直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書】
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查報(bào)告
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
專 業(yè)
機(jī)械電子工程
學(xué)院/系
機(jī)械學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目
直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
課題來(lái)源/項(xiàng)目編號(hào)
企業(yè)
課題有無(wú)變化
□無(wú) □有 變化原因
中期報(bào)告（已完成的研究?jī)?nèi)容，所取得階段性成果，下一步工作計(jì)劃和研究?jī)?nèi)容等）
已完成的研究?jī)?nèi)容：直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的三維建模，各部件的選型及校核計(jì)算
所取得階段性成果：收集和整理相關(guān)資料，確定了整體設(shè)計(jì)方案，研究設(shè)計(jì)與計(jì)算，完成了部分計(jì)算內(nèi)容，設(shè)計(jì)基本框架已經(jīng)完成，圖紙完成80%
，已經(jīng)開始書寫說(shuō)明書，主要完成的是說(shuō)明書的計(jì)算。在實(shí)際研究中，明確了減速器的具體參數(shù)，進(jìn)行了一定的控制研究。
下一步工作計(jì)劃和研究?jī)?nèi)容：1完善總裝配圖。2 完成設(shè)計(jì)計(jì)算。3 設(shè)計(jì)控制方案。4繪制電氣接線圖。5 準(zhǔn)備最終答辯
學(xué)生簽名：
年 月 日
指導(dǎo)教師意見:
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
學(xué)院（系）意見
審查結(jié)果： □ 通過(guò) □ 不通過(guò)
院長(zhǎng)（系主任）簽名：
年 月 日
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
課 題 直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
年 級(jí)
姓 名 學(xué) 號(hào)
指 導(dǎo) 教 師 （簽字）
學(xué) 院 院 長(zhǎng) （簽字）
年 11 月 15 日
課題來(lái)源
企業(yè)課題
課題的目的
、
意義
適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料、空調(diào)等生產(chǎn)企業(yè)對(duì)紙箱、袋裝、罐裝、盒裝、瓶裝等各種形狀的成品進(jìn)行裝箱和碼垛。
要求
設(shè)計(jì)要求：碼垛距離為5m，物料重量50kg。
文獻(xiàn)翻譯20000印刷符號(hào)。完成工作平臺(tái)總裝配圖一張，若干部件圖和零件圖，計(jì)算機(jī)控制原理圖一張，設(shè)計(jì)圖紙總量不少于2張A0。設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書一本。
課
題
主
要
內(nèi)
容
及
進(jìn)
度
2011.11-2011.12 收集資料、調(diào)研、翻譯外文技術(shù)資料，完成開題報(bào)告。
2011.12-2012.1 研讀資料，擬定設(shè)計(jì)方案。
2012.1-2012.3 完成設(shè)計(jì)草圖，作必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2012.3-2012.4 最終完成總裝配圖，以及部件圖和零件圖設(shè)計(jì)。
2012.4-2012.5 完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。
2012.5.21-2012.5.25答辯準(zhǔn)備及答辯。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題名稱 ___直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
學(xué) 院
專 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師
定稿日期：
7
直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
1 選題背景、來(lái)源及其意義
本課題來(lái)自企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)。隨著社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域，越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)械手出現(xiàn)在我們的面前。特別是在搬運(yùn)、焊接、噴漆、裝配等條件比較惡劣和工作比較繁重的情況下，采用機(jī)器手代替人工勞動(dòng)有更大的優(yōu)越性，這不僅減輕了工人的工作強(qiáng)度，而且提高了工作效率和準(zhǔn)確性。特別是裝配線機(jī)械手在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化。
現(xiàn)代工業(yè)中， 生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化， 自動(dòng)化已成為突出的主題。 然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生 產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì) 出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。 機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：
1. 可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的 裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
2. 可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故 在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒 性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。 而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)， 大大地改善了工人的勞動(dòng) 條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工 作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用 機(jī) 械 手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由 于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī) 床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手， 以減少人力和更準(zhǔn)確地控制 生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。
2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械手雖然 目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危 險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視， 并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。 （王承義，1995） 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái) 機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī) 構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又 試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)） 。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存 儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年，美國(guó)機(jī)械 制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Vewrsatran 機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、 升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械 手，是后來(lái)國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大 學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子 計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司 還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主 要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控 制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感 覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò) 程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系 統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)節(jié)。
機(jī)械手應(yīng)用意義機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消 費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。 機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的 重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一 。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī) 械工業(yè)的快速發(fā)展。
機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性 能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 所以， 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍， 重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用 專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、 計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以 便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有 觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng) 中的一個(gè)基本單元。 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、 橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái) 完成規(guī)定的操作。
國(guó)外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使 它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍 許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取 得一定成績(jī)。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化， 高速化， 多軸化， 輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。 定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到 3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá) 到 6 軸，負(fù)載 2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制 造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀 態(tài)。 同時(shí)， 隨著機(jī)械手的小型化和微型化， 其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域， 而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
目前我國(guó)機(jī)械手的研發(fā)和應(yīng)用還處在一個(gè)發(fā)展的階段， 跟美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó) 家相比還有很大的差距，很多產(chǎn)品還需進(jìn)口，特別是高靈活、高精度的機(jī)械手。 要使我國(guó)機(jī)械工業(yè)更進(jìn)一步在發(fā)展壯大，就必須提高其自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率， 將人手操作變?yōu)闄C(jī)械手操作。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)加大對(duì)機(jī)械手及機(jī)器人的研發(fā)投入， 積極開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，從根本上解決對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的進(jìn)口需求。
3 研究?jī)?nèi)容
根據(jù)畢業(yè)任務(wù)書要求，將機(jī)器人設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。
設(shè)計(jì)部分：一、機(jī)械部分
1、底部導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
底部導(dǎo)軌主要用于機(jī)器人前進(jìn)和后退導(dǎo)向作用，和支撐整個(gè)機(jī)器人。 機(jī)器人與底部導(dǎo)軌采用滾珠絲杠傳動(dòng)，滾珠絲杠水平放置。
2、水平回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
水平基座采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同過(guò)兩級(jí)減速裝置與垂直轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承與箱體連接。
驅(qū)動(dòng)部分：步進(jìn)電機(jī)
傳動(dòng)部分：轉(zhuǎn)軸
執(zhí)行部分：水平機(jī)身
3、手臂部分設(shè)計(jì)
手臂與水平機(jī)身通過(guò)銷軸連接。手臂由4根鋼管形成的桁架組成。
手臂垂直擺動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)蝸輪蝸桿減速器與軸連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手臂。
驅(qū)動(dòng)部分：步進(jìn)電機(jī)
傳動(dòng)部分：軸、手臂后端
執(zhí)行部分：手臂
4、末端機(jī)械手設(shè)計(jì)
機(jī)械手采用雙支點(diǎn)連桿式機(jī)械手，機(jī)械手為多齒V字型，連桿接 液壓缸伸出桿，隨著液壓缸伸出桿的伸出和縮進(jìn)，機(jī)械手打開或閉合。
驅(qū)動(dòng)部分：氣壓缸
傳動(dòng)部分：連桿
執(zhí)行部分：多齒V字型手指
搬運(yùn)物體
設(shè)計(jì)機(jī)械手抓
計(jì)算并設(shè)計(jì)擺動(dòng)的電機(jī)
設(shè)計(jì)手臂
設(shè)計(jì)控制機(jī)械手抓的氣壓缸
設(shè)計(jì)水平回轉(zhuǎn)部件和電機(jī)選擇
設(shè)計(jì)導(dǎo)軌、滾珠絲杠選型和小部件選擇校核
完成
`
二、電氣部分
1、PLC選型
2、檢測(cè)裝置采用接近開關(guān)
PLC
驅(qū)動(dòng)電路
傳動(dòng)部分
末端執(zhí)行器
M1
M2
液壓缸
接近開關(guān)
反饋
4 研究方案
機(jī)械傳動(dòng)方案
該機(jī)器人的完成的任務(wù)是：將50KG的重物搬運(yùn)5m的距離，同時(shí)要求搬運(yùn)時(shí)機(jī)械手臂水平旋轉(zhuǎn)180°。抓取重物時(shí)要提升一段高度，放下時(shí)再下降響應(yīng)的一段距離。所以該機(jī)器人分為三個(gè)重要部分——底部導(dǎo)軌部分、機(jī)身水平旋轉(zhuǎn)部分和手臂上下擺動(dòng)部分。
底部導(dǎo)軌部分
采用雙導(dǎo)軌，傳動(dòng)采用滾珠絲杠。
機(jī)身水平旋轉(zhuǎn)部分
機(jī)身底座安裝在導(dǎo)軌和螺母上，水平基座采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同過(guò)兩級(jí)減速裝置與垂直轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承與箱體連接。箱體采用分體鉚接式。
手臂上下擺動(dòng)部分
手臂主體由4根鋼管、一個(gè)電機(jī)和蝸桿渦輪減速器組成，手臂由4根鋼管為主體構(gòu)成的桁架形成，桁架與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)螺栓連接，手臂轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在手臂箱體上，箱體與底部機(jī)器人的水平回轉(zhuǎn)通過(guò)螺栓連接。
電氣控制方案
控制部分采用PLC控制，PLC通過(guò)控制步進(jìn)控制器控制步進(jìn)電機(jī)，然后電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置時(shí)，接近開關(guān)采集信號(hào)，并反饋到PLC，PLC運(yùn)行程序，給出下一步動(dòng)作指令，達(dá)到機(jī)器人快速響應(yīng)的要求。
5 進(jìn)度計(jì)劃
2011.11-2011.12 收集資料、調(diào)研、翻譯外文技術(shù)資料，完成開題報(bào)告。
2011.12-2012.1 研讀資料，擬定設(shè)計(jì)方案。
2012.1-2012.3 完成設(shè)計(jì)草圖，作必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2012.3-2012.4 最終完成總裝配圖，以及部件圖和零件圖設(shè)計(jì)。
2012.4-2012.5 完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。
2012.6 答辯準(zhǔn)備及答辯。
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
開題答辯小組意見
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。
4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”）
建議結(jié)論
評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名：
評(píng)議小組組員簽名：
年 月 日
3
直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運(yùn)機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車、電子、機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn), 可以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。
本直進(jìn)回轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括水平移動(dòng)、機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手臂擺動(dòng)，末端執(zhí)行器為抓取物料的機(jī)械爪，完成三個(gè)自由度的動(dòng)作。由一個(gè)電磁閥控制的氣壓缸，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮桿移動(dòng)及機(jī)械抓夾緊工件的動(dòng)作，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶水平導(dǎo)軌移動(dòng)、機(jī)身旋轉(zhuǎn)和手臂擺，從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)工作。其動(dòng)作轉(zhuǎn)換靠設(shè)置在各個(gè)不同部位的行程開關(guān)、接近開關(guān)(SQ1---SQ11)產(chǎn)生的通斷信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，通過(guò)PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)外部線圈來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的水平移動(dòng)、機(jī)身回轉(zhuǎn)和手臂擺動(dòng)，或電磁閥產(chǎn)生不同的工作位，實(shí)現(xiàn)氣缸上下伸出、縮進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位，來(lái)滿足生產(chǎn)中的操作要求。
關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)械手，可編程控制器（PLC），氣壓，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥
ABSTRACT
With the popularization and development of industrial automation, the demand for the controller has been increasing year by year, carrying manipulator in industrial application also gradually universal, mainly in cars, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo handling scheduling,we can be more good to save energy and improve transport efficiency equipment or products, to reduce restrictions on the mode of transportation and inadequate to meet requirements of modern economic development.
This straight into rotary carrying manipulator mechanical structure includes the main including horizontal migration, the rotary motion and swinging arm, end actuators for grab materials mechanical claw, completed three degrees of freedom of action. By a solenoid control the pressure in the cylinder, to finished the telescopic rod manipulator mobile and mechanical grip the action of clamping workpiece, three step motor guide moving, the fuselage with level rotation and arm is placed, so as to realize the movement. The conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1---SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor' normal-reverse transfer to realize The horizontal movement of the lead rail, the rotary and arms move swinging; solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise position; to meet the production requirements of various operations and maintenance .
Key words: carrying manipulator, the programmable controller (PLC), air pressure, step motor, solenoid valves.
目 錄
1 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用簡(jiǎn)況及意義 1
1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的簡(jiǎn)介 1
2 直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的整體設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 4
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路及方案 4
2.3 電氣設(shè)計(jì)思路及方案 5
3 設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)、零件及校核計(jì)算 6
3.1氣缸的選型與計(jì)算 6
3.2 軸的選擇及校核計(jì)算 8
3.3選蝸桿蝸輪減速器 10
3.4步進(jìn)電機(jī)的選取和校核 12
3.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 22
3.6 軸承的選擇及校核 25
3.7 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 27
3.8 螺紋連接件的校核 31
4 機(jī)械手控制部分的設(shè)計(jì)、選型及程序內(nèi)容 33
4.1 總述 33
4.2 總體方案的設(shè)計(jì) 33
4.3機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件組成 33
4.4 電氣控制系統(tǒng)分析 36
4.5小結(jié) 38
5 結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 41
附 錄
45
直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運(yùn)機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車、電子、機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn), 可以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。
本直進(jìn)回轉(zhuǎn)式搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括水平移動(dòng)、機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手臂擺動(dòng)，末端執(zhí)行器為抓取物料的機(jī)械爪，完成三個(gè)自由度的動(dòng)作。由一個(gè)電磁閥控制的氣壓缸，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮桿移動(dòng)及機(jī)械抓夾緊工件的動(dòng)作，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶水平導(dǎo)軌移動(dòng)、機(jī)身旋轉(zhuǎn)和手臂擺，從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)工作。其動(dòng)作轉(zhuǎn)換靠設(shè)置在各個(gè)不同部位的行程開關(guān)、接近開關(guān)(SQ1---SQ11)產(chǎn)生的通斷信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，通過(guò)PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)外部線圈來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的水平移動(dòng)、機(jī)身回轉(zhuǎn)和手臂擺動(dòng)，或電磁閥產(chǎn)生不同的工作位，實(shí)現(xiàn)氣缸上下伸出、縮進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位，來(lái)滿足生產(chǎn)中的操作要求。
關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)械手，可編程控制器（PLC），氣壓，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥
ABSTRACT
With the popularization and development of industrial automation, the demand for the controller has been increasing year by year, carrying manipulator in industrial application also gradually universal, mainly in cars, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of production line or cargo handling scheduling,we can be more good to save energy and improve transport efficiency equipment or products, to reduce restrictions on the mode of transportation and inadequate to meet requirements of modern economic development.
This straight into rotary carrying manipulator mechanical structure includes the main including horizontal migration, the rotary motion and swinging arm, end actuators for grab materials mechanical claw, completed three degrees of freedom of action. By a solenoid control the pressure in the cylinder, to finished the telescopic rod manipulator mobile and mechanical grip the action of clamping workpiece, three step motor guide moving, the fuselage with level rotation and arm is placed, so as to realize the movement. The conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1---SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor' normal-reverse transfer to realize The horizontal movement of the lead rail, the rotary and arms move swinging; solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise position; to meet the production requirements of various operations and maintenance .
Key words: carrying manipulator, the programmable controller (PLC), air pressure, step motor, solenoid valves.
目 錄
1 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用簡(jiǎn)況及意義 1
1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的簡(jiǎn)介 1
2 直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的整體設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 4
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路及方案 4
2.3 電氣設(shè)計(jì)思路及方案 5
3 設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)、零件及校核計(jì)算 6
3.1氣缸的選型與計(jì)算 6
3.2 軸的選擇及校核計(jì)算 8
3.3選蝸桿蝸輪減速器 10
3.4步進(jìn)電機(jī)的選取和校核 12
3.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 22
3.6 軸承的選擇及校核 25
3.7 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 27
3.8 螺紋連接件的校核 31
4 機(jī)械手控制部分的設(shè)計(jì)、選型及程序內(nèi)容 33
4.1 總述 33
4.2 總體方案的設(shè)計(jì) 33
4.3機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件組成 33
4.4 電氣控制系統(tǒng)分析 36
4.5小結(jié) 38
5 結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 41
附 錄
1 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用簡(jiǎn)況及意義
在工業(yè)上，工業(yè)機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用，機(jī)械手而是相較新的機(jī)械電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代和未來(lái)化工業(yè)的面貌。通過(guò)自動(dòng)化的機(jī)械手能提高工作效率，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度起著十分重要的作用。大量運(yùn)用在裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。
在現(xiàn)代生產(chǎn)加工過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，雖然機(jī)械手目前還不如人手那樣靈活，但它具有不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲憊，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到更多部門的重視， 并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用， 機(jī)械手的意義如下：
（1）可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
（2）可以改善勞動(dòng)條件
避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的情況。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。
（3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人手工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。
綜上所述，機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。
1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的簡(jiǎn)介
這次課題的機(jī)械手選用氣動(dòng)傳動(dòng)，這里介紹一下氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展、現(xiàn)狀和未來(lái)。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，以及氣動(dòng)技術(shù)本身的一些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)。
1.2.1氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過(guò)程
氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。
大約開始于1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。20世紀(jì)30年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。至50年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過(guò)來(lái)，體積很大。60年代，開始構(gòu)成產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在70年代，由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進(jìn)進(jìn)氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí)代。90年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著奔騰性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問(wèn)世，智能氣動(dòng)這一概念產(chǎn)生，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)負(fù)氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位，智能閥島十分理想地解決了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制題目[3]。
1.2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀
由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、輕易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事產(chǎn)業(yè)等。
1.2.3 發(fā)展遠(yuǎn)景及方向
（1）重復(fù)高精度
精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指假如動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核產(chǎn)業(yè)和軍事產(chǎn)業(yè)等。
（2）模塊化
模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
（3）無(wú)給油化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求，不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、本錢低、壽命長(zhǎng)。
（4）機(jī)電氣一體化
由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，負(fù)氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)進(jìn)到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大進(jìn)步了系統(tǒng)的可靠性。
而今，電磁閥的線圈功率越來(lái)越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手[4]。
2 直進(jìn)回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
本課題內(nèi)容要求是：碼垛距離為5m，物料重量50kg。要求機(jī)械手抓住物料提升一定高度后，本機(jī)械手設(shè)計(jì)的是手臂向上擺動(dòng)，擺角為45°。手臂旋轉(zhuǎn)要求180°，機(jī)械手抓住物料前進(jìn)5m距離，下降一定距離，本機(jī)械手設(shè)計(jì)完成向下擺動(dòng)45°，到達(dá)水平位置放開物料。
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路及方案
根據(jù)任務(wù)書的要求，該機(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。其基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容：搬運(yùn)物體→設(shè)計(jì)機(jī)械手抓→設(shè)計(jì)控制機(jī)械手抓的氣壓缸→設(shè)計(jì)手臂→計(jì)算并設(shè)計(jì)擺動(dòng)的電機(jī)→設(shè)計(jì)水平回轉(zhuǎn)部件和電機(jī)選型→設(shè)計(jì)導(dǎo)軌、滾珠絲杠選型和導(dǎo)軌→部件的校核→完成。整體設(shè)計(jì)思路及傳動(dòng)方案為：
水平直進(jìn)部分：水平直進(jìn)移動(dòng)部分，水平移動(dòng)因?yàn)槌兄刈钪?，又要有一定的定位精度，并且要傳?dòng)靈活。所以選擇滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)，因?yàn)槌兄剌^大，所以選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌來(lái)承受主要的負(fù)重和機(jī)身重量，這樣可以減輕滾珠絲杠的受力，降低絲杠的疲勞，有利于提高絲杠的壽命。
豎直旋轉(zhuǎn)部分：豎直旋轉(zhuǎn)部分是整個(gè)機(jī)械手最重要的部分，它是機(jī)械手的主體部分，它的設(shè)計(jì)要求可以靈活回轉(zhuǎn)任意角度，是整個(gè)機(jī)械手的定位精度主要由機(jī)身的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)控制。所以在豎直機(jī)身大的設(shè)計(jì)上采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其定位精度較高，通過(guò)一級(jí)圓柱齒輪減速器傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)豎軸完成整個(gè)豎直回轉(zhuǎn)，完成整個(gè)機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
機(jī)械手肩部擺動(dòng)部分：肩部擺動(dòng)部分主要完成手臂的擺動(dòng)，設(shè)計(jì)這個(gè)自由度的主要考慮是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)空間不大的情況下，將物料提升一定高度，可以縮小回轉(zhuǎn)半徑，使機(jī)械手的搬運(yùn)能力和運(yùn)用范圍更加廣泛。肩部驅(qū)動(dòng)仍舊采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有較好的控制精度。因?yàn)槭直蹟[動(dòng)角度相對(duì)不是很大，故需要傳動(dòng)比比較大的減速器，又因?yàn)榧绮吭O(shè)計(jì)尺寸不能太大，所以選擇一級(jí)蝸輪蝸桿減速器，因?yàn)槠淠芤患?jí)減速就能達(dá)到很大的傳動(dòng)比，相對(duì)于兩級(jí)減速器的尺寸比較小，故采用蝸桿渦輪減速器。渦輪軸與手臂鍵連接帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)。
機(jī)械手部分：機(jī)械手抓取物料，選擇機(jī)械手的形式為夾鉗式，由氣缸驅(qū)動(dòng)，因?yàn)閵A鉗式機(jī)械手是杠桿原理，伸縮距離比較小，獲得較大的行程，所以氣缸的輸出力比較大，故選擇氣缸的內(nèi)徑較大。手的抓取動(dòng)作是由氣缸活塞桿帶動(dòng)水平拉桿，水平拉桿再帶動(dòng)豎直拉桿，豎直拉桿帶動(dòng)手指繞銷軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手的張開和閉合。
2.3 電氣設(shè)計(jì)思路及方案
電氣部分設(shè)計(jì)的總體思路是采用PLC控制整個(gè)機(jī)械手，采用三菱F2U系列的PLC控制，因?yàn)槿釬XPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相當(dāng)FX系列中最高檔次的超小程序裝置，除輸入出16～25 點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。
特點(diǎn) ——系統(tǒng)配置即固定又靈活；-編程簡(jiǎn)單；備有可自由選擇，豐富的品種；令人放心的高性能；高速運(yùn)算；使用于多種特殊用途；外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化；共同的外部設(shè)備。
其控制設(shè)計(jì)內(nèi)容：PLC→驅(qū)動(dòng)電路→M1、M2、M3和氣缸→傳動(dòng)部分→末端執(zhí)行器→接近開關(guān)、限位開關(guān)→反饋信號(hào)→PLC[5]。設(shè)計(jì)思路：PLC發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)執(zhí)行器，當(dāng)執(zhí)行器到達(dá)指定位置時(shí)，通過(guò)傳感器（限位開關(guān)或接近開關(guān)）檢測(cè)，將反饋信號(hào)傳遞給PLC,經(jīng)PLC內(nèi)部程序運(yùn)算，給出下一步指令。
3 設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)、零件及校核計(jì)算
3.1氣缸的選型與計(jì)算
物料為邊長(zhǎng)20cm的立方體，重50kg。夾持手指為直角型，手指由1根長(zhǎng)22.5cm的直角方形鋼條組成，手指的轉(zhuǎn)軸在距手指末端18cm處，手指立體合攏后如圖：
圖3-1手爪外形圖
當(dāng)手臂向上擺起時(shí)，物料重量完全由手指的夾緊力于物料的摩擦力，取摩擦系數(shù)為，工作壓力為p=0.4MPa則：
計(jì)算得N=2000N。
圖3-2手爪受力分析
受力分析并由手指的幾何關(guān)系得
每對(duì)手指受力=1680N有氣缸拉桿與手抓的幾何關(guān)系得：
F為氣缸活塞桿輸出力為3000N。
氣缸選型——由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）計(jì)算公式選型，由雙作用氣缸公式：
（3-1）
故選取雙作用氣缸缸徑為90mm
一般氣缸筒壁厚于內(nèi)徑比
氣缸缸筒承受壓縮空氣的壓力，其壁厚可按薄壁筒計(jì)算公式計(jì)算
式中 δ——缸筒壁厚，m
——試驗(yàn)?zāi)蛪毫Γ琍a，取
——缸筒材料許用應(yīng)力，Pa，其計(jì)算公式為
式中 ——缸筒材料抗拉強(qiáng)度，Pa
n——安全系數(shù)，一般取n=6~8
按公式計(jì)算出的壁厚為5.4mm，比較薄，加工比較困難，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都需要按照加工工藝要求，適當(dāng)增加壁厚，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得實(shí)際壁厚可選8mm或更大。活塞桿直徑選取，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得可初選為30mm。
手爪銷軸的強(qiáng)度校核
手爪的設(shè)計(jì)銷軸比較細(xì)，承受力很大，需要強(qiáng)度校核。最危險(xiǎn)處是手臂擺物料后，重物的重量都靠四只手指上產(chǎn)生的摩擦力，由圖3-2所示，銷軸受力為：
則手爪銷軸共受力為 則每只手指上銷軸受力。有機(jī)械設(shè)計(jì)軸的剪切校核為：
（3-2）
（3-3）
其中查機(jī)械手冊(cè)有[11] 。
3.2 軸的選擇及校核計(jì)算
3.2.1手臂桿設(shè)計(jì)校核
手爪共重5kg，氣缸及安裝法蘭盤共重6.17kg，物料為50kg，總計(jì)共重61.2kg。手臂采用1根45鋼棒料構(gòu)成，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為60cm。計(jì)算棒料直徑如下：
由第三強(qiáng)度理論有：
（3-4）
（3-5）
將公式（3-5）帶入公式（3-4）得：
其中彎曲許用應(yīng)力，查機(jī)械手冊(cè)得
取d=40mm。 則軸重5.92kg。
從新校核該軸 總轉(zhuǎn)矩為
再由第三理論校核
= （3-6）
故選取軸的尺寸滿足工作要求[6]。
3.2.2豎軸、軸Ⅰ的設(shè)計(jì)計(jì)算
豎軸：豎軸是主要承重的軸，主要承受肩部及手臂餓全部重量，受軸向力比較大，其中豎軸的最大角速度為，所以角加速度，加速時(shí)間t=0.5s，所以角加速度為。 根據(jù)理論力學(xué)計(jì)算公式：
（3-7）
所以
其中——是折算到豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
`
根據(jù)公式
（3-8）
（3-9）
其中：查機(jī)械手冊(cè)得[11]，把公式（3-9）帶入公式（3-8） 得：
選取豎軸兩級(jí)減速傳動(dòng)，第一級(jí)傳動(dòng)比。
所以軸Ⅰ的受到的扭矩為
根據(jù)公式（3-8）、（3-9）得：
3.3選蝸桿蝸輪減速器
3.3.1蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度：
（3-10）
則由公式（3-10）得：
其中
由機(jī)械設(shè)計(jì)查表得，，所以
由機(jī)械設(shè)計(jì)查表得：
得
查機(jī)械設(shè)計(jì)得：取
取
取
蝸桿的導(dǎo)程為:
3.3.2計(jì)算蝸輪蝸桿的效率
閉式蝸桿傳動(dòng)的功率損耗，蝸桿蝸輪傳動(dòng)的效率一般包括三部分，即嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗及浸油中攪油時(shí)的濺油損耗[7]。因此總效率為：
式中，、、分別為單獨(dú)考慮嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗及濺油損耗時(shí)的效率。而蝸桿傳動(dòng)的總效率，主要取決于嚙合摩擦損耗。當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，則
（3-11）
式中：——普通圓柱蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角；
——當(dāng)量摩擦角， ，其值可根據(jù)滑動(dòng)速度由機(jī)械設(shè)計(jì)表11-18或11-9選取，滑動(dòng)速度（單位為）為：
== （3-12）
式中：——蝸桿分度圓的圓周速度，0.5m/s；
——蝸桿分度園直徑，mm；
——蝸桿的轉(zhuǎn)速，
經(jīng)計(jì)算，， 則
由于軸承摩擦及濺油這兩項(xiàng)功率損耗不大，一般取0.95，則總效率
3.3.3蝸輪軸設(shè)計(jì)
由于蝸輪軸主要承受扭轉(zhuǎn)，故安扭轉(zhuǎn)來(lái)設(shè)計(jì)渦輪軸，蝸輪承受的扭矩為[8]：
由公式（3-8）、（3-9）得：
得 ：
所以選取蝸輪軸直徑為45mm。
由傳動(dòng)比為1:62，所以蝸桿承受的轉(zhuǎn)矩為
再由公式 （3-8）、（3-9）得：
得
選蝸桿直徑最細(xì)處為15mm。
3.4步進(jìn)電機(jī)的選取和校核
3.4.1肩部電機(jī)計(jì)算
先初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)130BYG3502 ，最大靜轉(zhuǎn)矩為37，單拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為1.2[4]。
（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
其中m=89.16kg l=60cm 得
蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
其中m=5.5kg D=19.53cm 得
軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
其中m=2.8kg D=4.5cm 得
蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
其中m=1.3kg D=1.5cm 得
由此得折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
計(jì)算得：
1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)槭直蹟[動(dòng)沒(méi)有移動(dòng)部件，故摩擦轉(zhuǎn)矩取，又因此傳動(dòng)沒(méi)有滾珠絲杠，故附加摩擦轉(zhuǎn)矩取。則有
根據(jù)式
考慮蝸桿渦輪的總效率η，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
（3-13）
——————對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。
（3-14）
其中：W ——————空載最快轉(zhuǎn)動(dòng)速度，為10.5rad/s；
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角，為1.2；
——————脈沖當(dāng)量，/脈沖。
將以上各式帶入式
算得。
設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.5s蝸輪蝸桿效率=0.5；則由式（3-13）
求得，故。
2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、一部分是移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)槟Σ赁D(zhuǎn)矩及附加摩擦轉(zhuǎn)矩都沒(méi)有，故只需計(jì)算最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由此計(jì)算： （3-15）
其中：
所以計(jì)算得：
故最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩得：
經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，得到加載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定[10]
考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
對(duì)于前面預(yù)選的行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)130BYG3502，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式的要求。
（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核
1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核
豎直向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量脈沖，由式 （3-16）
求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從130BYG3502的運(yùn)行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。
2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核
最快空載移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。查表的130BYG3502的極限運(yùn)行頻率為15000Hz，可見沒(méi)有超出范圍。
3）啟動(dòng)頻率的計(jì)算
已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表4-3可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率。則由式
（3-17）
可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為：得1000Hz。
上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于1000Hz。實(shí)際上，在采用軟件擺動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。
綜上所述，這里縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4.2機(jī)身旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的選擇及校核計(jì)算[4]
先初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BYG2502 ，最大靜轉(zhuǎn)矩為20，單拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為1.2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為15。
（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算為
其中m=327kg D=20cm
軸Ⅰ的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算
其中
軸Ⅱ的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算
其中
由此得折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
計(jì)算得：
1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)槭直蹟[動(dòng)沒(méi)有移動(dòng)部件，故摩擦轉(zhuǎn)矩取=0，又因此傳動(dòng)沒(méi)有滾珠絲杠，故附加摩擦轉(zhuǎn)矩取=0。則有
根據(jù)式
考慮蝸桿渦輪的總效率η，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
（3-13）
——————對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。
（3-14）
其中：W ——————空載最快旋轉(zhuǎn)速度，為1.57rad/s；
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角，為1.5；
——————脈沖當(dāng)量，=0.25mm/脈沖。
將以上各式帶入式 ，算得。
設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.5s，齒輪減速器效率=0.96；
求得
故
2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt、一部分是移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)槟Σ赁D(zhuǎn)矩及附加摩擦轉(zhuǎn)矩都沒(méi)有，故只需計(jì)算最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩即為豎軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)= 其中m為豎軸及所承受的重量m=257kg，為角加速度，
轉(zhuǎn)矩為
經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，得到加載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=3，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
（3）步進(jìn)電機(jī)的校核
1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核
向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量=0.25mm/脈沖，由式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從110BYG2502的運(yùn)行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。
2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核
最快空載移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。查表的110BYG2502的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見沒(méi)有超出范圍。
3）啟動(dòng)頻率的計(jì)算
已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表4-3可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率則由式可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為：得632Hz。
上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于632Hz。實(shí)際上，在采用軟件擺動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。
綜上所述，這里縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用110BYG2502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4.3水平電機(jī)的計(jì)算與選型
先初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)130BYG2502 ，最大靜轉(zhuǎn)矩為40，單拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為1.8，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為48。
(1)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
已知機(jī)身前進(jìn)的脈沖當(dāng)量δ=0.25mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程=5mm，出選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角α=1.2°，根據(jù)公式計(jì)算得：
由公式
=
1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)式
考慮蝸桿渦輪的總效率η，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
（3-13）
——————對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。
其中：V ——————空載最快移動(dòng)速度，為5cm/s；
——————步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角，為1.8°；
——————脈沖當(dāng)量，=0.25mm/脈沖。
將以上各式帶入式 ，算得。
設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.5s，圓柱齒輪減速器效率=0.96；則由式（3-13） 得：
求得=0.053
部件移動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：
===8.06 （3-18）
μ——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16；
——垂直方向的力，空載時(shí)取0；
η——總的傳動(dòng)效率。
由于附加摩擦轉(zhuǎn)矩，因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式
（3-19）
可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。
2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、一部分是移動(dòng)部件折算時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。由于附加摩擦轉(zhuǎn)矩，因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式
（3-19）
可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。
此時(shí)最大轉(zhuǎn)矩主要取決摩擦轉(zhuǎn)矩,部件移動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：
μ——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16；
——垂直方向的力，空載時(shí)取0；
η——總的傳動(dòng)效率。
經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，得到加載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定[12]
考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓減低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
對(duì)于前面預(yù)選的行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)130BYG2502，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式的要求。
（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核
1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核
前進(jìn)方向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由式 （3-16）
求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從130BYG2502的運(yùn)行矩頻特性可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。
2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核
最快空載移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。查表的130BYG2502的極限運(yùn)行頻率為15000Hz，可見沒(méi)有超出范圍。
3）啟動(dòng)頻率的計(jì)算
已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表4-3可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率。則由式
（3-17）
可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為：得750Hz。
上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于750Hz。實(shí)際上，在采用軟件擺動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)頻率選得很低，通常只有500Hz（即500脈沖/s）。
綜上所述，這里縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG2502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
3.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
根據(jù)設(shè)計(jì)的分析和計(jì)算要求，水平方向（左右）的脈沖當(dāng)量為=0.25mm/脈沖[13]。
（1） 工作載荷的計(jì)算
為工作最大載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力。它包括滾珠絲杠副的進(jìn)給力，移動(dòng)部件的重力，以及作用在導(dǎo)軌上的切削分力所產(chǎn)生的摩擦分力。根據(jù)最大軸向力公式:
（3-20）
因?yàn)闈L珠絲杠副的進(jìn)給力較小，忽略不計(jì)。
所以工作最大載荷 u =0.16;G為移動(dòng)部件總重，移動(dòng)部件質(zhì)量G約為3970N。
所以
（2）最大動(dòng)載荷的計(jì)算
設(shè)水平方向下最快的進(jìn)給速度，初選絲杠基本導(dǎo)程 ,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。
取滾珠絲杠的使用壽命T=8000h(一般機(jī)電設(shè)備取T=10000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速)，代入，得絲杠壽命系數(shù)（單位為r）。
查表3-30，取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)，
代入公式：
（3-21）
得最大動(dòng)載荷
初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，選用CM、CDM系列滾珠絲杠，其代號(hào)為：2005-2.5，其公稱直徑為,20mm，基本導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈X1列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為7988N，大于，滿足要求。
（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑，基本導(dǎo)程，代入
（3-22）
得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動(dòng)效率。（一般在0.8~0.9之間，摩擦角一般取10′）
（4）剛度的驗(yàn)算[14]
1）滾珠絲杠副的支撐采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，左、右支承中心距離約a為5000mm；鋼的彈性模量=；查表滾珠絲杠數(shù)據(jù)，得滾珠直徑，算得絲杠底徑=公稱直徑-滾珠直徑=16.825mm，則絲杠截面積
得，所以算的絲杠在工作載荷作用下拉\壓變形量如下：
絲杠的拉伸或壓縮變形量
（3-23）
----為絲杠底徑確定的截面慣性矩
----絲杠的最大工作載荷，單位N；
a----絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm；
----絲杠的彈性模量，鋼的=;
-----絲杠按底徑確定的截面積，單位為；
-----轉(zhuǎn)矩，單位。
（其中“+”號(hào)用于拉伸，“-”用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩M一般較小，式中第二項(xiàng)在計(jì)算是可酌情忽略）。所以，
（3-24）
綜上求得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量 。
2）根據(jù)公式
無(wú)預(yù)緊時(shí)
（3-25）
為有預(yù)緊時(shí)
（3-26）
——滾珠直徑，單位為mm;
——單圈滾珠數(shù)，（外圈環(huán)），-3（內(nèi)圈環(huán)）；
——滾珠總數(shù)量， ；
——預(yù)緊力，單位為N.
（當(dāng)滾珠絲杠副有預(yù)緊力，且預(yù)緊力達(dá)到軸向工作載荷的1/3時(shí)，值減小一半左右。）單圈滾珠數(shù)目Z=17；總滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力。則。
因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的三分之一，所以實(shí)際變形量可減小一半，取。
3）將以上算出的、代入
得變形總量。
由表3-27形成偏差和變動(dòng)量知，5級(jí)精度滾珠絲杠任意5000mm~6300mm軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許100，而對(duì)于此滾珠絲杠，總的變形量只有3.46 ，可見絲杠剛度足夠。
（5）壓桿穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠屬于細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足：
（3-27）
——臨界載荷，單位為N
——絲杠支承系數(shù)
——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時(shí)取小值
——滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm 。
查表3-34由于課題要求為單推—單推則絲杠支承系數(shù)=1有絲杠底徑，求得界面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離5000mm取最大值 。代入上式，得臨界載荷≈528N，遠(yuǎn)小于工作載荷Fm=800N，故絲杠會(huì)失穩(wěn)。所以另選擇CM、CDM系列滾珠絲杠，其代號(hào)為4005-2.5，=36.825mm，，所以計(jì)算得：，遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠會(huì)不失穩(wěn)。
綜上所述，初選的滾珠絲杠螺母副滿足使用要求。
3.6 軸承的選擇及校核
3.6.1肩部蝸輪軸軸承選擇及校核[15]
該軸承為深溝球軸承，型號(hào)為6209，基本額定動(dòng)載荷=3.5kN,基本額定動(dòng)載荷，徑向力,軸向力，載荷系數(shù)。
圖3-3 渦輪軸受力圖
（1）、軸承的徑向力
解得
取
（3-28）
（3-29）
軸承1受載荷大，故按計(jì)算。
徑向當(dāng)量動(dòng)載荷 大于兩軸承的徑向當(dāng)量靜載荷
（3-30）
算得工作時(shí)間遠(yuǎn)大于機(jī)器額定壽命，故軸承滿足要求。
3.6.2豎軸軸承校核
該軸承為圓錐滾子球軸承，型號(hào)為30206，e=0.38，Y=1.6，基本額定動(dòng)載荷,載荷系數(shù)。,, 。
（1）、軸承的徑向力
（3-31）
解得
（2）、計(jì)算派生軸向力
（3-32）
軸承1被壓緊，軸承2被放松。
（3-33）
（3-34）
軸承1受載荷大，故按計(jì)算。
算得工作時(shí)間大于機(jī)器額定壽命，故軸承滿足要求。
3.7 齒輪的設(shè)計(jì)及校核
已知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩=21971.2，小齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，齒數(shù)比，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作壽命10年（每天工作10小時(shí)，設(shè)每年工作300天）[20]。
1、 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1） 選直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2） 搬運(yùn)機(jī)械手為一般工作機(jī)器，速度不高，故選擇7級(jí)精度。
3） 材料選擇。由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-1選擇小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，大齒輪的材料為45鋼，硬度為200HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4） 選小齒輪齒數(shù)為=20，大齒輪齒數(shù)。
2、 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)[15]
由計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算
（3-35）
（1）、計(jì)算公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值
1） 、由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-7選取齒寬系數(shù)。
2） 、由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-6查得材料彈性影響系數(shù)。
3） 、由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；
4） 、試選載荷系數(shù)。
5） 、由式 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（3-36）
6） 、由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-19取疲勞壽命系數(shù) 。
7） 、計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由公式 （3-37）
=1600MPa=600MPa
=1.12550MPa=616MPa
（2）計(jì)算
1） 、試計(jì)算小齒輪分度園直徑，代入中較小的值。
（3-38）
2) 、計(jì)算圓周速度v。
（3-39）
3) 、計(jì)算齒寬
（3-40）
4） 、計(jì)算齒寬于齒高比。
（3-41）
5） 計(jì)算載荷系數(shù)。
根據(jù)速度V=0.143m/s，7級(jí)精度，由機(jī)械設(shè)計(jì)查表10-8得動(dòng)載系數(shù)；
直齒輪，；
由機(jī)械設(shè)計(jì)查表10-2查得使用系數(shù)；
由機(jī)械設(shè)計(jì)查表10-4用插值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支撐裝置非對(duì)稱布置時(shí)，。
由，查圖表10-13得：故載荷系數(shù)
（3-42）
6） 、按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由公式
（3-43）
7） 計(jì)算模數(shù)m。
（3-44）
3、 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（1）由彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（3-45）
1）、由機(jī)械設(shè)計(jì)查圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞極限；大齒輪的彎曲疲勞極限；
2）、由機(jī)械設(shè)計(jì)查圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù) ；
3）、計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由公式 得
（3-46）
4） 計(jì)算載荷系數(shù)K。
5） 、查取齒形系數(shù)
由機(jī)械設(shè)計(jì)查圖10-5
6） 、查取應(yīng)力校核系數(shù)。
由機(jī)械設(shè)計(jì)查圖10-5
7） 計(jì)算大小齒輪的并加以比較
（3-47）
大輪的數(shù)值大，所以代入大齒輪數(shù)值計(jì)算。
（2）、設(shè)計(jì)計(jì)算
（3-48）
對(duì)于此計(jì)算結(jié)果，由于齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m小于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由齒輪模數(shù)m的大小取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載力，僅于齒輪直徑有關(guān)，而滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)已經(jīng)滿足齒面彎曲強(qiáng)度，故取模數(shù)為4，按接觸疲勞強(qiáng)度算得分度園直徑為36.6mm,算出小齒輪齒數(shù)：
取
大齒輪齒數(shù)
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到了結(jié)構(gòu)緊湊。
4、 幾何尺寸計(jì)算
（1）、計(jì)算分度圓直徑
（2）、計(jì)算中心距
（3-49）
（3）、計(jì)算齒輪齒寬
取,。
3.8 螺紋連接件的校核
3.8.1豎軸連接螺釘校核
此螺紋連接為
豎直旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩為
則由機(jī)械設(shè)計(jì)公式
（3-50）
可求得受力最大的螺栓的工作剪力為：
（3-51）
求得 其中
螺栓的剪切強(qiáng)度條件為
（3-52）
故強(qiáng)度滿足要求[16]。
3.8.2水平導(dǎo)軌出的螺紋連接
此處螺紋連接為鉸制孔連接，主要受傾覆力矩。外加傾覆力矩為：
，由公式：
（3-53）
因 （3-54）
則 （3-55）
于是螺栓所受的最大工作載荷為：
（3-56）
其中：。
螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件根據(jù)
（3-57）
故強(qiáng)度滿足要求。
4 機(jī)械手控制部分的設(shè)計(jì)、選型及程序內(nèi)容
4.1 總述
由于搬運(yùn)機(jī)械手要求運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，需要控制的輸入量比較多，并且有手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)部分，在工廠工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣、干擾源眾多，如大功率用電設(shè)備的起動(dòng)或停止引起的電網(wǎng)電壓的波動(dòng)形成低頻干擾電焊機(jī)、電火花加工機(jī)床的電刷等通過(guò)電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾等，所以選擇PLC控制。選擇PLC控制可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，控制程序可變，具有很好的柔性，編程簡(jiǎn)單使用方便。搬運(yùn)機(jī)械手可以根據(jù)不同的工作環(huán)境，來(lái)編寫不同的程序，來(lái)達(dá)到靈活控制的要求，操作人員可以通過(guò)閱讀PLC的用戶手冊(cè)和短期培訓(xùn)，很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編程控制程序[17]。
4.2 總體方案的設(shè)計(jì)
搬運(yùn)機(jī)械手是順序控制，即控制機(jī)械手按一定順序動(dòng)作，需要控制的器件多，而且要達(dá)到靈活控制，反映速度快。所以選擇PLC控制，其反應(yīng)速度快，控制準(zhǔn)確。PLC發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制水平電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)傳動(dòng)裝置帶機(jī)身水平移動(dòng)，到達(dá)指定位置通過(guò)傳感器（限位開關(guān)或接近開關(guān)）檢測(cè)，將反饋信號(hào)傳遞給PLC,經(jīng)PLC內(nèi)部程序運(yùn)算，給出下一步指令，水平移動(dòng)停止，進(jìn)行手臂下降。手臂下降抓取物料，當(dāng)手爪達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)，手臂停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行抓取動(dòng)作。手開始抓取物料，當(dāng)手夾緊后，手停止合攏，進(jìn)行手臂向上擺動(dòng)。手臂擺動(dòng)到預(yù)定位置，手臂停止擺動(dòng)，進(jìn)行機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)身回轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，機(jī)身停止轉(zhuǎn)動(dòng)。水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)身水平移動(dòng)，到達(dá)預(yù)設(shè)位置，
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