四軸簡易機(jī)械手的設(shè)計(jì)

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)16--PAGE21-1前言1.1設(shè)計(jì)的目的和意義機(jī)械手自問世以來，經(jīng)過了40多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械手最早應(yīng)用于汽車制造工業(yè)，常用于噴漆、焊接、搬運(yùn)和上下料。機(jī)械手可代替人從事危險(xiǎn)、有毒、有害、高溫、高壓、重載、噪音、粉塵和低溫等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成單調(diào)重復(fù)和繁重的勞動(dòng)，不僅減少了人力資源的浪費(fèi)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大改善了工人的勞動(dòng)條件，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。目前機(jī)械手主要用于以下幾個(gè)方面。1.惡劣的工作環(huán)境和危險(xiǎn)的工作在核工業(yè)中，核反應(yīng)堆內(nèi)具有較強(qiáng)的放射性，為了人員的安全，經(jīng)常需要機(jī)械手來完成相關(guān)的清理工作，另外在壓鑄、沖壓、熱處理、鍛造、噴漆車間以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等危險(xiǎn)領(lǐng)域的作業(yè)中也經(jīng)常需要用到機(jī)械手。2.自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域目前研制出了搬運(yùn)機(jī)械手、碼垛機(jī)械手、汽車座椅裝配機(jī)械手、點(diǎn)膠機(jī)械手等各類工業(yè)機(jī)械手，主要用于生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如當(dāng)末端夾持焊槍時(shí)，可以對汽車或摩托車的車體進(jìn)行點(diǎn)焊或弧焊作業(yè)；當(dāng)末端安裝噴槍時(shí)可以進(jìn)行噴涂作業(yè)；當(dāng)末端安裝手鉗時(shí)，可以給壓鑄機(jī)或成型機(jī)進(jìn)行上下料作業(yè)或者用來裝配機(jī)械零部件。目前我國已經(jīng)建成的自動(dòng)生產(chǎn)線有很多，如沈陽水泵廠的環(huán)類深井泵軸承體加工自動(dòng)線、上海動(dòng)力機(jī)廠的箱體類氣缸蓋加工自動(dòng)線、大連電機(jī)廠的軸類4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)軸加工自動(dòng)線、上海拖拉機(jī)齒輪廠的盤類齒坯加工自動(dòng)線等等[1]。3.在特殊作業(yè)場合進(jìn)行極限作業(yè)在一些極地探索、火山探險(xiǎn)、空間探索、深海探密等領(lǐng)域經(jīng)常要用到機(jī)器人去探索，目前研制出了螃蟹機(jī)器人，用于水下勘測任務(wù)操作，它的身體結(jié)構(gòu)接近于螃蟹，能夠完成指定的指令，也可以用于海洋搜尋及石油天然氣的勘測。還有用于國際空間站的機(jī)器人，可以對空間站的外表面進(jìn)行檢測。4.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目前研制出了太陽能農(nóng)用機(jī)器人，他可以找到隱藏在農(nóng)作物中的雜草，這主要依賴于它的視覺系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有別于農(nóng)作物的植物時(shí)，它便利用數(shù)據(jù)庫提供的植物的特性與目標(biāo)植物加以比較，當(dāng)確定為雜草時(shí)，就會(huì)用機(jī)械手隔斷雜草，同時(shí)還可以噴灑除草劑。5.軍事應(yīng)用在軍事應(yīng)用中，軍人執(zhí)勤經(jīng)常會(huì)遇到危險(xiǎn)，這就需要機(jī)器人幫助完成執(zhí)勤任務(wù)，給機(jī)器人配備軍用機(jī)槍，利用機(jī)器人完成炸彈清除工作。機(jī)械手在控制器的控制下，可以模仿人的手、腕、臂的動(dòng)作，按照固定的動(dòng)作流程進(jìn)行工作。我國絕大多數(shù)農(nóng)民工就業(yè)于勞動(dòng)密集型行業(yè)，勞動(dòng)密集型行業(yè)中絕大多數(shù)工作是簡單的、重復(fù)性作業(yè)，這些工作沒有多少技術(shù)，農(nóng)民工很容易學(xué)會(huì)，但這些工作對從業(yè)者的體力反應(yīng)靈敏度或操作精確度有比較高的要求，因此，青年農(nóng)民工從事這些工作時(shí)勞動(dòng)生產(chǎn)率比較高，但是非技術(shù)農(nóng)民工進(jìn)入中年后，體力、反應(yīng)靈敏度和操作精確度下降，勞動(dòng)生產(chǎn)率逐年降低。因此使用機(jī)械手，不但降低了人的體力勞動(dòng)，減少人力資源的浪費(fèi)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大改善了工人的勞動(dòng)條件，提高了工作效率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，更有利于企業(yè)的發(fā)展。尤其是在高溫、高壓、重載、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的危險(xiǎn)環(huán)境中應(yīng)用更為普遍[2]。1.2機(jī)械手的研究現(xiàn)狀1.2.1機(jī)械手國機(jī)械手主要分為兩類：工業(yè)機(jī)械手以及其它特種機(jī)械手?，F(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更、具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。自1962年美國推出世界上第一臺(tái)Unimate型和Versatra型工業(yè)機(jī)械手以來，機(jī)械手在工業(yè)發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展。根據(jù)國際工業(yè)機(jī)械手聯(lián)合會(huì)(IFR)的數(shù)據(jù)顯示2000年全世界工業(yè)機(jī)械手的總數(shù)已經(jīng)達(dá)到82萬臺(tái)。其中日本擁有42萬臺(tái)，占全世界機(jī)械手總數(shù)的50%左右。除日本外，世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、前蘇聯(lián)和西歐一些國家的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很快。例如，在美國，1970-1980年間的機(jī)械手臺(tái)數(shù)增加20倍以上。在亞洲，韓國的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列；而日本、韓國和新加坡的機(jī)械手密度居世界第1-3位，包攬了前三名。西歐的意大利、法國、英國和東歐的匈牙利、波蘭等，機(jī)械手制造業(yè)及應(yīng)用機(jī)械手的情況都有很大發(fā)展。其它特種機(jī)械手是國外近年來才迅速發(fā)展起來的，是機(jī)械手技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，主要研究方向有：空間機(jī)械手，醫(yī)用機(jī)械手，水下機(jī)械手，建筑機(jī)械手和軍用排爆機(jī)械手等等。其中，排爆機(jī)械手是近期的熱點(diǎn)，是為了排除恐怖分子放置的爆炸物等危險(xiǎn)品。較早研制出了排爆機(jī)械手的是英國的“手推車”和“超級(jí)手推車”。其他國家也紛紛步入后塵，德國、美國、法國等國家都推出了實(shí)際應(yīng)用型的機(jī)械手[3]。1.2.2機(jī)械手作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動(dòng)化設(shè)備,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、電子信息、家電等各個(gè)行業(yè),進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工等復(fù)雜作業(yè)。我國機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，大致可分為3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代以后的實(shí)用化期。我國從1972年開始研制工業(yè)機(jī)械手，數(shù)十家研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、組合式、液壓伺服型通用機(jī)械手，并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究。80年代，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到了政府的重視和支持，機(jī)械手步入了跨越式發(fā)展時(shí)期。1986年，我國開展了“七五”機(jī)械手攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國得“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)械手方面的研究開發(fā)列入其中，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)械手基礎(chǔ)技術(shù)以及應(yīng)用工程的研究。20世紀(jì)90年代，由于市場競爭加劇，一些企業(yè)認(rèn)識(shí)到必須要用機(jī)械手等自動(dòng)化設(shè)備來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，從而進(jìn)一步走向產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)在，我國從事機(jī)械手研發(fā)的單位有200多家，專業(yè)從事機(jī)械手產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上。沈陽新松機(jī)械手自動(dòng)化股份有限公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團(tuán)涂裝技術(shù)開發(fā)中心、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所、上海機(jī)電一體工程有限公司、四川綿陽四維焊接自動(dòng)化設(shè)備有限公司等確立為智能機(jī)械手主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組合機(jī)床所、上海富安工廠自動(dòng)化公司、東風(fēng)汽車公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開發(fā)生產(chǎn)的特色機(jī)械手或應(yīng)用工程項(xiàng)目活躍在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手市場上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行機(jī)械手技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目方面的研發(fā)工作[4]經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國機(jī)械手在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配噴涂切割搬運(yùn)包裝等各種用途的機(jī)械手，并實(shí)施了一批機(jī)械手應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)械手產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)械手產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。另外，我國在排爆機(jī)械手的研究中也正處在發(fā)展階段，上海交大研制的Super-DⅡ型排爆機(jī)械手，采用六自由度的機(jī)械臂，行走機(jī)構(gòu)采用四輪行走驅(qū)動(dòng)。我國的機(jī)械手研究開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績，但是總的來看，我國的機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離，無論從機(jī)械手的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都有一定的差距。進(jìn)入新世紀(jì)以后，國際競爭日益激烈，對機(jī)械手的需求越來越大，我國的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來自國外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機(jī)械手高新技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，積極有效地推進(jìn)我國的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容本課題以機(jī)械手為研究背景，根據(jù)機(jī)械手的功能需求，設(shè)計(jì)一個(gè)小型的四軸簡易機(jī)械手，使其實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，進(jìn)行的研究如下：多自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)。1.3.1多自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)的要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)由手部、腕部、臂和基座組成。機(jī)械手按結(jié)構(gòu)形式可分為關(guān)節(jié)型機(jī)械手和非關(guān)節(jié)型機(jī)械手。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)械手在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)機(jī)械手具有大得多的相對空間（即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比）和絕對空間（即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積）。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)械手也符合人類和動(dòng)物都具有關(guān)節(jié)型軀體特點(diǎn)的自然選擇規(guī)律，這種特點(diǎn)使得關(guān)節(jié)機(jī)械手的臂桿系統(tǒng)具有一定的人手臂功能。因而關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有先天性結(jié)構(gòu)優(yōu)勢得到重點(diǎn)研究[5]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)擬采用應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式——關(guān)節(jié)型機(jī)械手，做到結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，相對的工作空間大，以便使多自由度機(jī)械手更具有開放性、通用性和代表性的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求：（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間形狀和大小與手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān)。（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。（3）量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂的響應(yīng)速度。（4）減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。1.3.2機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)（1）X坐標(biāo)（水平方向）移動(dòng)范圍：400㎜，豎直方向（Z軸）為：500㎜，C軸360度旋轉(zhuǎn)；（2）X、Z坐標(biāo)定位精度均為0.1㎜；（3）最大快移速度為10米/分。2機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手基本形式的選擇機(jī)械手按結(jié)構(gòu)形式可分為關(guān)節(jié)型機(jī)械手和非關(guān)節(jié)型機(jī)械手。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)械手在相同體積條件下比非關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)機(jī)械手具有大得多的相對空間（即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)械手本體外殼體積之比）和絕對空間（即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積）。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)械手也符合人類和動(dòng)物都具有關(guān)節(jié)型軀體特點(diǎn)的自然選擇規(guī)律，這種特點(diǎn)使得關(guān)節(jié)機(jī)械手的臂桿系統(tǒng)具有一定的人手臂功能。因而關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有先天性結(jié)構(gòu)優(yōu)勢得到重點(diǎn)研究[5]。為了保證機(jī)械手具有開放性、通用性和代表性的特點(diǎn)，在本課題機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為關(guān)節(jié)型機(jī)械手，能實(shí)現(xiàn)簡單的抓取搬運(yùn)動(dòng)作。機(jī)械手示意圖2-12.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)所需功能，必須具有四個(gè)自由度，兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按照設(shè)計(jì)的要求，機(jī)械部分由手部、腕部、臂和基座組成，如圖2.1所示，各部分設(shè)計(jì)如下：2.2.1手部方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部又稱為末端操作器或手爪，是用來抓取、握緊、吸附物體的部件，安裝于機(jī)械手手臂的前端，是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6]。分析如下方案1斜楔杠桿式圖2-2斜楔杠桿式機(jī)械手動(dòng)作原理：如圖所示，為單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖，斜楔向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，客服彈簧拉力使杠桿手指裝著滾子的一端向外撐開，從而夾住工件。當(dāng)斜楔向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在彈簧力的作用下使手指松開，從而放下工件。在手指與楔塊之間裝有滾子，從而減小摩擦力，提高機(jī)械效率。方案2滑槽杠桿式圖2-3滑槽杠桿式機(jī)械手動(dòng)作原理：如圖所示，為滑槽杠桿式杠桿雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手部的簡圖。杠桿形手指4的一端裝有V型指5，另一端則開有長槽。驅(qū)動(dòng)桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞支點(diǎn)（絞銷3）作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開動(dòng)作?；鄹軛U式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定心精度與滑槽的制造精度有關(guān)，因活動(dòng)環(huán)節(jié)較多，配合間隙的影響不可忽視。此機(jī)構(gòu)依靠驅(qū)動(dòng)力鎖緊，機(jī)構(gòu)本身無自鎖性能。方案3齒條齒輪杠桿式圖2-4齒輪齒條杠桿式機(jī)械手動(dòng)作原理里：如圖所示，為齒條齒輪杠桿式手部結(jié)構(gòu)簡圖。由齒條直接傳動(dòng)給齒輪杠桿結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)桿2末端制成雙面齒條，與扇形齒輪4相嚙合，而扇形齒輪4與手指5相固連在一起，可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可帶動(dòng)扇形齒輪回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手指的加緊與松開[7]。比較上述三種方案，斜楔杠桿式的松開方式主要靠彈簧，由于楔塊容易磨損和彈簧也容易失效，所以斜楔杠桿式并不夠理想；對于方案三齒條齒輪杠桿式，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且齒輪齒條的造價(jià)較高，故從經(jīng)濟(jì)上講不夠理想；方案二滑槽杠桿式機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單，易于更換零部件，承載能力較大，經(jīng)綜合考慮選用方案二。2.2.2機(jī)械手腕部需要具有回轉(zhuǎn)功能，使手部可以旋轉(zhuǎn)，由于腕部連同手部的靜、動(dòng)載荷都由臂部承擔(dān)，因此設(shè)計(jì)時(shí)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，除此之外，還應(yīng)該合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)功能[8]。2.2.3手指夾持件是機(jī)械手上直接與工件相接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但具體選用時(shí)要取決于所夾持工件的形狀。最常見的有指形有平面指形、尖指或薄、長指形和V形指三種。平面指形一般用于夾持方形工件（具有兩個(gè)平行平面）、板形或細(xì)小棒料等；尖指或薄、長指形一般用于夾持小型或柔性工件，薄指常用于夾持狹窄工作場合的細(xì)小工件，長指常用于夾持熾熱的工件，以避免熱輻射對手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電子元件的影響；V形指常用于夾持圓柱形工件[9]。常用的機(jī)械手手指形狀圖2-5因?yàn)樵O(shè)計(jì)通用性比較強(qiáng)，經(jīng)過分析選用V形手指。2.2.4機(jī)械手臂要實(shí)現(xiàn)的功能是帶動(dòng)腕部和手部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要配合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。升降關(guān)節(jié)要求傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)精度高，選用目前常用的滾珠絲杠的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腕部和手部的運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠具有傳動(dòng)摩擦力矩小、傳動(dòng)效率高、剛性好、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副精度高，潤滑方便，摩擦系數(shù)小，使用壽命長。滾珠絲杠兩端通過軸承固定在基座上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的輸出軸通過同步齒形帶的傳動(dòng)來帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副的螺母沿著絲杠軸線方向作直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手部和腕部的升降運(yùn)動(dòng)[10]。手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間形狀和大小與手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的移動(dòng)范圍密切相關(guān)。根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。同時(shí)減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂的響應(yīng)速度。為了擴(kuò)大機(jī)械手移動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了X方向臂，Z方向臂。2.2.5基座主要起固定作用，將基座固定到工作臺(tái)上，使機(jī)械手更加穩(wěn)定。2.2.6編碼器的設(shè)計(jì)編碼器是一種按照給定的代碼類型產(chǎn)生信息表達(dá)形式的器件，按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。（REP）因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以選擇增量型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)[12]。3機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)表2.1機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式平面關(guān)節(jié)型自由度數(shù)4最大負(fù)載能力（kg）5X、Z坐標(biāo)定位精度（mm）0.1移動(dòng)范圍X方向（水平方向）400Z方向(豎直方向）500C軸（°）360高度（mm）1215本體質(zhì)量（kg）45最大快移速度（m/min）10安裝方式水平安裝安裝環(huán)境濕度（%RH）：20~80溫度（°C）：0~45震動(dòng)（G）：<0.5避免接觸易燃腐蝕性液體或氣體，遠(yuǎn)離電器噪聲源3.2機(jī)械手的傳動(dòng)方案本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)跟兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)跟兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)自由度采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，增量式光電編碼器傳輸，精度高，傳動(dòng)比高，效率高，噪音小，振動(dòng)小。移動(dòng)關(guān)節(jié)自由度采用滾珠絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)功率大，效率高。傳動(dòng)方案如下：水平滾珠絲杠傳動(dòng)——X軸水平移動(dòng)豎直滾珠絲杠傳動(dòng)——橫臂豎直移動(dòng)72步進(jìn)電動(dòng)機(jī)——整個(gè)機(jī)械手360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)38步進(jìn)電動(dòng)機(jī)——機(jī)械手部360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)4機(jī)械手關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算4.1手腕部步進(jìn)電機(jī)的選擇與計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇1)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（4.1）2)聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查表可得聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3）折算到電機(jī)軸上的總慣量（4.2）4)快速空載起動(dòng)力矩 (4.3）加速力矩：（4.4）其中：—加速時(shí)間，?。弧鬯愕诫姍C(jī)軸上的總慣量，約為代入數(shù)據(jù)得：電機(jī)軸上的摩擦力矩：（4.5）式中：，為摩擦系數(shù)取0.18：—長度，取0.005m；—總效率，取=0.8；—齒輪降速比，無齒輪降速，=1。代入數(shù)據(jù)得：附加摩擦力矩：（4.6）式中：—預(yù)加載荷；—傳動(dòng)效率取0.9。代入數(shù)據(jù)得： 所以快速空載起動(dòng)力矩： 通過以上計(jì)算得出電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于0.476。設(shè)計(jì)結(jié)果機(jī)械手腕部采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)功能，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為DH42HS34-1502?；坎竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇跟腕部步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選擇類似。4.2滾珠絲杠部分步進(jìn)電機(jī)的選擇與計(jì)算滾珠絲杠具有傳動(dòng)摩擦力矩小、傳動(dòng)效率高、剛性好、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)，滾動(dòng)導(dǎo)軌副精度高，潤滑方便，摩擦系數(shù)小，使用壽命長。通過分析發(fā)現(xiàn)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腕部和手部的升降運(yùn)動(dòng)，可以滿足設(shè)計(jì)要求[13]。滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)部分所需電機(jī)的選擇計(jì)算粗略假設(shè)絲杠軸向總負(fù)載F=25N，絲杠基本參數(shù)選擇為：梯形螺紋，接觸角β=45°，螺距P=2mm,公稱直徑dm=10mm，摩擦系數(shù)f=0.1，則螺旋升角（4.7）當(dāng)量摩擦角（4.8）螺紋阻力矩（4.9）螺紋摩擦力矩（4.10）式中Q是支撐面平均直徑，取螺母內(nèi)徑與外徑的平均值，即（10+40）/2=25mm；fc=0.1是摩擦系數(shù)。絲杠所受力矩T=T1+T2=0.0678Nm，安全系數(shù)取2，則電機(jī)所需輸出最小轉(zhuǎn)矩為T'=2T=0.136Nm。據(jù)此，步進(jìn)電機(jī)選擇DH42HS34-1502型，它在轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)扭矩為0.3Nm，合乎要求。4.3滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型1)計(jì)算進(jìn)給牽引力，選擇圓導(dǎo)軌。（4.11） 式中：—切削力；—主軸上的扭矩；—滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，在此取0.004；—主軸直徑。代入數(shù)據(jù)得：2）計(jì)算最大動(dòng)載荷 （4.12）式中：—工作壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位，，—絲杠轉(zhuǎn)速，，T為使用壽命，在此取T=15000h，則；—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，在此取1.2；代入數(shù)據(jù)得：3）滾珠絲杠螺母副的選型查閱表，可采用W1L4）傳動(dòng)效率計(jì)算：（4.13）式中：—絲杠螺旋長升角，查表知為；—摩擦角，滾珠絲杠螺母副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。代入數(shù)據(jù)得： 5）穩(wěn)定性校核：滾珠絲杠兩端圓錐滾子軸承，既可以承受軸向力，又可以承受徑向力，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要做穩(wěn)定性校核。4.3.2滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn)1）滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)滾珠絲桿支承方式采用預(yù)壓緊結(jié)構(gòu)，絲杠始終受壓而不受拉。因此，不存在拉桿不穩(wěn)定問題[14]。2)滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn)根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度=837mm。已知彈性模量E=MPa，材料密度N/，重力加速度9.8，安全系數(shù)=0.8。由表2-44查得滾珠絲桿的最小慣性矩為（4.14）滾珠絲桿的最小截面積為（4.15）故可由公式得：r/min=10738r/min本工作臺(tái)滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。3)滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn)滾珠絲桿螺母副的壽命，主要是指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時(shí)，其中90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。查附錄A表A-3得滾珠絲桿額定動(dòng)載荷N，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲桿的動(dòng)載荷N，滾珠絲桿螺母副轉(zhuǎn)速n=r/min即（4.16）一般來講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)該保證滾珠絲桿螺母副的總時(shí)間壽命，姑滿足要求[10]。4.3.3鍵的選擇與校核1）鍵的選擇鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面，鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來選擇；鍵的主要尺寸為其截面尺寸和長度，查表選擇平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為40mm，鍵的長度選為20mm。2）鍵的校核假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為：（4.17）式中：—傳遞的扭矩；—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度；—鍵的工作長度；—軸的直徑。—鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的需用擠壓應(yīng)力。代入數(shù)據(jù)得：經(jīng)查表，許用擠壓應(yīng)力為120~150MPa。所以，滿足要求。5機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算1)計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度。本工作臺(tái)的絲杠支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置（a=L/2，L=1075mm）時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，計(jì)算為：（5.1）當(dāng)a==837mm或a==237mm時(shí)（即滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度