四自由度棒料搬運機械手的設(shè)計【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 班 級： 姓 名 ： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 題 目： 四自由度棒料搬運機械手的設(shè)計 of in 導(dǎo) 教師： 職稱 : 職稱 : 20*年 *月 *日 目 錄 目 錄 設(shè)計總說明 . . V 第一章 緒論 . 1 業(yè)機器人的概述與發(fā)展 . 1 設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 . 2 設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手設(shè)計的意義 . 2 2 機械手的總體設(shè)計 . 3 計要求 . 3 器手的組成 . 3 體方案擬定 . 4 器人的工作空間 . 4 械手驅(qū)動 系統(tǒng)設(shè)計 . 5 械手驅(qū)動器 . 5 械手傳動機構(gòu) . 5 3 機械手的傳動設(shè)計 . 7 珠絲杠的選擇 . 7 波齒輪減速器參數(shù)的確定 . 8 4 機械手的各電動機的選擇 . 12 械手手臂升降步進電機的選擇 . 12 械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機的選擇 . 15 5 機械手各氣動件的設(shè)計計算 . 18 爪夾緊力的計算與氣爪的選擇 . 18 爪夾緊力要求 . 18 徑的確定 . 19 程的確定 . 20 缸的運動速度 . 20 動氣缸的選擇 . 21 臂伸縮氣缸的選擇 . 23 6 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 . 26 械手控制器的選擇 . 26 器手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 . 26 制系統(tǒng)的總體設(shè)計 . 27 目 錄 7 手臂驗算與機械手參數(shù) . 29 臂平衡的驗算 . 29 械手參數(shù) . 30 設(shè)計總結(jié) . 31 鳴 謝 . 31 參考文獻 . 32 充值后就可以下載此設(shè)計說明書。全套資料包含有相應(yīng)的 明書和 紙（共計 4 張圖紙）。 需要全套資料的朋友請 加1： 1459919609 或 2： 1969043202， 需要其他設(shè)計題目直接聯(lián)系！ 計總說明 在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)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(lǐng)域，應(yīng)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(yīng)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(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 本設(shè)計的機械手是基于 提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益， 減輕 工人勞動 強度而設(shè)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(shè)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(zhuǎn)方向。 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于 2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 60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(zhuǎn)過來這一簡單的動作 . 關(guān)鍵詞： 四自由度；機械手；搬運； 工業(yè)機器人 in at Its In in as to of at t in so to do a of It is of at of is is 0to it in of 1 1 緒論 業(yè)機器人的概述與發(fā)展 機器人（又稱機械手，機械人，英文名稱： 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(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機器產(chǎn)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(lǐng)域，應(yīng)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(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對于提 高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)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(chǎn)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(dāng)高，它可以根據(jù)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(fù)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(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)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(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)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(fù)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(yīng)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(jù)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(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)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(yīng)用。 世界上工業(yè)機器人萌芽于 50年代的美國，經(jīng)過 40多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于00 2 人類社會很多領(lǐng)域，正如計算機技術(shù)一樣，機器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)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(shù)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，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復(fù)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(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達 200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人約有 410臺，其中已用于生產(chǎn)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(shù)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(yīng)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。 設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于 2 本設(shè)計中的機械手有四個自由度，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 60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(nèi)把棒料從指定點搬運到另一指定點，并把棒料翻轉(zhuǎn)過來。通過對機械手的相應(yīng)控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。 設(shè)計中的四自由度棒 料搬運機械手設(shè)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(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)見的將來它將在生產(chǎn)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(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益， 減輕 工人勞動 強度而設(shè)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(yīng)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 。 00 3 2 機械手的總體設(shè)計 計要求 要求：本畢業(yè)設(shè)計要求學(xué)生 掌握機器人或工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)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(shè)計，要求所設(shè)計機器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達規(guī)定的地點。 器手的組成 圖 2械手的組成圖 本機械手由機械系統(tǒng) (執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng) )、控制檢測系統(tǒng)組成。 機械系統(tǒng)： 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(zhuǎn)。 執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。本設(shè)計選用機械傳動、氣壓傳 動和電機驅(qū)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)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 00 4 體方案擬定 由設(shè)計要求本設(shè)計機械手實現(xiàn)的作用：自動線上有，兩條輸送帶，設(shè)計機械手將一棒料工件從 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過來。 確定為四自由度的機械手。其中 2個為旋轉(zhuǎn)， 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(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(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)容和需求確定機械手，利 用步進電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(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)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)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(qū)動夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)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器人外形圖 器人的工作空間 本機械手底座采用圓柱坐標型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機械手轉(zhuǎn)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(nèi)即可實現(xiàn)搬運。 下圖 2頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 00 5 圖 2作空間圖 械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 械手驅(qū)動器 機械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu) ,它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體 ,驅(qū)動臂，桿和載荷完成指定的運動。常用的驅(qū)動器有電機、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機驅(qū)動器是最常用的驅(qū)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(shè)計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進電機作為驅(qū)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(qū)動器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來作為驅(qū)動器。 械手傳動機構(gòu) 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(qū)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(zhuǎn)是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 2 2爪連接示圖 00 6 底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進電機聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從 而實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動。如下圖 2 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械手底座傳動示圖 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 2 表 2械手參數(shù)表 機械手類型 四自由度圓柱坐標型 抓取重量 2由度 4 個（ 2個回轉(zhuǎn) 2個移動） 底座 長 290轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角 240° ，步進電機驅(qū)動 手臂升降機構(gòu) 長 550降運動，升降范圍 400進電機驅(qū)動 手臂伸縮機構(gòu) 長 826縮運動，伸縮范圍 270缸驅(qū)動 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 3 機械手的傳動設(shè)計 珠絲杠的選擇 絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計的手臂質(zhì)量約為 25 245 N 。絲桿選為有效行程 450 由前電機選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 525 r/ 設(shè)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。 計算工作載荷： K 式中： K 顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，設(shè)計取為 c = K = 245 = 294 N 最大動負載 最大動負載 3 f F 查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2式中： L 工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計取為 27 106r 運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 1設(shè)計取 m 滾珠絲桿工作載荷（ N）； 把以上數(shù)據(jù)代入 3 f F 得： 3 2 7 1 . 2 2 9 4 1 0 5 8 . 4 選擇滾珠絲桿副的型號 C=，查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2用漢江機床廠 列代號為 中 7747 0D = 25 6 螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算 螺旋導(dǎo)程角 = 25 = 3º57 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 效率的計算公式： ta n 查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2式中： 絲桿 螺旋導(dǎo)程角有前計算的 =3º57 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 f=摩擦角為 = 10 把以上數(shù)據(jù)代入 ta n 得： t a n 3 5 7 t a n 3 5 7 1 0= 5% 波齒輪減速器參數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)備中。 本設(shè)計的底座旋轉(zhuǎn)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(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、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。 諧波齒輪的設(shè)計基本參數(shù)如下： 傳動比： 2 100i ； 柔輪變形波數(shù)： U=2 ； 柔輪齒數(shù)： 2 1 0 0 2 0 0 i 剛輪齒數(shù)： 2 0 0 2 2 0 2 U 模數(shù)： 柔輪臂厚： 尺寬： 20b 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算分別確定如下： 全齒高： 分度圓直徑： 80Rd 齒頂圓直徑： 8 3 8 2 齒根圓直徑： 7 9 8 4 m m 齒形角： 20R 20G 變位系數(shù)： 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=短軸 2b=并且采用具有 23個直徑為 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(shù)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 齒工作表面的耐磨損能力可由下式計算： 2000pR n h b Z式中： T 作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（ 由前計算取得 T=2 柔輪分度圓直徑，本設(shè)計中取為 0 最大嚙入深度，近似取 m，本設(shè)計中取 1 . 4 0 . 4 0 . 5 6nh m m ； b 齒寬（ 設(shè)計中取為 b=20 當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取 0 . 0 7 5 2 0 0 1 5 ； K 載荷系數(shù)，取 K=設(shè)計中取為 K= 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 齒寬許用比 壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 所以，代入2000R n d h b Z得： 2 0 0 0 2 1 . 58 0 0 . 5 6 2 0 1 50 . 4 4 6 4 M P 因 0 . 4 4 6 4 M P a 8 M P a 滿足 ，所以符合耐磨性要求 。 柔輪強度計算： 諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動變化，若以 , , ,a m a m 分別表示正應(yīng) 力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。 （ 1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 123 . 3 5 , 0 （ 2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： 122120000 . 5 ,h h 則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： 0 . 5 ( )a m y 以上式中： T 柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ 由前計算取為： T=2 柔輪齒根處的臂厚（ 設(shè)計中取為： 計算平均直徑（ 設(shè)計中為： DP= E 彈性模量（ 設(shè)計中為 E =206000 變形量（ ，本設(shè)計中為 =80= 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 323220 . 8 2 0 6 1 0 0 . 63 . 5 5 5 6 . 1 0 3 ( )7 9 . 100 . 8 2 0 6 1 0 0 . 60 . 5 7 . 9 0 2 ( )7 9 . 12 0 0 0 20 . 3 3 9 ( )7 9 . 1 0 . 60 . 5 ( ) 0 . 5 ( 7 . 9 0 2 0 . 3 3 9 ) 4 . 1 2 1 ( )m y 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 30為柔輪材料。 30 1 1 0 0 , 9 0 0b a s M P ，球化處理后硬度為 2426 且，?。?110 . 4 5 0 . 4 5 1 1 0 0 4 9 5 ( )0 . 2 5 0 . 2 5 1 1 0 0 2 7 5 ( ) 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 11495 3 . 5 2 92 . 5 5 6 . 1 0 3275 2 3 . 3 80 . 2 2 . 2 5 4 . 8 0 1 0 . 2 4 . 8 0 1 柔輪的安全系數(shù)： 2 2 2 23 . 5 2 9 2 3 . 3 8 3 . 4 8 93 . 5 2 9 2 3 . 3 8 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 柔輪強度滿足要求。 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 4 機械手的各電動機的選擇 進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉(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。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(qū)動電機都是步進電機。 械手手臂升降步進電機的選擇 機械手手臂升降用步進電機來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。 初選步進電機 75 003由前計算絲桿導(dǎo)程為 0 6L 本設(shè)計機械手手臂升降速度選定為 S=35mm/s 所以絲桿轉(zhuǎn)速 0w = S / L = 3 5 / 6 = 5 . 8 3 3 r / s = 3 4 9 . 9 8 ( r / m i n )回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： c g a M 式中： 機械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ； 機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ； 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 ； 其中： 0 ， 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： 23 4 9 . 9 8 ( / m i n ) 3 4 9 . 9 8 3 6 . 6 4 9 ( / )60r r a d s ； t 手臂升降啟動或制動的時間：本設(shè)計取為 )； 0J 手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 2()kg m ， 其中： 0 S l J J 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 13 式中： 絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量 2()kg m ， 其中： 437 . 8 1 0 L 式中： 絲桿的公稱直徑由前計算得 0 5 ( ) L 絲桿的長度本設(shè)計取為 0.6(m) 代入得： 4327 . 8 0 . 0 2 5 0 . 4 5 1 00 . 0 0 1 3 7 ( )g m 升降電機與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 2s J = 0 . 0 0 1 8 ( k g )m 查機械設(shè)計手冊 (軟件版 ) 步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 20 . 0 0 0 1 7 6 4 ( )dJ k g m 查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2 代入得： 0 S l J J 2= 0 . 0 0 1 3 7 + 0 . 0 0 1 8 + 0 . 0 0 0 1 7 6 4= 0 . 0 0 3 3 5 ( )k g m 把以上代入 0 得： 3 6 . 6 4 90 . 0 0 3 3 5 0 . 3 0 9 ( ) 其中： /2 ； 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=機械設(shè)計手冊 (軟件版 ) 代入得： /2 2 0 0 0 . 0 8 0 . 0 2 5 / 20 . 2 ( ) 得： c ga M 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 0 90 9 ( ) 電機與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 0 . 6 0 9 ( )ip N m 3 6 . 6 4 9 ( / )w r a d s 上式中： 負載峰值轉(zhuǎn)速（ s），如上計算 ： 3 6 . 6 4 9 ( / )lp r a d s ； 負載峰值力矩（ 如上計算： 0 . 6 0 9 ( ) m 電動機的功率計算式： lp P 上式中： 計算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計中?。?2 ； 絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設(shè)計中?。?； 代入以上數(shù)據(jù)得： lp 2 0 . 6 0 9 3 6 . 6 4 9 / 0 . 85 5 . 8 0 ( )W 根據(jù)負載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3 步進電機 75 003其最大靜轉(zhuǎn)矩為 足負載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。 電機參數(shù)表 4機型號 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N· m(最高空載啟動頻 率 /行頻率 /子轉(zhuǎn)動慣量 105 分配方式 質(zhì)量 /5 3 30 0 882（ 9） 1250 16000 1 568 三相六拍 1 58 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 15 械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)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(zhuǎn)時將手臂與機身一起旋轉(zhuǎn) 機械手底座轉(zhuǎn)速： 設(shè)計選取為 10 / m 即旋轉(zhuǎn) 1800的時間為 3s； 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： c g a M 式中： 機械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； 機械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ； 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： 0 ， 式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度： 21 0 ( / m i n ) 1 0 1 . 0 4 7 ( / )60r r a d s ； t 底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計中 )； 轉(zhuǎn)化系數(shù)： 0 0 ，本設(shè)計中取 0J 手臂、機身、轉(zhuǎn)軸對底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 2()kg m 由于本機械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體所以算得轉(zhuǎn)動慣量并不一定 十分準確。在選用電機時相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來選擇。 式中： 1m 手臂無氣爪邊的質(zhì)量（ 本機械手為 1 15m ； 2 2 20 1 1 2 2 3 32 2 221 1 13 3 21 1 11 5 0 . 4 1 5 0 . 4 2 0 0 . 93 3 29 . 7J m r m r m rk g m 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 2m 手臂有氣爪邊的質(zhì)量（ 本機械手為 2 15m ； 其中： 1 2手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉(zhuǎn)動慣量； 3m 機身的質(zhì)量（ 本機械手為 3 20m ； 其中： 3m 的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計算； 1 2 3,r r r 與 1 2 3,m m m 相對應(yīng)的長度（ m） 。 把以上數(shù)據(jù)代入得： 01 . 0 4 79 . 7 3 3 . 8 5 3 ( )0 . 3 N 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 ( )0 . 8 5 m 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 7 3 . 6 8 ( )c g a M N m 底座電機通過諧波減速器連接轉(zhuǎn)動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。 所以： 7 3 . 6 8 0 . 7 3 7 ( )100 1 . 0 4 7 1 0 0 1 0 4 . 7 ( / )lp i r a d s 上式中： 負載峰值轉(zhuǎn)速（ s），如上計算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s ； 負載峰值力矩（ 如上計算： 0 . 7 3 7 ( ) m 電動機功率的計算公式式： lp 0 . 7 3 7 1 0 4 . 720 . 81 9 2 . 9 1 0W 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 17 式中： 步進電動機的功率（ W） ； 負載峰值轉(zhuǎn)速（ s），由前計算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s ； 負載峰值力矩（ 由前計算： 計算系數(shù)，其中一般 ，本設(shè)計中?。?2 ； 底座傳動裝置的效率，估算為 ，本機械手取為： 。 根據(jù)負載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3 的步進電機 90最大靜轉(zhuǎn)矩為 足要求。 電機參數(shù)表 4機型號 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N· m(最高空載啟動頻 率 /行頻率 /子轉(zhuǎn)動慣量 105 分配方式 質(zhì)量 /0 3 60 1 96（ 20） 1500 8000 17 64 三相六拍 4 2 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 18 5 機械手各氣動件的設(shè)計計算 爪夾緊力的計算與氣爪的選擇 爪夾緊力要求 由設(shè)計任務(wù)書的要求氣爪連工件的重量為 5而確定夾緊的工件重量約為 2 本設(shè)計設(shè)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 5工件重力 G=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 2 3 K K G 式中： G 機器人的手爪抓取的工件的重力（ N），本設(shè)計 G= 安全系數(shù)，一般取 設(shè)計中取 機器人的手部工作狀況系數(shù)，按 2 1 aK g 計算得 方位系數(shù)，根據(jù)機器人手爪與工件形狀 選 把以上數(shù)據(jù)代入 1 2 3 K K G 得： 東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 19 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： F 式中： 鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) =機械設(shè)計手冊 (軟件版 )把以上數(shù)據(jù)代入 2 F 得： 2 8 . 2 2 4 1 1 4 . 1 20 . 2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。 徑的確定 缸徑與所使用的氣源的壓力有關(guān)，同時要確定動作方向是推力還是拉力。 本設(shè)計的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設(shè)計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50s 的范圍，其力學(xué)計算公式為： 拉力 22F = 0 . 2 5 ( - ) 式中： D 氣缸直徑（ m） ,本設(shè)計初取為 d 氣缸活塞桿直徑（ m），本設(shè)計初取為 P 氣缸工作壓力（ 本設(shè)計取為 F 氣缸理論推力、拉力（ N） 把以上數(shù)據(jù)代入 22F = 0 . 2 5 ( - ) 得： 2 2 6F = 0 . 2 5 ( 0 . 0 4 0 . 0 1 2 ) 0 . 6 1 0 計算得的 實際拉力可根據(jù) 計算。 式中： 氣 缸的 工作 效率 ， 一般在 間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時效率增大 。本設(shè)計工作壓力交大取為 把以上數(shù)據(jù)代入 得： 0 6 8 6 4 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 20 氣缸是氣爪的的驅(qū)動器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 5