m分配方式質(zhì)量/Kg90BF00333601．96〔201500800017．64三相六拍4．25機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1氣爪夾緊力的計(jì)算與氣爪的選擇5.1.1氣爪夾緊力要求由設(shè)計(jì)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(jì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手搬運(yùn)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Fig6Workpiececlampingview氣爪拿起工件所需的力式中：G——機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力〔N,本設(shè)計(jì)G=19.6；K1——安全系數(shù),一般取K1=1.2~2.0,本設(shè)計(jì)中取K1=1.2；K2——機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù),按<24>計(jì)算得K2=1.2；a為機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)加速度的絕對(duì)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：=28.224N氣爪能拿起工件所需的夾緊力：<25>式中：——鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù)=0.2查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)<軟件版>R2.0得把以上數(shù)據(jù)代入<19>得：<26>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缸徑的確定缸徑與所使用的氣源的壓力有關(guān),同時(shí)要確定動(dòng)作方向是推力還是拉力。本設(shè)計(jì)的氣爪氣缸工作主要以拉力。本設(shè)計(jì)滿足氣缸理論推力、拉力速度為50-500mm/s的范圍,其力學(xué)計(jì)算公式為：拉力F=0.25π<D2-d2>P式中：D——?dú)飧字睆健瞞,本設(shè)計(jì)初取為0.04m；d——?dú)飧谆钊麠U直徑〔m,本設(shè)計(jì)初取為0.012m；P——?dú)飧坠ぷ鲏毫Α睵a,本設(shè)計(jì)取為0.6MPa；F——?dú)飧桌碚撏屏?、拉力〔N把以上數(shù)據(jù)代入F=0.25π<D2-d2>P得：計(jì)算得的F為理論拉力,其實(shí)際拉力可根據(jù)Fs=ηF計(jì)算。式中：η——?dú)飧椎墓ぷ餍?一般在0.7~0.95之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時(shí)效率增大。本設(shè)計(jì)工作壓力交大取為0.85。把以上數(shù)據(jù)代入Fs=ηF得：<27>圖中L=50mm為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm為活塞桿推動(dòng)手指的力臂。氣爪夾緊工件的力FN1=FsR/L代入數(shù)據(jù)得：由計(jì)算得FN1＞FN所以初選的缸徑40mm,活塞桿直徑12mm滿足設(shè)計(jì)要求。氣缸是氣爪的的驅(qū)動(dòng)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)Fig7Theconnectionstructureofthecylinderandthegripperfingers5.1.3行程的確定氣缸的行程就是活塞移動(dòng)的距離,對(duì)外表現(xiàn)為負(fù)載移動(dòng)的距離,確定此距離時(shí)要充分考慮工況情況,應(yīng)預(yù)留出一點(diǎn)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(yùn)動(dòng)速度氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)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(jì)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(xiàng)

1一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-35～80℃,工作壓力為0.4～0.6MPa；

2安裝前,應(yīng)在1.5倍工作壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn),不應(yīng)漏氣；

3裝配時(shí),所有密封元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)氣缸的選擇前選擇的HGW—40—A的氣爪其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jq=124X10-4kgm2其爪夾持的工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：<28>式中：m——工件的質(zhì)量〔kg,本設(shè)計(jì)為m=2kg;R——工件的半徑〔m,本設(shè)計(jì)為R=20mm;l——工件的長度〔m,本設(shè)計(jì)為l=50mm;把以上數(shù)據(jù)帶入得：加在擺動(dòng)氣缸工作上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167kgm2由擺動(dòng)氣缸工作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=130.167kgm2選用預(yù)選費(fèi)斯托<festo>公司的DSM-32-270-P-PW型氣缸。該氣缸的許用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：500X10-4kgm2滿足要求。由下圖5-3擺動(dòng)的時(shí)間約需0.3s該氣缸是葉片驅(qū)動(dòng)雙作用氣缸,在整個(gè)擺角范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無極擺角調(diào)節(jié),終端位置可通過止動(dòng)螺釘和緊固螺母調(diào)節(jié)。止動(dòng)桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收,終端緩沖由緩沖器實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片本身不用于確定終端位置,既止動(dòng)杠桿和止動(dòng)裝置不能移動(dòng)。該擺動(dòng)氣缸防水防塵[10]。圖8氣缸工作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與擺動(dòng)時(shí)間關(guān)系Fig8Cylinderworkingthemomentofinertiaandswingtimerelationship本氣缸可實(shí)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Fig9Swingangleadjustmentdiagram擺動(dòng)氣缸參數(shù)表4Table4Swingcylinderparametertable結(jié)構(gòu)特點(diǎn)工作壓力緩沖角重量32MM葉片驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)缸1．5-10bar0．9o-1．7o1.02kg5.2手臂伸縮氣缸的選擇缸徑的確定：缸徑的計(jì)算公式<29>查《液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得式中：P——?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Α睵a,本氣缸選為0.6MP——?dú)飧卓偟臋C(jī)械效率,本氣缸估算為0.4D——?dú)飧椎膬?nèi)徑〔m。F1——?dú)飧椎呢?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>=0.02526m查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-氣壓傳動(dòng)》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(jì)的工作要求活塞行程取為320mm。氣缸型號(hào)的選擇：由以上參數(shù)的計(jì)算選費(fèi)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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Fig10Guideelementtoasingle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Fig11Loadcharacteristicdiagram由上圖表可查得本設(shè)計(jì)選用的FENG-32氣缸在最大伸長距離320mm的情況下其最大負(fù)載為55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為4kg,擺動(dòng)氣缸質(zhì)量為1.02kg。所以導(dǎo)向單元的實(shí)際總負(fù)載Gf=5.02kg=49.196N。Gf〈55N滿足設(shè)計(jì)要求,該導(dǎo)向單元可用。圖12導(dǎo)向單元與氣缸連接圖Fig12Guideunitwithcylinderconnectiondiagram6機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)作．井按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具進(jìn)行操作的機(jī)電一體化自動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作的,有采用單片機(jī)控制的,也有采用可編程控制器來控制的,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(dòng)電流較大．因而須設(shè)計(jì)功率接口電路．還要進(jìn)行抗干擾及其可靠性的設(shè)計(jì)。而采用PLC控制,則無需考慮上述問題。ＰＬＣ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(shí),只要對(duì)Ｉ／Ｏ點(diǎn)的接線稍作修改,或Ｉ／Ｏ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(yùn)行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用ＰＬＣ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(jì)機(jī)械手采用ＰＬＣ控制。6.2機(jī)器手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度,每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu),它們必須協(xié)調(diào)起來,組成一個(gè)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(jì)算機(jī)等來實(shí)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(diǎn)位或軌跡運(yùn)動(dòng),并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)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(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。1點(diǎn)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(yùn)動(dòng)過程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作,因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡〔包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)則不作任何規(guī)定,這種控制方式易于實(shí)現(xiàn),但不易達(dá)到較高的定位精度,適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)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(yùn)動(dòng),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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng),可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密,就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手用于棒料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)搬運(yùn),對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒太大要求。所以選用點(diǎn)位控制方式。6.3控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(diǎn)、手動(dòng){點(diǎn)動(dòng)>和自動(dòng){單步、連續(xù)1控制的操作方式；手動(dòng)操作用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一種運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制；回原點(diǎn)操作方式按下回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手自動(dòng)返回原點(diǎn)位置。自動(dòng)操作包括單步操作和連續(xù)運(yùn)行兩種操作方式。操作前提是機(jī)械手須處在原點(diǎn)位置上；1>單步操作每按一次按鈕,機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止；2>連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)一旦啟動(dòng),機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)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(gè)完整的動(dòng)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(gè)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(jì)?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報(bào)警程序、點(diǎn)動(dòng)操作程序、回原點(diǎn)程序及自動(dòng)操作程序五大模塊構(gòu)成,分別解決單個(gè)問題．然后再進(jìn)行綜合。本機(jī)械手中驅(qū)動(dòng)部分由電機(jī)與氣動(dòng)兩部分組成,其中電機(jī)部分由PLC直接控制。而氣動(dòng)部分則由PLC控制電磁筏來實(shí)現(xiàn)控制。下圖13為氣動(dòng)部分原理圖：圖13氣動(dòng)原理Fig13Pneumaticprinciples為了使機(jī)械手在作過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行及運(yùn)行的安全可靠,擺動(dòng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)PLC對(duì)其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)底座位置傳感器,從而將位置信息傳給PLC實(shí)現(xiàn)控制7手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參7.1手臂平衡的驗(yàn)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(duì)絲桿力矩較大。所以應(yīng)該作平衡驗(yàn)算。手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩：<30>式中：Mg——手臂工件端對(duì)絲桿的力矩〔；Gb——擺動(dòng)氣缸的重力〔N,本設(shè)計(jì)為12.25N；Gg——工件的重力〔N,本設(shè)計(jì)為19.8N；Gz——?dú)庾Φ闹亓Α睳,本設(shè)計(jì)為19.6N；L——手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩〔m,本設(shè)計(jì)為0.4m;把以上數(shù)據(jù)代入得:手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩：<31>式中：Md——手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩〔；Gd——端蓋端的重力〔N,本設(shè)計(jì)為其質(zhì)量為4.452KG,得重力為43.623N；L1——手臂端蓋對(duì)絲桿的力臂〔m,本設(shè)計(jì)為0.3m;把以上數(shù)據(jù)代入得:由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為代入得:<32>手臂對(duì)絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負(fù)載情況,由單個(gè)螺栓承受此力矩時(shí)其受的拉力為Fl=M/L2式