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壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985直角坐標(biāo)機械手的設(shè)計
摘 要
在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制、計算機系統(tǒng)、機器人等。其中工業(yè)機器人是相對較新的機械電子設(shè)備，它在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中正扮演著越來越重要的角色。
全自動化工業(yè)機械手有能模仿人手和手臂的某些動作功能，用固定程序搬運，抓取物體或操作工具的自動操作裝置，機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。按照搬運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。運動機構(gòu)的功能是使手部完成各種動作：移動、轉(zhuǎn)動等運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作。機構(gòu)的伸縮、升降和旋轉(zhuǎn)等運動方式，稱為機械手的自由度。本設(shè)計選用三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其工作方向為四個直線方向，是通過滾珠絲杠來實現(xiàn)小臂與大臂的伸縮，升降。而這些動作都是通過在步進(jìn)電機的帶動下進(jìn)行。在控制器的作用下，它將執(zhí)行將工件從一條流水線抓取并運送到另一條流水線這一簡單的動作。
本篇論文主要對機械手的傳動部分滾珠絲杠與步進(jìn)電機進(jìn)行了計算，計算內(nèi)容主要包括工業(yè)機器人的傳動機構(gòu)的設(shè)計，以及其機械傳動裝置的選擇。另外對控制部分的描述主要有單片機的控制方案，接線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 裝配機械手的概述 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1
2 工業(yè)機器人的總體設(shè)計 2
2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 2
2.2 工業(yè)機器人的設(shè)計分析 3
2.2.1設(shè)計要求 3
2.2.2總體方案擬定 3
2.2.3工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù) 4
2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計分析 5
3 工業(yè)機的機械系統(tǒng)設(shè)計 6
3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 6
3.2 工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 6
3.2.1末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 6
3.2.2氣缸的確定 9
3.2.3手臂機構(gòu)的計算設(shè)計 13
3.2.4 基座的計算設(shè)計 20
3.3 工業(yè)機器人的機械傳動裝置的選擇 26
3.3.1聯(lián)軸器的選擇 26
3.3.2滾珠絲杠的選擇 27
4 機械手的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 28
4.1 機械手單片機控制方案 28
4.1.1控制系統(tǒng)的控制原理及控制要求 28
4.1.2機械手的工作流程 29
4.1.3驅(qū)動器的選擇 32
4.2 機械手單片機接線原理圖的設(shè)計 32
4.2.1電源電路 32
4.2.2 時鐘電路 33
4.2.3 復(fù)位電路 33
4.2.4 接線原理圖 34
4.3 機械手單片機程序流程圖的設(shè)計 34
4.4 匯編語言的設(shè)計 39
5 結(jié)論 42
1 緒論
1.1 裝配機械手的概述
機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在工業(yè)生產(chǎn)線中，機械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重 要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進(jìn)行裝配。 機械手臂代替了人工的繁雜勞動，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，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械手和自動化的有機結(jié)合。在機械行業(yè)中它可以用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，裝配機械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可 以搬運更重的東西，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。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。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。
本課題主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。通過對機械電子工程（機電一體化方向）專業(yè)大學(xué)本科的所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床送料機械手設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械電子工程（機電一體化方向）專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。
1.2 設(shè)計背景與應(yīng)用意義
機械手工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、 電子工程、計算機工程、自動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。裝配機械手是 一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作， 主要用于搬運材料，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俏磥頇C器人技術(shù)發(fā)展的焦點之一。其重要性在機器人應(yīng)用中將躍居第一位。
因此，各大型工廠都需要裝配機器人來提高其工作效率，需要設(shè)計建議。
2 工業(yè)機器人的總體設(shè)計
2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述
圖2-1 工業(yè)機器人的組成圖
它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(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)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。
（1）手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
（2）腕部：又稱手腕，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）機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。
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。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
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。
檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、檢測執(zhí)行機構(gòu)的整體運動情況，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，以保證運動符合要求。
由圖2-2表示機械手控制各部分關(guān)系。
圖2-2 各部分關(guān)系圖
2.2 工業(yè)機器人的設(shè)計分析
2.2.1 設(shè)計要求
綜合運用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨立完成三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人操作機和驅(qū)動單元的設(shè)計工作。
（1）機械手最大抓重: 1kg
（2）工件尺寸： 直徑約2～3cm
（3）自由度數(shù): 3個自由度
（4）坐標(biāo)型式: 直角坐標(biāo)
（5）手指開合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）
（6）Y軸大臂上下移動距離為： 20cm（最大速度10cm/s）
（7）Y軸小臂上下移動距離為： 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）機械手（重復(fù)）定位精度： ±0.5mm
2.2.2 總體方案擬定
在裝配機械手的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是完善的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和精確的控制驅(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)容和需求確定裝配機械手，利用步進(jìn)電機控制平移運動；利用四臺步進(jìn)電機驅(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現(xiàn)上下及其前后運動；末端夾持器則采用連桿式夾持器，用小型氣壓缸驅(qū)動夾緊。
由圖2-3顯示機械手外形輪廓。
圖2-3 機械手外形圖
2.2.3 工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù)
工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(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：
抓取重量是用來表明機器人所能承受負(fù)載能力的參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(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表明機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)計手部的基礎(chǔ)。
（3）坐標(biāo)形式和自由度：
說明機器人機身、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）運動行程范圍：
指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離的范圍，即各運動自由度的運動范圍。根據(jù)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。
（5）運動速度：
是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。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)今社會國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為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)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。編程方式和存儲容量。
本課題設(shè)計中我采用的是三自由度直角坐標(biāo)型機械手，其中機械手的小臂、大臂、基座與末端執(zhí)行器分別通過步進(jìn)電機、氣壓缸與單片機控制。機械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見下表2-1。
表2-1 三自由度直角坐標(biāo)機器人
機械手類型
三自由度直角坐標(biāo)型
抓取重量
1Kg
自由度
3個（3個方向的移動）
機座
伸縮運動，前后移動范圍100mm， 步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制
大臂機構(gòu)
伸縮運動，升降范圍200mm， 步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制
小臂機構(gòu)
伸縮運動，伸縮范圍100mm， 步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制
末端執(zhí)行器
氣壓缸驅(qū)動 單片機控制
2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計分析
本課題采用單片機對機械手進(jìn)行控制，初定8051系列，根據(jù)機械手的工作流程編制出單片機程序（可能在實際設(shè)計過程中會有改動）。機械手的工作流程圖如圖2-4所示。
圖2-4 機械手工作流程圖
3 工業(yè)機的機械系統(tǒng)設(shè)計
3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析
機械手的運動，可從該機械手的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。
（1）機械手的運動自由度
所謂機械手的運動自由度是指確定一個機械手操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機械手動作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計的機械手具有移動副一種運動副，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機械手機構(gòu)簡圖
（2）機械手的工作空間
工作空間是指機械手正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機械手的主要技術(shù)參數(shù)。
（3）機械手的機械結(jié)構(gòu)類型
直角坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過伸縮、平移和升降，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)。
3.2裝配機械手的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
裝配機械手的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來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)裝配機械手的工作性能，它是工業(yè)裝配機械手的關(guān)鍵部件之一。
1.設(shè)計時要注意的問題：
1) 末端執(zhí)行機構(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程中的動載荷外，還應(yīng)考慮工件夾持工件的重力。
2) 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響，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，以利于接下來的手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
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
采用連桿杠桿式夾持器，用小型壓缸驅(qū)動夾緊，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構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)氣壓缸工作時，推動推桿向上運動，使兩鉗爪向內(nèi)收攏，從而帶動彈性爪夾緊工件。與本設(shè)計的零件要求相符，且這種夾持器多用于實心圓柱零件的夾持。
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)手爪類別,計算夾緊力。
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 -動態(tài)運動時產(chǎn)生的加速度；
S -安全系數(shù)；
α -V型手爪張開的角度；
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)動力為:
F=2bRN (3-3)
所以
F=2bRN=2×3012.5×45=216(N)
實際驅(qū)動力：
F實際≥Fk1k2η （3-4）
取傳動效率0.94，并取K1=1.5。。若被抓取工件的為勻速取a = 0時，則：K2=1+ag=1
F實際=216×1.5×10.94=344.68N≈345N
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為345N 。
3.2.2氣缸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動與氣壓傳動》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活塞桿產(chǎn)生推力F1，活塞右行時活塞桿產(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
氣缸工作時的總阻力Fz與眾多因素有關(guān)，如運動部件慣性力、密封處摩擦力、背壓阻力等。以上因素可以載荷率η 的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力F1和靜拉力F2，則在計入載荷率后：
F1=πD2p4×η （3-7）
F2=πD2-d2p4×η （3-8）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的特性。若氣缸動態(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，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，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）
查機械設(shè)計手冊圓整，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
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L計算
活塞桿的位移量=30°360°×2πR=6.5mm
氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加10 ~ 20mm的行程余量。
L = 6.5 + 20 = 26.5mm
故查有關(guān)手冊圓整為l = 27mm校核：
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗算：
當(dāng)活塞桿的長度L較小時（L ≤ 10d），可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑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)計滿足要求
（2）氣缸推力驗算：
F1=πD2p4×η （3-12）
=3.14×0.042×0.4×1064×0.85
=427N>345N
由以上計算可知氣缸可能產(chǎn)生的推力F1=427N大于夾緊工件所需的推力F實際=345N。所以該氣缸滿足要求。
4.消耗氣量的計算
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，因此計算值比實際值偏小，設(shè)計時要根據(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
把計算出來的氣缸進(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， 45號鋼密度為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 手臂機構(gòu)的設(shè)計
Y軸小臂手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1. 初選電機為90BYG250C
2.滾珠絲杠的選擇
根據(jù)電機以及末端執(zhí)行機構(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
加減速時間常數(shù) t=0.15s
預(yù)期壽命 Lh=30000h
直線運動導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02 μ
電機轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min
（1）設(shè)定螺距
根據(jù)電機最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度
L≥Vmax×60Nmax=10mm （3-16）
（2）計算基本動態(tài)額定負(fù)載
各動作模式下的軸向負(fù)載的計算
1）加速時
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
軸向負(fù)載 PB=μWg=0.98N （3-19）
3）減速時
軸向負(fù)載 Pc=Wa—μWg=2.37N （3-20）
各動作模式1次循環(huán)所需的時間（s）
螺距為10的負(fù)載條件
根據(jù)上述兩表所示條件計算軸向均負(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）
計算所需基本動態(tài)額定負(fù)載C
根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命Lh0
Lh0=3000021+2+5=7500h （預(yù)計夾緊1s上下運動5s）
將運行系數(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） 容許屈曲載荷危險速度計算
研討絲杠軸全場L 與危險速度Nc 屈曲載荷Pk
L=最大行程+螺母長度+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)載作用點間距 l1=225mm
PK=nπ2EIl12=1019.45N （3-24）
式中：
PK：開始引起壓曲的負(fù)載
l1：負(fù)載作用點距離
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）
說明容許軸向負(fù)載充分滿足使用條件
由于電機速度比較慢 肯定安全 無需校核危險速度
（4） 最終選型結(jié)果
適合的滾珠絲杠的形式為
BSBR2510-315
支座型號為BRW10
3 校核驅(qū)動電機
（1）傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
1）電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD
JD=3.6Kg.cm2 （3-27）
2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量Js的折算
Js=πp32D4ls=0.93Kg.cm2 (3-28)
3）手臂上下移動慣量JG的折算
工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上下移動的慣量JG可按下式進(jìn)行計算：JG=L2π2M (3-29)
式中，L是絲桿導(dǎo)程（cm）；M為工作臺質(zhì)量（kg）。
所以JG=L2π2M=12×3.142×5=0.5(Kg.cm2)
4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量
J1=M1D28=4(kg.cm2) (3-31)
5)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量
JΣ=JD+Js+JG+J1=3.6+0.93+0.5+4×2=13.03kg.cm2 (3-32)
(2)驗算矩頻特性
步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得Mjmax=6.3N.m
步進(jìn)電機的名義啟動轉(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)電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機所需空載啟動力矩可按下式計算：
Mkq=Mka+Mkf+M0 (3-34)
式中：Mkq為空載啟動力矩
Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機軸上的加速力矩（N.m）
Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N.m）
有關(guān)Mkq的各項力矩值計算如下：
1）加速力矩
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2 (3-35)
nmax=vmaxθbδp360 （3-36）
式中：Jε為傳動系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量；
為電機的最大角加速度；
nmax為與運動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；
t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間；
vmax為運動部件最大快進(jìn)速度；
θb為初選步進(jìn)電機的步距角；
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為運動部件的總重量；
為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
為傳動系統(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)緊時的傳動效率，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)電機所需空載啟動力矩：
Mkq=Mka+Mkf+M0=85.47+17.34+41.48=144.29N.cm （3-43）
初選電機型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即Mkq≤Mkq
從上式可知電機初步滿足要求。
（3）啟動矩頻特性校核
步進(jìn)電機啟動有升速啟動和突跳啟動。升速啟動是步進(jìn)電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。突跳啟動很少使用。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機達(dá)到了最高運行速度。
從下圖中，可查得
圖3-4 90BYG250C 矩頻特性圖
縱向：空載啟動力矩Mkq=144.29N.cm。對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=6000HZ。步進(jìn)電機90BYG250C啟動頻率fq=2500HZ
fKJ；所以所用的電機都滿足快速進(jìn)給運行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進(jìn)電機90BYG250C符合要求，可以使用。
3.2.4基座的計算設(shè)計
1. 初選電機為90BYG250C
2.滾珠絲杠的選擇
根據(jù)電機以及末端執(zhí)行機構(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
加減速時間常數(shù) t=0.15s
預(yù)期壽命 Lh=30000h
直線運動導(dǎo)程摩擦系數(shù) =0.02μ
電機轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min
（1）設(shè)定螺距
根據(jù)電機最大的轉(zhuǎn)速與快速進(jìn)給速度
L≥Vmax×60Nmax=10mm
（2）計算基本動態(tài)額定負(fù)載
各動作模式下的軸向負(fù)載的計算
1）加速時
加速度 a=Vmaxt×10-3=0.67ms2
軸向負(fù)載 PA=Wa+μWg=43.3N
2）勻速時
軸向負(fù)載 PB=μWg=9.8N
3）減速時
軸向負(fù)載 Pc=Wa—μWg=23.7N
各動作模式1次循環(huán)所需的時間（s）
螺距為10的負(fù)載條件
根據(jù)上述兩表所示條件計算軸向均負(fù)載Pm與平均轉(zhuǎn)速Nm
Pm=2PA+PC3=36.7N
Nm=NAtA+NBtB+NCtCtA+tB+tC=510rmin
計算所需基本動態(tài)額定負(fù)載C
根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命Lh0
Lh0=3000021+2+5=7500h （預(yù)計夾緊1s前后運動5s）
將運行系數(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） 容許屈曲載荷危險速度計算
研討絲杠軸全場L 與危險速度Nc 屈曲載荷Pk
L=最大行程+螺母長度+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)載作用點間距 l1=225mm
PK=nπ2EIl12=1019.45N （3-46）
式中：
PK：開始引起壓曲的負(fù)載
l1：負(fù)載作用點距離
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）
說明容許軸向負(fù)載充分滿足使用條件
由于電機速度比較慢 肯定安全 無需校核危險速度
（4） 最終選型結(jié)果
適合的滾珠絲杠的形式為
BSBR2510-315
支座型號為BRW10
3 校核驅(qū)動電機
（1）傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
1）電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD
JD=3.6Kg.cm2
2）滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量Js的折算
Js=πp32D4ls=0.93Kg.cm2 （3-48）
3）手臂上下移動慣量JG的折算
工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上下移動的慣量JG可按下式進(jìn)行計算：JG=L2π2M
式中，L是絲桿導(dǎo)程（cm）；M為工作臺質(zhì)量（kg）。
所以JG=L2π2M=12×3.142×50=5(Kg.cm2)
4）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量
J1=M1D28=4(kg.cm2)
5)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量
JΣ=JD+Js+JG+J1=3.6+0.93+5+4×2=17.53kg.cm2
(2)驗算矩頻特性
步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得Mjmax=6.3N.m
步進(jìn)電機的名義啟動轉(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)電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機所需空載啟動力矩可按下式計算：
Mkq=Mka+Mkf+M0
式中：Mkq為空載啟動力矩
Mka為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機軸上的加速力矩（N.m）
Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N.m）
有關(guān)Mkq的各項力矩值計算如下：
1）加速力矩
Mka=JΣε=JΣ2πnmax60t×10-2 （3-49）
nmax=vmaxθbδp360 （3-50）
式中：Jε為傳動系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量；
為電機的最大角加速度；
nmax為與運動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；
t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間；
vmax為運動部件最大快進(jìn)速度；
θb為初選步進(jìn)電機的步距角；
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為運動部件的總重量；
為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
為傳動系統(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)緊時的傳動效率，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)電機所需空載啟動力矩：
Mkq=Mka+Mkf+M0=114.99+173.4+41.48=329.87N.cm
初選電機型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即Mkq≤Mkq
從上式可知電機初步滿足要求。
（3）啟動矩頻特性校核
步進(jìn)電機啟動有升速啟動和突跳啟動。升速啟動是步進(jìn)電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。突跳啟動很少使用。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機達(dá)到了最高運行速度。
從下圖中，可查得
圖3-5 90BYG250C 矩頻特性圖
縱向：空載啟動力矩Mkq=329.87N.cm。對應(yīng)的允許啟動頻率fyq=4000HZ。步進(jìn)電機90BYG250C啟動頻率fq=2500HZfKJ；所以所用的電機都滿足快速進(jìn)給運行矩頻特性要求。
綜上所述，所選用的步進(jìn)電機90BYG250C符合要求，可以使用。
3.2.5 軸承的選取
（1）本設(shè)計中，我的機械手手臂部分的絲杠是由BSBR2510型號組成。其中絲杠的支撐方式是由固定-簡支形式（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)計中，機械手基座的絲杠也是由BSSR2510型號組成。其中絲杠的支撐方式是由固定-簡支形式（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)機器人的機械傳動裝置的選擇
3.3.1聯(lián)軸器的選擇
本設(shè)計中，該機構(gòu)利用錐環(huán)對之間的磨擦實現(xiàn)與轂之間的無間隙連接傳遞轉(zhuǎn)矩，且可任意調(diào)節(jié)兩面聯(lián)接件之間的角度位置。通過選擇所用錐環(huán)的對數(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)）無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3施加軸向力時，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、具有過載保護(hù)能力，使用壽命長，能在受沖擊載荷和振動等惡劣環(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計算的出最終選擇的滾珠絲杠為：
（1）控制機械手小臂的左右（前后）運動的為 BSBR 2510型號的絲杠。
（2）控制機械手大臂的上下運動的為 BSST 2510型號的絲杠
（3）控制機械手基座前后運動的為BSST 2510型號的絲杠。
（4）控制機械手小臂的上下運動的為BSST 2510型號的絲杠。
4 機械手的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用單片機對機械手進(jìn)行控制.當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變單片機即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
4.1 機械手單片機控制方案
4.1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求
（1） 控制對象為直角坐標(biāo)機械手。它具有三個自由度，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（開合）功能。以上各動作除了手抓開合采用氣動方式驅(qū)動，其余都采用步進(jìn)電機驅(qū)動。氣動方式用二位三通電磁閥(帶有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作)來控制控制氣缸，電機驅(qū)動運用接觸器控制，使機械手完成伸縮、上下動作。這樣，可用單片機的P0、P2輸出端分別與6N137和TLP620連接構(gòu)成系統(tǒng)總線再與個伺服電機驅(qū)動器DB810A相應(yīng)輸入口連接來驅(qū)動步進(jìn)電機。兩者之間采用光電耦合器連接,是為了分開通電，減少干擾[14], [15]。其原理圖如圖4-1所示：
步進(jìn)電機
驅(qū)動器
光電耦
單片機
光電耦
步進(jìn)電機
驅(qū)動器
驅(qū)動器
光電耦
步進(jìn)電機
驅(qū)動器
光電耦
步進(jìn)電機
氣壓缸
電磁閥
繼電器
圖4-1 工作原理
（2）控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機械手應(yīng)設(shè)置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。
A．手動工作方式
便于對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動工作方式。用按鈕對機械手每一動作單獨進(jìn)行控制。
B．自動工作方式
按下起動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機械手在完成最后一個周期的動作后，返回原點自動停機。
4.1.2 機械手的工作流程
機械手的工作流程本人初步選定三個方案
（1）第一方案工作流程圖如圖4-2所示。
當(dāng)按下機械手啟動按鈕之后，首先單片機P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機得到控制信號前移，基座前移，至前限位開關(guān)動作。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸大臂步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出控制信號，使X軸步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，小臂開始伸出，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸小臂步進(jìn)電機旋轉(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，至限位開關(guān)動作。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸小臂步進(jìn)電機電機旋轉(zhuǎn)，小臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出控制信號，使X軸電機旋轉(zhuǎn)，小臂收縮，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸大臂步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，大臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機得到控制信號旋轉(zhuǎn)，基座后移，至后限位開關(guān)動作。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸大臂步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。繼電器斷開，手爪電磁閥不通電，氣壓缸出氣。手爪放松，至限位開關(guān)動作。單片機P0口輸出控制信號，使Y軸大臂步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，大臂上升，到達(dá)預(yù)定位置。最后機械手停止，完成一個流程。
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)按下機械手啟動按鈕之后，首先單片機P0口輸出控制信號，使Y軸大臂步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，大臂下降，到達(dá)預(yù)定位置。單片機P0口輸出脈沖使底座步進(jìn)電機得到控制信號前移，基座前移，至前限位開關(guān)動作。單片機P0口輸出控制信號，使X軸步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)，小臂開始伸出，到達(dá)預(yù)定位