機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)設(shè)計（論文）-拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書題目：拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計作者：學(xué)號：系(院)：機(jī)械工程系專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)者：評閱者：

畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要拾取軸類零件機(jī)械手的設(shè)計摘要：本文簡要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)型式，氣動技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。通過對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計了利用氣壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)機(jī)械手夾持的手部結(jié)構(gòu)并選擇了一種較好的夾持方案；通過對手腕、手臂轉(zhuǎn)動所需的驅(qū)動力矩的計算設(shè)計了機(jī)械手腕、手臂的結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了利用步進(jìn)電動機(jī)對手腕手臂的控制。利用可編程序控制器對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設(shè)計了機(jī)械手的步進(jìn)電動機(jī)控制電路圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手氣動可編程序控制器

畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要TheDesignofMechanicalHandPickingupAccessoriesLikeAxesAbstract:Thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobot,thecompositionandclassificationofthemechanicalhand,thefreedomandcoordinatesofthemechanicalhand,thecharacteristicsofthepneumatictechnologyandPLC,andthedevelopmentinhomeandabroad.Inthispaper,authordiscussedtheoverallprojectforthedesignofmechanicalhand,anddeterminedthecoordinatesofpatterns,freedomandtechnicalparametersofthemechanicalhand.Atthesametime,usedthepneumaticdrivesystemtorealizetheholdingstructureofthemechanicalhandandselectedabetterprojecttoholdaccessories.Throughthecalculationstodrivemomentneededbythewristsandarmrotation,designedthestructureofthewristsandarmandrealizedthecontroltothewristsandarmbyelectricmotors.AuthoralsousedprogrammablecontrollertocontrolmechanicalhandandselectedasuitablePLCmodels.Basedonmechanicalhandworkflow,developedPLCprojectanddrawnacontrolcircuitdiagramofelectricmotorsforthemechanicalhand,anddevelopedaprogramforthePLC.Keywords:industrialrobot;mechanicalhand;pneumaticdrive;PLC.目錄1引言（或緒論）……………11.1國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢………………………11.2課題的提出及主要任務(wù)………………………22制定設(shè)計方案………………42.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度………………42.2機(jī)械手的驅(qū)動設(shè)計方案……………………42.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案………………………52.4手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案……………………62.5手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案……………………62.6機(jī)械手的控制設(shè)計方案…………………62.7機(jī)械手的主要參數(shù)……………………73手部結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………83.1設(shè)計時考慮的幾個問題…………………83.2手部夾緊氣缸的設(shè)計……………………84手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計………………194.1執(zhí)行元件的選擇……………………194.2軸的設(shè)計………………214.3軸承的選用……………224.4銷、螺栓的選用……………235手臂升降運(yùn)動設(shè)計……………………245.1滾珠絲杠的選擇……………………245.2步進(jìn)電動機(jī)的選擇…………………285.3軸承的選用…………296手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動設(shè)計…………………306.1步進(jìn)電動機(jī)的選擇……………………306.2減速器的選擇……………………317機(jī)械手的PLC控制設(shè)計…………………327.1可編程控制器的選擇及其工作過程……………………327.2機(jī)械手可編程控制器的控制方案……………………327.3步進(jìn)電動機(jī)的環(huán)形分配器…………337.4步進(jìn)電動機(jī)的單片機(jī)控制…………33結(jié)論………………36致謝…………………37參考文獻(xiàn)………………38淮海工學(xué)院二○○六屆畢業(yè)設(shè)計（論文）第頁1引言現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)形式上與人臂和遙控機(jī)械手相似，控制原理則是基于數(shù)控（NC）和遙控的概念。因此，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人可以看成是“數(shù)控操作臂”，其中操作人員直接操作的主臂由計算機(jī)數(shù)控裝置所代替。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多科學(xué)而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的長期進(jìn)化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。機(jī)械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(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”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動效率；可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。1.1國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展趨勢1.1.1國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展趨勢近年來，國外的工業(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)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。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)、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造的機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。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，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)性、易操作性和可維修性。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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(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)境中的感覺來操縱機(jī)器人。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動系統(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)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.1.2國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展趨勢我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品：機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此，迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(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)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(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。1.2課題的提出及主要任務(wù)1.2.1課題的提出隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題?，F(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點(diǎn)：（1）液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動平穩(wěn)性及正確性。（2）工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運(yùn)動特性變化。（3）因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。（4）為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高；且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器；介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題。（2）阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較?。ㄒ话銉H為油路的千分之一），空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。（3）動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。（4）能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。（5）工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。（6）成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不少疑慮。1.2.2課題的主要任務(wù)：本課題將要完成的主要任務(wù)如下：（1）選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度；（2）設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計；（3）氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計。本課題將設(shè)計出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計；（4）機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計。本機(jī)械手采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序。2制定設(shè)計方案對于搬運(yùn)物體類的機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾——放并且能搬運(yùn)物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設(shè)計的機(jī)械手是通用拾取軸類零件的機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可以用于操作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手是對軸類零件的搬運(yùn)，因此它需具有升降、回轉(zhuǎn)的自由度。圖1機(jī)械手運(yùn)動示意圖2.2機(jī)械手的驅(qū)動設(shè)計方案在普通的機(jī)械運(yùn)動中，機(jī)械的驅(qū)動一般有氣壓傳動、液壓傳動、電機(jī)傳動等。油壓執(zhí)行器具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：（1）構(gòu)造簡單，可靠性高。（2）體積小，可獲得部較高的推力和轉(zhuǎn)矩。（3）比較易控制。缺點(diǎn)有：（1）漏油污染。（2）噪聲。（3）低速不穩(wěn)定。（4）必須對工作油的清潔度進(jìn)行管理。氣壓執(zhí)行器由于空氣構(gòu)成的工作流體具有壓縮性，所以在負(fù)荷作用下速度容易變動難以確定精確位置。但不會發(fā)生漏油那樣環(huán)境也不必?fù)?dān)心火災(zāi)發(fā)生，另外，由于空氣黏性小，易安裝管道，維護(hù)簡單，且空氣是慣性小的壓縮性流體。當(dāng)迅速的使其流動停止時不會造成壓力波動，因此比較安全，不必安裝過負(fù)荷防止裝置。步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機(jī)繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)制角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機(jī)繞組的通電順序，電動機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)交、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）步進(jìn)電動機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動、電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要在它們的大小未引起步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；（2）步進(jìn)電動機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)積累誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累計誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累；（3）控制性能好，在起動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟步”。因此，步進(jìn)電動機(jī)被廣泛的應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。作為搬運(yùn)機(jī)械手，它需要在抓取工件的過程中精確的定位，在搬運(yùn)到另一個地方是也必須準(zhǔn)確，因此機(jī)械手手臂的轉(zhuǎn)動和手腕的轉(zhuǎn)動用步進(jìn)電動機(jī)來控制，這樣可以避免了用氣壓傳動帶來的不準(zhǔn)確性或用液壓傳動帶來的漏油而導(dǎo)致環(huán)境污染問題。對于手部的抓取，可以用氣壓傳動來實現(xiàn)。手臂的提升這幾種傳動的方法都可以，但為了避免漏油帶來的污染，液壓傳動的方法暫不做考慮，而用氣壓傳動則不能很好的控制其提升高度的精確性，因此選擇步進(jìn)電動機(jī)。2.3手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（手抓）和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜契杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等等。夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手指式；按手指夾持工件的部位又可以分為內(nèi)卡式（或內(nèi)漲式）和外夾持式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可以分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)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(dāng)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。幾種機(jī)械手指夾持設(shè)計方案如下圖2所示圖2機(jī)械手的夾持方案對于圖2中幾種夾持方案的評價：由于本課題手部夾持的動力源選用的是氣壓傳動，利用氣壓缸的伸縮來實現(xiàn)對工件的夾持，而方案（7）是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實現(xiàn)對工件的夾持。顯然（7）方案不適合。其中方案（6）是對重軸類零件的夾持機(jī)構(gòu)，而本課題所設(shè)計的機(jī)械手需要夾持的工件重量小于等于50公斤，沒有必要使用此種夾持方案。由于設(shè)計的是利用氣壓缸的伸縮來實現(xiàn)對工件的夾持，因此方案（5）比較適合，它能承受氣缸的伸縮帶來的一定的沖擊，但是此方案對工件夾持的范圍過小，因此將其作為備選而不做第一選擇。同樣對于方案（1）（2）（3）（4）（9）雖然可以實現(xiàn)夾持的工件范圍比較大，但是卻需要?dú)飧椎拇蠓秶纳炜s才能實現(xiàn)，這樣會使整個機(jī)械手的體積變大，而所需設(shè)計的機(jī)械手是用于生產(chǎn)線，這就要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較緊湊。因此選用方案8最為合適，并且為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)更好的夾持，采用雙夾持的結(jié)構(gòu)，用兩個獨(dú)立的氣缸來控制，以便更好的適應(yīng)軸的各種形狀如光軸、階梯軸等等。2.4手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。2.5手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案按照抓取——搬運(yùn)工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實現(xiàn)的，手臂的各種運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動來實現(xiàn)。2.6機(jī)械手的控制設(shè)計方案考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.7機(jī)械手的主要參數(shù)2.7.1主要參數(shù)機(jī)械手的最大抓取重量是其規(guī)格的主參數(shù)，該機(jī)械手主參數(shù)定為50公斤。2.7.2基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂及手腕的回轉(zhuǎn)速度和手臂的提升速度。該機(jī)械手手臂提升的平均速度設(shè)計為0.01m/s，平均回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。機(jī)械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度－行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機(jī)械手手臂的工作半徑約為1500mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為。手臂升降行程定為1500mm定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為—。2.7.3機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表（1）用途：拾取軸類零件的機(jī)械手。（2）設(shè)計技術(shù)參數(shù)：eq\o\ac(○,1)抓重：50公斤；eq\o\ac(○,2)自由度：3個自由度；eq\o\ac(○,3)坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)；eq\o\ac(○,4)最大工作半徑：；eq\o\ac(○,5)手臂最大中心高：eq\o\ac(○,6)手臂運(yùn)動參數(shù)：升降行程；升降速度；回轉(zhuǎn)范圍；回轉(zhuǎn)速度；eq\o\ac(○,7)手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍；回轉(zhuǎn)速度；eq\o\ac(○,8)手指夾持范圍；eq\o\ac(○,9)定位方式機(jī)械擋塊；eq\o\ac(○,10)定位精度；eq\o\ac(○,11)驅(qū)動方式手指部分：氣壓傳動；手腕及手臂等部分：均用步進(jìn)電動機(jī)；eq\o\ac(○,12)控制方式采用PLC的點(diǎn)位程序控制。eq\o\ac(○,13)機(jī)械手使用壽命：50000小時。3手部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1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。（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(jìn)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(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)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。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。（4）具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)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(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，應(yīng)當(dāng)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(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)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，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.2手部夾緊氣缸的設(shè)計3.2.1手部驅(qū)動力的計算根據(jù)以上提出的問題及參數(shù)對手部的各零件進(jìn)行設(shè)計計算。本課題氣動機(jī)械手的手部示意結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。圖3齒輪齒條式手部由于夾持的工件重量小于等于50公斤。根據(jù)以上給出的所夾持工件的直徑范圍為。但又因為采用的是用兩個獨(dú)立氣缸的雙夾持機(jī)構(gòu)則每個機(jī)械手夾持的重量為25公斤。對于相同重量的工件軸徑越大其所需夾持的力也越大。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，且假定夾持的工件時手指的夾持點(diǎn)與軸心線的連線和水平線的夾角為。根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為：（3－1）其中：——驅(qū)動力——夾緊力——手指軸心到工件軸心的垂直方向的距離（如圖3所示）——齒輪半徑初步假設(shè)手指軸心到工件軸心的距離為，取，手指軸心到齒條中心的距離為。則（3－2）根據(jù)手指夾持工件的方位，根據(jù)力學(xué)的受力分析可得握力計算公式：（3－3）由此根據(jù)（3－1）可得驅(qū)動力：實際驅(qū)動力：（3－4）因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取安全系數(shù)為。故由（3－4）得，實際驅(qū)動力為因此，夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為2260.3N。由于機(jī)械手的能夾持的最大的直徑為，而夾持后的，故直齒的長度為略大于，因此初步選取氣缸伸長長度為60mm。3.2.2氣缸的選擇根據(jù)以上得出的驅(qū)動力查詢手冊選取氣壓缸，其型號為：LGA3250G-FA-Y-FC；得主要技術(shù)參數(shù)如下表1：表1選取氣缸的相關(guān)數(shù)據(jù)缸徑/行程/工作壓力范圍/耐壓力/使用速度范圍使用溫度范圍/工作介質(zhì)給油32600.049—0.981.4750—70-25—80空氣、干燥空氣無3.2.3電磁換向閥的選擇為了實現(xiàn)用PLC對氣壓缸的運(yùn)動進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，則需要一個電磁換向閥對輸入氣壓缸的氣體進(jìn)出方向進(jìn)行控制。根據(jù)上述的氣壓缸的工作壓強(qiáng)，采用ＸＱ系列的雙電控兩位五通的電磁換向閥。此電磁換向閥的型號為：XQ250841—220v/50Hz其主要的技術(shù)參數(shù)如下表2：表2電磁換向閥主要技術(shù)參數(shù)通徑／接口螺紋工作壓力/切換時間／工作電壓消耗功率環(huán)境溫度／耐久性８Ｇ0.15—1.015220v/50Hz6V.A5—50400萬次3.2.4齒輪齒條的設(shè)計計算事實上在齒輪齒條的嚙合傳動中，真正進(jìn)行嚙合傳動的只是齒輪的一部分，即可以看成是扇形齒輪，但在下面的計算過程中，為了計算的方便將其看作整個齒輪來做。3.2.4.1選定齒輪的類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）安圖1所式的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪齒條傳動。（2）用7級精度。（3）材料選擇。由[12]表10-1選擇齒輪齒條材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS。（4）初步選取齒輪的齒數(shù)為30齒。3.2.4.2安齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計由[12]設(shè)計計算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即（3－5）（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值eq\o\ac(○,1)試選載荷系數(shù)；eq\o\ac(○,2)計算齒輪傳遞的力矩；（3－6）eq\o\ac(○,3)由[12]表10-7選取齒寬系數(shù)；eq\o\ac(○,4)由[12]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)；eq\o\ac(○,5)由[12]圖10-21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；齒條的接觸疲勞強(qiáng)度極限。eq\o\ac(○,6)由[12]式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由氣缸的使用速度范圍，取氣缸的速度為，根據(jù)以上的假設(shè)，可以得到齒輪的轉(zhuǎn)速為：（3－7）而且使用壽命為，由此可以得出應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：（3－8）eq\o\ac(○,7)由[12]圖10-19查得解除疲勞壽命系數(shù)；eq\o\ac(○,8)計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由[12]式（10-12）得（3－9）（3－10）（2）計算eq\o\ac(○,1)試算齒輪分度圓直徑，根據(jù)（3－5）式代入中較小的值圓整取eq\o\ac(○,2)圓周速度由氣缸的使用速度范圍，取氣缸的速度為。eq\o\ac(○,3)計算齒寬（3－11）eq\o\ac(○,4)計算齒寬于齒高之比模數(shù)（3－12）齒高（3－13）齒寬于齒高之比eq\o\ac(○,5)計算載荷系數(shù)根據(jù)，７級精度，由[12]圖10-8查得動載系數(shù)直齒輪，假設(shè)。由[12]表10-3查得；由[12]表10-2查得使用系數(shù)由[12]表10-4查得7級精度、齒輪相對支承對稱布置時，（3－14）將數(shù)據(jù)代入后得由，查[12]圖10-13得；故載荷系數(shù)（3－15）eq\o\ac(○,6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由[12]式（10-10a）得（3－16）eq\o\ac(○,7)由式（3－12）計算模數(shù)m3.2.4.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計計算由[12]式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為（3－17）（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值eq\o\ac(○,1)由[12]圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；齒條的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；eq\o\ac(○,2)由[12]圖10-18查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)；齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù)；eq\o\ac(○,3)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由[12]式（10-12）得齒輪：（3－18）齒條：（3－19）eq\o\ac(○,4)計算載荷系數(shù)（3－20）eq\o\ac(○,5)查取齒形系數(shù)由[12]表10-5查得齒輪的齒形系數(shù)；齒條的齒形系數(shù)；eq\o\ac(○,6)查取應(yīng)力校正系數(shù)由[12]表10-5可查得齒輪的應(yīng)力校正系數(shù)；齒條的應(yīng)力校正系數(shù)；eq\o\ac(○,7)計算齒輪、齒條的并加以比較齒輪：齒條：（2）根據(jù)（3－17）設(shè)計計算得對比計算結(jié)果由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.03mm圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2.5mm。由此可以得出齒數(shù)為：（3－21）取35個齒。3.2.4.4幾何尺寸計算（1）中心距：由假設(shè)可知中心距（2）計算分度圓直徑齒輪：齒條：根據(jù)中心距可知，齒條中心到分度圓的距離為（3）計算齒輪寬度由式（3－11）得（4）齒高由式（3－13）得3.2.4.5驗算（3－22）結(jié)果合適。3.2.4.6齒條的齒數(shù)由于氣缸的伸長為，則齒數(shù)為：（3－23）取齒條的齒數(shù)為7個齒。3.2.5軸承的選用（1）受力分析根據(jù)機(jī)械手手指的受力情況可知：軸承盡受徑向力而不受軸向力，由此可以只考慮只受徑向力的軸承。為了使軸擁有更好的支撐能力即由于軸承選擇的不同，可影響到軸徑的大小。考慮到這個問題，可選用軸承相對較薄的滾針軸承。根據(jù)機(jī)械手手指傳動方式（如圖1），可以得出軸承的受力情況：（2）初步計算當(dāng)量動載荷P，根據(jù)[12]式（13-8a）（3－24）根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊[4]滾針軸承?。桓鶕?jù)機(jī)械設(shè)計手冊[4]對于滾針軸承由此可得當(dāng)量動載荷P：（3）根據(jù)[12]式（13-6），求軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值（3－25）（4）按照軸承樣本或設(shè)計手冊[4]選擇的NA6906軸承。此軸承的基本額定靜載荷。（5）壽命的計算（3－26）所以所選用的軸承合適。3.2.6軸的設(shè)計計算由圖4可以看出，此軸是非轉(zhuǎn)動軸，根據(jù)其用途和安裝位置，可以看出其軸盡受到徑向力，不受軸向力，扭轉(zhuǎn)力矩等一些其它的力。因此為了能安全使用，只需找到軸的應(yīng)力最大處，看它是否滿足，若滿足則說明設(shè)計的軸可以使用反之則說明不能使用需要重新設(shè)計。（1）初步確定軸的最小直徑選取軸的材料45鋼調(diào)質(zhì)處理，軸的最小軸徑顯然是在安裝軸承處軸（如圖4）為了使所選的軸的直徑與軸承的孔徑相適應(yīng)根據(jù)以上所選的軸承，選取安裝軸承處的軸徑為。圖4軸的裝配方案（2）軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計eq\o\ac(○,1)擬訂軸上的裝配方案，如圖4所示；eq\o\ac(○,2)根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；段：根據(jù)選取的軸承長度為安裝手指的寬度為又由于在軸承的頂端有擋圈及在套筒的端部有一個卡環(huán)，因此選用的長度需大于初步選取。段：2-3段的設(shè)計是為了夾持工件的穩(wěn)定而設(shè)計的，否則用單獨(dú)的一對手指來搬運(yùn)工件時雖然可以實現(xiàn)但此相當(dāng)不穩(wěn)定，會造成擺動，是整個機(jī)械手系統(tǒng)不穩(wěn)定。故間的跨距大一些對系統(tǒng)的穩(wěn)定有益，但也不能過大，否則過大使，對短粗的工件不能夾持。因此初步選擇。段：由于與段是對稱的關(guān)系，故選取。eq\o\ac(○,3)確定軸上的倒角尺寸軸各處的倒角均取為：。（3）求軸上的載荷如圖3所示，可以看出軸上所受的力為齒輪齒條傳動中產(chǎn)生的力即齒輪所受的徑向力，周向力。首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖（圖4）作出軸的計算簡圖（圖5）。其受力情況如圖5所示：圖5軸的計算簡圖根據(jù)軸的計算簡圖得出：eq\o\ac(○,1)水平方向的支反力：由于齒輪受到的周向力為：則可知齒輪所受到的徑向力為：由此可得：eq\o\ac(○,2)垂直方向的支反力：由于；則可得：從而可以計算出支反力為：根據(jù)軸的受力簡圖，做出彎矩圖，計算彎矩水平方向的彎矩圖如圖6所示：圖6水平方向的彎矩圖eq\o\ac(○,3)水平方向的彎矩為：垂直方向的彎矩圖如圖7所示：eq\o\ac(○,4)垂直方向的彎矩為：eq\o\ac(○,5)則合成的總彎矩為：圖7垂直方向的彎矩圖eq\o\ac(○,6)彎應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度由軸的軸徑的大小可得：（3－27）（3－28）前面已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由[12]表15-1查得，因此。故，安全使用。3.2.7手部螺栓的設(shè)計計算固定氣缸用的螺栓根據(jù)氣缸上的用來固定的孔大小選用標(biāo)準(zhǔn)件。校核：由氣缸的固定方式可以看出氣缸上的螺栓僅受軸向的拉力。因此，（3－29）由[12]表5-4可以查得45鋼的螺紋連接件的疲勞極限為：250~340MPa。故，選用的螺釘適用。3.2.8墊圈的選用如圖4所示在與滾針軸承接觸的套筒是套在軸承上的，但又靠在手指上而手指與軸是相對轉(zhuǎn)動的，考慮到套筒與手指間會有摩擦，故為了減少這種摩擦造成的磨損，在套筒上增加一個耐磨的墊圈，根據(jù)各種耐摩擦的材料的特性，加油的方式等各種因素，選擇粉末冶金做成的墊圈，其材料呈多孔海綿狀，在溫度的油中浸漬后，潤滑油貯存在軸承中材料的孔隙中。工作時，由于抽吸作用和摩擦生熱后油膨脹作用，潤滑油自動分泌出來進(jìn)行潤滑。不工作時，油又冷卻而被吸回內(nèi)部。該種軸承可在長期工作中無須添加潤滑劑，維護(hù)十分簡單，但是由于材料質(zhì)地疏松而耐壓強(qiáng)度較低。適用于低速、輕栽。故對于此處的墊圈用此材料十分適合。4手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計在生產(chǎn)線上由于不同種類的工件放置的方式有所不同，因此為了能更好的能適應(yīng)，手腕部分采用步進(jìn)電動機(jī)來控制要轉(zhuǎn)動的角度。被控對象由電動機(jī)驅(qū)動，因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)和被控對象的需要相匹配，如冗余量大、易使執(zhí)行元件價格貴，使機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場競爭力下降；在使用時，冗余部分用戶用不上，易造成浪費(fèi)。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達(dá)不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對象的需要相應(yīng)的執(zhí)行元件。4.1執(zhí)行元件的選擇4.1.1系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配（1）求等效轉(zhuǎn)動慣量。該系統(tǒng)運(yùn)動部件的動能總和為：（4－1）設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為：（4－2）由于，故（4－3）用工程上常用單位時，可將上式改寫為：（4－4）式中：——執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速（r/min）。因為步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與軸及工件的轉(zhuǎn)速是項等的，故由式（4－3）計算后得機(jī)械手抓重后其轉(zhuǎn)動慣量為：（2）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)上述系統(tǒng)在時間內(nèi)克服負(fù)載所作的功的總和為：（4－5）同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間內(nèi)的轉(zhuǎn)角為：（4－6）則執(zhí)行元件所作的功為：（4－7）由于，故（4－8）采用工程上常用單位時，可將上式改寫為：（4－9）同理，因為步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與軸及工件的轉(zhuǎn)速是項等的，且機(jī)械手抓重后其所受到的負(fù)載為軸承的摩擦力，故經(jīng)計算后得等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：（3）設(shè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效慣性轉(zhuǎn)矩為，則電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：（4－10）考慮到機(jī)械的總的傳動效率時，則因為軸所承受的等效慣性轉(zhuǎn)矩為：（4－11）所以根據(jù)的出的轉(zhuǎn)矩，初步選擇步進(jìn)電動機(jī)為：110BF004反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。其最大的轉(zhuǎn)矩為。當(dāng)采用三相六拍的通電方式，為保證帶負(fù)載能正常起動和定位停止，電動機(jī)的起動和制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足下列要求：查表3.7可知，，。因為，故可選用。4.1.2系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率從上述可知，在計算等效負(fù)載力矩和等效負(fù)載慣量時，需要知道電動機(jī)的某些參數(shù)。在選擇電動機(jī)時，常先進(jìn)行預(yù)選，然后再進(jìn)行必要的驗算。預(yù)選電動機(jī)的估算功率（單位w）可由下式確定（4－12）式中：——電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（r/min）;——電動機(jī)的最高加速度（rad/s）——考慮電動機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般取，對于小功率伺服系統(tǒng)可達(dá)2.5。根據(jù)以上結(jié)果帶入公式可得：4.2軸的設(shè)計根據(jù)這軸的用途，可知此軸為傳動軸，其受到的力為拉應(yīng)力和扭矩。4.2.1初步確定軸的最小直徑選取軸的材料45鋼調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)[12]表15-3，取，此轉(zhuǎn)動軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑。取聯(lián)軸器處的直徑為。4.2.2軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）擬訂軸上的裝配方案，如圖8所示；（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；段：由于段是與聯(lián)軸器相連接，因此由上一步可知。其中由于此軸是傳動軸，故在段上開一個銷軸孔，利用銷軸來傳遞。令，從銷軸空中心到2的距離為20mm。段：此段是用來使段與安裝軸承段的3-4段過渡段，因此設(shè)計為，其長度的設(shè)計是為了手腕轉(zhuǎn)動的方便，因為此段太短會使手腕轉(zhuǎn)動時碰到氣缸，故此段的長度必須大于氣缸的長度，取。段：此段用于安裝軸承，初步選擇軸承。因軸承僅受到軸向力，故選用推力軸承。參照工作要求并根據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取基本游隙、標(biāo)準(zhǔn)精度等級的軸承51405。4-5段：此段為軸肩有手冊上查得51405軸肩處的直徑為47mm。因此，取。5-6段：此段為過渡段。取。6-7段：此段與段相似均用于與聯(lián)軸器相連接，但此段是用鍵來連接傳遞運(yùn)動，故取。4.3軸承的選用（1）受力分析當(dāng)機(jī)械手的抓取重物后，其軸承僅受到軸向力。軸向力為：（2）初步選擇軸承51405當(dāng)量動載荷P為：當(dāng)量靜載荷為：因為，故：，則：（4－12）由機(jī)械手冊[4]可查得；故；因此當(dāng)量靜載荷符合要求。則由式（3－25）可得軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值：根據(jù)機(jī)械手冊[4]可查得；故；因此當(dāng)量動載荷符合要求。（3）.壽命的計算由式（3－26）可得所以所選用的軸承合適。4.4銷、螺栓的選用銷的選用手部——手腕的連接是通過半聯(lián)軸器聯(lián)接起來的。其中，手腕用銷釘與半聯(lián)軸器聯(lián)接，而手部是用螺栓與半聯(lián)軸器聯(lián)接。如下圖8所示：圖9手部——手腕的連接根據(jù)手腕軸的直徑，初步選取銷軸：GB882-86銷軸的校核，由圖9可以知道此銷軸受到的力為徑向的剪應(yīng)力，因為手部抓重最大為50公斤，加上手部的重量，其總的受力為。則銷軸受到的剪應(yīng)力為：（4－12）根據(jù)[12]表15-1可知：故此銷軸合適。螺栓的選用如圖9可知，此半聯(lián)軸器上的螺栓僅受到軸向的拉力，因此，由式（3－29）可得由[12]表5-4可以查得45鋼的螺紋連接件的疲勞極限為：250~340MPa。故，選用的螺釘適用。5手臂升降運(yùn)動設(shè)計5.1滾珠絲杠的選擇手臂的提升、下降通過螺旋傳動來實現(xiàn)。主要是利用步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而完成機(jī)械手的提升、下降動作，其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖10所示。圖10手臂的提升、下降結(jié)構(gòu)簡圖圖11滾珠絲杠由圖10可看出，絲杠受到的負(fù)載為機(jī)械手臂對和絲杠間相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的摩擦力及其對絲杠在豎直方向內(nèi)的壓應(yīng)力。（1）根據(jù)假設(shè)，手臂的提升速度為100mm/s，則初步選擇滾珠絲杠：滾珠內(nèi)循環(huán)，墊片式的調(diào)整方法（如圖11），右旋，負(fù)載鋼球圈數(shù)為6圈，7級精度。初步選擇滾珠絲杠的公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm（2）根據(jù)其負(fù)載，計算得出：則，平均載荷為：（5－1）由于導(dǎo)軌為矩形導(dǎo)軌，因此，取摩擦系數(shù)為：則，滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算：（5－2）其中：L——為工作壽命，單位為，，為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）?！獮檫\(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有沖擊振動取1.5~2.5；——為滾珠絲杠工作載荷（Ｎ）．由給出的參數(shù)可知：，；則最大動載荷為：根據(jù)初選滾珠絲杠的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷；則故，初選的滾珠絲杠動載荷滿足使用要求。（3）剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。eq\o\ac(○,1)絲杠的拉壓變形量滾珠絲杠應(yīng)計算滿載時拉壓變形量（5－3）式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（）；為絲杠工作載荷（）；為滾珠絲杠在支撐間的受力長度（）；為材料彈性模量，對鋼；為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的額面積（）；其中“+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。根據(jù)以上得到的數(shù)據(jù)；；eq\o\ac(○,2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長度無關(guān)，可從工廠的產(chǎn)品樣本中查出，或用下式計算無預(yù)緊時（5－4）有預(yù)緊時（5－5）式中：為滾珠直徑（）為滾珠總數(shù)量；為一圈的滾珠數(shù)，（外循環(huán)），(內(nèi)循環(huán))；為滾珠絲杠的公稱直徑（）；為預(yù)緊力（）；為滾珠絲杠工作載荷（）。當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且有預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右。根據(jù)初選的絲杠的尺寸可知：；；；令預(yù)緊力；則eq\o\ac(○,3)滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度的一半?；蛘?，由絲杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠副。根據(jù)機(jī)械工程手冊由絲杠精度等級可查得，在規(guī)定長度上允許的螺距誤差為：；——有效行程的平均行程偏差；——為有效行程內(nèi)的形成變動量。絲杠的總變形量：由此可知；。故，此絲杠適用。eq\o\ac(○,4)壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為（5－6）式中：為材料彈性模量，對鋼；為截面慣性矩，對絲杠圓截面；為絲杠最大工作長度（）；為絲杠支撐方式系數(shù)，如下表：表3絲杠支撐方式系數(shù)方式一端固定一端自由一端固定一端簡支兩端固定兩端簡支0.252.04.01.0臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，即，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：（5－7）一般取，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取。由以上的數(shù)據(jù)可得：；??；則取，則故，絲杠穩(wěn)定。因此初選的滾珠絲杠滿足所有要求，合適。5.2步進(jìn)電動機(jī)的選擇根據(jù)以上選定的滾珠絲杠可以通過查表知其參數(shù)：導(dǎo)程；又知手臂提升的速度為100；則可以算出絲杠的轉(zhuǎn)速為：（1）求等效轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)手腕部分等效慣量的求法，由式（4－4）可得起抓起工件后其等效慣量為：由于與電動機(jī)相連接的部分是絲杠，而絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：（5－8）故等效轉(zhuǎn)動慣量為：（2）由式（4－9）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由于電動機(jī)與絲杠之間無減速器，直接相連的，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足。由于絲杠受到的摩擦系數(shù)為；則摩擦力為：由此可得：（3）由式（4－10）得電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)式（4－11）得等效慣性轉(zhuǎn)矩為考慮到機(jī)械的總的傳動效率時，則根據(jù)的出的轉(zhuǎn)矩，初步選擇步進(jìn)電動機(jī)為：75BF003。其最大的靜轉(zhuǎn)矩為。為保證帶負(fù)載能正常起動和定位停止，電動機(jī)的起動和制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足下列要求：查[1]表3.7可知，，。因為，故可選用。5.3軸承的選用（1）受力分析如圖10所示可以看出在絲杠上、下端的軸承，在空載時盡受到軸向的壓力，當(dāng)機(jī)械手提升重物時重物對絲杠產(chǎn)生一定的彎矩使得上下軸承受到徑向力。因此，選用圓錐磙子軸承來抵消其徑向力和軸向力。當(dāng)機(jī)械手的抓取重物后，手臂處于最下端時，其下端軸承受到的徑向力和軸向力均達(dá)到最大。軸向力為：徑向力為：其中：——為上端軸承受到的徑向力；——為下端軸承受到的徑向力；由此可得：（2）初步選擇軸承32006根據(jù)所選的軸承型號，查找其技術(shù)參數(shù)可知：；則當(dāng)量動載荷P為：當(dāng)量靜載荷為：因為，故：，則：由機(jī)械手冊[4]可查得；因為固定的一端為兩個軸承，；因此當(dāng)量靜載荷符合要求。則軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值：根據(jù)機(jī)械手冊[4]可查得；故；因此當(dāng)量動載荷符合要求。（3）壽命的計算由式（3－26）得所以所選用的軸承合適。6手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動設(shè)計6.1步進(jìn)電動機(jī)的選擇6.1.1系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配（1）求等效轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)手腕部分等效慣量的求法，由式（4－4）可得起抓起工件后其等效慣量為：由于手臂部分為矩形，因此手臂部分的轉(zhuǎn)動慣量為：（6－1）故等效轉(zhuǎn)動慣量為：（2）根據(jù)式（4－9）求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因為機(jī)械手抓重后其所受到的負(fù)載為軸承的摩擦力，故經(jīng)計算后得等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：（3）根據(jù)式（4－10）求電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：考慮到機(jī)械的總的傳動效率時，則由式（4－11）求等效慣性轉(zhuǎn)矩，得所以根據(jù)的出的轉(zhuǎn)矩，初步選擇步進(jìn)電動機(jī)為：130BF001反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。其最大的靜轉(zhuǎn)矩為。當(dāng)采用三相六拍的通電方式，為保證帶負(fù)載能正常起動和定位停止，電動機(jī)的起動和制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足下列要求：查表3.7可知，，。因為，故可選用。其技術(shù)參數(shù)如下表4。表4電動機(jī)技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角電壓電流最大經(jīng)轉(zhuǎn)矩最高空載啟動頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量線圈電阻分配方式130BF001５1.580/12109.31300016.060.163五相五拍6.1.2系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率預(yù)選電動機(jī)的估算功率（單位w）可由（4－12）式確定式中：——電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（r/min）;——電動機(jī)的最高加速度（rad/s）——考慮電動機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般取，對于小功率伺服系統(tǒng)可達(dá)2.5。根據(jù)以上結(jié)果帶入公式可得：6.2減速器的選用根據(jù)以上的計算可知所選的減速器的轉(zhuǎn)矩必須大于；其功率必須大于；故，根據(jù)減速器的手冊查得：初步選定的減速器為HZYL16-31.5-S。由減速器的手冊[4]查得此減速器的技術(shù)參數(shù)為：表5減速器技術(shù)參數(shù)公稱傳動比i輸入輸出機(jī)型號公稱轉(zhuǎn)矩輸入功率31.575023.81616663.7根據(jù)選定的減速器和電動機(jī)可求得機(jī)械手臂的實際轉(zhuǎn)速：經(jīng)過減速器后其機(jī)械手臂的實際轉(zhuǎn)速為：23.8。7機(jī)械手的PLC控制設(shè)計考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)項控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。7.1可編程序控制器的選擇及工作過程7.1.1可編程序控制器的選擇目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的Ｆ系列PC、德國西門子公司的SIMATICS5系列PC、日本OMRON（立石）公司的C型、P型PC等等?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。7.1.2可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問時針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/O狀態(tài)表。該標(biāo)是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器；存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/O狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點(diǎn)的狀態(tài)再I/O狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/O狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/O狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。這個階段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/O狀態(tài)表中的輸出狀態(tài)暫存器中，此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。7.2機(jī)械手可編程序控制器控制方案7.2.1系統(tǒng)簡介控制對象為圓柱坐標(biāo)氣動機(jī)械手。它的手臂具有三個自由度，即豎直方向的上、下；繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置——機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上抓、放功能是采用氣動方式驅(qū)動，即用二位五通電磁閥（每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作）來控制完成機(jī)械手的抓、放動作。其余的動作則均有步進(jìn)電動機(jī)來完成。這樣，可用PLC得2個輸出端與電磁閥的2個線圈相連，另外步進(jìn)電動機(jī)通過功率放大電路和光電隔離電路連接到PLC上，通過編程，對電磁閥線圈進(jìn)行激勵從而使機(jī)械手進(jìn)行抓、放工作，使各個步進(jìn)電動機(jī)按照預(yù)先安排的動作序列工作。如果欲改變機(jī)械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。7.2.2工業(yè)機(jī)械手的工作流程此機(jī)械手用于搬運(yùn)軸類的零件。（1）當(dāng)按下機(jī)械手啟動按鈕之后，機(jī)械手有如下動作：（2）先轉(zhuǎn)到工件所在的位置（給電機(jī)3一定的脈沖數(shù)）；（3）手腕轉(zhuǎn)動到與工件軸線同向的方向上（給電機(jī)1一定的脈沖數(shù)）；（4）手臂下降至能夾持到工件的位置（給電機(jī)2一定的脈沖數(shù)）；（5）手抓抓緊（1DT通電）；（6）手臂提升到所需的位置（給電機(jī)2一定的脈沖數(shù)）；（7）手臂轉(zhuǎn)過一定的角度（給電機(jī)3一定的脈沖數(shù)）；（8）手臂下降至所需放置工件的位置（給電機(jī)2一定的脈沖數(shù)