具有空间运动能力的产品输送机机械手的机械结构设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

西安文理学院机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 具有空间运动能力的产品输送机 机械手的机械结构设计 专业班级 08 级机电（ 2）班 学 号 08102080216 学生姓名 张耐 指导教师 李润 设计所在单位 西安文理学院 2012 年 5 月 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 工业机器人 摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台三自由度 的工业机器人，用于给输送产品。首先，本文将设计机器人的机械手爪、手臂、腰部和基座的设计，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的驱动控制系统，包括驱动方式和电机的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词： 机器人，示教编程，伺服，制动 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 n on of in to As an of of of to of , of in In an is a of of of On I of AQ of be on of to of of in to 文） 第 2 页 目录 1 绪论 （ 1） （ 1） （ 3） 、意义及主要任务 （ 4） 2 工业机器人的总体设计 （ 5） （ 5） （ 5） （ 5） （ 6） （ 6） （ 6） （ 6） （ 7） 器人的运动概述（ 7） （ 8） 器人的工作空间和机械结构类型（ 8） 器人的运动过程分析 （ 9） （ 9） （ 9） （ 10） 3 工业机器人机械子系统的设计 （ 11） （ 11） （ 11） （ 11） （ 12） （ 13） （ 14） （ 14） 西安文理学院本科设计（论文） 第 3 页 （ 14） （ 15） （ 15） （ 17） （ 17） （ 18） （ 18） （ 21） 承的选取（ 22） （ 24） 4 工业机器人气动系统的设计 （ 25） （ 25） （ 25） 5 工业机器人运行时应采取的安全措施 （ 27） 全要求 （ 27） 施方法 （ 28） 总结 （ 28） 致谢 （ 29） 参考文献 （ 30） 西安文理学院本科设计（论文） 第 4 页 西安文理学院本科设计（论文） 第 5 页 西安文理学院本科设计（论文） 第 6 页 西安文理学院本科设计（论文） 第 7 页 1 绪论 业机器人简介 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的 机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ 多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分 为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送 。这种机器人在国外通常被称之为“ 它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像肌肉那 样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1示。 西安文理学院本科设计（论文） 第 8 页 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机图 1器人的一般组成 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠 加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1示。 位 形 检 测控 制 系 统 （ 二 ）驱 动传 动装 置执 行机 构工 作 对 象智 能 系 统控 制 系 统 （ 一 ）图 1器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系 统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(相当于本文中的执行机构部分。 西安文理学院本科设计（论文） 第 9 页 业机器人的发展 机器人首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两 种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 和柔性制造单元 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作 业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ 求机 器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （ 1） 1963为试验定型阶段。 1963 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。 1967年，该公司生产的工业机器人定型为 1900型。 （ 2） 1968为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应西安文理学院本科设计（论文） 第 10 页 用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人； 1969 年该公司又自行研制出 工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用 工业机器人传递工件。 （ 3） 1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970，工业机器人处于技术发展阶段。 1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（ 明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 我国 虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 题的提出、意义及主要任务 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业 不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 在机械加工过程或者自动化社设备中，常常要求有自动输送和产品装卸功能的机械手来实现辅助作业。本次设计拟定题目为在机械产品加工过程中，能够完成生产线上预定零部件的夹取、输送及其到达预定目的地后放置等动作的自动化机械手系统设 计。要求能够设计出满足工业生产要求的典型一体化系统。 此题目重在培养学生在给定任务下的创造性和创造性思维的能力，在预定时间内解决与专业相关的实际问题的的能力，同时培养学生的时间能力和动手能力。 课题中所要设计的主要任务有四点：机械手的原理方案设计、机械手的结构方案设计、机械手的转臂功能的设计、机械手抓取和释放预定产品功能的设计。 西安文理学院本科设计（论文） 第 11 页 2 工业机器人的总体设计 业机器人的组成及各部分关系概述 行系统。 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 （ 1） 手部 即与物件接触的部件。 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式 较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 （ 2） 手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) （ 3） 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、液压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 （ 4） 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部 分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 （ 5） 机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 液压传动、机械传动。 西安文理学院本科设计（论文） 第 12 页 制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和 电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。该机械手采用的是 支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 测系统 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 . 业机器人的设计分析 计要求 （ 1） 安全失效 安全失效是指当机器人及其系统在实际应用时，元器件或某个部件发生不可预见的失效。但在设计、构造和使用时则应预先考虑到这种情况的发生，不使其安全功能受到影响，若某一项功能受到影响暂停时，则整个系统仍然处于安全状态，且应提供一种能确保安全 (如锁住 )的工作方式选择器件或措施以防止自行启动。安全功能是由输人信号触发并通过控制系统有关安全部件处理的，能使机器人及其系统达到安全状态的功能。机器人及其系统的安全功能至少应包括 : a)限制运动范围的功能 ; b)紧急停机和安全停机的功 能 ; C)慢速运动 机器人运动速度低于 250 mm/s; d)安全防护装置的联锁功能。 （ 2） 电气设备 机器人及其系统中的电气设备的选择应符合其预定的用途，选用的元器件、部件及设备则应符合产品标准。 （ 3） 电源 电源和接地 (保护接地 )应符合制造厂的规定。一般，在常规电源条件下，机器人及其系统的电气控制装置应设计成能在满载或无载时正常运行。 （ 4） 电源隔离 电源隔离是在机器人系统和电源之间安装隔离 (切断 )装置，它应安装在对操作人员无伤害之处。隔离装置应具有断路或开路功能。当需要时，该 装置将切断机器人系统电气控制的电源，当使用两个或两个以上的电源隔离装置时，应采取联锁保护措施。 西安文理学院本科设计（论文） 第 13 页 业机器人主要技术参数 （ 1）用途 :用于小型零件搬运。 （ 2）设计技术参数 : a)抓重 5 公斤 (夹持式手部 ) b)3个自由度数 (手臂二个自由度 , 手腕一个自由度 ) c)座标型式 圆柱座标 这种运动形式是通过一个转动 ,两个移动 ,共三个自由度组成的运动系统 (代号 工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 d)最大工作半 径 92020+200) e)手臂最大中心高 1200mm f)手臂运动参数 (手臂二个自由度 ,用一个移动服 ,一个回转副 ) 伸缩行程 200缩速度 300mm/s 升降行程 200降速度 300mm/s 回转范围 00 转速度 900/s g)手腕运动参数 (手腕一个自由度 , 一个回转副 ) 回转范围 00转速度 1800/s h)手指夹持范围 片料 :面积不大于 (准备设计成正方形 ) i)定位精度 士 0. 5mm j)缓冲 方式 液压缓冲器 要执行的详细的动作为：（ 1）定位 （ 2）抓取（ 3）提升（ 4）顺时针转 90（ 5）前进 6）下降 （ 7）松开 （ 8）提升 （ 9）后退 （ 10）逆时针转 90（ 11）下降，完成一个工作循环。 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。 工业机器人机构的简图 西安文理学院本科设计（论文） 第 14 页 业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的 参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。 器人的工作空间和机械结构类型 （ 1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。 （ 2）机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号 工作空间图形为圆柱形。它与直角西安文理学院本科设计（论文） 第 15 页 坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图 3和表 3。 图 3 表 3 机器人开机，处于 A 位 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋转至 工步三 手臂伸出 工步四 , 工步十 手臂下降 工步五，工步十一 夹紧工件 工步六 手臂收缩 工步八，工步十四 旋转至 工步九 放松工件 工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计 成败之关键所在。 理方案的拟定 理方案的选择 工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动西安文理学院本科设计（论文） 第 16 页 作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （ 1） 夹钳式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 专用操作器及转换器 （ 4） 仿生多指灵巧手 理方案的确定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功 能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。 西安文理学院本科设计（论文） 第 17 页 3 工业机器人机械子系统的设计 械手手爪的设计 工业机器人的 机械手手爪设计 是用来抓持工件或工具的。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。 计时要注意的问题 (1)机械手手爪 应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 (2)机械手手爪 应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 (3) 应能保证工件在 机械手手爪 内准确定位。 (4)结构尽量紧凑重量轻，以 利于腕部和臂部的结构设计。 体结构设计 采用滑槽杠杆式手爪，用小型气缸驱动夹紧，它的结构形式如图 3槽杠杆式回转型夹手爪，当驱动器推动杆 2 向上运动时，圆柱销 3 在两杆 4 的滑槽中移动，迫使与支架 1 相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆 2向下运动时，手指松开。机械手手爪如图 3示 4。 表 3动轴上轴承的主要技术参数 西安文理学院本科设计（论文） 第 18 页 气缸的选择和夹紧力的校验 （ 1）初选气缸型号 考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选气 缸型号为它的主要技术参数如表 3表 3缸 径 /塞杆直径 / 程 /口直径 通径 /接螺纹 40 16 60 6 1 （ 2）夹紧力校验 a)零件的计算 其中 G=46（ N） b)夹紧力的计算： 要夹持 住零件必须满足条件： 2件材料为铸铁，手指为钢材，查机械零件手册 表 2f= （ 3 取55（ N） 由机械制造装备式 4 2 12 c o lF b （ 3 22393 4 0 1 2 06 0 2 8 8 0 ( )6028807 8 0 0 9 6 )10V R m g v g N 46 1 5 3 )2 2 0 N 西安文理学院本科设计（论文） 第 19 页 图 3械手手爪受力分析图 为斜面倾角， 49o ， 为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查机械零件手册得 这 里取 L=b= 取 P=405N 由液压传动与气压传动 5有 4 2 （ 3 3） m)， ,气缸适用于工作压力为 取 P=机械设计手册可可查得：m=以 2 3 2 63 . 1 4 ( 4 0 1 0 ) 0 . 4 1 0 0 . 8 4 0 1 . 9 244 N 由以上计算可知气压缸能产生的推力 F=于夹紧工件所需的推力P=155N。所以该气压缸能够满足要求。 性爪的强度校验 20 12 1 1 6 . 0 0 1 6 3 c o s 4 9 4 0 3 . 6 70 . 8 5 7 2 . 3 0P 西安文理学院本科设计（论文） 第 20 页 当弹性手工作时，由于夹过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。 工件与弹簧片间的力： 由上节可知 F=80N。 则弹簧爪截面上的剪应力为 =30 =Q/A= 332 1 5 5 7 . 7 5 2 2 0 1 0 1 1 0 M P a 故弹性 爪满足强度要求。 手臂机构的设计 臂的设计要求 (1)手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求 (2)根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 (3)尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 (4)要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。 臂机械结构设计 图 3臂结构图 本设计手臂直接联接在底座升降气压缸上，结构简单，装拆方便。伸缩气缸的伸缩行程为 200用轴向脚架型气压缸，由螺钉安装在手臂底座上。并在气缸的两端各设置一个导向杆支架用来固定导向杆，当活塞杆前后运动时，沿西安文理学院本科设计（论文） 第 21 页 着导向杆运动，从而防止活塞杆的转动。驱动手爪开合的气缸固定在另一个底座上，底座的末端设置一个凸台用来安装机械手手爪。这个底座的位置由伸缩气缸的活塞杆和导向杆来固定。如图 3示： 手臂与机械手手爪的联接结构选用轴向脚架型气压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，与手爪 相连接，从而活塞杆的前后运动驱动手爪的开合。如图 3示： 图 3活塞杆与机械手的联接 缩气缸的选择 选气缸型号为 的主要技术参数如表 3表 37 缸 径 /塞杆直径 / 程 /口直径 通径 /联接螺纹 80 25 200 10 活塞杆的强度校核 机械手爪的重量 约为： 10 工件重量为： 西安文理学院本科设计（论文） 第 22 页 图 3活塞杆的受力分析 如图 3示，由静力平衡方程 8 Q （ 3 Q （ 3 求得支反力为： 92N 以 A 点为坐标原点，得剪力图 3弯矩图 3下： 图 3剪力图 图 3矩图 由表得活塞杆 =140 =240则在 B 处横截面上的剪应力为： 西安文理学院本科设计（论文） 第 23 页 B= =326 2 8 . 9 3 1 . 0 2 ( 2 8 1 0 )4M P a 安全 在 B 处的弯应力为： B= =339 4 . 3 4 2 1 . 8 9 ( 2 8 1 0 )16M P a 安全。 部和基座设计 构设计 通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动，从 而实现机器人的旋转运动，通过安装在底座转盘上的气压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动，采用了导向杆导向，确保手臂随机座一起转动。 升降气缸安装在底座转盘上，底座转盘如图 3示：在转盘的两端有两个空，用来安装导向杆，这样既能起到导向作用，有防止了活塞杆相对于气缸的转动。 图 3 底座转盘 步进电机通过传动轴来驱动机身的转动，传动轴与底座的连接如图 3示： 图 3 传动轴与底座的联接 传动轴与 转盘之间通过键联接，它的轴向位置通过螺钉紧固。确保了传动西安文理学院本科设计（论文） 第 24 页 的准确性和稳定性。 降气缸的选择 升降缸是用来实现手臂的上下移动，初选升降气缸的型号为 表 3 缸 径 /塞杆直径 / 程 /口直径 通径 /接螺纹 125 32 200 12 缸的 校核 a)计算气缸可以产生的输出力 已知气缸的直径 D=125缸的工作压 力 p= 则有机械设计手册表 12 可 以 算 出 气 缸 所 产 生 的 推 力 P D p= 125 125缸可以产生的拉力0p D p=3750N b）计算机械手臂所产生的重力 机械手爪的重量约为： 10件重量为： 动手爪开合气缸的重量为 g；伸缩气缸的重量为 g；机械手臂的安装底座和 以及导向杆支架等其他零件的总重量约为 150 机械手臂总体产生的重力 G=10+50) 缸所产生的推力 P机械手臂总体产生的重力 G，所以气缸能够推动手臂而完成手臂的升降运动。 进电机的选择 工业机器人的旋转采用了步进电机驱动，由表 2控制性能好，可精确定位，尤其本设计中机械手属于小型机械手，而步进电机正好可应用于体积较小和运动轨迹要求严格的小型通用机械手。 步进电动机是一种将 脉冲信号变换成角位线（或线位移）的电磁装置，步进电动机的角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。 下面就对步进电机的型号进行选取。 初选电机为 应式步进电机，型号为： 150术参数如表 3西安文理学院本科设计（论文） 第 25 页 示 9： 表 3 步进电机的主要技术参数 电机 型号 相数 步距角 /（） 电压 /V 最大静转矩 /N m(最高空载启动频 率 /行频率 /子转动惯量 105 分配 方式 质量 /50 80 600 8000 相十拍 1）传动系统等效转动惯量计算 动系统的转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后， 要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 a)电机转子转动惯量 折算 由机电综合设计指导表查出 b)联轴器转动惯量 折算 （ 3 式中： D 为圆柱体直 径（ ,L 为圆柱体长度。 对于钢材，材料密度为 )3 ,把数据代入上式得： c)手臂转动惯量工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量机电综合设计指导中公 式进行计