四自由度棒料搬運機械手設計,四自由度棒料搬運機械手設計,自由度,搬運,機械手,設計 ??湖南農(nóng)業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)論文（設計） 中?期?檢?查?表 學??院：??????工學院????????????? 學生姓名 楊龍 學???號 200940614319 年級專業(yè)及班級 2009級機械設計制造及其自動化(2)班 指導教師姓名 向陽 指導教師職稱 副教授 論文（設計）題目 四自由度棒料搬運機械手設計 畢業(yè)論文（設計） 工作進度 已完成的主要內(nèi)容 尚需解決的主要問題 一?收集相關資料 二?總體方案論證，選擇，整體結構的初步設計 三?整體結構設計? 一?繪制裝配圖，繪制零件圖； 二?編寫設計計算說明書 指導教師意見 ? ? ?????????????????????簽名：??????????????年????月????日??? 檢查小組意見 ? ? ???????????????????????組長簽名：???????????年????月????日??? ? 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應責任人親筆填寫。 2.此表可從教務處網(wǎng)站下載中心下載。 ? 湖南農(nóng)業(yè)大學全日制普通本科生 畢業(yè)論文（設計）任務書 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 學生姓名 楊龍? 學????號 200940614319? 年級專業(yè)及班級 2009級機械設計制造及其自動化(2)班? 指導教師及職稱 向陽???副教授 學????院 工學院? ? ? ?? ? ? 2012?年?12?月?3?日 填?寫?說?明 ? 一、畢業(yè)論文（設計）任務書是學校根據(jù)已經(jīng)確定的畢業(yè)論文（設計）題目下達給學生的一種教學文件，是學生在指導教師指導下獨立從事畢業(yè)論文（設計）工作的依據(jù)。此表由指導教師填寫。 二、此任務書必需針對每一位學生，不能多人共用。 三、選題要恰當，任務要明確，難度要適中，份量要合理，使每個學生在規(guī)定的時限內(nèi)，經(jīng)過自己的努力，可以完成任務書規(guī)定的設計研究內(nèi)容。 四、任務書一經(jīng)下達，不得隨意更改。 五、各欄填寫基本要求。 （一）畢業(yè)論文（設計）選題來源、選題性質(zhì)和完成形式： 請在合適的對應選項前的“□”內(nèi)打“√”，科研課題請注明課題項目和名稱，項目指“國家青年基金”等。 （二）主要內(nèi)容和要求： 1．工程設計類選題 明確設計具體任務，設計原始條件及主要技術指標；設計方案的形成（比較與論證）；該生的側重點；應完成的工作量，如圖紙、譯文及計算機應用等要求。 2．實驗研究類選題 明確選題的來源，具體任務與目標，國內(nèi)外相關的研究現(xiàn)狀及其評述；該生的研究重點，研究的實驗內(nèi)容、實驗原理及實驗方案；計算機應用及工作量要求，如論文、文獻綜述報告、譯文等。 3．文法經(jīng)管類論文 明確選題的任務、方向、研究范圍和目標；對相關的研究歷史和研究現(xiàn)狀簡要介紹，明確該生的研究重點；要求完成的工作量，如論文、文獻綜述報告、譯文等。 （三）主要中文參考資料與外文資料： 在確定了畢業(yè)論文（設計）題目和明確了要求后，指導教師應給學生提供一些相關資料和相關信息，或劃定參考資料的范圍，指導學生收集反映當前研究進展的近1－3年參考資料和文獻。外文資料是指導老師根據(jù)選題情況明確學生需要閱讀或翻譯成中文的外文文獻。 （四）畢業(yè)論文（設計）的進度安排： 1．設計類、實驗研究類課題 實習、調(diào)研、收集資料、方案制定約占總時間的20%；主體工作，包括設計、計算、繪制圖紙、實驗及結果分析等約占總時間的50%；撰寫初稿、修改、定稿約占總時間的30%。 2．文法經(jīng)管類論文 實習、調(diào)研、資料收集、歸檔整理、形成提綱約占總時間的60%；撰寫論文初稿，修改、定稿約占總時間的40%。 六、各欄填寫完整、字跡清楚。應用黑色簽字筆填寫，也可使用打印稿，但簽名欄必須相應責任人親筆簽名。 ? ? 畢業(yè)論文 （設計）題目 四自由度棒料搬運機械手設計? 選題來源 □結合科研課題???課題名稱：???????????????????????????????????????? □生產(chǎn)實際或社會實際???????????■其他???? 選題性質(zhì) □基礎研究?????■應用研究?????□其他 題目完成形式 □畢業(yè)論文?????■畢業(yè)設計?????□提交作品，并撰寫論文 主要內(nèi)容和要求 ? 機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手的開發(fā)與應用是機械、電子、傳感器、計算機、自動控制技術等技術的綜合運用過程。本研究的目的在于設計一套適用于4自由度棒料搬運機械手的控制系統(tǒng)，應用于相關程序教學、課程設計和競賽等。 ? 設計要求： 1.???????實現(xiàn)對機械臂4個關節(jié)運動的精確獨立控制 2.???????提供手柄控制或PC機在線控制，操作方便可靠 ? 研究內(nèi)容 1.?????????系統(tǒng)原理方案分析，控制方案設計 2.?????????電機驅(qū)動方案制定及相關元器件選擇 3.?????????單片機的選擇 4.?????????電路設計，繪制電路原理圖及PCB圖 5.?????????軟件編寫及調(diào)試 6.?????????整理資料，撰寫設計說明書 注：此表如不夠填寫，可另加附頁。 主要中文參考資料與外文資料 ? 1.???????中國知網(wǎng)（CNKI）關于機械手、單片機、伺肥電機控制的相關文獻 2.???????中國專利網(wǎng)關于教學機械手的相關專利 3.???????電子學、控制系統(tǒng)、單片機、Protel相關教材 ? 工作進度安排 起止日期 主要工作內(nèi)容 2012/12/5 接受任務書???????????????????? 2013/1/7前 完成開題報告 2013/1/13前 開題論證 2013/1/14-2013/3/30 設計 2013/3/30-2013/3/31 中期考核 2013/4/1-2013/5/5 完善與總結課題 2011/5/6 提交正稿與預審 2011/5/6-2011/5/20 答辯與修改 要求完成日期：20?13年?5??月?6??日????????指導教師簽名：???????????????????????? 審查日期：20?12年?12?月?4??日????????????專業(yè)委員會主任簽名：????????????????? 批準日期：20?12年?12?月?5??日????????????學院指導委員會簽名（公章）：??????????? 接受任務日期：20?12年?12?月?5??日????????學生本人簽名：???????????????????????? 注：簽名欄必須由相應責任人親筆簽名。此表可從教務處網(wǎng)站下載中心下載。 畢業(yè)論文（設計）題目 四自由度棒料搬運機械手 課題的目的與意義 在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。 近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 本設計的機械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，減輕工人勞動強度而設計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。 本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉方向。 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運。通過氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于60mm的棒料的搬運。 在控制器的作用下，機械手執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉過來這一簡單的動作. 國內(nèi)外研究情況 機器人（又稱機械手，機械人，英文名稱：Robot），在人類科技發(fā)展史上其來有自，早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結晶。隨著近代的工業(yè)革命，機器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機器人是典型的機電一體化高技術產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領域，它對于提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件的作用日見顯著。不少勞動條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場合，工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢。 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代工業(yè)機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。 世界上工業(yè)機器人萌芽于50年代的美國，經(jīng)過40多年的發(fā)展，已被不斷地應用于人類社會很多領域，正如計算機技術一樣，機器人技術正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。 進入90年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在10%左右，世界上已擁有機器人數(shù)量達到70萬臺左右，1992、1993年世界機器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。與全球機器人市場一樣，中國機器人市場也逐漸活躍，1997年上半年，我國從事機器人及相關技術產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人約有410臺，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。目前全國約有機器人用戶500家，擁有的工業(yè)機器人總臺數(shù)約為1200臺，其中從40家外國公司進口的各類機器人占2/3以上，并每年以100～150臺的速度增加。 從機器人的應用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨勢，工業(yè)機器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景。 主要參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊[M].第3卷.北京：化學工業(yè)出版社.2001 [2] 張鐵,謝存禧.機器人學][M].廣州:華南理工大學出版社.2004 [3] 陳統(tǒng)堅.機械工程英語[M].北京:機械工業(yè)出版社.1996. [4] 成大先.機械設計手冊.單行本.氣壓傳動[M].北京：化學工業(yè)出版社.2004 [5] 馮辛安.機械制造裝配設計[M].北京: 機械工業(yè)出版社.2004 [6] 成大先.機械設計手冊.單行本.常用工程材料[M].北京：化學工業(yè)出版社.2004 [7] 吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機械設計[M].北京:高等教育出版社.2002 [8] 鄭堤,唐可紅.機電一體化設計基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社.2001 [9] 陸一心,氣壓與氣動技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社.2004 [10] 秦曾煌.電工學電子技術(第五版) [M]. 北京：高等教育出版社.1999. [11] 吳宗澤.機械設計實用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社.2000. [12] 吳振彪.機電綜合設計指導[M].廣東海洋大學.2002 [13] 馮開平，左忠義.畫法幾何與機械制圖[M].廣州:華南理工大學出版社.2004 [14] Robert J. Schilling.[Fundamentals of Robotics-Analysis and Control].New Jersey:Prentice Hall,1990 研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預期成果、條件保障等） 研究目的 為了更好的了解四自由度棒料機械手設計系統(tǒng) 研究內(nèi)容與方法 （1） 完成復雜運動控制設計的總體方案 （2） 通過老師的指導可以對機械手進行熟悉的操作和運用 （3） 利用現(xiàn)有資料對機械手進行運動學理論分析，并結合矩陣工具對其建立的運動學的方程進行求解； （4） 利用機械手完成平面文字軌跡的運動控制； （5） 對復雜運動控制的總結，分析其優(yōu)缺點，并提出其缺點的解決方案和需要注意的問題 預期成果 以示教型四自由度串聯(lián)機械手為實驗設備，進行機械手的復雜運動控制，使機械手完成各種復雜軌跡的運動控制等功能，能夠在現(xiàn)在工業(yè)焊接、噴漆等方面的任務 條件保障 （1）微型計算機1臺。 （2）所需的office辦公軟件和Auto CAD Pro/E SolidWorks等軟件。 （3）有資深老師的指導。 進程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等） 2012.12-2012.2 收集相關資料，確定題目； 2013.3.1-20013.3.20 總體方案論證，選擇，整體結構的初步設計； 2013.3.21-2013.4.10 整體結構設計，繪制裝配圖； 2013.4.11.5-2013.4.20繪制零件圖 2013.4.21-2013.5.6 編寫設計計算說明書。 討論小組意見 組長簽名： 2013年 月 日 專業(yè)委員會意見 專業(yè)委員會主任簽名： 2013年 月 日 10 湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設 計 四自由度棒料搬運機械手設計 THE FOUR DEGREES-OF-FREEDOM BAR MANIPULATOR DESIGNS 學生姓名：楊 龍 學 號：200940614319 年級專業(yè)及班級：2009 級機械設計制造及其自動 化(3)班 指導老師及職稱：向陽 副教授 學 院： 工學院 湖南長沙 提交日期：2013 年 5 月 湖南農(nóng)業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工 作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文 不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻 的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律 結果由本人承擔。 畢業(yè)設計作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要1 關鍵詞1 1 前言2 1.1 工業(yè)機器人的概述與發(fā)展2 1.2 本設計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功3 1.3 本設計中的四自由度棒料搬運機械手設計的意義3 2 機械手的總體設計4 2.1 設計要求4 2.2 機器手的組成4 2.3 總體方案擬定4 2.4 機器人的工作空間5 2.5 機械手驅(qū)動系統(tǒng)設計6 2.5.1 機械手驅(qū)動器6 2.5.2 機械手傳動機構6 3 機械手的傳動設計8 3.1 滾珠絲杠的選擇8 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定9 4 機械手的各電動機的選擇15 4.1 機械手手臂升降步進電機的選擇15 4.2 機械手底座回轉驅(qū)動電動機的選擇16 5 機械手各氣動件的設計計算18 5.1 氣爪夾緊力的計算與氣爪的選擇18 5.1.1 氣爪夾緊力要求 18 5.1.2 缸徑的確定19 5.1.3 行程的確定20 5.1.4 氣缸的運動速度20 5.1.5 擺動氣缸的選擇21 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇23 6 機器人控制系統(tǒng)設計25 6.1 機械手控制器的選擇25 6.2 機器手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求25 6.3 控制系統(tǒng)的總體設計25 7 手臂運算與機械手參數(shù)26 7.1 手臂平衡的驗算26 7.2 機械手參數(shù)26 結束語26 參考文獻27 致謝27 0 四自由度棒料搬運機械手設計 學 生：楊 龍 指導老師：向 陽 （湖南農(nóng)業(yè)大學工學院,長沙 410128） 摘 要: 本設計的機械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，減輕工人勞動強度 而設計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞 動。 本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉方向。 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。通過氣 爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60mm 的棒料的搬運。在控制器的作用下，機械手執(zhí)行將工件從 一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉過來這一簡單的動作. 關鍵詞：四自由度；機械手；搬運；工業(yè)機器人 The Four Degrees-of-freedom Bar Manipulator Designs Student:Yang Long Tutor:Xiang Yang (College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China) Abstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do it. This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot 1 1 前言 1.1 工業(yè)機器人的概述與發(fā)展 機器人（又稱機械手，機械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有 自，早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結晶。隨著近代的 工業(yè)革命，機器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作， 也是為了以機械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機器人 的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機器人是典型的機電一體化高技術產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領域，它對于提高生產(chǎn) 自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件的作用日見 顯著。不少勞動條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場合，工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然 的趨勢。 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位， 自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工 件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬 運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分 為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由 手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即 通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再 現(xiàn)示教的操作。 第二代工業(yè)機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的 能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從 1980 年開始進入 了實用階段，不久即將普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還 能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這 一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有 2 適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。 世界上工業(yè)機器人萌芽于 50 年代的美國，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應用 于人類社會很多領域，正如計算機技術一樣，機器人技術正在日益改變著我們的生產(chǎn) 方式。 進入 90 年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界 上已擁有機器人數(shù)量達到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機器人市場曾一度出現(xiàn)小 的低谷，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。與全球機器人市 場一樣，中國機器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機器人及相關技術產(chǎn) 品研制、生產(chǎn)的單位已達 200 家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人約有 410 臺，其中已用 于生產(chǎn)的約占 3/4。目前全國約有機器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機器人總臺數(shù)約為 1200 臺，其中從 40 家外國公司進口的各類機器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺 的速度增加。 從機器人的應用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨 勢，工業(yè)機器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景 2。 1.2 本設計中的四自由度棒料搬運機械手所實現(xiàn)的功能 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬 運。 本設計中的機械手有四個自由度，由底座的旋轉，手臂的升降，手臂的伸縮，手 爪的旋轉組成。本設計中的機械手是一種通用型棒料搬運機械手。通過氣爪手指的不 同選擇可滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實現(xiàn) 在機械手工作范圍內(nèi)把棒料從指定點搬運到另一指定點，并把棒料翻轉過來。通過對 機械手的相應控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。 1.3 本設計中的四自由度棒料搬運機械手設計的意義 機器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應用與許多生產(chǎn)領域。由目前 的發(fā)展狀況看，在可預見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。本機械手就是 基于此并為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，減輕工人勞動強度而設計的。在 某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。 在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代 替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢 4。 2 機械手的總體設計 2.1 設計要求 3 要求：本畢業(yè)設計要求學生掌握機器人或工業(yè)機械手的結構及工作原理，實現(xiàn)機 械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運機器 人設計，要求所設計機器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達規(guī)定的地點。 2.2 機器手的組成 圖 1 機械手的組成圖 Fig1 The composition diagram of the robotic 機械系統(tǒng)：本機械手由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)組成。 2.2.1 執(zhí)行系統(tǒng)： 執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括 氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉。 2.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)： 為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。本設計選用機械傳動、氣壓 傳動和電機驅(qū)動。 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā) 生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 2.3 總體方案擬定 由設計要求本設計機械手實現(xiàn)的作用：自動線上有，兩條輸送帶，之間距離 為 0.7m，現(xiàn)設計機械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉過來。 確定為四自由度的機械手。其中 2 個為旋轉，2 個為平移。 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(xiàn)的技 術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設計就是在這一思維下展 開的。根據(jù)設計內(nèi)容和需求確定機械手，利用步進電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機 4 器人的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅(qū)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(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機械手工作范圍不大，故利用氣 缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾 緊。氣爪的旋轉則由與氣爪連接的擺動氣缸實現(xiàn) 7。 其外觀與工作移動方位如圖 2。 圖 2 機器人外形圖 Fig2 Robot Outline Drawings 2.4 機器人的工作空間 本機械手底座采用圓柱坐標型結構，其工作空間是一個具有一定角度的繞機械手 轉動軸的扇形體立體空間。機器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相 對工作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比，絕對工 作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積，只要工件搬運點都在此范圍內(nèi)即可實現(xiàn) 搬運。 下圖 3 描述了本機械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 5 圖 3 工作空間圖 Fig3 Workspace map 2.5 機械手驅(qū)動系統(tǒng)設計 2.5.1 機械手驅(qū)動器 機械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構,它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動臂，桿和 載荷完成指定的運動。常用的驅(qū)動器有電機、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機 驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機，交流伺服電機及其步進電機等。本 設計中底座的旋轉與手臂升降都是采用步進電機作為驅(qū)動器（在第 5 章計算說明步進 電機的選擇） ，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器。氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來 作為驅(qū)動器 6。 2.5.2 機械手傳動機構 手臂的升降是步進電機通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從 而驅(qū)動手臂的升降。 手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現(xiàn)伸 縮運動的。 氣爪的旋轉是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 4。 圖 4 氣爪連接示圖 Fig4 Gripper connection diagram 底座的旋轉是通過步進電機聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉動機座轉動，從而實現(xiàn)機 械手的旋轉運動。如下圖 5。 1支座，2電機，3軸承，4帶傳動，5殼體 6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 6 圖 5 機械手底座傳動示圖 Fig5 Robot base transmission diagram 本設計中的四自由度棒料搬運機械手的有關技術參數(shù)見表 1。 表 1 機械手參數(shù)表 Table 1 Robot parameter table 機械手類型 四自由度圓柱坐標型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉運動，回轉角 240，步進電機驅(qū)動 PLC 控制 手臂升降機構 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進電機驅(qū)動 PLC 控制 手臂伸縮機構 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動 活塞位置控制 氣爪旋轉機構 旋轉運動，旋轉角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關控制 3 機械手的傳動設計 3.1 滾珠絲杠的選擇 絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設計的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷 Fm = 245 N 。絲桿選為有效行程 450 mm , 由前電機選擇的計算絲桿轉速 nm = 525 r/min , 設計使用壽命取 L=27 106r，工作溫度低于 100，可靠度 95%，精度為 3 級精度。 計算工作載荷： Fc = KF m 式中： K顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，設計取為 1.2 Fc = KFm =1.2 245 = 294 N 最大動負載 C 的計算 最大動負載 C 的計算公式： 3mCLfF 查機電綜合設計指導書式 2-14 得 式中： L工作壽命，單位為 106r，本設計取為 27 106r fm運轉狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 11.2，本設計取 1.2 Fm滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入 3mCLfF 得： 271.94058.N 選擇滾珠絲桿副的型號 7 C=1058.4N 按 CC a，查機電綜合設計指導書表 2-7，選用漢江機床廠 FN 型滾珠 絲杠，系列代號為 FN-2506-24。其中 Ca=7747N D0= 25 mm , Pn=6mm , 螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算: 螺旋導程角 = arctanP n/（d 0） = arctan（6/25） = 357 效率的計算公式 =tan/tan(+) 查機電綜合設計指導書式 2-15 得 式中： 絲桿螺旋導程角有前計算的 =357 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 f=0.003-0.004，其摩擦角為 =10 把以上數(shù)據(jù)代入 =tan/tan(+)得： = tan357/tan(357+10) = 0.950=95% 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定 一般一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結構簡單，零件少，重 量輕，運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳 動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設備中。本設計的底座 旋轉采用諧波齒輪減速器傳動。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由 三個基本構件構成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構成的波 發(fā)生器 11。 諧波齒輪的設計基本參數(shù)如下： 傳動比：i 2=100； 柔輪變形波數(shù)：U=2 ； 柔輪齒數(shù)： Z R=Ui=2100=200 剛輪齒數(shù)： Z G=ZR+U=200+2=200 模數(shù)：m=0.4mm 柔輪臂厚：H=0.5mm 尺寬：b=20mm 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算分別確定如下： 8 全齒高：h R=07mm hG=0.72mm 分度圓直徑：d R=80mm 80.dm 齒頂圓直徑：d aR=83.2mm 2aG 齒根圓直徑：d fR=79.7mm 4.f 齒形角：a R=20 0G 變位系數(shù)：X R=3.7 3.71X 柔輪與剛輪均采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸 2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。 諧波齒輪輪齒的耐磨計算： 由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪 齒工作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作 表面的耐磨損能力可由下式計算： PvnRbZhdTKp20 （1） 式中：T作用在柔輪上的轉矩（Nm） ，由前計算取得 T=2 Nm； dR柔輪分度圓直徑，本設計中取為 dR=80mm ； hn最大嚙入深度，近似取 hn=（1.41.6）m，本設計中取 ；1.40.56nh b 齒寬（mm） ，設計中取為 b=20mm ； ZV當量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取 ；0.7521vZ K載荷系數(shù)，取 K=1.31.75 ，設計中取為 K=1.5 ； PP齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 PP=8MPA ； 9 所以，代入 得： PvnRbZhdTKp20 201.58.6.4MPa 因 滿足 pp p，所以符合耐磨性要求 。0.46MPa8 柔輪強度計算： 諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應力狀態(tài)，其正應力基本上是對稱變化的， 而切應力則呈脈動變化，若以 分別表示正應力和切應力的應力幅和平均應,ama 力。 （1）正應力的應力幅和平均應力分別為： (2) 035.21mpaDEh （2）由變形和外載荷所引起的切應力分別為： (3) 12215.0hTppy 則，切應力的應力幅和平均應力為： (4) .()amy 以上式中：T柔輪工作轉矩（ ） ，由前計算取為：T=2 ；NmN h1柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設計中取為：h1=0.6mm ； DP計算平均直徑（mm） ，設計中為： DP=dfh179.70.679.1mm ； E彈性模量（MPa） ，設計中為 E =206000 MPa ； 變形量（mm） ， ，本設計中為GRd =80.880=0.8mm ； 柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考 慮加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。 10 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： (5) 323220.8610.3556.13()79.9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP 30CrMnSiA 的力學性能如下： ，球化處理后硬度為 2426HRC ，10,90basaMP 且，?。?10.45.10495()227b aMP 柔輪正應力安全系數(shù)和切應力安全系數(shù)分別為： 114953.92.602723.8.81.40aamnk 柔輪的安全系數(shù)： (6) 2223593.9.n 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強度滿足要求。 4 機械手的各電動機的選擇 進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數(shù)成正比的角位移 或直線位移的執(zhí)行電機。本機械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進電機對系統(tǒng)位 置控制比較準確且控制易于實現(xiàn)。故本機械手選用的驅(qū)動電機都是步進電機。 4.1 機械手手臂升降步進電機的選擇 機械手手臂升降用步進電機來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。 初選步進電機 75BF003 由前計算絲桿導程為 L 0=6mm 11 本設計機械手手臂升降速度選定為 S=35m/s 所以絲桿轉速 (7) 0w=S/L356 .8r/49.8(rin) 回轉轉矩： Mc=Mga+Mf (8) 式中：M c 機械手手臂升降相對絲桿的回轉力矩 ； Mf 機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ； Mga機械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ， t wJMga0 (9) 式中： 手臂升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：w ； (10)/(649.30 298.34min)/(98.34 sradr t手臂升降啟動或制動的時間：本設計取為 ；.t 手臂升降時各部件對回轉軸線的轉動慣量 ，0J )(2kgm 其中： (13)SldJ 式中： 絲桿對其轉動軸的轉動慣量 ，s )(2 其中： (11)437.810smDL 式中： 絲桿的公稱直徑由前計算得 0.5()mD 絲桿的長度本設計取為 0.6(m)L 代入得： 4327.805.113()sJkg 升降電機與絲桿間的聯(lián)軸器的轉動慣量lJ 2s J=0.18(kg) 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得； 步進電機轉子的轉動慣量d 20.764()dJm 查機電綜合設計指導書表 2-18 得； 代入得：J 0=JS+Jl+Jd 12 2=0.137+.80.17645()kgm 把以上代入 得： (12)t wJMga03.9.a 0.4()N 其中： ； /2mfMGD (13) 式中： G手臂的自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數(shù) f=0.08 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得 代入得： (14)/2mfMD 0.825/()N 得： M c=Mga+Mf 0.496() 電機與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 0.69()ipcMNm 34/lwrads 上式中： 負載峰值轉速（rad/s） ，如上計算 ： ；lp 36.49(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：lp N0iMNm 電動機的功率計算式： (15) lpmP 上式中： 計算系數(shù)，其中一般 ，本設計中?。?；5.212 絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設計中?。?；9.070.8 13 代入以上數(shù)據(jù)得： (16) lpmMP 20.693.4/0.858()W 根據(jù)負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩，選用步矩角為 3 步進電機 75BF003，其最大靜 轉矩為 0.882 ，滿足負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩的要求.N 電機參數(shù)表 2 Table2 Motor parameter table 電機型 號 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /Nm(Kgfcm) 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 4.2 機械手底座回轉驅(qū)動電動機的選擇 機械手機身安裝在底座上所以底座作旋轉時將手臂與機身一起旋轉 機械手底座轉速： 設計選取為 即旋轉 1800的時間為 3s；10/minr 回轉轉矩： (17) cgafM 式中： 機械手整體相對底座回轉軸的回轉力矩 ；cM f 機械手整體相對底座回轉軸的摩擦阻力矩 ； 機械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ， twJMga0 (18) 式中： 底座旋轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度：w ；)/(047.16 2min)/(10sradr 底座旋轉啟動或制動的時間：本設計中 ；t (3.t 14 與 的轉化系數(shù)： ，本設計中取fMga 95.080.85 手臂、機身、轉軸對底座旋轉軸線的轉動慣量0J )(2kgm 由于本機械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉體,所以算得在選用電機時 相應把最大靜轉矩要求提高來選擇。 (19)2 22 322107.99.014.054.53mkgrrJ 式中： 手臂無氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機械手為 ；1 kgm15 手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機械手為 ；2 2 其中： 手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉動慣量；21m 機身的質(zhì)量（ kg） ，本機械手為 ； 3mkg03 其中： 的轉動慣量看作均勻圓柱體來計算；3 與 相對應的長度（m） 。321,r21, 把以上數(shù)據(jù)代入得： (20)(827.395.0mN Mgaf (21)(6.fgac 底座電機通過諧波減速器連接轉動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。 所以： (22)(73.0168.mNiMclp .4./lp rads 上式中： 負載峰值轉速（rad/s） ，如上計算 ： ；lpw 104.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：lp )(mN3iMNm 15 電動機功率的計算公式式： (23) lpmMP0.7314.289.W 式中： 步進電動機的功率（W） ； mP 負載峰值轉速（ rad/s） ，由前計算 ： ；lp 104.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，由前計算：Mlp=0.737（ ） ；lpM)(mN mN 計算系數(shù)，其中一般 ，本設計中?。?；5.212 底座傳動裝置的效率，估算為 ，本機械手取為： 。 9.070.8 根據(jù)負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩，選用步矩角為 3 的步進電機 90BF003，其 最大靜轉矩為 1.96 ，滿足要求。mN 電機參數(shù)表 3 Table3 Motor parameter table 電機型 號 相數(shù) 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /Nm(Kgfcm) 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質(zhì)量 /Kg 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 5 機械手各氣動件的設計計算 5.1 氣爪夾緊力的計算與氣爪的選擇 5.1.1 氣爪夾緊力要求 由設計任務書的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為 2kg。 本設計設計的機械手搬運的工件定為圓柱形的棒料。 16 工件重力 G=2x9.8=19.6N 夾起工件主要是靠氣爪手指與工件的靜摩擦力克服工件的重力。 其加緊視圖如圖 6: 圖 6 工件夾緊視圖 Fig6 Workpiece clamping view 氣爪拿起工件所需的力 123LFKG 式中：G機器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本設計 G=19.6； K1安全系數(shù)，一般取 K1=1.22.0,本設計中取 K1=1.2； K2機器人的手部工作狀況系數(shù)，按 (24) 21ag 計算得 K2=1.2； a 為機器人手爪運動加速度的絕對值； K3方位系數(shù)，根據(jù)機器人手爪與工件形狀選 K3=1 把以上數(shù)據(jù)代入 得：123LFKG FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： (25)LNF 式中： 鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) =0.2 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得 把以上數(shù)據(jù)代入 (19)得： 2 LNF 17 (26)28.41.20NFN 氣缸的選定中，首先確定其負載的大小，負載決定了缸徑的大?。黄浯我_定其 行程、安裝形式等. 5.1.2 缸徑的確定 缸徑與所使用的氣源的壓力有關，同時要確定動作方向是推力還是拉力。 本設計的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學計算公式為： 拉力 F=0.25(D 2-d2)P 式中：D氣缸直徑（m）,本設計初取為 0.04m ； d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設計初取為 0.012m ； P氣缸工作壓力（Pa） ，本設計取為 0.6MPa； F氣缸理論推力、拉力（N） 把以上數(shù)據(jù)代入 F=0.25(D 2-d2)P 得：26=0.5(.40.1).0681 計算得的 F 為理論拉力，其實際拉力可根據(jù) Fs=F 計算。 式中：氣缸的工作效率，一般在 0.70.95 之間。當工作壓力增高、缸徑增 大時效率增大。本設計工作壓力交大取為 0.85。 把以上數(shù)據(jù)代入 Fs=F 得： (27)0.856.14s 39N 圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm 為活塞桿推動手指的力臂。 氣爪夾緊工件的力 FN1=FsR/L 代入數(shù)據(jù)得： 1583.9250N 6 由計算得 FN1 FN所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿足設計要求。 氣缸是氣爪的的驅(qū)動器，氣缸與氣爪手指的連接結構如下圖 7。 18 圖 7 氣缸與氣爪手指的連接結構 Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動的距離，對外表現(xiàn)為負載移動的距離，確定此距離時要 充分考慮工況情況，應預留出一點行程，避免活塞桿撞壞。 由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。 5.1.4 氣缸的運動速度 氣缸的運動速度主要由所驅(qū)動的工作機構的需要來決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：本氣缸為水平安 裝采用用排氣節(jié)流； 本設計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。 本氣缸使用注意事項 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-3580，工作壓力為 0.40.6MPa； 2）安裝前，應在 1.5 倍工作壓力條件下進行試驗，不應漏氣； 3）裝配時，所有密封元件的相對運動工作表面應涂以潤滑脂； 4）安裝的氣源進口處必須設置氣源調(diào)節(jié)裝置：過濾器-減壓閥-油霧器； 5.1.5 擺動氣缸的選擇 前選擇的 HGW40A 的氣爪其轉動慣量 Jq=124X10-4kgm2 其爪夾持的工件的轉動慣量為： (28) 2(3)1gmJRl 式中：m工件的質(zhì)量（kg） ，本設計為 m=2kg; R工件的半徑（m） ，本設計為 R=20mm; 19 l工件的長度（m） ，本設計為 l=50mm; 把以上數(shù)據(jù)帶入 得： 2(3)1gJRl2(30.5)1gJ 42670kgm 加在擺動氣缸工作上的轉動慣量為：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2 由擺動氣缸工作轉動慣量 J=130.167 kgm2 選用預選費斯托(festo)公司的 DSM- 32-270-P-PW 型氣缸。 該氣缸的許用轉動慣量為：500X10-4 kgm2 滿足要求。 由下圖 5-3 擺動的時間約需 0 .3s 該氣缸是葉片驅(qū)動雙作用氣缸，在整個擺角范圍內(nèi)可實現(xiàn)無極擺角調(diào)節(jié)，終端位 置可通過止動螺釘和緊固螺母調(diào)節(jié)。止動桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收，終端緩 沖由緩沖器實現(xiàn)。轉動葉片本身不用于確定終端位置，既止動杠桿和止動裝置不能移 動。該擺動氣缸防水防塵 10。 圖 8 氣缸工作轉動慣量與擺動時間關系 Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship 本氣缸可實現(xiàn)擺角范圍內(nèi)無極擺角調(diào)節(jié)下圖 9 為其擺角調(diào)節(jié)結構示圖： 20 圖 9 擺角調(diào)節(jié)示圖 Fig9 Swing angle adjustment diagram 擺動氣缸參數(shù)表 4 Table4 Swing cylinder parameter table 結構特點 工作壓力 緩沖角 重量 32MM 葉片驅(qū)動的擺動缸 15-10bar 09 o-17 o 1.02kg 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 缸徑的確定： 缸徑的計算公式 (29) 14/()DFP 查液壓氣動系統(tǒng)設計手冊得 式中：P氣缸的工作壓力（Pa）,本氣缸選為 0.6MP 氣缸總的機械效率，本氣缸估算為 0.4 D氣缸的內(nèi)徑（m） 。 F1氣缸的負載力（N） 。本氣缸負載較小取為 10N 把以上數(shù)據(jù)代入 得： (29)14/()FP 650.341) =0.02526m 查機械設計手冊-氣壓傳動表 22-1-64 氣缸內(nèi)徑取標準為 32mm。 行程的確定由設計的工作要求活塞行程取為 320mm。 氣缸型號的選擇： 由以上參數(shù)的計算選費斯托(festo)公司的 DNG-32-320-PPV-A 型氣缸 本氣缸活塞安裝有傳感裝置，活塞位置可以被行程開關檢測到，從而實現(xiàn)對氣缸位置 的控制。選用的控制安裝附件為 SMB-2-B。該氣缸的緩沖長度為 19mm。 21 連接形式： 由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負載較大，使推桿受的彎曲應力較大。選 用該氣缸的一個安裝附件，導向單元 FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導向單元上。 下圖為該導向單元外觀圖 10 圖 10 導元向單 Fig10 Guide element to a single 下圖 11 為最大工作負載與導桿投影距離之間的關系圖 圖 11 負載特性圖 Fig11 Load characteristic diagram 由上圖表可查得本設計選用的 FENG-32 氣缸在最大伸長距離 320mm 的情況下其最 大負載為 55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為 4kg，擺動氣缸質(zhì)量為 1.02kg。所以導 向單元的實際總負載 Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N 滿足設計要求，該導向單元可 用。 22 圖 12 導向單元與氣缸連接圖 Fig12 Guide unit with cylinder connection diagram 6 機器人控制系統(tǒng)設計 6.1 機械手控制器的選擇 工業(yè)機械于是一種模仿人手動作井按設定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬 運工件或操持工具進行操作的機電一體化自動化裝置。 工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)是通過控制氣缸電磁換向閥，電機的正反轉來實現(xiàn)不 同的動作的，有采用單片機控制的，也有采用可編程控制器來控制的，若采用單片機 控制由于電磁的工作電壓高于單片機的+5伏電源所需驅(qū)動電流較大因而須設計 功率接口電路還要進行抗干擾及其可靠性的設計。而采用PLC控制，則無需考慮上 述問題。 有著極大的靈活性，易于模塊化，當機械手工藝流程改變時，只要對 點的接線稍作修改，或繼電器重新分配，程序中作簡單修改，補充擴展 即可。機械手的速度、電機運行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用 控制的機械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經(jīng)濟 效益。 本設計機械手采用控制。 6.2 機器手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 23 工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構，它們必須協(xié)調(diào) 起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機，PLC， 計算機等來實現(xiàn)。在作業(yè)中機器人的工作任務是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌 跡運動，并保持設定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只 在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿 足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達到目標點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不 作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、 搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作 業(yè)中； 2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴格按規(guī)定的 軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關節(jié)連 續(xù)、同步地實現(xiàn)相應的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設 定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。 本設計機械手用于棒料的點對點搬運，對運動軌跡沒太大要求。所以選用點位控 制方式。 6.3 控制系統(tǒng)的總體設計 機械手控制系統(tǒng)的基本功能： 本機械手要具有回原點、手動點動)和自動單步、連續(xù)1控制的操作方式； 手動操作 用按鈕操作對機械手的每一種運動單獨進行控制； 回原點操作方式 按下回原點啟動按鈕，機械手自動返回原點位置。 自動操作 包括單步操作和連續(xù)運行兩種操作方式。操作前提是機械手須處在原 點位置上； 1)單步操作 每按一次按鈕，機械手完成一步動作后自動停止； 2)連續(xù)運行 系統(tǒng)一旦啟動，機械手的動作將自動地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期 間若按停止按鈕，要完成一個完整的動作循環(huán)才停止。 為方便控制系統(tǒng)適應各具體工作情況作小幅，整個控制系統(tǒng)采用模塊化結構，以 方便指令中的IST狀態(tài)初始化指令來進行設計?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報 警程序、點動操作程序、回原點程序及自動操作程序五大模塊構成，分別解決單個問 題然后再進行綜合。 本機械手中驅(qū)動部分由電機與氣動兩部分組成，其中電機部分由PLC直接控制。 24 而氣動部分則由PLC控制電磁筏來實現(xiàn)控制。下圖13為氣動部分原理圖： 圖 13 氣動原理 Fig13 Pneumatic principles 為了使機械手在作過程中實現(xiàn)自動或手動運行及運行的安全可靠，擺動氣缸，手 臂升降都選用限位開關控制，以給相應的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸 則運用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實現(xiàn) PLC對其位置的控制。而底座旋轉通過帶傳動帶動底座位置傳感器，從而將位置信息 傳給PLC實現(xiàn)控制 7 手臂驗算與機械手參 7.1 手臂平衡的驗算 手臂工作長度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對絲桿力矩較 大。所以應該作平衡驗算。 手臂氣爪端對絲桿的力矩： (30)()gbgzMLG 式中：M g手臂工件端對絲桿的力矩（ ） ；Nm Gb擺動氣缸的重力（N）,本設計為 12.25N； Gg工件的重力（N）, 本設計為 19.8N； Gz氣爪的重力（N）, 本設計為 19.6N； L手臂氣爪端對絲桿的力矩（ m）, 本設計為 0.4m; 把以上數(shù)據(jù)代入 得:()gbgzMLG0.412.59.816)20.9Nm 手臂端蓋端對絲桿的力矩： (31) d 25 式中：M d手臂端蓋端對絲桿的力矩（ ） ；Nm Gd端蓋端的重力（N）,本設計為其質(zhì)量為 4.452KG,得重力為 43.623N； L1手臂端蓋對絲桿的力臂（ m）, 本設計為 0.3m; 把以上數(shù)據(jù)代入 得:1dMLG 0.346213.087Nm 由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為 gdM 代入得: (32).9.gd 手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負載情況，由單個 螺栓承受此力矩時其受的拉力為 Fl=M/L2 式中：L 2螺栓到絲桿的力臂（m） ，本設計為 0.165m； M手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩 ，由前計算得 M=7.83NmN 把以上數(shù)據(jù)代入 Fl=M/L2得: Fl=7.83/0.165=47.45N 底座選用的安裝螺栓為 M10 可得其最大工作條件下的應力 1/FA 式中：A螺栓的截面面積， 2252/40.47.80Adm (33) 代入 得：1/FA 547./810.64aMP 普通的螺栓的抗拉強度都大于 450 ，可見螺栓能滿足要求。aMP 機械手工作能達到平衡。 7.2 機械手參數(shù) 氣爪夾力為 256.03N 表 5 機械手的最終運動設計參數(shù)： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters : 機械手機構 工作范圍 工作速度 底座 轉動角度 2400 轉動速度 10/minr 伸縮手臂 伸縮距離 300mm 伸縮速度 80mm/s 手臂升降 升降距離 320mm 升降速度 35mm/s 26 氣爪擺動 擺動角度 1800 轉動速度 30/minr 表 6 機械手工作精度： Table 6 Accuracy of the robot work : 機械手機構 工作精度 底座 0.030 伸縮手臂 0.5mm 手臂升降 0.05mm 氣爪擺動 通過擋塊定位 8、結束語 到此近 90 天的畢業(yè)設計就要結束了，我大學階段的學習也將畫上句號。通過本 次畢業(yè)設計的學習，牢固了自己所學的專業(yè)知識，提高了獨立思考解決問題的能力， 同時也真正初步了解一個機械設計的設計過程。也使我學會怎樣更好的利用圖書館， 網(wǎng)絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作 有很大的幫助。 在設計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題。從中使我認識到自己在很多地方的 不足。有很多東西還要慢慢學習。 由于本人水平有限以及畢業(yè)設計時間有限，本設計難免有不合理或不太準確的地 方，懇請各位老師批評指正。 參考文獻 1 成大先.機械設計手冊M.第 3 卷.北京：化學工業(yè)出版社.2001:58 2 張鐵,謝存禧.機器人學M.廣州:華南理工大學出版社.2004:1524 3 陳統(tǒng)堅.機械工程英語M.北京:機械工業(yè)出版社.1996:7898 4 成大先.機械設計手冊.單行本.氣壓傳動M.北京：化學工業(yè)出版社.2004:1141 5 馮辛安.機械制造裝配設計M.北京: 機械工業(yè)出版社.2004:89123 6 成大先.機械設計手冊.單行本.常用工程材料M.北京：化學工業(yè)出版社.2004:156177 7 吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機械設計M.北京:高等教育出版社.2002:1153 8 鄭堤,唐可紅.機電一體化設計基礎M.北京:機械工業(yè)出版社.2001:2265 9 陸一心,氣壓與氣動技術M. 北京：化學工業(yè)出版社.2004:2944 10 秦曾煌.電工學電子技術(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999:3269 11 吳宗澤.機械設計實用手冊M.北京：化學工業(yè)出版社.2000:234278 27 12 吳振彪.機電綜合設計指導M.廣東海洋大學.2002:2156 13 馮開平，左忠義.畫法幾何與機械制圖M.廣州:華南理工大學出版社.2004:3498 14 Robert J. Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,1990:123 154 15紀名剛，陳國定. 機械設計M.北京：高等教育出版社 .2011:2655 致 謝 在此衷心感謝學校、學院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝向陽老 師，熊瑛老師在我的畢業(yè)設計期間給予的諸多指導。 設計過程中，遇到了很多問題，有軟件的也有硬件的，有屬于粗心大意造成的， 也有的是因為知識水平所限。在老師的指導下，將其一一排除，增長了知識，積累了 經(jīng)驗。最后感謝工學院全體老師!