【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無(wú)水印，高清圖，，壓縮包內(nèi)文檔可直接點(diǎn)開(kāi)預(yù)覽，需要原稿請(qǐng)自助充值下載，請(qǐng)見(jiàn)壓縮包內(nèi)的文件，所見(jiàn)才能所得，下載可得到【資源目錄】下的所有文件哦--有疑問(wèn)可咨詢(xún)QQ:1304139763 或 414951605
基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì) 43
摘 要
在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人等。其中工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的機(jī)械電子設(shè)備，它在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中正扮演著越來(lái)越重要的角色。
全自動(dòng)化工業(yè)機(jī)械手有能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，用固定程序搬運(yùn)，抓取物體或操作工具的自動(dòng)操作裝置，機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。按照搬運(yùn)或者抓去的物件形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)環(huán)境等的要求的不同，手部有幾種結(jié)構(gòu)形式，吸附型，托持型和夾持型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是使手部完成各種動(dòng)作：移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。機(jī)構(gòu)的伸縮、升降和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度。本設(shè)計(jì)選用三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向?yàn)樗膫€(gè)直線(xiàn)方向，是通過(guò)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)小臂與大臂的伸縮，升降。而這些動(dòng)作都是通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行。在控制器的作用下，它將執(zhí)行將工件從一條流水線(xiàn)抓取并運(yùn)送到另一條流水線(xiàn)這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作。
本篇論文主要對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)部分滾珠絲杠與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容主要包括工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及其機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇。另外對(duì)控制部分的描述主要有單片機(jī)的控制方案，接線(xiàn)原理圖以及程序流程圖等。
關(guān)鍵詞：三自由度，直角坐標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人
ABSTRACT
Industrially, automatic control systems have a wide range of applications, such as automation machine tool control, computer systems, robotics. The industrial robot is a relatively new machinery and electronic equipment in the modern industry, it is playing a more and moreimportant role.
Fully automated industrial machinery hand can imitate hand and arm some action function, with fixed procedures handling, grasping an object or operation tool for automatic operation device, the manipulator is mainly composed of a hand and the movement mechanism. According to the transporting or catch to object shape, size, weight, materials and working environment of the different requirements, hand there are several structure forms, adsorption, supporting and clamping type. Motion mechanism is the function of the hand to complete a variety of actions: moving, rotating movement to achieve the required action. Body stretching, lifting and rotating movement, known as the degrees of freedom manipulator. The design of three degree of freedom industrial robot in Cartesian coordinate type, which is composed of four linear direction, through ball screw to realize small arm and the arm stretching, lifting. These movements are all based on the stepper motor driven by. Under the action of the controller, it will perform a workpiece from one production line to crawl and transported to another line of this simple action.
This paper focuses on the manipulator drive portion of the ball screw and the stepping motor were calculated, calculate the content mainly includes industrial robot design of the transmission mechanism, and the mechanical transmission device selection. In addition to the control part of the description there are single-chip microcomputer control scheme, the wiring diagram and the program flow diagram.
Key words ：three degrees of freedom, Cartesian coordinates , industrial robot
目 錄
1 緒論 1
1.1 裝配機(jī)械手的概述 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1
2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2
2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 2
2.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析 3
2.2.1設(shè)計(jì)要求 3
2.2.2總體方案擬定 3
2.2.3工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 4
2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析 5
3 工業(yè)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 6
3.2 工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.2.2氣缸的確定 9
3.2.3手臂機(jī)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì) 13
3.2.4 基座的計(jì)算設(shè)計(jì) 20
3.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇 26
3.3.1聯(lián)軸器的選擇 26
3.3.2滾珠絲杠的選擇 27
4 機(jī)械手的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
4.1 機(jī)械手單片機(jī)控制方案 28
4.1.1控制系統(tǒng)的控制原理及控制要求 28
4.1.2機(jī)械手的工作流程 29
4.1.3驅(qū)動(dòng)器的選擇 32
4.2 機(jī)械手單片機(jī)接線(xiàn)原理圖的設(shè)計(jì) 32
4.2.1電源電路 32
4.2.2 時(shí)鐘電路 33
4.2.3 復(fù)位電路 33
4.2.4 接線(xiàn)原理圖 34
4.3 機(jī)械手單片機(jī)程序流程圖的設(shè)計(jì) 34
4.4 匯編語(yǔ)言的設(shè)計(jì) 39
5 結(jié)論 42
1 緒論
1.1 裝配機(jī)械手的概述
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重 要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。 機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。在機(jī)械行業(yè)中它可以用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，裝配機(jī)械手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。它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷(xiāo)對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
本課題主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。通過(guò)對(duì)機(jī)械電子工程（機(jī)電一體化方向）專(zhuān)業(yè)大學(xué)本科的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床送料機(jī)械手設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械電子工程（機(jī)電一體化方向）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專(zhuān)業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
1.2 設(shè)計(jì)背景與應(yīng)用意義
機(jī)械手工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、 電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果， 是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。裝配機(jī)械手是 一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作， 主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。并且由于裝配所具有的重要意義,裝配領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。其重要性在機(jī)器人應(yīng)用中將躍居第一位。
因此，各大型工廠(chǎng)都需要裝配機(jī)器人來(lái)提高其工作效率，需要設(shè)計(jì)建議。
2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述
圖2-1 工業(yè)機(jī)器人的組成圖
它主要由機(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)及智能系統(tǒng)組成。
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，它包括手部、腕部、機(jī)身等。
（1）手部：又稱(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
（2）腕部：又稱(chēng)手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。
（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
（4）機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。
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。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(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。
檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要給控制系統(tǒng)以反饋，與規(guī)定要求進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。
由圖2-2表示機(jī)械手控制各部分關(guān)系。
圖2-2 各部分關(guān)系圖
2.2 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。
（1）機(jī)械手最大抓重: 1kg
（2）工件尺寸： 直徑約2～3cm
（3）自由度數(shù): 3個(gè)自由度
（4）坐標(biāo)型式: 直角坐標(biāo)
（5）手指開(kāi)合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）
（6）Y軸大臂上下移動(dòng)距離為： 20cm（最大速度10cm/s）
（7）Y軸小臂上下移動(dòng)距離為： 10cm（最大速度10cm/s）
（8）X軸小臂伸縮距離為： 10cm （最大速度10cm/s）
（9）Z軸平移距離為： 10cm （最大速度10cm/s）
（10）機(jī)械手（重復(fù)）定位精度： ±0.5mm
2.2.2 總體方案擬定
在裝配機(jī)械手的諸多功能中，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)是完善的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確的控制驅(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)容和需求確定裝配機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)控制平移運(yùn)動(dòng)；利用四臺(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)上下及其前后運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用連桿式夾持器，用小型氣壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。
由圖2-3顯示機(jī)械手外形輪廓。
圖2-3 機(jī)械手外形圖
2.2.3 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)
工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說(shuō)明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：
（1）抓取重量：
抓取重量是用來(lái)表明機(jī)器人所能承受負(fù)載能力的參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)一般是指在正常速度下所抓取的物體的重量。
（2）工件的極限尺寸：
抓取工件的極限尺寸是用來(lái)表明機(jī)器人抓取功能的重要參數(shù)，它表示手部所能抓取的最大的工件尺寸，是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。
（3）坐標(biāo)形式和自由度：
說(shuō)明機(jī)器人機(jī)身、手部、基座等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。
（4）運(yùn)動(dòng)行程范圍：
指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線(xiàn)移動(dòng)距離的范圍，即各運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。根據(jù)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。
（5）運(yùn)動(dòng)速度：
是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)速度。它與定位精度，抓取的工件重量等參數(shù)有關(guān)，相互影響。當(dāng)今社會(huì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的最大直線(xiàn)移動(dòng)速度為1000mm/s左右，回轉(zhuǎn)速度的最大值為180o/s。
（6）定位精度和重復(fù)定位精度：
定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。編程方式和存儲(chǔ)容量。
本課題設(shè)計(jì)中我采用的是三自由度直角坐標(biāo)型機(jī)械手，其中機(jī)械手的小臂、大臂、基座與末端執(zhí)行器分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)、氣壓缸與單片機(jī)控制。機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表2-1。
表2-1 三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人
機(jī)械手類(lèi)型
三自由度直角坐標(biāo)型
抓取重量
1Kg
自由度
3個(gè)（3個(gè)方向的移動(dòng)）
機(jī)座
伸縮運(yùn)動(dòng)，前后移動(dòng)范圍100mm， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
大臂機(jī)構(gòu)
伸縮運(yùn)動(dòng)，升降范圍200mm， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
小臂機(jī)構(gòu)
伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍100mm， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
末端執(zhí)行器
氣壓缸驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制
2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析
本課題采用單片機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，初定8051系列，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出單片機(jī)程序（可能在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有改動(dòng)）。機(jī)械手的工作流程圖如圖2-4所示。
圖2-4 機(jī)械手工作流程圖
3 工業(yè)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型等三方面來(lái)討論。
（1）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度
所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)械手操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有移動(dòng)副一種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，平移，前后往復(fù)三自由度,如圖3-1所示。
圖3-1機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（2）機(jī)械手的工作空間
工作空間是指機(jī)械手正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。
（3）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型
直角坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)伸縮、平移和升降，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
3.2裝配機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
裝配機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的準(zhǔn)確、迅速和穩(wěn)定程度都將直接影響到工業(yè)裝配機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)裝配機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
1.設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：
1) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指穩(wěn)定的夾緊工件，除考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷外，還應(yīng)考慮工件夾持工件的重力。
2) 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)及其方位的影響，以及工件尺寸的大小 。
3) 應(yīng)能保證末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的工件能被準(zhǔn)確定位。
4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于接下來(lái)的手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5) 根據(jù)使用條件考慮其通用性。
2.總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用連桿杠桿式夾持器，用小型壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)氣壓缸工作時(shí)，推動(dòng)推桿向上運(yùn)動(dòng)，使兩鉗爪向內(nèi)收攏，從而帶動(dòng)彈性爪夾緊工件。與本設(shè)計(jì)的零件要求相符，且這種夾持器多用于實(shí)心圓柱零件的夾持。
圖3-2末端執(zhí)行器
其工件重量G=1公斤，V形手指的角度2? =120o，b=30mm R=12.5mm，摩擦系
數(shù)為f=0.25。
圖3-3手爪受力分析圖
（1）根據(jù)手爪類(lèi)別,計(jì)算夾緊力。
采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：
FG=m(g+a)2×μsinα×s （3-1）
式中，
m -工件質(zhì)量；
g -重力加速度；
a -動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度；
S -安全系數(shù)；
α -V型手爪張開(kāi)的角度；
μ -氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手抓與工件材料都采用45鋼，查表得
μ =0.25
FG=m(g+a)2×μsinα×s (3-2)
=1×9.82×0.25×sin60×2.5
=42.34N≈45N
其驅(qū)動(dòng)力為:
F=2bRN (3-3)
所以
F=2bRN=2×3012.5×45=216(N)
實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：
F實(shí)際≥Fk1k2η （3-4）
取傳動(dòng)效率0.94，并取K1=1.5。。若被抓取工件的為勻速取a = 0時(shí)，則：K2=1+ag=1
F實(shí)際=216×1.5×10.94=344.68N≈345N
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為345N 。
3.2.2氣缸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》取氣缸工作壓力p=0.4MPa
2.氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d 的確定
本課題設(shè)計(jì)的氣缸屬于雙向作用氣缸。
單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側(cè)有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等?；钊笮袝r(shí)活塞桿產(chǎn)生推力F1，活塞右行時(shí)活塞桿產(chǎn)生拉力F2。
F1=πD2p4-Fz （3-5）
F2=πD2-d2p4-Fz （3-6）
式中，
F1- 活塞桿上的推力，N
F2-活塞桿的拉力，N
Fz- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N
p - 氣缸工作壓力，Pa
D-活塞直徑，m
d -活塞桿直徑，m
氣缸工作時(shí)的總阻力Fz與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)部件慣性力、密封處摩擦力、背壓阻力等。以上因素可以載荷率η 的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力F1和靜拉力F2，則在計(jì)入載荷率后：
F1=πD2p4×η （3-7）
F2=πD2-d2p4×η （3-8）
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取η = 0.3 ~ 0.5，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取η = 0.7 ~ 0.85。
由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:
D=4F1πPn （3-9）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
D=4F1πPn=4×3453.14×0.4×106×0.85=35.95（mm）
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓整，得D=40mm
由d / D = 0.2 ? 0.3 ,可得活塞桿直徑: d = (0.2 ~ 0.3)D = 8 ~ 12mm圓整后，取活塞桿直徑d=12mm
3.缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
δ=Dpp2σ （3-10）
式中，
δ - 缸筒壁厚，mm
D- 氣缸內(nèi)徑，mm
pp - 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 pp= 1.5p（Pa）
p -氣缸工作壓力 （Pa）
[σ ] -缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）
本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[σ ]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
δ=DPp2σ
=40×1.5×4×1052×3×106
=4mm
取δ=4mm，則缸筒外徑為：D1=40+4×2=48mm
手部活塞桿行程長(zhǎng)L計(jì)算
活塞桿的位移量=30°360°×2πR=6.5mm
氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿(mǎn)行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加10 ~ 20mm的行程余量。
L = 6.5 + 20 = 26.5mm
故查有關(guān)手冊(cè)圓整為l = 27mm校核：
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L較小時(shí)（L ≤ 10d），可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑d 有：
d≥4F1πσ0.5 （3-11）
其中σ=120MPa, F1=345N
則：
d≥4×345π×1200.5
=1.9≤12
所以設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求
（2）氣缸推力驗(yàn)算：
F1=πD2p4×η （3-12）
=3.14×0.042×0.4×1064×0.85
=427N>345N
由以上計(jì)算可知?dú)飧卓赡墚a(chǎn)生的推力F1=427N大于夾緊工件所需的推力F實(shí)際=345N。所以該氣缸滿(mǎn)足要求。
4.消耗氣量的計(jì)算
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量Q為：
Q=πs4n2D2-d2m3min （3-13）
式中，
D-氣缸缸徑，m
d -活塞桿直徑，m
s -活塞行程，m
n -氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。
Q=3.14×0.0274×30×2×0.042-0.0122=0.002m3min
5.氣缸進(jìn)排口的計(jì)算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑d0用下式計(jì)算
d0=2Qπvm （3-14）
式中
Q-工作壓力下氣缸的耗氣量，m3 / s
V-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取V = 10 ~ 15m/ s
把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T14038—93《氣缸氣口螺紋》選擇合適的氣口螺紋。故，d=0.003m
6.手抓部分總質(zhì)量估算
m=m手抓+m零件+m氣缸 （3-15）
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85×103kg/m3 ZL106的密度為 2.73×103 kg /m3
手抓部分總質(zhì)量約為
m = 0.2491+1.1191+1 = 2.3682kg
3.2.3 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
Y軸小臂手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 初選電機(jī)為90BYG250C
2.滾珠絲杠的選擇
根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)
擬使用條件 負(fù)載重量 W=5KG
最大行程 Smax=100mm
快速進(jìn)給速度 Vmax=100mm/s
加減速時(shí)間常數(shù) t=0.15s
預(yù)期壽命 Lh=30000h
直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02 μ
電機(jī)轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min
（1）設(shè)定螺距
根據(jù)電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度
L≥Vmax×60Nmax=10mm （3-16）
（2）計(jì)算基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載
各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算
1）加速時(shí)
加速度 a=Vmaxt×10-3=0.67ms2 （3-17）
軸向負(fù)載 PA=Wa+μWg=4.33N （3-18）
2）勻速時(shí)
軸向負(fù)載 PB=μWg=0.98N （3-19）
3）減速時(shí)
軸向負(fù)載 Pc=Wa—μWg=2.37N （3-20）
各動(dòng)作模式1次循環(huán)所需的時(shí)間（s）
螺距為10的負(fù)載條件
根據(jù)上述兩表所示條件計(jì)算軸向均負(fù)載Pm與平均轉(zhuǎn)速Nm
Pm=2PA+PC3=3.68N （3-21）
Nm=NAtA+NBtB+NCtCtA+tB+tC=510rmin （3-22）
計(jì)算所需基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載C
根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命Lh0
Lh0=3000021+2+5=7500h （預(yù)計(jì)夾緊1s上下運(yùn)動(dòng)5s）
將運(yùn)行系數(shù)fW=1.2帶入公式中
C=60Lh0Nm10613×Pm×fw=27.04N （3-23）
因此選擇BSBR2510絲杠
（3） 容許屈曲載荷危險(xiǎn)速度計(jì)算
研討絲杠軸全場(chǎng)L 與危險(xiǎn)速度Nc 屈曲載荷Pk
L=最大行程+螺母長(zhǎng)度+余量+末端尺寸
=100+80+20+115=315mm
下面就屈曲載荷進(jìn)行討論，設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距 l1=225mm
PK=nπ2EIl12=1019.45N （3-24）
式中：
PK：開(kāi)始引起壓曲的負(fù)載
l1：負(fù)載作用點(diǎn)距離
E：楊氏模量
I：絲杠軸最小慣性矩
I=π64d4 （3-25）
n：由絲杠的支撐方式?jīng)Q定系數(shù)
鉸支—鉸支n=1
固定—鉸支n=2(選用)
固定—鉸支n=4
固定—自由n=0.25
P=αPK=509N （3-26）
式中
PK:屈曲載荷
：安全系數(shù)（0.5）
說(shuō)明容許軸向負(fù)載充分滿(mǎn)足使用條件
由于電機(jī)速度比較慢 肯定安全 無(wú)需校核危險(xiǎn)速度
（4） 最終選型結(jié)果
適合的滾珠絲杠的形式為
BSBR2510-315
支座型號(hào)為BRW10
3 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)
（1）傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD
JD=3.6Kg.cm2 （3-27）
2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js的折算
Js=πp32D4ls=0.93Kg.cm2 (3-28)
3）手臂上下移動(dòng)慣量JG的折算
工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上下移動(dòng)的慣量JG可按下式進(jìn)行計(jì)算：JG=L2π2M (3-29)
式中，L是絲桿導(dǎo)程（cm）；M為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。
所以JG=L2π2M=12×3.142×5=0.5(Kg.cm2)
4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=M1D28=4(kg.cm2) (3-31)
5)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JΣ=JD+Js+JG+J1=3.6+0.93+0.5+4×2=13.03kg.cm2 (3-32)
(2)驗(yàn)算矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得Mjmax=6.3N.m
步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系為Mmq=λMjmax查的λ=0.707。所以Mmq=0.707×6.3=4.45N.m (3-33)
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
Mkq=Mka+Mkf+M0 (3-34)
式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩
Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N.m）
Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N.m）
有關(guān)Mkq的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：
1）加速力矩
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2 (3-35)
nmax=vmaxθbδp360 （3-36）
式中：Jε為傳動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為電機(jī)的最大角加速度；
nmax為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；
t為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間；
vmax為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；
θb為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；
δp為脈沖當(dāng)量；
nmax=vmaxθbδp360=100×0.90.025×360=10rs=600rmin （3-37）
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2=13.03×2×3.14×60060×0.15×10-2=85.47N.cm （3-38）
2)空載摩擦力矩
Mkf=MμL2πη （3-39）
式中:M為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；
為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；（η=0.9）
L為滾珠絲杠的最大行程；
Mkf=MμL2πη=5×9.8×0.02×1022×3.14×0.9=17.34N.cm （3-40）
3）附加摩擦力矩
M0=FYJL2πη （3-41）
式中；FYJ為滾珠絲杠預(yù)緊力；（為最大軸向負(fù)載的13）
η0為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取η0=0.9
M0=FYJL2πη=1375×12×3.14×0.9×1×1-0.92=41.48N.cm （3-42）
所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩：
Mkq=Mka+Mkf+M0=85.47+17.34+41.48=144.29N.cm （3-43）
初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即Mkq≤Mkq
從上式可知電機(jī)初步滿(mǎn)足要求。
（3）啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有升速啟動(dòng)和突跳啟動(dòng)。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。突跳啟動(dòng)很少使用。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。
從下圖中，可查得
圖3-4 90BYG250C 矩頻特性圖
縱向：空載啟動(dòng)力矩Mkq=144.29N.cm。對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率fyq=6000HZ。步進(jìn)電機(jī)90BYG250C啟動(dòng)頻率fq=2500HZ
fKJ；所以所用的電機(jī)都滿(mǎn)足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī)90BYG250C符合要求，可以使用。
3.2.4基座的計(jì)算設(shè)計(jì)
1. 初選電機(jī)為90BYG250C
2.滾珠絲杠的選擇
根據(jù)電機(jī)以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)
擬使用條件 負(fù)載重量 W=50KG
最大行程 Smax=100mm
快速進(jìn)給速度 Vmax=100mm/s
加減速時(shí)間常數(shù) t=0.15s
預(yù)期壽命 Lh=30000h
直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02μ
電機(jī)轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min
（1）設(shè)定螺距
根據(jù)電機(jī)最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度
L≥Vmax×60Nmax=10mm
（2）計(jì)算基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載
各動(dòng)作模式下的軸向負(fù)載的計(jì)算
1）加速時(shí)
加速度 a=Vmaxt×10-3=0.67ms2
軸向負(fù)載 PA=Wa+μWg=43.3N
2）勻速時(shí)
軸向負(fù)載 PB=μWg=9.8N
3）減速時(shí)
軸向負(fù)載 Pc=Wa—μWg=23.7N
各動(dòng)作模式1次循環(huán)所需的時(shí)間（s）
螺距為10的負(fù)載條件
根據(jù)上述兩表所示條件計(jì)算軸向均負(fù)載Pm與平均轉(zhuǎn)速Nm
Pm=2PA+PC3=36.7N
Nm=NAtA+NBtB+NCtCtA+tB+tC=510rmin
計(jì)算所需基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)載C
根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時(shí)間后的凈運(yùn)行使用壽命Lh0
Lh0=3000021+2+5=7500h （預(yù)計(jì)夾緊1s前后運(yùn)動(dòng)5s）
將運(yùn)行系數(shù)fW=1.2帶入公式中
C=60Lh0Nm10613×Pm×fw=1251.2N （3-45）
因此選擇BSBR2510絲杠
（3） 容許屈曲載荷危險(xiǎn)速度計(jì)算
研討絲杠軸全場(chǎng)L 與危險(xiǎn)速度Nc 屈曲載荷Pk
L=最大行程+螺母長(zhǎng)度+余量+末端尺寸
=100+80+20+115=315mm
下面就屈曲載荷進(jìn)行討論，設(shè)負(fù)載作用點(diǎn)間距 l1=225mm
PK=nπ2EIl12=1019.45N （3-46）
式中：
PK：開(kāi)始引起壓曲的負(fù)載
l1：負(fù)載作用點(diǎn)距離
E：楊氏模量
I：絲杠軸最小慣性矩
I=π64d4 （3-47）
n：由絲杠的支撐方式?jīng)Q定系數(shù)
鉸支—鉸支n=1
固定—鉸支n=2(選用)
固定—鉸支n=4
固定—自由n=0.25
P=αPK=509N
式中
PK:屈曲載荷
：安全系數(shù)（0.5）
說(shuō)明容許軸向負(fù)載充分滿(mǎn)足使用條件
由于電機(jī)速度比較慢 肯定安全 無(wú)需校核危險(xiǎn)速度
（4） 最終選型結(jié)果
適合的滾珠絲杠的形式為
BSBR2510-315
支座型號(hào)為BRW10
3 校核驅(qū)動(dòng)電機(jī)
（1）傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD
JD=3.6Kg.cm2
2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js的折算
Js=πp32D4ls=0.93Kg.cm2 （3-48）
3）手臂上下移動(dòng)慣量JG的折算
工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上下移動(dòng)的慣量JG可按下式進(jìn)行計(jì)算：JG=L2π2M
式中，L是絲桿導(dǎo)程（cm）；M為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。
所以JG=L2π2M=12×3.142×50=5(Kg.cm2)
4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J1=M1D28=4(kg.cm2)
5)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JΣ=JD+Js+JG+J1=3.6+0.93+5+4×2=17.53kg.cm2
(2)驗(yàn)算矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得Mjmax=6.3N.m
步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系為Mmq=λMjmax查的λ=0.707。所以Mmq=0.707×6.3=4.45N.m
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
Mkq=Mka+Mkf+M0
式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩
Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N.m）
Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N.m）
有關(guān)Mkq的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：
1）加速力矩
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2 （3-49）
nmax=vmaxθbδp360 （3-50）
式中：Jε為傳動(dòng)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為電機(jī)的最大角加速度；
nmax為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；
t為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間；
vmax為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；
θb為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；
δp為脈沖當(dāng)量；
nmax=vmaxθbδp360=100×0.90.025×360=10rs=600rmin
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2=17.53×2×3.14×60060×0.15×10-2=114.99N.cm
2)空載摩擦力矩
Mkf=MμL2πη (3-51)
式中:M為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；
為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；（η=0.9）
L為滾珠絲杠的最大行程；
Mkf=MμL2πη=50×9.8×0.02×1022×3.14×0.9=173.4N.cm
3）附加摩擦力矩
M0=FYJL2πη (3-52)
式中；FYJ為滾珠絲杠預(yù)緊力；（為最大軸向負(fù)載的13）
η0為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取η0=0.9
M0=FYJL2πη=1375×12×3.14×0.9×1×1-0.92=41.48N.cm
所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩：
Mkq=Mka+Mkf+M0=114.99+173.4+41.48=329.87N.cm
初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即Mkq≤Mkq
從上式可知電機(jī)初步滿(mǎn)足要求。
（3）啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有升速啟動(dòng)和突跳啟動(dòng)。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。突跳啟動(dòng)很少使用。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。
從下圖中，可查得
圖3-5 90BYG250C 矩頻特性圖
縱向：空載啟動(dòng)力矩Mkq=329.87N.cm。對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率fyq=4000HZ。步進(jìn)電機(jī)90BYG250C啟動(dòng)頻率fq=2500HZfKJ；所以所用的電機(jī)都滿(mǎn)足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī)90BYG250C符合要求，可以使用。
3.2.5 軸承的選取
（1）本設(shè)計(jì)中，我的機(jī)械手手臂部分的絲杠是由BSBR2510型號(hào)組成。其中絲杠的支撐方式是由固定-簡(jiǎn)支形式（適用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的絲杠）。因此絲杠上的軸承是一端安裝雙向推力軸承與深溝球軸承的組合，另一端安裝深溝球軸承。
（2）本設(shè)計(jì)中，機(jī)械手基座的絲杠也是由BSSR2510型號(hào)組成。其中絲杠的支撐方式是由固定-簡(jiǎn)支形式（適用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的絲杠）。因此絲杠上的軸承一端安裝雙向推力軸承與深溝球軸承的組合，另一端安裝深溝球軸承。
3.3 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)裝置的選擇
3.3.1聯(lián)軸器的選擇
本設(shè)計(jì)中，該機(jī)構(gòu)利用錐環(huán)對(duì)之間的磨擦實(shí)現(xiàn)與轂之間的無(wú)間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩面聯(lián)接件之間的角度位置。通過(guò)選擇所用錐環(huán)的對(duì)數(shù)，可傳遞不同大小的轉(zhuǎn)矩。圖3-6所示為采用錐環(huán)（錐環(huán)夾緊環(huán)）無(wú)鍵消隙聯(lián)軸器，可使動(dòng)力傳遞沒(méi)有反向間隙。螺釘5通過(guò)壓圈3施加軸向力時(shí)，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)2分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過(guò)磨擦傳遞轉(zhuǎn)矩，而且套筒1與軸4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。
這種聯(lián)軸器承載能力高，定心性好，轉(zhuǎn)速高、傳遞功率大、具有過(guò)載保護(hù)能力，使用壽命長(zhǎng)，能在受沖擊載荷和振動(dòng)等惡劣環(huán)境下連續(xù)工作，使用、安裝、和維護(hù)方便，作用于系統(tǒng)中的噪聲低、載荷小。
圖3-6消隙聯(lián)軸器
3.3.2 滾珠絲杠的選擇
根據(jù)上述3.2計(jì)算的出最終選擇的滾珠絲杠為：
（1）控制機(jī)械手小臂的左右（前后）運(yùn)動(dòng)的為 BSBR 2510型號(hào)的絲杠。
（2）控制機(jī)械手大臂的上下運(yùn)動(dòng)的為 BSST 2510型號(hào)的絲杠
（3）控制機(jī)械手基座前后運(yùn)動(dòng)的為BSST 2510型號(hào)的絲杠。
（4）控制機(jī)械手小臂的上下運(yùn)動(dòng)的為BSST 2510型號(hào)的絲杠。
4 機(jī)械手的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用單片機(jī)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
4.1 機(jī)械手單片機(jī)控制方案
4.1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求
（1） 控制對(duì)象為直角坐標(biāo)機(jī)械手。它具有三個(gè)自由度，即X軸方向的伸縮; Y軸方向的上、下升降;Z軸方向的前后平移。另外，其末端執(zhí)行裝置還可完成抓、放（開(kāi)合）功能。以上各動(dòng)作除了手抓開(kāi)合采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，其余都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)方式用二位三通電磁閥(帶有兩個(gè)線(xiàn)圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)來(lái)控制控制氣缸，電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)用接觸器控制，使機(jī)械手完成伸縮、上下動(dòng)作。這樣，可用單片機(jī)的P0、P2輸出端分別與6N137和TLP620連接構(gòu)成系統(tǒng)總線(xiàn)再與個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DB810A相應(yīng)輸入口連接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。兩者之間采用光電耦合器連接,是為了分開(kāi)通電，減少干擾[14], [15]。其原理圖如圖4-1所示：
步進(jìn)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)器
光電耦
單片機(jī)
光電耦
步進(jìn)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器
光電耦
步進(jìn)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)器
光電耦
步進(jìn)電機(jī)
氣壓缸
電磁閥
繼電器
圖4-1 工作原理
（2）控制要求
為了滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，機(jī)械手應(yīng)設(shè)置手動(dòng)工作方式、單動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。
A．手動(dòng)工作方式
便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動(dòng)工作方式。用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制。
B．自動(dòng)工作方式
按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。
4.1.2 機(jī)械手的工作流程
機(jī)械手的工作流程本人初步選定三個(gè)方案
（1）第一方案工作流程圖如圖4-2所示。
當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后，首先單片機(jī)P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機(jī)得到控制信號(hào)前移，基座前移，至前限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸大臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使X軸步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，小臂開(kāi)始伸出，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸小臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，小臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。繼電器導(dǎo)通吸合，手爪電磁閥通電，氣壓缸進(jìn)氣，手爪抓緊，至限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸小臂步進(jìn)電機(jī)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，小臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使X軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)，小臂收縮，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸大臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，大臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機(jī)得到控制信號(hào)旋轉(zhuǎn)，基座后移，至后限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸大臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。繼電器斷開(kāi)，手爪電磁閥不通電，氣壓缸出氣。手爪放松，至限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸大臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，大臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。最后機(jī)械手停止，完成一個(gè)流程。
圖4-2 工作流程
（2）第二方案工作流程圖如圖4-3所示。
當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后，首先單片機(jī)P0口輸出控制信號(hào)，使Y軸大臂步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。單片機(jī)P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機(jī)得到控制信號(hào)前移，基座前移，至前限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。單片機(jī)P0口