工業(yè)機器人設計【三自由度的圓柱形機械手】

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It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production process and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology which is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the working principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculation and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking IV 目錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目錄 .V 1 緒論 .1 1.1 本課題研究的內容和意義 .1 1.2 國內外發(fā)展概況 .1 1.3 工業(yè)機械手設計內容 .2 1.4 機械手設計的作用 .2 1.5 工業(yè)機械手的分類和組成 .2 2 手部的設計 .5 2.1 機械手設計參數(shù)和運動方案 .5 2.1.1 運動方案 .5 2.1.2 驅動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇： .5 2.2 手部設計的結構和計算 .6 2.2.1 機械手的基本要求 .6 2.3 手部力的計算 .7 2.3.1 夾緊力的計算 .7 2.3.2 手爪驅動氣缸的設計 .8 2.3.3 手部誤差的分析 .10 3 機械手臂的設計 .12 3.1 機械小臂設計 .12 3.1.1 小臂驅動力的計算 .12 3.1.2 小臂驅動氣缸的設計 .13 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計算 .14 3.1.4 氣缸的選用 .14 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 .14 3.1.6 小臂剛度校核 .15 3.1.7 端蓋的連接方式及強度計算 .15 3.2 大臂的結構設計 .17 3.2.1 大臂的結構和要求 .17 V 3.2.2 驅動力的計算 .17 3.2.3 大臂驅動氣缸的設計 .17 3.2.4 氣缸的選擇 .18 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 .18 3.2.6 大臂剛度校核 .19 4 驅動系統(tǒng)設計 .20 4.1 軸承的設計 .20 4.1.1 軸承的選擇 .20 4.1.2 軸承的計算： .20 4.1.3 軸承的壽命校核： .21 4.2 電機的基本情況和選擇 .22 4.2.1 電機的選則與計算 .22 4.2.2 注意事項 .23 4.2.3 工作原理 .24 4.2.4 步進電機的特點 .24 4.3 諧波減速器 .24 4.3.1 諧波減速器的簡介 .24 4.3.2 諧波減速器的設計 .25 4.4 腰座的結構 .26 5 總 結 .28 致 謝 .29 參考文獻 .30 附 錄 .31 工業(yè)機器人設計 0 1 緒論 1.1 本課題研究的內容和意義 機械工業(yè)是國民的基本部分。工業(yè)機械手的設計是一項綜合設計與機械制造，機電 工程等專業(yè)聯(lián)系一起。通過這次設計提高學生的機構分析能力，機電一體化機械結構設 計的設計能力提升。來學習一些生產時的設計方法。 工業(yè)機械手是近十年來發(fā)展起來的，一種高科技自動生產。這體現(xiàn)了人類智能和適 應性，機械手能在各個環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國民經濟發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來，氣動技術的運用領域迅速拓寬，尤其在各個生產線上的應用。 可編程控制和氣動驅動相結合，使整個自動化系統(tǒng)更高級?？刂聘拥撵`敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機械手設計是機械設計，機電一體化，機械制造等我們學習的專業(yè)中一個重要 的環(huán)節(jié)，是學完有關專業(yè)課和教學基礎課程的一次專業(yè)的綜合設計。學生的機械結構設 計和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過這次學習得到了掌握生場自動化的設計技 能。 經過這次設計，可以把有聯(lián)系的課程（氣動技術，機械設計，機械原理，測試技術， 危機計算機原理等）中我們所知道的理論性知識加以運用，從而得到鞏固和發(fā)展，讓理 論和實際得到了更好的結合。所以說機械手設計是一門比較綜合的設計。 經過這次設計，培養(yǎng)了學生獨立分析機械設計的能力，樹立了正確的設計思想和思 維，掌握了機電一體化一些機電產品的步驟和基本設計方法，這樣為今后自動化的設計 打下了良好的基礎。 通過本次的機械手的設計，讓學生熟練的去掌握和運用一些相關的知識，比如參考 資料還有范文章結構。是學生具有一個設計人員應該具有的基本設計技能 1。 1.2 國內外發(fā)展概況 現(xiàn)在對于國內的情況，機械手大部分的使用在各個領域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機床的加工上。當然我們在生產過程中會有很多的困難。比如說：形式復雜和環(huán)境 溫度過于高這些都影響著生產。但我們可以提供這方面的技術解決困難，讓機械手更好 的工作為了更好的得機械手的能力，我們要提高它的性能和速度。在其它行業(yè)和工業(yè)部 門，也隨著工業(yè)技術水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。 現(xiàn)在對于國外在行業(yè)中運用機械手有很多。美國首先把機械手運用于搬運一些對人 體具有傷害的放射性物質。國外實質上是使用的是定位控制機械手，他沒有視覺上和觸 覺上的反饋。世界各地正在積極地研究視覺和觸覺上有反饋的機械手，讓他能夠準確的 來定位工件的位置和準確的夾持工件。為了判斷機械手抓取的是否是工件，她有視覺傳 感器輸入 三個方向的視覺的信息，因此，在計算機圖形分析，以確定是否抓取工件。目前主要運 用在機床，壓力機的下料和橫斷壓力機的下料，以及噴漆和點焊等作業(yè)。在國外發(fā)展機 械手的趨勢是加大力度研制具有某種智能能力的機械手。讓其具有一定的傳感的能力， 工業(yè)機器人設計 1 對于外界的變化能夠反饋，并相應的做出反應和變更。如果有一個位置稍有偏差，即是 能夠自我糾正，但也可以檢測，強調視覺功能和觸覺功能的研究。已經取得了一些成果。 世界高端工業(yè)機器人，高精密，高速，多軸，輕量級的趨勢。符合要求的微米和亞微米 級的定位精度，它的運行速度可達到 3M/S 的新產品，以實現(xiàn)六軸負載 2KG 生產系統(tǒng)量 已超過總重量為 100KG。更重要的是，機器人手的柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合， 從根本上改變當前系統(tǒng)的手動操作的機械制造狀態(tài)。同時，隨著機器人和小型化再小型 化，其應用將超過傳統(tǒng)的機械領域，向電子，生物，生命及科學，航空和航天等高端產 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機械手設計內容 機電一體化技術是集合機械工程、傳感技術、信息處理技術等形成的一種綜合的技 術。盡管機電一體化的產品種類比較多，但由于他們形式和復雜程度還有功能的不同， 做工的機械本體部分是最基本的，必不可少的因素。工業(yè)機械手的設計在內容和知識還 有深度上都是適中的。 我們所要設計的是擬定整體的方案，驅動裝置和傳動裝置的方案。根據(jù)自由度選擇 和合適的參數(shù)選擇合適的手部和腕部還有臂和機身的結構。完成各部分的計算。工業(yè)機 械手工作裝配圖的設計與繪制。氣壓系統(tǒng)的設計。機械手的運動分析。最后寫上說明書。 1.4 機械手設計的作用 機械手的廣泛運用可以歸納為以下幾方面： 1）建造軸類、盤類、環(huán)類的自動線。一般采用的都是機械手在傳送帶之間或機床之 間傳送工件。深井泵廠自動生產線在沈陽和大連軸承 4 軸和 5 軸加工自動馬達線軸等， 已成為國內汽車生產線。 2）在實現(xiàn)單機自動化方面。各種的半自動化機床都有夾緊、進刀、切削、退刀和松 開等反面的功能。不過還需要人去上下料。如果實現(xiàn)自動化只需要一個人去看管機器。 現(xiàn)在機械手在這方面運用的有很多。一些國產機在出廠時附帶機械手，安裝機器人的用 戶提供了條件。 3）國內大規(guī)模生產 3T，5T，10T 鍛造錘，轉一轉爐下部，兩個機器人放置在爐子前 有一定的角度，從而使材料的自動化。 總的來說：對環(huán)境的適應性強，能代替危險的事物和對人有害的操作，長時間工作 對人有害的場所，對于機械手是沒有影響的。只要合理的設計，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質、滅火等環(huán)境中都能自如的工作。 機械手的持久度和耐勞性能強，可以把人們從單調的勞動中解救出來。甚至擴大了 人的功能，他進行適當?shù)木S修、檢修即能實現(xiàn)長時間的單調重復的工作，有與機械手工 作精確度高，可以避免認為的操作錯誤。 機械手靈活性好，能適應產品的變化。因為機械手的運動程序和運動位置能夠十分 靈活的改變。因為他的自由度，又能提供迅速改變作業(yè)內容。在小批量生產中，起著重 要的作用。采用機械手能明顯提高勞動生產效率和生產成本。 無錫太湖學院學士學位論文 2 1.5 工業(yè)機械手的分類和組成 按規(guī)格分類：微型的重量在 1kg 以下； 小型的重量在 10kg 以下 ；中型的 重量在 50kg 以下；大型的重量在 200kg 以下。 按功能分類： （1）簡易型工業(yè)機械手。有兩個固定的程序，近年來普遍采用可編程控制器組成控 制系統(tǒng)。這種機械手氣動的和液動的為主，因為這個結構簡單而且價格便宜。運用于一 些簡單的單機搬運工作已經足夠了，所以這種的工業(yè)機械手數(shù)量很多。 （2）記憶再現(xiàn)性工業(yè)機械手。這種機械手的移動設備通過人工領了一遍，然后記錄 原始的程序存儲器，所以機器人可以重復上述動作。 （3）智能機械手。是由傳感器控制的，具有視覺，還有觸覺，還有行走功能和熱覺。 按用途分類：專用機械手和通用機械手。獨立的控制系統(tǒng)，專用機械手，這種機械 手的動作固定的對象變量，可靠，適用于大批量生產和大批量生產。通用機械手的工作 范圍大、通用性強。適用于中和小批量生產 2。 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動機構和動力機構組成。如圖 1.1 圖 1.1 機械手傳動機構 執(zhí)行機構它主要有夾持器、臂部、腰座和行走機構等運動機構構成。 傳力機構有很多的形式，比如有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜鍥杠桿式、絲杠螺 母式、彈簧式和重力式。 傳動機構主要組成部分手臂可以有 3 個自由度，可以采用的是圓柱型坐標系、直角 坐標系。球坐標系和多關節(jié)四種坐標系，這四種方式。圓柱型坐標占的空間比較小，工 作范圍也小但是他慣性大并且不能抓物體的底面。直角坐標工作范圍下而且占的空間大， 最關鍵是自由度少。球坐標和多關節(jié)式占有的空間小、慣性小嗎、動力小、工作范圍也 小還能抓一個底面的物體，唯一的缺點就是多關節(jié)機械手結構過于復雜，一般很少用到。 驅動機構有氣動、液動、電動和機動這四種方式。液動輸出高，臂力可以達到 1000N 以上，能夠實現(xiàn)連環(huán)的控制，是工業(yè)機械手的用途更加的廣泛。氣動式不僅速度快、結 構簡單而且成本低。有較高的定位精度但是臂力在 300N 以下。所以不同的場合適合用不 同的驅動方式。 控制機構 驅動機構 執(zhí)行機構 工件 位置檢測裝置 工業(yè)機器人設計 3 控制系統(tǒng)有連續(xù)型控制和點控制兩種方式。大多數(shù)的點位控制都用的是插銷板和可 編程控制器和計算機來控制。用磁盤磁帶等來記錄程序。主要控制其坐標的位置，并注 意其加速度的特性。 這邊將設計圓柱型機械手，圓柱型機械手結構簡單容易上手。圓柱形機械手簡圖 1.2 1手爪 2氣缸 1 3氣缸 2 4氣缸 3 5諧波減速器 6步進電 機 圖 1.2 圓柱型機械手簡 這設計為具有一個指導原則。畢業(yè)設計的原則是：使命陳述為根本設計目標要求的 具體設計要求，充分考慮機器人的工作環(huán)境和過程的具體要求。符合技術要求的基礎上， 盡可能多地具有結構簡單，盡可能使用標準化，模塊化的通用元件配件，以降低成本， 同時提高了可靠性。本著科學，經濟和滿足生產要求的設計原則，還要考慮設計畢業(yè)設 計的特點，在大學所學到的知識，如機械設計，機械原理，氣動，電氣傳動與控制， ，電 子技術，自動控制，機械系統(tǒng)仿真盡可能的設計的綜合運用知識，設計對鞏固和加強， 考慮到個人能力水平和大學水平的知識客觀現(xiàn)實的時候，充分發(fā)揮個人的積極性，樸實 的，現(xiàn)實做設計 3。 1 2 3 4 5 6 無錫太湖學院學士學位論文 4 2 手部的設計 2.1 機械手設計參數(shù)和運動方案 2.1.1 運動方案 機器人為了工作有一執(zhí)行機構被稱之為手爪。手不直接用于裝夾工件的手結構是多 樣的，有不同的材料屬性，以及不同的表面條件。方案設計圖 2.1 圖 2.1 機械設計方案 方案一：采用較大的回轉半徑，在相同轉速的條件下，由于回轉的角度較小，故所 需的時間較短；但他也有它自身的缺點，他回轉臂較長。這樣回轉軸做回轉運動時的轉 動慣量和偏重力矩比較大；可以考慮使用配重塊來調整，但會影響整體的設計結構，并 且增加整機的重量。 方案二：采用較小的回轉半徑，可以減少其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩。在 相同轉速的條件下，由于回轉的角度較大，故所需的時間較長，但可以考慮適當提高轉 速來滿足要求。 綜上兩種方案，決定采用方案二。 設計時的主要參數(shù)主要參數(shù) ： （1）抓取重量 200N。 （2）的最大工作范圍：根據(jù)所選擇的形式的運動，按最大的自由度來決定。 （3）運動速度：根據(jù)設計過程中實際情況進行確定。 （4）定位精度：采用機械擋塊定位機構，定位精度3mm。 2.1.2 驅動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇： （1）驅動系統(tǒng) （2）腰座回轉運動上的旋轉運動由步進電機驅動器，具有更好的控制性，還有定位 精確，小體積等特點。 （3）剩余的移動考慮氣動驅動器，具有結構簡單，使用方便，成本低能量 工 件 傳送帶 工件 傳送帶 方案 1 方案 2 工業(yè)機器人設計 5 （4）位置檢測裝置 （5）行程檢測裝置使用行程開關，機械擋塊，它是通常使用的運動少低速專用機械 手和較高的使用壽命，成本相對于便宜等。 （6）腰座的角位移一般采用位置傳感起來檢測。 結構布置上的要求： 臂部要防止偏重；加強臂部剛度；改進緩沖裝置和提高配合精度。 設計方法： 在整體設計完成的主要參數(shù)是確定的，設計中的整體結構的機器人。在設計過程中 進行檢查的每個部分上的部件的質量，密度，體積，重心，轉動慣量和慣性主軸計算機 輔助設計計算，可以很好的減少在設計過程中繁瑣的計算和檢查程序。 根據(jù)機械手部分的相互關系，采用從：末端執(zhí)行器小臂大臂機座的順序進行 設計 4。 2.2 手部設計的結構和計算 2.2.1 機械手的基本要求 （1）要有夾緊力和驅動力，手部力量要適當，過小就夾持不住，松動、脫落。 那么結構龐大，不經濟，耗能大。 （2）手指要有足夠的角度開閉，一邊抓取和退出工件。 （3）要有準確的夾持精度，有準確的相對位置 （4）要結構緊湊，重量輕，效率高。 （5）還要考慮到適應環(huán)境的特殊性。比如說在高溫環(huán)境下、沖擊力比較大的環(huán)境、 腐蝕性比較輕的環(huán)境下。 這次設計的是：采用滑槽杠桿式，雙支點夾持物體，運用力矩原則把手閉合，持體。 基本結構的分析 5 本次采用的是滑槽桿手爪 圖 2.2 圖 2.2 滑槽手爪 表示支點到對稱中心的距離單位為 mm。 表示支點到工件中心的距離單位為a b mm。 表示手爪夾緊時滑槽方向與兩支點間的夾角。 表示銷中心的位置到支點中心距 c b 2 1 a c 連 桿 工件 無錫太湖學院學士學位論文 6 離。 在杠桿 3 向下的力的作用，銷軸會有一個向上拉力為 F,則滑槽對銷軸有方作用力。 圖 2-3 手爪受力分析 由 得 0F (2.1)21F 由 得 Y (2.2)cos1 力矩等于零得 OM (2.3)bFN1 (2.4) cosa 將（2.4）式 (2.5)2 式中的 表示支點到對稱中心的距離單位為 mm。 表示支點到工件中心的距離單位a b 為 mm。 表示手爪夾緊時滑槽方向與兩支點間的夾角。 分析表明，當驅動力 F 是常數(shù)，角度的增大，握力也增加，但角度太一般的原因的 桿的行程太大，增加手的結構的，所以最好 = 034 2.3 手部力的計算 2.3.1 夾緊力的計算 增加手指夾緊力工件手主要的設計基礎。大小，方向和作用點，必須加以分析和計 算。一般的狀況下，需要克服靜載荷和運動產生的工件的負荷狀態(tài)下工件原料的重力而 所產生的慣性力，這樣工件保持一個穩(wěn)定的夾緊的狀態(tài) 。6 工件被手指夾緊的夾緊力可按下式計算： (2.6)GKFN321 式中 安全系數(shù)，一般取 1.22.0；1K 動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。2 ga12 (2.7) F F2 F1 C F1 FN 工業(yè)機器人設計 7 其中 a 是重力方向上升時所產生的最大加速度；g 是重力方向向下加速度一般取 9.8 或 1sm/ (2.8)maxt v 運載時上升的最大速度；maxv 系統(tǒng)所要達到最高速度時所需的時間，一般選取 0.030.5s；t 方位系數(shù)，它是依照手指和工件位置不同來進行選擇； 3K 查機械工程手冊 ， 0.91.1，取 =1；3K3K G被抓取的工件所受到的重力（N） 。 .NG20 手爪的各個尺寸 機械手所能達到最高的響應時間ma50b15 是 0.5s，求夾緊力 和驅動力 和驅動氣缸的尺寸。F （1）設 =1.5 =100mm/s =0.5s 工件在重力方向移動速度為 0.1mm1axVst 將數(shù)據(jù)代入式（2-7）中得動載荷系數(shù) = =1.02；取 =1 gaK12 0.5983K 根據(jù)(2-6)公式，將已知條件 1,2.,.3 =1.51.021200=306.3N；所以得到夾緊力為 306.3N。NF 查機械工程手冊表 56.2-4 的連桿傳動的和部分結構，根據(jù)前面所示的機械手2 結構，并對照表 56.2-4，選取 (2.9) 1F )(sin NSabP -連桿傳動機構的效率. -杠桿的傾斜角. 根據(jù)驅動力公式；取 ，取 ,而 ， ， 則得如下驅動85.0o9015b0a03 力。 N 08.1247 85.0 136)903sin(si 5F )si(in 2N abP 根據(jù)計算得手爪的驅動力為 .P1 2.3.2 手爪驅動氣缸的設計 氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成 (1)缸筒的內徑的大小表示了氣缸的輸出力的大小?；钊陟o止缸上應該做的往復運 動滑動，內筒的表面粗糙度應可以實現(xiàn) 。umRa8.0 無錫太湖學院學士學位論文 8 (2)端蓋上進氣和排氣和進氣系統(tǒng)，氣口上方，一些設備仍然在蓋上還具有緩沖機構。 桿側的端蓋具有從活塞向外，以防止泄漏，并防止外部的灰塵混合罐的密封和防塵密封。 桿側的端蓋上面還設制有導向套，以方便提高氣缸的導向的精度，另一方面也承受了少 量的橫向負載，并且減小了活塞桿其伸出時侯的下彎曲量，這樣就大大的延長氣缸的使 用壽命。為減輕導向套的重量并防止生銹，通常使用的是鋁合金壓鑄。 (3)活塞它在汽缸里面是一受到壓力作用的零件。設計活塞密封圈是為了防止活塞左 邊和右邊發(fā)生串氣。活塞環(huán)的磨損有明顯的效果，減少活塞密封圈的磨損，提高指導， 減少摩擦。耐磨環(huán)長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。密封圈尺寸是決 定活塞寬度的必要因素。如果說滑動部分過于短小，容易引起早期的卡死和磨損。常用 鋁合金和鑄鐵來制造活塞。 (4)活塞桿則是氣缸中最重要的受力零件了。在正常情況下，它是利用高碳鋼，硬鉻 電鍍表面，提高了耐磨損性，其密封 。7 (5)靜止不動的部分的密封即使靜密封，相反來回轉動或者反復來回運動的部件的密 封也就是所謂的動密封。 單個動作就是一端只有一個活塞桿，只從一個方向的一端的氣體進行輸出，輸出功率 大，靠彈簧復位雙作用是指由的活塞兩側進行交替的供氣，由兩個方向輸出力。 沖擊氣缸：是一種新型元件。它能夠把壓縮氣體的壓力轉換成活塞前后運動的動能， 因此完成作功效果。沖擊氣缸其中增加帶有了噴口以及泄流口的中蓋。中蓋把氣缸分成 三個部分，分別是儲氣腔、頭腔和尾腔這三部分。它應用廣泛，主要的運用于沖孔、下 料和成型等多樣性的工作。擺動氣缸從葉片來回擺動，將被分離成兩個腔的兩腔交替地 供應，從而使輸出軸作擺動運動。工作環(huán)境的基礎上的力的大小來確定進一步的推力和 拉力桿尺寸。若選擇的汽缸徑小了，那么輸出力將不夠，氣缸就不能夠正常的工作。如 果缸徑過大，笨重的消耗增加的移動設備，成本絞高，則就會造成很大的浪費。在設計 時，減少氣缸的尺寸，則應盡量采用增力機構。 (1)一般采用鑄鐵缸體，如果完全消除后廠鑄造過程中，為了生活中的內應力產生， 它必須經過時效處理。時效時間過短，加工好的汽缸在運行的過程當中還會變形。 (2)汽缸運轉是非常復雜的，不僅要被安裝在一個氣缸的各個組成部分在其中的靜載 荷的重量和其他外部和內部和外部的氣體壓力差，還要經受冷態(tài)下的連接管道缸動力的 作用，蒸出的靜止的定子部分反應，氣缸塑性變形引起的泄漏。 (3)如果增加或減少氣缸的負載是太快了，特別是對于一個快速啟動，停止和溫暖缸 不正確，工作條件的變化，溫度的變化，停機打開保溫層時存在過早等現(xiàn)象，氣瓶和法 國蘭花會產生相當大的熱變形和熱應力。 (4)氣缸焊接或機械應力，導致從處理后，如果不進行回火氣缸被淘汰，這將導致更 大范圍內的殘余應力的氣缸在操作過程中產生永久變形。 (5)在安裝過程中，由于在氣缸的相反側的維修技術問題的蒸汽分離器包絡不適當膨 脹間隙，壓紙或不適當?shù)陌惭b耳朵膨脹間隙，運行后的氣缸的變形力的巨大膨脹。 (6)汽缸所使用得密封劑質量不好、型號不對或者是雜質較多的話；如果氣缸內的密 封劑與硬質粒子中的雜質，將導致密封面很難合在一起。 (7)汽缸的螺栓的緊力不夠或是螺栓的材質不夠強度的話。螺栓主要使汽缸結合面的 工業(yè)機器人設計 9 嚴密性主要靠。螺栓的應力會松弛，在起停或是增減負荷時產生的熱應力和高溫會造成 環(huán)境下，螺栓的預緊力就會逐漸減小在應力不足的環(huán)境下。不充分的強度的螺栓材料， 在長期的運行中，汽缸的膨脹力和氣缸的熱應力的作用下被拉長，螺栓會產生塑性變形， 緊固力將是不足的，導致在氣缸泄漏現(xiàn)象 。5 根據(jù)液壓傳動與氣壓傳動 得氣缸的外徑公式 ，3 (2.10)224dpFD 式中： -驅動力為拉力。 。 2F N08.172P -負載率。 -工作壓力。p 與 的關系，現(xiàn)在設 ， 。5.0MPa 5.p -活塞桿直徑。一般取 ，取 。將各個只帶入式d 32/Dd25.0/Dd (2.10)中得： mpFD 92)4(5.015.014.38.27 26 根據(jù)機械設計，圓整后取 。則 。活塞桿穩(wěn)定性校m9D 3/Dd 核：由于活塞桿受拉時工作，故可不校核其。手爪氣動缸如圖 2.4 圖 2.4 夾持器驅動氣動缸 2.3.3 手部誤差的分析 在夾持不同直徑的圓棒料時 ,手指的形心或工件軸心位置會發(fā)生變化。實際上 ,因為 夾持不同的工件，其尺寸不同從而將會導致它的軸心的位置發(fā)生變化這些變化可認為是 夾持誤差 ,將取其中最大的誤差來評價夾持精度。夾持誤差是由手指在夾持的過程中位姿 決定 ,它將會直接影響到整個的機械手的定位精度。當然 ,為了提高夾持精度，其中比較 有效方法是手指結構可、更換手部或者運用自位手指機構 。但這類手指結構都較為復雜。 為了讓手指方便簡單的去工作，采用固定式的機械手夾持物件，但其工作的環(huán)境要求比 無錫太湖學院學士學位論文 10 較高的 。6 為了保證手抓張開角為 ，o60 機械手的夾持范圍為 60120mm。夾持誤差不超過3mm. 分析如下：工件的平均 半徑： = =45mm；手指長 L=150mm，V 型夾角CPR2603021 偏轉角 （2.11）sinco1LCP 由式（2.1）： = = =69.731iRcp1o60sin54 按最佳偏轉角確定： =69.73 計算理論平均 150sin60cos69.73=45.00mm；因為 cLi0min0maxR 22max2max21 asinLcosin)si( R 22 25073.69sin150 5073.69csi1)( 22 2.si .cos6in)( 132.6622996 131.5274278 1.13487 所以 =1.134873 夾持誤差滿足設計要求。 工業(yè)機器人設計 11 3 機械手臂的設計 3.1 機械小臂設計 （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕。 機身和機械手臂的承載能力，一般取決于它的剛度。一般的手臂都是采用水平的或 垂直懸伸的方式。那么很顯然的就知道，當手臂的伸長長度越長那么它的剛度就會越差， 臂的剛度會隨著臂的伸長或縮短而不斷地變化的。手臂的剛度對于機械手的運動狀態(tài)和 運動的質量都有一定的影響。 （2）臂部運動速度要高，慣性要小。機械手手臂的主要運動參數(shù)之一是機械手的運 動速度，它主要反應的是其生產的水平，這個其實主要是根據(jù)生產的節(jié)奏來確定的。機 械手的運動速度一般是勻速運動。在做變速運動的時候實在手臂啟動和停止的一段時間 它做的是變速運動。一般在啟動時間的加速度和終止時間的加速度不能夠太大否者會發(fā) 生沖擊和震動等效果。 （3）手臂動作應該靈活。為了讓手臂動作靈敏，可以盡量使用滾動摩擦代替滑動摩 擦，減少件與件之間的摩擦阻力。 （4）機器人的臂的結構和大小應該滿足的操作任務，工作空間。 （5）加載臂和其結構的特點，高強度的輕質材料的手和手臂的結構合理的選擇，以 減少手臂本身的重量。 （6）應該有可能減輕重量的臂相對的旋轉接頭的旋轉運動，并偏向轉動慣量，它可 以減少負載驅動裝置的旋轉力矩，從而降低了操作的動態(tài)載荷和沖擊，響應手臂運動速 度提高。 3.1.1 小臂驅動力的計算 小臂的整體結構簡圖：圖 3.1 Z1 圖 3.1 小臂的整體結構 小臂部在搬運工件時做得收縮運動時需要克服摩擦力和慣性力，其驅動力可按下式 計算： （千克力） （3.1）kgfFPmq 手爪氣 缸 氣缸 無錫太湖學院學士學位論文 12 式中： -摩擦阻力。其中包括導軌支承間的摩擦阻力，活塞與缸壁及密封處的mF 摩 擦阻力。則 N 465.90F.31m 2得 密 封 處活 塞 與 缸 壁導 軌 mF -起動過程的慣性力。其大小按下式計算：gF （3.2）kgftvGg 其中： -臂部移動部件的總重量。 缸導 桿手 爪工 件 GG N 62.35 8.93.26.4890 氣 缸導 桿手 爪工 件 注：上式中的手爪、導桿、氣缸的質量都是由質量特征求得。其密度均為： ，導桿取 。g/cm 8.7m -重力加速度。 -臂部運動速度。取 。v/s 2.0v -起動時所需的時間，一般可取 。現(xiàn)取 。t s 5.01t s 3.0t 故 。N 3.2 3.05 tgvGF 所以 。495.1 0.46.9 mqP 3.1.2 小臂驅動氣缸的設計 根據(jù)液壓傳動與氣壓傳動 ，有3 （拉力作功） 24dpFD （3.3） 式中： -驅動力為拉力。 。2F495.21PF -負載率。 -工作壓力。 與 的關系，設 ， 。 pp.0MPa .p -活塞桿直徑。d 一般取 ，取 。3.02./D25./Dd 工業(yè)機器人設計 13 m 4)(5.015.014.349.2 26DdpFD 根據(jù)工業(yè)機器人設計 圓整后取 。 則 4 1/Dd 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計算 按薄壁圓筒公式計算：選用手爪驅動力進行計算： （3.4）(Pa) / m2 npDbs 式中： -缸筒內徑， 。D 0.929 -工作壓力 的 1.5 倍，即 。sppMPa185ps -缸筒材料的許用應力 。)(a -缸筒材料的抗拉強度 。 b P 選 45 鋼，查機械設計師手冊得 。 -安全系數(shù)，一般取 6 Pa 598bn ，取 ，則 則86n7n .43/7/nb (m) 107. 1085.2 . 246spD 根據(jù)計算 。 （45 剛無縫鋼管）m 4 3.1.4 氣缸的選用 氣缸類型：活塞式單作用氣缸； 安裝形式：通用型； 氣缸行程：按所需行程增加 1020mm; 運動速度：設置調速元件，如節(jié)流閥等； 潤滑：除了潤滑氣缸，氣缸應注意合理潤滑的氣源潤滑器的入口，根據(jù)油的量調整。 根據(jù)上式的計算我們了解到氣缸中 。則選擇的參數(shù)如下:4,23,9maxaxdD m 5 ),( 63d 10 故 此 值 盡 量 取 大 些彎 剛 度考 慮 到 后 面 的 小 臂 的 抗D 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 根據(jù)機械設計 取安全系數(shù) ，校核條件：14 10stn （3.5）stcrPn 無錫太湖學院學士學位論文 14 臨界力 （3.6）2lEIPcr 其中：彈性模量 ?；钊麠U截面的慣性力矩：Ga10 （3.7）64dI 則 12430.8266)10(1.3I 活塞桿桿長為 。0m.l 故 N976.54380.1.421432 1292 lEIPcr 所以 規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)為 ，而 所以挺stnn8645.917 10stnn 桿滿足穩(wěn)定要求。 3.1.6 小臂剛度校核 最大彎力距 mN 62.350.1)89.326.489.20(M max 抗彎截面系數(shù) 33 01.57)16(4dW 力臂最大的許用應力 Mpa86.92.8ax 查相關手冊 45 剛的彎曲應力為1 pa10 因為 ，所以滿足要求max 3.1.7 端蓋的連接方式及強度計算 (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，然后端蓋的連接鏈路多使用半環(huán)連接其優(yōu)點是加工和裝 拆方便等優(yōu)點，缺點是開缸環(huán)槽強度減弱。 (2) 缸蓋螺栓的計算 為保證連接的緊密性，螺栓間距 應適當。0t 表 3-1 工作壓力與螺栓間距關系表 工作壓力/ Mpa /mm0t 1.6 150mm 1.64 120mm 410 100mm 1016 80mm 1620 60mm 2030 40mm 這種聯(lián)結中，每個螺栓在危險剖面上承受的拉力 為工作載荷 和殘余預緊力 之FSOF 和 （3.8） OSF 工業(yè)機器人設計 15 式中： 工作載荷， = SFSFZ pDP42 （3.9） 螺釘中心所在圓的直徑； 驅動力；0DP 螺栓數(shù)目 = （3.10）ZZ0tD 剩余預緊力， ；0FSF)6.2( 計算： D=90mm， =100mm，P= ，螺栓直徑 ，間距與工作壓力有關，見0DMpa3.0md 表格 3-1 間距應小于 150mm，試選螺釘數(shù)為 8 個： 則將 代入式中 Z= ，得 =39150，滿足要求； 8,30Z0tD0t 則 = =794.8N；SFZ pP42 因為 ，那么我將選擇 ；F)6.02(0 NFS4.3975.0 21843970S 根據(jù)機械設計螺栓直徑按強度條件計算 （3.11） JFd1 式中 計算載荷， ；JFJ3. 許用抗拉應力， ；nS 螺栓材料的屈服點，材料選擇 45 鋼，則屈服強度為 352MPa；S n安全系數(shù)，n=1.22.5，此處取 n=2； 螺紋內徑， =d 1.224S，d 為螺栓公稱直徑，S 為螺距。1d1d 根據(jù)上式公式 86.15492.3.FJ 代入數(shù)據(jù)： mnd03.41 則螺栓公稱直徑為 ，取 M12 的螺栓 13。1.8.2.103. 無錫太湖學院學士學位論文 16 3.2 大臂的結構設計 3.2.1 大臂的結構和要求 （1）要有一定的剛度和穩(wěn)定性； （2）運動靈活，導套長度不應該過短,否則再做升降運動時可能會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象， 要有導向裝置； （3）結構安排應合理，便于拆除卸方便，很容易修復； 大臂的整體結構圖 3.2 圖 3.2 大臂的整體結構 3.2.2 驅動力的計算 驅動力： ；起動過程的慣性力 kgfFPmq kgftvGFg N 47.26 422211 導 桿平 臺氣 缸活 塞 桿導 桿氣 缸手 爪工 件 GG 其密度均為： ，導桿取 。3g/c 85.m 36 臂部運動速度取 ；起動時所需的時間取 。s0v s .0t 故 。N 17. 3.02476 tgGF N 28.14F5.0675.0m 得 密 封 處活 塞 與 缸 壁導 軌 mF 所以 N 45.8 17.36.gqP 3.2.3 大臂驅動氣缸的設計 根據(jù)液壓傳動與氣壓傳動 ，有 24dpFD（拉力作功） 氣缸 氣缸 導向桿 活塞桿 工業(yè)機器人設計 17 式中： -驅動力為拉力。 。2F45.82PF -負載率。 -工作壓力。 與 的關系pp 與 的關系，設， ， 。5.0Ma . -活塞桿直徑。一般取 ，取 。d30/Dd2.0/Dd m 5)4(5.015.014.34.8 262 pFD 根據(jù)有關書籍 ，圓整后取 。 則2 mD 1/Dd 3.2.4 氣缸的選擇 我們從上面小臂中的汽缸壁厚的計算中 () 2sp 而 MPa 85.43 9/7 /nb 大臂中的 和驅動力 比較小，所以大臂中的壁厚 小于小臂中的。D 根據(jù)計算選則與其相同的氣缸： m 5 ),( 63d 10 故 此 值 盡 量 取 大 些彎 剛 度考 慮 到 后 面 的 小 臂 的 抗 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 取安全系數(shù) ，校核條件： 。10stnstcrnP 臨界力 2lEIPcr 其中：彈性模量 。Ga 10 活塞桿截面慣性距 。12 434 0.8266)10(.36dI 桿長 。m 8.0l 故 N 7.340.1.8221. 1292lEIPcr stnn754.836 規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)為 ，所以挺桿滿足穩(wěn)定要求。st 無錫太湖學院學士學位論文 18 3.2.6 大臂剛度校核 最大彎力距 mN 62.350.1)89.326.489.20(M max 抗彎截面系數(shù) 33 01.57)16(4dW 力臂最大的許用應力 Mpa86.92.8ax 查相關手冊 45 剛的彎曲應力為1 pa10 因為 ，所以滿足要求max 機械臂的計算準確性和穩(wěn)定性對產品的準確放置和工作中的安全性有重要的作用， 此機械臂能夠左右和上下移 14。 工業(yè)機器人設計 19 4 驅動系統(tǒng)設計 4.1 軸承的設計 4.1.1 軸承的選擇 軸承所受的載荷的大小、方向性質，是選擇軸承類型的主要依據(jù)。 由軸承的負荷的大小，類型的選擇，因為主要的元件是一個滾子軸承的線接觸，應 該被用來承受較大載荷，加載變形后也較小。和主要為點接觸球軸承為承受輕微或中度。 根據(jù)承載類型選擇為純軸向載荷的方向，一般用在止推軸承。較小的純軸載荷可選 用推力球軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承。如果我們遇到純徑向力時，通 常用于深溝球軸承，圓柱滾子軸承或滾針軸承。當軸承的徑向負荷和軸向負荷不會太大， 可以選用深溝球軸承，角接觸球軸承接觸角小。當軸向載荷較大時可選用角接觸球軸承 和圓錐滾子軸承。在內徑相同的條件下，直徑越小，較小的滾動體，做外圈滾道面的滾 動運動，離心力也較小，因此，更適合于在較高的轉速下工作。故在高速下時，可再并 裝一個相同的軸承，或者考慮采用寬系列的軸承。外徑較大的軸承，宜用于低載的場合。 保持架的材料和結構對軸承的影響極大。實體保持架比沖壓保持架允許高一些的轉速， 青銅實體保持架允許更高的轉速度。如果運行速度略超過樣本中指明的速度限制，您可 以選擇更高級別的公差軸承，或使用更大的軸承游隙，使用循環(huán)潤滑，加強流通和一些 冷卻等措施，以提高軸承的高速性能。若工作轉速超過極限轉速較多，應選用告訴滾動 軸承 。10 當角度誤差是因為中心線與軸承的中心線不重合，因為軸向力，或由彎曲或傾斜， 從而，兩個內圈和外圈，將導致軸承的軸線的位置的偏轉發(fā)生。所以需要我們應該選著 既能夠能夠承受較大軸向力和又能承受徑向力的圓錐滾子軸承 。13 選擇的圓錐滾子軸承 ：尺寸d: 190 尺寸D: 320 尺寸T: 78 4.1.2 軸承的計算： 已知載荷 。N 63.17GP 設手爪從一個傳送帶轉到另一條傳送帶所需的時間為 4s，則轉速 min/ 560/4312nr 取預期計算壽命 （24 小時連續(xù)工作的機械） ，則基本額定動載h50hL )(6 1PCn （4.1） 無錫太湖學院學士學位論文 20 那么 。(N) 10 6hnLPC為 基 本 額 定 動 載 荷C 對滾子軸承， ，則 3/ N 87.3905 10563.17 /0 表 4-1 軸承工作溫度和溫度系數(shù)關系 軸承工 作溫度 / 120 120 150 175 200 225 250 300 溫度系 數(shù) tf 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.60 根據(jù)表 4-1 取溫度系數(shù) ，則 。) 10( 1Cft 軸 承 工 作 溫 度 N 87.3905t 滾動軸承的當量載荷： arYFXP ,0,F r 為 徑 向 載 荷其 中 軸向載荷， .NGa6317 查機械設計知不論 都有 .eFeFrara/還 是 21,YX 36.208.1732. OYXFPar 載荷性質為無沖擊或輕微沖擊，則可取載荷系數(shù) .故實際的當量動載荷 Pf 。N 4.36208Pf 12 因為實際驅動力 小于額定動載荷 所以可以使用。C 4.1.3 軸承的壽命校核： 軸承的壽命計算公式如下： )(601PCnLh -軸承的額定壽命(h)； -當量動負荷， ；N 4.28 -壽命指數(shù)，對滾子軸承， ； 3/10 -額定動負荷（N） ，C (4.2)PfCTnFh 表示壽命系數(shù)，取 （滾子軸承， ） ；hf 4hf 50hL 表示溫度系數(shù)，取 （ ） ；n 27.1nmi/r 工業(yè)機器人設計 21 表示溫度系數(shù)，取 (工作溫度 ） ；Tf 1Tf120 表示負載荷系數(shù)，取 (無沖擊或輕微沖擊） ；F .F 3/1066 2975)4.2879(501 )(01 N 3.4.287.4 hh LPCnL 所以符合要求。h 4.2 電機的基本情況和選擇 4.2.1 電機的選則與計算 （1）兩種電動機是直流電動機和交流電動機。這是按電源分類的。在兩個電機中交 流電動機還有單相電動機和三相電動機。 （2）如果要按電動機的結構或者說工作原理的話，那么我們把電機分為了兩種味異 步電機和同步電機。同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同電 動機。 異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電 動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥 電動機這三個電機又是由交流換向器電動機分成。 直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流 電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動 機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土 永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。 （3）按照電動機的啟動和運行的方式則有容動式電動機、電容盍式電動機、分相是 電動機以及電容啟動運轉式電動機 。15 （4）按用途分類 電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。 驅動電機分為電機，家用電器，電動工具，用小型電機和其他通用機械設備（包括 各種小工具，小型的機械，醫(yī)療設備，電子設備等）的電動馬達。分為電機控制步進電 機和伺服電機。 步進電動機和伺服電動機等為控制用的電機。 （5）根據(jù)轉子的結構分類，可分為轉子鼠籠式感應電動機（舊標準稱為鼠籠型異步 電動機）和繞線式異步電動機（舊標準稱為繞線式異步電動機）的結構。 （6）運行速度可分為高速電機，低速馬達，恒定速度電機，變速電動機。 分為低齒輪減速電機電磁電機，齒輪減速電機，力矩電機和爪極同步電動機。除了 電機的轉速恒定的速度可分為一類，無級恒速電機變速電動機和電機 無級調速電機，它也可以被分為電磁調速電動機，直流電動機，PWM 逆變器電機和 開關磁阻電機 13。 腰座作回轉運動時，其主要轉矩是由軸承的摩擦力產生的。 無錫太湖學院學士學位論文 22 查機械設計手冊 1知推力軸承摩擦系數(shù) 。0.3 則 摩擦力 NGF 4.5790.3 轉矩 mcdM 824.5 考慮到加速力矩、附加摩擦力矩等因素，取 。mNM 16.2ax 根據(jù)最大靜轉矩，先取型號為 90BF002 的步進電機 。17 表 4-2 步進電機參數(shù) 步進電機的結構圖 4.2 圖 4.2 步進電機的結構 4.2.2 注意事項 （1）驅動電源的好壞對步進電動機所控制的那個系統(tǒng)的運行影響很大，在使用時應 該要特別的加以注意，我們需要的是根據(jù)運行的要求，盡可能的去采用先進的驅動電源， 來滿足步進電機它的性能的運行。 （2）如果電機所帶負載轉動慣量較大，那么應該用比較低頻來啟動，接下來再慢慢 上升到工作頻率，如汽車在停車時也應該工讓電機降到適當?shù)念l率然后再停車。 （3）在工作過程中，應當盡可能的去避免因為負載的突然變化而引起的誤差。 （4）如果在電機工作的過程中發(fā)生了失步的現(xiàn)象，那么，應該檢查負載是否過大了， 電源的電壓是不是處于正常狀態(tài)；然后檢查驅動電源的輸出波形是不是正常；但要注意 在處理問題的過程中不應該隨意的變換元件 。18 4.2.3 工作原理 步進電機的種類有很多，通?？煞譃槿N類型:混合式步進電機，反應式步進電機和 永磁式步進電機 13。 （1）反應式步進電機:可以將其簡單的分為三種電機，反應式、混合式和永磁式步進 步進電機技術參數(shù)如下： 外形尺寸/mm 電機型號 相數(shù) 步距角 電壓 電流 最大靜轉矩 分配方式 質量 外徑 長度 軸徑 90BF002 5 .180V 7A mN92.3五相十拍 4.5Kg 90m m 145mm 9mm 工業(yè)機器人設計 23 電機。 （2）永磁式步進電機是使用永磁材料的步進電動機。 （3）混合式步進電機是在變磁和永磁阻兩個原理下作用下運行的。 4.2.4 步進電機的特點 （1）步進電機受數(shù)字脈沖信號的控制，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比。 （2）步進電機的轉速與輸入的脈沖頻率成正比。 （3）步進電機的轉向可以