具有空間運動能力的產品輸送機機械手的機械結構設計【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

具有空間運動能力的產品輸送機機械手的機械結構設計【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】,CAD圖紙和文檔終稿可編輯,具有,擁有,具備,空間,運動,能力,產品,輸送,機械手,機械,結構設計,cad,圖紙,以及,文檔,終稿可,編輯,編纂 西安文理學院機械電子工程系 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目 具有空間運動能力的產品輸送機 機械手的機械結構設計 專業(yè)班級 08級機電（2）班 學 號 08102080216 學生姓名 張耐 指導教師 李潤 設計所在單位 西安文理學院 2012 年 5 月 工業(yè)機器人 摘要 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。 本文將設計一臺三自由度的工業(yè)機器人，用于給輸送產品。首先，本文將設計機器人的機械手爪、手臂、腰部和基座的設計，然后選擇合適的傳動方式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的驅動控制系統，包括驅動方式和電機的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現的目標包括：關節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。 關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動 INDUSTRIAL ROBOTS Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four dofs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake 西安文理學院本科設計（論文） 目錄 1 緒論…………………………………………………………………（1） 1.1工業(yè)機器人簡介………………………………………………………… （1） 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展……………………………………………………… （3） 1.3課題的提出、意義及主要任務………………………………………… （4） 2 工業(yè)機器人的總體設計……………………………………………（5） 2.1工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述………………………………… （5） 2.1.1執(zhí)行系統………………………………………………………… （5） 2.1.2驅動系統………………………………………………………… （5） 2.1.3控制系統………………………………………………………… （6） 2.1.4檢測系統………………………………………………………… （6） 2.2工業(yè)機器人的設計分析………………………………………………… （6） 2.2.1設計要求………………………………………………………… （6） 2.2.2工業(yè)機器人主要技術參數……………………………………… （7） 2.3 機器人的運動概述………………………………………………………（7） 2.3.1工業(yè)機器人的運動自由度……………………………………… （8） 2.3.2 機器人的工作空間和機械結構類型……………………………（8） 2.3.3 機器人的運動過程分析 ……………………………………… （9） 2.4原理方案的擬定………………………………………………………… （9） 2.4.1原理方案的選擇………………………………………………… （9） 2.4.2原理方案的確定…………………………………………………（10） 3 工業(yè)機器人機械子系統的設計………………………………… （11） 3.1機械手手爪的設計………………………………………………………（11） 3.1.1設計時要注意的問題……………………………………………（11） 3.1.2總體結構設計……………………………………………………（11） 3.1.3氣缸的選擇和夾緊力的校驗……………………………………（12） 3.1.4彈性爪的強度校驗………………………………………………（13） 3.2手臂機構的設計…………………………………………………………（14） 3.2.1手臂的設計要求…………………………………………………（14） 3.2.2手臂機械結構設計………………………………………………（14） 3.2.3伸縮氣缸的選擇…………………………………………………（15） 3.2.4活塞桿的強度校核………………………………………………（15） 3.3腰部和基座設計…………………………………………………………（17） 3.3.1結構設計…………………………………………………………（17） 3.3.2升降氣缸的選擇…………………………………………………（18） 3.3.3步進電機的選擇 ……………………………………………… （18） 3.3.4連軸器的選擇……………………………………………………（21） 3.3.5 軸承的選取………………………………………………………（22） 3.3.6齒輪的選擇………………………………………………………（24） 4 工業(yè)機器人氣動系統的設計…………………………………… （25） 4.1氣動系統的概述…………………………………………………………（25） 4.2氣動系統的分析與設計…………………………………………………（25） 5 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施………………………… （27） 5.1安全要求…………………………………………………………………（27） 5.2實施方法…………………………………………………………………（28） 總結………………………………………………………………… （28） 致謝………………………………………………………………… （29） 參考文獻…………………………………………………………… （30） 1緒論 1.1工業(yè)機器人簡介 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現機械化。機器人的出現并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。 要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統和控制系統這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機器人的一般組成 對于現代智能機器人而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。 圖1-2 機器人各組成部分之間的關系 機器人的機械系統主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統的應用和研究對系統本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統的性能和智能水平，要求機器人系統具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統。 美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段： （1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為1900型。 （2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 （3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據當時統計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統的高識別能力微型機器人。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3課題的提出、意義及主要任務 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(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，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 在機械加工過程或者自動化社設備中，常常要求有自動輸送和產品裝卸功能的機械手來實現輔助作業(yè)。本次設計擬定題目為在機械產品加工過程中，能夠完成生產線上預定零部件的夾取、輸送及其到達預定目的地后放置等動作的自動化機械手系統設計。要求能夠設計出滿足工業(yè)生產要求的典型一體化系統。 此題目重在培養(yǎng)學生在給定任務下的創(chuàng)造性和創(chuàng)造性思維的能力，在預定時間內解決與專業(yè)相關的實際問題的的能力，同時培養(yǎng)學生的時間能力和動手能力。 課題中所要設計的主要任務有四點：機械手的原理方案設計、機械手的結構方案設計、機械手的轉臂功能的設計、機械手抓取和釋放預定產品功能的設計。 2 工業(yè)機器人的總體設計 2.1工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述 2.1.1執(zhí)行系統。 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 （1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 （2）手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢) （3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、液壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。 （4）立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 （5）機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 2.1.2驅動系統 驅動系統是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 液壓傳動、機械傳動。 2.1.3控制系統 控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前工業(yè)機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 2.1.4檢測系統 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 2.2工業(yè)機器人的設計分析 2.2.1設計要求 （1）安全失效 安全失效是指當機器人及其系統在實際應用時，元器件或某個部件發(fā)生不可預見的失效。但在設計、構造和使用時則應預先考慮到這種情況的發(fā)生，不使其安全功能受到影響，若某一項功能受到影響暫停時，則整個系統仍然處于安全狀態(tài)，且應提供一種能確保安全(如鎖住)的工作方式選擇器件或措施以防止自行啟動。安全功能是由輸人信號觸發(fā)并通過控制系統有關安全部件處理的，能使機器人及其系統達到安全狀態(tài)的功能。機器人及其系統的安全功能至少應包括: a)限制運動范圍的功能; b)緊急停機和安全停機的功能; C)慢速運動—機器人運動速度低于250 mm/s; d)安全防護裝置的聯鎖功能。 （2） 電氣設備 機器人及其系統中的電氣設備的選擇應符合其預定的用途，選用的元器件、部件及設備則應符合產品標準。 （3）電源 電源和接地(保護接地)應符合制造廠的規(guī)定。一般，在常規(guī)電源條件下，機器人及其系統的電氣控制裝置應設計成能在滿載或無載時正常運行。 （4）電源隔離 電源隔離是在機器人系統和電源之間安裝隔離(切斷)裝置，它應安裝在對操作人員無傷害之處。隔離裝置應具有斷路或開路功能。當需要時，該裝置將切斷機器人系統電氣控制的電源，當使用兩個或兩個以上的電源隔離裝置時，應采取聯鎖保護措施。 2.2.2工業(yè)機器人主要技術參數 （1）用途:用于小型零件搬運。 （2）設計技術參數: a)抓重 5公斤(夾持式手部) b)3個自由度數(手臂二個自由度, 手腕一個自由度) c)座標型式 圓柱座標 這種運動形式是通過一個轉動,兩個移動,共三個自由度組成的運動系統(代號RPP),工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 d)最大工作半徑 920mm(720+200) e)手臂最大中心高 1200mm f)手臂運動參數(手臂二個自由度,用一個移動服,一個回轉副) 伸縮行程200mm 伸縮速度300mm/s 升降行程200mm 升降速度300mm/s 回轉范圍00 -2400 回轉速度900/s g)手腕運動參數(手腕一個自由度, 一個回轉副) 回轉范圍 00--1800 回轉速度1800/s h)手指夾持范圍 片料:面積不大于0.02㎡(準備設計成正方形) i)定位精度 士0. 5mm j)緩沖方式 液壓緩沖器 要執(zhí)行的詳細的動作為：（1）定位 （2）抓?。?）提升（4）順時針轉90°（5）前進 6）下降 （7）松開 （8）提升 （9）后退 （10）逆時針轉90°（11）下降，完成一個工作循環(huán)。 2.3.機器人的運動概述 工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結構類型等三方面來討論。 工業(yè)機器人機構的簡圖 2.3.1工業(yè)機器人的運動自由度 所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數的數目，它是表示機器人動作靈活程度的參數。 本設計的工業(yè)機器人具有四轉動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉，前后往復三自由度。 2.3.2 機器人的工作空間和機械結構類型 （1）工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數。 （2）機械結構類型 圓柱坐標型為本設計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 2.3.3 機器人的運動過程分析 工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖3和表3。 圖3 表3 機器人開機，處于A位 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋轉至B位 工步三 手臂伸出 工步四, 工步十 手臂下降 工步五，工步十一 夾緊工件 工步六 手臂收縮 工步八，工步十四 旋轉至C位 工步九 放松工件 工步十二 實現運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統和各種檢測原件來實現的，這里尤其要強調的是機器人對工件的定位夾緊的準確性，這是本次設計成敗之關鍵所在。 2.4原理方案的擬定 2.4.1原理方案的選擇 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專用操作器及轉換器 （4） 仿生多指靈巧手 2.4.2原理方案的確定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現機器人的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊。 3 工業(yè)機器人機械子系統的設計 3.1機械手手爪的設計 工業(yè)機器人的機械手手爪設計是用來抓持工件或工具的。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。 3.1.1 設計時要注意的問題 (1)機械手手爪應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。 (2)機械手手爪應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 (3) 應能保證工件在機械手手爪內準確定位。 (4)結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。 3.1.2 總體結構設計 采用滑槽杠桿式手爪，用小型氣缸驅動夾緊，它的結構形式如圖3-1?；鄹軛U式回轉型夾手爪，當驅動器推動桿2向上運動時，圓柱銷3在兩桿4的滑槽中移動，迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產生夾緊動作和夾緊力。當桿2向下運動時，手指松開。機械手手爪如圖3-1所示[4]。 表3-1 傳動軸上軸承的主要技術參數 3.1.3 氣缸的選擇和夾緊力的校驗 （1）初選氣缸型號 考慮到所要夾持的是比較小的零件，最大工作載荷很小，故初選氣缸型號為QGB-40×s-Y2. 它的主要技術參數如表3-1: 表3-1 QGB-40×s-Y2氣缸的主要技術參數 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 行 程 /mm 氣口直徑 通徑 /mm 聯接螺紋 40 16 60 6 M10×1 （2）夾緊力校驗 a)零件的計算 其中g取9.8，取G=46（N） b)夾緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： f為手指與工件的靜摩擦系數，工件材料為鑄鐵，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15，N為作用在零件內壁上壓緊力，G為零件重力。 （3-1） 取=155（N） 由《機械制造裝備》式4-56可知驅動力的計算公式為： （3-2） 圖3-2 機械手手爪受力分析圖 為斜面傾角，，為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動，查《機械零件手冊》得 這里取 0.85。 L=116.00mm, b=72.30mm N 取P=405N 由《液壓傳動與氣壓傳動》[5]有 （3—3） D為氣缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,QGB型氣缸適用于工作壓力為 0.15～0.80Mpa的工作條件。 取P=0.40Mpa，有機械設計手冊可可查得：=0.8～0.95,所以 由以上計算可知氣壓缸能產生的推力F=401.92N大于夾緊工件所需的推力P=155N。所以該氣壓缸能夠滿足要求。 3.1.4 彈性爪的強度校驗 當彈性手工作時，由于夾過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。 工件與彈簧片間的力： 由上節(jié)可知F=80N。 則彈簧爪截面上的剪應力為[τ]=30MPa， τ=Q/A= 故彈性爪滿足強度要求。 3.2 手臂機構的設計 3.2.1手臂的設計要求 (1)手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求 (2)根據手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料。 (3)盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。 (4)要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 3.2.2手臂機械結構設計 圖3-3 手臂結構圖 本設計手臂直接聯接在底座升降氣壓缸上，結構簡單，裝拆方便。伸縮氣缸的伸縮行程為200mm。采用軸向腳架型氣壓缸，由螺釘安裝在手臂底座上。并在氣缸的兩端各設置一個導向桿支架用來固定導向桿，當活塞桿前后運動時，沿著導向桿運動，從而防止活塞桿的轉動。驅動手爪開合的氣缸固定在另一個底座上，底座的末端設置一個凸臺用來安裝機械手手爪。這個底座的位置由伸縮氣缸的活塞桿和導向桿來固定。如圖3-3所示： 手臂與機械手手爪的聯接結構選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結構，與手爪相連接，從而活塞桿的前后運動驅動手爪的開合。如圖3-4所示： 圖 3-4 活塞桿與機械手的聯接 3.2.3伸縮氣缸的選擇 選氣缸型號為QGB-80×S-Y2，它的主要技術參數如表3-2: 表3-2 QGB-80×S-Y2的主要技術參數[7] 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 行 程 /mm 氣口直徑 通徑/mm 聯接螺紋 80 25 200 10 M14x1.5 3.2.4活塞桿的強度校核 機械手爪的重量約為：10Kg。 工件重量為：4.61Kg。 圖3-5 活塞桿的受力分析 如圖3-5所示，由靜力平衡方程[8] ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 （3-4） ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 （3-5） 求得支反力為： R1=292N R2=628.93N 以A點為坐標原點，得剪力圖3-6和彎矩圖3-7如下： 圖3-6 剪力圖 圖3-7 彎矩圖 由表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在B處橫截面上的剪應力為： τB= R2/A= 安全 在B處的彎應力為： σB= MB/A= 安全。 3.3腰部和基座設計 3.3.1結構設計 通過安裝在支座上的步進電機和錐齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現機器人的旋轉運動，通過安裝在底座轉盤上的氣壓缸帶動橫梁轉動實現手臂的上下移動，采用了導向桿導向，確保手臂隨機座一起轉動。 升降氣缸安裝在底座轉盤上，底座轉盤如圖3-8所示：在轉盤的兩端有兩個空，用來安裝導向桿，這樣既能起到導向作用，有防止了活塞桿相對于氣缸的轉動。 圖3-8 底座轉盤 步進電機通過傳動軸來驅動機身的轉動，傳動軸與底座的連接如圖3-9所示： 圖3-9 傳動軸與底座的聯接 傳動軸與轉盤之間通過鍵聯接，它的軸向位置通過螺釘緊固。確保了傳動的準確性和穩(wěn)定性。 3.3.2升降氣缸的選擇 升降缸是用來實現手臂的上下移動，初選升降氣缸的型號為QGB-125×s-Y2. 表3-3 QGB-125×s-Y2氣缸的主要技術參數 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 行 程 /mm 氣口直徑 通徑 /mm 聯接螺紋 125 32 200 12 M18x1.5 氣缸的校核 a)計算氣缸可以產生的輸出力 已知氣缸的直徑D=125mm，氣缸的工作壓力p=0.4Mpa。 則有機械設計手冊表12-9： 可以算出氣缸所產生的推力P≈0.65p=0.65×125mm×125mm×0.4Mpa=4062.5N 氣缸可以產生的拉力≈0.6p=3750N b）計算機械手臂所產生的重力 機械手爪的重量約為：10Kg；工件重量為：4.61Kg；驅動手爪開合氣缸的重量為1.45 Kg；伸縮氣缸的重量為6.6 Kg；機械手臂的安裝底座和以及導向桿支架等其他零件的總重量約為150 Kg。 機械手臂總體產生的重力G=mg=(10+4.61+1.45+6.6+150)×9.8=1692.07N 氣缸所產生的推力P＞機械手臂總體產生的重力G，所以氣缸能夠推動手臂而完成手臂的升降運動。 3.3.3步進電機的選擇 工業(yè)機器人的旋轉采用了步進電機驅動，由表2-1可知步進電機應用于驅動工業(yè)機器人有著許多優(yōu)點，如控制性能好，可精確定位，尤其本設計中機械手屬于小型機械手，而步進電機正好可應用于體積較小和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手。步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位線（或線位移）的電磁裝置，步進電動機的角位移與輸入脈沖個數成正比，在時間上與輸入脈沖同步。因此只需控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài)。 下面就對步進電機的型號進行選取。 初選電機為BF反應式步進電機，型號為：150BF003。技術參數如表3-4所示[9]： 表3-4 步進電機的主要技術參數 電機 型號 相數 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉矩 /N·m(Kgf·cm) 最高空載啟動頻 率 /HZ 運行頻率 /HZ 轉子轉動慣量 10Kg·m 分配 方式 質量 /Kg 150BF003 5 0.75 80 15.68 2600 8000 102.9 五相十拍 16.5 （1）傳動系統等效轉動慣量計算 動系統的轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統等效轉動慣量。 a)電機轉子轉動慣量的折算 由《機電綜合設計指導》表查出=10.29㎏?cm2 b)聯軸器轉動慣量的折算 （3-6） 式中：為圓柱質量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度。 對于鋼材，材料密度為,把數據代入上式得： c)手臂轉動慣量的折算 工作臺是移動部件，其移動質量折算到活塞軸上的轉動慣量可按《機電綜合設計指導》中公式進行計算： （3-7） 式中，為活塞工作長度（cm）；為工作臺質量（kg）。 所以： d)系統等效轉動慣量計算 （2）驗算轉矩特性 步進電機最大靜轉矩是指電機的定位轉矩，從《機電綜合設計指導》表2-11中查得。步進電機的名義啟動轉矩與最大靜轉矩的關系為： 見《機電綜合設計指導》公式（2-29）P32 查《機電綜合設計指導》表2-12 P35得＝0.707。所以， 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： 見《機電綜合設計指導》公式（2-30）P32 式中：為空載啟動力矩（N?cm）；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力矩（N?cm）；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）； 有關的各項力矩值計算如下： a）加速力矩 見《機電綜合設計指導》公式（2-32）和（2-33） P32 式中：為傳動系統等效轉動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；t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；為初選步進電機的步距角；為脈沖當量。 b)空載摩擦力矩 （3-8） 式中：為運動部件的總重量；為導軌摩擦系數；齒輪傳動降速比；為傳動系數總效率，取＝0.8；為活塞工作長度。 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，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設計指導》圖2-21 P36，從150BF003矩特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩＝對應的允許啟動頻率。查《機電綜合設計指導》表2-11 P34，步進電機150BF003啟動頻率,所以所選電機能正常工作。 d)運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算： （3-9） 式中：為運動部件最大快進速度。算得。 快進力矩的計算公式： 見《機電綜合設計指導》公式（2-37）P37 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。 算得： 。 查看《機電綜合設計指導》圖2-22 P36，從150BF003運行矩頻特性圖中，可知： 快進力矩＝。對應的允許快進頻率； 所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。可以使用。 3.3.4連軸器的選擇 步進電機的電機軸與齒輪軸用聯軸器連接，選用聯軸器為LN型-芯型彈性聯軸器。他的基本結構如圖3-10所示[10]： 圖3-10 聯軸器 1半聯軸器 2-芯型彈性體 該聯軸器的特點是：芯形彈性聯軸器具有一定的補償能力，適用于兩軸線有一定偏移量的工況條件，并具有緩沖和減震性能。該聯軸器不用潤滑，可以在有粉塵和水份的條件下工作，結構簡單，維修方便，但更換彈性元件時需移動一端半聯軸器和主機軸。工作溫度：-20～+70℃，傳遞公稱轉矩為6.3～8000N.m。 該聯軸器所傳遞的公稱轉矩較大，而電機與齒輪軸之間的傳遞力較小，因此，對于聯軸器不用校核。 3.3.5 軸承的選取 (1)作為機座的支承原件，必須能夠承受較大的軸向載荷。在這里選用推力球軸承[11]，軸承的型號為51209。 表3-5 軸承51209的主要技術參數 軸承代號 基本額定 極限轉速 r/min 動載荷 Ca/KN 靜載荷 Coa/KN 脂潤滑 油潤滑 51209 47.8 105 2200 3400 (2) 齒輪軸上軸承的選?。? 考慮到齒輪軸上兩個軸承的安裝問題，在軸的齒輪端安裝直徑稍大的軸承。選取圓錐滾子軸承，型號為30206和30207。 表3-6 齒輪軸上軸承的主要技術參數、 軸承代號 基本額定 極限轉速 r/min 動載荷 Cr/KN 靜載荷 Cor/KN 脂潤滑 油潤滑 30206 43.2 50.5 6000 7500 30207 54.2 63.5 5300 6700 (3)傳動軸上軸承的選?。? 傳動軸上已經有一個推力球軸承來承受軸向載荷，在這里在選取一對軸承支撐傳動軸的轉動。選取滾子軸承，型號為30210， 表3-7 傳動軸上軸承的主要技術參數 軸承代號 基本額定 極限轉速 r/min 動載荷 Cr/KN 靜載荷 Cor/KN 脂潤滑 油潤滑 30210 73.2 92.0 4300 5300 軸承的校核 由圓錐滾子軸承的工作條件可知其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為： 《機械設計》13-17 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8 作連續(xù)旋轉軸承,普通載荷,So=1-2此處取1.5 上軸承受純徑向載荷, 所以 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷, （3-10） R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數，其值按《機械設計》表13－5查取 因為 所以 所以 因此軸承合適 齒輪軸上軸承受力很小，所以不用教核。 軸承摩擦力矩的計算： 如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械 設計手冊》第二版 (16.1-13)公式: 估算 其中:為滾動軸承摩擦因數，F為軸承載荷，d為軸承內徑。 查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得 ，所以也可以用此公式估算 所以 3.3.6 齒輪的選擇 表3-8 齒輪的參數[12] 名稱 代號 小齒輪 大齒輪 分度圓直徑 d 80 152 齒數 z 20 38 大端模數 m 4 節(jié)錐角 27.759o 62.241o 錐距 R 85.882 齒寬 b 26 齒距 p 12.56 工作齒高 h’ 6.8 齒高 h 7.552 齒頂高 4.528 2.272 齒根高 3.024 5.28 頂隙 c 0.725 齒跟角 2.017o 3.518o 齒頂角 3.018o 1.515o 頂圓錐角 30.777o 63.756o 跟圓錐角 25.742o 58.723o 齒頂圓直徑 88.014 154.116 冠頂距 73.891 37.989 大端分度圓弧齒厚 s 7.583 4.977 法向側隙 46 齒輪材料為20Cr且經滲碳淬火，接觸材料系數：KHC=0.86 彎曲材料系數 KFC=0.97。 考