搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書

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1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 1.1研究背景與意義 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)

2、域有著廣泛的發(fā)展空間[1-3]。 機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。 圖1-1 生產(chǎn)線上的機(jī)械手 Fig.1-1 The mani

3、pulator on the production line 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單調(diào)的操作，采

4、用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作以保護(hù)人身安全，更顯示其優(yōu)越性，有著闊的發(fā)展前途。 1.2工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史 用于再現(xiàn)人手的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)

5、科綜合技術(shù)。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，

6、受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝回轉(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。 1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬(wàn)

7、能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 圖1-2 世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手 Fig.1-2 The worlds first industrial robots 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 197

8、8年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。 圖1-3 六自由度機(jī)械手 Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator 德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從

9、1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是19

10、78年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。 1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明SCARA，該機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，(包括繞X,Y,Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度和沿Z軸的平移自由度)。該系列的操作手在其動(dòng)作空間的四個(gè)方向具有有限剛度，而在剩下的其余兩個(gè)方向上具有無(wú)限大剛度。 如今SCARA機(jī)器人[4]還廣泛應(yīng)用于

11、塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移動(dòng)的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個(gè)扇形區(qū)域。 圖1-4 日本的SCARA機(jī)器人 Fig.1-4 Japans SCARA robot 第二代機(jī)械手正在加緊研制。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、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。 第三

12、代機(jī)械手（機(jī)械人）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(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 1.3國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整

13、機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器。 （5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 （6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成

14、完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 （7）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.4我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。 20世紀(jì)70年代是世界科技發(fā)展的一個(gè)里程碑：人類登上了月球，實(shí)現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用掀起了一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于19

15、72年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。“七五”期間，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、電焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。 從20世紀(jì)90年代初期起，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割

16、、搬運(yùn)、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 2 物料搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人是一項(xiàng)復(fù)雜而又艱巨的任務(wù)，由于本人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏和認(rèn)識(shí)上的不足，因此在設(shè)計(jì)上不可能面面俱到。本次設(shè)計(jì)僅僅只設(shè)計(jì)機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，而對(duì)于控制系統(tǒng)以及細(xì)節(jié)

17、部分如機(jī)械手設(shè)計(jì)等等不作詳細(xì)的探討。 2.1機(jī)械手的功能要求 能夠快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的夾起物料并完成搬運(yùn)工作時(shí)物料搬運(yùn)機(jī)械手的最基本的功能要求，這要求具備一定的精度，具有一定的承載能力，同時(shí)還有一定的工作空間。當(dāng)然靈活的自由度和完成一定動(dòng)作的平穩(wěn)性也是必不可少的。在對(duì)于物料搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)是，必須要根據(jù)機(jī)械手所要進(jìn)行的動(dòng)作，選擇合適的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，確定工作時(shí)序。應(yīng)明確機(jī)械手搬運(yùn)物料的重量和要滿足的精度。進(jìn)而確定機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的要求，并且還要兼顧通用性和專用性的同時(shí)，盡量選用已經(jīng)定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的模塊化[5-7]。 本設(shè)計(jì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要用生產(chǎn)線上某袋裝化工產(chǎn)品的搬運(yùn)動(dòng)作。

18、搬運(yùn)物料的結(jié)構(gòu)尺寸為，重量為20kg。因此機(jī)械手的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下。 表2-1 機(jī)械手主要設(shè)計(jì)要求 Tab.2-1 The mainly design requirements of Manipulator 項(xiàng)目 參數(shù) 自由度 3 最大回轉(zhuǎn)角度 240度 最小回轉(zhuǎn)角度 90度 最大工作半徑 960mm 最大載荷 30kg 額定載荷 20kg 手爪最大行程 410mm 2.2確定機(jī)器人類型 根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定其運(yùn)動(dòng)形式，然后才能確定其結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)器人坐標(biāo)建立的形式可以分為以下幾個(gè)類型。 (1)直角坐標(biāo)型:主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)。 特點(diǎn)是：

19、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度高。關(guān)節(jié)之間運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有耦合作用。占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。 (2)圓柱坐標(biāo)型：圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、升降和伸縮。亦即具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 特點(diǎn)：通用性較強(qiáng)；結(jié)構(gòu)緊湊；機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時(shí)將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。 (3)球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）： 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：工作范圍較大；占地面積?。豢刂葡到y(tǒng)復(fù)雜 (4)關(guān)節(jié)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)式機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 特點(diǎn)：動(dòng)作靈活，工作空間大；關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)部位

20、密封性好；運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜，不便于控制。 綜合比較以上幾種方案的不同優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)設(shè)計(jì)要求的全面認(rèn)識(shí)，本次設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：通用性較強(qiáng)；結(jié)構(gòu)緊湊；機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時(shí)將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)這類機(jī)械手也存在一些結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，例如手臂不能抵達(dá)底部，這樣就減少了工作范圍。 2.3 工業(yè)機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系 圖2-1 工業(yè)機(jī)器人組成圖 Fig.2-1 The composition of industrial robot 2.4機(jī)械手總體設(shè)計(jì)及傳動(dòng)形式說(shuō)明 作為機(jī)械手的最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械機(jī)構(gòu)的布局和類型直接影響到機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)方式，乃至影響整個(gè)機(jī)械手的工作

21、性能。針對(duì)本論文中提到的物料搬運(yùn)機(jī)械手，機(jī)械手在做物料搬運(yùn)時(shí)，手臂具有上升、下降、伸出和收縮的功能。并且機(jī)械手的腰部應(yīng)能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)。為了滿足功能要求，本論文的物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)分為三個(gè)自由度。并且機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式分為方向移動(dòng)和工作執(zhí)行兩個(gè)部分。其中方向移動(dòng)部分占兩個(gè)自由度，包括了伸出和縮回激動(dòng)機(jī)構(gòu)和平面擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于這兩個(gè)自由度之間沒(méi)有耦合，所以可以有效的簡(jiǎn)化機(jī)械手的運(yùn)算和控制。工作執(zhí)行部分只有一個(gè)自由度，包括了上升和下降兩個(gè)運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)于具體機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2-2。 圖2-2 機(jī)械手的總體圖 Fig.2-2 Overall figure of the manipulator 2.

22、4.1機(jī)械手的傳動(dòng)形式說(shuō)明 由于本機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，所以其傳動(dòng)形式也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，下面對(duì)其傳動(dòng)形式予以說(shuō)明。 （1）腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于本機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)，要具有一定的精度。并且考慮到機(jī)械手的通用性，在其他場(chǎng)合下也能很快的進(jìn)行工作轉(zhuǎn)換，對(duì)于腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力源。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)于我們要求的腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度較快，而且還應(yīng)該提供較大的力矩，因此此處應(yīng)選擇帶有減速器的步進(jìn)電機(jī)，減速器應(yīng)為行星輪減速器。 （2）手臂部位的伸出和收縮。手臂部位的伸縮運(yùn)動(dòng)同樣需要一定的精度，同時(shí)為了節(jié)省空間和減輕手臂的重量，此處也是選擇了步進(jìn)電機(jī)來(lái)作為動(dòng)力源，同時(shí)運(yùn)動(dòng)的傳

23、遞使用了絲杠與絲杠螺母的形式。 （3）手爪的上下運(yùn)動(dòng)。手爪的上下運(yùn)動(dòng)對(duì)于搬運(yùn)機(jī)械手來(lái)說(shuō)要求的精度相對(duì)較低，而且此處需要的上下運(yùn)動(dòng)的力比較大，大約300N，因此此處我們選擇使用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。 （4）手爪的夾持運(yùn)動(dòng)。一般情況下，我們不會(huì)講手爪的夾持運(yùn)動(dòng)當(dāng)做機(jī)器人的自由度，但是在這里涉及到運(yùn)動(dòng)形式的介紹，因此在此處對(duì)于手爪的夾持運(yùn)動(dòng)一并進(jìn)行說(shuō)明。此處物體的重量比較大，為了提供足夠的加持力，我們選用氣缸來(lái)作為手爪的動(dòng)力源，此處進(jìn)行了手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.4.2滾珠絲杠 滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功

24、能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。 滾珠絲杠軸承為適應(yīng)各種用途，提供了標(biāo)準(zhǔn)化種類繁多的產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用與機(jī)床，滾珠的循環(huán)方式有循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式、端蓋式。 圖2-3 滾珠絲杠圖 Fig.2-3 The ball screw 預(yù)壓方式有定位預(yù)壓（雙螺母方式、位預(yù)壓方式）、定壓預(yù)壓?？筛鶕?jù)用途選擇適當(dāng)類型。絲桿有高精度研磨加工的精密滾珠絲杠（精度分為從CO-C7的6個(gè)等級(jí)）和經(jīng)高精度冷軋加工成型的冷軋滾珠絲杠軸承（精度分為從C7-C10的3

25、個(gè)等級(jí)）。另外，為應(yīng)付用戶急需交貨的情況，還有已對(duì)軸端部進(jìn)行了加工的成品，可自由對(duì)軸端部進(jìn)行追加工的半成品及冷軋滾珠絲杠軸承。作為此軸承的周邊零部件，在使用所必要的絲杠支撐單元、螺母支座、鎖緊螺母等也已被標(biāo)準(zhǔn)化了，可供用戶選擇使用。 滾珠絲杠軸承以多年來(lái)所累積制品技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠繁Ｖ贫葋?lái)加以管理，因此具有高信賴性。 2.4.3直線導(dǎo)軌 直線導(dǎo)軌可分為：滾輪直線導(dǎo)軌和滾珠直線導(dǎo)軌兩種，前者速度快精度稍低，后者速度慢精度較高。 直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩

26、，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng). 分為方形滾珠直線導(dǎo)軌，雙軸芯滾輪直線導(dǎo)軌，單軸芯直線導(dǎo)軌。 在大陸稱直線導(dǎo)軌，臺(tái)灣一般稱線性導(dǎo)軌，線性滑軌。 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的作用是用來(lái)支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依摩擦性質(zhì)而定，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線軸承主要用在自動(dòng)化機(jī)械上比較多,像德國(guó)進(jìn)口的機(jī)床,折彎?rùn)C(jī),激光焊接機(jī)等等,當(dāng)然直線軸承和直線軸是配套用的。像直線導(dǎo)軌主要是用在精度要求比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)上, 滑塊-使運(yùn)動(dòng)由曲線轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€。新的導(dǎo)軌系統(tǒng)使機(jī)床可獲得快速進(jìn)給速度，在主軸轉(zhuǎn)速相同的情況下，快速進(jìn)給是直線導(dǎo)

27、軌的特點(diǎn)。直線導(dǎo)軌與平面導(dǎo)軌一樣，有兩個(gè)基本元件；一個(gè)作為導(dǎo)向的為固定元件，另一個(gè)是移動(dòng)元件。由于直線導(dǎo)軌是標(biāo)準(zhǔn)部件，對(duì)機(jī)床制造廠來(lái)說(shuō)．唯一要做的只是加工一個(gè)安裝導(dǎo)軌的平面和調(diào)整導(dǎo)軌的平行度。 圖2-4 直線導(dǎo)軌 Fig.2-4 the linear guide-way 作為導(dǎo)向的導(dǎo)軌為淬硬鋼，經(jīng)精磨后置于安裝平面上。與平面導(dǎo)軌比較，直線導(dǎo)軌橫截面的幾何形狀，比平面導(dǎo)軌復(fù)雜，復(fù)雜的原因是因?yàn)閷?dǎo)軌上需要加工出溝槽，以利于滑動(dòng)元件的移動(dòng)，溝槽的形狀和數(shù)量，取決于機(jī)床要完成的功能。例如：一個(gè)既承受直線作用力，又承受顛覆力矩的導(dǎo)軌系統(tǒng)，與僅承受直線作用力的導(dǎo)軌相比．設(shè)計(jì)上有很大的不同。 2

28、.4.4 步進(jìn)電機(jī)與氣缸 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 圖2-5 步進(jìn)電機(jī) Fig.2-5 The stepping motor 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)： （1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-

29、5%，且不累積。 （2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 （3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 （4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 步

30、進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 氣缸，是引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒形金屬機(jī)件。工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中通過(guò)膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；氣體在壓縮機(jī)氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等的殼體通常也稱“氣缸”。氣缸有作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的和作往復(fù)擺動(dòng)的兩類。作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。 根據(jù)工作所需力的大小來(lái)確定活塞桿上的推力和拉力。由此來(lái)選擇氣缸時(shí)應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過(guò)

31、大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)，以減少氣缸的尺寸。 2.4.5行星齒輪減速器 行星齒輪減速機(jī)主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為：行星輪，太陽(yáng)輪，內(nèi)齒圈。 行星減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，單級(jí)減速最小為3，最大一般不超過(guò)10，常見(jiàn)減速比為：3.4.5.6.8.10，減速機(jī)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3，但有部分大減速比定制減速機(jī)有4級(jí)減速。相對(duì)其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi))、高傳動(dòng)效率(單級(jí)在97%-98%)、高的扭矩/體積比、終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量[8]

32、。 行星減速機(jī)額定輸入轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到18000rpm(與減速機(jī)本身大小有關(guān)，減速機(jī)外形越大，額定輸入轉(zhuǎn)速越小)以上，工業(yè)級(jí)行星減速機(jī)輸出扭矩一般不超過(guò)2000Nm，特制超大扭矩行星減速機(jī)可做到10000Nm以上。工作溫度一般在-25℃到100℃左右，通過(guò)改變潤(rùn)滑脂可改變其工作溫度。 圖2-6 行星齒輪減速器 Fig.2-6 The planetary reducer 2.5本章小結(jié) 本章主要對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式和傳動(dòng)形式進(jìn)行了介紹和說(shuō)明，并且對(duì)于設(shè)計(jì)中可能要選擇的一些標(biāo)準(zhǔn)間或者外購(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明和介紹，主要是為后面的設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)的上支持，說(shuō)明了整個(gè)設(shè)計(jì)的可行性。

33、 3 機(jī)械手末端執(zhí)行器及第三臂設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械手末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案 3.1.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)要求： （1）要有足夠的夾持力和所需的夾持精度； （2）末端執(zhí)行器要連接在手腕上，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量輕小，以減輕手臂的負(fù)荷。 設(shè)計(jì)參數(shù)： （1）所需要夾緊的物料尺寸為。放松動(dòng)作時(shí)兩個(gè)手爪間的最大距離為320mm~420mm。抓持速度為10m/s，夾持器從運(yùn)輸車上抓取待加工的坯料送到加工機(jī)械上及把加工好的工件送回到運(yùn)輸車上。 （2）工件重量20kg，簡(jiǎn)化為的長(zhǎng)方體材料。 （3）夾緊動(dòng)作平穩(wěn)，起動(dòng)和終止無(wú)剛性沖擊，由運(yùn)動(dòng)分析及所需夾持力得到機(jī)構(gòu)各部分尺寸。

34、 3.1.2手爪結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 末端執(zhí)行器采用兩個(gè)氣缸來(lái)完成，總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖3-1 末端執(zhí)行器 Fig.3-1 The end effector 手爪采用來(lái)個(gè)氣缸來(lái)完成抓取動(dòng)作，對(duì)于手爪采用了可以替換的模塊化設(shè)計(jì)方式以便于物料的形狀發(fā)生變化時(shí)可以更換手爪。 3.1.3對(duì)于手爪氣缸的選型計(jì)算 用于手爪開合的兩個(gè)氣缸對(duì)于力的要求不是很高，因此對(duì)于此部分我們只做簡(jiǎn)要的計(jì)算，并進(jìn)行大體選型。 對(duì)于手爪閉合式所需要的力為200N，具體的行程應(yīng)控制在30~50mm。因?yàn)闅飧自谑袌?chǎng)中有現(xiàn)成的可以選擇，因此我們只需要完成選型工作，購(gòu)買合適的氣缸即可。 圖3-2 CQ2標(biāo)準(zhǔn)型

35、氣缸 Fig.3-2 CQ2 standard cylinders 本設(shè)計(jì)中手爪氣缸選用SMC公司CQ2標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，該氣缸的具體參數(shù)如下表所示。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和CQ2薄型氣缸選型手冊(cè)選擇氣缸。 表3-1 氣缸的主要選型參數(shù) Tab.3-1 Main parameter selection of air cylinder 項(xiàng)目 參數(shù) 公司 SMC 系列 CQ2系列 型號(hào) CQ2B100-50D 缸徑 100mm 行程 50mm 最高使用壓力 1MPa 根據(jù)氣缸的以上參數(shù)，我們可以計(jì)算氣缸的推拉力為: 而對(duì)于我們的設(shè)計(jì)要求最大載荷為200N來(lái)說(shuō)，最大7

36、85N的夾持力足夠使用了。其安全系數(shù)為： 因此設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求和安全準(zhǔn)則。 3.1.4對(duì)于手爪直線導(dǎo)軌的選擇 本處的直線導(dǎo)軌，實(shí)際為手爪的主要承重位置，因此在結(jié)構(gòu)上我們采用了雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)導(dǎo)軌采用雙滑塊模式，導(dǎo)軌的材料選用的碳素鋼。本設(shè)計(jì)中選購(gòu)了Misumi公司的SEL2B13-310型號(hào)的直線導(dǎo)軌，該類型導(dǎo)軌為通用的輕型導(dǎo)軌。 圖3-3 直線導(dǎo)軌的布置 Fig.3-3 Linear guide arrangement 3.1.5手爪及其連接件設(shè)計(jì) 對(duì)于手爪的設(shè)計(jì)我們只是參考了對(duì)于物料搬運(yùn)的手爪形狀的基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)為為了增強(qiáng)物料搬運(yùn)機(jī)械手的通用性，我們將手爪利

37、用法蘭的形式與導(dǎo)軌連接，下午為手爪的效果圖。 圖3-4 手爪效果圖 Fig.3-4 Gripper rendering 由于整個(gè)手爪結(jié)構(gòu)的特殊性，我們特別設(shè)計(jì)了手爪、導(dǎo)軌以及氣缸這三個(gè)零件的連接件，效果圖如圖3-5。 圖3-5 連接件效果圖 Fig.3-5 Fitting effect 3.2機(jī)械手第三臂設(shè)計(jì) 第三臂要承受的負(fù)載力額定負(fù)載為20kg，最大負(fù)載為30kg。同時(shí)我們要求在z軸方向上的最大位移為350mm。 最大負(fù)載 同樣我們選擇SMC的氣缸，通過(guò)查閱SMC氣缸的選型手冊(cè)，我們暫選標(biāo)準(zhǔn)型氣缸MB系列，具體的參數(shù)見(jiàn)下表。 表3-2 氣缸的主要選型參數(shù) Ta

38、b.3-2 Main parameter selection of air cylinder 項(xiàng)目 參數(shù) 公司 SMC 系列 MB系列 型號(hào) MDB100-350 缸徑 100mm 行程 350mm 最高使用壓力 1MPa 根據(jù)氣缸的以上參數(shù)，我們可以計(jì)算氣缸的推拉力為: 而對(duì)于我們的設(shè)計(jì)要求最大載荷為300N來(lái)說(shuō)，最大785N的夾持力足夠使用了。其安全系數(shù)為： 因此此設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求和安全準(zhǔn)則。 第三臂的氣缸外形圖如下圖所示。 圖3-6 第三臂氣缸及其底座 Fig.3-6 The third arm cylinder and its ba

39、se 3.3 小結(jié) 本章主要完成了物料搬運(yùn)機(jī)械手的末端執(zhí)行器和第三臂上下移動(dòng)的設(shè)計(jì)工作。對(duì)于用的氣缸進(jìn)行了選型，對(duì)主要的零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)校核，所選擇的氣缸和設(shè)計(jì)均符合設(shè)計(jì)要求和安全準(zhǔn)則。 4 物料搬運(yùn)機(jī)械手小臂設(shè)計(jì) 4.1機(jī)械手小臂的主要機(jī)械傳動(dòng)部件 4.1.1機(jī)械傳動(dòng)部件及其功能要求 機(jī)械傳動(dòng)部件在本產(chǎn)品中主要有絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，聯(lián)軸器，導(dǎo)軌等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，機(jī)械傳動(dòng)部件主要是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變換器。其目的是使執(zhí)行元件與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是其傳動(dòng)類型，傳動(dòng)方式，傳動(dòng)剛度以及傳動(dòng)可靠性對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快

40、速響應(yīng)性有重大影響。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇傳動(dòng)間隙小，精度高，體積小，重量輕，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳遞轉(zhuǎn)矩較大的傳動(dòng)部件[9]。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)的變換，主要是其形式，行程，方向，速度。動(dòng)力的變換主要是其大小和方向。還要克服慣性力（力矩）及摩擦阻力。 4.1.2滾軸絲杠的選用 本設(shè)計(jì)使用的滾珠絲杠導(dǎo)程是10mm，絲杠直徑是16mm, 絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。滾動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~40%），因此在機(jī)電一

41、體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)使用絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)的傳動(dòng)方式。 絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好，適用于工作行程較大的場(chǎng)合。 表4-1絲杠螺母基本參數(shù) Tab.4-1 Basic parameters of the lead screw nut 螺帽種類 精度 直徑（mm） 長(zhǎng)度（mm） 額定載荷（動(dòng)） 額定載荷（靜） 單螺帽 C10 16 1172 8.2KN 17.8KN （1）滾珠絲杠的工作原理 滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)原件——滾珠，它由

42、絲杠，螺母，滾珠，反向器組成。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋軌道滾動(dòng)，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合回路。 （2）滾珠絲杠傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 具有軸向剛度高（通過(guò)預(yù)緊可消除絲杠與滾珠之間的軸向間隙），運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，不易磨損，使用壽命長(zhǎng)。 但不能自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，在升降傳動(dòng)時(shí)，需要采取制動(dòng)措施。 4.1.3 導(dǎo)軌的選用 （1）導(dǎo)軌的作用 導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動(dòng)部件能沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)向），并承受運(yùn)動(dòng)部件及工件的重量和切削力（承載）。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方叫運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；不運(yùn)動(dòng)的一方叫支撐導(dǎo)軌。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支撐導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，通常是直線運(yùn)動(dòng)或

43、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （2）導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要求 導(dǎo)向精度高 影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，裝配量。導(dǎo)軌及其支撐部件的剛度和熱變形，對(duì)靜壓導(dǎo)軌還有油膜的剛度等。 耐磨性能好 主要是指使用過(guò)程中能否保持一定的導(dǎo)向精度，應(yīng)該力求減少磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。因此可選用合適的耐磨涂料，潤(rùn)滑方法和保護(hù)裝置，使導(dǎo)軌具有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。 足夠的剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。 運(yùn)動(dòng)輕便和低速平穩(wěn)性 要使導(dǎo)軌的阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)工藝性好 要加工和裝配方便，使用時(shí)便于調(diào)整

44、和維修，成本低。 （3）本設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌特性 矩形導(dǎo)軌的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造，檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，但磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，須有調(diào)整間隙的裝置，但一個(gè)方向上的調(diào)整不會(huì)影響到另一個(gè)方向上的位移，因此安裝調(diào)整比較方便，在相同情況下，摩擦阻力與接觸變性都比較小。 圖4-1矩形導(dǎo)軌 Fig.4-1 The rectangular guideway 4.1.4 步進(jìn)電機(jī)的選用 （1）步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖型號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸

45、入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖型號(hào)，通過(guò)環(huán)行分配器按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組上。為了使電動(dòng)機(jī)能夠輸出足夠的功率，通過(guò)環(huán)行分配器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)行分配器，功率放大器以及其它輔助電路統(tǒng)稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。 （2）步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確定位、精確位移，且無(wú)積累誤差。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率[10]。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、

46、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 （3）步進(jìn)電機(jī)的選用原則 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通

47、過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。 （4）本設(shè)計(jì)的選用 本設(shè)計(jì)選用東方電機(jī)PK26系列的2相步進(jìn)電機(jī)，2相PK系列為高轉(zhuǎn)矩 低振動(dòng)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。除了每轉(zhuǎn)200分割（1.8?/step）的標(biāo)準(zhǔn)型外，另外還備有每轉(zhuǎn)400分割的高分辨率型以及高轉(zhuǎn)矩、高分辨率的減速機(jī)型產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)本系列時(shí)需另購(gòu)驅(qū)動(dòng)器。 本系列產(chǎn)品備有高轉(zhuǎn)矩 高效率型、高轉(zhuǎn)矩型、標(biāo)準(zhǔn)型、標(biāo)準(zhǔn)型保護(hù)等級(jí)

48、IP65規(guī)格、高分辨率型、SH減速機(jī)型等產(chǎn)品種類。 本設(shè)計(jì)用T3060型式的高轉(zhuǎn)矩型60mm的步進(jìn)電機(jī)。 圖4-2 T3060步進(jìn)電機(jī) Fig.4-2 T3060 stepping motor 表4-2本設(shè)計(jì)選用電機(jī)的基本參數(shù) Tab.4-2 The design chooses the basic parameters of motor 名稱 類型 安裝尺寸 軸型 步距角 最大靜止轉(zhuǎn)矩 額定電流 保持轉(zhuǎn)矩 2相步進(jìn)電機(jī) 高轉(zhuǎn)矩 60mm 單軸 1.8度 1.7 Nm 2A/相 2.2 Nm 4.1.5 聯(lián)軸器的選用 十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面

49、上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對(duì)位移。 這種聯(lián)軸器零件的材料可用45鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時(shí)也可用Q275鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中間盤的油孔中注油進(jìn)行潤(rùn)滑。 因?yàn)榘肼?lián)軸器與中間盤組成移動(dòng)副，不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對(duì)位移的情況下工作時(shí)，中間盤就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動(dòng)載荷及磨損。因此選用時(shí)應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。 本設(shè)計(jì)參考選用十字滑塊聯(lián)軸器，主要因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高扭矩剛性、高靈敏度聯(lián)

50、軸器。 （2）主體中間用十字滑塊聯(lián)接，安裝方便，免維護(hù)。 （3）零回轉(zhuǎn)間隙。 （4）主體軸套采用鋁合金,體積輕巧。 （5）安裝方便、免維護(hù)、可抗油污抗腐蝕和電氣絕緣。 （6）容許大的徑向和軸向，角向偏差。 （7）吸收較的的傳動(dòng)扭力。 （8）壽命長(zhǎng),性能安全可靠。 （9）制作工藝:精車件,表面處理:本色陽(yáng)極氧化處理。 4.2手臂部分運(yùn)動(dòng)計(jì)算 4.2.1速度的計(jì)算 （1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： 其中為步進(jìn)電機(jī)的步距角（度），為脈沖頻率（脈沖/秒） （2）每轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 其中為每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)， 為導(dǎo)程取10mm。 （3）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度 4.2.2手臂的結(jié)構(gòu)形式 圖4-

51、3 手臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.4-3 Arm drive structure 圖4-4 手臂底座結(jié)構(gòu)圖 Fig.4-4 The arm base structure 4.3小結(jié) 本章主要針對(duì)物料搬運(yùn)機(jī)械手的第二個(gè)關(guān)節(jié)，也就是小臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其使用的電機(jī)、滾珠絲杠等主要的外購(gòu)部件進(jìn)行了選型，并且進(jìn)行了簡(jiǎn)要計(jì)算，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的可行性和合理性。 5底座及第一關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 5.1總體設(shè)計(jì) 第一關(guān)節(jié)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)部分承載重量最大的部分，因此這個(gè)設(shè)計(jì)的合理性決定了整個(gè)機(jī)械手的穩(wěn)定性。圖5-1所示為機(jī)械手底座部分的截圖。 圖5-1 底座部分 Fig.5-1 The base p

52、art 5.2交叉滾子軸承 對(duì)于本設(shè)計(jì)中底座處因?yàn)樾”蹫閼冶坌问?，并且要用電機(jī)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在此處應(yīng)使用特殊的軸承，本設(shè)計(jì)中選用交叉滾子軸承。 它們的滾子在內(nèi)輪與外輪間，間隔交叉地彼此成直角方式排列。它們能同時(shí)承受來(lái)自各方向荷重 ( 如軸向、推力或動(dòng)量荷重等 ) 。因滾子與軌道表面成線狀接觸， 圖5-2 交叉滾子軸承 Fig.5-2 The crossed roller bearing 因此，軸承受荷重而彈性變形之可能性很小。此型軸承廣泛運(yùn)用在如工業(yè)自動(dòng)機(jī)械人、工作機(jī)械及醫(yī)療設(shè)施等，需要?jiǎng)傂愿?、緊密及高轉(zhuǎn)速下仍能確保精確之場(chǎng)合下。 在交叉滾子軸承中，因圓柱滾子在呈 90

53、 的 V 形溝槽滾動(dòng)面上通過(guò)間隔保持器被相互垂直地排列，所以 1 個(gè)交叉滾子軸承就可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷。內(nèi)外圈的尺寸被最小限度地小型化，特別極薄型式是接近于極限的小型尺寸，并且具有高剛性，所以最適合于工業(yè)用機(jī)器人的關(guān)節(jié)部或旋轉(zhuǎn)部、機(jī)械加工中心的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部、精密旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、醫(yī)療機(jī)器、計(jì)量器、 IC 制造裝置等的用途。 交叉滾子軸承，因被分割的內(nèi)環(huán)或外環(huán)，在裝入滾柱和間隔保持器后，與交叉滾柱軸環(huán)固定在一起，以防止互相分離，故安裝交叉滾柱軸環(huán)時(shí)操作簡(jiǎn)單。由于滾柱為交叉排列，因此只用1套交叉滾柱軸環(huán)就可承受各個(gè)方向的負(fù)荷，與傳統(tǒng)型號(hào)相比，剛性提高3~4倍。

54、同時(shí)，因交叉滾子軸承內(nèi)圈或外圈是兩分割的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整，即使被施加預(yù)載，也能獲得高精度地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （1）具有出色的旋轉(zhuǎn)精度 交叉滾子軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用滾子呈90相互垂直交叉排列， 滾子之間裝有間隔保持器或者隔離塊，可以防止?jié)L子的傾斜所滾子之間相互磨察，有效防止了旋轉(zhuǎn)扭矩的增加。另外，不會(huì)發(fā)生滾子的一方接觸現(xiàn)象或者鎖死現(xiàn)象；同時(shí)因?yàn)閮?nèi)外環(huán)是分割的結(jié)構(gòu)，間隙可以調(diào)整，即使被世家預(yù)壓，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （2）操作安裝簡(jiǎn)化 被分割成2部分的外環(huán)或者內(nèi)環(huán)，在裝入滾子和保持器后，被固定在一起，所以安裝時(shí)操作非常簡(jiǎn)單。 （3）承受較大的軸向和徑向負(fù)荷 因?yàn)闈L子在呈90的V型溝槽

55、滾動(dòng)面上通過(guò)間隔保持器被相互垂直排列，這種設(shè)計(jì)使交叉滾子軸承就可以承受較大的徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷。 （4）大幅節(jié)省安裝空間 交叉滾子軸承的內(nèi)外環(huán)尺寸被最小限度的小型化，特別是超薄結(jié)構(gòu)是接近極限的小型尺寸，并且具有高剛性，所以最適合于工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位或者旋轉(zhuǎn)部位、機(jī)械加工中心的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)部、精密旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、醫(yī)療儀器、計(jì)量器具、IC制造裝置等廣泛用途。 5.3減速步進(jìn)電機(jī) 本設(shè)計(jì)中選用減速步進(jìn)電機(jī)，主要原因是步進(jìn)電機(jī)控制容易，而且減速步進(jìn)電機(jī)可以減少設(shè)計(jì)的工作量，下圖為減速步進(jìn)電機(jī)的模型圖。 圖5-3減速步進(jìn)電機(jī) Fig.5-3 Decele

56、ration stepper motor 本設(shè)計(jì)中選用的減速步進(jìn)電機(jī)是東方馬達(dá)的PN減速步進(jìn)電機(jī)，其最大轉(zhuǎn)矩為60NM，本設(shè)計(jì)中所選擇的減速步進(jìn)電機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)下表。 表5-1 減速步進(jìn)電機(jī)參數(shù) Tab.5-1 Slow step motor parameters 型號(hào) 保持轉(zhuǎn)矩 減速比 分辨率 容許轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 容許速度 ARL98-N36 37Nm 50 0.0072度 37Nm 60Nm 0-60r /min 5.4小結(jié) 本章主要物料搬運(yùn)機(jī)械手的底座及第一關(guān)節(jié)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說(shuō)明。對(duì)于底座傳動(dòng)形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)要進(jìn)行外購(gòu)的減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了選型。初

57、步說(shuō)明了設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性。 6總結(jié) 本設(shè)計(jì)是物料搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，通過(guò)半年時(shí)間的努力，設(shè)計(jì)終于完成。這次設(shè)計(jì)給了我們一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，使我們了解了設(shè)計(jì)工作的基本流程和設(shè)計(jì)的方法以及理念。 在此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我遇到了許多以前從未遇到過(guò)的問(wèn)題，但通過(guò)指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和我的努力，這些問(wèn)題都得到了較好的解決。 雖然我設(shè)計(jì)的只是個(gè)簡(jiǎn)單的搬運(yùn)機(jī)械手，但需要完成伸縮、回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等功能，對(duì)應(yīng)分別要對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，以及對(duì)油路及其部件的選擇。通過(guò)這些機(jī)設(shè)計(jì)，使理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過(guò)的專業(yè)理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我不斷探索、不斷學(xué)習(xí)和修改。自學(xué)了許多相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，求教了多位專業(yè)老師，上網(wǎng)和在圖書館查閱大量相關(guān)資料。 課題已經(jīng)接近尾聲，一切似乎已將要結(jié)束，而我卻感覺(jué)這一切似乎才剛剛開始。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思維我有了一個(gè)重新的認(rèn)識(shí)。在本次設(shè)計(jì)中，前前后后遇到了不少困難，例如對(duì)絲杠軸傳動(dòng)、Z軸傳動(dòng)的自行設(shè)計(jì)，絲杠軸的如何擺放等等問(wèn)題。由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，盡管最后的方案不是太完美，但是我們都慶幸從中所獲甚豐。 由于時(shí)間問(wèn)題，對(duì)于本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)還存在許多問(wèn)題，許多地方都還有待改進(jìn)和提高，希望各位專家評(píng)審多多指教。 31