基于单片微机控制的机械手设计毕业设计（论文)word格式

目录基于单片微机控制的机械手设计（机械结构）基于单片微机控制的机械手设计（机械结构）摘摘 要要在工业生产中，机械手系统有着广泛的应用，如工件转移、工件装配、加工中心刀库换刀等，作为一种相对较新的机电一体化设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。本机械手使用气动夹紧装置，两直线方向的运动由两对丝杠螺母机构完成，通过步进电机驱动，一个旋转方向的运动也由步进电机驱动,因为使用单片机可以较容易地控制步进电机。在控制器的作用下，机械手执行将工件从一个位置拿到另一个位置这一动作。本机械手系统具有较大的柔性：控制方面，因机械手可以较容易地与 PC 机通信；上位机程序通过 VB 语言编写，可以通过改写上位机程序，比如增加可以调用的子程序、数据库等，使机械手实现更加强大地功能；机械结构方面，本机械手的末端执行机构可以更换，可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务。本文的主要内容包括：机械手总体结构方案的选型、机械手的动力学参数计算、机械手的运动学设计、运动部件的设计与校核、结构设计等。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词关键词：机械手 自由度 结构目录目目 录录摘摘 要要目目 录录第一章第一章 前言前言 .1 1第二章第二章 机械手总体结构的确定机械手总体结构的确定 .4 42.1 机械手自由度的确定 .42.2 工作空间和额定负载的确定 .42.3 确定分辨率、重复性 .42.4 机械手结构形式的确定 .5第三章第三章 动力学参数计算动力学参数计算 .7 73.1 末端夹持系统的设计 .73.1.1 手爪夹持装置的机构选型.73.1.2 夹持气缸的选用.83.2 水平运动机构动力学参数计算 .103.2.1 螺纹传动的强度设计与校核.103.2.2 水平运动步进电机的选择.123.3 竖直运动机构力学参数计算 .133.3.1 螺纹传动的强度设计与校核.133.3.2 竖直运动步进电机的选型.143.4 转盘运动机构动力学参数计算 .15第四章第四章 运动学设计运动学设计 .18184.1 手爪部件及水平运动部件的设计 .184.1.1 手爪部件的设计与校核.184.1.2 水平运动部件的设计与校核.194.2 竖直运动部件的设计 .23第五章第五章 传动部件的设计传动部件的设计 .25255.1 传动轴的设计与校核 .255.1.1 传动轴的结构设计.255.1.2 传动轴的强度校核.255.2 轴承的选用与校核 .275.2.1 水平丝杆外端轴承的选用与校核 .275.2.2 竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核.295.3 键连接的选用与校核 .315.3.1 传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核.315.3.2 竖直运动处丝杆与齿轮处键连接的选用与校核.315.4 传动齿轮的设计与校核 .335.4.1 水平运动传动齿轮副的设计与校核.33第六章第六章 机械手部件的结构设计机械手部件的结构设计 .37376.1 水平运动部件结构设计 .376.2 运动箱体结构设计 .38第七章第七章 总结总结 .4141致致 谢谢4444参考文献参考文献 4545淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)1第一章第一章 前言前言基于单片机控制的机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 6.5万美元。 2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)2机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜越来越小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 7机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代七五科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过七五、八五科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，一个客户，一次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。本毕业设计是基于单片机控制的机械手的机械结构设计，机械手各活动部件采用伺服电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制伺服电机转动与停止，各个电机的协调转动，完成机械手的升降，左右旋转，伸缩等功能，可实现手动和自动程序控制两种功能。可见，单片机控制的机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)3拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，除替代人工操作外，还有以下优点：提高生产率 提高产品质量 增加生产的连贯性 方便生产加工的控制 提高生产的可靠性 提高生产的安全性 减少废料及重复性工作机械手的机械部分包括底座，可旋转的基座、一级手臂、二级手臂、手爪等部分。设计的基本内容包括：机械手总体运动方案的选型，基座旋转机构的设计，一级手臂运动机构的设计，二级手臂伸缩机构的设计及手爪抓取与放松机构的设计与选型。设计难度较大的部分，一是手爪动作的实现，伺服电机输出轴的旋转要转换成手爪的合拢与放开，但每次夹持的工件尺寸不同，电机旋转的角度要自动调节，防止过载。可以在手爪上设置受力传感器，反馈给控制器，实现这一功能。二是设计要求能夹持重量 100 克的物体，而机械手的两级手臂为悬臂机构，夹持物体以后系统刚度较差，可以通过改变第二级手臂的结构解决这一问题。本机械手系统具有较大的柔性：控制方面，因机械手可以较容易地与 PC 机通信；上位机程序通过 VB 语言编写，可以通过改写上位机程序，比如增加可以调用的子程序、数据库等，使机械手实现更加强大地功能；机械结构方面，本机械手的末端执行机构可以更换，可以通过更换末端执行机构使机械手完成不同的任务，比如将手爪更换成焊枪，即可以将其变成一台自动化程度很高的焊接机器人。基于单片微型计算机的机械手系统还可以用于工业生产线，完成工件转移、零件装配、检测以及危险环境中替代人完成简单精确的劳动等很多工作，提高装备的自动化水平；系统还可以较容易地实现与 PC 机的通信，实现计算机集中控制生产设备；另外，该系统价格便宜，组成灵活，具有较高的推广应用价值。淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)4第二章第二章 机械手总体结构的确定机械手总体结构的确定2.12.1 机械手自由度的确定机械手自由度的确定自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要 6 个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数，它表示机械手动作的灵活程度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的 3 个自由度是用来实现手臂末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位；7 个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为 3 个自由度。2.22.2 工作空间和额定负载的确定工作空间和额定负载的确定工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，根据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。本机械手的工作空间要求不十分严格，初步选定为： 300mm300mm300mm 的自由空间。 承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初步确定设计负载为 500g。机械手的工作空间为 300mm300mm300mm 的自由空间，设定末端执行部件在 X,Y,Z 三个方向上的运动时间都为 15s,可知执行部件的运动速度为：0.3/15=0.02m/s/ovl t2.32.3 确定分辨率、重复性确定分辨率、重复性分辨率是指机械手各运动轴能实现的最小移动距离或最小转动角。在相同淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)5条件下用同方法操作，重复多次所获结果的不一致性称为重复性。考虑机械传动误差等影响因素，初步确定机械手的分辨率为0.1mm，0.1mm 的分辨率对于一般工件的搬运、装配都足够。参照表 21 初步确定机械手的重复性为 0.4mm。表 2-1 常见机械设备的重复性6任务机床上下料点焊模锻喷涂装配重复性(mm)(0.051)10.123(0.010.5)2.42.4 机械手结构形式的确定机械手结构形式的确定本毕业设计是应用于生产线上的上下料机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度。就现在工业产品市场情况来看，机械手的结构形式方案一般有一下几种：表 2-2 机械手结构选型表6结构形式方案特点优缺点结构简图1 直角坐标型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2 圆柱坐标型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3 球坐标型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4 关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差初步确定选用圆柱坐标型机械手。淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)6机械手的结构简图如下图所示：1 运动箱体，2 竖直运动导向杆，3 上部限位盖，4 竖直运动丝杠，5 水平限位块，6 夹持手爪，7 水平运动丝杠，8 水平运动导向杆，9 转盘，10 底座，M1 转盘步进电机，M2 竖直丝杠步进电机，M3 水平丝杠步进电机。图 2-1 机械手结构简图选用圆柱坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的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；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，用于本次毕业设计的选型比较合适。如图中所示，转盘 9 由步进电机 M1 通过齿轮带动，通过转盘的旋转，使机械手爪可以在 360角度范围内转动；竖直运动丝杠 4 由步进电机 M2 通过齿轮带动旋转，螺母安装在箱体 1 上，这样箱体 1 就可以在一定范围内竖直运动，由四根光杆 2 起到支撑和导向的作用；水平运动丝杠 7 由步进电机 M3 通过齿轮带动旋转，末端执行部件上安装有螺母，手爪 6 就可以做水平运动，另外由两淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)7根导向杆 8 起到支撑和导向的作用。这样的结构就构成了三自由度圆柱坐标型机械手。第三章第三章 动力学参数计算动力学参数计算3.13.1 末端夹持系统的设计末端夹持系统的设计3.1.13.1.1 手爪夹持装置的机构选型手爪夹持装置的机构选型手爪夹持装置是一种用来抓取和握持工件的末端执行装置，机械手用它来夹持、移动或放置工件。夹持器可分为手爪式夹持器和非手爪式夹持器。前者是用手指夹持工件，后者是无指夹持工件，其夹持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、静电悬浮式、铲挖式、钩吊式、刺穿式和粘着式等。夹持装置的机构类型主要有以下几种：表 3-1 手爪夹持机构选型表6夹持机构类型主要特点结构简图1.连杆式手爪机构由简单杆件构成，可把活塞的直线运动变成手指的夹持动作。夹持器工作时，卡爪作平行开合，而指端运动轨迹为一圆弧。2.凸轮式手爪机构当活塞左右运动时通过凸轮和连杆的组合，实现卡爪的圆弧开合，但平行运动中摩擦阻力较大。3.齿轮齿条式手爪机构当活塞杆左右运动时，活塞杆末端的齿条带动齿轮旋转，通过齿轮旋转，实现手指齿条的平行运动,从而实现手指的开合运动。4.螺旋式手爪机构机构通过马达驱动单头或双头螺杆，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动。淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)85.绳轮式手爪机构该机构通过牵引绳索实现手爪的开合。若将绳轮作成非圆轮或采用链传动则机构作非均匀牵引运动。手爪在夹持工件时，由于不同工件的尺寸不同，因此每次夹持时，主动运动机构的运动行程也应该不同，否则会出现夹持不到位或夹持电机烧毁等现象，为避免这种现象，夹持机构需有过载保护功能。表中 4 螺旋式手爪机构和 5 绳轮式手爪机构都是将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动，显然这样的机构本身没有过载保护，要实现过载保护功能，必须在手爪上安装受力传感器，把受力状况转变成数字信号传递给控制系统，实时调整电机转动状态。这两种机构需要安装传感器，从而使控制系统的设计变得复杂，而且由于安装电机，使夹持部分结构重量增大，使本身就是悬臂的末节运动机构刚度变差。显然这两种机构不可取。表中 1 连杆式手爪机构、2 凸轮式手爪机构、3 齿轮齿条式手爪机构都是将主动运动机构的往复运动转变成手爪的开合运动，我们可以选择气缸作为主动部件，这样机构本身就具有了过载保护功能。再比较这几种机构，我们发现齿轮齿条式手爪机构结构复杂，制造成本高，重量大，而且运动阻力较大，不适合使用推力较小的气缸驱动；凸轮式手爪机构虽然结构重量有所减小，但凸轮在使用中磨损较大，也不理想。连杆式手爪机构具有阻力小、重量轻、结构简单、成本低廉等优点，所以最终选用连杆式手爪机构作为夹持装置。3.1.23.1.2 夹持气缸的选用夹持气缸的选用手爪连杆受力分析如图 31 所示：机械手要能夹持 100g 的物体，而夹持力主要来自工件与手爪夹持部分的摩擦力，为增大摩擦，选用摩擦系数较大的橡胶作为手爪与工件接触部分的材料。假设工件材料为钢，查手册可知橡胶与钢的摩擦系数为40.17。工件质量为 G=mg =0.1kg10N/kg =1N 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)9根据下图可知： 图 3-1 夹持杆件受力分115.8860.17GNFNN图假定在A=30时手爪开始夹持工件，则113cos(90)sinFFFAA可见，随着A 的增大，变小，因此可以得出被夹持工件的最大尺寸为3FA=30时，两爪间的距离 L。 L=230cos30 52mm可知机械手能夹持的最大工件尺寸为 52mm。 根据杠杆原理，可知220330FlFl =18N302320lFFl1306sin20sin30FNA2025.5sin45FFN考虑摩擦造成的阻力及安全系数，取 030FN选用型号为 QCJ2B1050 型双作用微型气缸。 气缸的各项参数如表 32 所示：表 3-2 QCJ2B1050 型微型气缸参数表缸径/mm活塞行程/mm工作介质动作型式工作压力使用速度接管口径1050洁净压缩空气双动0.8MPa300mm/sM50.8气缸安装尺寸如图 32 所示：淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)10图 3-2 QCJ2 系列双作用微型气缸安装尺寸图校核气缸所能提供的拉力大小。使用压力为 0.8MPa，气缸内径为 10mm，活塞杆直径为 4mm,可知气缸所能提供的拉力为:=224qDdFPAP2260.010.0040.8 103.1452.754N 52.75N30N,所以可以认为气缸的选用是合适的。3.23.2 水平运动机构动力学参数计算水平运动机构动力学参数计算3.2.13.2.1 螺纹传动的强度设计与校核螺纹传动的强度设计与校核 执行部件的水平运动由丝杠螺母运动副来实现，根据设计手册中螺纹传动的有关说明，选用梯形螺纹，初步确定丝杠大径为 12mm。初定螺母高度为H=15mm，梯形螺纹牙型及基本尺寸见下面图表。 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)11图 3-3 梯形螺纹牙型(GB/T5796.1-1986) 4表 3-3 水平运动梯形螺纹基本尺寸4(GB/T5796.3-1986)公称直径螺距(粗牙)中径大径小径dP22dD4D3D1d12310.512.58.59.0图 3-4 螺纹连接受力分析图前面的设计已假设执行部件的总重量为 500g，现在根据丝杠的承载条件进行校核：现就一圈螺纹连接进行分析。1螺母高度为 H=15mm，则螺纹工作圈数为,则每圈螺纹的1553HmmnPmm承载重量为 500g/5=100g。每圈螺纹受重力为:G=mg=0.1kg10N/kg=1N查表 5-13得滑动螺旋副材料为钢螺杆青铜螺母，许用压力p=7.5MPa, 1淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)12中径系数 2151.4310.5Hmmdmm.耐磨性校核1B=arctan(3/10.5)=15.95 3tan10.2810.5xFGBNN实际压力为：20.2830.00063.14 10.5315xF PNmmpMPad hHmmmmmm查表 5-13得许用压力P=7.5MPa1P=0.0006MPaP=7.5MPa可知耐磨性条件满足使用要求。.校核螺旋副是否满足自锁条件1许用螺纹升角为=arctan=arctan0.35=19.65VVf实际螺纹升角为3arctan()15.9510.5可知螺旋副满足自锁条件。.螺母螺纹牙的强度校核1螺纹牙危险截面的剪切强度条件为： FDbu设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为：0.65FFDbuDPu50.01373.14 12 0.65 3 5MPa 查得许用剪切应力为 120MPa，0.0137MPa120MPa,因此，螺纹牙危险截面满足剪切强度条件。螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：126bbFlDb u设计的螺纹牙危险截面的弯曲应力为：=0.078MPa212.5 10.56 5623.14 12.5 0.65 3 5bFlDb u 查得许用弯曲应力为 150MPa，0.078MPa250MPa,因此，螺纹牙危险截面满足弯曲强度条件。3.2.2 水平运动步进电机的选择水平运动步进电机的选择由图 3.4 可知， 15 15.2coscos15.95yuGNFNB淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)13要驱动丝杠，电机转矩的最小值近似为：210.55.227.322yDWFNNmm出于安全考虑，所选步进电机转矩的最小值应大于 30 Nmm根据机械手上电机安装空间及转矩、步距角要求，选用混合式步进电机，初步确定型号为 42BYG017，电机参数如下表所示：表 3-4 42BYG017 步进电机性能参数电压电流电阻最大静力矩定位力矩转动惯量重量VANmmNmmg2cmkg6.30.421514015200.2其他参数：步距角为 1.8环境温度为2540温升 85K此电机与水平运动丝杠通过减速比为 2 的齿轮连接，由此可知水平运动精度为：,1.8/20.930.0075360360lPmmmm0.0075mm0.1mm, 水平运动精度符合要求，因此可以认为水平运动步进电机的选择是合理的。因丝杠螺母机构具有自锁功能，因此，只要步进电机的静力矩大于30Nmm，就能满足使用要求。电机要达到的最大转速为20 60/min400/mmVrmm r/ m i n3电机安装尺寸如下页图 35 所示：淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)14图 3-5 42BYG017 步进电机安装尺寸图3.3 竖直运动机构力学参数计算竖直运动机构力学参数计算3.3.1 螺纹传动的强度设计与校核螺纹传动的强度设计与校核 运动箱体的竖直运动由丝杠螺母运动副来实现，根据设计手册中螺纹传动的有关说明，选用梯形螺纹，初步确定丝杠大径为 20mm。初定螺母工作高度为H=25mm，梯形螺纹基本尺寸见下表。表 3-5 竖直运动梯形螺纹基本尺寸(GB/T5796.3-1986)4公称直径螺距(粗牙)中径大径小径dP22dD4D3D1d2041820.515.516前面的设计已假设执行部件的总重量为 500g，竖直丝杠要承载的重量包括水平丝杠、水平导向杆、箱体和水平限位块，其总重量初步定为 2000g，现在根据丝杠的承载条件进行校核：现就一圈螺纹连接进行分析螺母的工作高度为 H=25mm，则螺纹工作圈数为,则每255.54HmmnPmm圈螺纹的承载重量为 2000g/5.5=363.7g。每圈螺纹受重力为G=mg =0.3637kg10N/kg3.7N查表得滑动螺旋副材料为钢螺杆青铜螺母，许用压力p=7.5MPa, 中径系数 2251.3918Hmmdmm.耐磨性校核1丝杠轴向力: 3.7xFGN淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)15实际压力为：23.740.00263.14 18425xF PNmmpMPad hHmmmmmm查表得许用压力P=7.5MPaP=0.0026MPaP=7.5Mpa，可知耐磨性条件满足使用要求。.校核螺旋副是否满足自锁条件1许用螺纹升角为=arctan=arctan0.35=19.65VVf实际螺纹升角为，可知螺旋副满足自锁条件。4arctan()12.5318.螺母螺纹牙的强度校核1螺纹牙危险截面的剪切强度条件为： FDbu设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为：0.65FFDbuDPu200.0243.14 20 0.65 4 5.5MPa 查得许用剪切应力为 120MPa，0.024MPa120MPa,因此，螺纹牙危险截面满足剪切强度条件。螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：126bbFlDb u设计的螺纹牙危险截面的弯曲应力为：220.5 186 20623.14 20.5 0.65 4 5.5bFlDb u =0.163MPa查得许用弯曲应力为150MPa，0.163MPa150MPa,因此，螺纹牙危险截面满足弯曲强度条件。3.3.2 竖直运动步进电机的选型竖直运动步进电机的选型竖直螺纹连接受力分析如右图所示： 图 3-6 竖直螺纹连接受力分析图已知，则由图可知： 20GFN 22092.2sinsin12.53GFNFN淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)16292.294.5coscos12.53MFNFN竖直运动丝杠与步进电机通过减速比为 2 的齿轮副连接，电机转矩的最小值近似为：，根据机械手上电机安装空间及21894.5425.52 22 2MDWFNNmm转矩、步距角要求，初步选用混合式步进电机，型号 42BYG504，电机参数如下表所示：表 3-6 42BYG504 步进电机性能参数电压电流电阻最大静力矩定位力矩转动惯量重量VANmmNmmg2cmkg121.2101100150800.8其他参数：步距角为 1.8环境温度为2540温升 85K此电机与竖直运动丝杠通过减速比为 2 的齿轮副连接，由此可知竖直运动精度为：,1.8/20.940.01360360lPmmmm竖直运动精度为 0.01mm0.1mm,符合运动精度要求，因此可以认为竖直运动步进电机的选择是合理的。因丝杠螺母机构具有自锁功能，因此，只要步进电机的静力矩大于850Nmm，就能满足使用要求。由此可知，步进电机 42BYG504 可以满足使用要求。电机安装尺寸同42BYG017，但尺寸 L 比电机 42BYG017 的要大的多。电机要达到的最大转速为,则丝杠的最大转20 60/min3004/mmVrmm r/ m i n速为 150r/min。3.4 转盘运动机构动力学参数计算转盘运动机构动力学参数计算根据上面所做的设计，可以推知转盘以及转盘以上的部件总重量：2zxMqtMMMM其中2000g 为箱体及水平运动部件的重量，800g 为竖直运动xM2MM步进电机的重量，为其他部件重量，比如上盖板、竖直运动丝杠、导向杆、qtM淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)17转盘等部件重量之和。5000gzM前面的设计已确定转盘的转速为 0.02m/s=20mm/s,由此可知转盘运动部件的转动惯量：参见设计装配图，我们可以看到，虽然水平运动是悬臂结构，但 M1 电机距离支撑杆距离很近，结构刚度较好，因此转盘运动部件可以近似地认为是直杆，L=350mm。转动惯量为： 2223505510421212ZLJmkgmm 转盘的转轴与步进电机通过减速比为 2 的齿轮副连接，步进电机转动惯量的最小值近似为：2251.04226022ZMJgcmJgcm考虑安全系数以及传动中的能量损失，根据机械手上电机安装空间及转矩、步距角要求，初步选用混合式步进电机，型号 57BYGH803，电机参数如下表示：表 3-7 57BYGH803 步进电机性能参数电压电流电阻最大静力矩转动惯量重量VANmmg2cmkg121.54.214004401.1其他参数：步距角为 1.8 环境温度为2540转盘运动精度为 0.9,则末端执行部件的精度为0.1mm 符合精度要求，因此可以认为转盘运动步进电机的0.9300.075360mm选择是合理的。步进电机安装尺寸如图 37 所示：淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)18图 3-7 57BYGH803 步进电机安装尺寸图淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)19第四章第四章 运动学设计运动学设计4.1 手爪部件及水平运动部件的设计手爪部件及水平运动部件的设计4.1.1 手爪部件的设计与校核手爪部件的设计与校核如图 41 所示，连接铰链 1 与气缸的活塞杆连接，铰链 2 是自由的，转轴3 的轴心固定在水平运动部件上。手爪与工件接触的部分有防滑橡胶 4，增大摩擦阻力。夹持部件采用铝合金材料经机械加工制成，装配时通过螺钉与杆件连接，这样的设计降低了加工成本，同时又减轻了结构重量。铝合金材料选用铸造铝合金 ZAlSi7Mg，该铝合金的特性如表 41 所示：图 4-1 手爪部件设计图表 4-1 铸造铝合金 ZAlSi7Mg 的特性主要化学成分,%力学性能，特性和用途牌号SiMgAl/MPab/%sHBSZAlSi7Mg6.5-7.50.25-0.45余量155250耐蚀性、铸造性能好、易气焊；用于制作形状复杂的零件，在海水中使用时，铜含量0.1淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)20因本设计中的机械手夹持工件重量较小，手爪夹持部受力较小，因此该材料的力学性能能够满足使用要求。为减轻重量以及降低成本，杆件都采用不锈钢薄板冲压成形。不锈钢型号选用 1Cr18Ni9Ti，钢板厚度均为 1mm，其他尺寸如图4-1 所示。4.1.2 水平运动部件的设计与校核水平运动部件的设计与校核水平运动部件包括水平运动丝杠、螺母和水平导向杆等。.水平运动丝杠设计如图 42 所示：图 4-2 水平运动丝杠设计图图中，轴段 B、K 均是轴承安装轴段，轴段 D 处安装齿轮，轴段 C 为卡环安装部位，卡环与右侧的轴肩为齿轮提供轴向定位；轴段 H 为丝杠段，长度为135mm。因此可知水平运动部件的最大运动范围为 135mm，因为机械手每次使用之前都要回参考点，因此，实际运动范围必须小于 135mm，现确定实际运动范围为 130mm。因为箱体由 2mm 厚不锈钢板 A 经板金弯折而成，为便于水平丝杠及其支撑轴承的安装，在箱体上焊接轴承座 M，轴承装在上面。为保证传动精度，制造过程中先将轴承座 M 的毛坯与箱体焊接在一起，再加工组件。在运动箱体和水平定位块上都应有相应的定位装置。因机械手的控制是通过单片机系统来完成的，所以定位装置要提供一定的电流给控制系统。选用光电开关作为定位装置。淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)21光电开关型号选用 EESPX740，通过螺钉安装在水平定位板上。EESPX740 光电开关的技术参数及安装尺寸如下所示：表 4-2 EESPX740 光电开关技术参数表检测距离标准检测物体误差距离应答频率电源电压耐冲击3.6mm不透明 10.5mm 以上小于 0.05mm1KHzDC5-24V10%5002/m s图 4-3 EESPX740 光电开关安装尺寸图光电开关要与控制系统进行连接，因此需要知道光电开关的接线图：*为连接电晶体回路时的电压输出图 4-4 EESPX740 光电开关接线图为保证导向杆的导向精度，以及提高机械手的可维护性，将一对青铜导向套通过螺钉固定在铝合金材料的水平运动板上，这样，如果长期使用导致导向淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)22套磨损，可以较容易地进行更换。两水平导向杆末端都加工有螺纹，通过六角螺母将水平导向杆与水平限位板连接，便于安装、拆卸，并且便于调节轴向距离。1 水平限位板，2 青铜导套 I，3 水平导杆 I，4 青铜螺母，5 水平丝杠，6 青铜导套II，7 水平导杆 II，8 手爪安装板。图 4-5 水平导向部件说明图.校核水平导向杆的强度及刚度：水平导向杆是悬臂结构，当手爪部件在最外端极限位置时，部件的刚度最差，校核这种情况下水平导向杆的刚度。包含被夹持工件的末端总重量约为G1kg10N，单根导向杆的重量为0.065kg。2233110.0083.140.1657.85 10/2ddGVmmkg m两根导向杆与手爪部件的载荷分析如图 4-6 所示： 图 4-6 水平运动部件载荷分布图可知近似认为部件的重心在 O 处，即图形的几何中心处，而两导向杆对于重心成对称分布，因此可以认为重物的重量平均分担在 2 根导向杆上，即淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)23。而导向同时还受到自身重力的作用，因此，水平导向杆的1252ddGFFN总挠度可以认为是重物所造成的挠度与导向杆自身重力造成挠度的叠加。计算重物所造成的挠度2图 4-7 水平导向杆受力及剪力、弯矩图 1 图 4-8 水平导向杆受力及剪力、弯矩图 2，其中，为重物所造成的挠度，E 为导向杆材料的弹性模量，313BFlWEI1BW查表得 E210GPa，l 为导向杆长度，l=165mm=0.165m，F=5N，I 为杆件的截面极惯性矩，实心圆柱弯曲时的，可知挠度44103.14 0.0082.01 106464dI为：33519105 0.1651.77 100.01733 210 102.01 10BFlWmmmEI计算水平导向杆自重所造成的挠度2，其中，为水平导向杆自重所造成的挠度，实际载荷为均布428BqlWEI2BW载荷 q，E 为导向杆材料的22330.0083.147.85 10/0.39/4qAmkg mkg m弹性模量，查表得 E210GPa，l 为导向杆长度，l=165mm=0.165m，F=5N，I为杆件的截面极惯性矩，实心圆柱弯曲时的，44103.14 0.0082.01 106464dI可知挠度为：2BW447429100.39 0.1658.56 108.56 1088 210 102.01 10BqlWmmmEI可知水平导向杆的总挠度为：淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)24120.0170.0008560.017856BBBWWWmmmmmm手册规定的导轨许用挠度为 0.05mm，0.017856mm0.05mm,因此导向杆10刚度合格。.水平导向套的设计水平导向套尺寸见图 49：内壁尺寸为，水平导向套与导向杆有相对运动，因此要选用间隙配合，8mm这个间隙配合需要较高的精度，同时又考虑要提高加工经济性，配合选用间隙配合mm，内壁需要很小的表面粗糙度，选用表面粗糙度，外786Hg1.6Ram壁尺寸为，因水平导向套与水平运动部件的配合不需要高的精度，主要15mm考虑要提高加工经济性和拆卸维护方便，配合选用间隙配合mm，外壁对8157Hf表面粗糙度无过多要求，选用表面粗糙度，其他未标注表面3.2Ram。如图 4-9 所示：12.5Ram图 4-9 水平导向套尺寸图4.2 竖直运动部件的设计竖直运动部件的设计竖直运动部件包括竖直运动丝杠、螺母、竖直导向杆等。因为箱体及水平运动部件的重量由竖直运动螺纹牙承担，在螺纹的设计中已做过校核，因此，认为盖板及步进电机的重量由两根支撑杆承担，要校核支撑杆的强度和压杆稳定性。支撑杆的材料为 45 钢，查阅资料得 45 钢的材料力学性能：2表 4-3 45 钢的材料力学性能屈服强度抗拉强度断面收缩率弹性模量()sMPa()bMPa(%)sE(GPa)淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)2535359816200.支撑杆的强度校核：盖板及其上面的步进电机的总重量为 1.6kg，实际应力为：21.6 100.110.013.14 22gzGMPaS20000h,因此轴承的选用是合格的。5.2.2 竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核此处的轴承既有径向载荷，又有轴向载荷，选用圆锥滚子轴承，装配图上零件号为 15，安装轴径为 10mm,根据设计手册中 GB/T297-1994 的规定，选用型号为 30203。圆锥滚子轴承 30203 的各项参数如表 54 所示：表 54 圆锥滚子轴承 30203 参数列表damin=21mmDamax=36mm安装尺寸Rasmax=1mmCr=20.7kN基本额定载荷Cor=21.9kN极限转速脂N=9000 r/min极限转速油N=12000 r/min淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)31计算系数e=0.35续表 54d=17mmD=40mmT=14.25mm基本尺寸校核计算：计算方法及公式均摘自参考文献4初步计算当量动载荷 P，由式 5-1-1得：4()PraPfXFYF式中：为载荷性质系数，因竖直运动丝杠的运动属于轻微冲击，查表得：Pf1.1Pf为轴承所受的径向载荷，可知，为竖直运动丝杠转矩，rF2222srTFd2sT为丝杠小径，15.5mm，2d2d22 1.11420.0155rFN为圆锥滚子轴承所受的轴向载荷为水平运动系统及盖板、竖直运动步进2aF电机重量的总和， =2kg+0.8kg+0.15kg=2.95kg,考虑安全系数，取2aF=3.2kg32N2aF淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)32X 为径向系数，Y 为轴向系数，首先计算，0.22520000h,因此轴承的选用是合格的。5.3 键连接的选用与校核键连接的选用与校核表 5-5 机械手中两个较危险的键连接选择列表安装位置公称直径 d公称尺寸 bh公称长度 l联接类型传动轴与转盘连接20mm6610mm较紧联接竖直运动丝杠与齿轮联接20mm666mm较紧联接图 5-4 平键连接示意图5.3.1 传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核传动轴与转盘联接，轴径为 20mm，根据手册选得公称尺寸 bh66，键淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)33的有效长度位 l10mm，根据 GB/T 10961979,选用 A 型平键，尺寸如图55 所示。图 55 平键尺寸图 1键连接的强度校核:已知工作条件:转矩为竖直运动步进电机扭矩的 2 倍，则：，接触高度为 k=0.5h=0.56mm=3mm,2222 1.42.8sTTNmNm工作长度为 l10mm，轴径 d20mm。为键、轴、轮毂中最弱材料的许用挤压应力，查资料得到 45 钢的P2120MPaP实际应力为3322102 2.8 109.333 10 20PTMPakld9.33MPa120MPa,因此强度安全，此处平键联接的选用是合格的。P5.3.2 竖直运动丝杆与齿轮连接处键连接的选用与校核竖直运动丝杆与齿轮连接处键连接的选用与校核传动轴与转盘联接，轴径为 20mm，根据手册选得公称尺寸 bh66，受机构限制，键长 l6mm，根据 GB/T 10961979,选用 B 型平键，尺寸如图56 所示。图 56 平键尺寸图 2键连接的强度校核:淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)34已知工作条件:转矩为竖直运动步进电机扭矩的 2 倍，则：，接触高度为 k=0.5h=0.56mm=3mm,2222 1.12.2sTTNmNm工作长度为 l6mm，轴径 d20mm。为键、轴、轮毂中最弱材料的许用挤压应力，查资料得到 45 钢的P2120MPaP实际应力为3322102 2.2 1012.23 6 20PTMPakld 12.2MPa120MPa,因此强度安全，此处平键联接的选用是合格的。P5.45.4 传动齿轮的设计与校核传动齿轮的设计与校核5.4.1 水平运动传动齿轮副的设计与校核水平运动传动齿轮副的设计与校核已知工作条件：输出功率，考虑传动过程中的0.03 4001.2695509550TnPw摩擦等因素造成的功率损失和安全系数，取 P1.5w。大齿轮转速 400r/min,初定传动比 i2，则小齿轮转速为 200r/min.1. 选材料，定等级小齿轮选用(调质)，硬度为 280HBS。40rC大齿轮选用 45 钢 (调质)，硬度为 240HBS。根据工作条件，定为 8 级精度，选小齿轮齿数，则大齿轮齿数129Z 。229 258Z 2. 因齿面为软齿面，故应按齿面接触强度进行设计，按齿根弯曲强度进行校核。由设计计算公式进行试算：设计计算公式均摘自机械设计实用手册4表 56 齿轮设计过程列表计算项目计算内容计算结果（1）初步计算转矩1140TN mm齿宽系数d由表 9.3-11 查取1 . 1d1 . 1d接触疲劳极限limH由图 9.3-22bMPaMPaHlH5807102lim1lim淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)35初步计算需用接触应力HPMPaMPaHlHPHHP5809 . 09 . 07109 . 09 . 02lim21lim!MPaMPaHPHP5226392!动载荷系数K5 . 1K5 . 1K续表 56初步计算小齿轮直径1d13123211.5 0.14 5.6 175681.1 5225.6ddHPKTudAu取129dmm初步齿宽b11.1 2931.9dbdmm 32bmm（2）校核计算圆周速度1 129 2000.460 100060 1000d nv0.4/vm s精度等级由表 9.3-1 选择8 级精度齿数、模数zm取129z 212 2958ziz初取，129z 258z m=1使用系数由表 9.3-6 原动机均匀平稳，工作机有中等冲击25. 1AK动载系数由图 9.3-61 . 1VK由表 9.3-7，非硬齿面直齿轮，精度等级8 级2 . 1HK齿向载荷分布系数23123101.170.16 1.10.61 1032HbKABCbd1.3831HK区域系数由图.3-17 查出47. 2HZ47. 2HZ弹性系数由表 9.3-11 查出MPaZE8.189MPaZE8.189齿形系数FaY由图 9.3-19,查得FaY17.260.221FaFaYY应力修正系数SaY由图 9.3-20 查得82. 161. 121SaSaYY螺旋角系数Y由图 9.3-21 查取93. 0Y淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)36齿向载荷分布系数FK/32/ 2.252.55.69b h 由图 9.3-9 查取75. 1FK续表 56许用弯曲应力FP试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限limF由表 9.3-14 查最小安全系数minFS由图 9.3-26 确定尺寸系数XY由图 9.3-25 确定弯曲寿命系数NTY另外取112212121RrelTRrelTVrelTVrelTSTSTYYYYYYlimlimFXRrelTVrelTNTSTFFPSYYYYY22lim21lim/450/600mmNmmNFF25. 1minFS0 . 121XXYY97. 086. 021NTNTYY2221/2 .691/6 .825mmNmmNFPFP验算1FAVFFFaSanFK K KKY Y Y Ybm222121/16.211/57.223FPFFPFmmNmmN合格（4）许用接触应力验算由表 9.3-14 取最小安全系数limHS总工作时间1630010ht05. 1limHShth48000应力循环次数 （单向运转取）hLtnN116018125.76102LLNNi815.76 10LN822.88 10LN接触寿命系数由图 9.3-23 查出NTZ01. 11NZ08. 12NZ齿面工作硬化系数17001302.1221HBZZWW14. 121WWZZ许用接触应力接触强度尺寸系数由表 9.3-15 按调质钢查XZ0.121XXZZ淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)37润滑油膜影响系数取为1212121VVRRLLZZZZZZlimlimHXWRVLNTHHPSZZZZZZ2221/08.612/71.700mmNmmNHPHP续表 56验算21/674.6001mmNuubdFKKKKZZZZtHHVAEHH21,minHPHPH合格（3）确定主要传动尺寸中心距11 /243.5adi取整44a 分度圆径dmz122958dmmdmm齿宽dbd 123264bmmbmm取（5）小结：齿轮主要传动尺寸列表模数m1压力角20分度圆直d122958dd齿顶高ah1 1aahh m 1齿根高fh1.25 1ffhh m1.25齿顶间隙C0.250.25 1Cm0.25齿根圆直fd112292 1.25ffddh222582 1.25ffddh1226.555.5ffdmmdmm中 心 距a2121dda44齿 宽b211.1 29dbbdmmbb1051132bmm240bmm齿顶圆直ad112292 1aaddh222582 1aaddh131admm160dmm因为此处的转矩与速度为最大，齿轮模数 m1 可以满足强度要求，因为其淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文)38他齿轮传动处的转矩和速度均较小，所以其他齿轮模数选用 m1 也可以满足强度要求。为实现较高的互换性，其他传动齿轮的小齿轮齿数29，大齿轮齿1Z数58，机械手部件的加工工艺性较好2Z第六章第六章 机械手部件的结构设计机械手部件的结构设计6.16.1 水平运动部件结构设计水平运动部件结构设计水平运动部件结构设计如图 413 所示：图中，1 为水平运动板，2 为螺母，3 为水平运动丝杠，4 为导向套，5 为水平导向杆，6 为手爪安装板。为降低加工成本, 将水平运动板和手爪安装板分开加工，再通过焊接的方法将其连接在一起，为保证加工工艺性能，水平运动板和手爪安装板的材料选用同种易焊接的材料，都是铸造铝合金ZAlSi7Mg。导向套通过螺纹连接在水平运动板上，通过导向套与导向杆的相对滑动实现导向功能。 导向套与导向杆的配合属于精密配合，参照有 图 61 水平运动部件结构设计图关手册，配合精度选用mm，而导向套 786Hg与运动箱体的配合主要考虑安装及调整方便，配合精度选用mm。8157Hf导向套与导向杆的相对运动摩擦较大，需要润滑，导轨用润滑剂分为三大类：（1）导轨油（滑道机油） （2）液压导轨两用油（3）润滑脂。导轨油最主要的特性是有极强的粘附性和耐水冲洗性能以及极强的抗极压性