畢業(yè)論文（設(shè)計）搬運機械手

1、誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo) 下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中 列岀。本人簽名:畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：搬運機械手設(shè)計系部： 機械工程系 專業(yè):機械設(shè)計制造及自動化 學(xué)號:112011316學(xué)生：指導(dǎo)教師（含職稱人（講師）1.設(shè)計（論文）的主要任務(wù)及目標1）介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明自由度和機械手整體座標的形式。2）對機械手分別進行齒輪傳動的設(shè)計和軸的設(shè)計。3）在確定動力的情況下通過計算分析，選擇滿足使用功率的步進電機。2 設(shè)計的基本要求和內(nèi)容1）了解機械產(chǎn)品的設(shè)計方法。2）完成搬運機械手的設(shè)計。3）完成相應(yīng)的工程圖。

2、4）撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標點 符號；格式符合機械工程系學(xué)位論文格式的統(tǒng)一要求。3. 主要參考文獻1 張軍,封志輝多工步搬運機械手的設(shè)計j機械設(shè)計,2004:56-12&2 李明單臂回轉(zhuǎn)機械手設(shè)計j制造技術(shù)與機床,2004:108-252.3 張展機械設(shè)計通用手冊m機械工業(yè)出版社，2008:202-30&4 聞邦椿機械設(shè)計手冊m機械工業(yè)出版社,2010:82-186.4. 進度安排設(shè)計（論文）各階段名稱起止日期1查閱文獻，了解研究目的意義，完成開題報告2014.12.01 至 2014.12.312了解搬運機械手的結(jié)構(gòu)形式2015.0

3、1.01 至 2015.03.103完成搬運機械手設(shè)計2015.03.11 至 2015.04.304完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計說明書等整體設(shè)計2015.05.01 至 2015.05.155撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，準備答辯2015.05.16 至 2015.06.10搬運機械手摘 要：本設(shè)計簡要介紹了搬運機械手的一些基本概念，介紹了搬運機械手各機械模 塊系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)設(shè)訃，以及搬運機械手目前在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并 對機械手的控制做了簡單的介紹。同時，本設(shè)計對搬運搬運機械手各部分組成進行了 結(jié)構(gòu)設(shè)計和相應(yīng)的設(shè)計計算，結(jié)合機械手在實際生產(chǎn)中的作用，系統(tǒng)的設(shè)計和介紹了 機械手在工作中的動作過程，

4、確定出了機械手所采用的坐標形式和自由度的個數(shù)，并 u給出了機械手的部分技術(shù)參數(shù)。本設(shè)計著重對搬運機械手的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)做了詳 細的分析計算，在搬運機械手的控制部分只簡單的對plc的工作原理和過程進行了闡 述，并對搬運機械手進行了 plc梯形圖程序的編寫。關(guān)鍵詞：搬運機械手，三自由度，圓柱坐標conveying manipulatorabstract:the design introduces some basic concepts of conveying manipulator, describes the composition and structure of the mechanica

5、l system of the conveying manipulator design, as well as the manipulator for handling the current status and development prospects of both at home and abroad, and robot control is introduced. meanwhile, the design for handling robot consists of various parts of the structure and corresponding design

6、, combined with the robots role in the actual production system design and introduction of the robot in action in the work process, determine the coordinates and the number of degrees of freedom manipulator and manipulator of some technical parameters are given. the design focuses on conveying manip

7、ulator structure and drive system to do a detailed analysis, in transporting manipulator control simply work on plc theory and processes are described, and the plc ladder program of the conveying manipulator. keywords: conveying manipulator, three degrees of freedom, the cylindrical coordinates目錄1 緒

8、論11.1搬運機械手的現(xiàn)狀及應(yīng)用11.2搬運機械手的組成及分類22搬運機械手的總體設(shè)計要求及手部的設(shè)計52.1設(shè)計的總體要求52.2手部的設(shè)計原理及要求62.3手部的設(shè)計計算與校核73手臂的分析與設(shè)計133.1對手臂設(shè)計的基本要求133.2手臂機構(gòu)的選擇與設(shè)計143.2.1手臂直線伸縮運動的驅(qū)動力分析與計算143. 2.2液壓缸工作壓力與結(jié)構(gòu)的確定164機身的分析與設(shè)計194. 1腰部和基座的設(shè)計194. 1. 1結(jié)構(gòu)設(shè)計194. 1.2步進電機的選取 204. 1.3軸承的選取244.2 機械傳動裝置的選取 254. 2. 1滾珠絲杠的選擇254.2.2 諧波齒輪的選擇274. 2.3軸的設(shè)

9、計和聯(lián)軸器的選擇285搬運機械手控制系統(tǒng)的概述 305. 1 plc的組成和工作原理305.2機械手plc梯形圖326 結(jié)論34參考文獻35致謝36ill1緒論1.1搬運機械手的現(xiàn)狀及應(yīng)用工業(yè)機械手是最近幾十年迅速發(fā)展起來的一種高科技裝備。它具有通過計算機編 程來完成各種預(yù)期動作的特點，尤其體現(xiàn)在仿照人手的智能化和適應(yīng)性方面。并且機 械手在準確性、效率、適用性等方面有著巨大的提升空間。搬運機械手在現(xiàn)代化的機 械生產(chǎn)過程中作為一種新興的自動化機械裝置，被廣泛的運用到了流水生產(chǎn)線上，機 械手的更新?lián)Q代和制造已經(jīng)在許多高科技鄰域里占有一席之地，是一門發(fā)展?jié)摿薮?的機械工程技術(shù)，它的快速發(fā)展的促進了

10、機械生產(chǎn)制造領(lǐng)域的發(fā)展進程，機械手使自 動化和機械化兩者充分的結(jié)合，大大的提高了生產(chǎn)制造的效率。雖然機械手目前還不 能實現(xiàn)非常靈活的工作，但它可以長時間的工作和勞動，不會疲勞，不怕危險，同吋 抓舉工件的力氣也比人的力氣大很多，所以，機械手目前已得到了許多部門的青睞， 并在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到了越來越廣泛地應(yīng)用。機械手的主要特點（1）對環(huán)境的適應(yīng)性非常強，能夠代替人類在危險、高溫， 高壓的環(huán)境中工作。（2）機械手長吋間工作、不會疲勞，可以代替人從事繁重單調(diào)的 勞動。（3）機械手的工作和重復(fù)定位能力比較強，比較精確，所以可以穩(wěn)定和提高 產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。（4）機械手通用性比較強，靈活性也不錯

11、，能在 生產(chǎn)制造的過程中很好的適應(yīng)不同產(chǎn)品類型的不斷變化，從而滿足柔性生產(chǎn)的需求。5）采用機械手可以明顯的提高工廠的生產(chǎn)效率，減少了工廠使用的勞動力，大大降低 了勞動成本。目前，國外已經(jīng)研發(fā)出了有觸覺和視覺功能的機械手。第二代機械手也即將問世。 它們都通過微型電子計算機來實現(xiàn)控制。國外所研制的機械手都安裝了傳感器，通過 傳感器能把外界感應(yīng)到的信號準確的反饋到控制系統(tǒng)，使機械手具有感覺的能力。目 前，國外也已經(jīng)出現(xiàn)了第三代的自動化機械手，它能自行地完成工作中遇到的各種任 務(wù)，同時它還與電子計算機設(shè)備有著著密切的聯(lián)系，并且在不斷的完善中，使其逐漸 發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（fms）和柔性制造單元（fm

12、c）中重要的一環(huán)。目前工業(yè)上對 零部件的精度要求越來越高并u不再要求機械手能適應(yīng)各種各樣的工作環(huán)境，所以對 機械手的性能也就隨之提高。特別是搬運機械手，它對整個系統(tǒng)的集中控制起了十分 重要的作用。在重工業(yè)方面例如鋼鐵、制鋁，等高溫而又危險等重體力行業(yè)中，就要求實現(xiàn)自 動化。為了提高人身安全以及對工作效率的保證，更重要的是對于高重量，件數(shù)少， 速度慢和人工不能勝任的地方更要要機械手的幫助。在輕工業(yè)方面機械手主要是用于運輸大批量的工件，這種行業(yè)的特點是，體積小， 件數(shù)多，在這種加工生產(chǎn)線，自動線上人力會疲勞而機械手可以一直工作下去，它在 加工廠里面也有很大的應(yīng)用，例如上下料。進一步在程序控制，自動

13、化反饋等方面已 經(jīng)成為一個重要分支。所以在生產(chǎn)自動化的進程中，機械手在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用, 大大地改善了工人的勞動環(huán)境，顯著的提高了工廠的勞動生產(chǎn)率，大大的推進了現(xiàn)代 工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的進程。1.2搬運機械手的組成及分類機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成和實現(xiàn)過 程如下圖：（1）執(zhí)行機構(gòu)（如圖1.1所示）貳驅(qū)動部分z圖1.1執(zhí)行機構(gòu)圖 乎部手臂的前端裝著手部。轉(zhuǎn)動軸安裝在手臂內(nèi)部，通過驅(qū)動裝置把動力傳給手腕， 從而實現(xiàn)手部的各種動作。根據(jù)被夾持工件的外形和大小，通常機械手的手部會有不 同型號和尺寸的夾持器，從而滿足不同情況下的動作。 手臂手臂

14、有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂z分。手臂作為手部和基座的連接與傳動的部件，通常將動力傳到手部，使手部完成抓 取工件的動作，并將工件放到預(yù)先設(shè)定的位置。工業(yè)上的搬運機械手的支撐桿一般是 由驅(qū)動手臂運動的部件與動力源（如液壓、氣壓或電機等）相組裝，用來完成機械手手 臂的各種各樣的復(fù)雜動作。在第三章會對它進行詳細的參數(shù)計算，以保證它能支撐旋 轉(zhuǎn)式機械手要抓取的工件所受的重量，不會因工件重量過大而折斷。本課題所設(shè)計搬運機械手，手臂能完成上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和前伸、后退三 個方向上的運動，且都通過行程開關(guān)來控制來滿足定位的需求。（2）驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置主要有氣動裝置、液壓裝置、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動裝置四種。其屮液壓

15、 和氣動裝置使用的最多，電動、機械驅(qū)動較復(fù)雜，所以用的較少。液壓裝置由油缸、油泵、油箱和閥門等裝置組成。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是出力大、體 積小，能實現(xiàn)無級變速和自鎖，可以停止在任意的位置。缺點是需要配備壓力源，系 統(tǒng)復(fù)雜成本比較高。氣壓驅(qū)動由氣壓馬達、氣壓缸、氣閥等裝置組成。它的優(yōu)點是集氣簡單，所需費 用少。缺點是發(fā)出的動力較小，只有兩種位置的動作，不能在中間位置停止，而且產(chǎn) 生的噪音較大，裝置維護難度較大。本課題設(shè)計的機械手，主要通過液壓裝置來實現(xiàn)手臂的伸縮和夾緊、放松；通過 絲杠螺母來實現(xiàn)手臂的上升和下降，通過步進電機來實現(xiàn)手臂向左、向右方向的旋轉(zhuǎn)。（3）控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)主要是由到達位置、

16、工作順序、動作時間和加速度等要素構(gòu)成的。 機械手控制系統(tǒng)通常采用數(shù)字順序控制。目前，機械手一般分為三種：第一種是不需要手動操作的通用機械手。第二種是 需要手動才能操作的，稱為操作機。第三種是用專用機械手。在國外，主要是搞第一 類通用機械手，國外稱為機器人。本設(shè)計的機械手屬于第三類機械手。2搬運機械手的總體設(shè)計要求及手部的設(shè)計2.1設(shè)計的總體要求設(shè)計通用圓柱坐標系機械手及簡介控制原理。設(shè)計中的搬運機械手每個方向的動 作由電機和液壓缸進行驅(qū)動，并通過行程開關(guān)來控制，技術(shù)指標如下：抓取重量：30n"100n自由度（三個自由度）如下表2. 1表2.1自由度動作符號行程范圍速度伸縮x400小于

17、 200mm/s升降z300小于60mm/s回轉(zhuǎn)0120°小于90° /s手指夾持范圍：棒料，直徑50"60mm,長度6080mm定位精度：±3mm控制方式：plc-1圖2. 1為機械手的整體示意圖，1x;:11圖2.1為機械手的整體示意圖2.2手部的設(shè)計原理及要求對手部設(shè)計的要求：(1) 有適當?shù)膴A緊力和自鎖能力在進行工作的時候，機械手的手部應(yīng)該具有適當?shù)膴A緊力，從而能夠更好的夾緊 被加工工件，并且保證不會損壞到棒料的已加工表面。為防止出現(xiàn)棒料的掉落和意外 事故的發(fā)生，手部夾持裝置應(yīng)該有自鎖功能。(2) 手部應(yīng)該力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小機械手腕部的

18、最前邊是手部，在工作時，手部有不同的運動狀態(tài)，所以它的結(jié)構(gòu)、 體積和重量會直接影響到整個機械手的工作狀況、定位精度以及運動速度等特性。因 此，所設(shè)計機械手的手部，應(yīng)該有較輕的重量，較小的體積和簡單的結(jié)構(gòu)。(3) 手部需要有足夠的開閉范圍對于機械手手部來說，它需要有足夠的開閉范圍抓取物體。因此，手指開閉的范 圍要求與工件的尺寸和形狀，手指的形狀和尺寸等許多因素有關(guān)，一般而言，在工作 環(huán)境的許可下，開閉的范圍大一些較好，如圖2. 2所示。圖2. 2機械手夾持機構(gòu)原理圖2.3手部的設(shè)計計算與校核(1) 對夾持裝置的基本結(jié)構(gòu)作受力分析設(shè)計手部主要是根據(jù)手部加在工件上的夾緊力，對于其夾緊力的方向、大小和

19、作 用位置都必須進行詳細的分析、計算。一般而言，加緊力必須克服工件自身的重力所 產(chǎn)生的靜載荷(慣性力或慣性力矩)以使工件處在穩(wěn)定的加緊狀態(tài)。圖2. 3夾持裝置的手部結(jié)構(gòu)及受力分析1一一手指，2一一銷軸，3一一杠桿通過杠桿3的作用，銷軸2產(chǎn)生向上的拉力為f,同時經(jīng)過銷軸的中心0點，兩 手指1的滑槽對銷軸所產(chǎn)生的反作用力分別為錯誤味找到引用源。和錯誤!未找到引 用源。，其力的方向垂直于滑槽的中心線錯誤!未找到引用源。與錯誤!未找到引用源。 并指向錯誤!未找到引用源。點，交錯誤!未找到引用源。和錯誤!未找到引用源。的 延長線于a和bo由錯誤!未找到引用源。二0,得錯誤!未找到引用源。二錯誤!未找到引

20、用源。；由錯誤!未找到引用源。二0,得錯誤!未找到引用源。二錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。二-錯誤!未找到引用源。由錯誤!未找到引用源。，得錯誤!未找到引用源。二錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。h二錯誤!未找到引用源。，則錯誤沬找到引用源。二2b錯誤!未找到引用源。（式 2. 1）其中，a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離;錯誤!未找到引用源。一一夾緊工件時手指滑槽的方向與兩個冋轉(zhuǎn)支點之 間的夾角。綜上所述可知，當驅(qū)動力f的數(shù)值一定，a角增大時，所需的握緊力錯誤!未找 到引用源。也隨之增大，但是a角如果過大，則會導(dǎo)致拉桿行程太大，以及手部的 結(jié)構(gòu)增大，故，最好錯誤!未找到引用源。

21、為錯誤!未找到引用源。.貝ij,手指對工件的夾緊力的計算公式為：錯誤!未找到引用源。g,（式2. 2）式中，錯誤!未找到引用源。一一安全系數(shù)，通常取1. 2-2.0；錯誤!未找到引用源。一一工作情況系數(shù)，主要是為了考慮到慣性力的影響，可近 似的估計為，錯誤!未找到引用源。二1+b/%（式 2.3）其中，a為重力方向的最大加速度；滬錯誤!未找到引用源。，錯誤!未找到引用源。一一運載時工件最大的上升速度；i 系統(tǒng)達到最高速度所用的時間，通常取0. 03-0. 5s；錯誤!未找到引用源。一一方位系數(shù)，通過工件位置與手指的不同來選?。籫被抓取工件所受的重力（n）。（2）液壓缸的選取表2. 2液壓缸的工

22、作壓力活塞上所受的外液壓缸的工作壓活塞上所受的外液壓缸的工作壓力 f (n)力mpa力 f (x)力mpa小于50000.8200003.050001.5300004.0100002. 550000以上5.0設(shè)a=50mm, b= 100mm,錯誤!未找到引用源。；機械手的響應(yīng)時間t為0.5s,則 取錯誤!未找到引用源。=1.5,錯誤!未找到引用源。1+b/a二 1+0. 1/ （0.5x9.8） =1.02錯誤!未找到引用源。=0.5錯誤!未找到引用源。將已知條件帶入：得，錯誤！未找到引用源。=1. 5x 1. 02x0. 5x 588nm49. 8 根據(jù)驅(qū)動力公式得：錯誤!未找到引用源。二

23、2x100x （錯誤!未找到引用源。/50二1378n 取 n 二0.85,錯誤!未找到引用源。二錯誤!未找到引用源。/ n =1378/0. 85=1621n 確定液壓缸的直徑d選取活塞桿直徑d=0. 5d,選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0. 8-1 mpa,則錯誤!未找到引用源。（式2.4）查機械設(shè)計手冊得，選取液壓缸內(nèi)徑為：d=63n）m,則活塞桿內(nèi)徑為：d二63錯誤!未找到引用源。0. 5=31. 5mm,取整，選d=32mm0（3）手爪夾持范圍計算為了能夠使手爪能張開的角度達到錯誤!未找到引用源。，活塞桿伸縮的長度達到 36mm,手指的長度達到90mm,如下圖2. 4所示,當手指閉合時

24、，通過機構(gòu)的所處狀態(tài)設(shè)計岀它的最小夾持半徑錯誤!未找到引用 源。二40,當張角達到錯誤!未找到引用源。時，最大夾持半徑錯誤!未找到引用源。 可取80mm o所以機械手的夾持半徑為4080mm。圖2. 4手爪張開示意圖（4）機械手手爪夾持精度的分析機械手的精度設(shè)計要求對工件要能準確定位u精度較高，有較小的重復(fù)定位誤差 和良好的運動穩(wěn)定性，并u有足夠的抓取能力。機械手能否準確的夾持工件以及能否把工件放到指定的位置，不僅僅是取決于機 械手的定位精度，同時也與機械手夾持誤差的大小有關(guān)。尤其是在不同的品種或小批 量的生產(chǎn)中，為了能夠保證對不同工件的抓取，必須要對機械手的夾持誤差進行分析。本設(shè)計針對棒料型

25、工件來對搬運機械手的夾持誤差精度進行分析，機械手設(shè)定的 夾持范圍為4080mm,且一般的夾持誤差上下浮動不超過2価。分析過程如下：所夾持工件的平均半徑為：錯誤!未找到引用源。二（50+80） /2=65mm,手指的長度1二60nini,設(shè)v型夾角錯誤!未找到引用源。，偏轉(zhuǎn)角錯誤!未找到引用 源。按照最佳的偏轉(zhuǎn)角來確定：經(jīng)查閱機械設(shè)計手冊并計算得錯誤!未找到引用源。，當錯誤!未找到引用源。時帶入得，錯誤!未找到引用源。（式2.5）故，夾持誤差滿足設(shè)計要求。3手臂的分析與設(shè)計手臂是介于手部和機身之間的部分。它的主要作用是支撐手部和所夾持工件并使 它們完成指定的動作。手臂的動作應(yīng)該包括3個方面的運動

26、：升降、伸縮和旋轉(zhuǎn)。通 常手臂的升降和冋轉(zhuǎn)運動設(shè)計在機身處，所以手臂伸縮運動的介紹是本章的重點。手臂運動的作用主要是：把手部所夾持的工件移動到預(yù)先指定的位置上，手臂的 每個運動都要依靠各種驅(qū)動裝置來提供動力，通過分析手臂的受力情況，可知它在工 作中所受到的載荷和自身的動作較復(fù)雜。所以，在設(shè)計機械手臂吋，必須考慮它的機 械結(jié)構(gòu)、工作范圍和工作環(huán)境等情況。3.1對手臂設(shè)計的基本要求（1）手臂應(yīng)承載能力大、自重輕、剛度好 根據(jù)受力的情況，合理的選擇輪廓尺寸和截面形狀； 合理布置作用力的方向與位置； 提高支撐剛度和合理選擇各支撐點的位置； 提高配合的精度； 合理簡化結(jié)構(gòu)。（2）手臂的運動速度要高，但慣

27、性要小機械手手臂的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它能夠反映出一個機械手的工 作能力。對運動速度較快的機械手來說，其最大的運動速度應(yīng)在10001600mm/s,最 大的冋轉(zhuǎn)角度應(yīng)在錯誤！未找到引用源。/s內(nèi)，大部分手臂的平均移動速度為 1000mm/s,平均的冋轉(zhuǎn)角速度為錯誤!未找到引用源。/s。當機械手的冋轉(zhuǎn)速度與移 動速度確定時，最簡單，最可行的辦法就是，在保證強度的情況下，采用輕質(zhì)材料從 而減輕自身的重量。所以，設(shè)計出的機械手手臂要盡可能的輕。其中，減小慣量的三 個途徑分別為： 在保證手臂強度的條件下使用輕質(zhì)材料，從而減輕運動件的自身重量； 減小機械手臂運動件的輪廓尺寸； 較小冋轉(zhuǎn)的半徑

28、錯誤!未找到引用源。，在設(shè)計機械手的運動順序是要先收縮再 旋轉(zhuǎn)，盡可能的在減小前伸量的情況下進行冋轉(zhuǎn)動作。 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)置緩沖裝置。（3）手臂的動作應(yīng)該簡單靈活用滾動摩擦來替代滑動摩擦，從而減小運動吋手臂所受到的阻力。對于懸臂式機 械手上的各個零部件應(yīng)該合理分布，使機械手的重量均勻分配，從而減少對升降支撐 軸線上的偏心力矩，保證機械手的運動平穩(wěn)性，尤其是要避免在運動過程中發(fā)生卡死。 所以，必須通過計算，使其不能自鎖。3.2手臂機構(gòu)的選擇與設(shè)計（1）手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有： 雙導(dǎo)桿的手臂伸縮機構(gòu)； 雙活塞桿液壓缸的機構(gòu)； 活塞桿和齒輪齒條的結(jié)構(gòu)。（2）手臂運動機構(gòu)的選擇通過分析和

29、充分的考慮，該機械手手臂選用雙導(dǎo)桿伸縮的結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動裝 置，液壓缸選擇雙作用液壓缸。3. 2.1手臂直線伸縮運動的驅(qū)動力分析與計算先進行簡單的類比和估算，根據(jù)運動的參數(shù)對有關(guān)機構(gòu)的尺寸進行的確定，然后 進行校核計算，修正計算，得出最終的結(jié)構(gòu)。在伸縮運動時，雙作用液壓缸的驅(qū)動力主要是用來克服運動中所受到摩擦力、慣 性力等幾其它的阻力，則雙作用液壓缸所需的驅(qū)動力應(yīng)該為：錯誤!未找到引用源。（式3.1）（1）手臂摩擦力的分析與計算每種機械結(jié)構(gòu)和每種導(dǎo)向橫截面的形狀，它們所受的摩擦力是各不相同的，所以 要依據(jù)具體的情況估計一個值，圖3. 1是機械手手臂的受力示意圖。圖3.1是機械手手僭的受力示意

30、圖因為結(jié)構(gòu)分配比較對稱,所以兩個導(dǎo)向桿受到的作用力近似相等，故先計算一個桿上的受力，錯誤!未找到引用源。（式3.（式 3.2）錯誤!未找到引用源。3）錯誤!未找到引用源。（式3.4）得,錯誤!未找到引用源。（式 3.5）得,錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。錯誤!未找到引用源。（式 3.6）錯誤!未找到引用源。（式 3.7）故，錯誤!未找到引用源。式中，錯誤!未找到引用源。一一參與運動的機構(gòu)所受的總重力（n）l所有機械結(jié)構(gòu)和手臂總重量的重心與導(dǎo)向支撐的最前端之間的距離（m）： a導(dǎo)向支撐的長度5）;錯誤!未找到引用源。一一當量摩擦系數(shù)，其大小與支撐的橫截面積有關(guān)。導(dǎo)向桿選取鋼為材料，導(dǎo)向

31、的支撐部件選取鋁型材錯誤!未找到引用源。=0. 19x 1.5=0. 285,錯誤!未找到引用源。二 1050n, l=l. 56-0. 25=1. 31m,導(dǎo)向支撐 a 的選取為0. 18m,將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入計算得，錯誤!未找到引用源。 手臂慣性力的計算該設(shè)計要求手臂平動v=5m/min,貝ij,在計算慣性力時，設(shè)置啟動時間錯誤!未找到引用源。啟動速度錯誤!未找到引用源。二v二0.083m/s,錯誤!未找到引用源。（式3. 8）錯誤!未找到引用源。二45.5n 密封裝置的摩擦阻力每一種密封圈所受到的摩擦力都不一樣，在設(shè)計手臂時，我們選取了 0型密封圈, 當雙作用液壓缸的工作壓力錯誤!未找到引用

32、源。lompa時，液壓缸上密封圈處所受到 的摩擦力近似為：錯誤!未找到引用源。=0. 03fo經(jīng)過上述分析計算后，最終得出液壓缸所需要的驅(qū)動力為：f二0.03f錯誤!未找到引用源。二6210n（式3. 9）3. 2.2液壓缸工作壓力與結(jié)構(gòu)的確定通過上述分析，最終得出液壓缸所需要的驅(qū)動力f二6180n,通過查詢機械設(shè)計手冊后，選取雙作用液壓缸的工作壓力為：p=2mpao（1）確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：圖3. 2為雙作用液壓缸的示意圖，pl a一 bp圖3. 2雙作用液壓缸的示意圖當油進入無桿腔時,錯誤!未找到引用源。/4,（式 3. 10）當油進入有桿腔時,錯誤!未找到引用源。,（式 3. 11）則

33、，液壓缸的有效面積為:s二f/錯誤味找到引用源。,（式3. 12）故有,（式 3. 13）錯誤!未找到引用源。（無桿腔）（式 3. 14）錯誤!未找到引用源。（有桿腔）由f二62107,錯誤!未找到引用源。二2錯誤!未找到引用源。pa,選擇的機械效率 為錯誤!未找到引用源。二0.95,將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入后得：錯誤!未找到引用源。（式3.15）根據(jù)機械設(shè)計手冊中標準液壓缸內(nèi)徑系列表，選擇d=80mnio（2）液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配及其他方面的因素，考慮到液壓缸的壁厚在7. 5mm,所以，該液壓缸的外徑為77mm。（3）活塞桿的計算與校核活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的強度要求，對于桿長l為直徑d的15

34、倍及以上 的活塞桿還應(yīng)該有足夠的穩(wěn)定性。按照直桿拉、壓強度計算：錯誤!未找到引用源。（式3.16）即，錯誤!未找到引用源。（式3.17）本設(shè)計中的活塞桿選取材料為鋼，故錯誤!未找到引用源。二loompa,經(jīng)初步 計算,取d=18mm, l= 1360mm,由于l錯誤!未找到引用源。15d,則需校核其穩(wěn)定性。穩(wěn)定的性條件是錯誤!未找到引用源。，式中錯誤味找到引用源。為臨界力；錯誤!未找到引用源。為安全系數(shù)，一般取 24o其中錯誤!未找到引用源。，式中，e是活塞桿的彈性模量，一般取錯誤!未找到引用源。mpa； s是活塞桿的 橫截面積；錯誤!未找到引用源。是活塞桿的柔度系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，取85

35、。故可計算得錯誤!未找到引用源。，則錯誤!未找到引用源。所以，活塞桿有足夠的穩(wěn)定性！4機身的分析與設(shè)計4.1腰部和基座的設(shè)計4.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計通過安裝在支座上的步進電機和諧波齒輪直接驅(qū)動帶動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械 手的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上 下移動。在絲杠的兩邊裝有兩根導(dǎo)向軸，既保證了機械手手臂能夠隨機座一起轉(zhuǎn)動， 又能保證實現(xiàn)平穩(wěn)的升降運動。導(dǎo)向軸選用鋼材，從而在減小重量的同時節(jié)省成本， 其設(shè)計結(jié)構(gòu)如下圖2-10o4)a1一一底座，2一步進電機，3一一齒輪，4一一基座5一支架，6一一滾珠絲杠，7一一導(dǎo)向柱，8一一聯(lián)軸器圖4. 1腰部和基座結(jié)構(gòu)圖

36、1底座，2步進電機，3圓錐滾子軸承，4帶，5外殼6行程開關(guān)，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪圖4. 2環(huán)形軸承的機器人機座4. 1.2步進電機的選取步進電機是一種將電脈沖信號變換成為相應(yīng)的角位移或者制線位移的機電執(zhí)行元件。在正常使用的情況下，每當輸入一個電脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，前進一步。沒輸入一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動一個步距角，因此，這種電動機就稱為步進電動機。乂因為它輸入的既不是正弦交流電，也不是恒定的直流電，而是電脈沖信號,所以被叫做脈沖電動機。步進電機的轉(zhuǎn)速、角位移與脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)成正比,負載變化對它沒有影響，步進電機按照脈沖信號轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度被稱為“步距角”也被叫做步距，步進

37、電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的角度是固定不變的，它的大小與繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電方式有關(guān)系。目前我國步進進電機步劇角為0.36到90給幾個脈沖信號走相應(yīng)的角度。因此人們通常是通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移角度，進而達到目的的準確定位；同吋控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度也可以通過控制脈沖頻率來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)調(diào)速。步進電機是一種感應(yīng)電機，它有單相輪流通電、雙向輪流通電和單雙向輪流通電 等方式。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍?！皢巍笔侵该看吻袚Q前后只有一 組繞組通電；“雙”是指每次有兩相繞組通電。步進電機是動力源，是機電一體化很 重要的部件，在各種自動化控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代化電子元器件的微小

38、化 和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的經(jīng)濟領(lǐng)域應(yīng)用 都非常廣。搬運機械手在升降和旋轉(zhuǎn)方向的運動均由步進電機提供動力，為了有根據(jù)的選取 合適的步進電機作為動力源，對不同的驅(qū)動方式進行詳細的對比，通過對比，可以得 出，用步進電機作為動力源有許多的有點。如方便進行控制，定位比較精確，可通過 編程進行重復(fù)動作等，接下來就開始選擇步進電機的型號。初步選擇的電機為bf反應(yīng)式步進電機，型號為：90bf001o下表4. 2為它的一些 詳細的參數(shù)：表4. 2電機參數(shù)表步進的 電機 型號電 機 相 數(shù)電機的 步距角 / (° )電 壓 /v最大靜轉(zhuǎn)矩 /n m(kgf cm)

39、最高 的空 載啟 動頻 率/hz正常 工作 頻率 /hz轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動 慣量10'5k g-m2分配方式質(zhì)量/kg90bf00140.9803. 922000800017. 64四相八拍4.5(1)傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算每個傳動的就夠都折算到步進電機軸上所得的總轉(zhuǎn)動慣量，就是傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。 電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量丿d的折算查表得出，=1.764 kg cm2 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量幾的折算jl 二理#-（kg/c加2）（式 4. 1）其中：d是圓柱體的直徑（cm） , al。是圓柱的質(zhì)量（陸），l是圓柱體的長度。 對于鋼材，材料密度為7.8xlo-3.cm3）,把數(shù)據(jù)代入上式得：a a 2jl

40、 = = 2.99（kgc赤）8 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量人的折算查表可知，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為0. 94錯誤!未找到引用源o-cm7m,又因為滾珠 絲杠的長度l=380mm,所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量為js=0. 94x0. 38=0. 357錯誤!未找到 引用源o*cm2； 手臂轉(zhuǎn)動慣量兒的折算因為工作臺是可以移動的，所有它的移動使的慣量必須折算到滾珠絲杠的軸上，則其折算后的轉(zhuǎn)動慣量兒可按下式進行計算：（式4. 2）2龍其中，厶）是滾珠絲杠的導(dǎo)程（cm）； m是工作臺的質(zhì)量（kg）。所以：'0.8 、2x34丿x71 = 1.15kg -cm2 系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量厶計算厶二兒 + 人 +丿s +厶

41、=1764+ 2.99 + 0.39 + 1.15 = 6.29452（2）驗算矩頻特性步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩m；max就是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，查表得， m.max =3.92n-mo步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩m/max的關(guān)系為： 他廠血用（式4. 3）查表得,2=0. 707o 所以，mmq = 0.707x3.92 = 2.77n-m所以步進電機所需要的空載啟動力矩的計算如下：mg 二 m血 + m& + m°（式 4.4）式中：必心是空載時的啟動力矩（ncm）； m肋為空載啟動時運動機構(gòu)從靜止提 速到最大快進速度，折算到步進電機軸上的加速力矩（ncm）； my為空載

42、時折算到 電機軸上的摩擦力矩（ncm）；有關(guān)m切的各項力矩值計算如下： 加速力矩mkaji2如環(huán)60rx 10-2（式 4.5）max二_ 叭360（式 4.6）孑祁乞=5000 x 0. 9叭 360 - 0.01 x 360=1250r / min（式 4.7）ka6.294x2x34xl25060x0.2-x10"2=41.17n -cm 空載摩擦力矩（式 4.8）其中：取 =08=0-55n cm71 x9.8x 0.005 x 0.82x3.14x0.8x1 附加摩擦力矩（式 4.9）其中：（）是未預(yù)緊吋滾珠絲杠傳動的效率，故取“0=0.96?！?14.337x0.8 仁

43、cc小 ,m（）=x（l 0.96） = 1.428n cm2x3.14x0.8x1 '7所以，步進電機所需空載啟動力矩：mk（ =mk（i+mkf +m0 =41.17 + 0.550 +1.428 = 43.148n cm （式 4. 10）初選電機型號時應(yīng)該滿足步進電機所需要的空載啟動力矩小于等于步進電機的 名義啟動力矩，即mk（l<minq從上式可知電機初步滿足要求。（3）啟動矩頻特性校核步進電機的啟動一般分為突跳啟動和升速啟動兩種。突跳啟動使用較少。升速啟 動就是步進電機從速度為零開始慢慢加速，在速度為零時，他的啟動頻率也是零。并 且在一定的時間里，根據(jù)一定的加速規(guī)律進

44、行加速。當啟動完成吋，步進電機的速度 也就達到了最高。查表得，步進電機150bf002的啟動頻率為a = 2000hz < fyq，所以所選用的電機不會丟步。（4）運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率.辦丿可按下式計算：（式 4. 11）_ 1000vmax jkz 60%式中：為運動部件最大快進速度。算得fkz = 8333.33/7z o 快進力矩則燈的計算公式：（式 4. 12）帶入數(shù)值得:mkj+m°=0.55+l .428=1.978n cm。查運行矩頻特性圖，可得：快進力矩mkj = 1.978n c加=0.01978n m對應(yīng)的允許快進頻率fvkj >

45、; fkj ； 所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。經(jīng)過上邊的計算與分析，木設(shè)計選取的步進電機90bf001是適合使用的，能完成 所需要的動作過程。4. 1. 3軸承的選?。?）基座的支撐部件選用環(huán)形軸承，它相比其它軸承的特點是：直徑較大但寬度較小，而u精度也比較高，剛度較大、既能承受徑向力和軸向又能承受傾覆力矩。（2）圓錐滾子軸承安裝在滾珠絲杠的下面，它的型號為30204,具體的參數(shù)如下:表4. 3軸承參數(shù)表軸承代號基本額定極限轉(zhuǎn)速r/min動載荷ca/kn靜載荷錯誤！未找到引用源。/kn脂潤滑油潤滑3020428.230.58000100004.2機械傳動裝置的選取4. 2.

46、1滾珠絲杠的選擇假設(shè)滾珠的使用壽命為l= 15000 h左右，可靠度為95%,精度是3級精度。（1）計算載荷fc 二 kf ka kr kt fm（式 4. 13）查機械設(shè)計手冊，得kf= 1. 1, ka= 1.0, kr=1.61, kt= 1（式 4. 14）1500x150001.67x10°x1771=1.1x1.qx1.61x1x1000=1771 n（式 4. 15）=19559 n（2）選擇滾珠絲桿副的型號滾珠絲杠是機械產(chǎn)品上將冋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化直線運動最適合的部件。滾珠絲杠由螺 桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能就是轉(zhuǎn)化運動即將旋轉(zhuǎn)運 動轉(zhuǎn)化成直線運動，

47、這是艾克姆螺桿的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是 將軸承從滑動動作變成滾動動作。滾珠絲桿都用滾動軸承支承。可用的滾動軸承種類 很多。就目前工業(yè)上普遍來說，主要用到二種，一種是推力角接觸軸承，這種軸承可 以組配，摩擦力矩較小??；另一種是滾針-推力圓柱滾子組合軸承，這種，多用于重 載，軸承剛度大。滾珠絲杠是許多機器中常見的傳動部件，它的主要作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性 運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同吋兼具高精度、可逆性和高效率等優(yōu)點它 的傳動效率高達85%-98%,是滑動絲桿副的2-4倍雇主絲桿副的摩擦角小于1,因 此不自鎖。因此設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式機械手的升降裝置上必須有制動裝置。滾珠絲桿

48、由于受 到的摩擦阻力很小，因此滾珠絲杠被大量應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)設(shè)備如車床，銃床等 和精密儀器上面如光學(xué)儀器上面。主要尺寸為：按ca= 19559n,查機械設(shè)計手冊，選取的滾珠絲杠的系列代號為fycl-4008-2.5o do= 40 mm , pn =8 mm , dw=4 mm , d = 39mm,滾珠直徑 d0=3. 969mm滾道半徑r= 0.52 x = 0.52 x 3.969伽=2.064m/nz/3 qaq偏心距 e二二0.07（/?-一 ）0.07x（2.064-= 5.6x 10-2mm（式 4. 16）2 2絲杠內(nèi)徑£ = d（） + 2e-2r = （40

49、+ 2x5.6x 10 2 2x2.064）77?m = 35.76mm （式 4. 17）d'27 mm , ca =24000 n , kc=1880 np6螺旋導(dǎo)程角v 二 arctan一 = arctan = 3238z （式 4. 18）兀 d（）/rx40螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。（3）剛度驗算根據(jù)最差的情況進行考慮，則在螺距（導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩 引起彈性變形方向一致時的變形量最大，具體計算如下：式屮16t叮ti'gd/4fpnked；（式 4. 19）ti= fm-y-tan（v+pv）4（）=1000x xtan（3°38 +8&#

50、39;40"）=1321 n mm磨擦系數(shù)f二0. 025,當量磨擦角pv二8 40", 剪切彈性模量g二8.33x10° n/mm2所以：8s =16x1321x8?乃2x8.33x10° x35.7644x1000x8x2.06x105x35.762（式 4. 20）=0.0387 pm其中，危險截面d產(chǎn)35. 76, e = 2. 06 每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形q 二哼二 6.6 gm/ms 6xl0-3s，p=15|im /m（式 4.21）因為滾球絲桿精度要求為3級精度，查表得, g()p = 15 |im /ms所以其剛度滿足要求。(4

51、) 計算效率tan 7tan（y+pv）tan 3°38'tan（3°38'+8 40=0.960 = 96%（式 4. 22）4. 2.2諧波齒輪的選擇與普通齒輪進行對比發(fā)現(xiàn)諧波齒輪的特點為：(1) 傳動比大。(2) 這種傳動同時嚙合的齒數(shù)較多，所以它的承載能力也就大。(3) 運動時所產(chǎn)牛的誤差和沖擊較小，傳動的精度也較高，傳動相對比較平穩(wěn)。(4) 效率高。(5) 起動時所需要的力矩較大，容易損壞柔輪，且傳動比錯誤!未找到引用源。35 時一般不用。本設(shè)計中的諧波齒輪是采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由帶凸緣的環(huán)形 剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成

52、的波發(fā)生器三大部分共同組成的。型號 xb1-80-100-2-3/3機型號100,既柔輪的公稱內(nèi)徑為80mm減速比100精度等級為6級4.2.3軸的設(shè)計和聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。他們主要用來連接軸與軸或者是連接軸與其他 冋轉(zhuǎn)面零件，以傳遞運動與轉(zhuǎn)矩，有時候也可用做安全裝置。圖2-12所示為采用錐 環(huán)(錐環(huán)夾緊環(huán))無鍵消隙聯(lián)軸器，可使動力傳遞沒有反向間隙。螺釘5通過壓圈3 施加軸向力時，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)2分別產(chǎn)生徑向彈性變形，消除軸 4與套筒1之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過磨擦傳遞轉(zhuǎn)矩，而u套筒1與軸 4之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。這種聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力很

53、大，結(jié)構(gòu)上更為簡單，安裝方便，易于制造，耐久 度高，并且有一定的吸振和緩沖能力，允許被連接的倆軸之間有一定的軸向位移以及 少量的徑向位移和角位移。這種聯(lián)軸器目前應(yīng)用很廣泛，品種也越來越多。1一一外套筒，2一一內(nèi)環(huán)，3一一墊圈，4軸，5一螺栓圖4. 3消隙聯(lián)軸器本設(shè)計的軸為傳動軸，其設(shè)計步驟如下：(1) 根據(jù)步進電機的相關(guān)參數(shù)確定岀軸上的功率錯誤!未找到引用源。、轉(zhuǎn)速錯 誤!未找到引用源。和轉(zhuǎn)矩錯誤!未找到引用源。，錯誤!未找到引用源。二錯誤!未找到引用源。二7.2kw錯誤!未找到引用源。=n=1250r/min錯誤!未找到引用源。=9550000錯誤!未找到引用源。二55008nmm(2) 初

54、步確定軸的最小直徑選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，取錯誤!未找到引用源。=112則錯誤味找到引用源。二錯誤!未找到引用源。=20. 07mm由聯(lián)軸器的型號確定出軸此處的直徑為22伽，半聯(lián)軸器的長度l=62mm，則半 聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度錯誤!未找到引用源。=30mm(3) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為了滿足軸向定位的要求，在聯(lián)軸器的軸向處應(yīng)該設(shè)有一個軸肩，軸肩高度為 2mm,則此處軸頸為26mm,軸的另一段需要安裝墊片，進行螺紋鎖緊，則右側(cè)直接應(yīng) 該為22mm,長度為38mmo(4) 軸的強度校核由于選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)鋼處理，其錯誤!未找到引用源。二60錯誤!未找 到引用源。，因此錯誤!未找到引用源。故，安全。5搬運機械手控制系統(tǒng)的概述5. 1 plc的組成和工作原理工業(yè)機械手通常具有多個自由度，并口任意一個自由度