基于单片微机控制的机械手设计毕业设计（论文)word格式.doc

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 4 2.1 机械手自由度的确定 .4 2.2 工作空间和额定负载的确定 .4 2.3 确定分辨率、重复性 .4 2.4 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 7 3.1 末端夹持系统的设计 .7 3.1.1 手爪夹持装置的机构选型7 3.1.2 夹持气缸的选用8 3.2 水平运动机构动力学参数计算 10 3.2.1 螺纹传动的强度设计与校核.10 3.2.2 水平运动步进电机的选择.12 3.3 竖直运动机构力学参数计算 13 3.3.1 螺纹传动的强度设计与校核.13 3.3.2 竖直运动步进电机的选型.14 3.4 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 1818 4.1 手爪部件及水平运动部件的设计 18 4.1.1 手爪部件的设计与校核.18 4.1.2 水平运动部件的设计与校核.19 4.2 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 2525 5.1 传动轴的设计与校核 25 5.1.1 传动轴的结构设计.25 5.1.2 传动轴的强度校核.25 5.2 轴承的选用与校核 27 5.2.1 水平丝杆外端轴承的选用与校核 27 5.2.2 竖直运动处丝杆与转盘连接处轴承的选用与校核.29 5.3 键连接的选用与校核 31 5.3.1 传动轴与转盘连接处键连接的选用与校核.31 5.3.2 竖直运动处丝杆与齿轮处键连接的选用与校核.31 5.4 传动齿轮的设计与校核 33 5.4.1 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 3737 6.1 水平运动部件结构设计 37 6.2 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 2.1 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。 2.2 工作空工作空间间和和额额定定负载负载的确定的确定 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/ o vl t 2.3 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) 2.4 机械手机械手结结构形式的确定构形式的确定 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 3.1 末端末端夹夹持系持系统统的的设计设计 3.1.1 手爪手爪夹夹持装置的机构持装置的机构选选型型 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) 8 5.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。 3.1.2 夹夹持气缸的持气缸的选选用用 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 4 0.17。 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 1 1 5.886 0.17 gn fnn 图 假定在a=30时手爪开始夹持工件，则 11 3 cos(90)sin ff f aa 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 3 f a=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 220330 flfl =18n 30 23 20 l ff l 1 306 sin20sin30 fn a 2 0 25.5 sin45 f fn 考虑摩擦造成的阻力及安全系数，取 0 30fn 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: = 22 4 q dd fpap 22 6 0.010.004 0.8 103.1452.75 4 n 52.75n30n,所以可以认为气缸的选用是合适的。 3.2 水平运水平运动动机构机构动动力学参数力学参数计计算算 3.2.1 螺螺纹传动纹传动的的强强度度设计设计与校核与校核 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 dp 22 dd 4 d 3 d 1 d 12310.512.58.59.0 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 15 5 3 hmm n pmm 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 2 15 1.43 10.5 hmm dmm .耐磨性校核 1 b=arctan(3/10.5)=15.95 3 tan10.28 10.5 x fgbnn 实际压力为： 2 0.283 0.0006 3.14 10.5315 x f pnmm pmpa d hhmmmmmm 查表 5-13得许用压力p=7.5mpa 1 p=0.0006mpa20000h,因此轴承的选用是合格的。 5.2.2 竖竖直运直运动处丝动处丝杆与杆与转盘连转盘连接接处轴处轴承的承的选选用与校核用与校核 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=21mm damax=36mm 安装尺寸 rasmax=1mm cr=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 54 d=17mm d=40mm t=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 () pra pfxfyf 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： p f 1.1 p f 为轴承所受的径向载荷，可知，为竖直运动丝杠转矩， r f 2 2 2 2 s r t f d 2s t 为丝杠小径，15.5mm， 2 d 2 d 2 2 1.1 142 0.0155 r fn 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 2a f 电机重量的总和， =2kg+0.8kg+0.15kg=2.95kg,考虑安全系数，取 2a f =3.2kg32n 2a f x 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 键连键连接的接的选选用与校核用与校核 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 传动轴传动轴与与转盘连转盘连接接处键连处键连接的接的选选用与校核用与校核 传动轴与转盘联接，轴径为 20mm，根据手册选得公称尺寸 bh66，键 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。 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文) 33 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, 22 22 1.42.8 s ttnmnm 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 p 2 120mpa p 实际应力为 33 2 2102 2.8 10 9.33 3 10 20 p t mpa kld 9.33mpa10m/min 6810m/min 150400kpa400kpa10m/min 本机械手的导向系统负载较小，滑动速度适中，而工业生产中 68#润滑油应 用最为广泛，因此，润滑油选用 68#，为实现较高的互换性，竖直导向系统及两 个丝杠螺母选用的润滑油也选用 68#。 6.2 运运动动箱体箱体结结构构设计设计 为减轻结构重量，运动箱体的材料选用不锈钢板材板金加工成型，材料型 号为 1cr18ni9ti。 因箱体同时作为竖直运动部件和水平运动部件的支撑部分，因此箱体的刚 度很重要，为提高支撑刚度，竖直方向上，两支撑杆成对角布置，两导向杆也 按对角布置，这样水平运动部件的重量就能均匀分布在各个杆件和丝杠上。 水平方向上，水平丝杠和导向杆均为悬臂结构，为提高刚度，两导向杆同 样是对角布置，水平丝杠位置在箱体中心处，刚度最佳。 详细设计请参阅下页设计图 62、图 63、图 64。 运动箱体上 12mm 的 4 个孔都是支撑杆穿过的通孔，因支撑杆直径为 10mm，因此，12mm 孔的尺寸公差要求较低，尺寸公差按未注公差原则。 15mm 孔为导向套安装孔，为便于调整，选用间隙配合mm。 8 15 7 h f 35mm 孔为轴承座安装孔，因轴承座先焊接在箱体上，再进行加工，因此 对公差有一定要求，选用间隙配合mm,竖直导向杆和竖直丝杠与水平丝 8 35 7 h g 杠是机械手的两个直线方向运动机构，要保证末端执行器的定位和导向精度， 两个导向套安装孔和竖直螺母安装孔对于轴承座安装孔 35mm 都有垂直度要 求，查资料，选用 6 级精度，垂直度公差为 0.015mm。因水平导向杆要起到 6 导向作用，因此两导向杆与丝杠轴承座安装孔必须有平行度要求，查资料， 6 选用 6 级精度，平行度公差为 0.015mm。 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文) 40 图 62 运动箱体前视图 图 63 运动箱体俯视图 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文) 41 图 64 运动箱体右视图 淮安信息职业技术学院综合毕业实践说明书(论文) 42 第七章第七章 总结总结 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。在控制器的作用下，机械手可以执行将工件从一条流水线拿到 另一条流水线这一动作,还可以执行其他简单动作，本机械手有一定柔性，可以 作为一个多功能的单片机控制运动平台，末端执行部件可以更换，实现其他功 能，因此，可以通过对本机械手的二次开发，对机械设计、单片机控制等学科 进行深入研究。 旋转运动到直线运动的转换采用丝杠螺母传动，因此成本较低，但工作过 程中的润滑必不可少，机械手的主要动力来自步进电机，本设计选用的步进电 机都是市场上比较常见的、性能价格比比较高的产品，因此，采购容易，维护 方便。本机械手的手爪使用气动夹紧装置，在一般企业里，气源的提供较为丰 富，机械手的工作容易进行。另外，运动箱体选用不锈钢板金件，成本较低。 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。 总之，本次毕业设计的机械手是一个成本低、柔性大、功能强的机电一体 化产品。 淮安信息职业技术