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編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 四自由度棒料搬運機械手設計 信 機 系 機 械 工 程 及 其 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923076 學生姓名： 陳 華 指導教師： 馮 鮮 （職稱：講 師） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 《四自由度棒料搬運 機械手設計》 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，除 了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用、表示致謝的內容外，本畢 業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 92 學 號： 0923076 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 其 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： １、題目 四自由度棒料搬運機械手設計 ２、專題 二、課題來源及選題依據 機器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應用與許多生產 領域。由目前的發(fā)展狀況看，在可預見的將來它將在生產中扮演越來越重 要的角色。本機械手就是基于此并為提高勞動生產率、產品質量和經濟效 益，減輕工人勞動強度而設計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工 人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。在社會不斷發(fā)展的今天， 機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力，而將 人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 II 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 機械手類型 四自由度圓柱坐標型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉運動，回轉角 240° 手臂升降機構 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm 手臂伸縮機構 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅動， 活塞位置控制 氣爪旋轉機構 旋轉運動，旋轉角 180 度，氣缸驅動，行程開關控制 1、機械手的總體設計，包括型式選擇、基本參數確定、總體布置與主要 結構設計。并繪制整體裝配圖。 2、機械手傳動機構的設計，包括滾珠絲杠的選擇，諧波齒輪減速器參數 的確定。 3、機械手各種電機的選擇。包括機械手手臂升降步進電機的選擇，機械 手底座回轉驅動電動機的選擇。 4、機械手各氣動件的設計計算。 5、設計說明書一份。 6、所有非標零件需畫出零件圖。 III 四、接受任務學生： 機械 92 班 姓名 陳 華 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2013 年 5 月 25 日 IV 摘 要 在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量 代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十 分廣闊。 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)， 機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 本設計的機械手是基于提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，減輕工人勞動強度 而設計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代 替人力勞動。 本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉 方向。 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。 通過氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60mm 的棒料的搬運。 在控制器的作用下，機械手執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻 轉過來這一簡單的動作。 關鍵詞：四自由度；機械手；搬運；工業(yè)機器人 V Abstract Today that develop continuously in the society, The robot are more and more Using at industry scene application. Replaces the manpower with the machine strength, It‘s 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 can’t 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)機器人的技術與發(fā)展 ..................................................................................................1 1.2 本設計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 ......................................................2 1.3 本設計中的四自由度棒料搬運機械手設計的意義 ..........................................................2 2 機械手的總體設計 .....................................................................................................................3 2.1 設計要求 ...............................................................................................................................3 2.2 機械手的組成 ......................................................................................................................3 2.3 總方案的擬定 ......................................................................................................................4 2.4 機器人的工作空間 ...............................................................................................................4 2.5 機械手驅動系統(tǒng)的設計 ......................................................................................................5 2.5.1 機械手驅動器 ...............................................................................................................5 2.5.2 機械手傳動機構 ...........................................................................................................5 3 機械手的傳動設計 .....................................................................................................................7 3.1 滾珠絲杠的選擇 ..................................................................................................................7 3.2 諧波齒輪減速器參數的確定 ..............................................................................................8 4 機械手的各電機選擇 ...............................................................................................................12 4.1 機械手手臂升降步進點擊的選擇 ....................................................................................12 4.2 機械手底座回轉驅動電動機的選擇 ................................................................................14 5 機械手各氣動件的設計計算 ...................................................................................................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 氣缸的動速度 .............................................................................................................20 5.1.5 擺動氣缸的選擇 .........................................................................................................21 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 ........................................................................................................23 6 機器人控制系統(tǒng)的設置 ...........................................................................................................26 6.1 機械手控制器的選擇 ........................................................................................................26 6.2 機械手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 ........................................................26 6.3 控制系統(tǒng)的總體設計 ........................................................................................................27 7 手臂驗算與機械手參數...........................................................................................................................29 7.1 手臂平衡的驗算 ................................................................................................................29 VIII 7.2 機械手參數 ........................................................................................................................30 8 結論與展望 ...............................................................................................................................31 8.1 結論 ....................................................................................................................................31 8.2 不足之處及未來展望 ........................................................................................................31 致 謝 ...........................................................................................................................................32 參考文獻 .......................................................................................................................................33 四自由度棒料搬運機械手設計 1 1 緒論 1.1 工業(yè)機器人的技術與發(fā)展 機器人（又稱機械手，機械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有自， 早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結晶。隨著近代的工業(yè)革 命，機器產業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作，也 是為了以機械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機器人的開 發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機器人是典型的機電一體化高技術產品。在許多生產領域，它對于提高生產自 動化水平，提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，改善工人勞動條件的作用日見顯著。 不少勞動條件惡劣、生產要求苛刻的場合，工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢。 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自 動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或 夾具。 工業(yè)機器人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，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為 三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、 臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教 存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現(xiàn)示教的操 作。 第二代工業(yè)機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。 其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從 1980 年開始進入了實用階段， 不久即將普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠 根據人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據這一識別 自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作 環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。 世界上工業(yè)機器人萌芽于 50 年代的美國，經過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應用于 人類社會很多領域，正如計算機技術一樣，機器人技術正在日益改變著我們的生產方式。 進入 90 年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界上 已擁有機器人數量達到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷， 無錫太湖學院學士學位論文 2 近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。與全球機器人市場一樣，中 國機器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機器人及相關技術產品研制、生產 的單位已達 200 家，研制生產的各類工業(yè)機器人約有 410 臺，其中已用于生產的約占 3/4。目前全國約有機器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機器人總臺數約為 1200 臺，其中從 40 家外國公司進口的各類機器人占 2/3 以上，并每年以 100～150 臺的速度增加。 從機器人的應用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢， 工業(yè)機器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景。 1.2 本設計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。 本設計中的機械手有四個自由度，由底座的旋轉，手臂的升降，手臂的伸縮，手爪的旋 轉組成。本設計中的機械手是一種通用型棒料搬運機械手。通過氣爪手指的不同選擇可 滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實現(xiàn)在機械手工 作范圍內把棒料從指定點搬運到另一指定點，并把棒料翻轉過來。通過對機械手的相應 控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。 1.3 本設計中的四自由度棒料搬運機械手設計的意義 機器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應用與許多生產領域。由目前的 發(fā)展狀況看，在可預見的將來它將在生產中扮演越來越重要的角色。本機械手就是基于 此并為提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，減輕工人勞動強度而設計的。在某些勞 動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。在社會 不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力， 而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 四自由度棒料搬運機械手設計 3 2 機械手的總體設計 2.1 設計要求 要求：本畢業(yè)設計要求學生掌握機器人或工業(yè)機械手的結構及工作原理，實現(xiàn)機械手 的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運機器人設計， 要求所設計機器人能抓取一定質量的工件并到達規(guī)定的地點。 2.2 機械手的組成 圖 2.1 機械手的組成圖 本機械手由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)組成。 機械系統(tǒng)： 1.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， 它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉。 2.驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。本設計選用機械傳 動、氣壓傳動和電機驅動。 控制系統(tǒng)： 通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時 發(fā)出報警信號。 機 械 手 機 械 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 機 構 驅 動 機 構 氣爪旋轉機構 伸縮機構 升降機構 底座 電器混合驅動 無錫太湖學院學士學位論文 4 2.3 總方案的擬定 由設計要求本設計機械手實現(xiàn)的作用：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶，之間距離為 0.7m，現(xiàn)設計機械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉過來。 確定為四自由度的機械手。其中 2 個為旋轉，2 個為平移。 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術 基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。 根據設計內容和需求確定機械手，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋 轉運動；利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起 的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機械手工作范圍不大，故利用氣缸驅動實現(xiàn)手 臂的伸縮運動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅動夾緊。氣爪的旋轉 則由與氣爪連接的擺動氣缸實現(xiàn)。 其外觀與工作移動方位如圖 2-2 圖 2.2 機器人外形圖 2.4 機器人的工作空間 本機械手底座采用圓柱坐標型結構，其工作空間是一個具有一定角度的繞機械手轉動 軸的扇形體立體空間。機器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相對工作 空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比，絕對工作空間是 指手腕端部可抵達的最大空間體積，只要工件搬運點都在此范圍內即可實現(xiàn)搬運。 下圖 2-3 描述了本機械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 四自由度棒料搬運機械手設計 5 圖 2.3 工作空間圖 2.5 機械手驅動系統(tǒng)的設計 2.5.1 機械手驅動器 機械手驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動機構,它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅動臂，桿和載荷 完成指定的運動。常用的驅動器有電機、液壓和氣動等驅動裝置，其中采用電機驅動器 是最常用的驅動方式，包括直流伺服電機，交流伺服電機及其步進電機等。本設計中底 座的旋轉與手臂升降都是采用步進電機作為驅動器（在第 5 章計算說明步進電機的選擇） ， 而手臂的伸縮則選用七缸作為驅動器。氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來作為驅動器。 [10] 2.5.2 機械手傳動機構 手臂的升降是步進電機通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而 驅動手臂的升降。 手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現(xiàn)伸縮 運動的。 氣爪的旋轉是擺動氣缸通過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 無錫太湖學院學士學位論文 6 底座的旋轉是通過步進電機聯(lián)接諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現(xiàn)機械手 的旋轉運動。 [5]如下圖 2.5： 1——支座，2——電機，3——軸承，4——帶傳動，5——殼體 6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪 圖 2.5 機械手底座傳動示圖 本設計中的四自由度棒料搬運機械手的有關技術參數見表 2-1。 表 2-1 機械手參數表 機械手類型 四自由度圓柱坐標型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉運動，回轉角 240°，步進電機驅動 PLC 控制 手臂升降機構 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進電機驅動 PLC 控制 手臂伸縮機構 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅動 活塞位置控制 氣爪旋轉機構 旋轉運動，旋轉角 180o，氣缸驅動，行程開關控制 四自由度棒料搬運機械手設計 7 3 機械手的傳動設計 3.1 滾珠絲杠的選擇 絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設計的手臂質量約為 25KG 即等效載荷 。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機選擇的計算絲桿轉速 , NF245m? min52r? 設計使用壽命取 L=27 106r ，工作溫度低于 100℃，可靠度 95%，精度為 3 級精度。 [1]? 計算工作載荷： FKmc? 式中： K——顛覆力矩影響的實驗系數，設計取為 1.2 c =1.2 245? = 294 N 最大動負載 C 的計算 最大動負載 C 的計算公式： [12]mFLC??f3 查機電綜合設計指導書式 2-14 得 式中： L——工作壽命，單位為 106r，本設計取為 27 106r? fm——運轉狀態(tài)系數，無沖擊取 ，本設計取 1.22.1~ Fm——滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數據代入 mFC??f3 得： 4.105829.7? 選擇滾珠絲桿副的型號 C=1058.4N 按 ，查機電綜合設計指導書表 2-7，選用漢江機床廠 FN 型滾珠絲aC? 杠，系列代號為 FN-2506-24。 [12]其中 74aN? = 25 mm , =6mm ,0DnP 螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算 螺旋導程角 γ = = = 3o57′ dPn?arctonarct 效率的計算公式： [12])tan(????? 查機電綜合設計指導書式 2-15 得 無錫太湖學院學士學位論文 8 式中： ——絲桿螺旋導程角有前計算的? 753???? ——摩擦角絲桿副摩擦系數為 ，其摩擦角為?04.~.f 01??? 把以上數據代入 得： )tan(????? %950.)1753t(??? 3.2 諧波齒輪減速器參數的確定 一般一級諧波齒輪減速比可以在 50～500 之間，諧波齒輪結構簡單，零件少，重量 輕，運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動裝 置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設備中。 本設計的底座旋轉采用諧波齒輪減速器傳動。 諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構件構成的，帶凸緣 的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構成的波發(fā)生器。 諧波齒輪的設計基本參數如下： 傳動比： ；10i2? 柔輪變形波數：U=2 ； 柔輪齒數： ；201i???UZR 剛輪齒數： ；rc? 模數： ；m4.0 柔輪臂厚： ；5?H 尺寬： ；2b 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數經計算分別確定如下： 全齒高： ； ；m7.0h?R m72.0hc? 分度圓直徑： ； ；8d 8d 齒頂圓直徑： ； ；2.3aR .ac 四自由度棒料搬運機械手設計 9 齒根圓直徑： ； ；m7.9dfR?m28.4dfc? 齒形角： ； ；?20? ?0? 變位系數： ； ；.3RX71.3CX 柔輪與剛輪均采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸 2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。 諧波齒輪輪齒的耐磨計算： 由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪齒工 作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作表面的 耐磨損能力可由下式計算： [7] 20pRnvTKPPdhbZ??A 式中：T——作用在柔輪上的轉矩（ ） ，由前計算取得 ；m?Nm2??NT ——柔輪分度圓直徑，本設計中取為 =80mm ；Rd Rd ——最大嚙入深度，近似取 =（ ）m ，本設計中取nhnh6.1~4 ；1.40.5n?? b ——齒寬（mm） ，設計中取為 b=20mm ； ——當量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數 ，一般可取vZ ；15207.v??Z K——載荷系數，取 ，設計中取為 K=1.5 ；.~3K ——齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調質柔輪，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 。MPA846.0?a? 柔輪強度計算： 諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應力狀態(tài)，其正應力基本上是對稱變化的，而切 無錫太湖學院學士學位論文 10 應力則呈脈動變化，若以 分別表示正應力和切應力的應力幅和平均應力。 [11]ma???, （1）正應力的應力幅和平均應力分別為： 0,h35.2?????mpDE?? （2）由變形和外載荷所引起的切應力分別為： 12pp21y,h0.5hT????? 則，切應力的應力幅和平均應力為： )(.a???ym 以上式中：T——柔輪工作轉矩（ ） ，由前計算取為：T=2 ；?Nm?N ——柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設計中取為： =0.6mm ；1h 1h ——計算平均直徑（mm） ，設計中為：PD ；1.796.0d1fp??? E——彈性模量（ ） ，設計中為 E =206000 ；aMPaMP ——變形量（mm） ， ，本設計中為?Rcd-? =80.8－80=0.8mm ； 將具體數據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 的力學性能如下： [6] 四自由度棒料搬運機械手設計 11 ，球化處理后硬度為 ，10,90basaMP???HRC26~4 且，?。? 10.45.1095()227b aMP????? 柔輪正應力安全系數和切應力安全系數分別為： 114953.92.602723.8..81.40aamnk???????????? 柔輪的安全系數： 9.359n.222??? 此數值大于許用安全系數 1.5，則柔輪強度滿足要求。 無錫太湖學院學士學位論文 12 4 機械手的各電機選擇 進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移或 直線位移的執(zhí)行電機。本機械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進電機對系統(tǒng)位置控 制比較準確且控制易于實現(xiàn)。故本機械手選用的驅動電機都是步進電機。 4.1 機械手手臂升降步進點擊的選擇 機械手手臂升降用步進電機來驅動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。 初選步進電機 [8]7503BF 由前計算絲桿導程為 mLo6? 本設計機械手手臂升降速度選定為 sS35 所以絲桿轉速： inr98.4OSW? 回轉轉矩： fgacM?? 式中： ——機械手手臂升降相對絲桿的回轉力矩 ；cM ——機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f ——機械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ，twoga??J 式中： ——手臂升降啟動或制動過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——手臂升降啟動或制動的時間：本設計取為 ；）（.t?? ——手臂升降時各部件對回轉軸線的轉動慣量 ，0J ??2mkg? 其中： dlsJ??o 式中： ——絲桿對其轉動軸的轉動慣量 ，2 其中： 437.810smJDL 式中： ——絲桿的公稱直徑由前計算得 ）（ m05.?D ——絲桿的長度本設計取為 0.6(m)L 四自由度棒料搬運機械手設計 13 代入得： ）（ 2 34mkg0137.105.8s????J ——升降電機與絲桿間的聯(lián)軸器的轉動慣量lJ ）（ 2smkg018.??J 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得； ——步進電機轉子的轉動慣量d ）（ 2d0764.J 查機電綜合設計指導書表 2-18 得； 代入得： 2 d0.350.1764.817）（ mkgJJols??? 把以上代入 得：twoga?JM409.3.05.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 f=0.08 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得 代入得： ）（ m2.05.082fm?????NM 得： ）（69.4.fgac? 電機與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 ）（。） ；（ srad6493m609. plcip ???WNM 上式中： ——負載峰值轉速（rad/s） ，如上計算 ： ；lpW)srad.649(3lp?? ——負載峰值力矩（ ） ，如上計算：l NA）（ m0.i?NM 電動機的功率計算式： lpmP???? 上式中： ——計算系數，其中一般 ，本設計中取： ；?5.2~12?? 無錫太湖學院學士學位論文 14 ——絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設計中?。?；? 9.0~7??8.0?? 代入以上數據得： ???lpmMP? 20.693.4/0.858()W? 根據負載峰值力矩 最大靜轉矩，選用步矩角為 步進電機 ，其最大靜轉矩為lp ?30375BF 0.882 ，滿足負載峰值力矩 最大靜轉矩的要求。 [12]m?NlpM 表 4-1 電機參數 電機型 號 相數 步距角 /（°） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /N·m( ·cm)kgf 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動 慣量 10 Kg·m5?2 分配 方 式 質量 /Kg 75BF00 3 3 3 30 0．882（9） 1250 16000 1．568 三相 六拍 1．58 4.2 機械手底座回轉驅動電動機的選擇 機械手機身安裝在底座上所以底座作旋轉時將手臂與機身一起旋轉 機械手底座轉速：設計選取為 即旋轉 1800 的時間為 3s；10/minr??? 回轉轉矩： fgacM? 式中： cM ——機械手整體相對底座回轉軸的回轉力矩 ； f ——機械手整體相對底座回轉軸的摩擦阻力矩 ；ga ——機械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ，twga??OJ 式中： ——底座旋轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度：?A ；210(/min)1.047(/)6rrads? ??? t?——底座旋轉啟動或制動的時間：本設計中 ；）（.30t?? 四自由度棒料搬運機械手設計 15 —— 與 的轉化系數： ，本設計中取?fMga 95.0~8.??85.0?? ——手臂、機身、轉軸對底座旋轉軸線的轉動慣量oJ ）（ 2mkg? 由于本機械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉體所以算得轉動慣量并不一定 十分準確。在選用電機時相應把最大靜轉矩要求提高來選擇。 式中： ——手臂無氣爪邊的質量（kg） ，本機械手為 ；m1 kg15m? ——手臂有氣爪邊的質量（kg） ，本機械手為 ；2 2 其中： 手臂的質量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉動慣量；21m? ——機身的質量（kg） ，本機械手為 ； 3mkg203? 其中： 的轉動慣量看作均勻圓柱體來計算；3 ——與 相對應的長度（m） 。,21r321, 把以上數據代入得： 0.0479.85()gaMJNt????AA3.85.2gaf?.39.87.6()cgaf m????A 底座電機通過諧波減速器連接轉動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。 所以： 73.680.()1clpMNmi?A.4.7/lp rads???? 22201322213 5.450.40.99.7Jmrrkg?????A 無錫太湖學院學士學位論文 16 上式中： ——負載峰值轉速（rad/s ） ，如上計算 ： ；lp? ）（ srad7.104lp?? ——負載峰值力矩（ ） ，如上計算：lMNmA）（ m3.l?NM 電動機功率的計算公式式： lpmP???? 0.7314.289.W? 式中： ——步進電動機的功率（W ） ； mP ——負載峰值轉速（rad/s ） ，由前計算 ： ；lp? ）（ srad7.104lp?? ——負載峰值力矩（ ） ，由前計算： =0.737（ ） ；lMm?NlMm?N ——計算系數，其中一般 ，本設計中?。?；?5.2~1??2? ——底座傳動裝置的效率，估算為 ，本機械手取為： 。? 9.07?8.0?? 根據負載峰值力矩 最大靜轉矩，選用步矩角為 的步進電機 90BF003，其最大?lp ?3 靜轉矩為 1.96 ，滿足要求。m?N 表 4-2 電機參數 電機型 號 相數 步距角 /（°） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /N·m( ·cm)kgf 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣 量 10 Kg·m5?2 分配 方 式 質量 /Kg 90BF00 3 3 3 60 1．96（20） 1500 8000 17．64 三相 六拍 4．2 四自由度棒料搬運機械手設計 17 5 機械手各氣動件的設計計算 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 由設計任務書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。 本設計設計的機械手搬運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 [1]GKFL321? 式中：G——機器人的手爪抓取的工件的重力（ N） ，本設計 G=19.6； ——安全系數，一般取 ,本設計中取 =1.2；1K0.~1?1K ——機器人的手部工作狀況系數，按 計算得 =1.2；2 ga??22 a 為機器人手爪運動加速度的絕對值； ——方位系數，根據機器人手爪與工件形狀選 =13K 3K 把以上數據代入 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 =0.2?? 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 [6]得 無錫太湖學院學士學位論文 18 把以上數據代入 得： ?LNF? N12.4.028 氣缸的選定中，首先確定其負載的大小，負載決定了缸徑的大??；其次要確定其行 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，同時要確定動作方向是推力還是拉力。 本設計的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學計算公式為： 拉力 pd25.02）（ ??DF? 式中：D——氣缸直徑（m）,本設計初取為 0.04m ； d——氣缸活塞桿直徑（m） ，本設計初取為 0.012m ； P——氣缸工作壓力（ Pa） ，本設計取為 0.6MPa； F——氣缸理論推力、拉力（N） 把以上數據代入 得：pd25.02）（ ??DF?6F=0.25(.41).???? 681N? 計算得的 F 為理論拉力，其實際拉力可根據 計算。FS?? 式中： ——氣缸的工作效率，一般在 之間。當工作壓力增高、缸徑增大時?95.0~7 效率增大。本設計工作壓力交大取為 0.85。 把以上數據代入 得：S? 0.856.14sF? 39N 氣缸是氣爪的的驅動器，氣缸與氣爪手指的連接結構如下圖 5-2 四自由度棒料搬運機械手設計 19 圖 5-2 氣缸與氣爪手指的連接結構 圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。 R=22mm 為活塞桿推動手指的力臂。 氣爪夾緊工件的力 LRFSN?1 代入數據得： 502189.53?? 6N 由計算得 所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿足設計要求。N?1 5.1.3 行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動的距離，對外表現(xiàn)為負載移動的距離，確定此距離時要 充分考慮工況情況，應預留出一點行程，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 氣缸的動速度 氣缸的運動速度主要由所驅動的工作機構的需要來決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調速。節(jié)流調速的方式有：本氣缸為水平安 裝采用用排氣節(jié)流； 本設計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。 本氣缸使用注意事項 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-35～80℃，工作壓力為 0.4～0.6MPa。 2）安裝前，應在 1.