四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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V 第一章 緒論 ...................................................................................................................... 1 業(yè)機(jī)器人的概述與發(fā)展 ..................................................................................... 1 設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 ......................................... 2 設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 ............................................. 2 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 3 計(jì)要求 ................................................................................................................. 3 器手的組成 ......................................................................................................... 3 體方案擬定 ......................................................................................................... 4 器人的工作空間 ................................................................................................. 4 械手驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................. 5 械手驅(qū)動(dòng)器 .................................................................................................. 5 械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) .............................................................................................. 5 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 7 珠絲杠的選擇 ..................................................................................................... 7 波齒輪減速器參數(shù)的確定 ................................................................................. 8 4 機(jī)械手的各電動(dòng)機(jī)的選擇 ........................................................................................ 12 械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇 ....................................................................... 12 械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 ................................................................... 15 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................... 18 爪夾緊力的計(jì)算與氣爪的選擇 ....................................................................... 18 爪夾緊力要求 ............................................................................................ 18 徑的確定 .................................................................................................... 19 程的確定 .................................................................................................... 20 缸的運(yùn)動(dòng)速度 ................................................................................................. 20 動(dòng)氣缸的選擇 ............................................................................................ 21 臂伸縮氣缸的選擇 ........................................................................................... 23 6 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................ 26 械手控制器的選擇 ........................................................................................... 26 器手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求 ........................................... 26 制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ........................................................................................... 27 目 錄 7 手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參數(shù) ............................................................................................ 29 臂平衡的驗(yàn)算 ................................................................................................... 29 械手參數(shù) ........................................................................................................... 30 設(shè)計(jì)總結(jié) ............................................................................................................................. 31 鳴 謝 ................................................................................................................................. 31 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 32 充值后就可以下載此設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。全套資料包含有相應(yīng)的 明書(shū)和 紙（共計(jì) 4 張圖紙）。 需要全套資料的朋友請(qǐng) 加1： 1459919609 或 2： 1969043202， 需要其他設(shè)計(jì)題目直接聯(lián)系！??！ 計(jì)總說(shuō)明 在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)是歷史發(fā)展的 趨勢(shì) 。 近十幾年來(lái)，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 在工業(yè)上，自 動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手是基于 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益， 減輕 工人勞動(dòng) 強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在某些 勞動(dòng)條件 極其 惡劣 的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手 代替人力勞動(dòng) 。 本設(shè)計(jì)為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手，其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于 2圓形棒料的搬運(yùn)。通過(guò)氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60棒料的搬運(yùn)。 在控制器的作用下，機(jī)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(zhuǎn)過(guò)來(lái)這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作 . 關(guān)鍵詞： 四自由度；機(jī)械手；搬運(yùn)； 工業(yè)機(jī)器人 in at It‘s In in as to of at t in so to do a of It is of at of is is 0to it in of 1 － 1 緒論 業(yè)機(jī)器人的概述與發(fā)展 機(jī)器人（又稱機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱： 在人類科技發(fā)展史上其來(lái)有自 ，早在三國(guó)時(shí)代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國(guó)人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機(jī)器人的研究從一開(kāi)始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)與制作，也是為了以機(jī)械來(lái)代替人去做人力所無(wú)法完成的勞作或探險(xiǎn)。但近十幾年來(lái)，機(jī)器人的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對(duì)于提 高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)條件的作用日見(jiàn)顯著。不少勞動(dòng)條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨勢(shì)。 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械 。 主要用于加工自動(dòng)線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作 。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí) 逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為三代： 第一代工業(yè)機(jī)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(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能 外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。 世界上工業(yè)機(jī)器人萌芽于 50年代的美國(guó)，經(jīng)過(guò) 40多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于00 － 2 － 人類社會(huì)很多領(lǐng)域，正如計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。 進(jìn)入 90年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，每年增長(zhǎng)率保持在 10%左右，世界上已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬(wàn)臺(tái)左右， 1992、 1993 年世界 機(jī)器人市場(chǎng)曾一度出現(xiàn)小的低谷，近年除日本外，歐美機(jī)器人市場(chǎng)也開(kāi)始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市場(chǎng)一樣，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)也逐漸活躍， 1997年上半年，我國(guó)從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達(dá) 200家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有 410臺(tái)，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。目前全國(guó)約有機(jī)器人用戶 500家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為 1200臺(tái)，其中從40家外國(guó)公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3以上，并每年以 100～ 150臺(tái)的速度增加。 從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來(lái)看，在很多方面 工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然的趨勢(shì) ，工業(yè)機(jī)器 人將來(lái)必定有廣闊的發(fā)展前景。 設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實(shí)現(xiàn)的功能 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于 2 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手有四個(gè)自由度，由底座的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，手臂的伸縮，手爪的旋轉(zhuǎn)組成。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)機(jī)械手。通過(guò)氣爪手指的不同選擇可滿足小于直徑 60棒料的搬運(yùn)。 通過(guò)示教再現(xiàn)或程序的直接控制 可實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手工作范圍內(nèi)把棒料從指定點(diǎn)搬運(yùn)到另一指定點(diǎn)，并把棒料翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。通過(guò)對(duì)機(jī)械手的相應(yīng)控制還可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的排列。 設(shè)計(jì)中的四自由度棒 料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來(lái)的，目前已應(yīng)用與 許多生產(chǎn)領(lǐng)域 。由目前的發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)它將在生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色。本機(jī)械手就是基于此并為 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益， 減輕 工人勞動(dòng) 強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。在某些 勞動(dòng)條件 極其 惡劣 的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手 代替人力勞動(dòng) 。在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)是歷史發(fā)展的 趨勢(shì) 。 00 － 3 － 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 計(jì)要求 要求：本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生 掌握機(jī)器人或工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個(gè)自由度，完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)，要求所設(shè)計(jì)機(jī)器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)。 器手的組成 圖 2械手的組成圖 本機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng) (執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) )、控制檢測(cè)系統(tǒng)組成。 機(jī)械系統(tǒng)： 行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。 執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動(dòng)、氣壓傳 動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 控制系統(tǒng)： 通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 00 － 4 － 體方案擬定 由設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的作用：自動(dòng)線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶，設(shè)計(jì)機(jī)械手將一棒料工件從 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2個(gè)為旋轉(zhuǎn)， 2個(gè)為平移。 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開(kāi)的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定機(jī)械手，利 用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則選用氣爪來(lái)做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。 其外觀與工作移動(dòng)方位如圖 2 2器人外形圖 器人的工作空間 本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個(gè)具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對(duì)工作空間和絕對(duì)工作 空間，所謂相對(duì)工作空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比，絕對(duì)工作空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積，只要工件搬運(yùn)點(diǎn)都在此范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。 下圖 2頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 00 － 5 － 圖 2作空間圖 械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 械手驅(qū)動(dòng)器 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ,它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體 ,驅(qū)動(dòng)臂，桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)、液壓和氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是最常用的驅(qū)動(dòng)方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn) 電機(jī)等。本設(shè)計(jì)中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器（在第 5章計(jì)算說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的選擇），而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動(dòng)器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過(guò)擺動(dòng)氣缸來(lái)作為驅(qū)動(dòng)器。 械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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(dòng)手臂的升降。 手臂的伸縮是通過(guò)氣缸桿直接連接裝有擺動(dòng)氣缸的擺動(dòng)氣缸安裝板，從而實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)的。 氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動(dòng)氣缸通過(guò)氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 2 2爪連接示圖 00 － 6 － 底座的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從 而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下圖 2 1—— 支座， 2—— 電機(jī)， 3—— 軸承， 4—— 帶傳動(dòng)， 5—— 殼體 6—— 位置傳感器， 7—— 柔輪， 8—— 波發(fā)生器， 9—— 剛輪 圖 2械手底座傳動(dòng)示圖 本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 2 表 2械手參數(shù)表 機(jī)械手類型 四自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2由度 4 個(gè)（ 2個(gè)回轉(zhuǎn) 2個(gè)移動(dòng)） 底座 長(zhǎng) 290轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240° ，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 手臂升降機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 550降運(yùn)動(dòng)，升降范圍 400進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 手臂伸縮機(jī)構(gòu) 長(zhǎng) 826縮運(yùn)動(dòng)，伸縮范圍 270缸驅(qū)動(dòng) 活塞位置控制 氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動(dòng)，行程開(kāi)關(guān)控制 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 7 － 3 機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 珠絲杠的選擇 絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計(jì)的手臂質(zhì)量約為 25 245 N 。絲桿選為有效行程 450 由前電機(jī)選擇的計(jì)算絲桿轉(zhuǎn)速 525 r/ 設(shè)計(jì)使用壽命取 L=27? 106r，工作溫度低于 100℃ ，可靠度 95%，精度為 3級(jí)精度。 計(jì)算工作載荷： K 式中： K—— 顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，設(shè)計(jì)取為 c = K = 245 = 294 N 最大動(dòng)負(fù)載 最大動(dòng)負(fù)載 3 f F? 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2式中： L—— 工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計(jì)取為 27? 106r 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取 1~設(shè)計(jì)取 m—— 滾珠絲桿工作載荷（ N）； 把以上數(shù)據(jù)代入 3 f F? 得： 3 2 7 1 . 2 2 9 4 1 0 5 8 . 4? ? ? 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) C=，查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2用漢江機(jī)床廠 列代號(hào)為 中 7747 0D = 25 6 螺桿不長(zhǎng)，變形量不大無(wú)需驗(yàn)算。 效率計(jì)算 螺旋導(dǎo)程角 γ = 25?? = 3o57′ 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 8 － 效率的計(jì)算公式： ? ?ta n????? ? 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)式 2式中： ? —— 絲桿 螺旋導(dǎo)程角有前計(jì)算的 ? =3o57′ ? —— 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 f=摩擦角為 ? = '10 把以上數(shù)據(jù)代入 ? ?ta n????? ? 得： ? ?''t a n 3 5 7 't a n 3 5 7 1 0?????= 5% 波齒輪減速器參數(shù)的確定 一般一 級(jí)諧波齒輪減速比可以在 50～ 500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，重量輕，運(yùn)動(dòng)誤差小，無(wú)沖擊，齒的磨損小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動(dòng)裝置明顯的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。 本設(shè)計(jì)的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動(dòng)。 諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)組合件。它是由三個(gè)基本構(gòu)件構(gòu)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(gòu)成的波發(fā)生器。 諧波齒輪的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下： 傳動(dòng)比： 2 100i ? ； 柔輪變形波數(shù)： U=2 ； 柔輪齒數(shù)： 2 1 0 0 2 0 0 i? ? ? ? ? 剛輪齒數(shù)： 2 0 0 2 2 0 2 U? ? ? ? ? 模數(shù)： 柔輪臂厚： 尺寬： 20b 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 9 － 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計(jì)算分別確定如下： 全齒高： 分度圓直徑： 80Rd 齒頂圓直徑： 8 3 8 2 齒根圓直徑： 7 9 8 4 m m? 齒形角： 20R? ?? 20G? ?? 變位系數(shù)： 柔輪與剛輪均采用漸開(kāi)線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長(zhǎng)軸2a=短軸 2b=并且采用具有 23個(gè)直徑為 諧波齒輪輪齒的耐磨計(jì)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(shí)很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 齒工作表面的耐磨損能力可由下式計(jì)算： 2000pR n h b Z??式中： T—— 作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（ 由前計(jì)算取得 T=2 柔輪分度圓直徑，本設(shè)計(jì)中取為 0 最大嚙入深度，近似取 m，本設(shè)計(jì)中取 1 . 4 0 . 4 0 . 5 6nh m m? ? ? ； b —— 齒寬（ 設(shè)計(jì)中取為 b=20 當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取 0 . 0 7 5 2 0 0 1 5 ? ?； K—— 載荷系數(shù)，取 K=設(shè)計(jì)中取為 K= 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 10 － 齒寬許用比 壓 ，對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 所以，代入2000R n d h b Z?得： 2 0 0 0 2 1 . 58 0 0 . 5 6 2 0 1 50 . 4 4 6 4 M P ?? ? ? ?? 因 0 . 4 4 6 4 M P a 8 M P a? 滿足 ，所以符合耐磨性要求 。 柔輪強(qiáng)度計(jì)算： 諧波齒輪工作時(shí)，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對(duì)稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動(dòng)變化，若以 , , ,a m a m? ? ? ? 分別表示正應(yīng) 力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。 （ 1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 123 . 3 5 , 0?? ? ?（ 2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： 122120000 . 5 ,h h??? ???? ? ??? 則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： 0 . 5 ( )a m y ?? ? ? ?? ? ? ? 以上式中： T—— 柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ 由前計(jì)算取為： T=2 柔輪齒根處的臂厚（ 設(shè)計(jì)中取為： 計(jì)算平均直徑（ 設(shè)計(jì)中為： DP= E—— 彈性模量（ 設(shè)計(jì)中為 E =206000 ? —— 變形量（ ? ? ，本設(shè)計(jì)中為 ? =80= 將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 11 － 323220 . 8 2 0 6 1 0 0 . 63 . 5 5 5 6 . 1 0 3 ( )7 9 . 100 . 8 2 0 6 1 0 0 . 60 . 5 7 . 9 0 2 ( )7 9 . 12 0 0 0 20 . 3 3 9 ( )7 9 . 1 0 . 60 . 5 ( ) 0 . 5 ( 7 . 9 0 2 0 . 3 3 9 ) 4 . 1 2 1 ( )m y ?????? ? ? ?? ? ?? ? ??? ? ?? ? ??????? ? ? ? ? ? ? ?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 30為柔輪材料。 30 1 1 0 0 , 9 0 0b a s M P???? ，球化處理后硬度為 24~26 且，?。? 110 . 4 5 0 . 4 5 1 1 0 0 4 9 5 ( )0 . 2 5 0 . 2 5 1 1 0 0 2 7 5 ( )????? ? ? ?? ? ? ? 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 11495 3 . 5 2 92 . 5 5 6 . 1 0 3275 2 3 . 3 80 . 2 2 . 2 5 4 . 8 0 1 0 . 2 4 . 8 0 1?????????? ? ??? ? ?? ? ? ? 柔輪的安全系數(shù)： 2 2 2 23 . 5 2 9 2 3 . 3 8 3 . 4 8 93 . 5 2 9 2 3 . 3 8???? ? ??? 此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 柔輪強(qiáng)度滿足要求。 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 12 － 4 機(jī)械手的各電動(dòng)機(jī)的選擇 進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實(shí)現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。 械手手臂升降步進(jìn)電機(jī)的選擇 機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲桿傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。 初選步進(jìn)電機(jī) 75 003由前計(jì)算絲桿導(dǎo)程為 0 6L 本設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂升降速度選定為 S=35mm/s 所以絲桿轉(zhuǎn)速 0w = S / L = 3 5 / 6 = 5 . 8 3 3 r / s = 3 4 9 . 9 8 ( r / m i n )?回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： c g a M?? 式中： —— 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ； —— 機(jī)械手手臂升降相對(duì)絲桿的摩擦阻力矩 ； — 機(jī)械手手臂升降在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ； 其中： 0 ， 式中： ? —— 手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作的角速度： 23 4 9 . 9 8 ( / m i n ) 3 4 9 . 9 8 3 6 . 6 4 9 ( / )60r r a d s????? ? ? ? ?； t —— 手臂升降啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)取為 )； 0J —— 手臂升降時(shí)各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg m ， 其中： 0 S l J J? ? ? 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 13 － 式中： — 絲桿對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg m ， 其中： 437 . 8 1 0 L? 式中： — 絲桿的公稱直徑由前計(jì)算得 0 5 ( ) L —— 絲桿的長(zhǎng)度本設(shè)計(jì)取為 0.6(m) 代入得： 4327 . 8 0 . 0 2 5 0 . 4 5 1 00 . 0 0 1 3 7 ( )g m? ? ? ??? — 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2s J = 0 . 0 0 1 8 ( k g )m? 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (軟件版 ) — 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 20 . 0 0 0 1 7 6 4 ( )dJ k g m?? 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 2 代入得： 0 S l J J? ? ? 2= 0 . 0 0 1 3 7 + 0 . 0 0 1 8 + 0 . 0 0 0 1 7 6 4= 0 . 0 0 3 3 5 ( )k g m? 把以上代入 0 得： 3 6 . 6 4 90 . 0 0 3 3 5 0 . 3? 0 9 ( ) 其中： /2 ； 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=機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (軟件版 ) 代入得： /2 2 0 0 0 . 0 8 0 . 0 2 5 / 20 . 2 ( )? ??? 得： c ga M?? 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 14 － 0 90 9 ( )?? 電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1； 所以 0 . 6 0 9 ( )ip N m? ? ? 3 6 . 6 4 9 ( / )w r a d s??? 上式中： — 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ s），如上計(jì)算 ： 3 6 . 6 4 9 ( / )lp r a d s? ? ； — 負(fù)載峰值力矩（ 如上計(jì)算： 0 . 6 0 9 ( ) m?? 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算式： lp P ?? ?? 上式中： ? —— 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ? ，本設(shè)計(jì)中?。?2?? ； ? —— 絲桿傳動(dòng)裝置的效率，一般取 ? ，本設(shè)計(jì)中取： ； 代入以上數(shù)據(jù)得： lp ??? 2 0 . 6 0 9 3 6 . 6 4 9 / 0 . 85 5 . 8 0 ( )W? ? ?? 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3? 步進(jìn)電機(jī) 75 003其最大靜轉(zhuǎn)矩為 足負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。 電機(jī)參數(shù)表 4機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N· m(最高空載啟動(dòng)頻 率 /行頻率 /子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 105? 分配方式 質(zhì)量 /5 3 30 0． 882（ 9） 1250 16000 1． 568 三相六拍 1． 58 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 15 － 械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇 機(jī)械手機(jī)身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時(shí)將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速： 設(shè)計(jì)選取為 10 / m ? 即旋轉(zhuǎn) 1800的時(shí)間為 3s； 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： c g a M?? 式中： — — 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； —— 機(jī)械手整體相對(duì)底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ； — 機(jī)械手底座在停止（制動(dòng)）過(guò)程中相對(duì)與絲桿的慣性力矩 ； 其中： 0 ， 式中： ? —— 底座旋轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，也就是工作角速度： 21 0 ( / m i n ) 1 0 1 . 0 4 7 ( / )60r r a d s? ???? ? ? ? ?； t —— 底座旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間：本設(shè)計(jì)中 )； ? —— 轉(zhuǎn)化系數(shù)： 0 0 ? ? ，本設(shè)計(jì)中取 0J —— 手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對(duì)底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg m 由于本機(jī)械手是一個(gè)不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體所以算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并不一定 十分準(zhǔn)確。在選用電機(jī)時(shí)相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來(lái)選擇。 式中： 1m —— 手臂無(wú)氣爪邊的質(zhì)量（ 本機(jī)械手為 1 15m ； 2 2 20 1 1 2 2 3 32 2 221 1 13 3 21 1 11 5 0 . 4 1 5 0 . 4 2 0 0 . 93 3 29 . 7J m r m r m rk g m? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 16 － 2m —— 手臂有氣爪邊的質(zhì)量（ 本機(jī)械手為 2 15m ； 其中： 1 2手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長(zhǎng)桿來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 3m —— 機(jī)身的質(zhì)量（ 本機(jī)械手為 3 20m ； 其中： 3m 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量看作均勻圓柱體來(lái)計(jì)算； 1 2 3,,r r r —— 與 1 2 3,,m m m 相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度（ m） 。 把以上數(shù)據(jù)代入得： 01 . 0 4 79 . 7 3 3 . 8 5 3 ( )0 . 3 N ? ? ? 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 ( )0 . 8 5 m?? ? ? 3 3 . 8 5 3 3 9 . 8 2 7 7 3 . 6 8 ( )c g a M N m? ? ? ? ? 底座電機(jī)通過(guò)諧波減速器連接轉(zhuǎn)動(dòng)軸，偕波減速器傳動(dòng)比為 i=100。 所以： 7 3 . 6 8 0 . 7 3 7 ( )100 ? ? 1 . 0 4 7 1 0 0 1 0 4 . 7 ( / )lp i r a d s???? ? ? ? ? 上式中： — 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ s），如上計(jì)算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s? ? ； — 負(fù)載峰值力矩（ 如上計(jì)算： 0 . 7 3 7 ( ) m?? 電動(dòng)機(jī)功率的計(jì)算公式式： lp ??? 0 . 7 3 7 1 0 4 . 720 . 81 9 2 . 9 1 0W???? 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 17 － 式中： —— 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率（ W） ； —— 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ s），由前計(jì)算 ： 1 0 4 . 7 ( / )lp r a d s? ? ； — 負(fù)載峰值力矩（ 由前計(jì)算： ? —— 計(jì)算系數(shù)，其中一般 ? ，本設(shè)計(jì)中?。?2?? ； ? —— 底座傳動(dòng)裝置的效率，估算為 ? ，本機(jī)械手取為： 。 根據(jù)負(fù)載峰值力矩 最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為 3? 的步進(jìn)電機(jī) 90最大靜轉(zhuǎn)矩為 足要求。 電機(jī)參數(shù)表 4機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N· m(最高空載啟動(dòng)頻 率 /行頻率 /子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 105? 分配方式 質(zhì)量 /0 3 60 1． 96（ 20） 1500 8000 17． 64 三相六拍 4． 2 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 18 － 5 機(jī)械手各氣動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 爪夾緊力的計(jì)算與氣爪的選擇 爪夾緊力要求 由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求氣爪連工件的重量為 5而確定夾緊的工件重量約為 2 本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手搬運(yùn)的工件定為圓柱形的棒料。其加緊視圖如圖 5 5工件重力 G=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。 氣爪拿起工件所需的力 1 2 3 K K G? 式中： G—— 機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力（ N），本設(shè)計(jì) G= 安全系數(shù)，一般取 設(shè)計(jì)中取 機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按 2 1 aK g?? 計(jì)算得 方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀 選 把以上數(shù)據(jù)代入 1 2 3 K K G? 得： 東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 19 － 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： F ?? 式中： ? —— 鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù) ? =機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (軟件版 )把以上數(shù)據(jù)代入 2 F ?? 得： 2 8 . 2 2 4 1 1 4 . 1 20 . 2氣缸的選定中，首先確定其負(fù)載的大小，負(fù)載決定了缸徑的大小；其次要確定其行程、安裝形式等。 徑的確定 缸徑與所使用的氣源的壓力有關(guān)，同時(shí)要確定動(dòng)作方向是推力還是拉力。 本設(shè)計(jì)的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設(shè)計(jì)滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50s 的范圍，其力學(xué)計(jì)算公式為： 拉力 22F = 0 . 2 5 ( - ) 式中： D—— 氣缸直徑（ m） ,本設(shè)計(jì)初取為 d—— 氣缸活塞桿直徑（ m），本設(shè)計(jì)初取為 P—— 氣缸工作壓力（ 本設(shè)計(jì)取為 F—— 氣缸理論推力、拉力（ N） 把以上數(shù)據(jù)代入 22F = 0 . 2 5 ( - ) 得： 2 2 6F = 0 . 2 5 ( 0 . 0 4 0 . 0 1 2 ) 0 . 6 1 0? ? ? ? ? 計(jì)算得的 實(shí)際拉力可根據(jù) 計(jì)算。 式中： ? —— 氣 缸的 工作 效率 ， 一般在 間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時(shí)效率增大 。本設(shè)計(jì)工作壓力交大取為 把以上數(shù)據(jù)代入 得： 0 6 8 6 4? 廣東海洋大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) － 20 － 氣缸是氣爪的的驅(qū)動(dòng)器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 5