拾取軸類零件機械手的設計說明

1、淮海工學院畢業(yè)設計（論文）說明書題 目拾取軸類零件機械手的設計作者：系（院）:專業(yè)班級：郭鑫鑫學 號：0102101109機械工程系機械設計制造及其自動化機械021指導者：郭廷良教授評閱者：席平原講師2006年6 月 連云港畢業(yè)設計（論文）中文摘要拾取軸類零件機械手的設計摘 要：本文簡要地介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和 坐標型式，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國外的發(fā)展狀況。通過對機械手進行總體 方案設計，確定了機械手的坐標型式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，設計了 利用氣壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)機械手夾持的手部結構并選擇了一種較好的夾持方案；通過對手 腕、手

2、臂轉動所需的驅動力矩的計算設計了機械手腕、手臂的結構并實現(xiàn)了利用步進電動 機對手腕手臂的控制。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設計了機械手的步進電動機控制電 路圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關鍵詞：工業(yè)機器人 機械手氣動可編程序控制器畢業(yè)設計（論文）外文摘要The Desig n of Mecha ni cal Hand Pick ing up Accessories Like AxesAbstract:The paper in troducesthe con cepti onof the in dustrial

3、 robot, thecompositi on and classificati onof the mecha ni cal hand, the freedom and coord in atesof the mecha ni cal hand, the characteristics of the pn eumatic tech no logy and PLC, and the developme nt in home and abroad.In this paper, author discussed the overall project for the desig n of mecha

4、 ni cal hand, and determ ined the coord in ates of patter ns, freedom and tech ni cal parameters of the mechanical hand. At the sametime, used the pneumatic drive system to realize the holding structure of the mechanical hand and selected a better project to hold accessories. Through the calculation

5、s to drive moment needed by the wrists and arm rotation, designed the structure of the wrists and arm and realized the control to the wrists and arm by electric motors. Author also used programmable con troller to con trol mecha ni cal hand and selected a suitable PLC models. Based on mecha ni cal h

6、and workflow, developed PLC project and draw n a control circuit diagram of electric motors for the mechanical hand, and developed a program for the PLC.Keywords: in dustrial robot; mecha ni cal hand; pn eumatic drive; PLC.目錄1 引言（或緒論） 11.1國外機器人發(fā)展趨勢 11.2課題的提出及主要任務22 制定設計方案 42.1 機械手的坐標型式與自由度 42.2 機械手的

7、驅動設計方案 42.3手部結構的設計方案 52.4手腕結構的設計方案 62.5手臂結構的設計方案 62.6 機械手的控制設計方案 62.7 機械手的主要參數(shù) 73 手部結構設計83.1設計時考慮的幾個問題 83.2手部夾緊氣缸的設計 84 手腕結構設計1 94.1 執(zhí)行元件的選擇 194.2軸的設計 214.3軸承的選用 224.4銷、螺栓的選用 235 手臂升降運動設計 245.1 滾珠絲杠的選擇 245.2步進電動機的選擇 285.3 軸承的選用 296 手臂旋轉運動設計 306.1 步進電動機的選擇 306.2 減速器的選擇 317 機械手的 PLC控制設計 327.1可編程控制器的選擇

8、及其工作過程 327.2機械手可編程控制器的控制方案 327.3 步進電動機的環(huán)形分配器 337.4 步進電動機的單片機控制 33結論36致3738參考文獻1 引言現(xiàn)代工業(yè)機器人在結構形式上與人臂和遙控機械手相似， 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 作的主臂由計算機數(shù)控裝置所代替。工業(yè)機器人由操作機（機械本體） 、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是 一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化 生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產

9、效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學 等多科學而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情 況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機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器特長的一種 擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，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器的長期進化過程的產物， 它是工業(yè)生產中重要的生產設備和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化 設備。機械手是模仿人手的

10、部分動作，按給定程序、軌跡和要現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自 動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手” 。生產中應用機械手可以 提高生產的自動化水平和勞動效率；可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產； 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 替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、 電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。1.1 國外機器人發(fā)展趨勢國外機器人領域發(fā)展趨勢近年來，國外的工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 維修），而單機價格不斷下降，

11、平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬 美元。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng) 三位一體化；有關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造的機器人整機；國外已有模塊化裝配 機器人產品問市。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化； 器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)性、易操作性和 可維修性。機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、 觸覺等多傳感器的融合技

12、術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合技術在產品化系統(tǒng) 中已有成熟應用。虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制， 如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自動系統(tǒng)， 而是致力于操作者與機器人的 人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出 實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的 最著名實例。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領域。1.1.2 國機器人的發(fā)展趨勢我國的

13、工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關開始起步， 在國家的支持下， 通過“七 五”、“八五”科技攻關，目前基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和 軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧 焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己經應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總 的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如: 可靠性低于國外產品： 機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有 差距；在應用規(guī)模上，我國己安裝的

14、國產工業(yè)機器人約 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器人產業(yè)， 當前我國的機器人生產都是應用戶的要求， “一客戶，一次重新設計” ，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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此，迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對 產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“ 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器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接 遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；

15、在機器人視覺、力 覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在 多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人 化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎 上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期 立于世界先進行列之中。1.2 課題的提出及主要任務課題的提出 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 將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產 率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及

16、輕工業(yè)生產中，往往沖壓成型這一工序 還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究 的課題。現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點：（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，限制其應用圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動 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，引起運動特 性變化。（3）因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。（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；且使用維護需要 較高技術水平。鑒于以上這些缺陷

17、，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點：（1）介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣， 處理方便，一般不需設置回收管道和容器；介質清潔，管道不易堵塞，不存在介質變質及 補充的問題。（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），空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明 顯降低和嚴重污染。（ 3）動作迅速，反應靈敏。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，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

18、等情況時，機器及 其工藝流程不致突然中斷。（5）工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中， 氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、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、輔件的材質和加工精 度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為：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 動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手， 用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但

19、由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要 進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和 前景存在不少疑慮。1.2.2 課題的主要任務：本課題將要完成的主要任務如下： （1）選取機械手的坐標型式和自由度； （2）設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括：手部、手腕、手臂等部件的設計；（3）氣壓傳動系統(tǒng)的設計。本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的 選取，氣動回路的設計；（4）機械手的控制系統(tǒng)的設計。本機械手采用可編程序控制器（PLC對機械手進行控制, 本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出 PLC程序。2制定設計方案對于搬運物體類的機械手的基

20、本要能快速、準確地拾一一放并且能搬運物件，這就要 求具有較高的精度、快速反應、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。設計氣動機械手的原則是：充分分析作業(yè)對象和環(huán)境，明確 工作的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù) 等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求，盡量選用定型的標準組件，簡化設 計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制。本次設計的機械手是通用拾取軸類零件的機械手，是一種適合于成批或中、小批生產 的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，它可以用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和 操作單調頻繁的

21、生產場合。2.1機械手的坐標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐 標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手是對軸類零件的搬運，因此它需具有升降、回轉 的自由度。圖1機械手運動示意圖2.2機械手的驅動設計方案在普通的機械運動中，機械的驅動一般有氣壓傳動、液壓傳動、電機傳動等。油壓執(zhí)行器具有以下的一些優(yōu)點：（1）構造簡單，可靠性高。（2）體積小，可獲得部 較高的推力和轉矩。（3）比較易控制。缺點有：（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行管理。氣壓執(zhí)行器由于空氣構成的工作流體具有壓縮性， 所以在負荷作用下速度容易變

22、動難 以確定精確位置。但不會發(fā)生漏油那樣環(huán)境也不必擔心火災發(fā)生，另外，由于空氣黏性小， 易安裝管道，維護簡單，且空氣是慣性小的壓縮性流體。當迅速的使其流動停止時不會造 成壓力波動，因此比較安全，不必安裝過負荷防止裝置 。步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸 入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步 距角。轉制角位移的大小及轉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、頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得 所需的轉交、轉速及轉向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。步進電動機具有

23、以下特點： （1） 步進電動機的工作狀態(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電動機 產生“丟步”現(xiàn)象之前，就 不影響其正常工作；（2）步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)積 累誤差，但轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉子轉過一轉以后，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、反轉時不易“丟步” 。 因此，步進電動機被廣泛的應用于開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲 得較高的位置精度。作為搬運機械手，它需要在抓取工件的過程中精確的定位，在搬運到另一個地方是

24、也 必須準確，因此機械手手臂的轉動和手腕的轉動用步進電動機來控制，這樣可以避免了用 氣壓傳動帶來的不準確性或用液壓傳動帶來的漏油而導致環(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，因此選擇步進電動機。2.3 手部結構的設計方案 夾持式手部結構由手指（手抓）和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，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 的部位又可以分為卡式（或漲

25、式）和外夾持式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可以分 為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型 （或稱直進型 ） ，其中以二支點回轉型為基本型式。 當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手 指；同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開 閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，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，能適應不同直徑的工件。幾種機械手指夾持設計方案如下圖 2 所示<5><8>圖2機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

26、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）是通過旋轉運動來實現(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構，而本課題所設計 的機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)夾持的工件圍比較大，但是卻 需要氣缸的大圍的伸縮才能實現(xiàn)，這樣會使整個機械手的體積變大，而所需設計的機械手

27、是用于生產線，這就要求機械手的結構比較緊湊。因此選用方案8最為合適，并且為了使機械手的通用性更強更好的夾持，采用雙夾持 的結構，用兩個獨立的氣缸來控制，以便更好的適應軸的各種形狀如光軸、階梯軸等等。 2.4手腕結構的設計方案考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運 動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構由步進電 機驅動。2.5手臂結構的設計方案按照抓取一一搬運工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的左右回轉和 升降（或俯仰）運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，手臂的各種運動由步進 電機的驅動來實現(xiàn)。2.6 機械

28、手的控制設計方案考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制。當機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 機械手的主要參數(shù)2.7.1 主要參數(shù) 機械手的最大抓取重量是其規(guī)格的主參數(shù)，該機械手主參數(shù)定為 50 公 斤。2.7.2 基本參數(shù) 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要 求，設計速度過低限制了它的使用圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂及手腕的 回轉速度和手臂的提升速度。該機械手手臂提升的平均速度設計為 0.01m /s ，平均回轉速度設計為 900 /s。 機械手動作時有啟動、停止

29、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， 故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有工作半徑。大部分機械手設計成相當于 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，該機械手手臂的工作半徑約為1500mm手臂回轉行程圍定為360°。手臂升降行 程定為1500mn定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為0.5 1mm。2.7.3 機械手技術參數(shù)列表（1）用途：拾取軸類零件的機械手。（2）設計技術參數(shù)： 抓重：50公斤； 自由度：3個自由度； 坐標型

30、式：圓柱坐標；最大工作半徑：1500mm；©手臂最大中心咼:2262mm手臂運動參數(shù)：升降行程1500mm；升降速度100mm/s；回轉圍003600 ；回轉速度900/s；©7 手腕運動參數(shù)回轉圍00003600 ；回轉速度900/s；手指夾持圍40 mm 160mm ；定位方式 機械擋塊；定位精度0.5mm;驅動方式手指部分：氣壓傳動； 手腕及手臂等部分：均用步進電動機；控制方式采用PLC的點位程序控制。13 機械手使用壽命： 50000小時。3 手部結構設計3.1 設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，還應考慮

31、在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。（2）手指間應具有一定的開閉角 兩手指開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。 手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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

32、或彎曲變形，應當盡量使結構簡單緊湊， 自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。（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構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V型，其結構如圖3所示。3.2 手部夾緊氣缸的設計手部驅動力的計算根據(jù)以上提出的問題及參數(shù)對手部的各零件進行設計計算。 本課題氣動機械手的手部 示意結構圖如下圖 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圍為40mm 60mm。但又因為采用的是用兩個獨立氣缸的雙夾持機構則每個機械手夾持的重量 為2

33、5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) dmax 160mm，且假定夾持dmax 160mm的工件時手指的夾持點與軸心線的連線和水平線的夾角為300。根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為：(3- 1)2bN P R其中：p驅動力N夾緊力b手指軸心到工件軸心的垂直方向的距離（如圖3所示）R齒輪半徑初步假設手指軸心到工件軸心的距離為 L 160mm，取R 40mm，手指軸心到齒條 中心的距離為a 70mm。貝U(3-2)bL2 a2. 1602 702143.8mm根據(jù)手指夾持工件的方位，根據(jù)力學的受力分析可得握力計算公式：N 0.5G/COS6000.5 250/

34、0.5250N由此根據(jù)（3- 1）可得驅動力：實際驅動力:因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 實際驅動力為2bN 2 143.8 250P K1789.4NP實際kP-P實際40(3-4)0.95，并取安全系數(shù)為k 1.2。故由(3-4)得,k12p- 17894 0952260.3N因此，夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為2260.3N。由于機械手的能夾持的最大的直徑為dmax 160mm，而夾持后的b 143.8mm，故直齒的長度為略大于L 143.8 80 63.8mm，因此初步選取氣缸伸長長度為 60mm氣缸的選擇根據(jù)以上得出的驅動力查詢手冊選取氣壓缸，其型號為：LGA 32 50 G-F

35、A-Y-FC;得主要技術參數(shù)如下表1:表1選取氣缸的相關數(shù)據(jù)缸徑/ mm行程/ mm工作壓力圍/ MPa耐壓力 / MPa使用速度圍mm/s使用溫度圍/ c工作介質給油32600.0490.981.4750 70-25 80空氣、干燥空氣無電磁換向閥的選擇為了實現(xiàn)用PLC對氣壓缸的運動進行點位程序控制，則需要一個電磁換向閥對輸入氣 壓缸的氣體進出方向進行控制。根據(jù)上述的氣壓缸的工作壓強，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：XQ 25 08 41 220v/50Hz其主要的技術參數(shù)如下表2:表2電磁換向閥主要技術參數(shù)通徑/mm接口螺紋工作壓力/ MPa切換時間/ m

36、s工作電壓消耗功率環(huán)境溫度/ c耐久性8G 1/40.151.015220v/50Hz6V.A550400萬次齒輪齒條的設計計算事實上在齒輪齒條的嚙合傳動中，真正進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。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 (調質)，硬度為280HBS(4)初步選取齒輪的齒數(shù)為30齒。3.242安齒面接觸強度設計由12設計計算公式(10-9a )進行試算，即dit2.32

37、KtTiu 1(1)確定公式的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù)Kt 1.3 ；計算齒輪傳遞的力矩;T195.592240N由12表10-7選取齒寬系數(shù)d 0.6 ；io5p /mmmr 40 2306O由12表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)ZE由12圖10-21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限189.8MPa 2;H lim 1觸疲勞強度極限Hlim2 600MPa。由12式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)由氣缸的使用速度圍，取氣缸的速度為v 70mm/s，根據(jù)以上的假設到齒輪的轉速為：60v60 70n2 R 24016.7rad / min而且使用壽命為Lh 10000h，由此可以得出應力循環(huán)次數(shù)為

38、:N160n 1jLh 60 16.7 1 500005 107由12圖10-19查得解除疲勞壽命系數(shù)Khn1 0.98 ； Khn2 0.98計算接觸疲勞許用應力取失效概率為1%安全系數(shù)S=1，由12式(10-12 )得K HN 1 H lim1 0.98600H 1S1588 MPa(3 5)(3 6)600MPa ；齒條的接R 40mm，可以得(3 7)(3 8)(3 9)K HN 2 H lim 2S0.98 6001588MPa(2)計算試算齒輪分度圓直徑d1t，根據(jù)(3 5)式代入H中較小的值d1t 2.32 3,KtT1 u 1d uZe21.3 92240 1 1 189.80

39、.615882.32 379.8mm圓整取d1t 80mm圓周速度70mm/ s。由氣缸的使用速度圍，取氣缸的速度為計算齒寬bd48mmdit0.6 80(3- 11)O計算齒寬于齒高之比b h 模數(shù)mtdit /zi2.6780/30(3- 12)齒高齒寬于齒高之比h 2.25mt6mmb h 48/62.25 2.67(3- 13)計算載荷系數(shù) 根據(jù)v 70mm/ s ,7級精度,12圖10-8查得動載系數(shù)K 直齒輪，假設KAFt/b 100N /mm。由12表10-3查得KH 由12表10-2查得使用系數(shù)Ka 1.25 由12表10-4查得7級精度、1.02Kf 1.2 ;將數(shù)據(jù)代入后得

40、由b h 16， KhKh' A齒輪相對支承對稱布置時，1.12 0.18 J 0.23 10 3b1.12 0.18 0.620.23 10 3 48Kh1.1961.196查12圖10-13得Kf 1.16 ;故載荷系數(shù)K KaKvKh Kh 1.25 1.02 1.2 1.196 1.83 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d1 dJ.K/K；803 1.83/1.389.7mm 由式（3- 12）計算模數(shù)mm d1 /Z|89.7/303mm按齒根彎曲強度設計計算(3- 14)(3- 15)由12式(10-5)得彎曲強度的設計公式為m 32V

41、dZi2KT1 YFaYs(3- 17)(1) 確定公式的各計算數(shù)值fe1 500MPa ；齒條的彎曲疲勞強度極Kfn1 0.85 ;齒條的彎曲疲勞壽命系數(shù) 由12圖10-20C查得齒輪的彎曲疲勞強度極限限 fe2 500MPa ； 由12圖10-18查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)K FN 20.85 ; 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)齒輪：S=1.4，由12式(10-12 )得K FN1 FE10.85 500F 1S1.4(3- 18)303.57MPa齒條：K FN2 FE20.85 500F 2S1.4(3- 19)303.57MPa計算載荷系數(shù)K 匚心心Kf1.7751.25 1

42、.02 1.2 1.16(3- 20)查取齒形系數(shù)由12表10-5查得齒輪的齒形系數(shù)YFa12.52 ；齒條的齒形系數(shù)YFa22.52 ;查取應力校正系數(shù)由12表10-5可查得齒輪的應力校正系數(shù) Ysa11.625 ;齒條的應力校正系數(shù)Ysa21.625 ;計算齒輪、齒條的Yf 并加以比較F齒輪：YFaMa12.52 1.625F 1303.570.0134齒條：YFa2Ysa22.52 1.625F 2303.570.0134(2)根據(jù)(3- 17)設計計算得o 2 1.775 922403 0.6 3020.0134mm2.03mm對比計算結果由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲

43、勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強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，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 2.03mm圓整為標準值2.5mm由此可以得出齒數(shù)為：d 89.7 zm 2.535.88(3- 21)取35個齒。3.2.4.4幾何尺寸計算中心距：由假設可知中心距計算分度圓直徑齒輪：(1)(2)a 70mmd1 Z1m 35 2.5 87.5mm齒條：根據(jù)中心距可知，齒條中心到分度圓的距離為87.52(3)r2 a 蟲 702 26.25mm計算齒輪寬度由式(3- 11 )得b dd10.652.5mm87.5(4)

44、齒高由式（3- 13）得h 2.25mt 2.25 2.55.625mm驗算Ftd12108N2 92240N(3- 22)KaR1.25 210887.530.12N /mm 100N /mm87.5結果合適。齒條的齒數(shù)由于氣缸的伸長為60mm，則齒數(shù)為:z 36607.86(3- 23)取齒條的齒數(shù)為7個齒軸承的選用（1）受力分析根據(jù)機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?？紤]到這個問題，可選用軸承相對較薄的滾針軸承。根據(jù)機械手手指傳動方式（如圖1），可以得出軸承的受力情況：

45、Fr1 2p 2306N 1153N2Fr2G4Fr1500N 125N 4Fr2 1378 N(13-8a)Fr（2）初步計算當量動載荷P,根據(jù)12式fp（XFr YFa）(3 24)根據(jù)機械設計手冊4滾針軸承取 根據(jù)機械設計手冊4對于滾針軸承 由此可得當量動載荷P:1.5 ；1;Y0.1 1378 2067N（3）根據(jù)12式（13-6），求軸承應有的基本額定動載荷值1.5C P 60nLhC - 106 9964.4.2N（4）按照軸承樣本或設計手冊4選擇Cr載荷 C070.8KN。（5）壽命的計算2067 3 60 16.76 50000N V106(3 25)43.8KN的NA6906

46、軸承。此軸承的基本額定靜6C10Pm60 16.7Lh垃60 g69.5 10 h 50000h3438002067(3 26)所以所選用的軸承合適軸的設計計算由圖4可以看出，此軸是非轉動軸，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，只需找到軸的應力 最大處，看它是否滿足，若滿足則說明設計的軸可以使用反之則說明不能使用需要重新設計。（1）初步確定軸的最小直徑選取軸的材料45鋼調質處理，軸的最小軸徑顯然是在安裝軸承處軸d1 2 （如圖4）為了使所選的軸的直徑與軸承的孔徑相適應根據(jù)以上所選的軸承，選取安裝軸承處的軸徑為30mm。圖4軸

47、的裝配方案(2) 軸結構的設計 擬訂軸上的裝配方案，如圖4所示； 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度；1 2段：根據(jù)選取的軸承長度為30mm安裝手指的寬度為42mm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42mm初步選取di 2 48mm。2 3段：2-3段的設計是為了夾持工件的穩(wěn)定而設計的，否則用單獨的一對手指來搬運工件時雖然可以實現(xiàn)但此相當不穩(wěn)定，會造成擺動，是整個機械手系統(tǒng)不穩(wěn)定。故2 3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d2 3200mm。3 4段：由于與1 2段是對稱的關系，故選取d3 4

48、 d1 2 48mm。 確定軸上的倒角尺寸軸各處的倒角均取為：3 45°。(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生的力即齒輪所受的徑向力Fr，周向力Ft。首先，根據(jù)結構圖(圖4)作出軸的計算簡圖(圖5)。其受力情況如圖5所示：Fr1Fr27K-419.7N支反力G/4、/Fa支反力圖5軸的計算簡圖根據(jù)軸的計算簡圖得出： 水平方向的支反力：由于齒輪受到的周向力為：Ft - 2306 1153N2 2則可知齒輪所受到的徑向力為：Fr Ft tan20° 1153 tan 200由此可得：FNH 1 FNH 22 419.7NFr 30 FNH2

49、200 Fr (30 200)Fnh1 419.7NFnh2 419.7N 垂直方向的支反力：丄十 P 2306由于 Ft1153N ； G 50 10N 500N2 2則可得：G500FzFt4115341278NF NV1FNV22FzFz30FNV2200Fz(30 200)從而可以計算出支反力為:Fnv1 1278NFnv2 1278N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：Fr1Fr2p L支反力IKr廠圖6水平方向的彎矩圖 水平方向的彎矩為：M H Fr 30419.7 30N mm1295N mm垂直方向的彎矩圖如圖7所示：垂直方向的彎矩為：M V F

50、z 301278 30N mm 38340 N mm則合成的總彎矩為：M 總 ,M H2 MV2 J295238340238360.9N mmG/4VFa.支反力圖7垂直方向的彎矩圖彎應力校核軸的強度 由軸的軸徑的大小可得:d3320.1d3(3- 27)330.1 (30 10 )M38.4(3- 28)60MPa ,因此13W 0.1 (0.03)14.2MPa前面已選定軸的材料為45鋼，調質處理，由12表15-1查得 故，安全使用。手部螺栓的設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準件 M 6。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,F。d242

51、30681.6MPa(3- 29)-0.00624由12表5-4可以查得45鋼的螺紋連接件的疲勞極限為：250340MPa 故，選用的M4螺釘適用。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 120 C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 進行潤滑。不工作時，油又冷卻而被吸回部

52、。該種軸承可在長期工作中無須添加潤滑劑， 維護十分簡單，但是由于材料質地疏松而耐壓強度較低。適用于低速、輕栽。故對于此處 的墊圈用此材料十分適合。4手腕結構設計在生產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，手 腕部分采用步進電動機來控制要轉動的角度。被控對象由電動機驅動，因此電動機的轉速、轉矩和功率等參數(shù)應和被控對象的需要 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。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏 低，將達不到使用要求。所以，應選擇與被控對象的需要相應的執(zhí)行元件。4.1執(zhí)行元件的選擇系

53、統(tǒng)執(zhí)行元件的轉矩匹配（1）求等效轉動慣量J；q。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為:1 E -2 i設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為：mmi12ViJj1(41)Ek1Jkeq(4 2)由于E Ek，故JfqmiViJj1(4 3)用工程上常用單位時，可將上式改寫為:j eqmiVinkJj12njnk(4 4)式中：nk執(zhí)行元件的轉速（r/min因為步進電動機的轉速與軸及工件的轉速是項等的，故由式 后其轉動慣量為：4 3）計算后得機械手抓重nJfqnJjj 1Jjj 124.2kg m（2）求等效負載轉矩T°q°設上述系統(tǒng)在時間t克服負載所作的功的總和為:nkmWFiViti 1同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t的轉角為：nT t j j