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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 其 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923076 學(xué)生姓名： 陳 華 指導(dǎo)教師： 馮 鮮 （職稱：講 師） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 《四自由度棒料搬運(yùn) 機(jī)械手設(shè)計》 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，除 了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用、表示致謝的內(nèi)容外，本畢 業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 92 學(xué) 號： 0923076 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 其 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： １、題目 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 ２、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應(yīng)用與許多生產(chǎn) 領(lǐng)域。由目前的發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重 要的角色。本機(jī)械手就是基于此并為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效 益，減輕工人勞動強(qiáng)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(jī)械手代替人力勞動。在社會不斷發(fā)展的今天， 機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力，而將 人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 II 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 機(jī)械手類型 四自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉(zhuǎn) 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240° 手臂升降機(jī)構(gòu) 長 550mm，升降運(yùn)動，升降范圍 400mm 手臂伸縮機(jī)構(gòu) 長 826mm，伸縮運(yùn)動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動， 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角 180 度，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制 1、機(jī)械手的總體設(shè)計，包括型式選擇、基本參數(shù)確定、總體布置與主要 結(jié)構(gòu)設(shè)計。并繪制整體裝配圖。 2、機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，包括滾珠絲杠的選擇，諧波齒輪減速器參數(shù) 的確定。 3、機(jī)械手各種電機(jī)的選擇。包括機(jī)械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇，機(jī)械 手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇。 4、機(jī)械手各氣動件的設(shè)計計算。 5、設(shè)計說明書一份。 6、所有非標(biāo)零件需畫出零件圖。 III 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 92 班 姓名 陳 華 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2013 年 5 月 25 日 IV 摘 要 在社會不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機(jī)器的力量 代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 近十幾年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十 分廣闊。 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機(jī)床控制，計算機(jī)系統(tǒng)， 機(jī)器人等。而工業(yè)機(jī)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(jī)械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動強(qiáng)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(jī)械手代 替人力勞動。 本設(shè)計為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手，其工作方向?yàn)閮蓚€直線方向和兩個旋轉(zhuǎn) 方向。 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運(yùn)。 通過氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60mm 的棒料的搬運(yùn)。 在控制器的作用下，機(jī)械手執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻 轉(zhuǎn)過來這一簡單的動作。 關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；搬運(yùn)；工業(yè)機(jī)器人 V Abstract Today that develop continuously in the society, The robot are more and more Using at industry scene application. Replaces the manpower with the machine strength, It‘s 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 applications, 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 efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people can’t 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 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 assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot VII 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................IV Abstract...........................................................................................................................................V 目 錄..............................................................................................................................................................VII 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 工業(yè)機(jī)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(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 ......................................................2 1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的意義 ..........................................................2 2 機(jī)械手的總體設(shè)計 .....................................................................................................................3 2.1 設(shè)計要求 ...............................................................................................................................3 2.2 機(jī)械手的組成 ......................................................................................................................3 2.3 總方案的擬定 ......................................................................................................................4 2.4 機(jī)器人的工作空間 ...............................................................................................................4 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 ......................................................................................................5 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動器 ...............................................................................................................5 2.5.2 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu) ...........................................................................................................5 3 機(jī)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 ..............................................................................................8 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇 ...............................................................................................................12 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇 ....................................................................................12 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇 ................................................................................14 5 機(jī)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 ........................................................................................................23 6 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)置 ...........................................................................................................26 6.1 機(jī)械手控制器的選擇 ........................................................................................................26 6.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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 ........................................................................................................27 7 手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參數(shù)...........................................................................................................................29 7.1 手臂平衡的驗(yàn)算 ................................................................................................................29 VIII 7.2 機(jī)械手參數(shù) ........................................................................................................................30 8 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(xiàn) .......................................................................................................................................33 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 1 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展 機(jī)器人（又稱機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有自， 早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革 命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機(jī)器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開發(fā)與制作，也 是為了以機(jī)械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機(jī)器人的開 發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對于提高生產(chǎn)自 動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)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(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢。 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)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(jī)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(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以搬運(yùn) 更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為 三代： 第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、 臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教 存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操 作。 第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。 其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開始進(jìn)入了實(shí)用階段， 不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠 根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(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(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作 環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 世界上工業(yè)機(jī)器人萌芽于 50 年代的美國，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于 人類社會很多領(lǐng)域，正如計算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。 進(jìn)入 90 年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界上 已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機(jī)器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 近年除日本外，歐美機(jī)器人市場也開始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市場一樣，中 國機(jī)器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn) 的單位已達(dá) 200 家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有 410 臺，其中已用于生產(chǎn)的約占 3/4。目前全國約有機(jī)器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺數(shù)約為 1200 臺，其中從 40 家外國公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100～150 臺的速度增加。 從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢， 工業(yè)機(jī)器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景。 1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運(yùn)。 本設(shè)計中的機(jī)械手有四個自由度，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(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)機(jī)械手。通過氣爪手指的不同選擇可 滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運(yùn)。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手工 作范圍內(nèi)把棒料從指定點(diǎn)搬運(yùn)到另一指定點(diǎn)，并把棒料翻轉(zhuǎn)過來。通過對機(jī)械手的相應(yīng) 控制還可實(shí)現(xiàn)對棒料的排列。 1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的意義 機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應(yīng)用與許多生產(chǎn)領(lǐng)域。由目前的 發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。本機(jī)械手就是基于 此并為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動強(qiáng)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(jī)械手代替人力勞動。在社會 不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力， 而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 3 2 機(jī)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(xué)生掌握機(jī)器人或工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計， 要求所設(shè)計機(jī)器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)。 2.2 機(jī)械手的組成 圖 2.1 機(jī)械手的組成圖 本機(jī)械手由機(jī)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(jī)械系統(tǒng)： 1.執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械部件， 它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。 2.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(jī)械傳 動、氣壓傳動和電機(jī)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(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時 發(fā)出報警信號。 機(jī) 械 手 機(jī) 械 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu) 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 伸縮機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu) 底座 電器混合驅(qū)動 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2.3 總方案的擬定 由設(shè)計要求本設(shè)計機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的作用：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶，之間距離為 0.7m，現(xiàn)設(shè)計機(jī)械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過來。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2 個為旋轉(zhuǎn)，2 個為平移。 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù) 基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計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(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手 臂的伸縮運(yùn)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(shí)現(xiàn)。 其外觀與工作移動方位如圖 2-2 圖 2.2 機(jī)器人外形圖 2.4 機(jī)器人的工作空間 本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動 軸的扇形體立體空間。機(jī)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(dá)的最大空間體積與機(jī)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(dá)的最大空間體積，只要工件搬運(yùn)點(diǎn)都在此范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。 下圖 2-3 描述了本機(jī)械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 5 圖 2.3 工作空間圖 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動器 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)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(yùn)動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動器 是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計中底 座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器（在第 5 章計算說明步進(jìn)電機(jī)的選擇） ， 而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來作為驅(qū)動器。 [10] 2.5.2 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu) 手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而 驅(qū)動手臂的升降。 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(shí)現(xiàn)伸縮 運(yùn)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 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 [5]如下圖 2.5： 1——支座，2——電機(jī)，3——軸承，4——帶傳動，5——?dú)んw 6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪 圖 2.5 機(jī)械手底座傳動示圖 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 2-1。 表 2-1 機(jī)械手參數(shù)表 機(jī)械手類型 四自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉(zhuǎn) 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240°，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制 手臂升降機(jī)構(gòu) 長 550mm，升降運(yùn)動，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制 手臂伸縮機(jī)構(gòu) 長 826mm，伸縮運(yùn)動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 7 3 機(jī)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 即等效載荷 。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機(jī)選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 , NF245m? min52r? 設(shè)計使用壽命取 L=27 106r ，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： FKmc? 式中： K——顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計取為 1.2 c =1.2 245? = 294 N 最大動負(fù)載 C 的計算 最大動負(fù)載 C 的計算公式： [12]mFLC??f3 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2-14 得 式中： L——工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計取為 27 106r? fm——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 ，本設(shè)計取 1.22.1~ Fm——滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入 mFC??f3 得： 4.105829.7? 選擇滾珠絲桿副的型號 C=1058.4N 按 ，查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-7，選用漢江機(jī)床廠 FN 型滾珠絲aC? 杠，系列代號為 FN-2506-24。 [12]其中 74aN? = 25 mm , =6mm ,0DnP 螺桿不長，變形量不大無需驗(yàn)算。 效率計算 螺旋導(dǎo)程角 γ = = = 3o57′ dPn?arctonarct 效率的計算公式： [12])tan(????? 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2-15 得 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 式中： ——絲桿螺旋導(dǎo)程角有前計算的? 753???? ——摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 ，其摩擦角為?04.~.f 01??? 把以上數(shù)據(jù)代入 得： )tan(????? %950.)1753t(??? 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 50～500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量 輕，運(yùn)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(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。 本設(shè)計的底座旋轉(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： ；10i2? 柔輪變形波數(shù)：U=2 ； 柔輪齒數(shù)： ；201i???UZR 剛輪齒數(shù)： ；rc? 模數(shù)： ；m4.0 柔輪臂厚： ；5?H 尺寬： ；2b 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： ； ；m7.0h?R m72.0hc? 分度圓直徑： ； ；8d 8d 齒頂圓直徑： ； ；2.3aR .ac 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 9 齒根圓直徑： ； ；m7.9dfR?m28.4dfc? 齒形角： ； ；?20? ?0? 變位系數(shù)： ； ；.3RX71.3CX 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] 20pRnvTKPPdhbZ??A 式中：T——作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計算取得 ；m?Nm2??NT ——柔輪分度圓直徑，本設(shè)計中取為 =80mm ；Rd Rd ——最大嚙入深度，近似取 =（ ）m ，本設(shè)計中取nhnh6.1~4 ；1.40.5n?? b ——齒寬（mm） ，設(shè)計中取為 b=20mm ； ——當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取vZ ；15207.v??Z K——載荷系數(shù)，取 ，設(shè)計中取為 K=1.5 ；.~3K ——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 ；P P 所以，代入 得： vnbhd20ZTR?? 201.58.6.4MPa?? 因 滿足 ，所以符合耐磨性要求 。MPA846.0?a? 柔輪強(qiáng)度計算： 諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 應(yīng)力則呈脈動變化，若以 分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。 [11]ma???, （1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 0,h35.2?????mpDE?? （2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： 12pp21y,h0.5hT????? 則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： )(.a???ym 以上式中：T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計算取為：T=2 ；?Nm?N ——柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設(shè)計中取為： =0.6mm ；1h 1h ——計算平均直徑（mm） ，設(shè)計中為：PD ；1.796.0d1fp??? E——彈性模量（ ） ，設(shè)計中為 E =206000 ；aMPaMP ——變形量（mm） ， ，本設(shè)計中為?Rcd-? =80.8－80=0.8mm ； 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 323220.8610.3556.13()79...9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP????????????????? 柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考慮 加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。 30CrMnSiA 的力學(xué)性能如下： [6] 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 11 ，球化處理后硬度為 ，10,90basaMP???HRC26~4 且，?。? 10.45.1095()227b aMP????? 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 114953.92.602723.8..81.40aamnk???????????? 柔輪的安全系數(shù)： 9.359n.222??? 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強(qiáng)度滿足要求。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇 進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，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(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控 制比較準(zhǔn)確且控制易于實(shí)現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇 機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實(shí)現(xiàn)升降。 初選步進(jìn)電機(jī) [8]7503BF 由前計算絲桿導(dǎo)程為 mLo6? 本設(shè)計機(jī)械手手臂升降速度選定為 sS35 所以絲桿轉(zhuǎn)速： inr98.4OSW? 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacM?? 式中： ——機(jī)械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM ——機(jī)械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f ——機(jī)械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ，twoga??J 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：?A ； 2349.8(/min)349.836.49(/)0r rads? ??? tA——手臂升降啟動或制動的時間：本設(shè)計取為 ；）（.t?? ——手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ，0J ??2mkg? 其中： dlsJ??o 式中： ——絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量 ，2 其中： 437.810smJDL 式中： ——絲桿的公稱直徑由前計算得 ）（ m05.?D ——絲桿的長度本設(shè)計取為 0.6(m)L 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 13 代入得： ）（ 2 34mkg0137.105.8s????J ——升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量lJ ）（ 2smkg018.??J 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得； ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量d ）（ 2d0764.J 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-18 得； 代入得： 2 d0.350.1764.817）（ mkgJJols??? 把以上代入 得：twoga?JM409.3.05.ga ??? 其中 ；2fDmG? 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(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得 代入得： ）（ m2.05.082fm?????NM 得： ）（69.4.fgac? 電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 ）（。） ；（ srad6493m609. plcip ???WNM 上式中： ——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計算 ： ；lpW)srad.649(3lp?? ——負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計算：l NA）（ m0.i?NM 電動機(jī)的功率計算式： lpmP???? 上式中： ——計算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計中?。?；?5.2~12?? 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 ——絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設(shè)計中?。?；? 9.0~7??8.0?? 代入以上數(shù)據(jù)得： ???lpmMP? 20.693.4/0.858()W? 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 步進(jìn)電機(jī) ，其最大靜轉(zhuǎn)矩為lp ?30375BF 0.882 ，滿足負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。 [12]m?NlpM 表 4-1 電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型 號 相數(shù) 步距角 /（°） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N·m( ·cm)kgf 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 慣量 10 Kg·m5?2 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 75BF00 3 3 3 30 0．882（9） 1250 16000 1．568 三相 六拍 1．58 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇 機(jī)械手機(jī)身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速：設(shè)計選取為 即旋轉(zhuǎn) 1800 的時間為 3s；10/minr??? 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacM? 式中： cM ——機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； f ——機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；ga ——機(jī)械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ，twga??OJ 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：?A ；210(/min)1.047(/)6rrads? ??? t?——底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計中 ；）（.30t?? 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 15 —— 與 的轉(zhuǎn)化系數(shù)： ，本設(shè)計中取?fMga 95.0~8.??85.0?? ——手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量oJ ）（ 2mkg? 由于本機(jī)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(zhǔn)確。在選用電機(jī)時相應(yīng)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(jī)械手為 ；m1 kg15m? ——手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；2 2 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；21m? ——機(jī)身的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ； 3mkg203? 其中： 的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計算；3 ——與 相對應(yīng)的長度（m） 。,21r321, 把以上數(shù)據(jù)代入得： 0.0479.85()gaMJNt????AA3.85.2gaf?.39.87.6()cgaf m????A 底座電機(jī)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： 73.680.()1clpMNmi?A.4.7/lp rads???? 22201322213 5.450.40.99.7Jmrrkg?????A 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 上式中： ——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s ） ，如上計算 ： ；lp? ）（ srad7.104lp?? ——負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計算：lMNmA）（ m3.l?NM 電動機(jī)功率的計算公式式： lpmP???? 0.7314.289.W? 式中： ——步進(jìn)電動機(jī)的功率（W ） ； mP ——負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s ） ，由前計算 ： ；lp? ）（ srad7.104lp?? ——負(fù)載峰值力矩（ ） ，由前計算： =0.737（ ） ；lMm?NlMm?N ——計算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計中?。?；?5.2~1??2? ——底座傳動裝置的效率，估算為 ，本機(jī)械手取為： 。? 9.07?8.0?? 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其最大?lp ?3 靜轉(zhuǎn)矩為 1.96 ，滿足要求。m?N 表 4-2 電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型 號 相數(shù) 步距角 /（°） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N·m( ·cm)kgf 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣 量 10 Kg·m5?2 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 90BF00 3 3 3 60 1．96（20） 1500 8000 17．64 三相 六拍 4．2 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 17 5 機(jī)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 由設(shè)計任務(wù)書的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為 2kg。 本設(shè)計設(shè)計的機(jī)械手搬運(yùn)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=2 9.8=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]GKFL321? 式中：G——機(jī)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；1K0.~1?1K ——機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按 計算得 =1.2；2 ga??22 a 為機(jī)器人手爪運(yùn)動加速度的絕對值； ——方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀選 =13K 3K 把以上數(shù)據(jù)代入 得：GKFL321? =1.2 1.2 1 19.6? =28.224N 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： LNF?? 式中： ——鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) =0.2?? 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 [6]得 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 把以上數(shù)據(jù)代入 得： ?LNF? N12.4.028 氣缸的選定中，首先確定其負(fù)載的大小，負(fù)載決定了缸徑的大??；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(xué)計算公式為： 拉力 pd25.02）（ ??DF? 式中：D——?dú)飧字睆剑╩）,本設(shè)計初取為 0.04m ； d——?dú)飧谆钊麠U直徑（m） ，本設(shè)計初取為 0.012m ； P——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ?Pa） ，本設(shè)計取為 0.6MPa； F——?dú)飧桌碚撏屏?、拉力（N） 把以上數(shù)據(jù)代入 得：pd25.02）（ ??DF?6F=0.25(.41).???? 681N? 計算得的 F 為理論拉力，其實(shí)際拉力可根據(jù) 計算。FS?? 式中： ——?dú)飧椎墓ぷ餍?，一般?之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時?95.0~7 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：S? 0.856.14sF? 39N 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 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 19 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 LRFSN?1 代入數(shù)據(jù)得： 502189.53?? 6N 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。N?1 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(fù)載移動的距離，確定此距離時要 充分考慮工況情況，應(yīng)預(yù)留出一點(diǎn)行程，避免活塞桿撞壞。 由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。 5.1.4 氣缸的動速度 氣缸的運(yùn)動速度主要由所驅(qū)動的工作機(jī)構(gòu)的需要來決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：本氣缸為水平安 裝采用用排氣節(jié)流； 本設(shè)計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。 本氣缸使用注意事項(xiàng) 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-35～80℃，工作壓力為 0.4～0.6MPa。 2）安裝前，應(yīng)在 1.