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1、北北京京化化工工大大學學課課程程設設計計（說說明明書書）中文題目中文題目 機機 械械 手手 外文題目外文題目 machinesmachines fingerfinger 教教 學學 院院 成人教育學院成人教育學院 專業(yè)班級專業(yè)班級 121121 吉電專吉電專 學生姓名學生姓名 學生學號學生學號 指導教師指導教師 2014年年 5 5 月月 1717 日日 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書I摘 要在國家標準中，工業(yè)機器人被定義為 :“一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。 ”機器人賴以完成各種作業(yè)的機械實體 (稱作操作機或

2、操作器或機械手 )被定義為:“具有和人手臂相似的動作功能，可以在空間抓放物體或者進行其他操作的機械裝置。 ”可見，工業(yè)機器人是一個機電系統(tǒng)，機械手是它的執(zhí)行機構(gòu)。介紹了機械手的工作原理，結(jié)構(gòu)設計過程，以及機械手在國內(nèi)的發(fā)展狀況和趨勢。重點闡述了機械手的微機自動控制系統(tǒng)。關關鍵鍵詞詞：機器人； 控制系統(tǒng)； 手指 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書IIAbstractIn the national standards, the industry robot by the definition is: “one kind can the automatic positioning control,

3、be possible to duplicate programs, multi-purpose, the multi-degree-of-freedom operation machine. It can transport the material, the components or manages the tool, with completes each kind of work.” The robot depends take completes each kind of work the mechanical entity (to be called as operation m

4、achine OR operation or manipulator) by the definition as: “has with the person arm similar holding function, may grasp in the space puts the object or carries on other operations the mechanism.” Obviously, the industry robot is a mechanical and electrical system, the manipulator is its implementing

5、agency. machines finger, introduced the working principle, structure design process, as well as the machines finger in the development of national status and trends. Chamber focuses on the automatic control system of the computerKey Words: robot； Testing equipment；finger 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書III摘 要 .IAB

6、STRACT.II第 1 章 緒 論.11.1 引言.11.2 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀.1第 2 章 機械手總體機構(gòu)的設計.52.1 總體設計概況和思路：.52.1.總體結(jié)構(gòu)設計.52.2、機械結(jié)構(gòu)設計.62.2.1 機械手的設計.62.2.2 夾緊與推進氣缸連接板.72.2.3 機器人總體模型的建立.7第 3 章 部件的選擇與計算.93.1 驅(qū)動方式的選擇：.93.2 手指夾緊驅(qū)動氣缸的選擇與計算：.103.2.1 手指夾緊驅(qū)動氣缸的選擇：.103.2.2 夾緊汽缸規(guī)格的選擇：.113.3 推進氣缸的選擇：.113.3.1 機械手驅(qū)動氣缸的選擇：.113.3.2 機械手推進驅(qū)動氣缸規(guī)格的選擇：.1

7、23.4 旋轉(zhuǎn)氣缸的選擇：.143.5 絲杠選擇:.153.5.1 絲杠形式的選擇.153.5.2 滾珠絲杠副的確認.163.6 光杠的選擇與固定.173.7 電機選擇：.183.8 聯(lián)軸器的選擇：.19第 4 章 控制部分.214.1 PLC 控制步進電機：.214.1.1 PLC 控制總體結(jié)構(gòu)：.214.1.2 行程控制 .214.1.3 進給速度控制 .214.1.4 進給方向控制 .224.1.5 PLC 的軟件控制邏輯.224.1.6 步進電機控制系統(tǒng)的組成.224.1.7 可編程控制器的接口 .234.2 PLC 控制氣動機械手：.24北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書IV4.2.

8、1 功能設計： .244.2.2 動作流程設計： .244.2.3 電器元件的選擇： .25結(jié) 論 .27參考文獻：.28致 謝.1北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書1第一章 緒 論1.1 引言機器人技術作為 20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，1954年，美國人(George C. Devol)提出了一個關于工業(yè)機器人的技術方案，隨后注冊成為專利。 1960年推出了工業(yè)機器人的實驗樣機。1961年推出了定名為“Unimate”的第一臺工業(yè)機器人，用于模鑄生產(chǎn)。自60年代初問世以來，經(jīng)歷 40多年的發(fā)展已取得長足的進步。手是人腦所能高度精確控制的一個器官。機器人操作手，特別是串聯(lián)機器人操作手，就是對

9、人手臂形狀和功能的仿制。自上世紀 60年代初問世以來，機器人操作手不僅已成為制造工業(yè)中必不可少的核心裝備，而且機器人操作手正以驚人的速度向航空航天、軍事、服務、娛樂等人類生活的各個領域滲透。1.2 國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀自從為了抓取放射性材料而設計制造的第一臺遙控機械手的誕生至今己經(jīng)五十余年，而第一臺工業(yè)機器人問世也已經(jīng)整整四十五年了。在機器人發(fā)展的歷史上，存在著兩條不同的技術路線:一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術驅(qū)動 ” ，把美國開拓的機器人，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求，開發(fā)出一系列特定應用的機器人，如:弧焊、點焊、噴漆裝配、刷膠、建筑等等，從而形成了龐大的機器人產(chǎn)業(yè)，目前全世界裝機容量已達百萬臺，

10、近幾年來仍舊以每年 20%的速率在增長 ;另一條路線是把機器人作為研究人工智能的載體，看成計算機科學的一部分。即:單純從技術上仿人的某些功能出發(fā)，研究智能機器人。如 :美國、英國的相當一部分大學和研究所所做的，由于人工智能和其他智能技術的發(fā)展遠落后于人們對他的冀望，致使絕大部分研究成果始終走不出實驗室。移動機器人是機器人學中的重要組成部分。早在60年代，就己經(jīng)開始有關于移動機器人的研究。移動機器人是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對移動機器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術課題，引起越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣，更由于它在軍事偵

11、察、掃雷排險、核、化污染等危險與惡劣壞境以及民用中的物料搬運等方面具有廣闊的應用前景，使得對它的研究受到世界各國的普遍關注。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書2國外在移動機器人方面的研究起步較早，初期的研究，主要從學術角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎上，開拓各個應用領域，向?qū)嵱没M軍。如由美國NASA資助研制的 “丹蒂 II”八足行走機器人，美國 NASA研制的火星探測機器人“索杰那 ”于1997年登上火星等。另外，國外還在高完整性機器人，遙控移動機器人，環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成，生態(tài)機器人學，多機器人

12、系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內(nèi)在移動機器人方面的研究起步較晚，但己經(jīng)在某些方面取得了豐碩的成果?！熬盼?”期間，由浙江大學、南京理工大學、國防科大、清華大學、北京理工大學聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動機器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為30. 6km/h，同時支持臨場感遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華 V型智能車 THMR-V是清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張拔教授主持下研制的新一代智能移動機器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過鑒定。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng);由差分GPS,磁羅盤和光

13、電碼盤組成的組合定位導航系統(tǒng)等。兩套計算機系統(tǒng)分別進行視覺處理，完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺IPC工控機分別完成激光測距信息處理、定位信息處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設計行駛于高速公路車速為80km/h，一般道路為 20km/h。目前己能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學智能車涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術，路徑規(guī)劃的仿真技術，傳感技術、信息融合技術和智能移動機器人的設計和實現(xiàn)。DY- I型導游服務機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學機器人技術公司推出的新一代智能導游機器人。該機器人由伺服驅(qū)

14、動系統(tǒng)、多傳感器信息避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。導游機器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進行壁障，并通過語言系統(tǒng)可以進行人機交互。此外還有香港城市大學智能設計自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導引AGV和用于公安防暴的移動機器人、中國科學院自動化所自行設計制造的全方位移動機器人導航系統(tǒng)等。綜合國內(nèi)外對于移動機器人的研究情況，當代移動機械手的研究主要集中于以下幾個方面 1。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書3(1)機器人結(jié)構(gòu)機器人機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設計，是根據(jù)實際需要進行的。在機器人機構(gòu)方面，

15、結(jié)合機器人在各個領域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。 (2)運動控制技術穩(wěn)健的運動控制技術是移動機器人整體性能的基礎，由于移動機器人本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)車速和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術的核心內(nèi)容。(

16、3)路徑規(guī)劃技術該技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術。由于自主式移動機器人在地面上行駛，必須避開它無法通過的或?qū)ζ浒踩旭倶?gòu)成威脅的障礙物或區(qū)域，因此局部路徑規(guī)劃，尤其是復雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，顯得更為重要。 (4)實時視覺技術該技術主要涉及到視覺信息的實時采集、預處理、特征提取和模式識別。而且，視覺信息處理的能力、處理速度、處理的可靠性和準確性是決定智能機器人整休性能的決定性因素。(5)定位和導航技術該技術是現(xiàn)代輪式移動機器人研制所急需的關鍵技術，也是下一代無人戰(zhàn)車的技術基礎。位置的測量可以分為相對位置測量和絕對位置測量，測量方法有里程計、慣性導航、

17、主動燈塔、磁羅盤、全球定位系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標導航等。(6)多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術自主式移動機器人采用測距技術，GPS定位技術和小型陀螺儀技術等多種傳感技術來采集不同類型的環(huán)境信息。因此，準確地處理和分析不同傳感器采集到的信息，用于對所處環(huán)境作出準確可靠的描述并據(jù)此作出正確的決策和控制，是多傳感集成和數(shù)據(jù)融合研究的任務。(7)高性能計算技術北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書4在移動機器人的早期研究工作中，專用硬件結(jié)構(gòu)為多數(shù)研究者所采用，這是因為當時市場上的通用硬件不能滿足諸如實時圖像處理所需的計算能力。近年來，隨著計算機計算能力的迅猛提高，研究者們開始采用通用處理器來構(gòu)建機器人系統(tǒng)。

18、目前用于移動機器人的硬件結(jié)構(gòu)多數(shù)采用一個高速通用處理器加上幾個專用板卡或芯片(用于顏色查表、模板匹配或數(shù)學形態(tài)學計算)，或者通過實驗確定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系統(tǒng)來縮小體積，達到優(yōu)化的性能。(8)無線通信與因特網(wǎng)技術這兩項技術可以實現(xiàn)多機器人之間的通信和信息共享，以及機器人與外部的聯(lián)系。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書5第 2 章 機械手總體機構(gòu)的設計本文要對物料機械手的設計，已知條件：氣缸工作時所受力總和為F(實際 )=20N，上下活動范圍為 350mm,前后活動范圍 150mm,旋轉(zhuǎn)氣缸最大工作擺角為 120物體重 2N.根據(jù)已知條件可知機械手的強度要求不高，考到耐用度要久所以非

19、標準件材料選用鋁合金，標準件后面第三章會具體介紹。2.1 總體設計概況和思路：2.1.總體結(jié)構(gòu)設計整個機械手總體設計如圖2-1所示：圖 2-1 機器人的組成北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書62.2、機械結(jié)構(gòu)設計2.2.1 機械手的設計工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類 2：（1）夾鉗式取料手（2）吸附式取料手（3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器（4）仿生多指

20、靈巧手由于要求簡單快捷，我們所選擇（1）夾鉗式取料手。根據(jù)尺寸要求我們初步設定手形狀如圖2-2所示： 如圖 2-2北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書7圖 2-2 機械手2.2.2夾緊與推進氣缸連接板：連接板使用與連接機器人各部零件的輔助零件，本設計共三處采用連接板連接即：機械手與推進汽缸連接、推進汽缸與旋轉(zhuǎn)氣缸的連接、旋轉(zhuǎn)氣缸與主體的鏈接分別如 圖2-3 由結(jié)構(gòu)推算可知板長 L=SS+S=150mm ，高 H=100mm ，厚 T=10mm。 （自制件） 圖 2-3 機器人連接板 推進氣缸的選擇：推進氣缸的選擇：根據(jù)資料，選取GA（C）P 系列平行雙桿氣缸，此系列氣缸為平行雙活塞桿作用氣缸，分

21、為滾動直線軸承導向式和滑動軸承導向式。該系列氣缸通過端板將并列的兩個活塞連接起來，在傳送工件時，可抗扭轉(zhuǎn)，導向精度高。兩活塞桿可均勻承載，相同缸徑下，輸出力增加一倍，行程可調(diào)，可多方向的組合安裝，安裝維修方便。根據(jù)實際工作情況，推進氣缸工作行程約為 200mm，因此選擇雙作用側(cè)進氣滑動軸承導向式GA（C）PH 氣缸，內(nèi)徑為 10mm。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書8圖 2-4 2.2.3 機器人總體模型的建立機器人的主要運動包括四個部分， （1）機械手的夾持運動， （2）手臂的伸縮運動，（3）手臂的旋轉(zhuǎn)運動， （4）手臂的上下運動，因此整個機器人需要四個驅(qū)動原件具體選擇見第三章。綜合形狀，

22、尺寸，性能，運動部件及設計理念建立機器人整體模型如圖2-5所示：圖 2-5 機器人的整體模型工作原理：小型機器人屬于搖擺式 和小型橫走式 。絲杠帶動機械手臂上下 運動 引拔行程 。前后行程和機械手夾緊放松，旋出入角度由旋出入角度架調(diào)節(jié) 均由驅(qū)動元件驅(qū)動（具體驅(qū)動元件的選擇見第三章）北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書9第 3 章 部件的選擇與計算本章我們介紹運動系統(tǒng)驅(qū)動元件，支撐元件，銜接元件的原則與參數(shù)的計算。3.1 驅(qū)動方式的選擇：常見的驅(qū)動方式有三種，液壓驅(qū)動 、氣動驅(qū)動 ，電機驅(qū)動。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表3.13：表 3.1 三種驅(qū)動方式的特點對照驅(qū)動方式內(nèi)容液壓驅(qū)動

23、氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率 很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa， 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題

24、較小伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除 DD 電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kPa(10 個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對排氣時有噪聲無北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書10環(huán)境有污染在工業(yè)機器人中應用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平

25、衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如 AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1） 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2） 反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3） 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4） 安全可靠；5） 操作和維護方便；6） 對環(huán)境無污染，噪聲要小；7） 經(jīng)濟上合理，尤

26、其要盡量減少占地面積。因此絲杠驅(qū)動選用步進電動機驅(qū)動，其他均用氣缸驅(qū)動。3.2 手指夾緊驅(qū)動氣缸的選擇與計算：3.2.1 手指夾緊驅(qū)動氣缸的選擇： 由于本設計將會大批生產(chǎn)投入使用，我們采用濟南華能公司汽缸產(chǎn)品。詳細產(chǎn)品規(guī)格與性能介紹均見濟南華能此產(chǎn)品設計書。本物料機械手用于堅持物體因此具有夾持功能因此汽缸初步選用擺動氣缸，又因工作要求和環(huán)境條件以及使用情況正確選擇氣缸，因此選擇QGABS輕型氣缸。 QGABSQGD系列擺動氣缸分為但作用和雙作用兩種。該氣缸徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單。主要適用于短行程夾具的夾緊工作。根據(jù)需要我們北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書11選擇雙作用類型的 QGABS薄輕型氣

27、 缸。3.2.2 夾緊汽缸規(guī)格的選擇：QGABS系列夾緊氣缸產(chǎn)品規(guī)格見表3.24：表 3.2 技術參數(shù)表機械手工作時所夾持的物體重為 F=20N，我們初設汽缸的缸徑為 16mm,氣缸的使用壓力范圍：0.15-0.8MPa，汽缸技術參數(shù)見表 3.3：表 3.3 夾緊氣缸參數(shù)因為使用使用壓力已知，則我們選用 QGABS50-90.3.3 推進氣缸的選擇：3.3.1 機械手驅(qū)動氣缸的選擇：根據(jù)要求，選取亞德客系列雙桿氣缸GA（C）P 系列。GA（C）P 系列平行雙桿氣缸參數(shù)如表 3.4 所示：北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書12表 3.43.3.2 機械手推進驅(qū)動氣缸規(guī)格的選擇：由于設計要求前后行

28、程為 150mm，上表顯示 TN 系列平行雙桿氣缸最大行程為150mm，因此我們需要計算最大行程為 150mm 的氣缸缸徑如何選擇，其參數(shù)如表3.5 所示表 3.5 平行雙桿氣缸計算參數(shù)北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書13由于第一章所設計可知整個材料均為鋁合金材料，機械手和連接板總質(zhì)量大約為 1.5k，擺動汽缸為 0.4kg，物料為 2kg，因此手臂前部總質(zhì)量最多為 4kg。所以在運動過程中需要最大拉力，推力為 40N，由圖 3-5 可選用缸徑為 16mm 汽缸。根據(jù)產(chǎn)品型號選擇說明我們選用 TN16-150所選汽缸外形及安裝尺寸如圖 3-3 所示：圖 3-1 汽缸外形尺寸3.4 旋轉(zhuǎn)氣缸的

29、選擇：旋轉(zhuǎn)氣缸在機器人中有著旋轉(zhuǎn)的作用，因其在實際工作中要求最大擺角為120和工作環(huán)境的要求依然選用擺動汽缸即可。QGABS 系列擺動氣缸是通過齒輪齒條將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、安裝空間小、動作靈活、傳動精度高、輸出扭矩范圍大等特點。廣泛應用于有擺動動作的場合，如輸送帶傳送，平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，閥門開閉等。由于夾緊汽缸和推進汽缸已確定所以整個旋轉(zhuǎn)所需動力已知在這里不再細算，參照表 3-2 與圖 3-1 可選旋轉(zhuǎn)汽缸為 QGABS50-90。 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書143.5 絲杠選擇:3.5.1 絲杠形式的選擇絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)

30、化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。主要有兩種（1）滾珠絲杠、 （2）滑動絲杠滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 1)與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到

31、 1/3 以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3)微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。

32、 5)高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。由聞邦椿， 機械設計手冊第五版，第二卷得到計算過程5： (3-3) maxmaxnVPh =式中: 導程 mm hp北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書15 min/8maxmv：工作臺最高移動速度 m/minvmax min/1500maxrn=：電機最高轉(zhuǎn)速 r/minnmax代入得： mmph5因此選擇絲杠公稱直徑為 20mm ，公稱導程為 5mm。3.5.2 滾珠絲杠副的確認相對于滑動絲杠副滾珠絲杠副有以下優(yōu)點：（1）傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達 90%98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的 24 倍，能

33、以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆） 。 （2）運動平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 （3）高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。 （4）高耐用性 鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好 由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相

34、同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性 與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 （7）無背隙與高剛性 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見圖 3-4） 、使鋼珠與溝槽達到最佳接觸以便輕易運轉(zhuǎn)。若加入適當?shù)念A緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書16更的精度。 圖 3-2 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)絲杠選用壓扎滾珠絲杠具體參數(shù)如表 3-6：表 3-6類型大徑中徑小徑牙型高牙高內(nèi)螺紋15mm1

35、3mm12mm1mm-外螺紋16mm15mm13.5mm-1.25mm絲母選用可自動消除軸向間隙的螺母絲母工作原理:靠彈簧的張力自動將兩個螺母反向撐開, 以消除軸向間隙，性能穩(wěn)定?？咳斯ざㄆ谡{(diào)整雙螺母，將螺旋的兩個螺母定期沿軸向壓緊，消除軸向間隙，調(diào)整后前后間隙不同。由于絲杠部分主要受軸向力，所以選用背靠背角接觸軸承。它可以同時承受較大的軸向負荷、徑向負荷和傾覆力矩。轉(zhuǎn)盤軸承一般都帶有安裝孔、內(nèi)齒輪或外齒輪、潤滑油孔和密封裝置，因而能使主機設計結(jié)構(gòu)緊湊，引導旋轉(zhuǎn)方便，安裝簡便和維護容易。綜上公稱導程為 6mm，公稱直徑 16mm ，牙頂牙底間隙 0.25mm ，旋合長350mm。3.6 光杠的

36、選擇與固定光杠不僅作為運行的導軌，還有承受一定的彎矩，因此在理想狀態(tài)下氣受力若滿足要求，那么就可以應用公式6。 （3-4）20(95 150 175)8.4MFLN m因此選擇光杠直徑為 16mm。為保證導向精度可選導向軸作為光杠，故選兩端外螺紋同經(jīng)型 D=mm，粗糙度為006. 0017. 0160.8。 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書17光杠固定塊是連接光杠和支架平臺的連接裝置，可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)（見第二章機械結(jié)構(gòu)的設計）需要來確定，因此可確：L=43Mmm ，W=48mm，H=85mm，可根據(jù)實際需要在進行調(diào)節(jié)。3.7 電機選擇：電動機是常用的原動機，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、控制簡便和維

37、護容易等優(yōu)點。電動機的類型根據(jù)動力源和工作條件, 根據(jù)工作需要選擇步進電機。由于機械手整個工作過程簡單所需功率較小我們選用 H 型步進電動機，H 型步進電動機技術參數(shù)見圖 3-47： 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書18圖 3-4 H 型步進電動機技術參數(shù)有圖技術參數(shù)我們可確定所選電動機型號為：103H 7823-0740。其具體參數(shù)見表 3.7：表 3.7 103H 7823-0740 具體參數(shù)步距角電壓相電流相電阻相電感保持力矩轉(zhuǎn)子慣量重量接線方式1.803.6V3A/phase1.2/phase2.4mH/phase2.1N.m0.8410-4kg.m21.34Kg13.8 聯(lián)軸器的選

38、擇：聯(lián)軸器是機械傳動常用的部件，它主要用來是聯(lián)接軸與軸（有時也聯(lián)接其它回北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書19轉(zhuǎn)零件） 。以傳遞運動與轉(zhuǎn)矩。用聯(lián)軸器連接的兩根軸只有在機器停車后用拆卸的方法才能把兩軸分離。根據(jù)實際連接狀況我們選用天津艾斯普斯精密機械有限公司生產(chǎn)的米思米規(guī)格尺寸的十字形螺塞固定型聯(lián)軸器系列如圖 3-58：圖 3-5十字形螺塞固定型聯(lián)軸器米思米規(guī)格尺寸的十字形螺塞固定型聯(lián)軸器三種型號具體規(guī)格與參數(shù)分別見表3.8 與 3.9：表 3.8 聯(lián)軸器規(guī)格北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書20 表 3.9 聯(lián)軸器參數(shù)上面我們選用了絲杠公稱直徑 20mm 和電動機的選擇。所以我們初選為 CPO

39、 形式聯(lián)軸器根據(jù)力學性能綜合考慮我們選用 CPO20 滿足要求。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書21第 4 章 控制部分4.1 PLC 控制步進電機：4.1.1 PLC 控制總體結(jié)構(gòu)：一般采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(gòu)。采用 PLC 控制由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進電機驅(qū)動器、步進電機和聯(lián)軸器等部分組成，見圖 4-1。圖 4-1 控制系統(tǒng)組成絲杠傳動副則應該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。4.1.2 行程控制行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進

40、電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定 PLC 輸出的脈沖個數(shù)：n= DL/d9 （4-1）式中： DL伺服機構(gòu)的位移量（mm）d 伺服機構(gòu)的脈沖當量（mm/脈沖）4.1.3 進給速度控制伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度,確定其 PLC 輸出的脈沖頻率:f=Vf/60d(Hz) （4-2）式中： Vf伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書224.1.4 進給方向控制進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制。步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步

41、進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進電機通電順序為 A-AB-B-BC-C-CA-A時步進電機正轉(zhuǎn);當繞組按 A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時步進電機反轉(zhuǎn)。因此可以通過 PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。4.1.5 PLC 的軟件控制邏輯步進電機的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應的控制。因此在控制軟件上設置一個脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號發(fā)生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用 PLC 中的定時器構(gòu)成，如圖 4-2 所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以

42、設置一脈沖計數(shù)器 C10。當脈沖數(shù)達到設定值時，計數(shù)器 C10 動作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機構(gòu)的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機構(gòu)定位。當伺服執(zhí)行機構(gòu)的位移速度要求較高時，可以用 PLC 中的高速脈沖發(fā)生器。不同的 PLC 其高速脈沖的頻率可達 圖 4-2 PLC 中的定時器構(gòu)成40006000Hz。對于自動線上的一般伺服機構(gòu)，其速度可以得到充分滿足。4.1.6 步進電機控制系統(tǒng)的組成步進電機的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進電機功率驅(qū)動器組成，其結(jié)構(gòu)見圖 4-1?？刂葡到y(tǒng)中 PLC 用來產(chǎn)生控制脈沖；通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，北京化工大學

43、成人教育畢業(yè)設計說明書23控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量；同時通過編程控制脈沖頻率既伺服機構(gòu)的進給速度；環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC 控制的步進電機可以采用軟件環(huán)行分配器，也可以采用如圖 4-1 所示的硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的 PLC 資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù) M4 時，對于大型生產(chǎn)線應該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復雜些，但可以節(jié)省占用 PLC 的 I/O 口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動器將 PLC 輸出的控制脈沖放大到幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動能力。一般

44、PLC 的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾幾十伏特、幾十幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動能力，因此應該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。4.1.7 可編程控制器的接口如伺服機構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用 PLC 的 I/O 口點數(shù)少于 5 點，一般僅為 3 點。其中 I 口占用一點，作為啟動控制信號；O 口占用 2 點，一點作為 PLC 的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉(zhuǎn)向控制信號，接至硬環(huán)的相序分配控制端，如圖 4-3 所示；伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時，其接口如圖 4-4。圖 4-3 硬

45、環(huán)的相序分配控制端圖 4-4 軟件環(huán)行分配器接口北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書244.2 PLC 控制氣動機械手：4.2.1 功能設計：機械手的任務是將平面 A 上的物品搬運到平臺 B。為使機械手動作準確，在機械手的極限位置安裝了限位開關 SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，對機械手分別進行下降，抓緊，上升，右轉(zhuǎn)，再下降，松料，再上升 ，左轉(zhuǎn)動作的限位，并發(fā)出動作到位的輸入信號。機械手的起、停由 SB1（啟動） 、SB2（停止）按鈕控制。機械手的上、下、左、右、夾料、松料等動作由氣動元件（氣缸）執(zhí)行，由六個相應的電磁閥驅(qū)動，統(tǒng)一由 PLC 控制。機械手實現(xiàn)的動作:下降 夾料 上升 右轉(zhuǎn)

46、 再下降 松料 再上升 左轉(zhuǎn)。在這個裝置中 ,我們只實現(xiàn)一個工件的循環(huán)動作 ,故在機械手回原點后 ,需將工件推回原來位置。4.2.2 動作流程設計：機械手順序動作的要求是：（1）按下啟動按鈕 SB1 時，機械手系統(tǒng)工作。首先下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關動作；（2）由光電開關檢測傳送帶上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，直至抓緊限位開關動作；（3）上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作；（4）右轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開關動作；（5）下降電磁閥再次通電，手臂下降，直至下降限位開關動作；（6）松料電磁閥通電，機械手打開，直至松料限位開關動作；（7

47、）手臂再次上升，至上升限位開關再次動作；（8）左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開關動作；即機械手復位到原位，開始下一個周期。圖 4-5 為順序功能圖：北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書25圖 4-5 順序功能圖4.2.3 電器元件的選擇：（1）行程開關 圖 4-610產(chǎn)品名稱：行程開關 產(chǎn)品型號：XZ-8/107產(chǎn)品大類：行程開關系列產(chǎn)品系列：XZ-8/型行程開關系列 （2）限位開關 圖 4-7產(chǎn)品型號: HD-01 工作溫度-4070 攝氏度,額定負荷 0.2A 60VDC, 動作力 2035g,接觸電阻小于或等于 0.02 歐,絕緣電阻大于或等于 100 兆歐,開關壽命 100 萬次。

48、北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書26圖 4-6 行程開關 圖 4-7 限位開關 北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書27結(jié)結(jié) 論論工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生一成長一成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機器人也被開發(fā)出來去適應制造領域以外的各個行業(yè)，這些機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人形機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途的特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進。其中移動機器人成為機器人學發(fā)展中的一個重要分支。實際上早在 60 年代，國外就有

49、了關于移動機器人的研究。發(fā)展到今天，移動機器人涉及到的各學科門類日益豐富，也給國內(nèi)外的研究人員及學者提出了許多新的挑戰(zhàn)，更由于其在軍事偵察、排雷排險、防核污染等危險與惡劣環(huán)境具有廣闊的應用。本次設計主要做了如下幾方面的工作：（1）概述了目前機器人技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，說明了開發(fā)機器人技術對社會發(fā)展的重要意義。（2）重點介紹了機械手的結(jié)構(gòu)和工作原理，為改進機器人技術提出了部分方案。北京化工大學成人教育畢業(yè)設計說明書28參考文獻：參考文獻：1.1 機電一體化技術手冊編委會. 機電一體化技術手冊.北京 機械工業(yè)出版社 1999.3 2.2唐金松.簡明機械設計手冊M.上海：上?？茖W技術出版社.199

50、23.3哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學M.北京：高等教育出版社.1981.4.4孫桓，李繼慶.機械原理教程M.西安：西北工業(yè)大學出版社，20075.5 濟南話能電氣公司產(chǎn)品說明書。6-1100 6.6聞邦椿.機械設計手冊第五版，第二卷，中國工業(yè)出版社 20017.7陳庾梅等.機械設計教程M. 西安：西北工業(yè)大學出版社，20068.8唐增寶，常建娥.機械設計課程設計M.武漢：華中科技大學出版社，2006.9.9 李仁定. 電機的微機控制.北京 機械工業(yè)出版社 1999.1010.10 楊長能等.可編程序控制器基礎及應用. 重慶 .重慶大學出版社 .1992.1致 謝通過此次畢業(yè)設計,暴露

51、出了平時學習當中存在的問題:學習不夠深入,了解不透徹,導致在做畢業(yè)設計的過程中,經(jīng)常對一些基本的知識點弄混。這次畢業(yè)設計是本課題在選題、研究和論文撰寫的過程中，得到了劉興德老師的悉心指導，提出了許多寶貴的意見和建議。老師嚴謹、求實的科研精神，樂觀豁達的人生態(tài)度，是我今后做人、做事、做學問的榜樣。在此表示衷心、誠摯的感謝。本次設計是在修完四年本科課程的基礎上進行的，是一次理論與實踐相結(jié)合的綜合性訓練。本次設計是對所學過的知識的綜合應用檢驗，在設計中加深了對以前所學知識的理解，同時又擴展了知識面。還鍛煉了獨自解決問題的能力。四個多月以來，在劉教師的悉心指導下，經(jīng)過個人的努力，順利完成了本次設計任務。在設計過程中，我學到了許多結(jié)構(gòu)設計方面的知識，而且學到很多以前在課上學不到的理論。在這過程中，我逐漸認識到，設計是與制造、裝配緊密聯(lián)系在一起的，做到先了解加工情況，做到心中有數(shù)，在進行結(jié)構(gòu)設計，以養(yǎng)成良好的習慣。畢業(yè)設計不僅使我們在理論知識和設計能力方面有所提高，而且培養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實際，尊重科學勇于實踐的品質(zhì)，以及克服困難的毅力和一絲不茍認真負責，對設計的全部技術結(jié)論計算的正確性全負責的科學態(tài)度和負責精神。再此，對指導教師以及熱心幫助過我的老師表示衷心感謝。