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摘 要
沖壓上下料機(jī)械手主要是為了提高工廠的生產(chǎn)效率，減小工人的工作量而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)思路和原理也是依托工程在沖壓生產(chǎn)過(guò)程中的特點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)需要所設(shè)計(jì)的專門應(yīng)用沖壓作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，去圖書館查閱了相關(guān)設(shè)計(jì)資料，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)資源，在視頻網(wǎng)站上觀看研究了現(xiàn)在已有的沖壓上下料機(jī)械手工作工程，為后面的設(shè)計(jì)提供思路；在前期查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上介紹了現(xiàn)有機(jī)械手的主要應(yīng)用和組成，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定了本次設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)關(guān)鍵部件做了相應(yīng)的選型計(jì)算，利用三維建模軟件繪出三維模型，再以此為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)成二維工程圖紙；在機(jī)械設(shè)計(jì)的同時(shí)，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析機(jī)械手控制并制定控制方案。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手；三維建模；沖壓
第 II 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè)
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
Abstract
Up-down material characteristics in the process of stamping manipulator is based on the actual production, specially in order to improve the production efficiency, human liberation and so on and developed an automated machinery and equipment. Based on the search after reading information about manipulator, simply introduces the function, composition and classification. Overall design of manipulator in accordance with the requirements of project, to determine the coordinates of the manipulator, degrees of freedom of movement and technical parameters of the manipulator. According to the manipulator hand, wrist, arm, and the fuselage structure design and calculation of the obtained data, and through 3D software solidworks to map the product model, and finally to improve the structure of the manipulator. At the same time, draw the manipulator working principle of the pneumatic system diagram, select the appropriate components. Using PLC to control the manipulator, selected the suitable PLC model; According to the working process of the manipulator made the control scheme of programmable controller, draw the operation flow chart of the manipulator.
Key Words manipulator Parameter design Software simulation Stamping
目 錄
1 緒論 4
1．1 引言 4
1．2 機(jī)械手概述 4
1．3 機(jī)械手的組成 5
2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 7
2．1 機(jī)械手分類 7
2．3 控制方案的確定 9
2．5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)確定 10
3 手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1 手腕處軸承的選擇 11
3.2 電機(jī)及減速器選擇 12
3.3 同步帶選擇 12
3.4 帶輪的設(shè)計(jì) 13
4 手臂伸縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.1 伸縮裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 15
4.2 直線導(dǎo)軌與滑塊的選擇 16
4.3 傳動(dòng)同步帶選擇與相應(yīng)帶輪的設(shè)計(jì) 17
5 機(jī)械手升降部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
5.1 滾珠絲杠的選擇 19
5.2 伺服電機(jī)的選擇 21
6 機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 24
6.1 轉(zhuǎn)盤軸承的選擇 24
6.2 伺服電機(jī)的選擇以及減速比的確定 25
致謝 26
參 考 文 獻(xiàn) 27
第 27 頁(yè) 共 40 頁(yè)
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
1 緒論
1．1 引言
機(jī)械手的主要作用就是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中用來(lái)抓取和移動(dòng)工件，是現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中主要應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備[1]。機(jī)械手的廣泛應(yīng)用不僅可以減小工人勞動(dòng)力，而且相對(duì)人工而言，機(jī)械手的工作效率更高，同時(shí)，機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常也會(huì)碰到比較危險(xiǎn)的工作情況，這時(shí)，如果是人工進(jìn)行作業(yè)就非常危險(xiǎn)，而機(jī)器人的應(yīng)用就會(huì)有效的避免工作人員受傷的情況，進(jìn)而提高工程生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們國(guó)家的工業(yè)自動(dòng)化程度也有了大幅度的提高，機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，現(xiàn)在的機(jī)械手已經(jīng)從單一的抓取、移動(dòng)工件發(fā)展成為可以進(jìn)行工業(yè)裝配這樣復(fù)雜作業(yè)的機(jī)械手，機(jī)械手的工作精度也在逐步提高，作業(yè)性能越來(lái)越強(qiáng)[2]。雖然近些年我國(guó)自動(dòng)化程度得到了很大的提升，但相對(duì)于國(guó)外的很多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，例如：美國(guó)、日本、德國(guó)等，我們國(guó)家的機(jī)器人水平還是比較落后的，無(wú)論是機(jī)械人的作業(yè)效率、工作精度還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們國(guó)家和那些制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比都比較落后。當(dāng)今世界，制造業(yè)水平就代表著國(guó)家的世界地位，因此，對(duì)機(jī)械手的深入研究是十分有價(jià)值的。
1．2 機(jī)械手概述
很早之前的機(jī)械手和現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械手有很大的差別，前期的機(jī)械手功能比較單一，它的工作就是在一些機(jī)床邊上，用機(jī)械來(lái)完成簡(jiǎn)單的上下料工作，這種功能比較單一，只是簡(jiǎn)單的抓取或者移動(dòng)工件，正因如此，這類機(jī)械手的設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單，但它的應(yīng)用性能很好，只需要完成固定的工作就行，出錯(cuò)概率小。但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科技飛速進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化水平也不斷提高，特別是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，智能化的出現(xiàn)，這給機(jī)械手的發(fā)展帶來(lái)了福音，于是出現(xiàn)了可編程序控制的機(jī)械手，通過(guò)各種編程語(yǔ)言對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，讓它來(lái)完成程序里指定的動(dòng)作，應(yīng)用性強(qiáng)且可操作性更高[3]。
一個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)研發(fā)結(jié)合了現(xiàn)代社會(huì)里的各種高新技術(shù)，例如：計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)、材料學(xué)、傳感氣技術(shù)、人工智能等等，機(jī)械手作為應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)化設(shè)備，由于他自身獨(dú)特的應(yīng)用性能而被不斷研究制造，進(jìn)而逐步的形成了一個(gè)信息水平和市場(chǎng)活躍度高、應(yīng)用范圍廣泛的技術(shù)領(lǐng)域。從某種意義上來(lái)說(shuō)，機(jī)械手的研發(fā)應(yīng)用水平也就代表了一個(gè)國(guó)家的自動(dòng)化水平。
1．3 機(jī)械手的組成
一個(gè)完整的機(jī)械手系統(tǒng)主要包括了一下幾個(gè)方面：1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3；）控制系統(tǒng)；4）位置檢測(cè)裝置。組成機(jī)械手的各個(gè)系統(tǒng)之間有著不同的關(guān)系，具體如圖1.1所示。
圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖
控制系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
被抓取工件
位置檢測(cè)裝置
1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
組成機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件主要有下面這幾個(gè)：手部 、手腕、手臂和立柱等，這些部件的設(shè)計(jì)基本都是參考人的行為動(dòng)作，根據(jù)人工作業(yè)時(shí)的流程和動(dòng)作來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)。
(a) 手部
機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)里的手部，類似于人的手，用來(lái)抓取或者移動(dòng)物品的。由于抓取物品的方式多種多樣，機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)也就會(huì)有很多種，我們根據(jù)機(jī)械手執(zhí)行部件的手部和被抓取物件之間接觸方式的的不同，可以將手部大致分為夾持式和吸附式兩種。
(b) 手腕
手腕是機(jī)械手的關(guān)鍵部件，它主要是用來(lái)連接機(jī)械手的手部和手臂。
(c) 手臂
手臂是整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它主要是用來(lái)支承手部，同時(shí)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，手臂也要支撐被抓物件的的重量。機(jī)械手的手臂在驅(qū)動(dòng)力的作用之下將驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的手部來(lái)抓取物件，然后將按照我們之前所編定好的程序，將物料送到我們所要求的位置。在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂時(shí)，一定要考慮到手臂的承載問(wèn)題，確保手臂能夠滿足承載要求。
2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)械手系統(tǒng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，這個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)要想正常的工作，沒有合理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的動(dòng)力裝置主要是由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置以及輔助裝置幾個(gè)部分組成。經(jīng)過(guò)查閱大量機(jī)械人方面的設(shè)計(jì)材料以及各大工廠已經(jīng)在投入使用的機(jī)械人結(jié)構(gòu)，總結(jié)出來(lái)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般包括有液壓、氣壓、電機(jī)或者機(jī)械驅(qū)動(dòng)等幾種，每種的應(yīng)用范圍已經(jīng)設(shè)計(jì)難度和成本也各不相同，具體選擇要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要來(lái)進(jìn)行確定。
2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案
我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)要滿足一定的設(shè)計(jì)原則：根據(jù)實(shí)際工作需要分析相關(guān)設(shè)計(jì)要求，在滿足了系統(tǒng)功能的前提下，要盡可能的保證動(dòng)作合理平穩(wěn)，盡量選擇簡(jiǎn)單易于控制的結(jié)構(gòu)，并且在能滿足工作要去的情況下要盡量選擇成本較低的結(jié)構(gòu)，節(jié)省費(fèi)用。
2．1 機(jī)械手分類
1) 按使用范圍
雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上的機(jī)械手種類眾多，性能也各不相同，但是，不同類型的機(jī)械手的應(yīng)用范圍也各不相同，我們根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用可以把機(jī)械手大致分為兩類，一是專用機(jī)械手，二是通用機(jī)械手。
(a) 專用機(jī)械手
所謂的專用機(jī)械手，這類機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較為單一，一般是設(shè)置在某臺(tái)機(jī)床或者其他設(shè)備旁邊，這類機(jī)械手也會(huì)有固定的運(yùn)行程序來(lái)完成作業(yè)，但是它沒有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，因此這類機(jī)械手的動(dòng)作簡(jiǎn)單，可能只是一個(gè)或者幾個(gè)簡(jiǎn)單固定的動(dòng)作，正因如此，這種機(jī)械手的工作對(duì)象也是比較單一的，只能是固定大小形狀的零件，但是這類機(jī)械手的造價(jià)也比較低，屬于是早期的機(jī)械手，一般應(yīng)用在需要大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合，例如自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)床上下料等[7]。
(b) 通用機(jī)械手
通用機(jī)械手和專用機(jī)械手有很大的不同，這類機(jī)械手具有自己獨(dú)立的控制系統(tǒng)，程序也是可以調(diào)節(jié)的，這類機(jī)械手運(yùn)動(dòng)更加靈活，且動(dòng)作多樣。一般情況下，通用機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和它的控制系統(tǒng)都是獨(dú)立存在的，它可以在機(jī)械手的應(yīng)用范圍內(nèi)，通過(guò)改變我們之前所設(shè)計(jì)的控制程序，就可以讓機(jī)械手在不同的工作條件下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，所以這類機(jī)械手被廣泛應(yīng)用在小批量的加工生產(chǎn)中，一般在進(jìn)行小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格都不是同一的，要根據(jù)不同的規(guī)格進(jìn)行作業(yè)，這類機(jī)械手的靈活性剛好滿足要求。
2) 按驅(qū)動(dòng)方式
(a) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手
液壓傳動(dòng)機(jī)械手的工作原理就是通過(guò)液壓來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)械手的特點(diǎn)就在于，由于是液壓驅(qū)動(dòng)的，所以機(jī)械手的抓取力很大，而且傳動(dòng)平穩(wěn)，整個(gè)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理，布局緊湊。但是也有它自身的缺點(diǎn)，由于是液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手的動(dòng)力來(lái)源就是液壓，由于液壓油的特殊性，它的應(yīng)用條件就受到了很大限制，特別是在一些高溫、高壓、低溫等條件下，液壓傳動(dòng)可能就會(huì)受影響，同時(shí)，由于是液體的流動(dòng)性，液壓傳動(dòng)的關(guān)鍵就是密封問(wèn)題，這將直接影響機(jī)械設(shè)備的使用安全及性能。
(b) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
氣壓傳動(dòng)機(jī)械手的工作原理就是通過(guò)壓縮空氣的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)械手的主要特點(diǎn)就是，氣源比較方便獲得，而且成本較低，空氣獲取方便，并且空氣的輸出力也比較小，氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)就是速度快，設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備的后期維修方便。但是，這類機(jī)械手也有一些缺點(diǎn)，因?yàn)閴嚎s介質(zhì)為空氣，氣體具有壓縮特性，這樣就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在工作過(guò)程中可能會(huì)由于工作速度的影響而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定的情況，由于氣動(dòng)一般都比較快，所以工作時(shí)設(shè)備的沖擊也就比較大，另外一個(gè)關(guān)鍵部分就是抓取力，由于氣源額壓力比較低，所以在通過(guò)氣壓傳動(dòng)時(shí)，由于壓力的限制就是對(duì)抓取物尺寸有一定的限制。
(c) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手和其他傳動(dòng)方式的機(jī)械手不同，這類機(jī)械手的傳動(dòng)主要是依靠純機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在我們之前所學(xué)習(xí)的機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)中我們知道，連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及各種間歇機(jī)構(gòu)都能都實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械性，工作方式也就比較單一，因此這類結(jié)構(gòu)的機(jī)械手一般都是作為某種設(shè)備的專用機(jī)械手，這類機(jī)械手的主要特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)剛度高，運(yùn)動(dòng)頻率大，但是由于這類機(jī)械手傳動(dòng)部件采用的是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以它的結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)而言就會(huì)大很多，而且動(dòng)作單一。
(d) 電力傳動(dòng)機(jī)械手
電力傳動(dòng)機(jī)械手的工作原理就是依靠各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)動(dòng)作，這類機(jī)械手的結(jié)構(gòu)一般都比較簡(jiǎn)單，由于是通過(guò)電機(jī)直接給驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣就省去了很多動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。
2．3 控制方案的確定
考慮到機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中的通用性，我們?cè)诒敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)械手的控制部分采用的是PLC控制。利用PLC控制的優(yōu)點(diǎn)就在于當(dāng)機(jī)械手的工藝流程發(fā)生改變時(shí)，我們就只需改變相應(yīng)PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷[17]。
2．4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的所研究的的機(jī)械手應(yīng)能滿足水平伸縮、垂直升降、軸向旋轉(zhuǎn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，由機(jī)械原理的相關(guān)知識(shí)可以知道，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該具有4個(gè)自由度：手腕回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降和手臂左右擺臂4個(gè)運(yùn)動(dòng)。我們通常所見到的機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),基本上可以分為以下4種: a.直角坐標(biāo)型；b.圓柱坐標(biāo)型；c.球坐標(biāo)型；d.多關(guān)節(jié)型。
沖床上下料機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)沖床上工件的上下料工序，考慮實(shí)際生產(chǎn)中的作業(yè)空間，結(jié)合以上幾種機(jī)械手的特點(diǎn)，最終選定機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，經(jīng)過(guò)前面工作的設(shè)計(jì)分析，綜合設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際工作環(huán)境，初步確定一下設(shè)計(jì)方案：
1. 機(jī)器人的手臂伸縮結(jié)構(gòu)同步帶實(shí)現(xiàn)，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后同步帶帶動(dòng)滑塊沿直線導(dǎo)軌左右移動(dòng)，這樣就完成了機(jī)器人手臂的伸縮；
2. 機(jī)器人的手臂升降裝置初步設(shè)計(jì)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，然后絲杠螺母帶動(dòng)滑塊沿直線導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)；
3. 機(jī)器人的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪嚙合使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂旋轉(zhuǎn)。
4. 機(jī)器人的手腕回轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶的方式。
5. 采用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。
2．5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)確定
1） 自由度：4 ；
2） 承載重量0-10kg ；
3） 直線最大速度0.5m/s；
4) 旋轉(zhuǎn)半徑：1200mm-1700mm ；
5) 設(shè)備總高 1500mm-2000mm ；
6) 吸盤回轉(zhuǎn)角180。；
7) 伸縮長(zhǎng)度1000mm-1700mm ；
8) 定位精度±0.1mm 。
3 手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 手腕處軸承的選擇
根據(jù)前面我們對(duì)機(jī)械手的分析和方案設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)要求可以選用內(nèi)徑為d=25mm的深溝球軸承，轉(zhuǎn)速約30r/min，軸承的徑向載荷約Fr=100N，軸向載荷約，工作壽命。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我查閱了關(guān)于軸承的設(shè)計(jì)手冊(cè)，通過(guò)查看手冊(cè)里的軸承選型表，初步選用的軸承代號(hào)為61805，d=25mm，基本額定動(dòng)載荷，滾珠直徑為，滾珠數(shù)量為，基本額定靜載荷。
,
查表得：軸徑載荷比，，X=0.56，Y=2.022，
徑向當(dāng)量動(dòng)載荷：
查表得：力矩載荷因數(shù)為，沖擊載荷因數(shù)，速度因數(shù)，溫度因數(shù)，壽命因數(shù)：
通過(guò)上面的額計(jì)算我們可以清楚的知道所選擇的軸承動(dòng)載荷滿足設(shè)計(jì)要求，因此軸承的選擇合適。
校核軸承的額定靜載荷：
，取，取，，
故軸承61805滿足要求。
3.2 電機(jī)及減速器選擇
由前一章中我們對(duì)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)部分的分析可以知道，機(jī)械手的額手臂部分采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將動(dòng)力傳到手腕處實(shí)現(xiàn)手腕處工件的回轉(zhuǎn)。
我們?cè)谑滞筇幖僭O(shè)被抓物品的重量為，工件直徑，手腕處轉(zhuǎn)速。
設(shè)計(jì)計(jì)算：
計(jì)算工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
假設(shè)減速器傳動(dòng)部分的總共減速比為,故而最終折算到伺服電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。
計(jì)算過(guò)程中我們要按照負(fù)載慣量小于3倍的電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的設(shè)計(jì)原則：
查閱電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，并且在網(wǎng)上查閱了電機(jī)的選型，最終選用電機(jī)，，
則, , ，取
校核輸出轉(zhuǎn)速：，滿足要求。
為了盡可能的減少結(jié)構(gòu)的重量和機(jī)械手的尺寸，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)會(huì)盡量的選擇級(jí)數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低的減速器，與此同時(shí)，我們也要盡可能的保證較高的定位精度，結(jié)合之間我們分析的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，可以選擇直角型的一級(jí)減速器，通過(guò)查閱減速器的設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，一級(jí)減速器的最高減速比為，因此我們可以在本次的設(shè)計(jì)中選擇同步帶輪減速設(shè)計(jì)為。
3.3 同步帶選擇
根據(jù)前面的選型計(jì)算，我們確定了同步帶輪的減速比為2，手腕部抓取的工件由靜止?fàn)顟B(tài)加速到最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速30r/min，也就是說(shuō)它的角速度為時(shí)，這個(gè)過(guò)程用時(shí)大約需要，因此，在這個(gè)過(guò)程中設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)需要做的功為，平均功率，最大功率約為。
設(shè)計(jì)計(jì)算：
計(jì)算設(shè)計(jì)功率(為工況系數(shù)）
通過(guò)上面的設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)查閱同步帶的設(shè)計(jì)選型手冊(cè)，最終考慮采用圓弧型同步帶，，,因此選擇帶節(jié)距為。
3.4 帶輪的設(shè)計(jì)
確定小帶輪齒數(shù)：，大學(xué)期間我們都學(xué)過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)帶輪的學(xué)習(xí)，我們知道，帶輪的最少齒數(shù)為，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的帶輪設(shè)計(jì)部分，最終選擇小帶輪齒數(shù)。帶輪結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖3.1 帶輪結(jié)構(gòu)示意圖
小帶輪節(jié)圓直徑
帶速：
式中：—允許的最大轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)計(jì)算我們可以得出結(jié)論帶速齒數(shù)合適。
由傳動(dòng)比，得大帶輪齒數(shù)
大輪節(jié)圓直徑
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要初定中心距約為，
則初定帶節(jié)線長(zhǎng)度
通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的同步帶及帶輪設(shè)計(jì)部分，我們可以確定同步帶的節(jié)圓長(zhǎng)，齒數(shù)。
實(shí)際中心距
計(jì)算小帶輪的嚙合齒數(shù)，因此我們的設(shè)計(jì)是合理的，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
通過(guò)查表可得，基準(zhǔn)額定功率，小齒輪嚙合系數(shù)，圓弧齒的帶長(zhǎng)系數(shù)。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的同步帶部分知道基準(zhǔn)帶寬，
故帶寬
查相應(yīng)表格，選定帶寬為15mm。
4 手臂伸縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)器人要滿足三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其中伸縮運(yùn)動(dòng)主要就是依靠伸縮裝置來(lái)完成，本章將隨機(jī)械人伸縮部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。
4.1 伸縮裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
伸縮裝置是機(jī)械手臂的動(dòng)力來(lái)源，機(jī)械手臂作為整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)最重要的部件，承載了機(jī)械手工作時(shí)的重量，所以要有足夠的動(dòng)力才能驅(qū)動(dòng)它進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，我們通常所見到的機(jī)械手手臂的動(dòng)力源一般就是液壓、氣壓或者是電機(jī)直驅(qū)等，在這些動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)作用下，機(jī)械手臂的執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂伸縮動(dòng)作。在進(jìn)行機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，伸縮手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分，合理的選擇機(jī)械手臂伸縮結(jié)構(gòu)將直接影響整個(gè)機(jī)械手工作性能。一般情況下，由我們之前所學(xué)習(xí)的機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)可以總結(jié)機(jī)械手臂的執(zhí)行部件一般可以是以下幾種：液壓油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮動(dòng)作。
要實(shí)現(xiàn)手臂在伸縮平穩(wěn)的動(dòng)作，避免手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，一般情況下我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)對(duì)伸縮結(jié)構(gòu)加上導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置的主要作用就是以保證機(jī)械手臂能夠安全平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，保證工作精度。除此之外，機(jī)械手的手臂作為整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)中重要的承載部件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小手臂的受力，因此，加裝導(dǎo)向裝置不僅可以保證機(jī)械手臂平穩(wěn)工作，還能承載機(jī)械手臂在系統(tǒng)中所受的各種力矩，使整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，受力合理。我們通常所見到的導(dǎo)向裝置一般是以下幾種：?jiǎn)螆A柱、雙圓柱、四圓柱和燕尾槽、V形槽等結(jié)構(gòu)，我們可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行合理選擇。
圖4.1 伸縮結(jié)構(gòu)示意圖
本次設(shè)計(jì)采用的就是燕尾槽導(dǎo)向裝置，同時(shí)利用伺服電機(jī)作為伸縮裝置的動(dòng)力來(lái)源，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，滑臺(tái)在同步帶的運(yùn)動(dòng)作用下左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮，具體結(jié)構(gòu)示意圖4.1所示。
4.2 直線導(dǎo)軌與滑塊的選擇
根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，伸縮裝置的移動(dòng)速度在裝置中就是移動(dòng)滑塊的移動(dòng)速度，其中最大速度，伸縮運(yùn)動(dòng)的行程為1000mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求我去圖書館借閱了直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)手冊(cè)，并且在網(wǎng)上也查閱了很多有關(guān)直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)資料，最后初步采用導(dǎo)軌滑塊型號(hào)為H20FN（TBI直線導(dǎo)軌手冊(cè)），在移動(dòng)裝置中，本次設(shè)計(jì)采用了四個(gè)滑塊來(lái)完成承載移動(dòng)，滑塊導(dǎo)軌的基本額定動(dòng)負(fù)荷:,基本額定靜負(fù)荷：。
1）靜安全系數(shù)計(jì)算
根據(jù)上面的設(shè)計(jì)以及查閱有關(guān)直線導(dǎo)軌滑塊的設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，導(dǎo)軌滑塊的最大等效負(fù)載為,因此安全系數(shù)計(jì)算如下：
2）額定壽命的計(jì)算
表4.1 負(fù)載系數(shù)
振動(dòng)·沖擊
速度（V）
振動(dòng)（G）
微
小
大
根據(jù)上面的負(fù)載系數(shù)表數(shù)據(jù)，我們選取滑塊的負(fù)載系數(shù) 。
查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算直線導(dǎo)軌的額定壽命，根據(jù)下面的計(jì)算公式分別計(jì)算四個(gè)導(dǎo)軌滑塊的使用壽命：
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算我們可以直觀的看到，設(shè)計(jì)的直線導(dǎo)軌的壽命為：。
，最終計(jì)算出使用壽命時(shí)間為：
因此滿足設(shè)計(jì)需求。
4.3 傳動(dòng)同步帶選擇與相應(yīng)帶輪的設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌和滑臺(tái)的設(shè)計(jì)，并在三維軟件中建立模型，利用三維軟件的質(zhì)量檢測(cè)功能，可得導(dǎo)軌滑塊上移動(dòng)單位質(zhì)量大概有，設(shè)定負(fù)載和滑臺(tái)之間的摩擦系數(shù)為。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示：
圖4.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計(jì)計(jì)算：
1)負(fù)載折算到驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算過(guò)程如下：
計(jì)算過(guò)程中我們按照負(fù)載慣量小于3倍電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量的設(shè)計(jì)原則，
則
2）電機(jī)扭矩計(jì)算
電機(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)需要克服摩擦力，在這個(gè)過(guò)程中電機(jī)所需要轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：
在加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩：
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩
最大扭矩。
3）電機(jī)轉(zhuǎn)速
經(jīng)過(guò)上面的設(shè)計(jì)計(jì)算，查閱電機(jī)和同步帶的設(shè)計(jì)手冊(cè)，最終決定選擇電機(jī)型號(hào)為ECMA-C△0807。同時(shí)電機(jī)輸出軸出的同步帶型號(hào)為：圓弧型5M,帶寬20mm。
5 機(jī)械手升降部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 滾珠絲杠的選擇
通過(guò)上面的設(shè)計(jì)計(jì)算，我們可以確定移動(dòng)物重量大概是，機(jī)器人的升降行程為，升降速度為，要求壽命，摩擦系數(shù)，升降部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件分別如圖5.1和圖5.2所示。
圖5.1 絲杠垂直運(yùn)動(dòng)
圖5.2 運(yùn)動(dòng)時(shí)間圖
設(shè)計(jì)計(jì)算：
1）容許軸向負(fù)荷
假定向上為正
1) 在等加速度下降過(guò)程中：
2) 在等速下降時(shí)
3) 等減速下降時(shí)
4) 等加速上升時(shí)
5) 等速上升時(shí)
6) 等減速上升時(shí)
經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算我們可以知道，最大軸向負(fù)荷出現(xiàn)在等加速上升階段：
2）基本動(dòng)額定負(fù)荷
表5.1 運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程明細(xì)表
運(yùn)轉(zhuǎn)條件
軸向負(fù)荷（N）
平均轉(zhuǎn)速（rpm)
使用時(shí)間（s）
加速下降
1200
0.1
等速下降
2400
1.65
減速下降
1200
0.1
加速上升
1200
0.1
等速上升
2400
1.65
減速上升
1200
0.1
平均負(fù)荷
平均轉(zhuǎn)速
根據(jù)之前我們所設(shè)定的疲勞壽命20000小時(shí)
此為普通運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，
故動(dòng)額定負(fù)荷
3）基本靜額定負(fù)荷
（其中）
綜合以上的設(shè)計(jì)計(jì)算，查閱滾珠絲杠的相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，最終采用滾珠絲杠型式：SFI02505-4，軸頸25mm，導(dǎo)程為5mm。
5.2 伺服電機(jī)的選擇
（一）慣性矩
1) 絲桿軸：
2) 可動(dòng)部：
3) 傳動(dòng)件慣性矩總和：
（二）驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算
1) 外部負(fù)荷造成的摩擦扭矩
(a) 等加速下降時(shí)
(b) 等速度下降時(shí)
(c) 等減速度下降時(shí)
(d) 等加速度上升
(e) 等速度上升
(f) 等減速度上升時(shí)
2) 由于角加速度所引起的慣性扭矩計(jì)算：
查閱伺服電機(jī)設(shè)計(jì)選型手冊(cè)，最終選擇型號(hào)為ECMA-C△0807的伺服電機(jī)，其。
3) 總扭矩
(a) 等加速下降時(shí)：
(b) 等速下降時(shí)：
(c) 等減速下降時(shí)：
(d) 等加速上升時(shí)：
(e) 等速上升時(shí)：
(f) 等減速上升時(shí)：
通過(guò)上面的計(jì)算我們可以清楚的知道最大扭矩發(fā)生在等加速上升時(shí)：
因此選型合適。
6 機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
6.1 轉(zhuǎn)盤軸承的選擇
計(jì)算條件：由以上計(jì)算有
，,
，，.
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6.1所示：
圖 6.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
設(shè)計(jì)計(jì)算：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤軸承部分所需要靜負(fù)荷以及傾覆力矩，其中安全系數(shù)
靜負(fù)荷：
傾覆力矩：
因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速并不是特別的高，而且旋轉(zhuǎn)部分采用的是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)綜合分析討論，最終決定采用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，內(nèi)徑135mm，外徑234mm，高38mm。
6.2 伺服電機(jī)的選擇以及減速比的確定
根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)結(jié)合三維軟件輔助設(shè)計(jì)，確定為轉(zhuǎn)盤軸承上安裝齒輪的形式驅(qū)動(dòng)，通過(guò)多次繪圖模擬確定，轉(zhuǎn)盤軸承上齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)為120個(gè)；驅(qū)動(dòng)齒輪模數(shù)為2，齒數(shù)為20個(gè)。為降低整機(jī)零件的多重性，故擬選擇伺服電機(jī)為750W,與上一樣，此時(shí)假設(shè)伺服電機(jī)減速器的減速比為R。
計(jì)算折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
按照負(fù)載慣量＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的原則，
則
故選擇減速比為7的伺服減速機(jī)。
致謝
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的時(shí)間，這篇論文終于寫完了，一開始選定這個(gè)題目的時(shí)候，我是有些猶豫的，我對(duì)自己的設(shè)計(jì)能力并沒有很大的自信，覺得自己不能完成此次設(shè)計(jì)。在這幾個(gè)月分析探討的過(guò)程中，我通過(guò)對(duì)資料的收集、檢索以及查找，找到了很多此次畢業(yè)設(shè)計(jì)有用的資料，這對(duì)我今后的學(xué)習(xí)是很有幫助的。但是回首整個(gè)寫作過(guò)程，其中的辛苦和無(wú)奈還是大大超出了自己的預(yù)料，在這個(gè)過(guò)程中，我先到網(wǎng)上查找了很多的資料視頻，對(duì)論文題目進(jìn)行深入了解后才開始寫作的。在論文的寫作過(guò)程中由于自己的學(xué)識(shí)有限、準(zhǔn)備時(shí)間緊張等因素導(dǎo)致資料搜集不夠完整，本文還有許多地方有些不合理，不足之處懇請(qǐng)各位老師、同學(xué)批評(píng)指正。
在此要特別感謝我的論文指導(dǎo)老師——XXX老師，一開始就在資料方面給我提供了很大的支持，把自己的資料借給了我。論文標(biāo)題初擬的時(shí)候經(jīng)的指導(dǎo)我，在后期論文的寫作和修改過(guò)程中更是不厭其煩，提出了很多中肯的建議，經(jīng)過(guò)幾次的修改，這才有了這篇論文的存在。感謝一直陪伴在我身邊的親人朋友們，謝謝你們一直以來(lái)的鼓勵(lì)和支持，感謝你們?cè)谖覍懻撐钠陂g提供的無(wú)私幫助，同時(shí)因?yàn)槲覀€(gè)人的能力有限，所以在論文的寫作過(guò)程中可能會(huì)有不合理之處，懇請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正！
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