四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì),四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì),自由度,搬運(yùn),機(jī)械手,設(shè)計(jì) 湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) THE FOUR DEGREES-OF-FREEDOM BAR MANIPULATOR DESIGNS 學(xué)生姓名：楊 龍 學(xué) 號(hào)：200940614319 年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí)：2009 級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng) 化(3)班 指導(dǎo)老師及職稱(chēng)：向陽(yáng) 副教授 學(xué) 院： 工學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 提交日期：2013 年 5 月 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 誠(chéng) 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工 作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文 不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn) 的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要1 關(guān)鍵詞1 1 前言2 1.1 工業(yè)機(jī)器人的概述與發(fā)展2 1.2 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功3 1.3 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義3 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)4 2.1 設(shè)計(jì)要求4 2.2 機(jī)器手的組成4 2.3 總體方案擬定4 2.4 機(jī)器人的工作空間5 2.5 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器6 2.5.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì)8 3.1 滾珠絲杠的選擇8 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定9 4 機(jī)械手的各電動(dòng)機(jī)的選擇15 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇15 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇16 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算18 5.1 氣爪夾緊力的計(jì)算與氣爪的選擇18 5.1.1 氣爪夾緊力要求 18 5.1.2 缸徑的確定19 5.1.3 行程的確定20 5.1.4 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度20 5.1.5 擺動(dòng)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)設(shè)計(jì)25 6.1 機(jī)械手控制器的選擇25 6.2 機(jī)器手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求25 6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)25 7 手臂運(yùn)算與機(jī)械手參數(shù)26 7.1 手臂平衡的驗(yàn)算26 7.2 機(jī)械手參數(shù)26 結(jié)束語(yǔ)26 參考文獻(xiàn)27 致謝27 0 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 生：楊 龍 指導(dǎo)老師：向 陽(yáng) （湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128） 摘 要: 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手是基于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度 而設(shè)計(jì)的。在某些勞動(dòng)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(dòng)。 本設(shè)計(jì)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€(gè)直線方向和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運(yùn)。通過(guò)氣 爪手指的不同選擇可滿(mǎn)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(guò)來(lái)這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作. 關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；搬運(yùn)；工業(yè)機(jī)器人 The Four Degrees-of-freedom Bar Manipulator Designs Student:Yang Long Tutor:Xiang Yang (College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China) Abstract: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 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 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 1 1 前言 1.1 工業(yè)機(jī)器人的概述與發(fā)展 機(jī)器人（又稱(chēng)機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱(chēng)：Robot） ，在人類(lèi)科技發(fā)展史上其來(lái)有 自，早在三國(guó)時(shí)代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國(guó)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(kāi)始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)與制作， 也是為了以機(jī)械來(lái)代替人去做人力所無(wú)法完成的勞作或探險(xiǎn)。但近十幾年來(lái)，機(jī)器人 的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)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(duì)于提高生產(chǎn) 自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件的作用日見(jiàn) 顯著。不少勞動(dòng)條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然 的趨勢(shì)。 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位， 自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)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(dòng)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(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)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(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即 通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)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(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)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(kāi)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(jué)、視覺(jué)等功能外，還 能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這 一識(shí)別自動(dòng)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(duì)象的變化，具有 2 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(guó)，經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用 于人類(lèi)社會(huì)很多領(lǐng)域，正如計(jì)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(zhǎng)，每年增長(zhǎng)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(wàn)臺(tái)左右，1992、1993 年世界機(jī)器人市場(chǎng)曾一度出現(xiàn)小 的低谷，近年除日本外，歐美機(jī)器人市場(chǎng)也開(kāi)始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市 場(chǎng)一樣，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)也逐漸活躍，1997 年上半年，我國(guó)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(lèi)工業(yè)機(jī)器人約有 410 臺(tái)，其中已用 于生產(chǎn)的約占 3/4。目前全國(guó)約有機(jī)器人用戶(hù) 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為 1200 臺(tái)，其中從 40 家外國(guó)公司進(jìn)口的各類(lèi)機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺(tái) 的速度增加。 從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來(lái)看，在很多方面工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨 勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人將來(lái)必定有廣闊的發(fā)展前景 2。 1.2 本設(shè)計(jì)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(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬 運(yùn)。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手有四個(gè)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(jì)中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)機(jī)械手。通過(guò)氣爪手指的不 同選擇可滿(mǎn)足小于直徑 60mm 的棒料的搬運(yùn)。通過(guò)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(guò)來(lái)。通過(guò)對(duì) 機(jī)械手的相應(yīng)控制還可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的排列。 1.3 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來(lái)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(jiàn)的將來(lái)它將在生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色。本機(jī)械手就是 基于此并為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在 某些勞動(dòng)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(dòng)。 在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，用機(jī)器的力量代 替人力，而將人類(lèi)從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)是歷史發(fā)展的趨勢(shì) 4。 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 3 要求：本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(gè)自由度，完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器 人設(shè)計(jì)，要求所設(shè)計(jì)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)器手的組成 圖 1 機(jī)械手的組成圖 Fig1 The composition diagram of the robotic 機(jī)械系統(tǒng)：本機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)組成。 2.2.1 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(dòng)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)。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動(dòng)、氣壓 傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 2.3 總體方案擬定 由設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的作用：自動(dòng)線上有，兩條輸送帶，之間距離 為 0.7m，現(xiàn)設(shè)計(jì)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(guò)來(lái)。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2 個(gè)為旋轉(zhuǎn)，2 個(gè)為平移。 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)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(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展 開(kāi)的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī) 4 器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣 缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則選用氣爪來(lái)做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾 緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn) 7。 其外觀與工作移動(dòng)方位如圖 2。 圖 2 機(jī)器人外形圖 Fig2 Robot Outline Drawings 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(gè)具有一定角度的繞機(jī)械手 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對(duì)工作空間和絕對(duì)工作空間，所謂相 對(duì)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(duì)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 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。 5 圖 3 工作空間圖 Fig3 Workspace map 2.5 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動(dòng)臂，桿和 載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)、液壓和氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置，其中采用電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器是最常用的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)器（在第 5 章計(jì)算說(shuō)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(dòng)器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過(guò)擺動(dòng)氣缸來(lái) 作為驅(qū)動(dòng)器 6。 2.5.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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(dòng)手臂的升降。 手臂的伸縮是通過(guò)氣缸桿直接連接裝有擺動(dòng)氣缸的擺動(dòng)氣缸安裝板，從而實(shí)現(xiàn)伸 縮運(yùn)動(dòng)的。 氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動(dòng)氣缸通過(guò)氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 4。 圖 4 氣爪連接示圖 Fig4 Gripper connection diagram 底座的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī) 械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下圖 5。 1支座，2電機(jī)，3軸承，4帶傳動(dòng)，5殼體 6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 6 圖 5 機(jī)械手底座傳動(dòng)示圖 Fig5 Robot base transmission diagram 本設(shè)計(jì)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(jiàn)表 1。 表 1 機(jī)械手參數(shù)表 Table 1 Robot parameter table 機(jī)械手類(lèi)型 四自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個(gè)（2 個(gè)回轉(zhuǎn) 2 個(gè)移動(dòng)） 底座 長(zhǎng) 290mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC 控制 手臂升降機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 550mm，升降運(yùn)動(dòng)，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC 控制 手臂伸縮機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 826mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動(dòng) 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動(dòng)，行程開(kāi)關(guān)控制 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 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(jì)的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷 Fm = 245 N 。絲桿選為有效行程 450 mm , 由前電機(jī)選擇的計(jì)算絲桿轉(zhuǎn)速 nm = 525 r/min , 設(shè)計(jì)使用壽命取 L=27 106r，工作溫度低于 100，可靠度 95%，精度為 3 級(jí)精度。 計(jì)算工作載荷： Fc = KF m 式中： K顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計(jì)取為 1.2 Fc = KFm =1.2 245 = 294 N 最大動(dòng)負(fù)載 C 的計(jì)算 最大動(dòng)負(fù)載 C 的計(jì)算公式： 3mCLfF 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2-14 得 式中： L工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計(jì)取為 27 106r fm運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取 11.2，本設(shè)計(jì)取 1.2 Fm滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入 3mCLfF 得： 271.94058.N 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) 7 C=1058.4N 按 CC a，查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2-7，選用漢江機(jī)床廠 FN 型滾珠 絲杠，系列代號(hào)為 FN-2506-24。其中 Ca=7747N D0= 25 mm , Pn=6mm , 螺桿不長(zhǎng)，變形量不大無(wú)需驗(yàn)算。 效率計(jì)算: 螺旋導(dǎo)程角 = arctanP n/（d 0） = arctan（6/25） = 357 效率的計(jì)算公式 =tan/tan(+) 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2-15 得 式中： 絲桿螺旋導(dǎo)程角有前計(jì)算的 =357 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 f=0.003-0.004，其摩擦角為 =10 把以上數(shù)據(jù)代入 =tan/tan(+)得： = tan357/tan(357+10) = 0.950=95% 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定 一般一級(jí)諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，重 量輕，運(yùn)動(dòng)誤差小，無(wú)沖擊，齒的磨損小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳 動(dòng)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(jì)的底座 旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動(dòng)。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)組合件。它是由 三個(gè)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(pán)構(gòu)成的波 發(fā)生器 11。 諧波齒輪的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下： 傳動(dòng)比：i 2=100； 柔輪變形波數(shù)：U=2 ； 柔輪齒數(shù)： Z R=Ui=2100=200 剛輪齒數(shù)： Z G=ZR+U=200+2=200 模數(shù)：m=0.4mm 柔輪臂厚：H=0.5mm 尺寬：b=20mm 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算分別確定如下： 8 全齒高：h R=07mm hG=0.72mm 分度圓直徑：d R=80mm 80.dm 齒頂圓直徑：d aR=83.2mm 2aG 齒根圓直徑：d fR=79.7mm 4.f 齒形角：a R=20 0G 變位系數(shù)：X R=3.7 3.71X 柔輪與剛輪均采用漸開(kāi)線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長(zhǎng)軸 2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個(gè)直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)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(shí)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(lái)控制。輪齒工作 表面的耐磨損能力可由下式計(jì)算： PvnRbZhdTKp20 （1） 式中：T作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（Nm） ，由前計(jì)算取得 T=2 Nm； dR柔輪分度圓直徑，本設(shè)計(jì)中取為 dR=80mm ； hn最大嚙入深度，近似取 hn=（1.41.6）m，本設(shè)計(jì)中取 ；1.40.56nh b 齒寬（mm） ，設(shè)計(jì)中取為 b=20mm ； ZV當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取 ；0.7521vZ K載荷系數(shù)，取 K=1.31.75 ，設(shè)計(jì)中取為 K=1.5 ； PP齒寬許用比壓 ，對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 PP=8MPA ； 9 所以，代入 得： PvnRbZhdTKp20 201.58.6.4MPa 因 滿(mǎn)足 pp p，所以符合耐磨性要求 。0.46MPa8 柔輪強(qiáng)度計(jì)算： 諧波齒輪工作時(shí)，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對(duì)稱(chēng)變化的， 而切應(yīng)力則呈脈動(dòng)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),ama 力。 （1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： (2) 035.21mpaDEh （2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： (3) 12215.0hTppy 則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： (4) .()amy 以上式中：T柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計(jì)算取為：T=2 ；NmN h1柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設(shè)計(jì)中取為：h1=0.6mm ； DP計(jì)算平均直徑（mm） ，設(shè)計(jì)中為： DP=dfh179.70.679.1mm ； E彈性模量（MPa） ，設(shè)計(jì)中為 E =206000 MPa ； 變形量（mm） ， ，本設(shè)計(jì)中為GRd =80.880=0.8mm ； 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。 10 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： (5) 323220.8610.3556.13()79.9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP 30CrMnSiA 的力學(xué)性能如下： ，球化處理后硬度為 2426HRC ，10,90basaMP 且，取： 10.45.10495()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)： (6) 2223593.9.n 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。 4 機(jī)械手的各電動(dòng)機(jī)的選擇 進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)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(duì)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(dòng)電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇 機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。 初選步進(jìn)電機(jī) 75BF003 由前計(jì)算絲桿導(dǎo)程為 L 0=6mm 11 本設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂升降速度選定為 S=35m/s 所以絲桿轉(zhuǎn)速 (7) 0w=S/L356 .8r/49.8(rin) 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： Mc=Mga+Mf (8) 式中：M c 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ； Mf 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的摩擦阻力矩 ； Mga機(jī)械手手臂升降在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ， t wJMga0 (9) 式中： 手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：w ； (10)/(649.30 298.34min)/(98.34 sradr t手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)取為 ；.t 手臂升降時(shí)各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，0J )(2kgm 其中： (13)SldJ 式中： 絲桿對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，s )(2 其中： (11)437.810smDL 式中： 絲桿的公稱(chēng)直徑由前計(jì)算得 0.5()mD 絲桿的長(zhǎng)度本設(shè)計(jì)取為 0.6(m)L 代入得： 4327.805.113()sJkg 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量lJ 2s J=0.18(kg) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 得； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量d 20.764()dJm 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2-18 得； 代入得：J 0=JS+Jl+Jd 12 2=0.137+.80.17645()kgm 把以上代入 得： (12)t wJMga03.9.a 0.4()N 其中： ； /2mfMGD (13) 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(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 得 代入得： (14)/2mfMD 0.825/()N 得： M c=Mga+Mf 0.496() 電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 0.69()ipcMNm 34/lwrads 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計(jì)算 ： ；lp 36.49(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：lp N0iMNm 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算式： (15) lpmP 上式中： 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中?。?；5.212 絲桿傳動(dòng)裝置的效率，一般取 ，本設(shè)計(jì)中?。?；9.070.8 13 代入以上數(shù)據(jù)得： (16) lpmMP 20.693.4/0.858()W 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3 步進(jìn)電機(jī) 75BF003，其最大靜 轉(zhuǎn)矩為 0.882 ，滿(mǎn)足負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩的要求.N 電機(jī)參數(shù)表 2 Table2 Motor parameter table 電機(jī)型 號(hào) 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm(Kgfcm) 最高 空載 啟動(dòng) 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(shí)將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速： 設(shè)計(jì)選取為 即旋轉(zhuǎn) 1800的時(shí)間為 3s；10/minr 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： (17) cgafM 式中： 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM f 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ； 機(jī)械手底座在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ， twJMga0 (18) 式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作角速度：w ；)/(047.16 2min)/(10sradr 底座旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)中 ；t (3.t 14 與 的轉(zhuǎn)化系數(shù)： ，本設(shè)計(jì)中取fMga 95.080.85 手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對(duì)底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0J )(2kgm 由于本機(jī)械手是一個(gè)不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體,所以算得在選用電機(jī)時(shí) 相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來(lái)選擇。 (19)2 22 322107.99.014.054.53mkgrrJ 式中： 手臂無(wú)氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；1 kgm15 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(zhǎng)桿來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；21m 機(jī)身的質(zhì)量（ kg） ，本機(jī)械手為 ； 3mkg03 其中： 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量看作均勻圓柱體來(lái)計(jì)算；3 與 相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度（m） 。321,r21, 把以上數(shù)據(jù)代入得： (20)(827.395.0mN Mgaf (21)(6.fgac 底座電機(jī)通過(guò)諧波減速器連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸，偕波減速器傳動(dòng)比為 i=100。 所以： (22)(73.0168.mNiMclp .4./lp rads 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計(jì)算 ： ；lpw 104.7(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：lp )(mN3iMNm 15 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式式： (23) lpmMP0.7314.289.W 式中： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率（W） ； mP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ rad/s） ，由前計(jì)算 ： ；lp 104.7(/)lprads 負(fù)載峰值力矩（ ） ，由前計(jì)算：Mlp=0.737（ ） ；lpM)(mN mN 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中取： ；5.212 底座傳動(dòng)裝置的效率，估算為 ，本機(jī)械手取為： 。 9.070.8 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 Mlp最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3 的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其 最大靜轉(zhuǎn)矩為 1.96 ，滿(mǎn)足要求。mN 電機(jī)參數(shù)表 3 Table3 Motor parameter table 電機(jī)型 號(hào) 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm(Kgfcm) 最高 空載 啟動(dòng) 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 氣爪夾緊力的計(jì)算與氣爪的選擇 5.1.1 氣爪夾緊力要求 由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(jì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手搬運(yùn)的工件定為圓柱形的棒料。 16 工件重力 G=2x9.8=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。 其加緊視圖如圖 6: 圖 6 工件夾緊視圖 Fig6 Workpiece clamping view 氣爪拿起工件所需的力 123LFKG 式中：G機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本設(shè)計(jì) G=19.6； K1安全系數(shù)，一般取 K1=1.22.0,本設(shè)計(jì)中取 K1=1.2； K2機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按 (24) 21ag 計(jì)算得 K2=1.2； a 為機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)加速度的絕對(duì)值； K3方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀選 K3=1 把以上數(shù)據(jù)代入 得：123LFKG FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： (25)LNF 式中： 鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) =0.2 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 得 把以上數(shù)據(jù)代入 (19)得： 2 LNF 17 (26)28.41.20NFN 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(shí)要確定動(dòng)作方向是推力還是拉力。 本設(shè)計(jì)的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設(shè)計(jì)滿(mǎn)足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學(xué)計(jì)算公式為： 拉力 F=0.25(D 2-d2)P 式中：D氣缸直徑（m）,本設(shè)計(jì)初取為 0.04m ； d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設(shè)計(jì)初取為 0.012m ； P氣缸工作壓力（Pa） ，本設(shè)計(jì)取為 0.6MPa； F氣缸理論推力、拉力（N） 把以上數(shù)據(jù)代入 F=0.25(D 2-d2)P 得：26=0.5(.40.1).0681 計(jì)算得的 F 為理論拉力，其實(shí)際拉力可根據(jù) Fs=F 計(jì)算。 式中：氣缸的工作效率，一般在 0.70.95 之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增 大時(shí)效率增大。本設(shè)計(jì)工作壓力交大取為 0.85。 把以上數(shù)據(jù)代入 Fs=F 得： (27)0.856.14s 39N 圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm 為活塞桿推動(dòng)手指的力臂。 氣爪夾緊工件的力 FN1=FsR/L 代入數(shù)據(jù)得： 1583.9250N 6 由計(jì)算得 FN1 FN所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 氣缸是氣爪的的驅(qū)動(dòng)器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 7。 18 圖 7 氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu) Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動(dòng)的距離，對(duì)外表現(xiàn)為負(fù)載移動(dòng)的距離，確定此距離時(shí)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 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)的需要來(lái)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(jì)中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤(rùn)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-3580，工作壓力為 0.40.6MPa； 2）安裝前，應(yīng)在 1.5 倍工作壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)，不應(yīng)漏氣； 3）裝配時(shí)，所有密封元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)工作表面應(yīng)涂以潤(rùn)滑脂； 4）安裝的氣源進(jìn)口處必須設(shè)置氣源調(diào)節(jié)裝置：過(guò)濾器-減壓閥-油霧器； 5.1.5 擺動(dòng)氣缸的選擇 前選擇的 HGW40A 的氣爪其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jq=124X10-4kgm2 其爪夾持的工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (28) 2(3)1gmJRl 式中：m工件的質(zhì)量（kg） ，本設(shè)計(jì)為 m=2kg; R工件的半徑（m） ，本設(shè)計(jì)為 R=20mm; 19 l工件的長(zhǎng)度（m） ，本設(shè)計(jì)為 l=50mm; 把以上數(shù)據(jù)帶入 得： 2(3)1gJRl2(30.5)1gJ 42670kgm 加在擺動(dòng)氣缸工作上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2 由擺動(dòng)氣缸工作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=130.167 kgm2 選用預(yù)選費(fèi)斯托(festo)公司的 DSM- 32-270-P-PW 型氣缸。 該氣缸的許用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：500X10-4 kgm2 滿(mǎn)足要求。 由下圖 5-3 擺動(dòng)的時(shí)間約需 0 .3s 該氣缸是葉片驅(qū)動(dòng)雙作用氣缸，在整個(gè)擺角范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無(wú)極擺角調(diào)節(jié)，終端位 置可通過(guò)止動(dòng)螺釘和緊固螺母調(diào)節(jié)。止動(dòng)桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收，終端緩 沖由緩沖器實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片本身不用于確定終端位置，既止動(dòng)杠桿和止動(dòng)裝置不能移 動(dòng)。該擺動(dòng)氣缸防水防塵 10。 圖 8 氣缸工作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與擺動(dòng)時(shí)間關(guān)系 Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship 本氣缸可實(shí)現(xiàn)擺角范圍內(nèi)無(wú)極擺角調(diào)節(jié)下圖 9 為其擺角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示圖： 20 圖 9 擺角調(diào)節(jié)示圖 Fig9 Swing angle adjustment diagram 擺動(dòng)氣缸參數(shù)表 4 Table4 Swing cylinder parameter table 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 工作壓力 緩沖角 重量 32MM 葉片驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)缸 15-10bar 09 o-17 o 1.02kg 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 缸徑的確定： 缸徑的計(jì)算公式 (29) 14/()DFP 查液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)得 式中：P氣缸的工作壓力（Pa）,本氣缸選為 0.6MP 氣缸總的機(jī)械效率，本氣缸估算為 0.4 D氣缸的內(nèi)徑（m） 。 F1氣缸的負(fù)載力（N） 。本氣缸負(fù)載較小取為 10N 把以上數(shù)據(jù)代入 得： (29)14/()FP 650.341) =0.02526m 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-氣壓傳動(dòng)表 22-1-64 氣缸內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)為 32mm。 行程的確定由設(shè)計(jì)的工作要求活塞行程取為 320mm。 氣缸型號(hào)的選擇： 由以上參數(shù)的計(jì)算選費(fèi)斯托(festo)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(kāi)關(guān)檢測(cè)到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)度為 19mm。 21 連接形式： 由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負(fù)載較大，使推桿受的彎曲應(yīng)力較大。選 用該氣缸的一個(gè)安裝附件，導(dǎo)向單元 FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導(dǎo)向單元上。 下圖為該導(dǎo)向單元外觀圖 10 圖 10 導(dǎo)元向單 Fig10 Guide element to a single 下圖 11 為最大工作負(fù)載與導(dǎo)桿投影距離之間的關(guān)系圖 圖 11 負(fù)載特性圖 Fig11 Load characteristic diagram 由上圖表可查得本設(shè)計(jì)選用的 FENG-32 氣缸在最大伸長(zhǎng)距離 320mm 的情況下其最 大負(fù)載為 55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為 4kg，擺動(dòng)氣缸質(zhì)量為 1.02kg。所以導(dǎo) 向單元的實(shí)際總負(fù)載 Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該導(dǎo)向單元可 用。 22 圖 12 導(dǎo)向單元與氣缸連接圖 Fig12 Guide unit with cylinder connection diagram 6 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1 機(jī)械手控制器的選擇 工業(yè)機(jī)械于是一種模仿人手動(dòng)作井按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬 運(yùn)工件或操持工具進(jìn)行操作的機(jī)電一體化自動(dòng)化裝置。 工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)是通過(guò)控制氣缸電磁換向閥，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)不 同的動(dòng)作的，有采用單片機(jī)控制的，也有采用可編程控制器來(lái)控制的，若采用單片機(jī) 控制由于電磁的工作電壓高于單片機(jī)的+5伏電源所需驅(qū)動(dòng)電流較大因而須設(shè)計(jì) 功率接口電路還要進(jìn)行抗干擾及其可靠性的設(shè)計(jì)。而采用PLC控制，則無(wú)需考慮上 述問(wèn)題。 有著極大的靈活性，易于模塊化，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì) 點(diǎn)的接線稍作修改，或繼電器重新分配，程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展 即可。機(jī)械手的速度、電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jì) 效益。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用控制。 6.2 機(jī)器手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求 23 工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào) 起來(lái)，組成一個(gè)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(jī)，PLC， 計(jì)算機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌 跡運(yùn)動(dòng)，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機(jī)器人的各類(lèi)作業(yè)中，運(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。 1）點(diǎn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中只 在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿(mǎn) 足作業(yè)質(zhì)量要求。而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡（包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)）則不 作任何規(guī)定，這種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、 搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)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執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的 軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連 續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè) 定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手用于棒料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)搬運(yùn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)太大要求。所以選用點(diǎn)位控 制方式。 6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本功能： 本機(jī)械手要具有回原點(diǎn)、手動(dòng)點(diǎn)動(dòng))和自動(dòng)單步、連續(xù)1控制的操作方式； 手動(dòng)操作 用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一種運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制； 回原點(diǎn)操作方式 按下回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)返回原點(diǎn)位置。 自動(dòng)操作 包括單步操作和連續(xù)運(yùn)行兩種操作方式。操作前提是機(jī)械手須處在原 點(diǎn)位置上； 1)單步操作 每按一次按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止； 2)連續(xù)運(yùn)行 系統(tǒng)一旦啟動(dòng)，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)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(gè)完整的動(dòng)作循環(huán)才停止。 為方便控制系統(tǒng)適應(yīng)各具體工作情況作小幅，整個(gè)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。總軟件系統(tǒng)包括初始化電路、故障報(bào) 警程序、點(diǎn)動(dòng)操作程序、回原點(diǎn)程序及自動(dòng)操作程序五大模塊構(gòu)成，分別解決單個(gè)問(wèn) 題然后再進(jìn)行綜合。 本機(jī)械手中驅(qū)動(dòng)部分由電機(jī)與氣動(dòng)兩部分組成，其中電機(jī)部分由PLC直接控制。 24 而氣動(dòng)部分則由PLC控制電磁筏來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。下圖13為氣動(dòng)部分原理圖： 圖 13 氣動(dòng)原理 Fig13 Pneumatic principles 為了使機(jī)械手在作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行及運(yùn)行的安全可靠，擺動(dòng)氣缸，手 臂升降都選用限位開(kāi)關(guān)控制，以給相應(yīng)的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸 則運(yùn)用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實(shí)現(xiàn) PLC對(duì)其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)底座位置傳感器，從而將位置信息 傳給PLC實(shí)現(xiàn)控制 7 手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參 7.1 手臂平衡的驗(yàn)算 手臂工作長(zhǎng)度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對(duì)絲桿力矩較 大。所以應(yīng)該作平衡驗(yàn)算。 手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩： (30)()gbgzMLG 式中：M g手臂工件端對(duì)絲桿的力矩（ ） ；Nm Gb擺動(dòng)氣缸的重力（N）,本設(shè)計(jì)為 12.25N； Gg工件的重力（N）, 本設(shè)計(jì)為 19.8N； Gz氣爪的重力（N）, 本設(shè)計(jì)為 19.6N； L手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩（ m）, 本設(shè)計(jì)為 0.4m; 把以上數(shù)據(jù)代入 得:()gbgzMLG0.412.59.816)20.9Nm 手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩： (31) d 25 式中：M d手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩（ ） ；Nm Gd端蓋端的重力（N）,本設(shè)計(jì)為其質(zhì)量為 4.452KG,得重力為 43.623N； L1手臂端蓋對(duì)絲桿的力臂（ m）, 本設(shè)計(jì)為 0.3m; 把以上數(shù)據(jù)代入 得:1dMLG 0.346213.087Nm 由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為 gdM 代入得: (32).9.gd 手臂對(duì)絲桿的力矩總終由底座來(lái)平衡.底座通過(guò)螺栓安裝.考慮最大負(fù)載情況，由單個(gè) 螺栓承受此力矩時(shí)其受的拉力為 Fl=M/L2 式中：L 2螺栓到絲桿的力臂（m） ，本設(shè)計(jì)為 0.165m； M手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩 ，由前計(jì)算得 M=7.83NmN 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(yīng)力 1/FA 式中：A螺栓的截面面積， 2252/40.47.80Adm (33) 代入 得：1/FA 547./810.64aMP 普通的螺栓的抗拉強(qiáng)度都大于 450 ，可見(jiàn)螺栓能滿(mǎn)足要求。aMP 機(jī)械手工作能達(dá)到平衡。 7.2 機(jī)械手參數(shù) 氣爪夾力為 256.03N 表 5 機(jī)械手的最終運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters : 機(jī)械手機(jī)構(gòu) 工作范圍 工作速度 底座 轉(zhuǎn)動(dòng)角度 2400 轉(zhuǎn)動(dòng)速度 10/minr 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 26 氣爪擺動(dòng) 擺動(dòng)角度 1800 轉(zhuǎn)動(dòng)速度 30/minr 表 6 機(jī)械手工作精度： Table 6 Accuracy of the robot work : 機(jī)械手機(jī)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(dòng) 通過(guò)擋塊定位 8、結(jié)束語(yǔ) 到此近 90 天的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我大學(xué)階段的學(xué)習(xí)也將畫(huà)上句號(hào)。通過(guò)本 次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，牢固了自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高了獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力， 同時(shí)也真正初步了解一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書(shū)館， 網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。這對(duì)我以后的工作 有很大的幫助。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題。從中使我認(rèn)識(shí)到自己在很多地方的 不足。有很多東西還要慢慢學(xué)習(xí)。 由于本人水平有限以及畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間有限，本設(shè)計(jì)難免有不合理或不太準(zhǔn)確的地 方，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 參考文獻(xiàn) 1 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M.第 3 卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001:58 2 張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué)M.廣州:華南理工大學(xué)出版社.2004:1524 3 陳統(tǒng)堅(jiān).機(jī)械工程英語(yǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1996:7898 4 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.氣壓傳動(dòng)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004:1141 5 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Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,1990:123 154 15紀(jì)名剛，陳國(guó)定. 機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社 .2011:2655 致 謝 在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來(lái)給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝向陽(yáng)老 師，熊瑛老師在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的諸多指導(dǎo)。 設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了很多問(wèn)題，有軟件的也有硬件的，有屬于粗心大意造成的， 也有的是因?yàn)橹R(shí)水平所限。在老師的指導(dǎo)下，將其一一排除，增長(zhǎng)了知識(shí)，積累了 經(jīng)驗(yàn)。最后感謝工學(xué)院全體老師!