四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)[圓柱坐標(biāo)型 2KG] 氣動(dòng)機(jī)械手【CAD高清圖紙和文檔】

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Replaces the manpower with the machine strength, Its the historical development tendency that liberates the humanity from the arduous physical labor. In the recent several years, the robot development not only more and more optimizes, but also moreover has covered many domains. Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do it. This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm. Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot VII 目 錄 摘 要 .IV Abstract.V 目 錄.VII 1 緒論 .1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展 .1 1.2 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 .2 1.3 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 .2 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) .3 2.1 設(shè)計(jì)要求 .3 2.2 機(jī)械手的組成 .3 2.3 總方案的擬定 .4 2.4 機(jī)器人的工作空間 .4 2.5 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .5 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器 .5 2.5.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) .5 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì) .7 3.1 滾珠絲杠的選擇 .7 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定 .8 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇 .12 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇 .12 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 .14 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇 .18 5.1.1 氣爪夾緊力的要求 .18 5.1.2 缸徑的確定 .19 5.1.3 行程的確定 .20 5.1.4 氣缸的動(dòng)速度 .20 5.1.5 擺動(dòng)氣缸的選擇 .21 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 .23 6 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)置 .26 6.1 機(jī)械手控制器的選擇 .26 6.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求 .26 6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) .27 7 手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參數(shù).29 7.1 手臂平衡的驗(yàn)算 .29 VIII 7.2 機(jī)械手參數(shù) .30 8 結(jié)論與展望 .31 8.1 結(jié)論 .31 8.2 不足之處及未來(lái)展望 .31 致 謝 .32 參考文獻(xiàn) .33 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展 機(jī)器人（又稱機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來(lái)有自， 早在三國(guó)時(shí)代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國(guó)人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革 命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機(jī)器人的研究從一開(kāi)始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)與制作，也 是為了以機(jī)械來(lái)代替人去做人力所無(wú)法完成的勞作或探險(xiǎn)。但近十幾年來(lái)，機(jī)器人的開(kāi) 發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對(duì)于提高生產(chǎn)自 動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件的作用日見(jiàn)顯著。 不少勞動(dòng)條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨勢(shì)。 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自 動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或 夾具。 工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn) 更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為 三代： 第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、 臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教 存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操 作。 第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。 其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段， 不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠 根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別 自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作 環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 世界上工業(yè)機(jī)器人萌芽于 50 年代的美國(guó)，經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于 人類社會(huì)很多領(lǐng)域，正如計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。 進(jìn)入 90 年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，每年增長(zhǎng)率保持在 10%左右，世界上 已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬(wàn)臺(tái)左右，1992、1993 年世界機(jī)器人市場(chǎng)曾一度出現(xiàn)小的低谷， 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 近年除日本外，歐美機(jī)器人市場(chǎng)也開(kāi)始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市場(chǎng)一樣，中 國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)也逐漸活躍，1997 年上半年，我國(guó)從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn) 的單位已達(dá) 200 家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有 410 臺(tái)，其中已用于生產(chǎn)的約占 3/4。目前全國(guó)約有機(jī)器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為 1200 臺(tái)，其中從 40 家外國(guó)公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺(tái)的速度增加。 從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來(lái)看，在很多方面工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨勢(shì)， 工業(yè)機(jī)器人將來(lái)必定有廣闊的發(fā)展前景。 1.2 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運(yùn)。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手有四個(gè)自由度，由底座的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，手臂的伸縮，手爪的旋 轉(zhuǎn)組成。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)機(jī)械手。通過(guò)氣爪手指的不同選擇可 滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運(yùn)。通過(guò)示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手工 作范圍內(nèi)把棒料從指定點(diǎn)搬運(yùn)到另一指定點(diǎn)，并把棒料翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。通過(guò)對(duì)機(jī)械手的相應(yīng) 控制還可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的排列。 1.3 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來(lái)的，目前已應(yīng)用與許多生產(chǎn)領(lǐng)域。由目前的 發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)它將在生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色。本機(jī)械手就是基于 此并為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在某些勞 動(dòng)條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手代替人力勞動(dòng)。在社會(huì) 不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力， 而將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)是歷史發(fā)展的趨勢(shì)。 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 3 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 要求：本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生掌握機(jī)器人或工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個(gè)自由度，完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)， 要求所設(shè)計(jì)機(jī)器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)。 2.2 機(jī)械手的組成 圖 2.1 機(jī)械手的組成圖 本機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)組成。 機(jī)械系統(tǒng)： 1.執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件， 它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。 2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳 動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 控制系統(tǒng)： 通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí) 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 機(jī) 械 手 機(jī) 械 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 伸縮機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu) 底座 電器混合驅(qū)動(dòng) 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2.3 總方案的擬定 由設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的作用：自動(dòng)線上有，兩條輸送帶，之間距離為 0.7m，現(xiàn)設(shè)計(jì)機(jī)械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2 個(gè)為旋轉(zhuǎn)，2 個(gè)為平移。 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù) 基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。 根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起 的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手 臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則選用氣爪來(lái)做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn) 則由與氣爪連接的擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。 其外觀與工作移動(dòng)方位如圖 2-2 圖 2.2 機(jī)器人外形圖 2.4 機(jī)器人的工作空間 本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個(gè)具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng) 軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對(duì)工作空間和絕對(duì)工作空間，所謂相對(duì)工作 空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比，絕對(duì)工作空間是 指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積，只要工件搬運(yùn)點(diǎn)都在此范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。 下圖 2-3 描述了本機(jī)械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 5 圖 2.3 工作空間圖 2.5 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動(dòng)臂，桿和載荷 完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)、液壓和氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 是最常用的驅(qū)動(dòng)方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計(jì)中底 座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器（在第 5 章計(jì)算說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的選擇） ， 而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動(dòng)器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過(guò)擺動(dòng)氣缸來(lái)作為驅(qū)動(dòng)器。 10 2.5.2 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而 驅(qū)動(dòng)手臂的升降。 手臂的伸縮是通過(guò)氣缸桿直接連接裝有擺動(dòng)氣缸的擺動(dòng)氣缸安裝板，從而實(shí)現(xiàn)伸縮 運(yùn)動(dòng)的。 氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動(dòng)氣缸通過(guò)氣爪的連接附件直接相連接。 5如下圖 2.4 圖 2.4 氣爪連接示圖 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 底座的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 5如下圖 2.5： 1支座，2電機(jī)，3軸承，4帶傳動(dòng)，5殼體 6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖 2.5 機(jī)械手底座傳動(dòng)示圖 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 2-1。 表 2-1 機(jī)械手參數(shù)表 機(jī)械手類型 四自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個(gè)（2 個(gè)回轉(zhuǎn) 2 個(gè)移動(dòng)） 底座 長(zhǎng) 290mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC 控制 手臂升降機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 550mm，升降運(yùn)動(dòng)，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PLC 控制 手臂伸縮機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 826mm，伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動(dòng) 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動(dòng)，行程開(kāi)關(guān)控制 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 7 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 3.1 滾珠絲杠的選擇 絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計(jì)的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷 。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機(jī)選擇的計(jì)算絲桿轉(zhuǎn)速 , NF245m min52r 設(shè)計(jì)使用壽命取 L=27 106r ，工作溫度低于 100，可靠度 95%，精度為 3 級(jí)精度。 1 計(jì)算工作載荷： FKmc 式中： K顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計(jì)取為 1.2 c =1.2 245 = 294 N 最大動(dòng)負(fù)載 C 的計(jì)算 最大動(dòng)負(fù)載 C 的計(jì)算公式： 12mFLCf3 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2-14 得 式中： L工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計(jì)取為 27 106r fm運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取 ，本設(shè)計(jì)取 1.22.1 Fm滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入 mFCf3 得： 4.105829.7 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) C=1058.4N 按 ，查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2-7，選用漢江機(jī)床廠 FN 型滾珠絲aC 杠，系列代號(hào)為 FN-2506-24。 12其中 74aN = 25 mm , =6mm ,0DnP 螺桿不長(zhǎng)，變形量不大無(wú)需驗(yàn)算。 效率計(jì)算 螺旋導(dǎo)程角 = = = 357 dPnarctonarct 效率的計(jì)算公式： 12)tan( 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2-15 得 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 式中： 絲桿螺旋導(dǎo)程角有前計(jì)算的 753 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 ，其摩擦角為04.f 01 把以上數(shù)據(jù)代入 得： )tan( %950.)1753t( 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定 一般一級(jí)諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，重量 輕，運(yùn)動(dòng)誤差小，無(wú)沖擊，齒的磨損小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動(dòng)裝 置明顯的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。 本設(shè)計(jì)的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動(dòng)。 諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)組合件。它是由三個(gè)基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣 的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤(pán)構(gòu)成的波發(fā)生器。 諧波齒輪的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下： 傳動(dòng)比： ；10i2 柔輪變形波數(shù)：U=2 ； 柔輪齒數(shù)： ；201iUZR 剛輪齒數(shù)： ；rc 模數(shù)： ；m4.0 柔輪臂厚： ；5H 尺寬： ；2b 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算分別確定如下： 全齒高： ； ；m7.0hR m72.0hc 分度圓直徑： ； ；8d 8d 齒頂圓直徑： ； ；2.3aR .ac 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 9 齒根圓直徑： ； ；m7.9dfRm28.4dfc 齒形角： ； ；20 0 變位系數(shù)： ； ；.3RX71.3CX 柔輪與剛輪均采用漸開(kāi)線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長(zhǎng)軸 2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個(gè)直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)算： 由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪齒工 作時(shí)很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來(lái)控制。輪齒工作表面的 耐磨損能力可由下式計(jì)算： 7 20pRnvTKPPdhbZA 式中：T作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計(jì)算取得 ；mNm2NT 柔輪分度圓直徑，本設(shè)計(jì)中取為 =80mm ；Rd Rd 最大嚙入深度，近似取 =（ ）m ，本設(shè)計(jì)中取nhnh6.14 ；1.40.5n b 齒寬（mm） ，設(shè)計(jì)中取為 b=20mm ； 當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取vZ ；15207.vZ K載荷系數(shù)，取 ，設(shè)計(jì)中取為 K=1.5 ；.3K 齒寬許用比壓 ，對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 =8MPA ；P P 所以，代入 得： vnbhd20ZTR 201.58.6.4MPa 因 滿足 ，所以符合耐磨性要求 。MPA846.0a 柔輪強(qiáng)度計(jì)算： 諧波齒輪工作時(shí)，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對(duì)稱變化的，而切 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 應(yīng)力則呈脈動(dòng)變化，若以 分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。 11ma, （1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 0,h35.2mpDE （2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： 12pp21y,h0.5hT 則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： )(.aym 以上式中：T柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計(jì)算取為：T=2 ；NmN 柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設(shè)計(jì)中取為： =0.6mm ；1h 1h 計(jì)算平均直徑（mm） ，設(shè)計(jì)中為：PD ；1.796.0d1fp E彈性模量（ ） ，設(shè)計(jì)中為 E =206000 ；aMPaMP 變形量（mm） ， ，本設(shè)計(jì)中為Rcd- =80.880=0.8mm ； 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 323220.8610.3556.13()79.9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP 柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考慮 加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。 30CrMnSiA 的力學(xué)性能如下： 6 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 11 ，球化處理后硬度為 ，10,90basaMPHRC264 且，取： 10.45.1095()227b aMP 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 114953.92.602723.8.81.40aamnk 柔輪的安全系數(shù)： 9.359n.222 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強(qiáng)度滿足要求。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇 進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或 直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)位置控 制比較準(zhǔn)確且控制易于實(shí)現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇 機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。 初選步進(jìn)電機(jī) 87503BF 由前計(jì)算絲桿導(dǎo)程為 mLo6 本設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂升降速度選定為 sS35 所以絲桿轉(zhuǎn)速： inr98.4OSW 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacM 式中： 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的摩擦阻力矩 ；f 機(jī)械手手臂升降在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ，twogaJ 式中： 手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：A ； 2349.8(/min)349.836.49(/)0r rads tA手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)取為 ；）（.t 手臂升降時(shí)各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，0J 2mkg 其中： dlsJo 式中： 絲桿對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，2 其中： 437.810smJDL 式中： 絲桿的公稱直徑由前計(jì)算得 ）（ m05.D 絲桿的長(zhǎng)度本設(shè)計(jì)取為 0.6(m)L 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 13 代入得： ）（ 2 34mkg0137.105.8sJ 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量lJ ）（ 2smkg018.J 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 得； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量d ）（ 2d0764.J 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2-18 得； 代入得： 2 d0.350.1764.817）（ mkgJJols 把以上代入 得：twogaJM409.3.05.ga 其中 ；2fDmG 式中： G手臂的自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數(shù) f=0.08 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 得 代入得： ）（ m2.05.082fmNM 得： ）（69.4.fgac 電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 ）（。） ；（ srad6493m609. plcip WNM 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計(jì)算 ： ；lpW)srad.649(3lp 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：l NA）（ m0.iNM 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算式： lpmP 上式中： 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中取： ；5.212 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 絲桿傳動(dòng)裝置的效率，一般取 ，本設(shè)計(jì)中?。?； 9.078.0 代入以上數(shù)據(jù)得： lpmMP 20.693.4/0.858()W 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 步進(jìn)電機(jī) ，其最大靜轉(zhuǎn)矩為lp 30375BF 0.882 ，滿足負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。 12mNlpM 表 4-1 電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型 號(hào) 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm( cm)kgf 最高 空載 啟動(dòng) 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 75BF00 3 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 機(jī)械手機(jī)身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時(shí)將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速：設(shè)計(jì)選取為 即旋轉(zhuǎn) 1800 的時(shí)間為 3s；10/minr 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacM 式中： cM 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； f 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；ga 機(jī)械手底座在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ，twgaOJ 式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作角速度：A ；210(/min)1.047(/)6rrads t底座旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)中 ；）（.30t 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 15 與 的轉(zhuǎn)化系數(shù)： ，本設(shè)計(jì)中取fMga 95.08.85.0 手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對(duì)底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量oJ ）（ 2mkg 由于本機(jī)械手是一個(gè)不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體所以算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并不一定 十分準(zhǔn)確。在選用電機(jī)時(shí)相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來(lái)選擇。 式中： 手臂無(wú)氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；m1 kg15m 手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；2 2 其中： 手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長(zhǎng)桿來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；21m 機(jī)身的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ； 3mkg203 其中： 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量看作均勻圓柱體來(lái)計(jì)算；3 與 相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度（m） 。,21r321, 把以上數(shù)據(jù)代入得： 0.0479.85()gaMJNtAA3.85.2gaf.39.87.6()cgaf mA 底座電機(jī)通過(guò)諧波減速器連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸，偕波減速器傳動(dòng)比為 i=100。 所以： 73.680.()1clpMNmiA.4.7/lp rads 22201322213 5.450.40.99.7JmrrkgA 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 上式中： 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s ） ，如上計(jì)算 ： ；lp ）（ srad7.104lp 負(fù)載峰值力矩（ ） ，如上計(jì)算：lMNmA）（ m3.lNM 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式式： lpmP 0.7314.289.W 式中： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率（W ） ； mP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s ） ，由前計(jì)算 ： ；lp ）（ srad7.104lp 負(fù)載峰值力矩（ ） ，由前計(jì)算： =0.737（ ） ；lMmNlMmN 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計(jì)中?。?；5.212 底座傳動(dòng)裝置的效率，估算為 ，本機(jī)械手取為： 。 9.078.0 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其最大lp 3 靜轉(zhuǎn)矩為 1.96 ，滿足要求。mN 表 4-2 電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型 號(hào) 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /Nm( cm)kgf 最高 空載 啟動(dòng) 頻 率 /HZ 運(yùn)行頻 率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 90BF00 3 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 17 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇 5.1.1 氣爪夾緊力的要求 由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為 2kg。 本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手搬運(yùn)的工件定為圓柱形的棒料。其加緊視圖如圖 5-1 圖 5-1 工件夾緊視圖 工件重力 G=2 9.8=19.6N 夾起工件主要是靠氣爪手指與工件的靜摩擦力克服工件的重力。 氣爪拿起工件所需的力 1GKFL321 式中：G機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力（ N） ，本設(shè)計(jì) G=19.6； 安全系數(shù)，一般取 ,本設(shè)計(jì)中取 =1.2；1K0.11K 機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按 計(jì)算得 =1.2；2 ga22 a 為機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)加速度的絕對(duì)值； 方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀選 =13K 3K 把以上數(shù)據(jù)代入 得：GKFL321 =1.2 1.2 1 19.6 =28.224N 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： LNF 式中： 鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) =0.2 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(軟件版)R2.0 6得 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 把以上數(shù)據(jù)代入 得： LNF N12.4.028 氣缸的選定中，首先確定其負(fù)載的大小，負(fù)載決定了缸徑的大?。黄浯我_定其行 程、安裝形式等。 5.1.2 缸徑的確定 缸徑與所使用的氣源的壓力有關(guān)，同時(shí)要確定動(dòng)作方向是推力還是拉力。 本設(shè)計(jì)的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設(shè)計(jì)滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學(xué)計(jì)算公式為： 拉力 pd25.02）（ DF 式中：D氣缸直徑（m）,本設(shè)計(jì)初取為 0.04m ； d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設(shè)計(jì)初取為 0.012m ； P氣缸工作壓力（ Pa） ，本設(shè)計(jì)取為 0.6MPa； F氣缸理論推力、拉力（N） 把以上數(shù)據(jù)代入 得：pd25.02）（ DF6F=0.25(.41). 681N 計(jì)算得的 F 為理論拉力，其實(shí)際拉力可根據(jù) 計(jì)算。FS 式中： 氣缸的工作效率，一般在 之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時(shí)95.07 效率增大。本設(shè)計(jì)工作壓力交大取為 0.85。 把以上數(shù)據(jù)代入 得：S 0.856.14sF 39N 氣缸是氣爪的的驅(qū)動(dòng)器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 5-2 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 19 圖 5-2 氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu) 圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。 R=22mm 為活塞桿推動(dòng)手指的力臂。 氣爪夾緊工件的力 LRFSN1 代入數(shù)據(jù)得： 502189.53 6N 由計(jì)算得 所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿足設(shè)計(jì)要求。N1 5.1.3 行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動(dòng)的距離，對(duì)外表現(xiàn)為負(fù)載移動(dòng)的距離，確定此距離時(shí)要 充分考慮工況情況，應(yīng)預(yù)留出一點(diǎn)行程，避免活塞桿撞壞。 由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。 5.1.4 氣缸的動(dòng)速度 氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)的需要來(lái)決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：本氣缸為水平安 裝采用用排氣節(jié)流； 本設(shè)計(jì)中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤(rùn)滑。 本氣缸使用注意事項(xiàng) 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-3580，工作壓力為 0.40.6MPa。 2）安裝前，應(yīng)在 1.