圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制（含全套CAD图纸）.doc

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1、摘 要 本设计中机械手可模仿人的动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求设计为夹持型。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有3个自由度。关键词：机械手，设计，手

2、部，手腕，手臂，机身，结构AbstractRobot arm to mimic certain actions of staff and functions, to capture a fixed procedure, carrying objects or operating tools, automation equipment. It can replace human labor in order to achieve the heavy mechanization and automation of production, can operate in hazardous envir

3、onments to protect the personal safety, which is widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power sectors.Manipulator mainly by hand, sports bodies and the control system has three major components. Task of hand is holding the workpiece of the components, ac

4、cording to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of the various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. . Sports organizations to accomplish a variety of hand rotation, move, or complex movement to achieve the required

5、 action to change the location of objects by grasping and posture. Sports organizations lifting, stretching and rotating the independence movement, is known as freedom manipulator. Crawl space to an arbitrary position and orientation of objects, the need for six degrees of freedom. Freedom is the me

6、chanical design of the key parameters of hand. More freedom, greater flexibility of the manipulator, the more wide versatility。Keywords: manipulator, design, hand, wrist, arm, body, structure目 录1绪论11.1 国内生产量11.2 国内机械手区域市场分析12 机械手总体设计方案2 2.1 机械手组成2 2.2 机械手的规格参数33 机械手手部设计计算4 3.1 手部设计基本要求4 3.2 手部手部力学分析

7、5 3.3 夹紧力与驱动力计算5 3.4 手爪夹持范围计算7 3.5 手爪夹持精度的计算8 4 珠丝杠螺母副的选型104.1 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型104.2 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型135 蜗轮蜗杆传动的设计计算17 5.1 面接触疲劳强度设计17 5.2 蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计18 5.3 齿根弯曲疲劳强度的校核19 5.4 精度等级公差和表面粗糙度的确定206 电机的计算和选型216.1 提升步进电机的计算及选型216.2 伸缩步进电机的计算与选型256.3 蜗轮蜗杆电机的计算及选型288 机械手PLC控制系统设计317.1 接近开关的工作原理及选型317.2 限

8、位开关的工作原理及选型317.3 系统的结构功能和总体设计方案317.4 PLC的选型及PLC外部接线图设计327.5 PLC控制系统的软件设计34结 论35参考文献36致谢37附件381 绪论1.1 国内生产总量 我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。工业机械手应用前景极为广阔。 目前国内机械手的保有量在4000台左右，并将以每年8001000台左右的速度快速增长。2005年底，我国工业机械手实际安装量为11557台，比2004年

9、底安装量的7096台，增长了63%。增长慢于2004年。2006年底，我国工业机械手实际安装量为17327台，增长47%。2007年底，实际安装量为23900台，增长31%，平均增长45%以上。1.2 国内机械手区域市场分析虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。我国目前比较大的生产企业有上海ABB工程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、柯马（上海）汽

10、车设备有限公司、青岛欧地希机电(青岛)有限公司等。2 机械手总体设计方案2.1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.1.1 执行机构(1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。（2）手臂 是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。2.1.2 驱动机构驱动机构是工业

11、机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑，控制方便。2.1.3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用PLC进行控制，主要控制的是坐标位置。2.2机械手的规格参数抓重：2kg自由度：3个 坐标形式：圆柱坐标式输入电压：220V或24V 功率：50W伸缩行程（X）： 200mm伸缩速度： 3mm/s升降行程（Z）： 200mm升降速度： 3mm/s回转范围： 0-270度回转速度： 位置检测： 用电位器反馈式驱动方式： 电机驱动控制方式： 可编程控制3 机械

12、手手部设计计算3.1 手部设计基本要求应具有适当的夹紧力和驱动力，应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。手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂负载。应保证手抓的夹持精度。3.2 手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手爪张开。下面对其结构进行力学分析：在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为，并通过销轴中心点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为和，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指

13、向点，交和的延长线于和。 由 得 （3-1） 得 （3-1） 由 得 （3-3）又因为 （3-4）所以 （3-5）手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角 1手指 2销轴 3杠杆 图3-1 滑槽杠杆式手部结构原理图由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好。3.3 夹紧力与驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向与作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。手指对

14、工件的夹紧力可按下式计算： (3-6) 安全系数，通常； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按,其中是重力方向的最大上升加速度，是重力加速度，。 运载时工件最大上升速度； 系统达到最高速度的时间，一般选取； 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； 被抓取工件所受重力；表3-1 驱动力与液压缸工作压力关系图作用在活塞上外力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MPa500005.08.0 设,机械手达到最高响应时间为，求夹紧力，驱动力和驱动液压缸的尺寸。（1）设 设 因此 所以 设 根据以上公式得： （2）根据驱动力公式得： 由于实际所采取的液压缸驱动力要大于

15、计算，考虑手爪的机械效率，一般取。（3）取 即 （4）确定液压缸的直径 因为 （3-7）选取活塞杆直径，选择液压缸工作压力。 所以 根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：则活塞杆直径为：。所以手部夹紧液压缸的主要参数见表3-2。表3-2手部夹紧液压缸的主要参数液压缸内径D活塞杆直径 d工作压力P驱动力F20mm10mm0.8MPa57N3.4 手爪夹持范围计算材料密度灰口铸铁6.60-7.40可锻铸铁 7.20-7.40 黄铜 8.80 工业纯铁 7.87普通碳素钢7.85铅 11.40 设夹持物体取高度为10CM的圆柱体。根据公式 （3-8)算出夹持物体的半径的最小值为

16、2.4cm,最大值为3.1cm。为了保证手爪张开角为,设手爪长为，当手爪没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径,当张开角为时,根据双支点回转型手爪的误差分析，取最大夹持半径。所以机械手的夹持半径为。3.5 手爪夹持精度计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图3-2 手爪夹持误差分析示意图以棒

17、料（高度为10cm）来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为，一般夹持误差不超过,分析如下：工件的平均半径： 手爪长， 取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定： （3-9）计算得 式中 理论平均半径 因为 （3-10） 夹持误差满足设计要求。4 滚珠丝杠螺母副的选型与计算4.1 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型4.1.1 计算提升力作用在丝杠上的提升率引力主要包括工作在上升时移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm（N）计算公式如下：矩形导轨： （4-1）式中重力在各方向上的分力； 水平工作台重力；考虑颠覆力矩影响的实验系数在正常情况下，可取以下数值：矩形导轨

18、上列摩擦系数均是指滑动导轨。机械手的最大抓取重量为2，机械手伸缩机构总重量，水平机构工作台重量，提升机构重量。显然在最底点上升时丝杠受力最大，此时 （4-3） （4-3） （4-4）此设计中选用矩形导轨 =4.1.2 计算最大动负载选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算： （4-5）式中寿命，为转为一个单位，丝杠转速，用下式计算 （4-6） 为最大负载条件下的进给速度；丝杠的导程，； 使用寿命，一般；运转系数，见表4-1。 表4-1运转系数运转状态 运转系数

19、无冲击运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击运转 1.52.5该设计的最大负载条件下的进给速度为3mm/s，丝杠导程初选，运转状态为一般运转=1.2， (4-7) (4-8) (4-9)4.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型 查表可采用 1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度等级为3级。4.1.4 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率： ( 4-10)式中丝杠螺旋长升角；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 = (4-11)4.1.5 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图4-1。最大牵引力为570.76N，支承间距为300mm，

20、丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。图4-1提升机构系统计算简图4.1.6 丝杠拉伸或压缩变形量根据， 查出，可算出： (4-11)由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量（）为： (4-12)4.1.7 滚珠与螺纹滚道间的接触变形查表得，系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量： 因进行了预紧， （4-13）4.1.8 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用8102推力球轴承，滚动体直径 =4.763， 滚动体数量=12， (4-14)上式中轴承所受轴向载荷 轴承滚动体数目 轴承滚动体直径因施加预紧力，故 根据以上计算 (4-15

21、)小于定位精度。4.2 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型4.2.1 计算伸缩引力作用在丝杠上的伸缩率引力主要包括工作在伸缩移动件的重量及其作用在导轨上的摩擦力。 式中为滑动摩擦系数，4.2.2 计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算： 式中寿命，为转为一个单位， 丝杠转速，用下式计算 为最大负载条件下的进给速度； 丝杠的导程，； 使用寿命，一般； 运转系数，见表该设计的最大负载条件下的速度为，丝杠导程初选，运转状态为一般运转， 4.2.3 滚珠丝

22、杠螺母副的选型可采用，1列圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为395N，可满足要求，选定精度等级为3级。4.2.4 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中丝杠螺旋长升角；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 =4.2.5 刚度验算先画出提升机构丝杠支承方式草图如图4-2所示。图4-2伸缩机构丝杠计算草图最大牵引力为14.7N，支承间距为，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。由于牵引力很小无需进行刚度验算。4.3滚珠丝杠几何参数表4-2 丝杠参数 名称 符号螺纹滚道公称直径 2010导程54接触角钢球直径（mm）3175滚道法面半径1651偏心距0045螺

23、纹升角螺杆螺杆外径194螺杆内径16788螺杆接触直径16835螺母螺母螺纹直径23212螺母内径 206355 蜗轮蜗杆传动的设计计算选择普通圆柱蜗杆的渐开线蜗杆（ZI），该蜗杆的传递功率不大，速度中等，故蜗杆材料用45钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC，蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，为节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。5.1 面接触疲劳强度设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距 （5-1）5.1.1确定作用在蜗轮上的转矩按=1，单头蜗杆的效

24、率为0.7-0.75估取效率，则 （5-2）5.1.2 定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数=1，选取系数=1，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1.05，则： （5-3）5.1.3确定弹性影响系数因选取的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=5.1.4 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，查得=2.95.1.5 确定接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋面齿面硬度45HRC，查得蜗轮的基本许用应力=268假设寿命=10000h，则应力循环次数为： (5-4)寿命系数： （5-5）则： （5-6）5.1.6计算中心距a = （

25、5-7）取，因，故取模数，蜗杆分度圆直径=这时，（满足假设）5.2 蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计表 5-1蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计计算项目计算过程结果蜗杆轴向齿距=直径系数分度圆导程角齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆轴向齿厚蜗杆齿数蜗轮变位系数蜗轮齿数蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径蜗轮齿宽5.3 齿根弯曲疲劳强度的校核 （5-8）当量齿数： （5-9）据，查得齿形系数=2.72螺旋角系数 ： （5-10）许用弯曲应力查手册得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力寿命系数： （5-11） （5-12） （5-13），所以弯曲强度是满足的。5.4精度等级公差和

26、表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动属于动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 10089 1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，在零件图中标出。6 电机的计算和选型6.1 提升步进电机的计算及选型6.1.1 提升机构步进电机的计算及选型（1） 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式进行计算： (6-1)式中 步进电机转子转动惯量；齿轮的转动惯量；滚珠丝杠转动惯量；初选反应式步进电机，该步进电机转子的转动惯量 (6-2) 代入上式： = 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求

27、。6.1.2 电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。（1） 快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： （6-3） （6-4） （6-5）上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 脉冲当量（） 步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间 起动加速时间 (6-6)摩擦力矩 (6-7）上式中导轨的摩擦力 （6-8） 导轨摩擦系数 运动部件总重量 齿轮降速比，按 计算 传动链总效率，一般取 （6-9）折算到电机上的摩擦力矩 =0.84N/cm （6-1

28、0） 附加摩擦力矩 （6-11）式中滚珠丝杠预加负载，一般取，为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 (6-12) 折算到电机轴上的轴向负载力矩 (6-13）式中进给方向的最大抗力 （6-14) 上述三项合计： (2) 快速起动所需力矩 (3) 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。查出，当步进电机为五相十拍时 (6-15)最大静力矩=按此静力矩查出，45BF003最大静转距为，大于所需最大静转矩，可作为选定型号。6.2 伸缩机构步进电机的计算及选型6.2.1 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的

29、总的转动惯量可由下式进行计算： 式中 步进电机转子转动惯量； 齿轮的转动惯量； 滚珠丝杠转动惯量； 参考数控机床，初选反应式步进电机，该步进电机转子的转动惯量 代入上式： =考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 满足惯量匹配的要求。6.2.2 电机力矩的计算机械手在不同的工况下，所需转动力矩不同，下面分别按各阶段进行计算。(1)快速空载起动力矩。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 上式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角加速度 电机最大转速 运动部件最大快进速度 脉冲当量（） 步进电机步距角 运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间 起动加速时间 =1

30、0.38N/cm(2)摩擦力矩 上式中导轨的摩擦力 导轨摩擦系数 运动部件总重量 齿轮降速比，按 计算 传动链总效率，一般取 折算到电机上的摩擦力矩 (3)附加摩擦力矩 滚珠丝杠预加负载，一般取，为进给率引力 滚珠丝杠导程 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 折算到电机轴上的轴向负载力矩 =0.35上述三项合计： (1) (2) 快速起动所需力矩 (3) 最大负载所需力矩 从上面计算可以看出，三钟工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 查出，当步进电机为三相六拍时 最大静力矩=按此静力矩从表查出，最大静转距为，大于所需最大静转矩，可作为选定型号。6.3 蜗轮蜗杆电机

31、的计算及选型6.3.1 电机的计算及选型 根据输入转速，选择额定转速为910r/min的电作为动力源。电动机功率为： （6-16） 式中：ni =4r/min，效率蜗杆传动部分为0.75，联轴器为0.992，由此可得。选择电机型号和参数见表6-1。表 6.1型号额定功率/KW满载转速/（r/min）堵转转矩最大转矩质量/KGY-90-S61.19602.02.023 电机轴直径为。其他参数为：电流7.23A，效率0.83，功率因数，转子转动惯量。6.3.2 联轴器的计算及选型 为了隔离振动和冲击，选用弹性套柱销联轴器。公称转矩 （6-17）由手册查得 ,故得计算转矩为 （6-18)(1）型号选

32、择从GB4323-84中查得TL5型弹性套柱销联轴器的许用转矩为125N.m，许用最大转速为4600r/min，轴径为25-35mm，考虑到联轴器联接的电机轴为28mm，蜗杆联接端为30mm，故适用。（联轴器效率为0.992）。7 机械手PLC控制系统设计7.1 接近开关的工作原理及选型电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的接近传感器可以在不与目标物实际接

33、触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。在本设计中我选用XL-LJM8短圆圆柱电感式接近开关。7.2限位开关的工作原理及选型行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。 在本设计中伸缩机构限位开关我们选用交叉滚轮柱塞型接近开关，提升机构限位开关我们选用滚轮连杆型限位开关。7.3系统的结构功能和总体设计方案7.1.1 系统的结构功能系统要求利用机械手从A点搬运到B点。在工作过程中，