畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-三自由度球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

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1、 三自由度球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)械手是一種模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。工業(yè)機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)

2、各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。本文就電動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)動(dòng)作作了簡(jiǎn)單概述。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人，電動(dòng)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全套圖紙加V信153893706或扣 3346389411 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.1.1工業(yè)機(jī)器人的歷史 1 1.1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 2 1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 6 1.3 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及參數(shù) 7 1.4 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)步驟 7 2 球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)分析 8 2.1設(shè)計(jì)要求 8 2.

3、2總體方案的擬定 8 2.3 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) 9 3 球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 11 3.1.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 11 3.1.2工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 12 3.2工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 13 3.2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.2.3腰部和機(jī)座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.3工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 20 3.3.1直齒輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.3.2錐齒輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 23 4 工業(yè)機(jī)器人的PLC控制設(shè)計(jì) 27 4.1系統(tǒng)組成及工作原理 27 4.2電機(jī)與液壓系

4、統(tǒng)組成 27 4.3繼電器控制設(shè)計(jì) 29 4.4 PLC選型與I/O配置 29 結(jié) 論 31 致 謝 32 參考文獻(xiàn) 33 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高

5、產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。 1.1.1工業(yè)機(jī)器人的歷史 機(jī)器人技術(shù)一詞歲出現(xiàn)的較晚，但這一概念在人類(lèi)的想象中很早已出現(xiàn)。制造機(jī)器人的機(jī)器人技術(shù)研究者的夢(mèng)想，它體現(xiàn)了人類(lèi)重塑自身、了解自身的一種強(qiáng)烈的愿望。自古以來(lái)，有不少科學(xué)家和杰出的工匠曾制造具有人類(lèi)特點(diǎn)或具有模擬動(dòng)物特征的機(jī)器人雛形。 工業(yè)機(jī)器人是一種廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，而且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。機(jī)器人在必要情況下配有傳感器，它們的動(dòng)作步驟包括靈活

6、的轉(zhuǎn)動(dòng)等都是可編程控制的，不需要任何外力的干預(yù)。它們通常配有機(jī)械手、刀具或者其他可裝配的加工工具，還能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作和加工制造的任務(wù)。 工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人類(lèi)做單調(diào)、頻繁和強(qiáng)烈重復(fù)性的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，亦或是在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，比如在沖壓、鍛造、鑄造、熱處理、焊接、涂裝、復(fù)雜機(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，還有在原子能工業(yè)等部門(mén)中，替代人類(lèi)完成有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。 在我國(guó)，西周時(shí)期的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早涉及機(jī)器人概念的記錄文字；春秋后期，著名的木匠魯班曾制造出一直木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日而不下”，體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明才智。 20世紀(jì)50年代末

7、，美國(guó)在工業(yè)的機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，使用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù)，研制出了有通用性的獨(dú)立工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其命名為工業(yè)機(jī)器人；20世紀(jì)60年代初，美國(guó)成功研制兩種工業(yè)機(jī)器人，并且很快地投入到工業(yè)生產(chǎn)中；1969年，美國(guó)通用汽車(chē)公司用多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車(chē)車(chē)身的自動(dòng)生產(chǎn)裝配線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。 機(jī)器人（robot）一詞是1920年由捷克作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek）在他的諷刺劇《羅莎畝的萬(wàn)能機(jī)器人》中首次提出的。劇中描述了一個(gè)與人類(lèi)相似，但能不知疲倦地工作的奴仆Robot。從那時(shí)起，robot一詞就被沿用下來(lái)，中文譯成機(jī)器人。

8、1942年，美國(guó)科幻學(xué)家艾薩克·阿西莫夫（Isaar Asimov）在他的科幻小說(shuō)《我，機(jī)器人》中提出了“機(jī)器人三定律”，這三條定律后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 鑒于工業(yè)機(jī)器人有一定的通用性和適應(yīng)性，能應(yīng)用在多品種的中、小批量的生產(chǎn)，經(jīng)常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起使用，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的重要的組成部分。工業(yè)機(jī)器人包括主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分。主體即為機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包含臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還含有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3至6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1至3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)是根據(jù)輸入的程序?qū)?/p>

9、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行控制[1]。 現(xiàn)代機(jī)器人出現(xiàn)在20世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，電子技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了受計(jì)算機(jī)控制的編程的數(shù)控機(jī)床，與機(jī)器人的技術(shù)相關(guān)控制技術(shù)和零部件加工業(yè)有了扎實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)人類(lèi)需要開(kāi)發(fā)自動(dòng)機(jī)器，帶起人去從事一些在惡劣環(huán)境下的作業(yè)。正是在這一背景下，機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了快速的發(fā)展[11]。 1.1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)

10、器人都已逐步取代了人工作業(yè)。 1954年，美國(guó)人戴沃爾（G· C·Devol）制造出世界第一臺(tái)可編程的機(jī)械手，并住處了專(zhuān)利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1959年，戴沃爾與美國(guó)發(fā)明家英格伯格（Ingerborg）聯(lián)手制造出第一代工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界第一家機(jī)器人制造工廠---Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人富有成效的研發(fā)和宣傳，被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年，美國(guó)AMF公司生產(chǎn)出萬(wàn)能搬運(yùn)（Verstran）機(jī)器人，與Unimation公司生產(chǎn)的萬(wàn)能伙伴（Unimate）機(jī)器人一樣成為了真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世

11、界各國(guó)，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人研究的熱潮。 1967年，日本川崎重工公司和豐田公司分別從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)了工業(yè)機(jī)器人Unimate和Verstran的生產(chǎn)許可證，日本從此開(kāi)始對(duì)機(jī)器人的研究和制造。20世紀(jì)60年代后期，噴漆弧焊機(jī)器人問(wèn)世并逐步開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。 1968年，美國(guó)斯坦福研究所公布了他們所研究成功的機(jī)器人Shakey，由此拉開(kāi)了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。Shakey帶有視覺(jué)傳感器能感覺(jué)的人指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木，不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房?jī)r(jià)那么大。Shakey可以說(shuō)是世界上第一臺(tái)智能機(jī)器人。 1969年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了第一塔以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人

12、機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。日本專(zhuān)家一項(xiàng)以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人見(jiàn)長(zhǎng)，后來(lái)更進(jìn)一步，出現(xiàn)了本田公司的ASIMO機(jī)器人和索尼公司的QRIO機(jī)器人。 1973年，世界上機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)第一次“攜手合作”，誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人(見(jiàn)圖1-1) ，并且博爾斯和保羅在斯坦福使用視覺(jué)和力反饋，表演了與PDP-10計(jì)算機(jī)相連由計(jì)算機(jī)控制的“斯坦?！睓C(jī)械手，用于裝配自動(dòng)水泵。 。 1979年，美國(guó)Unimation公司退出了通用工業(yè)機(jī)器人PUMA（見(jiàn)圖1-2），他是全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級(jí)微機(jī)控制、采用VAL專(zhuān)用語(yǔ)言，可配置視覺(jué)、觸覺(jué)的力覺(jué)感受

13、器的，技術(shù)較為先進(jìn)的機(jī)器人。這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟。PUMA至今仍然工作在生產(chǎn)第一線，許多機(jī)器人技術(shù)的研究都是以改機(jī)器人為模型和對(duì)象。 1979年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明了平面關(guān)節(jié)（selective compliance assembly robotarm，SCARA）型機(jī)器人，改性機(jī)器人幾次后在裝配作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。。整個(gè)70年代，出現(xiàn)了更多的機(jī)器人商品，并在工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)，無(wú)論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，到1980年全世界約有2萬(wàn)余臺(tái)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。 圖1-1 機(jī)器人 T3

14、 圖1-2 機(jī)器人 PUMA 1980年，工業(yè)機(jī)器人在日本開(kāi)始普及。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本的發(fā)展得到了巨大的發(fā)展，日本也因此而得到了“機(jī)器人王國(guó)”的美稱(chēng)。 1984年。，英格伯格再次推出機(jī)器人Helpmate，種種技巧氣人能在醫(yī)院了為病人送飯、送藥、送郵件。同年，英格伯格還放言：我要讓機(jī)器人擦地板、做飯、出去幫我擦車(chē)、檢查安全。 1996年，本田公司推出的仿人機(jī)器人p2，是雙足行走機(jī)器人的研究達(dá)到了一個(gè)新的水平。隨后，許多國(guó)際著名企業(yè)爭(zhēng)相研制代表自己的公司的仿人機(jī)器人，一展開(kāi)公司的科研實(shí)力。 1998年，丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人Mind-storms套件，讓機(jī)器人執(zhí)照變得跟搭積木一

15、樣對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝，是機(jī)器人開(kāi)始走入個(gè)人世界。 1999年，日本索尼公司推出機(jī)器人狗愛(ài)寶，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人邁入普通家庭。 2002年，美國(guó)iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它是目前世界上銷(xiāo)量最大、商業(yè)化最強(qiáng)大的家用機(jī)器人。 2006年，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio 機(jī)器人，從此機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。比爾·蓋茨預(yù)言機(jī)器人很快席卷全球。 2009年，丹麥游傲機(jī)器人公司推出第一臺(tái)輕量型的UR5系列工業(yè)機(jī)器人（見(jiàn)圖1-3），它是一款六軸串聯(lián)的革命性的機(jī)器人產(chǎn)品，質(zhì)量為18 kg，負(fù)載高達(dá)5kg，工作半徑為85厘米

16、，適合中小企業(yè)選用。UR5游傲機(jī)器人擁有輕便靈活、易于編程、高效節(jié)能、低成本和投資回報(bào)快等優(yōu)點(diǎn)。UR5游傲機(jī)器人的另一顯著優(yōu)勢(shì)是不需要安全圍欄即可直接與人協(xié)同工作。一旦人與機(jī)器人接觸并長(zhǎng)生150n的力，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)停止工作。 2012年，多家機(jī)器人著名廠商開(kāi)發(fā)出雙臂協(xié)作機(jī)器人。如ABB公司開(kāi)發(fā)出的YuMi雙臂機(jī)器人（見(jiàn)圖1-4），能夠滿(mǎn)足電子消費(fèi)品行業(yè)對(duì)柔性和靈活制造的需求，我來(lái)也將逐漸應(yīng)用于更多的市場(chǎng)領(lǐng)域。又如Rethink Robotics公司突出了Baxter雙臂工業(yè)機(jī)器人，其示教過(guò)程建議，能安全和諧的與人協(xié)同工作。在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中雙臂機(jī)器人回發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。 從近幾

17、年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開(kāi)放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。 圖1-3 UR5 游傲機(jī)器人 圖1-4 雙臂機(jī)器人 YuMi 1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成的，其中包括機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分，他們之間的關(guān)系如圖1-5所示。 圖1-5 工業(yè)機(jī)

18、器人的基本組成 由圖1-5可以看出，機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)電箱的機(jī)電一體化的系統(tǒng)，其工作原理為：控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令，控制驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作，是末端操作器到達(dá)空間某一位置和實(shí)現(xiàn)某一姿態(tài)，實(shí)施一定的作業(yè)任務(wù)。末端操作器在空間的實(shí)時(shí)位置由感知系統(tǒng)把實(shí)際位置與目標(biāo)位置相比較，發(fā)出下一個(gè)動(dòng)作指令，如此循環(huán)，直到完成作業(yè)任務(wù)為止[11]。 1.3 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求及參數(shù) 本次設(shè)計(jì)主要涉及一下方面內(nèi)容： 1、包括3個(gè)自由度：機(jī)座回轉(zhuǎn)，臂部上下回轉(zhuǎn)，臂部伸縮； 2、機(jī)器手的最大的抓力為4.5公斤； 3、機(jī)座的回轉(zhuǎn)度數(shù)為0～180°，臂部上下回轉(zhuǎn)度數(shù)為0～60°，臂

19、部伸縮范圍為0～180mm； 4、完成對(duì)工件從一天生產(chǎn)線搬運(yùn)到另一條生產(chǎn)線的要求，具體動(dòng)作為從一條生產(chǎn)線上抓取工件，然后旋轉(zhuǎn)90°到另一條生產(chǎn)線上放下工件。 1.4 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)步驟 1、確定設(shè)計(jì)對(duì)象及設(shè)計(jì)任務(wù)； 2、確定設(shè)計(jì)要求，包括負(fù)載、精度、工作空間等； 3、設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人手部，完成抓起放下工件的任務(wù)； 4、設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座，完成回轉(zhuǎn)； 5、設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的腰部，完成俯仰； 6、設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的臂部，完成伸縮； 2 球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)分析 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程是跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程，涉及機(jī)械

20、設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和自動(dòng)控制等方面內(nèi)容。應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人作為一個(gè)系統(tǒng)，從總體出發(fā)研發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部各組成之間及外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。 2.1設(shè)計(jì)要求 綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料，按照設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)獨(dú)立完成三自由度球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)工作。 2.2總體方案的擬定 該工業(yè)機(jī)器手的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)式，其臂部的運(yùn)動(dòng)是有一個(gè)移動(dòng)副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，即沿Y軸伸縮，繞X軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作原理初步設(shè)計(jì)擬定，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和一對(duì)圓柱輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器手的機(jī)座部位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)

21、來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的臂部的俯仰動(dòng)作；考慮到該機(jī)械手的工作范圍并不大，所以可以利用液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用外夾式連桿夾持器，用小型液壓桿驅(qū)動(dòng)夾緊。 圖2-1 機(jī)器人的外形圖 2.3 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) 技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中要確定工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)性能參數(shù)，包括確定機(jī)器人的自由度數(shù)目、作業(yè)范圍、承載能力、運(yùn)動(dòng)速度及定位精度等基本參數(shù)[1]。 1）自由度數(shù)目的確定 自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)，由機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。 2）作業(yè)范圍的確定 機(jī)器人的作業(yè)范圍需根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定。一條運(yùn)動(dòng)軌跡往往是由幾個(gè)運(yùn)動(dòng)合成的。在確定作業(yè)

22、范圍時(shí)，可將運(yùn)動(dòng)軌跡分解成單個(gè)動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)器人的最大行程。為便于調(diào)整，可適當(dāng)加大行程數(shù)值。各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定之后，機(jī)器人的作業(yè)范圍也定下來(lái)了。 3）運(yùn)動(dòng)速度的確定 確定機(jī)器人的各個(gè)動(dòng)作的最大行程之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定完成各個(gè)動(dòng)作時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。如一個(gè)機(jī)器人要完成某一個(gè)工件的上料過(guò)程，需要完成夾緊工作及手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。 4）承載能力的確定 承載能力代表著機(jī)器人搬運(yùn)物體時(shí)所需要的達(dá)到的最大的臂力。目前，地用的機(jī)器人的臂力范圍較大。對(duì)專(zhuān)用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，其承載能力主要根據(jù)被抓

23、取的物體的質(zhì)量來(lái)定，其安全系數(shù)一般在1.5-3.0之間選取。 5)極限尺寸 抓取工件的極限尺寸是用來(lái)表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù),它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。限尺寸:是指允許尺寸變化的兩個(gè)極限值，上極限值為最大極限尺寸，下極限值為最小極限尺寸，它是以基本尺寸為基數(shù)來(lái)確定，它可能大于、等于或小于基本尺寸，用來(lái)控制加工好的零件的實(shí)際尺寸。在加工過(guò)程中實(shí)際尺寸在兩個(gè)極限值之間為合格，孔和軸的最大極限尺寸分別用Dmax和dmax表示，最小極限尺寸分別用Dmin和dmin表示。 6）定位精度的確定 機(jī)器人的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，二機(jī)器人本身所能達(dá)到的定位精度，則取決于機(jī)器人的定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、

24、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動(dòng)方式、所采取的緩沖方式等因素。本次設(shè)計(jì)的球坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1所示。 表2-1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手類(lèi)型 三自由度球型坐標(biāo)型機(jī)器手 抓取重量 5kg 自由度 3個(gè)（1個(gè)移動(dòng)，2個(gè)回轉(zhuǎn)） 機(jī)座 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角180，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) plc控制 腰部機(jī)構(gòu) 俯仰運(yùn)動(dòng)，俯仰角60，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) plc控制 臂部機(jī)構(gòu) 伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍200，液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開(kāi)關(guān)控制 末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動(dòng) 行程開(kāi)關(guān)控制 3 球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

25、 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的支撐基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，計(jì)算、分析和編程的最終目的是通過(guò)本體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作完成特?cái)M定的任務(wù)。 3.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析 要實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人在空間運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，完成預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，就必須要知道機(jī)械手部在空間的瞬時(shí)的位置與姿態(tài)。 3.1.1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 工業(yè)機(jī)器人的具體運(yùn)動(dòng)方式，可以從工業(yè)機(jī)器人工作空間，自由度和機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型等這多方面來(lái)研究討論。本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人含有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降、旋轉(zhuǎn)、前后往復(fù)這三自由度。根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求以及設(shè)計(jì)內(nèi)容，做出該機(jī)器手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如圖3-1所示。 圖3-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.1

26、.2工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作如圖3-2和表3-1所示。 圖3-2 工業(yè)機(jī)器人工作過(guò)程中各動(dòng)作順序 表3-1 運(yùn)動(dòng)中的各過(guò)程 機(jī)器人動(dòng)作 機(jī)器人工步 機(jī)器人開(kāi)機(jī)處于起始位置A 工步一 手臂仰起B(yǎng) 工步二 旋轉(zhuǎn)至C位置 工步三 手臂伸出 工步四 夾緊工件 工步五 手臂縮回 工步六 旋轉(zhuǎn)至C位置 工步七 俯下到A位置 工步八 放下工件 工步九 3.2工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 3.2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器

27、人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是工業(yè)機(jī)器人的手部。他可以像人的手那樣具有手指，也可以不具備手指；可以是類(lèi)人的手爪，也可以是進(jìn)行專(zhuān)業(yè)作業(yè)的工具。手部是決定整個(gè)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)完成好壞、作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部位之一[10]。 該設(shè)計(jì)采用外夾式連桿夾持器，用小型液壓桿驅(qū)動(dòng)夾緊，他的節(jié)構(gòu)形式如圖3-3。當(dāng)液壓缸工作時(shí)，推動(dòng)齒條向下運(yùn)動(dòng)，使兩鉗爪向里收縮，從而帶動(dòng)手爪夾緊工件。 圖3-3 齒輪齒條式手部 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 工件重量G=4.5公斤，v形手指的角度2θ=120°, b=120mm>R=24mm,摩擦系數(shù)f=0.10。 （1）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為

28、 p=2bRN （3-1 ） （2）根據(jù)手指夾持工件的方位，由N=0.5Gtanθ-φ，φ=5.42°公式3-1得： N=0.5Gtanθ-φ =0.5×4.5×tan60-5.42 ≈3公斤 所以， p=2bRN=2×12024×3=30公斤 （3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:

29、 p實(shí)際=pK1?K2η （3-2） 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取η=0.94，并取K1=1.5。若被抓取工件的最大加速度取a=3g時(shí)，則：K2=1+ag=4。 所以，由公式3-2得 p實(shí)際=30×1.5×40.94=191.50公斤 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為191.50公斤。 2、液壓缸的直徑 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·液壓傳動(dòng)與控制》[6]可知 D=3.57×10-2FP 由于作用在活塞上的外力小于5000N，所以選擇液壓缸壓力油的工作壓力P=1

30、MPa。 D=3.57×10-2×1.9151=0.049m 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)· 液壓傳動(dòng)與控制》表23.6-33，選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=50mm。 則活塞桿內(nèi)徑為：D=50×0.5=25mm，選取d=25mm 3.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2-3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大，受力一般比較復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動(dòng)載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。 本設(shè)計(jì)中的手臂由齒輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)緊湊，方便靈活，還設(shè)計(jì)了有液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。活塞桿的末端

31、可與末端執(zhí)行器連接，并且?guī)?dòng)手部伸縮運(yùn)動(dòng)。 1、手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 （1）手臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)能滿(mǎn)足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)的工作空間要求。 （2）根據(jù)手臂所受的載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理的選擇手臂機(jī)構(gòu)的截面形狀，并使用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。 （3）盡量減少手臂重量和其相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與偏重力矩，以減少驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減小運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷的沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)速度。 （4）設(shè)法減小機(jī)械間隙而引起的運(yùn)動(dòng)誤差，并提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖裝置和限位裝置提高定位精度。 圖3-4 手臂的機(jī)構(gòu)圖 2、液壓缸的選擇 選液壓缸型號(hào)為Y-HG1-C63/36X200LJ

32、HL1Q, 它的主要技術(shù)參數(shù)如表3-2[6]所示。 3、活塞桿的校核[9] 末端執(zhí)行器的重量為：G=π×0.052×0.24×7800=14.7kg。 工件重量為：4.5kg。 由靜力平衡方: MB=0 R1?LAB-Q?LBC=0 MA=0 R2?LAB-Q?LAC=0 求得支反力為: R1=800N R2=992N 以A為原點(diǎn)，得剪力圖和彎矩圖 活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在B處橫截面上的剪應(yīng)力[4]為： τB=RB?A=992π27×10-324=1.732MPa<τ

33、 安全。 在B處的彎應(yīng)力為: σB=MB?A=127.54π1627×10-33=33MPa<σ 安全。 由于作用在活塞上的外力小于5000N，所以選擇液壓缸壓力油的工作壓力P=1MPa。 3.2.3腰部和機(jī)座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人必須有一個(gè)便于安裝的基礎(chǔ)件，即機(jī)器人的機(jī)座，機(jī)座往往與計(jì)生做成一體。機(jī)座必須具有足夠的剛性和穩(wěn)定性，主要有固定式和移動(dòng)式兩種。如圖3-5所示為所設(shè)計(jì)的機(jī)身結(jié)構(gòu)。 該設(shè)計(jì)采用了環(huán)形軸承的機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)。他由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)一對(duì)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)腰部旋轉(zhuǎn)。腰部一電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)臂部進(jìn)行俯仰動(dòng)作。 圖3-5 腰部機(jī)構(gòu)

34、圖 圖3-6 基座機(jī)構(gòu)圖 1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選取 工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作采用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。初選電機(jī)為BF反應(yīng)式不僅電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為：90BYG503，有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表所示。 表3-3 BF反應(yīng)式不僅電動(dòng)機(jī)參數(shù)表 （1）傳動(dòng)系統(tǒng)等效傳動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)債，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用時(shí)需要加以考慮。 1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD的折算 在《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》中表[7]查出JD =5.1kg?cm2 2）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL的折算 J

35、L=McD28Kgcm2 （3-3） 式中 ：Mc為圓柱質(zhì)量（kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長(zhǎng)度。 對(duì)于鋼材，材料密度為7.8×10-3kg?cm2，把數(shù)據(jù)帶入公式3-3得： JL=McD28=3.01(Kg/cm2) 3）手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG的折算 JG=L02π2M (Kg/cm2)

36、 （3-4） 式中，L0為電機(jī)一圈手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的路程（cm），M為工作臺(tái)的質(zhì)量（kg）。 帶入公式3-4得 JG=L02π2M =12×3.142×80=2.028(Kg/cm2) 4）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J J=JD+JL+JG=5.1+3.01+2.028=10.158 Kg/cm2 (2)驗(yàn)算矩頻特性 Mmq=λMjmax 式中，查表得λ=0.707，Mjmax=7N?m 所以，Mmq=λMjmax=7×0.707=4.949 N?m 電機(jī)的空載啟動(dòng)力矩：

37、 Mkq=Mka+Mkf+M0 （3-5） 1）加速力矩Mkq nmax=vmax?θbδp?360=2400×0.60.01×360=400r/min Mka=Jε=J2πnmax60t×10-2=10.158×2×3.14×40060×0.02×10-4=2.126N?m 2)空載摩擦力矩 Mkf=GfL02πηi=800×0.005×12×3.14×0.8×1=0.80N?m 3)附加摩擦力矩 M0=FYJ?L02πηi1-η02=114.357×12×3.14×

38、0.8×1×1-0.962=1.784N?m 所以，由公式3-5得：Mkq=2.126+0.8+1.784=4.8N?m 由于Mkq?Mmq，所以電機(jī)初步滿(mǎn)足要求。 （3）運(yùn)行矩頻特性校核 fKZ=1000vmax60?δp=1000×240060×0.01=8459.26Hz Mkj=Mkf+M0=0.8+1.754=2.34 N?m 由 [7]中，矩頻特性圖可知，Mkj=2.34 N?m所對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率fkj> fKZ,所以滿(mǎn)足要求。 圖3-7 矩頻特性圖 綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī)90BYG503符合要求，可以使用。 3.3工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

39、 駆動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)器人的關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。按實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以分為直線驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種。駆動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以有不同的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。 3.3.1直齒輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù)：P=0.3KW n1=400r/min u=5/1 1、選材 （1）選用7級(jí)精度 （2）選材及熱處理 小齒輪 40cr 調(diào)質(zhì) HBS1=280 大齒輪 45 調(diào)質(zhì) HBS2=240 （3）選小齒輪齒數(shù)z1=22，大齒輪齒數(shù)uz1=5×22=110 2、按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1）試算小齒輪分度圓直徑

40、 d1≥32KHt?T1?d?u+1uZH?ZE?ZεσH2 （3-6） （1）試選 KHt=1.3 （2）小齒輪轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106Pn1=7×103N?mm （3）由表10-7選出?d=1 （4）由圖10-20選出ZH=2.5 （5）由表10-5選出ZE=189.8MPa （6）計(jì)算重合度系數(shù) αa1=cos-1Z1cosαZ1+2h*=32.778° αa2=cos-1Z2cosαZ2+2h*=20.901° εα=Z1tanαa1-tanα`+Z2tanαa2-tanα

41、`/2π =1.727 Zε=4-εα3=0.879 （7）確定σH 由圖10-25d查得σHlim1=600MPa σHlim2=550MPa 計(jì)算循環(huán)應(yīng)力次數(shù)： N1=60n1?j?Lh=1.728×109 N2=N1u=8.64×107 有圖10-23查得Khn1=0.87 Khn2=0.92 σH1=Khn1σHlim1S=522MPa σH2=Khn2σHlim2S=506MPa σH=σH1+σH22=514MPa （8）有公式3-6得小齒輪分度圓直徑 d1t≥32KHt?T1?d?u+1uZH?ZE?ZεσH2=37.259mm 2）調(diào)整小齒輪分度

42、圓直徑 （1）計(jì)算圓周速度v v=π?d1t?n160×1000=0.79m/s （2）齒寬 b=?d?d1t=39.259mm （3）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) 查表10-2得KA=1.0 由圖10-8得KV=1.09 查表10-3得KHα=KFα=1.1 查表10-3得KHβ=1.412 查圖10-13得KFβ=1.35 KH=KA?KV?KHα?KHβ=1.69 （4）d1 d1=d1t?3KHKHt=40.385mm (5)模長(zhǎng) mn=d1Z1=1.82 取標(biāo)準(zhǔn)模長(zhǎng)mn=2 （6）中心距 a=mnZ1+Z22=132mm （7）確定齒輪的基本參數(shù) d1=

43、mn?Z11=44mm d2=220mm b=?d?d1=44mm 取b2=44mm b1=b2+6=50mm 3）校核σF1 σF2 (1)計(jì)算載荷系數(shù) KF=KA?KV?KFα?KFβ=1.62 (2)由圖10-17，圖10-18查YFa YSa YFa1=2.61 YSa=1.59 YFa2=2.13 YSa=1.62 (3)彎曲疲勞強(qiáng)度重合度系數(shù) Yε=0.25+0.75εα=0.684 (4)計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力 由圖10-24c得 σFlim1=500MPa σFlim2=380MPa 由圖10-22c得

44、KFn1=0.84 KFn2=0.90 SF=1.4 σF1=KFn1σFlim1SF=300MPa σF2=KFn2σFlim2SF=245MPa σF1=2KF?T1?YFa1?YSa1?Yε?dmn3Z12=66MPa<σF1 σF2=2KF?T1?YFa2?YSa2?Yε?dmn3Z12=55MPa<σF2 所以，該齒輪設(shè)計(jì)合格。 （5）齒輪設(shè)計(jì)尺寸 d1=44mm d2=220mm da1=48mm da2=224mm df1=39mm df2=219mm

45、b1=50mm b2=44mm 3.3.2錐齒輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù)：P=0.3KW n1=400r/min u=2/1 1、選材 （1）選用7級(jí)精度 （2）選材及熱處理 小齒輪 40cr 調(diào)質(zhì) HBS1=280 大齒輪 45 調(diào)質(zhì) HBS2=240 （3）選小齒輪齒數(shù)z1=20，大齒輪齒數(shù)uz1=2×20=40 2、按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1）試算小齒輪分度圓直徑 d1t≥34KHt?T1?R1-0.5?R2u?ZH?ZEσH2

46、 （3-7） （1）試選 KHt=1.3 （2）小齒輪轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106Pn1=7×103N?mm （4）由表10-7選出?R=0.3 （5）由圖10-20選出ZH=2.5 （6）由表10-5選出ZE=189.8MPa （7）確定σH 由圖10-25d查得σHlim1=600MPa σHlim2=550MPa 計(jì)算循環(huán)應(yīng)力次數(shù)： N1=60n1?j?Lh=1.728×109 N2=N1u=8.64×107 有圖10-23查得Khn1=0.87 Khn2=0.92 σH1=Khn1σH

47、lim1S=522MPa σH2=Khn2σHlim2S=506MPa σH=σH1+σH22=514MPa （8）有公式3-7得小齒輪分度圓直徑 d1t≥34KHt?T1?R1-0.5?R2u?ZH?ZEσH2=36.27mm 2）調(diào)整小齒輪分度圓直徑 （1）計(jì)算圓周速度v dm1=d1t1-0.5?R=30.83mm vm=π?dm1?n160×1000=0.65m/s （2）齒寬 b=?R?d1t?u2+1/2=17.20mm （3）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) 查表10-2得KA=1.0 由圖10-8得KV=1.09 查表10-3得KHα=KFα=1 查表10-3得K

48、Hβ=1.345 查圖10-13得KFβ=1.35 KH=KA?KV?KHα?KHβ=1.47 （4）d1 d1=d1t?3KHKHt=37.79mm (5)模長(zhǎng) m=d1Z1=1.89 取標(biāo)準(zhǔn)模長(zhǎng)m=2.0 （7）確定齒輪的基本參數(shù) d1=mn?Z11=40mm d2=80mm b1=?R?d1?u2+1/2=18.97mm 取b2=b1=20mm 3）校核σF1 σF2 (1)計(jì)算載荷系數(shù) KF=KA?KV?KFα?KFβ=1.47 (2)由圖10-17，圖10-18查YFa YSa YFa1=2.59 YSa=1.5

49、7 YFa2=2.12 YSa=1.61 (3)計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力 由圖10-24c得 σFlim1=500MPa σFlim2=380MPa 由圖10-22c得 KFn1=0.84 KFn2=0.90 SF=1.4 σF1=KFn1σFlim1SF=300MPa σF2=KFn2σFlim2SF=245MPa σF1=KF?T1?YFa1?YSa1?R1-0.5?R2m3Z12u2+1=19.08MPa<σF1 σF2=KF?T1?YFa2?YSa2?R1-0.5?R2m3Z12u2+1=16.01MPa<σF2 所以，該齒輪設(shè)計(jì)合格。 （

50、4）齒輪設(shè)計(jì)尺寸 d1=40mm d2=80mm δ1=26°33'54.18'' δ2=63°26'5.82'' da1=43.79mm da2= 81.26mm df1=35.45 mm df2=78.48mm b1=20mm b2=20mm 4 工業(yè)機(jī)器人的PLC控制設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來(lái)，組成

51、一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[2]。 4.1系統(tǒng)組成及工作原理 該工業(yè)機(jī)器手的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)式，其臂部的運(yùn)動(dòng)是有一個(gè)移動(dòng)副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，即沿Y軸伸縮，繞X軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作原理初步設(shè)計(jì)擬定，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和一對(duì)圓柱輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器手的機(jī)座部位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的臂部的俯仰動(dòng)作；考慮到該機(jī)械手的工作范圍并不大，所以可以利用液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用外夾式連桿夾持器，用小型液壓桿驅(qū)動(dòng)夾緊[3]。 4.2電機(jī)與液壓系統(tǒng)組成

52、 該工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有四個(gè)執(zhí)行器為倆個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及兩個(gè)單桿活塞液壓缸（其中缸C1驅(qū)動(dòng)臂部伸縮，缸c2驅(qū)動(dòng)手部抓取，電動(dòng)機(jī)ma1驅(qū)動(dòng)機(jī)座旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)ma2驅(qū)動(dòng)臂部俯仰運(yùn)動(dòng)）。C1C2的運(yùn)動(dòng)方向有兩個(gè)三位四通電磁換向閥控制。系統(tǒng)中的各換向閥的電磁鐵通斷信號(hào)由設(shè)置在各液壓缸行程上的電氣行程開(kāi)關(guān)發(fā)出。各電機(jī)通電方式的信號(hào)由設(shè)置機(jī)身的角度傳感器發(fā)出。系統(tǒng)工作循環(huán)如下。電動(dòng)機(jī)ma1通電正轉(zhuǎn)，通過(guò)錐齒輪帶動(dòng)臂部仰起，達(dá)到一定角度，角度傳感器SQ1發(fā)信，MA1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，MA2通電正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)座旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定角度，角度傳感器SQ3發(fā)信，K1通電，壓力油進(jìn)入C1大腔，帶動(dòng)臂部伸出。伸出一定位移，行程開(kāi)關(guān)SQ5發(fā)

53、信，C1停止，K2通電，壓力油進(jìn)去C2小腔，帶動(dòng)手爪抓合。定位夾緊后，行程開(kāi)關(guān)SQ7發(fā)信，K3通電，壓力油進(jìn)入C1小腔，帶動(dòng)臂部縮回?？s回一定位移后，行程開(kāi)關(guān)SQ6發(fā)信，電動(dòng)機(jī)MA2通電反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)座旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定角度，角度傳感器SQ4發(fā)信，MA2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)ma1通電反轉(zhuǎn)，通過(guò)錐齒輪帶動(dòng)臂部俯下，達(dá)到一定角度，角度傳感器SQ2發(fā)信，K4通電，壓力油進(jìn)入C2大腔，帶動(dòng)手爪分開(kāi)，從而完成一個(gè)機(jī)械手搬運(yùn)過(guò)程，整個(gè)過(guò)程由可編程控制器（PLC）自動(dòng)控制完成。 電機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示，液壓系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示。 圖4-1 電機(jī)系統(tǒng)原理圖 圖4-2 液壓系統(tǒng)原理圖 4.3

54、繼電器控制設(shè)計(jì) 根據(jù)工業(yè)機(jī)器手的工作原理及工作過(guò)程，確定輸入元件和輸出元件。 輸入元件：SF1，SF2，SQ1，SQ2，SQ3，SQ4，SQ5，SQ6，SQ7 ,SQ8，SQ9。 輸出元件:QA1，QA2，QA3，QA4，K1，K2，K3，K4。 控制線路如圖4-3所示。 圖4-3 中間繼電器控制線路 最后，得到用中間繼電器控制電磁閥的控制線路，如圖4-4所示。 圖3-2電磁閥輸出控制線路圖 4.4 PLC選型與I/O配置 PLC完全能夠取代上節(jié)的繼電器控制。 在用PLC控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)要確定系統(tǒng)的輸入輸出。 輸入元件：SF1，SF2，SQ1，SQ2，SQ3，SQ4

55、，SQ5，SQ6，SQ7 ,SQ8，SQ9。 輸出元件:QA1，QA2，QA3，QA4，K1，K2，K3，K4。 采用S7-200 CPU226型PLC，系統(tǒng)的輸入輸出配置見(jiàn)表4-1。 表4-1：PLC輸入輸出配置 輸入 輸出 序號(hào) 輸入地址 功能 序號(hào) 輸出地址 功能 1 I0.0 啟動(dòng)按鈕SF2 1 Q0.1 電動(dòng)機(jī)MA1正轉(zhuǎn) 2 I0.1 啟動(dòng)按鈕SF1 2 Q0.2 電動(dòng)機(jī)MA1反轉(zhuǎn) 3 I0.2 傳感器開(kāi)關(guān)SQ1 3 Q0.3 電動(dòng)機(jī)MA2正轉(zhuǎn) 4 I0.3 傳感器開(kāi)關(guān)SQ2 4 Q0.4 電動(dòng)機(jī)MA2反轉(zhuǎn) 5

56、 I0.4 傳感器開(kāi)關(guān)SQ3 5 Q0.5 電磁閥K1通電 6 I0.5 傳感器開(kāi)關(guān)SQ4 6 Q0.6 電磁閥K2通電 7 I0.6 位置開(kāi)關(guān)SQ5 7 Q0.7 電磁閥K3通電 8 I0.7 位置開(kāi)關(guān)SQ6 8 Q1.0 電磁閥K4通電 9 I1.0 位置開(kāi)關(guān)SQ7 10 I1.1 位置開(kāi)關(guān)SQ8 10 I1.2 位置開(kāi)關(guān)SQ9 結(jié) 論 致 謝 參考文獻(xiàn) [1] 韓建海．工業(yè)機(jī)器人［M］．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015年第三

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