基于步進電機的四自由度機械手設計與控制【單片機】【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

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買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985摘 要機械手是在工業(yè)生產中得到廣泛的使用，經常被用來對工件進行水平、垂直地移位，是現在自動化生產中不可缺少的設備。特別是在自動化程度高的工廠，不但提高了整體生產的精度，也大大提高了機械生產的效率，對現代化機械發(fā)展是有很大意義的。本文所闡述的機械手共有 4 個自由度，分別是夾緊工件、機械手腕的旋轉、手臂的伸出與縮回、機身的旋轉和升降，基本滿足了工業(yè)生產線上傳遞工件并進行定位的需要，它的控制系統(tǒng)采用單片機進行控制，得益于單片機成熟的應用技術、低廉的價格，以及穩(wěn)定的開發(fā)平臺，工作人員可以很直觀地通過按鈕進行操作。關鍵詞：機械手，單片機，步進電機買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985ABSTRACTManipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulator’s application is beneficial to the development of modern machinery.Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons.Key words: manipulator, SCM, stepping motor買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985目 錄1 緒論 ..........................................................................................................................................................11.1 課題的意義 ....................................................................................................................................11.2 國內外研究現狀與發(fā)展趨勢 ....................................................................................................11.3 本論文主要任務 ..........................................................................................................................32 機械手的總體設計 ..........................................................................................................................52.1 機械手的組成 ................................................................................................................................52.2 機械手設計參數 ...........................................................................................................................52.3 機械手坐標系 ................................................................................................................................62.4 機械手控制系統(tǒng) ...........................................................................................................................62.5 小結 ..................................................................................................................................................63 機械手手部結構設計 .....................................................................................................................73.1 手部機構 .........................................................................................................................................73.2 手部結構設計及計算 .................................................................................................................83.3 主要尺寸的確定 ..........................................................................................................................93.4 氣缸結構設計 .............................................................................................................................143.5 步進電機的計算與選型............................................................................................................143.6 步進電機性能校核 .....................................................................................................................163.7 小結 ................................................................................................................................................164 機械手手臂機構的設計 .............................................................................................................174.1 機械手手臂的結構 .....................................................................................................................174.2 機械手手臂電機的計算與選型 ..............................................................................................174.3 小結 ................................................................................................................................................235 機械手腰部和基座結構設計 ...................................................................................................245.1 機械手腰部和基座的結構 .......................................................................................................245.2 機械手腰部的步進電機的計算與選型 ................................................................................245.3 步進電動機的性能校核............................................................................................................265.4 機械手底座的步進電機的計算與選型 ................................................................................275.5 步進電動機的性能校核............................................................................................................295.6 小結 ................................................................................................................................................306 機械手控制系統(tǒng)設計 ...................................................................................................................316.1 驅動器............................................................................................................................................31買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709856.2 接線圖............................................................................................................................................376.3 步進電機原理 ..............................................................................................................................376.4 單片機的選用 ..............................................................................................................................396.5 控制原理圖 ..................................................................................................................................396.6 機械手控制程序流程圖............................................................................................................406.7 小結 ................................................................................................................................................437 結論 ........................................................................................................................................................44參考文獻 ...................................................................................................................................................45致謝 .............................................................................................................................................................46買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709851 緒論1.1 課題的意義隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用 [1]。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：（1）以提高生產過程中的自動化程度應用機械手有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。（2）以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或部分代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產 [2]。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 國內外研究現狀與發(fā)展趨勢 1.2.1 國內外研究現狀機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓取，放下機構，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962 年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業(yè)機械手。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709851962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。聯邦德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。隨著加工行業(yè)在我國的迅速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化裝備水平越來越高，現代化加工車間，常常配有機械手，以提高生產效率，代替工人完成惡劣環(huán)境下危險、繁重的勞動。目前，機械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中用于從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產工序; 機械加工行業(yè)中用于取料、送料 ; 澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手為研究對象，針對本文作者參與的工業(yè)取料用直角坐標機械手控制系統(tǒng)軟、硬件進行了介紹和分析。目前市場上常見的工業(yè)取料直角坐標機械手主運動臂的控制方式主要采用液壓或氣壓驅動。這種控制策略的優(yōu)點在于結構簡單，系統(tǒng)易于控制。但缺點是系統(tǒng)定位靠設定接近開關的位置來實現，定位精度低，而一旦用戶要求改變取料工作類型，必須買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985重新調節(jié)各液壓或氣壓缸的定位開關，以適應新的工作任務，不利于生產過程的自動化。國內機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。1.2.2 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作業(yè)。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光覺測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) [3]。1.3 本論文主要任務本論文主要完成的任務如下：買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985（1）介紹了機械手的背景和意義；（2）介紹了機械手的總體框架；（3）詳細描述了機械手的總體研究方案；（4）基于單片機完成了對機械手硬件部分的設計與完成。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709852 機械手的總體設計2.1 機械手的組成機械 手機械系統(tǒng)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構手臂機構腰部機構驅動機構步進電機驅動單片機控制圖 2-1 機械手的組成它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行機構、驅動機構)、控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是機械手完成抓取工件，實現各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、手臂、機身等。（1）手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。（2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。（3）手臂：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，并把它傳遞到預定的位置。（4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。A. 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。B. 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(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 [4-5]。2.2 機械手設計參數機械手（重復）定位精度：±0.5mm；機械手最大抓重：1kg；工件尺寸：直徑約 2～3cm，圓柱形，材料是鐵質；支座旋轉角度為：90 度（最大速度：90 度每秒） ；物料盤（采用步進電機控制）每工步旋轉角度：30 度（最大轉度：30 度每秒） ；手部機構買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985手臂上下移動距離為：20cm（最大速度 10cm/s） ；手臂前后移動距離為：20cm（最大速度 10cm/s） ；手指開合角度為：60 度（最大速度 60 度每秒） ，手爪旋轉角度為 360 度。2.3 機械手坐標系本課題的機械手的坐標系采用極坐標系設計 [5]。圖 2-2 機械手坐標系2.4 機械手控制系統(tǒng)本課題采用單片機控制器對機械手進行控制，根據機械手的工作流程編制出單片機程序，預定工作流程如圖 2-3 所示。歸零 物料盤轉一個工步手臂伸出 手臂向下手指夾緊手臂向上支座順時針轉手臂向下手指松開手臂向上圖 2-3 機械手循環(huán)動作流程圖2.5 小結本章節(jié)對機械手進行了總體介紹，對機械手的總體方案進行了詳細介紹。對各個自由度的動作和實現作了詳細的說明，根據設計綜合參數確定設計方案，介紹了基于極坐標機械手的特點和原理。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709853 機械手手部結構設計3.1 手部機構本課題中采用夾持式手部結構，由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機構 [4]。其機構由圖 3-1 所示。圖 3-1 機械手手部3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指；同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件 [5]。3.1.2 設計時考慮的幾個問題（1）具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985（2）手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。（3） 保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。（4） 具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。（5） 考慮被抓取對象的要求根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V 型。3.2 手部結構設計及計算本課題氣動機械手的手部結構設計，如圖 3-1 所示：手部驅動力的計算：其工件重量 G=1 公斤，V 形手指的角度 ， ，摩擦?120??3m12.5bR??系數為 。25.0f?（1）根據手爪類別,計算夾緊力。圖 3-2 手爪如圖 3-2 所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：(3-1)()sin()2GmgaFSN?????買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985式中： -工件質量， ；mkg-重力加速度， ；g2/s-動態(tài)運動時產生的加速度， ；a2/sm-安全系數；S-V 型手爪張開的角度， ；??-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手爪與工件材料都采用 45 鋼，查表得?0.25?所以： )(sin2)(NSagmFG??????= 5.08.915.26i?N43?（2） 根據手部結構的傳動示意圖 3-1，其驅動力為:(3-2)RbF2?所以： N)(21645.130N??（3）實際驅動力:(3-3)?21KF?實 際因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工件的為94.0?5.1?勻速取 時，則:0?a12??gaK)(345)(68.94.056NF???實 際所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 345N。3.3 主要尺寸的確定（1） 氣缸工作壓力的確定買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985由《液壓傳動與氣壓傳動》表 3-1 取氣缸工作壓力 MPap4.0?表 3-1 氣壓負載常用的工作壓力負載 F/N 50000工作壓力 p/MPa 5～7（2） 氣缸內徑 和活塞桿直徑 的確定Dd本課題設計的氣缸屬于雙向作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側的有效面積不等?；钊笮袝r活塞桿產生推力 ，1F活塞右行時活塞桿產生拉力 。2F(3-4)zFpD??421?(3-5)zdF)(22式中：- 活塞桿上的推力，N；1F-活塞桿的拉力，N ；2- 氣缸工作時的總阻力，N；z- 氣缸工作壓力，Pa；p-活塞直徑，m；D-活塞桿直徑，m；d氣缸工作時的總阻力 與眾多因素有關，如運動部件慣性力、背壓阻力、密封處zF摩擦力等。以上因素可以載荷率 的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力 和靜拉力?1F，則在計入載荷率后：2F(3-6) ????421pDF買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985(3-7)?????4)(22pdDF計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動5.0~3?態(tài)參數要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取 。85.0~7??由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:(3-8)??pFD14?代入有關數據，可得 p485.014.36?.9()m?查機械設計手冊圓整，得 D=40mm由 ,可得活塞桿直徑:3.02/??Dd Dd12~)3.2(?圓整后，取活塞桿直徑 d=12mm（3） 缸筒壁厚和外徑的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:(3-9)][2/??pDP?式中：- 缸筒壁厚，mm；?- 氣缸內徑，mm；D- 氣缸試驗壓力，一般取 （Pa） ；pPpP5.1?-氣缸工作壓力 （Pa） ；-缸筒材料許用應力（Pa） ；][?本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金 ZL106,[ ]=3MPa?將己知數據代入式(3-9)，則壁厚為: ][2/?pDP?)(4)103/(5.1065m??買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985取 ，則缸筒外徑為: m4??14028()Dm???（4）手部活塞桿行程長 L 計算活塞桿的位移量為：S (3-10)R5.6230????氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加 10-20mm 的行程余量。(3-11)mL5.260.??故查有關手冊圓整為 l27?（5） 校核A. 活塞桿穩(wěn)定性的驗算：當活塞桿的長度 較小時 ， 可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑 有: L）（ d10? d(3-12)5.0])[/4(??F?其中，[ ] ，?MPa120?N31?則: 5.0)12/4(???d9.??所以滿足實際設計要求。B. 氣缸推力驗算： ????421pDF= 85.01.0.362?= )(47N）（5?由以上計算可知氣壓缸能產生的推力 大于夾緊工件所需的推力F21?。所以該氣缸滿足要求。NF345?實 際（6）耗氣量的計算氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985積）有關，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 為：Q(3-13)23()(/min)4snDd???式中：-氣缸缸徑，m；D-活塞桿直徑，m；d-活塞行程，m；s-氣缸活塞每分鐘往復次數；n此公式未考慮氣缸內的死容積，因此計算值比實際值偏小，設計時要根據具體情況加以修正。(3-14)min/02.1.04.23407.13 322Q?????）（（7）氣缸進排口的計算氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑 用下式計算：0d(3-15))(20mQd???式中：-工作壓力下氣缸的耗氣量， ；Qs/3-空氣流經進排氣口的速度，一般取 ；? s/15~0??把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照 GB/T 14038—93>選擇合適的氣口螺紋 [7]。故， md3.0（8） 手爪部分總質量估算(3-16)零 件氣 缸手 爪 ??其中：手爪部分和活塞桿材料采用 45 鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金 ZL106查相關手冊， 45 號鋼密度為 7.85 3/10mkg?ZL106 的密度為 2.73手爪部分總質量約為 2.368kg1.90.24???買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709853.4 氣缸結構設計（1） 缸筒和缸蓋的連接缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于 時，一定要校MPa1核螺栓強度，必要時增加螺栓數量，例如 6 根 [8]。查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用 4 根螺栓。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于 ，故無須校核螺栓強度。MPa1（2）活塞桿與活塞的連接結構活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結構和組合結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接 [6]。該氣缸選擇螺紋連接，結構簡單，裝卸方便，應用較多。（3） 密封氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。對密封元件的要求如下：A. 密封性好，耐磨損，使用壽命長。B. 穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。C. 摩擦力小。D. 密封件表面平整、光滑、無氣泡、雜質、凹凸等缺陷。E. 結構簡單，成本低。O 型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結構比較簡單，目前使用的范圍較廣。故采用 O 型密封圈。3.5 步進電機的計算與選型（1） 初選電機為 45BF3-3A,參數如表 3-2 所示 [9]。表 3-2 電機參數相電流 步距角 最大靜 轉矩 空載啟動頻率 空載運行頻率 轉動慣 量型號 相數A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^245BF3-3A 3 2 1.5 0.196 3000 27000 0.015（2） 計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為了使手部能夠進行 360 度旋轉，因此在手部一側裝上步進電機，初選步進電機型號為 45BF3-3A,查表得該型號電動機轉子的轉動慣量 =0.015kg. ,mJ2c氣缸的轉動慣量 =0.65 kg. 。sJ2cm買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985= + =0.665 kg. (3-17)eqJms2c（3） 計算加在步進電動機轉軸上能夠的等效負載轉矩 eqT分快速空載運動和承受最大工作負載兩種情況進行計算?？焖倏蛰d啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 1eq由式 = 可知， 是快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩1eqTmax1eqT。max根據式 = ，考慮縱向鏈的總效率 ，計算快速空載啟動時折max260eqmeqaJnt????算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：= * (3-19)maxT260eqmeqaJnt?1—對應縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉速；mn—步進電動機有靜止到加速至 轉速所需要的時間；at mn其中： max036v???—空載最快移動速度，為 2000r/min；ax—步進電動機步矩叫角，為 1.5 度；—脈沖當量， =0.025mm/脈沖。??將以上各式帶入式 (3-20)max036vn??算得 =333 。mn/ir設步進電動機由景致到加速至 轉速所需時間 =0.4s，傳動鏈總效率 =0.7；mat ?則由式 = * (3-21)maxT260eqeqaJnt???1?求得 =8.28* ,因此 =8.28*ax31?N?eqT30?N?（4） 步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網電壓減低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據 來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考eq買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985慮到安全系數。這里取安全系數 K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 4maxjT?=3.3*eqT210?Nm?對于前面預選的 45BF3-3A 行步進電動機，由表可知，其最大靜轉矩 =0.196maxj，可見完全滿足式 4 的要求。? maxjT?eq綜上所述，這里選用 45BF3-3A 步進電動機，可以滿足設計要求。3.6 步進電機性能校核（1） 最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度 =2000mm/min，對應的電動機運行頻率 =222Hz。查表的maxv maxf45BF3-3A 的極限運行頻率為 27000Hz，可見沒有超出范圍。（2） 啟動頻率的計算已知電動機轉軸上的總慣量 =0.665kg ，電動機轉子自身的轉動慣量eqJ?2cm=0.015kg ，查>表 4-3 可知電動機轉軸不帶任何mJ?2c負載時的最高空載啟動頻率 =27000Hz。則由式 可以求出步進電動機qf 1/qLemffJ??克服慣性負載的啟動頻率為：=4010Hz。1/qLemffJ??上式說明，要想保證步進電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于4010Hz。實際上，在采用軟件升降時，啟動頻率選得很低，通常只有 100Hz（即 100脈沖/s ） 。綜上所述，這里橫向進給系統(tǒng)選用 45BF3-3A 步進電動機，可以滿足設計要求 [10]。3.7 小結 本章節(jié)對機械手手部進行了詳細的設計，包括夾持器的選擇、夾緊力的大小、手爪張開的角度、工件的定位精度、剛度強度校核、被抓取對象的考慮等設計，具體闡述了在此過程中機構的詳細設計思路，進行了大量的夾緊力和外形尺寸的計算。還進行了步進電機的選型和校核。買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 119709854 機械手手臂機構的設計4.1 機械手手臂的結構通過安裝在末端上的步進電機以及連接軸帶動滾珠絲杠，從而實現末端執(zhí)行機構的前后運動。機械手手臂的機構圖如圖 4-1 所示。圖 4-1 機械手手臂4.2 機械手手臂電機的計算與選型（1） 初選電機為 90BYG2502，參數如表 4-1 所示 [10]。表 4-1 電機參數相電流 步距角 最大靜 轉矩 空載啟動頻率 空載運行頻率 轉動慣 量型號 相數A 度 N.m Hz Hz Kg.cm^290BYG2502 2 4.0 0.9 6 1800 20000 4（2） 滾珠絲杠的選擇根據電機以及末端執(zhí)行機構負載重量 W=1kg最大行程 Smax=200mm快速進給速度 Vmax=100mm/s加減速時間常數 t=0.15s預期壽命 Lh=30000h直線運動導程摩擦系數 =0.02?電機轉速 Nmax=600r/min買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985A. 設定螺距根據電機的最大轉速與快速進給速度 max601VLN???B. 計算基本動態(tài)額定負載各動作模式下的軸向負載的計算a. 加速時，加速度 32max10.67/Vst????軸向負載 =3.5N??WgPA???b. 勻速時軸向負載 NB8.0?c. 減速時軸向負載 ??gPc9.1???表 4-1 各動作模式 1 次循環(huán)所需的時間（s ）動作模式 A B C 共需時間所需時間 0.3s 1.4s 0.3s 2s表 4-2 螺距為 10 的負載條件動作模式 A B C軸向負載（N） 3.5 0.8 1.9轉 速 300 600 300所需時間比例 15% 70% 15%根據表 4-2 負載條件計算軸向品均負載 Pm 與平均轉速 Nm(4-5))(32mNPCA??min/510rttNCBA?計算所需基本動態(tài)額定負載 C根據預期壽命，扣除停止時間后的凈運行使用壽命（預計夾緊 1s 上下運動 5s）h7502130h???）（L將運行系數 帶入公式中得2.1?wf買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985 NfPNLCwmh410631???）（因此選擇 FL2004 絲杠C. 容許屈曲載荷，危險速度計算研討絲杠軸全場 L 與危險速度 Nc 屈曲載荷 PkL=最大行程+螺母長度+ 余量+ 末端尺寸=280mm下面就屈曲載荷進行討論，設負載作用點間距： 120lm?2k197nEIPNl??式中：：開始引起壓曲的負載；kP： 負載作用點間距；1lE： 楊氏模量；I： 絲杠軸最小慣性矩；46d??n： 由絲杠的支撐方法決定的系數單推—單推 n=1雙推—簡支 n=2(選用)雙推—雙推 n=4雙推—自由 n=0.25k489.5PN??式中：：屈曲載荷；k： 安全系數（0.5） ；說明容許軸向負載充分滿足使用條件由于電機速度比較慢，肯定安全 ，需校核危險速度D. 最終選型結果：適合的滾珠絲杠的形式為：FL2004（3） 校核驅動電機A. 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985a. 電機轉子轉動慣量 mJ=4kg.mJ2cb. 滾珠絲杠轉動慣量 的折算SJc. 手臂轉動慣量 的折算GJ工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量 可按下式GJ進行計算： MLJG2)(??式中， 為絲杠導程（ cm） ； 為工作臺質量（kg ） 。所以：22 24()1.63.GJ kgcm?????????d. 中間軸轉動慣量 的折算zJ)(98.122z cKgDM??e. 聯軸器轉動慣量 )(4822ll cmgJ?f. 系統(tǒng)等效轉動慣量 計算? 2z41.980261.78mSGJJ kgcm???????B. 驗算矩頻特性步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從附件中查得axjM。步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩 的關系為：max6jM??? mqmaxjMaxjq??查得 ＝0.707。所以，?0.764.2m???步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算：220.468jDkgcm??買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985 0MKfaKq??式中： 為空載啟動力矩（N .cm） ；KqM為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速ka力矩（N .cm） ；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N .cm） ； Kf有關 的各項力矩值計算如下：qMa. 加速力矩 360102maxa 2maxpbKvntnJM????????式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量；?J為電機最大角加速度；?為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；maxnt 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；axv為初選步進電機的步距角；b?為脈沖當量。p? min/603025.9.136maxa rvnpb?????2 2ax.47813.760KaMJ ct?? ?????b. 空載摩擦力矩 ???2LMkf?見《機電綜合設計指導》公式（2-34）P35式中： 為運動部件的總重量；M為導軌摩擦系數；?為傳動系數總效率，取 ＝0.9；??買文檔就送您 CAD 圖紙，Q 號交流 197216396 或 11970985為滾珠絲杠的基本導程。L 249.8013.923.4kfMcm?????c. 附加摩擦力矩 ??2001???LFYJ式中： 為滾珠絲杠預緊力； 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現取 ＝0.9。YJF0?0???2013754.9184.2.Mcm??????所以，步進電機所需空載啟動力矩： 0.68..5KqaKf????初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即 mqK?從上式可知電機初步滿足要求。C. 啟動矩頻特性校核步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內，按一定的升速規(guī)律升速。