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西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 具有空間運(yùn)動(dòng)能力的產(chǎn)品輸送機(jī)
機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專(zhuān)業(yè)班級(jí) 08級(jí)機(jī)電（2）班
學(xué) 號(hào) 08102080216
學(xué)生姓名 張耐
指導(dǎo)教師 李潤(rùn)
設(shè)計(jì)所在單位 西安文理學(xué)院
2012 年 5 月
工業(yè)機(jī)器人
摘要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)三自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給輸送產(chǎn)品。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械手爪、手臂、腰部和基座的設(shè)計(jì)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)方式和電機(jī)的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線(xiàn)修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，示教編程，伺服，制動(dòng)
INDUSTRIAL ROBOTS
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the
production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the
automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by
enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four dofs, which is used to
carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
西安文理學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文）
目錄
1 緒論…………………………………………………………………（1）
1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介………………………………………………………… （1）
1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展……………………………………………………… （3）
1.3課題的提出、意義及主要任務(wù)………………………………………… （4）
2 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)……………………………………………（5）
2.1工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述………………………………… （5）
2.1.1執(zhí)行系統(tǒng)………………………………………………………… （5）
2.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)………………………………………………………… （5）
2.1.3控制系統(tǒng)………………………………………………………… （6）
2.1.4檢測(cè)系統(tǒng)………………………………………………………… （6）
2.2工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析………………………………………………… （6）
2.2.1設(shè)計(jì)要求………………………………………………………… （6）
2.2.2工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)……………………………………… （7）
2.3 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述………………………………………………………（7）
2.3.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度……………………………………… （8）
2.3.2 機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型……………………………（8）
2.3.3 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 ……………………………………… （9）
2.4原理方案的擬定………………………………………………………… （9）
2.4.1原理方案的選擇………………………………………………… （9）
2.4.2原理方案的確定…………………………………………………（10）
3 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………… （11）
3.1機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)………………………………………………………（11）
3.1.1設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題……………………………………………（11）
3.1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………（11）
3.1.3氣缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn)……………………………………（12）
3.1.4彈性爪的強(qiáng)度校驗(yàn)………………………………………………（13）
3.2手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………（14）
3.2.1手臂的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………（14）
3.2.2手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………（14）
3.2.3伸縮氣缸的選擇…………………………………………………（15）
3.2.4活塞桿的強(qiáng)度校核………………………………………………（15）
3.3腰部和基座設(shè)計(jì)…………………………………………………………（17）
3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………（17）
3.3.2升降氣缸的選擇…………………………………………………（18）
3.3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 ……………………………………………… （18）
3.3.4連軸器的選擇……………………………………………………（21）
3.3.5 軸承的選取………………………………………………………（22）
3.3.6齒輪的選擇………………………………………………………（24）
4 工業(yè)機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………… （25）
4.1氣動(dòng)系統(tǒng)的概述…………………………………………………………（25）
4.2氣動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)…………………………………………………（25）
5 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施………………………… （27）
5.1安全要求…………………………………………………………………（27）
5.2實(shí)施方法…………………………………………………………………（28）
總結(jié)………………………………………………………………… （28）
致謝………………………………………………………………… （29）
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………… （30）
1緒論
1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用機(jī)器人。
簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。
機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。
機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類(lèi)型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。
要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
圖1-1 機(jī)器人的一般組成
對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。
目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。
第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。
目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。
隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。
美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶(hù)做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線(xiàn)；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線(xiàn)上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。
我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。
1.3課題的提出、意義及主要任務(wù)
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(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。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，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(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)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，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。
在機(jī)械加工過(guò)程或者自動(dòng)化社設(shè)備中，常常要求有自動(dòng)輸送和產(chǎn)品裝卸功能的機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助作業(yè)。本次設(shè)計(jì)擬定題目為在機(jī)械產(chǎn)品加工過(guò)程中，能夠完成生產(chǎn)線(xiàn)上預(yù)定零部件的夾取、輸送及其到達(dá)預(yù)定目的地后放置等動(dòng)作的自動(dòng)化機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求能夠設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)要求的典型一體化系統(tǒng)。
此題目重在培養(yǎng)學(xué)生在給定任務(wù)下的創(chuàng)造性和創(chuàng)造性思維的能力，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)解決與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題的的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)間能力和動(dòng)手能力。
課題中所要設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有四點(diǎn)：機(jī)械手的原理方案設(shè)計(jì)、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、機(jī)械手的轉(zhuǎn)臂功能的設(shè)計(jì)、機(jī)械手抓取和釋放預(yù)定產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)。
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
2.1.1執(zhí)行系統(tǒng)。
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
（1）手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
（2）手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))
（3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、液壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
（4）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。
（5）機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
2.1.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 液壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。
2.1.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2.1.4檢測(cè)系統(tǒng)
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
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
（1）安全失效
安全失效是指當(dāng)機(jī)器人及其系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，元器件或某個(gè)部件發(fā)生不可預(yù)見(jiàn)的失效。但在設(shè)計(jì)、構(gòu)造和使用時(shí)則應(yīng)預(yù)先考慮到這種情況的發(fā)生，不使其安全功能受到影響，若某一項(xiàng)功能受到影響暫停時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)仍然處于安全狀態(tài)，且應(yīng)提供一種能確保安全(如鎖住)的工作方式選擇器件或措施以防止自行啟動(dòng)。安全功能是由輸人信號(hào)觸發(fā)并通過(guò)控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件處理的，能使機(jī)器人及其系統(tǒng)達(dá)到安全狀態(tài)的功能。機(jī)器人及其系統(tǒng)的安全功能至少應(yīng)包括:
a)限制運(yùn)動(dòng)范圍的功能;
b)緊急停機(jī)和安全停機(jī)的功能;
C)慢速運(yùn)動(dòng)—機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度低于250 mm/s;
d)安全防護(hù)裝置的聯(lián)鎖功能。
（2） 電氣設(shè)備
機(jī)器人及其系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的選擇應(yīng)符合其預(yù)定的用途，選用的元器件、部件及設(shè)備則應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
（3）電源
電源和接地(保護(hù)接地)應(yīng)符合制造廠(chǎng)的規(guī)定。一般，在常規(guī)電源條件下，機(jī)器人及其系統(tǒng)的電氣控制裝置應(yīng)設(shè)計(jì)成能在滿(mǎn)載或無(wú)載時(shí)正常運(yùn)行。
（4）電源隔離
電源隔離是在機(jī)器人系統(tǒng)和電源之間安裝隔離(切斷)裝置，它應(yīng)安裝在對(duì)操作人員無(wú)傷害之處。隔離裝置應(yīng)具有斷路或開(kāi)路功能。當(dāng)需要時(shí)，該裝置將切斷機(jī)器人系統(tǒng)電氣控制的電源，當(dāng)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電源隔離裝置時(shí)，應(yīng)采取聯(lián)鎖保護(hù)措施。
2.2.2工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)
（1）用途:用于小型零件搬運(yùn)。
（2）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
a)抓重 5公斤(夾持式手部)
b)3個(gè)自由度數(shù)(手臂二個(gè)自由度, 手腕一個(gè)自由度)
c)座標(biāo)型式
圓柱座標(biāo) 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)移動(dòng),共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(代號(hào)RPP),工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
d)最大工作半徑 920mm(720+200)
e)手臂最大中心高 1200mm
f)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)(手臂二個(gè)自由度,用一個(gè)移動(dòng)服,一個(gè)回轉(zhuǎn)副)
伸縮行程200mm
伸縮速度300mm/s
升降行程200mm
升降速度300mm/s
回轉(zhuǎn)范圍00 -2400
回轉(zhuǎn)速度900/s
g)手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)(手腕一個(gè)自由度, 一個(gè)回轉(zhuǎn)副)
回轉(zhuǎn)范圍 00--1800
回轉(zhuǎn)速度1800/s
h)手指夾持范圍
片料:面積不大于0.02㎡(準(zhǔn)備設(shè)計(jì)成正方形)
i)定位精度
士0. 5mm
j)緩沖方式
液壓緩沖器
要執(zhí)行的詳細(xì)的動(dòng)作為：（1）定位 （2）抓?。?）提升（4）順時(shí)針轉(zhuǎn)90°（5）前進(jìn) 6）下降 （7）松開(kāi) （8）提升 （9）后退 （10）逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°（11）下降，完成一個(gè)工作循環(huán)。
2.3.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可從工業(yè)機(jī)器人的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型等三方面來(lái)討論。
工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖
2.3.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度
所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(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)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。
2.3.2 機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型
（1）工作空間 工作空間是指機(jī)器人正常運(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)器人的主要技術(shù)參數(shù)。
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型
圓柱坐標(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)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào)RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
2.3.3 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作如圖3和表3。
圖3
表3
機(jī)器人開(kāi)機(jī)，處于A位
工步一
手臂上升
工步二，工步七，工步十三
旋轉(zhuǎn)至B位
工步三
手臂伸出
工步四, 工步十
手臂下降
工步五，工步十一
夾緊工件
工步六
手臂收縮
工步八，工步十四
旋轉(zhuǎn)至C位
工步九
放松工件
工步十二
實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各工步是由工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計(jì)成敗之關(guān)鍵所在。
2.4原理方案的擬定
2.4.1原理方案的選擇
工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)：
（1） 夾鉗式取料手
（2） 吸附式取料手
（3） 專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器
（4） 仿生多指靈巧手
2.4.2原理方案的確定
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)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，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)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)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。
3 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)是用來(lái)抓持工件或工具的。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
3.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題
(1)機(jī)械手手爪應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。
(2)機(jī)械手手爪應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)及其方位的影響。
(3) 應(yīng)能保證工件在機(jī)械手手爪內(nèi)準(zhǔn)確定位。
(4)結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用滑槽杠桿式手爪，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖3-1?；鄹軛U式回轉(zhuǎn)型夾手爪，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)桿2向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓柱銷(xiāo)3在兩桿4的滑槽中移動(dòng)，迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力。當(dāng)桿2向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指松開(kāi)。機(jī)械手手爪如圖3-1所示[4]。
表3-1 傳動(dòng)軸上軸承的主要技術(shù)參數(shù)
3.1.3 氣缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn)
（1）初選氣缸型號(hào)
考慮到所要夾持的是比較小的零件，最大工作載荷很小，故初選氣缸型號(hào)為QGB-40×s-Y2. 它的主要技術(shù)參數(shù)如表3-1:
表3-1 QGB-40×s-Y2氣缸的主要技術(shù)參數(shù)
缸 徑
/mm
活塞桿直徑
/mm
行 程
/mm
氣口直徑
通徑
/mm
聯(lián)接螺紋
40
16
60
6
M10×1
（2）夾緊力校驗(yàn)
a)零件的計(jì)算
其中g(shù)取9.8，取G=46（N）
b)夾緊力的計(jì)算：
要夾持住零件必須滿(mǎn)足條件：
f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為鑄鐵，手指為鋼材，查《機(jī)械零件手冊(cè)》 表2-5 f=0.15，N為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G為零件重力。
（3-1）
取=155（N）
由《機(jī)械制造裝備》式4-56可知驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為：
（3-2）
圖3-2 機(jī)械手手爪受力分析圖
為斜面傾角，，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng)，查《機(jī)械零件手冊(cè)》得 這里取 0.85。
L=116.00mm, b=72.30mm
N
取P=405N
由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》[5]有
（3—3）
D為氣缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,QGB型氣缸適用于工作壓力為
0.15～0.80Mpa的工作條件。
取P=0.40Mpa，有機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可可查得：=0.8～0.95,所以
由以上計(jì)算可知?dú)鈮焊啄墚a(chǎn)生的推力F=401.92N大于夾緊工件所需的推力P=155N。所以該氣壓缸能夠滿(mǎn)足要求。
3.1.4 彈性爪的強(qiáng)度校驗(yàn)
當(dāng)彈性手工作時(shí)，由于夾過(guò)程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。
工件與彈簧片間的力：
由上節(jié)可知F=80N。
則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa，
τ=Q/A=
故彈性爪滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
3.2 手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.1手臂的設(shè)計(jì)要求
(1)手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求
(2)根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。
(3)盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。
(4)要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。
3.2.2手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-3 手臂結(jié)構(gòu)圖
本設(shè)計(jì)手臂直接聯(lián)接在底座升降氣壓缸上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。伸縮氣缸的伸縮行程為200mm。采用軸向腳架型氣壓缸，由螺釘安裝在手臂底座上。并在氣缸的兩端各設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向桿支架用來(lái)固定導(dǎo)向桿，當(dāng)活塞桿前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿著導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)，從而防止活塞桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合的氣缸固定在另一個(gè)底座上，底座的末端設(shè)置一個(gè)凸臺(tái)用來(lái)安裝機(jī)械手手爪。這個(gè)底座的位置由伸縮氣缸的活塞桿和導(dǎo)向桿來(lái)固定。如圖3-3所示：
手臂與機(jī)械手手爪的聯(lián)接結(jié)構(gòu)選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，與手爪相連接，從而活塞桿的前后運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪的開(kāi)合。如圖3-4所示：
圖 3-4 活塞桿與機(jī)械手的聯(lián)接
3.2.3伸縮氣缸的選擇
選氣缸型號(hào)為QGB-80×S-Y2，它的主要技術(shù)參數(shù)如表3-2:
表3-2 QGB-80×S-Y2的主要技術(shù)參數(shù)[7]
缸 徑
/mm
活塞桿直徑
/mm
行 程
/mm
氣口直徑
通徑/mm
聯(lián)接螺紋
80
25
200
10
M14x1.5
3.2.4活塞桿的強(qiáng)度校核
機(jī)械手爪的重量約為：10Kg。 工件重量為：4.61Kg。
圖3-5 活塞桿的受力分析
如圖3-5所示，由靜力平衡方程[8] ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 （3-4）
ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 （3-5）
求得支反力為：
R1=292N
R2=628.93N
以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得剪力圖3-6和彎矩圖3-7如下：
圖3-6 剪力圖
圖3-7 彎矩圖
由表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.
則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為：
τB= R2/A= 安全
在B處的彎應(yīng)力為：
σB= MB/A= 安全。
3.3腰部和基座設(shè)計(jì)
3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)和錐齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在底座轉(zhuǎn)盤(pán)上的氣壓缸帶動(dòng)橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)，采用了導(dǎo)向桿導(dǎo)向，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
升降氣缸安裝在底座轉(zhuǎn)盤(pán)上，底座轉(zhuǎn)盤(pán)如圖3-8所示：在轉(zhuǎn)盤(pán)的兩端有兩個(gè)空，用來(lái)安裝導(dǎo)向桿，這樣既能起到導(dǎo)向作用，有防止了活塞桿相對(duì)于氣缸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖3-8 底座轉(zhuǎn)盤(pán)
步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸與底座的連接如圖3-9所示：
圖3-9 傳動(dòng)軸與底座的聯(lián)接
傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)之間通過(guò)鍵聯(lián)接，它的軸向位置通過(guò)螺釘緊固。確保了傳動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
3.3.2升降氣缸的選擇
升降缸是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)，初選升降氣缸的型號(hào)為QGB-125×s-Y2.
表3-3 QGB-125×s-Y2氣缸的主要技術(shù)參數(shù)
缸 徑
/mm
活塞桿直徑
/mm
行 程
/mm
氣口直徑
通徑
/mm
聯(lián)接螺紋
125
32
200
12
M18x1.5
氣缸的校核
a)計(jì)算氣缸可以產(chǎn)生的輸出力
已知?dú)飧椎闹睆紻=125mm，氣缸的工作壓力p=0.4Mpa。
則有機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-9：
可以算出氣缸所產(chǎn)生的推力P≈0.65p=0.65×125mm×125mm×0.4Mpa=4062.5N
氣缸可以產(chǎn)生的拉力≈0.6p=3750N
b）計(jì)算機(jī)械手臂所產(chǎn)生的重力
機(jī)械手爪的重量約為：10Kg；工件重量為：4.61Kg；驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合氣缸的重量為1.45 Kg；伸縮氣缸的重量為6.6 Kg；機(jī)械手臂的安裝底座和以及導(dǎo)向桿支架等其他零件的總重量約為150 Kg。
機(jī)械手臂總體產(chǎn)生的重力G=mg=(10+4.61+1.45+6.6+150)×9.8=1692.07N
氣缸所產(chǎn)生的推力P＞機(jī)械手臂總體產(chǎn)生的重力G，所以氣缸能夠推動(dòng)手臂而完成手臂的升降運(yùn)動(dòng)。
3.3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇
工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由表2-1可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人有著許多優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，可精確定位，尤其本設(shè)計(jì)中機(jī)械手屬于小型機(jī)械手，而步進(jìn)電機(jī)正好可應(yīng)用于體積較小和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成角位線(xiàn)（或線(xiàn)位移）的電磁裝置，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài)。
下面就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取。
初選電機(jī)為BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為：150BF003。技術(shù)參數(shù)如表3-4所示[9]：
表3-4 步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
電機(jī)
型號(hào)
相數(shù)
步距角
/（°）
電壓
/V
最大靜轉(zhuǎn)矩
/N·m(Kgf·cm)
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
10Kg·m
分配
方式
質(zhì)量
/Kg
150BF003
5
0.75
80
15.68
2600
8000
102.9
五相十拍
16.5
（1）傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線(xiàn)，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算的問(wèn)題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
a)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算
由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表查出=10.29㎏?cm2
b)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算
（3-6）
式中：為圓柱質(zhì)量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長(zhǎng)度。
對(duì)于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得：
c)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算
工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到活塞軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中公式進(jìn)行計(jì)算：
（3-7）
式中，為活塞工作長(zhǎng)度（cm）；為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。
所以：
d)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
（2）驗(yàn)算轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-11中查得。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-29）P32
查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-12 P35得＝0.707。所以，
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：
見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-30）P32
式中：為空載啟動(dòng)力矩（N?cm）；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?cm）；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N?cm）；
有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：
a）加速力矩
見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33） P32
式中：為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)最大角加速度；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，為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。
b)空載摩擦力矩
（3-8）
式中：為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動(dòng)降速比；為傳動(dòng)系數(shù)總效率，取＝0.8；為活塞工作長(zhǎng)度。
c)啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)很少使用。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。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。
查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖2-21 P36，從150BF003矩特性圖中，可查得：
縱向：空載啟動(dòng)力矩＝對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率。查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-11 P34，步進(jìn)電機(jī)150BF003啟動(dòng)頻率,所以所選電機(jī)能正常工作。
d)運(yùn)行矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按下式計(jì)算：
（3-9）
式中：為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。算得。
快進(jìn)力矩的計(jì)算公式：
見(jiàn)《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-37）P37
式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。 算得：
。
查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖2-22 P36，從150BF003運(yùn)行矩頻特性圖中，可知：
快進(jìn)力矩＝。對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；
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?？梢允褂谩?
3.3.4連軸器的選擇
步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸與齒輪軸用聯(lián)軸器連接，選用聯(lián)軸器為L(zhǎng)N型-芯型彈性聯(lián)軸器。他的基本結(jié)構(gòu)如圖3-10所示[10]：
圖3-10 聯(lián)軸器
1半聯(lián)軸器 2-芯型彈性體
該聯(lián)軸器的特點(diǎn)是：芯形彈性聯(lián)軸器具有一定的補(bǔ)償能力，適用于兩軸線(xiàn)有一定偏移量的工況條件，并具有緩沖和減震性能。該聯(lián)軸器不用潤(rùn)滑，可以在有粉塵和水份的條件下工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，但更換彈性元件時(shí)需移動(dòng)一端半聯(lián)軸器和主機(jī)軸。工作溫度：-20～+70℃，傳遞公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為6.3～8000N.m。
該聯(lián)軸器所傳遞的公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩較大，而電機(jī)與齒輪軸之間的傳遞力較小，因此，對(duì)于聯(lián)軸器不用校核。
3.3.5 軸承的選取
(1)作為機(jī)座的支承原件，必須能夠承受較大的軸向載荷。在這里選用推力球軸承[11]，軸承的型號(hào)為51209。
表3-5 軸承51209的主要技術(shù)參數(shù)
軸承代號(hào)
基本額定
極限轉(zhuǎn)速 r/min
動(dòng)載荷 Ca/KN
靜載荷 Coa/KN
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
51209
47.8
105
2200
3400
(2) 齒輪軸上軸承的選?。?
考慮到齒輪軸上兩個(gè)軸承的安裝問(wèn)題，在軸的齒輪端安裝直徑稍大的軸承。選取圓錐滾子軸承，型號(hào)為30206和30207。
表3-6 齒輪軸上軸承的主要技術(shù)參數(shù)、
軸承代號(hào)
基本額定
極限轉(zhuǎn)速 r/min
動(dòng)載荷 Cr/KN
靜載荷 Cor/KN
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30206
43.2
50.5
6000
7500
30207
54.2
63.5
5300
6700
(3)傳動(dòng)軸上軸承的選取：
傳動(dòng)軸上已經(jīng)有一個(gè)推力球軸承來(lái)承受軸向載荷，在這里在選取一對(duì)軸承支撐傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。選取滾子軸承，型號(hào)為30210，
表3-7 傳動(dòng)軸上軸承的主要技術(shù)參數(shù)
軸承代號(hào)
基本額定
極限轉(zhuǎn)速 r/min
動(dòng)載荷 Cr/KN
靜載荷 Cor/KN
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
30210
73.2
92.0
4300
5300
軸承的校核
由圓錐滾子軸承的工作條件可知其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：
《機(jī)械設(shè)計(jì)》13-17
其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3-8 作連續(xù)旋轉(zhuǎn)軸承,普通載荷,So=1-2此處取1.5
上軸承受純徑向載荷,
所以
因此軸承合適.
下軸承受徑向和軸向載荷, （3-10）
R為徑向載荷
A為軸向載荷
X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13－5查取
因?yàn)?
所以
所以
因此軸承合適
齒輪軸上軸承受力很小，所以不用教核。
軸承摩擦力矩的計(jì)算：
如果 （C為基本額定動(dòng)載荷，P為所受當(dāng)量動(dòng)載荷），可按《機(jī)械
設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。
查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表16.1-29得
，所以也可以用此公式估算
所以
3.3.6 齒輪的選擇
表3-8 齒輪的參數(shù)[12]
名稱(chēng)
代號(hào)
小齒輪
大齒輪
分度圓直徑
d
80
152
齒數(shù)
z
20
38
大端模數(shù)
m
4
節(jié)錐角
27.759o
62.241o
錐距
R
85.882
齒寬
b
26
齒距
p
12.56
工作齒高
h’
6.8
齒高
h
7.552
齒頂高
4.528
2.272
齒根高
3.024
5.28
頂隙
c
0.725
齒跟角
2.017o
3.518o
齒頂角
3.018o
1.515o
頂圓錐角
30.777o
63.756o
跟圓錐角
25.742o
58.723o
齒頂圓直徑
88.014
154.116
冠頂距
73.891
37.989
大端分度圓弧齒厚
s
7.583
4.977
法向側(cè)隙
46
齒輪材料為20Cr且經(jīng)滲碳淬火，接觸材料系數(shù)：KHC=0.86
彎曲材料系數(shù) KFC=0.97。
考