机械手设计

一、总体方案设计1.1设计任务基本要求:设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为 40Kg 的工件， 由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm；工作节拍为： 70s；工件：最大直径为 160mm 的棒料；1.2 总体方案确定1.2.1 自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部 （末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中 描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构 也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓 取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活 性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及 结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用 机械手有56个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行 走装置有23个自由度），专用机械手有12个自由度即可满足使用要求。在 控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满 足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。1.2.2 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种:（1）直角坐标型机械手：特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。优缺点：结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨 迹单一，使用过程中效率较低。楕度的要求结构图：/JI 1、* IJ图2.4國柱坐标型机器人圆柱坐标型机械手：特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐 标系配置。优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单, 使用过程中效率不高。结构图:(3)球坐标(极坐标)型机械手：特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。 优缺点：结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足, 机械结构较为复杂。结构图：图2. 5 扱坐标塑机器人2.* 关节型机器人平行四边形连打图多关节型机机械手。特点：操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节。优缺点：运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的 刚度差。结构图：因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输2流水线的零件，2者距离 1000mm,这就要求机械手结构简单紧凑，定位精度较高,占地面积小。根据上面4 种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。图 1-2-3是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运 到传送带B。图1-2-3机械手搬运物品示意图123机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满 足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度既：手抓张合；手臂回转；手臂 升降3个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物 体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度， 采用一个回转液压缸实现手部回转。（3）臂部 臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部， 并带动它们在空间运动。（4）机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。124机械手的驱动元件在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交 流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回 转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。 步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转 和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统 中得到了广泛的应用。直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节 手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相 同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机 器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同，但交流伺服电机 与直流伺服电机相.比，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交 流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电 机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度 不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好 取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度 的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用 在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量 比，并可利用其中空结构传递信息。HD电动机是一种小型大转矩（大推力）的电动 机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不 要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择 应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。1.2.5 机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:40Kg （夹持式手部）2、自由度数:5 个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1000mm6、手臂运动参数 回转范围：0180二、各主要组成部分设计2.1 爪部机构设计2.1.1 对手部设计的要求(1) 对手部设计的要求(a) 有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不 损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节， 对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。(b) 有足够的开闭范围根据工件外圆大小,夹持的大小直径必须大于 100mm 。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大 变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端 长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的 形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。(c) 力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影 响整个机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手 部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。(d) 手指应有一定的强度和刚度(e) 其它要求：因此送料，夹紧机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳 爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简 单，制造方便。2.1.2 手部设计基本要求(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传 动机构所需的驱动力大小是不同的。(2) 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)人丫，以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可 能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。2.1.3 机械手手抓的设计计算1.选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张 合角Ay = 600,夹取重量为30Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分 为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体, 不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可 分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构 简单， 适于夹持平板方料， 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置， 其理 论夹持误差零。若采用典型的平移型手指， 驱动力需加在手指移动方向上，这样 会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的,因此不选择这种类型。通过综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。 夹紧装置选择常开式夹紧装置,它在弹簧的作用下机械手手抓闭和,在压力油作 用下,弹簧被压缩,从而机械手手指张开。2 、手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图 2-1-3.1 为常见的滑槽杠杆 式手部结构。图2-1-3.1滑槽杠杆式手部结构图2-1-3.2滑槽杠杆式受力分析在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点，两手指1OO1和OO2并的滑槽对销轴的反作用力为匚和F2其力的方向垂直于滑槽的中心线指向o点，交F和F2的延长线于A及B。 由Fx =0得 F = F12为Fy =0得F = F1 2COS aF =- F11由M01 ）=0 F = F h1Nh =丄COS aF b口F二一COS2a FaN式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.a工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F 一定时，Q角增大，则握力Fn也随之增大, 大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好Q = 300400。 3、夹紧力及驱动力的计算方向和作手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、 用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动 状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：F KKKGN 123式中 K安全系数，通常1.22.0；k2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估k2=1+a其中，重力方向的最大上升加速度;va = maxt响vmax运载时工件最大上升速度t 系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5sK3 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择G被抓取工件所受重力(N)。表 2-1-3.1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F (N)液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F (N)液压缸工作压力Mpa小于50000.8120000300002.04.05000T00001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0计算：设a=50mm,b=100mm, 10a 1.6F KCd 1.6F KC=1.6 :1080183x8 =5.7mm，取 6mm800x106(5) . 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：Gdn =九8F C 3 MAXMAXn = Gd 九=4.38F C 3 MAXMAX选择标准为n=5，弹簧的总圈数n=n+1.5=6.5圈(6) .最后确定，D=35mm,d=5,Dl二D-d=29mm,D2二D+d=41mm (7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比b = H = 74 = 1.76，本设计弹簧是 D 122 端自由，根据下列选取：当两端固定时，b 53，当一端固定；一端自由时，b 3.7；当两端自由转动时，b 2.6。结论本设计弹簧b = 1.76 2.6，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数N S只进行静应力强度验算。计算公式：Sca TmaxS ； Ss选取1.31.7（力学性精确能高）T = 8KDFmax 兀d 3Tmax8KDf兀d 38 xl.184 x 0.055nx 0.0073x1080=522401441Sl=1.5SCATTmax结论：经过校核，弹簧适应。图2-1-4.2机械手开闭示例简图2.2 腕部设计计算手腕是操作机的小臂上臂和末端执行器手爪之间的连接部件。其功用是利用 自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器 的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构2.2.1 腕部设计的基本要求腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：（1）结构紧凑，重量尽量轻。（2）转动灵活，密封性要好。（3）注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测（4）管线的布置以及润滑、维修、调整等问题（5）要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和 不外露，使外形整齐。2.2.2部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕回转180 0，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。2.2.3 腕部的设计计算1、腕部设计考虑的参数夹取工件重量40Kg，回转180。2、腕部的驱动力矩计算（1）腕部的驱动力矩需要的力矩M惯。（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。夹取棒料直径160mm，长度1000mm，重量40Kg，当手部回转180。时，计算力矩:（1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 220mm，直径 180mmG 二兀 x 0.092 x 0.22x 7800Kg /m3 x9.8N/ Kg 二 427.9N（2）擦力矩M = 0.1m。摩(3) 启动过程所转过的角度0 = 18 0=0.314rad,等速转动角速度二2.616s-2。 启( 2M =(J + J丿惯 工件 20启查取转动惯量公式有：=x 427.9 x 0.092 = 0.178N ms 229.81 G 1J= 一 x (l 3 + 3 x R 2) = 一 x 40 x(13 + 3 x O.O82) = 3.354N ms 2工件 12 g12C Z71 Z7代入： M=(0.178 + 3.355) x_ = 38.49N m惯量2x0.314M = M + M惯摩=M + 0.1M惯；M =摯0.942.8 N m3、腕部驱动力的计算设定腕部的部分尺寸：根据表2-1-3.2设缸体内空径D=110mm,外径根据表2-2-3.1选择133mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm ；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm。则回转缸工作压力= 0.5Mpa ，选择IMpa2M2x 42.8P =b(R2 -r2)0.066 x (0.0552-0.02252)表2-2-3.1标准液压缸外径(JB1068-67)(mm)液压缸内径405063809010111214151618200050000020钢50607695101213161418192124P 160 Mpa81386049545钢50607695101213161418192124P 200Mpa8138604954、液压缸盖螺钉的计算表2-2-3.2螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P (Mpa)螺钉的间距t(mm)0.51.5小于1501525小于1202.550小于1005.01OO小于80缸盖螺钉的计算，如图2-2-3.1所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表2-2-3.2 ，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力F = F + FQ0QQs计算：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择5个螺钉,3.14 x 1105=62.8mm d :443 乂 9886=0.01013.14 x160 X106螺钉的直径选择 d=12mm.2.3臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件 或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和 升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下 一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿 态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自 由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动 通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即 直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结 构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。2.3.1 臂部设计的基本要求（ 1 ）刚度要大： 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状 的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲 刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承 板。（ 2）导向性要好： 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或 设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。（ 3 ）偏重力矩要小： 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生 的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少 偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。（ 4 ）运动要平稳、定位精度要高： 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性 力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量 减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。2.3.2 手臂结构的选择及相关设计计算1、手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动； 回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回 转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3）双活塞杆液压岗结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。2、手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动，液压缸 选取双作用液压缸。3、手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主 要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。图2-3-2.1手臂活塞杆简图做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯 性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动 力的计算。F = F + F + F + F摩 密 回 惯4、手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的, 要根据具体情况进行估算。设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。 计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。工 M 二 0 G L 二 aFA，总b得:工 Y 二 0 G + F 二 F，总 b aF = F + F = p F + p F 摩“摩“摩abF =p G摩总2 L + a_ a _得：式中G总参与运动的零部件所受的总重力(含工件)(N)；L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m),参考上一节的计算;a导向支撑的长度(m);P当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：p = - xp = (1.27 1.57)p I兀2丿p 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:钢对青铜：取卩=010.15钢对铸铁：取卩=0180.3导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁P = .2x出=3 , G = 300N ,L=0.198导向支撑a设计为00216m2L = 300 x 0.3 xa2 x 0.198 + 0.02160.0216=1740N将有关数据代入进行计算5、手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V= 5m min ,在计算惯性力的时候，设置启动时间At = 0.2s,启动速度 Av = v = 0.083m / s。= 12.7 NG Av 400x 0.083总二g At9.8 x 0.26、密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于1 0Mpa 。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为： F = 0.03F 。封 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F = 0.03 F + F + F =1807N摩惯233液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=461N，根据表2-1-3.1选择液压缸 的工作压力P=2MPa（1）确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图2-3-2. 1所示图2-3-2.1双作用液压缸示意图当油进入无杆腔:兀D 2f 二 Fn 二 p n当油进入有杆腔中:兀（D2 -d2）n液压缸的有效面积:故有Q + d 2兀p niD =竺 兀p n1（无杆腔）（有杆腔）选择机械效率耳=0.95 将有关数据代入:=1.13型7=0.031m0.95 x 2 x 1064 F FD = := 1.13 ：npnnp根据表2-1-3.2，选择标准液压缸内径系列，选择D=32mm.（2）液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为27mm.(3) 活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：c = F e-d 24设计中活塞杆取材料为碳刚，故c =100120Mpa ，活塞直径d=10mm,L=150mm,现在进行校核。F一 n_ = 23 06 10006MPad24结论：活塞杆的强度足够。2.4液压驱动系统设计液压控制机械手机构的一种主要的控制形式。机械手机构的运动速度和操作 室根据油的流量与压力来确定，因而只要控制油的流量和压力，就可以控制机械 手机构的运动速度和操作力，油压压力一般在5140公斤/厘米范围内，最大臂 力可达160公斤以上。主要优点：(1) 液压执行元件(马达和油缸)结构紧凑，重量轻，功率小。(2) 可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并由于液压油的润 滑作用，可延长元件的使用寿命。(3) 液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区 间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4) 响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯 量比也较大，因而其加速度能力较强。(5) 液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高， 而且耐振动等。缺点:(1)液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。(2) 油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，易于使阀和执行元件堵塞。(3) 控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便。总体系统图图2-4-1总体系统图(1) 总体系统图如图2-4-1所示(2) 工作过程：小臂伸长f手部抓紧f腕部回转f小臂回转f小臂收缩f手部放松电磁铁动作顺序表：表2-4-1总体系统图元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长一+一一手部抓紧一+一一一腕部回转一+一+一小臂收缩-手部放松-+-卸荷+土土土土(4) 确电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P =10Mpa,工作流量在3270ml/r 之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率N = P x Q /耳式中：n=0.8 (经验值)所以代入公式得：N =10 X 80X 103X 106/60 X 0 .8=16.7KN选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。2.5机身结构的设计机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的 驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因 此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的, 也可以是行走式的，如图2-5-1图2-5-1机身机座结构图臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手机构的总体布局。本课题机械手 机构的机身设计成机座式，这样机械手机构可以是独立的，自成系统的完整装置, 便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回 转型机械手机构。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电 动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。 2.6 电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回 转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混 凝土地基上。带动臂部升降的电机：初选上升速度 V =100mm/sP=6KW所以 n 二（100/6）X60=1000 转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级 为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率 为 50HZ。如表2-6-1 Y90S-4电动机技术数据所示：表 2-6-1 Y90S-4 电动机技术数据型号额定功率KW满载时堵转电 堵转转 最大转电流A转速 效率%r/min功率因素流额定电流矩额定转矩矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.22.7 减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。初选 WD80 型圆柱蜗杆减速器。WD 为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38siMnMo 调质蜗轮的材料为 ZQA19-4中心矩 a=80MsXq=4.0X11传动比 I =30传动惯量 0.265 X 10 3kg m22.8 螺柱的设计与校核螺杆是机械手机构的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁螺距P =6mm梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.65X6=3.9mm螺杆强度L = os/35 =3050Mpa螺纹牙剪切 t =40弯曲L =4555b(1)当量应力 T+ 3 .0.2d 3、i式中T传递转矩Nmm。螺杆材料的许用应力所以代入公式得：;兀 = ,:(4x200x9.8/ d 2)2 + 3(200x9.8x0.6/0.2d 3)2=.；(2495/d 2)2 + (61.2/d 3)2 30 50x 106 11=(2495/ d 2)2+3 (61.2/ d3)29002500X 1012=6225025/d 4+11236/d 69002500X 1012116225025d 2+11236900d 6X1012116225025X0.0292+11236W 9 00 X 0. 0296X 1012即 16471paV535340pa合格(2)剪切强度Z = H / P =160/6 (旋合圈数)工=F / dbz=200X9.8/nX0.029X3.9X(160/6)X 10-3 =206.8X103pa=0.206MpaV t =40Mpa(3) 弯曲强度b = 3Fh/兀d b2zb1=3X200X9.8X3/nX2 . 9 X 3 . 92X(160/6) =0.48MpaV o =45Mpa合格三、机械手控制系统的设计S7-200 是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、 监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连 成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。3.1西门子PLC的I/O分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表3-1所示。因为西门子S7-200 CPU226输入端子为24个，输出端子为16个，而所需的输入端子为25,所以外 界一个 EM223 拓展模块。输入信号输出信号手动SA10.0上升/下降步进电机YA0Q0.0回原位SA10.1YA1Q0.1连续SAI0.2YA2Q0.2回原位SB1I0.3前进/后退步进电机YA3Q0.3启动SB2I0.4YA4Q0.4停止SB3I0.5YA5Q0.5下降SB4I0.6夹紧YA6Q0.6上升SB5I0.7手顺转YA 7Q0.7夹紧SB6I1.0手逆转YA 8Q1.0松开SB711.1底盘顺转YA 9Q1.1手顺转SB8I1.2底盘逆转YA10Q1.2手逆转SB91.13底盘顺转SB1011.4底盘逆转SB1111.5下限位SQ111.6上限位SQ211.7前限位SQ3I2.0后限位SQ4I2.1底盘顺限位SQ5I2.2底盘逆限位SQ6I2.3手顺限位SQ7I2.4手逆限位SQ8I2.5底旋转脉冲I2.6前行SB12I2.7后退SB13I3.03.2 自动操作程序自动操作顺序功能流程图见图3-4所示。当机械手处于原位时，按启动10.4 接通，状态转移到S1,驱动前伸Q0.3，当到达前限位使行程开关I2.0接通，状 态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Q0.7, 12.4接通，状态转移到S3，驱 动下降Q0.2, 11.6接通，状态转移到S4，S4驱动Q0.6置位，延时1秒，以使电 磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Q0.0上升，当上升到 达最高位，11.7接通，状态转移到S6。S6驱动Q0.4后退。移到后限位，状态转移到S7底逆转Q1.2，状态到S8，I2.0接通，状态转移 到 S9 下降。下降到最低位， I1.6 接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉， 延时 1 秒。延时时间到， T1 接通，状态转移到 S11 上升。上升到最高位， I2.5 接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使I2.1接通，状态转移到S14，底 盘顺转是I2.1接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可 以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本 指令编程较为容易，可读性较强。自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，10.2为ON,它的动合触 点闭合，在初始步时按下启动按钮I0.4，M1得电并保持，就按照图5-5自动功 能图进行工作。按下停止按钮I0.7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是 完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。3.3手动单步操作程序上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的 按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触 点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程 序之间还进行必要的连锁。3.4 回原位程序回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（10.3）, M3 变为ON,机械手松开和上升，当升到上限位（11.7变为ON），机械手后退，直 到后限位（12.1为ON）才停止，并且M3复位。梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程 器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置停止的目的。12.411,6T汩!./12.3Il,G11,7T3712.512,112.2图3-4自动控制流程图参考文献1 濮良贵.机械设计M.北京:高等教育出版社,20032 张立勋.孟庆鑫.张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨工程大学出版社,2000尚久浩.自动机械设计M.中国轻工业出版社,2006.张铁.谢存禧.机器人学M.华南理工大学出版社,2001.王积伟.章宏甲.液压与传动M.机械工业出版社6 周伯英编.工业机器人设计.机械工业出版社,19957 加藤一郎编.上海交通大学机械手及机器人研究室译.机械手图册.上海科学技术出版社,19798 李建勇.机电一体化技术.科学出版社,20049 徐灏.机械设计手册.机械工业出版社,200310 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,200411 徐灏等.机械设计手册M.机械工业出版社,200012 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江海洋大学,199913 杨入清.现代机械设计一系统与结构M.上海:上海科学技术文献出版社,200014 黄永红.电气控制与PLC应用技术.机械工业出版社15 孙恒.机械原理.高等教育出版社16 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社17 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.高等教育出版社