基于步進電機的四自由度機械手設(shè)計與控制【單片機】【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985摘 要機械手是在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的使用，經(jīng)常被用來對工件進行水平、垂直地移位，是現(xiàn)在自動化生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備。特別是在自動化程度高的工廠，不但提高了整體生產(chǎn)的精度，也大大提高了機械生產(chǎn)的效率，對現(xiàn)代化機械發(fā)展是有很大意義的。本文所闡述的機械手共有 4 個自由度，分別是夾緊工件、機械手腕的旋轉(zhuǎn)、手臂的伸出與縮回、機身的旋轉(zhuǎn)和升降，基本滿足了工業(yè)生產(chǎn)線上傳遞工件并進行定位的需要，它的控制系統(tǒng)采用單片機進行控制，得益于單片機成熟的應(yīng)用技術(shù)、低廉的價格，以及穩(wěn)定的開發(fā)平臺，工作人員可以很直觀地通過按鈕進行操作。關(guān)鍵詞：機械手，單片機，步進電機買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985ABSTRACTManipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulators application is beneficial to the development of modern machinery.Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons.Key words: manipulator, SCM, stepping motor買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985目 錄1 緒論 .11.1 課題的意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .11.3 本論文主要任務(wù) .32 機械手的總體設(shè)計 .52.1 機械手的組成 .52.2 機械手設(shè)計參數(shù) .52.3 機械手坐標系 .62.4 機械手控制系統(tǒng) .62.5 小結(jié) .63 機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 .73.1 手部機構(gòu) .73.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 .83.3 主要尺寸的確定 .93.4 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計 .143.5 步進電機的計算與選型.143.6 步進電機性能校核 .163.7 小結(jié) .164 機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計 .174.1 機械手手臂的結(jié)構(gòu) .174.2 機械手手臂電機的計算與選型 .174.3 小結(jié) .235 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計 .245.1 機械手腰部和基座的結(jié)構(gòu) .245.2 機械手腰部的步進電機的計算與選型 .245.3 步進電動機的性能校核.265.4 機械手底座的步進電機的計算與選型 .275.5 步進電動機的性能校核.295.6 小結(jié) .306 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 .316.1 驅(qū)動器.31買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709856.2 接線圖.376.3 步進電機原理 .376.4 單片機的選用 .396.5 控制原理圖 .396.6 機械手控制程序流程圖.406.7 小結(jié) .437 結(jié)論 .44參考文獻 .45致謝 .46買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709851 緒論1.1 課題的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用 1。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。（2）以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或部分代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn) 2。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓取，放下機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709851962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978 年美國 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-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險、繁重的勞動。目前，機械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中用于從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序; 機械加工行業(yè)中用于取料、送料 ; 澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象，針對本文作者參與的工業(yè)取料用直角坐標機械手控制系統(tǒng)軟、硬件進行了介紹和分析。目前市場上常見的工業(yè)取料直角坐標機械手主運動臂的控制方式主要采用液壓或氣壓驅(qū)動。這種控制策略的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)易于控制。但缺點是系統(tǒng)定位靠設(shè)定接近開關(guān)的位置來實現(xiàn)，定位精度低，而一旦用戶要求改變?nèi)×瞎ぷ黝愋停仨氋I文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985重新調(diào)節(jié)各液壓或氣壓缸的定位開關(guān)，以適應(yīng)新的工作任務(wù)，不利于生產(chǎn)過程的自動化。國內(nèi)機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。1.2.2 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作業(yè)。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光覺測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) 3。1.3 本論文主要任務(wù)本論文主要完成的任務(wù)如下：買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985（1）介紹了機械手的背景和意義；（2）介紹了機械手的總體框架；（3）詳細描述了機械手的總體研究方案；（4）基于單片機完成了對機械手硬件部分的設(shè)計與完成。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709852 機械手的總體設(shè)計2.1 機械手的組成機械 手機械系統(tǒng)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)手臂機構(gòu)腰部機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)步進電機驅(qū)動單片機控制圖 2-1 機械手的組成它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu))、控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是機械手完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、手臂、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）手臂：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，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。A. 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。B. 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，當發(fā)生錯誤或故障時,發(fā)出報警信號 4-5。2.2 機械手設(shè)計參數(shù)機械手（重復(fù)）定位精度：±0.5mm；機械手最大抓重：1kg；工件尺寸：直徑約 23cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)；支座旋轉(zhuǎn)角度為：90 度（最大速度：90 度每秒） ；物料盤（采用步進電機控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30 度（最大轉(zhuǎn)度：30 度每秒） ；手部機構(gòu)買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985手臂上下移動距離為：20cm（最大速度 10cm/s） ；手臂前后移動距離為：20cm（最大速度 10cm/s） ；手指開合角度為：60 度（最大速度 60 度每秒） ，手爪旋轉(zhuǎn)角度為 360 度。2.3 機械手坐標系本課題的機械手的坐標系采用極坐標系設(shè)計 5。圖 2-2 機械手坐標系2.4 機械手控制系統(tǒng)本課題采用單片機控制器對機械手進行控制，根據(jù)機械手的工作流程編制出單片機程序，預(yù)定工作流程如圖 2-3 所示。歸零 物料盤轉(zhuǎn)一個工步手臂伸出 手臂向下手指夾緊手臂向上支座順時針轉(zhuǎn)手臂向下手指松開手臂向上圖 2-3 機械手循環(huán)動作流程圖2.5 小結(jié)本章節(jié)對機械手進行了總體介紹，對機械手的總體方案進行了詳細介紹。對各個自由度的動作和實現(xiàn)作了詳細的說明，根據(jù)設(shè)計綜合參數(shù)確定設(shè)計方案，介紹了基于極坐標機械手的特點和原理。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709853 機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 手部機構(gòu)本課題中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機構(gòu) 4。其機構(gòu)由圖 3-1 所示。圖 3-1 機械手手部3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指；同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件 5。3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題（1）具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985（2）手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。（3） 保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。（4） 具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。（5） 考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成 V 型。3.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖 3-1 所示：手部驅(qū)動力的計算：其工件重量 G=1 公斤，V 形手指的角度 ， ，摩擦1203m12.5bR系數(shù)為 。25.0f（1）根據(jù)手爪類別,計算夾緊力。圖 3-2 手爪如圖 3-2 所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：(3-1)()sin()2GmgaFSN買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985式中： -工件質(zhì)量， ；mkg-重力加速度， ；g2/s-動態(tài)運動時產(chǎn)生的加速度， ；a2/sm-安全系數(shù)；S-V 型手爪張開的角度， ；-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手爪與工件材料都采用 45 鋼，查表得0.25所以： )(sin2)(NSagmFG= 5.08.915.26iN43（2） 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖 3-1，其驅(qū)動力為:(3-2)RbF2所以： N)(21645.130N（3）實際驅(qū)動力:(3-3)21KF實 際因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工件的為94.05.1勻速取 時，則:0a12gaK)(345)(68.94.056NF實 際所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 345N。3.3 主要尺寸的確定（1） 氣缸工作壓力的確定買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985由液壓傳動與氣壓傳動表 3-1 取氣缸工作壓力 MPap4.0表 3-1 氣壓負載常用的工作壓力負載 F/N 50000工作壓力 p/MPa 57（2） 氣缸內(nèi)徑 和活塞桿直徑 的確定Dd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 ，1F活塞右行時活塞桿產(chǎn)生拉力 。2F(3-4)zFpD421(3-5)zdF)(22式中：- 活塞桿上的推力，N；1F-活塞桿的拉力，N ；2- 氣缸工作時的總阻力，N；z- 氣缸工作壓力，Pa；p-活塞直徑，m；D-活塞桿直徑，m；d氣缸工作時的總阻力 與眾多因素有關(guān)，如運動部件慣性力、背壓阻力、密封處zF摩擦力等。以上因素可以載荷率 的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力 和靜拉力1F，則在計入載荷率后：2F(3-6) 421pDF買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985(3-7)4)(22pdDF計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)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 ，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動5.03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 。85.07由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:(3-8)pFD14代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 p485.014.36.9()m查機械設(shè)計手冊圓整，得 D=40mm由 ,可得活塞桿直徑:3.02/Dd Dd12)3.2(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:(3-9)2/pDP式中：- 缸筒壁厚，mm；- 氣缸內(nèi)徑，mm；D- 氣缸試驗壓力，一般取 （Pa） ；pPpP5.1-氣缸工作壓力 （Pa） ；-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, =3MPa將己知數(shù)據(jù)代入式(3-9)，則壁厚為: 2/pDP)(4)103/(5.1065m買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985取 ，則缸筒外徑為: m414028()Dm（4）手部活塞桿行程長 L 計算活塞桿的位移量為：S (3-10)R5.6230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。(3-11)mL5.260.故查有關(guān)手冊圓整為 l27（5） 校核A. 活塞桿穩(wěn)定性的驗算：當活塞桿的長度 較小時 ， 可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑 有: L）（ d10 d(3-12)5.0)/4(F其中， ，MPa120N31則: 5.0)12/4(d9.所以滿足實際設(shè)計要求。B. 氣缸推力驗算： 421pDF= 85.01.0.362= )(47N）（5由以上計算可知氣壓缸能產(chǎn)生的推力 大于夾緊工件所需的推力F21。所以該氣缸滿足要求。NF345實 際（6）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（死容買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 為：Q(3-13)23()(/min)4snDd式中：-氣缸缸徑，m；D-活塞桿直徑，m；d-活塞行程，m；s-氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)；n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。(3-14)min/02.1.04.23407.13 322Q）（7）氣缸進排口的計算氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑 用下式計算：0d(3-15)(20mQd式中：-工作壓力下氣缸的耗氣量， ；Qs/3-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，一般取 ； s/150把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照 GB/T 1403893>選擇合適的氣口螺紋 7。故， md3.0（8） 手爪部分總質(zhì)量估算(3-16)零 件氣 缸手 爪 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 3/10mkgZL106 的密度為 2.73手爪部分總質(zhì)量約為 2.368kg1.90.24買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709853.4 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計（1） 缸筒和缸蓋的連接缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于 時，一定要校MPa1核螺栓強度，必要時增加螺栓數(shù)量，例如 6 根 8。查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用 4 根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于 ，故無須校核螺栓強度。MPa1（2）活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接 6。該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，應(yīng)用較多。（3） 密封氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。對密封元件的要求如下：A. 密封性好，耐磨損，使用壽命長。B. 穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。C. 摩擦力小。D. 密封件表面平整、光滑、無氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。E. 結(jié)構(gòu)簡單，成本低。O 型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡單，目前使用的范圍較廣。故采用 O 型密封圈。3.5 步進電機的計算與選型（1） 初選電機為 45BF3-3A,參數(shù)如表 3-2 所示 9。表 3-2 電機參數(shù)相電流 步距角 最大靜 轉(zhuǎn)矩 空載啟動頻率 空載運行頻率 轉(zhuǎn)動慣 量型號 相數(shù)A 度 N.m Hz Hz Kg.cm245BF3-3A 3 2 1.5 0.196 3000 27000 0.015（2） 計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為了使手部能夠進行 360 度旋轉(zhuǎn)，因此在手部一側(cè)裝上步進電機，初選步進電機型號為 45BF3-3A,查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 =0.015kg. ,mJ2c氣缸的轉(zhuǎn)動慣量 =0.65 kg. 。sJ2cm買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985= + =0.665 kg. (3-17)eqJms2c（3） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上能夠的等效負載轉(zhuǎn)矩 eqT分快速空載運動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 1eq由式 = 可知， 是快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩1eqTmax1eqT。max根據(jù)式 = ，考慮縱向鏈的總效率 ，計算快速空載啟動時折max260eqmeqaJnt算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：= * (3-19)maxT260eqmeqaJnt1對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速；mn步進電動機有靜止到加速至 轉(zhuǎn)速所需要的時間；at mn其中： max036v空載最快移動速度，為 2000r/min；ax步進電動機步矩叫角，為 1.5 度；脈沖當量， =0.025mm/脈沖。將以上各式帶入式 (3-20)max036vn算得 =333 。mn/ir設(shè)步進電動機由景致到加速至 轉(zhuǎn)速所需時間 =0.4s，傳動鏈總效率 =0.7；mat 則由式 = * (3-21)maxT260eqeqaJnt1求得 =8.28* ,因此 =8.28*ax31NeqT30N（4） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓減低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考eq買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985慮到安全系數(shù)。這里取安全系數(shù) K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4maxjT=3.3*eqT210Nm對于前面預(yù)選的 45BF3-3A 行步進電動機，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩 =0.196maxj，可見完全滿足式 4 的要求。 maxjTeq綜上所述，這里選用 45BF3-3A 步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。3.6 步進電機性能校核（1） 最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度 =2000mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率 =222Hz。查表的maxv maxf45BF3-3A 的極限運行頻率為 27000Hz，可見沒有超出范圍。（2） 啟動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總慣量 =0.665kg ，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量eqJ2cm=0.015kg ，查>表 4-3 可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何mJ2c負載時的最高空載啟動頻率 =27000Hz。則由式 可以求出步進電動機qf 1/qLemffJ克服慣性負載的啟動頻率為：=4010Hz。1/qLemffJ上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于4010Hz。實際上，在采用軟件升降時，啟動頻率選得很低，通常只有 100Hz（即 100脈沖/s ） 。綜上所述，這里橫向進給系統(tǒng)選用 45BF3-3A 步進電動機，可以滿足設(shè)計要求 10。3.7 小結(jié) 本章節(jié)對機械手手部進行了詳細的設(shè)計，包括夾持器的選擇、夾緊力的大小、手爪張開的角度、工件的定位精度、剛度強度校核、被抓取對象的考慮等設(shè)計，具體闡述了在此過程中機構(gòu)的詳細設(shè)計思路，進行了大量的夾緊力和外形尺寸的計算。還進行了步進電機的選型和校核。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709854 機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計4.1 機械手手臂的結(jié)構(gòu)通過安裝在末端上的步進電機以及連接軸帶動滾珠絲杠，從而實現(xiàn)末端執(zhí)行機構(gòu)的前后運動。機械手手臂的機構(gòu)圖如圖 4-1 所示。圖 4-1 機械手手臂4.2 機械手手臂電機的計算與選型（1） 初選電機為 90BYG2502，參數(shù)如表 4-1 所示 10。表 4-1 電機參數(shù)相電流 步距角 最大靜 轉(zhuǎn)矩 空載啟動頻率 空載運行頻率 轉(zhuǎn)動慣 量型號 相數(shù)A 度 N.m Hz Hz Kg.cm290BYG2502 2 4.0 0.9 6 1800 20000 4（2） 滾珠絲杠的選擇根據(jù)電機以及末端執(zhí)行機構(gòu)負載重量 W=1kg最大行程 Smax=200mm快速進給速度 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電機轉(zhuǎn)速 Nmax=600r/min買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985A. 設(shè)定螺距根據(jù)電機的最大轉(zhuǎn)速與快速進給速度 max601VLNB. 計算基本動態(tài)額定負載各動作模式下的軸向負載的計算a. 加速時，加速度 32max10.67/Vst軸向負載 =3.5NWgPAb. 勻速時軸向負載 NB8.0c. 減速時軸向負載 gPc9.1表 4-1 各動作模式 1 次循環(huán)所需的時間（s ）動作模式 A B C 共需時間所需時間 0.3s 1.4s 0.3s 2s表 4-2 螺距為 10 的負載條件動作模式 A B C軸向負載（N） 3.5 0.8 1.9轉(zhuǎn) 速 300 600 300所需時間比例 15% 70% 15%根據(jù)表 4-2 負載條件計算軸向品均負載 Pm 與平均轉(zhuǎn)速 Nm(4-5)(32mNPCAmin/510rttNCBA計算所需基本動態(tài)額定負載 C根據(jù)預(yù)期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命（預(yù)計夾緊 1s 上下運動 5s）h7502130h）（L將運行系數(shù) 帶入公式中得2.1wf買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985 NfPNLCwmh410631）（因此選擇 FL2004 絲杠C. 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 PkL=最大行程+螺母長度+ 余量+ 末端尺寸=280mm下面就屈曲載荷進行討論，設(shè)負載作用點間距： 120lm2k197nEIPNl式中：開始引起壓曲的負載；kP： 負載作用點間距；1lE： 楊氏模量；I： 絲杠軸最小慣性矩；46dn： 由絲杠的支撐方法決定的系數(shù)單推單推 n=1雙推簡支 n=2(選用)雙推雙推 n=4雙推自由 n=0.25k489.5PN式中：屈曲載荷；k： 安全系數(shù)（0.5） ；說明容許軸向負載充分滿足使用條件由于電機速度比較慢，肯定安全 ，需校核危險速度D. 最終選型結(jié)果：適合的滾珠絲杠的形式為：FL2004（3） 校核驅(qū)動電機A. 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985a. 電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 mJ=4kg.mJ2cb. 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 的折算SJc. 手臂轉(zhuǎn)動慣量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量 可按下式GJ進行計算： MLJG2)(式中， 為絲杠導(dǎo)程（ cm） ； 為工作臺質(zhì)量（kg ） 。所以：22 24()1.63.GJ kgcmd. 中間軸轉(zhuǎn)動慣量 的折算zJ)(98.122z cKgDMe. 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量 )(4822ll cmgJf. 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量 計算 2z41.980261.78mSGJJ kgcmB. 驗算矩頻特性步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從附件中查得axjM。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為：max6jM mqmaxjMaxjq查得 0.707。所以，0.764.2m步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：220.468jDkgcm買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985 0MKfaKq式中： 為空載啟動力矩（N .cm） ；KqM為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速ka力矩（N .cm） ；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N .cm） ； Kf有關(guān) 的各項力矩值計算如下：qMa. 加速力矩 360102maxa 2maxpbKvntnJM式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；J為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；maxnt 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；axv為初選步進電機的步距角；b為脈沖當量。p min/603025.9.136maxa rvnpb2 2ax.47813.760KaMJ ct b. 空載摩擦力矩 2LMkf見機電綜合設(shè)計指導(dǎo)公式（2-34）P35式中： 為運動部件的總重量；M為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為傳動系數(shù)總效率，取 0.9；買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。L 249.8013.923.4kfMcmc. 附加摩擦力矩 2001LFYJ式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取 0.9。YJF002013754.9184.2.Mcm所以，步進電機所需空載啟動力矩： 0.68.5KqaKf初選電機型號應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即 mqK從上式可知電機初步滿足要求。C. 啟動矩頻特性校核步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。