《棒料搬運機械手設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《棒料搬運機械手設(shè)計（40頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘 要在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應用的范疇十分廣闊。在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計的機械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，減輕工人勞動強度而設(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，可用本機械手代替人力勞動。本設(shè)計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉(zhuǎn)方向

2、。本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手，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；機械手；搬運；工業(yè)機器人AbstractToday that develop continuously in the society, The robot are more and more Using at industry scene application. Replaces the manpower with the machine str

3、ength, Its the historical development tendency that liberates the humanity from the arduous physical labor. In the recent several years, the robot development not only more and more optimizes, but also moreover has covered many domains.Industrially, automatic control systems are found in numerous ap

4、plications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry.This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficienc

5、y and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the 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

6、paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was 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 assemb

7、ly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robotI棒料搬運機械手設(shè)計目 錄摘 要IVAbstractV目 錄.VII1 緒論1 1.1 工業(yè)機器人的技術(shù)與發(fā)展1 1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能2 1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手設(shè)計的意義22 機械手的總體設(shè)計3 2.1設(shè)計要求3 2.2 機械手的組成3 2.3 總方案的擬定4 2.4

8、機器人的工作空間4 2.5 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計5 2.5.1 機械手驅(qū)動器5 2.5.2 機械手傳動機構(gòu)53 機械手的傳動設(shè)計7 3.1 滾珠絲杠的選擇7 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定84 機械手的各電機選擇12 4.1 機械手手臂升降步進點擊的選擇12 4.2 機械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機的選擇145 機械手各氣動件的設(shè)計計算18 5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇18 5.1.1 氣爪夾緊力的要求18 5.1.2 缸徑的確定19 5.1.3 行程的確定20 5.1.4 氣缸的動速度20 5.1.5 擺動氣缸的選擇21 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇236 機器人控制系統(tǒng)的設(shè)置26 6.1

9、機械手控制器的選擇26 6.2 機械手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求26 6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計277 手臂驗算與機械手參數(shù).29 7.1 手臂平衡的驗算29I 7.2 機械手參數(shù)308 結(jié)論與展望31 8.1 結(jié)論31 8.2 不足之處及未來展望31致 謝32參考文獻33I1 緒論1.1 工業(yè)機器人的技術(shù)與發(fā)展機器人（又稱機械手，機械人，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，機器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作，也是

10、為了以機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，應用的范疇十分廣闊。工業(yè)機器人是典型的機電一體化高技術(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)量和經(jīng)濟效益，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)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢。工業(yè)機器人是一種機體獨立，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

11、定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，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)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代工業(yè)機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視

12、覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(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行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。世界上工業(yè)機器人萌芽于50年代的美國，經(jīng)過40多年的發(fā)展，已被不斷地應用于人類社會很多領(lǐng)域，正如計算機技術(shù)一樣，機器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。進入90年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在10%左右，世界上已擁有機器人數(shù)量達到70萬臺左右，1992、1993年世界機器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。與

13、全球機器人市場一樣，中國機器人市場也逐漸活躍，1997年上半年，我國從事機器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人約有410臺，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。目前全國約有機器人用戶500家，擁有的工業(yè)機器人總臺數(shù)約為1200臺，其中從40家外國公司進口的各類機器人占2/3以上，并每年以100150臺的速度增加。從機器人的應用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢，工業(yè)機器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景。1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運。本設(shè)計中的機械手有

14、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)計中的機械手是一種通用型棒料搬運機械手。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。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實現(xiàn)在機械手工作范圍內(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。通過對機械手的相應控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手設(shè)計的意義機器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應用與許多生產(chǎn)領(lǐng)域。由目前的發(fā)展狀況看，在可預見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。本機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)濟效益，減輕工人勞動強度而設(shè)計的。在某些勞動條件極其惡

15、劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。2 機械手的總體設(shè)計2.1 設(shè)計要求要求：本畢業(yè)設(shè)計要求學生掌握機器人或工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實現(xiàn)機械手的上升、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器人設(shè)計，要求所設(shè)計機器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達規(guī)定的地點。氣爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)2.2 機械手的組成執(zhí) 行 機 構(gòu)伸縮機構(gòu)升降機構(gòu)機 械 系 統(tǒng) 底座驅(qū) 動 機 構(gòu)電器混合驅(qū)動機 械 手 控 制 系 統(tǒng)圖2.1 機械手的組成圖本機械手

16、由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)：1.執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。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)計選用機械傳動、氣壓傳動和電機驅(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)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。2.3 總方案的擬定由設(shè)計要求本設(shè)計機械手實現(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械手。其中2個為旋轉(zhuǎn)，2個為平移。在工業(yè)機器人

17、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)容和需求確定機械手，利用步進電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(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)。其外觀與工作移動方位如圖2-2圖2.2 機器人外形圖2.4 機器人的工作空間本機械手底座采用圓柱坐標型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有

18、一定角度的繞機械手轉(zhuǎn)動軸的扇形體立體空間。機器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相對工作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積與機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2-3描述了本機械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。圖2.3 工作空間圖2.5 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計2.5.1 機械手驅(qū)動器機械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(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、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機，交流伺服電機及其步進

19、電機等。本設(shè)計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進電機作為驅(qū)動器（在第5章計算說明步進電機的選擇），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。102.5.2 機械手傳動機構(gòu)手臂的升降是步進電機通過聯(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。5如下圖2.4圖2.4 氣爪連接示圖底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進電機聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動。5如下圖2.5：1支座，2電機，3軸承，4帶傳動，5殼體6位

20、置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖2.5 機械手底座傳動示圖本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2-1。機械手類型四自由度圓柱坐標型抓取重量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，步進電機驅(qū)動 PLC控制手臂升降機構(gòu)長550mm，升降運動，升降范圍400mm，步進電機驅(qū)動 PLC控制手臂伸縮機構(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)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制表2-1 機械手參數(shù)表3 機械手的傳動設(shè)計3.1 滾珠絲杠的選擇絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計的手臂質(zhì)量約為25KG

21、即等效載荷。絲桿選為有效行程450mm , 由前電機選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 , 設(shè)計使用壽命取L=27106r ，工作溫度低于100，可靠度95%，精度為3級精度。1計算工作載荷： 式中： K顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，設(shè)計取為1.2 =1.2 245 = 294 N最大動負載C的計算 最大動負載C的計算公式： 12 查機電綜合設(shè)計指導書式2-14得式中： L工作壽命，單位為106r，本設(shè)計取為27106r fm運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取，本設(shè)計取1.2 Fm滾珠絲桿工作載荷（N）； 把以上數(shù)據(jù)代入得：選擇滾珠絲桿副的型號C=1058.4N按，查機電綜合設(shè)計指導書表2-7，選用漢江機床廠FN型滾珠絲杠，系

22、列代號為FN-2506-24。12其中 = 25 mm , =6mm ,螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算 螺旋導程角 = = = 357 效率的計算公式： 12 查機電綜合設(shè)計指導書式2-15得式中：絲桿螺旋導程角有前計算的 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為，其摩擦角為把以上數(shù)據(jù)代入得： 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，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設(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

23、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，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。諧波齒輪的設(shè)計基本參數(shù)如下：傳動比：；柔輪變形波數(shù)：U=2 ；柔輪齒數(shù)：；剛輪齒數(shù)：；模數(shù)：；柔輪臂厚：；尺寬：；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：； ； 分度圓直徑：； ； 齒頂圓直徑：； ； 齒根圓直徑：； ； 齒形角：； ； 變位系數(shù)： ； ；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

24、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：7 式中：T作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（），由前計算取得； 柔輪分度圓直徑，本設(shè)計中取為 =80mm ； 最大嚙入深度，近似取=（）m，本設(shè)計中取 ； b 齒寬（mm），設(shè)計中取為b=20mm ； 當量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可??； K載荷系數(shù)，取 ，設(shè)計中取為K=1.5 ； 齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取=8MPA ；所以，代入得： 因滿足，所以符合耐磨性要求 。柔輪強度計算：諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應力狀態(tài)，其正應力基本上是對稱變化的

25、，而切應力則呈脈動變化，若以分別表示正應力和切應力的應力幅和平均應力。11（1）正應力的應力幅和平均應力分別為： （2）由變形和外載荷所引起的切應力分別為： 則，切應力的應力幅和平均應力為： 以上式中：T柔輪工作轉(zhuǎn)矩（），由前計算取為：T=2 ； 柔輪齒根處的臂厚（mm），設(shè)計中取為：=0.6mm ； 計算平均直徑（mm），設(shè)計中為： ； E彈性模量（），設(shè)計中為E =206000 ； 變形量（mm），本設(shè)計中為 =80.880=0.8mm ；將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 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

26、為柔輪材料。30CrMnSiA的力學性能如下：6 ，球化處理后硬度為 ，且，?。?柔輪正應力安全系數(shù)和切應力安全系數(shù)分別為： 柔輪的安全系數(shù)： 此數(shù)值大于許用安全系數(shù)1.5，則柔輪強度滿足要求。 4 機械手的各電機選擇進電動機又稱脈沖電動機，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。本機械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進電機對系統(tǒng)位置控制比較準確且控制易于實現(xiàn)。故本機械手選用的驅(qū)動電機都是步進電機。4.1 機械手手臂升降步進點擊的選擇機械手手臂升降用步進電機來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。初選步進電機8由前計算絲桿導程為 本設(shè)計機械手手臂升降速度選定為 所以絲桿轉(zhuǎn)速

27、： 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： 式中： 機械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ； 機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；機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： ，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：； 手臂升降啟動或制動的時間：本設(shè)計取為；手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量，其中： 式中：絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量， 其中：式中：絲桿的公稱直徑由前計算得 絲桿的長度本設(shè)計取為0.6(m) 代入得： 升降電機與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 查機械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0得； 步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 查機電綜合設(shè)計指導書表2-18得；代入得： 把以上代入得： 其中

28、 ；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 查機械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0得代入得： 得： 電機與絲桿直接聯(lián)接所以i=1；所以 上式中：負載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s），如上計算 ：； 負載峰值力矩（），如上計算：電動機的功率計算式： 上式中：計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中?。海?絲桿傳動裝置的效率，一般取，本設(shè)計中?。?；代入以上數(shù)據(jù)得： 根據(jù)負載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為0.882，滿足負載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。12表4-1 電機參數(shù)電機型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(cm)最高空載啟動頻 率/HZ運行頻率/HZ

29、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm分配方式質(zhì)量/Kg75BF0033 330 0882（9）1250160001568三相六拍1584.2 機械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機的選擇機械手機身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時將手臂與機身一起旋轉(zhuǎn)機械手底座轉(zhuǎn)速：設(shè)計選取為即旋轉(zhuǎn)1800的時間為3s；回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： 式中： 機械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； 機械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；機械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；其中： ，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：； 底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計中； 與的轉(zhuǎn)化系數(shù)：，本設(shè)計中取 手臂、機身、轉(zhuǎn)軸對底座旋轉(zhuǎn)軸

30、線的轉(zhuǎn)動慣量 由于本機械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體所以算得轉(zhuǎn)動慣量并不一定十分準確。在選用電機時相應把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來選擇。式中：手臂無氣爪邊的質(zhì)量（kg），本機械手為 ；手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg），本機械手為 ；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；機身的質(zhì)量（kg），本機械手為； 其中：的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計算； 與相對應的長度（m） 。把以上數(shù)據(jù)代入得：底座電機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：上式中：負載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s），如上計算 ：； 負載峰值力矩（），如上計算：電動機功率的計算公式式： 式中： 步進電動機的功率（W） ；

31、 負載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s），由前計算 ：； 負載峰值力矩（），由前計算： =0.737（）； 計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中?。?； 底座傳動裝置的效率，估算為，本機械手取為：。根據(jù)負載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為的步進電機90BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩為1.96，滿足要求。表4-2 電機參數(shù)電機型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(cm)最高空載啟動頻 率/HZ運行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm分配方式質(zhì)量/Kg90BF0033 360 196（20）150080001764三相六拍425 機械手各氣動件的設(shè)計計算5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇 5.1.1 氣爪夾緊力的要求由

32、設(shè)計任務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)計的機械手搬運的工件定為圓柱形的棒料。其加緊視圖如圖5-1圖5-1 工件夾緊視圖工件重力 G=29.8=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。氣爪拿起工件所需的力 1 式中：G機器人的手爪抓取的工件的重力（N），本設(shè)計G=19.6； 安全系數(shù)，一般取,本設(shè)計中取=1.2； 機器人的手部工作狀況系數(shù)，按計算得=1.2； a為機器人手爪運動加速度的絕對值； 方位系數(shù)，根據(jù)機器人手爪與工件形狀選=1把以上數(shù)據(jù)代入得： =1.21.2119.6 =28.224N氣爪能拿起工件所需的夾緊力：式

33、中：鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù)=0.2查機械設(shè)計手冊(軟件版)R2.06得把以上數(shù)據(jù)代入得： 氣缸的選定中，首先確定其負載的大小，負載決定了缸徑的大??；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，其力學計算公式為： 拉力 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)代入得： 計算得的F為理論拉力

34、，其實際拉力可根據(jù)計算。式中：氣缸的工作效率，一般在之間。當工作壓力增高、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)代入得： 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5-2圖5-2 氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)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 代入數(shù)據(jù)得： 由計算得所以初選的缸徑40mm，活塞桿直徑12mm滿足設(shè)計要求。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)為負載移動的距離，確定此距離時要充分考慮工況情況，應預留出一點行程，避免活塞桿撞壞。由氣爪的工作要求本氣缸的行程為15mm。5

35、.1.4 氣缸的動速度氣缸的運動速度主要由所驅(qū)動的工作機構(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）安裝前，應在1.5倍工作壓力條件下進行試驗，不應漏氣。3）裝配時，所有密封元件的相對運動工作表面應涂以潤滑脂。4）安裝的氣源進口處必須設(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=12410-4其爪夾持的工件的轉(zhuǎn)動慣量為

36、： 式中：工件的質(zhì)量（kg），本設(shè)計為=2kg; 工件的半徑（m），本設(shè)計為=20mm; 工件的長度（m），本設(shè)計為=50mm;把以上數(shù)據(jù)帶入得： 加在擺動氣缸工作上的轉(zhuǎn)動慣量為：由擺動氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量選用預選費斯托公司的DSM-32-270-P-PW型氣缸。該氣缸的許用轉(zhuǎn)動慣量為：500X10-4 滿足要求。由下圖5-3氣缸擺動的時間約需0.3s圖5-3 氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量與擺動時間關(guān)系該氣缸是葉片驅(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

37、置不能移動。該擺動氣缸防水防塵。本氣缸可實現(xiàn)擺角范圍內(nèi)無極擺角調(diào)節(jié)下圖5-4為其擺角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示圖： 3-鎖緊螺釘，用于夾緊擋塊 4-供氣孔 5-終端調(diào)節(jié) 6-鎖緊螺釘，用于夾緊擋塊 7-無極可調(diào)節(jié)擋塊圖5-4 擺角調(diào)節(jié)示圖表5-1 氣缸各部件的材料材料機殼，止動杠桿陽極氧化鋁軸鍍鎳鋼轉(zhuǎn)動葉片GRP固定擋快/螺釘電鍍鋼緩沖器支座電鍍鋼擋塊螺釘不銹鋼端蓋GRP密封聚氨酯結(jié)構(gòu)特點工作壓力緩沖角重量32MM葉片驅(qū)動的擺動缸1.5-10bar0.9o-1.7o1.02kg表5-2 擺動氣缸參數(shù)5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 缸徑的確定 缸徑的計算公式 查液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊得式中：P氣缸的工作壓力（）,本氣

38、缸選為0.6 氣缸總的機械效率，本氣缸估算為0.4 D氣缸的內(nèi)徑（m）。 氣缸的負載力（N）。本氣缸負載較小取為10N把以上數(shù)據(jù)代入得： =0.02526m查機械設(shè)計手冊-氣壓傳動表22-1-64氣缸內(nèi)徑取標準為32mm。4 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)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.表5-3 氣缸參數(shù)最大許用工作壓力12bar（160.320mm;10bar）溫度范圍-20.

39、+80mm6bar時推進力N6bar時推進力N緩沖長度mm連續(xù)尺寸3248241519表5-4 氣缸材料型號DNG軸承和端蓋、缸筒；鋁；（；高質(zhì)合金鋼）；活塞桿、拉桿：高質(zhì)合金鋼；密封；丁腈連接形式由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負載較大，使推桿受的彎曲應力較大。選用該氣缸的一個安裝附件，導向單元FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導向單元上。下圖為該導向單元外觀圖5.5圖5.5導向單元下圖5.6為最大工作負載與導桿投影距離之間的關(guān)系圖圖5.6 負載特性圖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的情況下其最大負載為55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為4kg

40、，擺動氣缸質(zhì)量為1.02kg。所以導向單元的實際總負載=5.02kg=49.196N。滿足設(shè)計要求，該導向單元可用。 氣缸DNG 用于補償徑向和軸向偏差的連軸節(jié) 用戶可以根據(jù)需要在這根軸上加打安裝孔圖5.7 導向單元與氣缸連接圖6 機器人控制系統(tǒng)的設(shè)置6.1 機械手控制器的選擇工業(yè)機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行操作的機電一體化自動化裝置。工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)是通過控制氣缸電磁換向閥，電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)不同的動作的，有采用單片機控制的，也有采用可編程控制器來控制的，若采用單片機控制由于電磁的工作電壓高于單片機的+5伏電源所需驅(qū)動電流較大因

41、而須設(shè)計功率接口電路還要進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，當機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，補充擴展即可。機械手的速度、電機運行所需的脈沖數(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)濟效益。本設(shè)計機械手采用控制。6.2 機械手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機，PLC，計算機等來實現(xiàn)。在作業(yè)中機

42、器人的工作任務是要求操作機的末端執(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)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達到目標點的運動軌跡（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點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作業(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

43、執(zhí)行器嚴格按規(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，這種必須保證機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應的運動。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)計機械手控制系統(tǒng)的基本功能：本機械手要具有回原點、手動點動)和自動單步、連續(xù)1控制的操作方式。手動操作 用按鈕操作對機械手的每一種運動單獨進行控制?；卦c操作方式 按下回原點啟動按鈕，機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。操作前提是機械手

44、須處在原點位置上。1)單步操作 每按一次按鈕，機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)初始化指令來進行設(shè)計。總軟件系統(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行綜合。各結(jié)構(gòu)模塊如下：初始電路障礙報警程序點動操作程序回原點程序自動操作程序END圖6.1 機械手系統(tǒng)模塊本設(shè)計機械手完成的動作是一個固定的循環(huán)動作，其循環(huán)動作如下圖6.2

45、手臂下降初始位置底座旋轉(zhuǎn)手臂收縮手臂上升松開手臂下降手臂伸長夾緊手臂上升底座旋轉(zhuǎn)圖6.2 機械手的動作示意圖及動作順序本機械手中驅(qū)動部分由電機與氣動兩部分組成，其中電機部分由PLC直接控制。而氣動部分則由PLC控制電磁筏來實現(xiàn)控制。下圖6.3為氣動部分原理圖：圖6.3 氣動原理表6-1 氣動系統(tǒng)工作順序 電磁鐵動作1YA2YA3YA4YA5YA6YA氣爪夾緊-+-氣爪松開+-手臂伸出-+-手臂收縮-+-翻轉(zhuǎn)工件-+-轉(zhuǎn)正氣爪-+為了使機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

46、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 手臂驗算與機械手參數(shù)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。所以應該作平衡驗算。手臂氣爪端對絲桿的力矩：式中：手臂工件端對絲桿的力矩（）； 擺動氣缸的重力（N）,本設(shè)計為12.25N； 工件的重力（N）, 本設(shè)計為19.8N； 氣爪的重力（N）, 本設(shè)計為19.6N； 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:手臂端蓋端對絲桿的力矩：式中：Md手臂端蓋端對絲

47、桿的力矩（）； 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: 由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為代入得:手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負載情況，由單個螺栓承受此力矩時其受的拉力為Fl=M/L2式中：L2螺栓到絲桿的力臂（m），本設(shè)計為0.165m； M手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩，由前計算得M=7.83把以上數(shù)據(jù)代入Fl=M/L2得:Fl=7.83/0.165=47.45N底座選用的安裝螺栓為M10可得其最大工作條件下的應力 式中：A螺栓的截面面積，代入

48、得： 普通的螺栓的抗拉強度都大于450，可見螺栓能滿足要求。機械手工作能達到平衡。7.2 機械手參數(shù)氣爪夾力為表7-1 機械手的最終運動設(shè)計參數(shù)：機械手機構(gòu)工作范圍工作速度底座轉(zhuǎn)動角度2400轉(zhuǎn)動速度伸縮手臂伸縮距離300mm伸縮速度80mm/s手臂升降升降距離320mm升降速度35mm/s氣爪擺動擺動角度1800轉(zhuǎn)動速度表7-2 機械手工作精度：機械手機構(gòu)工作精度底座0.030伸縮手臂0.5mm手臂升降0.05mm氣爪擺動通過擋塊定位8 結(jié)論與展望8.1 結(jié)論 到此近90天的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，我大學階段的學習也將畫上句號。通過本次畢業(yè)設(shè)計的學習，牢固了自己所學的專業(yè)知識，提高了獨立思考解決

49、問題的能力，同時也真正初步了解一個機械設(shè)計的設(shè)計過程。也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助。8.2 不足之處及未來展望 在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題。從中使我認識到自己在很多地方的不足。有很多東西還要慢慢學習。由于本人水平有限以及畢業(yè)設(shè)計時間有限，本設(shè)計難免有不合理或不太準確的地方，懇請各位老師批評指正。 致 謝 在此衷心感謝學校、學院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝XX老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間給予的諸多指導。31參考文獻1 成大先.機械設(shè)計手冊M.第3卷.北京：化學工業(yè)出版社.20012 張鐵

50、,謝存禧.機器人學M.廣州:華南理工大學出版社.20043 陳統(tǒng)堅.機械工程英語M.北京:機械工業(yè)出版社.1996.4 成大先.機械設(shè)計手冊.單行本.氣壓傳動M.北京：化學工業(yè)出版社.20045 馮辛安.機械制造裝配設(shè)計M.北京: 機械工業(yè)出版社.20046 成大先.機械設(shè)計手冊.單行本.常用工程材料M.北京：化學工業(yè)出版社.20047 吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機械設(shè)計M.北京:高等教育出版社.20028 鄭堤,唐可紅.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)M.北京:機械工業(yè)出版社.20019 陸一心,氣壓與氣動技術(shù)M. 北京：化學工業(yè)出版社.200410 秦曾煌.電工學電子技術(shù)(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999.11 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊M.北京：化學工業(yè)出版社.2000.12 吳振彪.機電綜合設(shè)計指導M.廣東海洋大學.200213 馮開平，左忠義.畫法幾何與機械制圖M.廣州:華南理工大學出版社.200414 Robert J. Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,199015 Engel P A. Impact Wear of Mateialsr. 2nd ed. New York : Elsevier, 1986