基于微机控制的工件自动搬运机械手设计

基于微机控制的工件自动搬运机械手设计 46 摘 要 随着现代工业的发展，为了进一步提高加工的效率和自动化程度，柔性制造系统得到了快速的发展，尤其是工件的装卸和自动交换系统的产生，使得柔性制造系统的效率得到了极大的提高，近年来。在许多行业，尤其是汽车制造等行业中，工业机器人得到了广泛的应用。本课题研究的是一种实现在工件自动交换系统和工件仓库间实现工件自动搬运的工业机械手。 本课题设计的工业机械手，是综合应用了机电一体化的相关技术的典型设备，它采用步进电机驱动，具有检测环节，采用微机程序控制，从技术实现和理论研究两个方面着手，研究和开发一个性能优良的机械手用以实现可靠和精确地搬运和抓取。结构合理、性能完善的机械手，可以改善工人的劳动环境，降低工人的劳动强度，大大提高劳动生产率，将加速产品化的进程，意味着生产的自动化。 关键词柔性化系统，机械手，开环，微机控制，自动交换系统 ABSTRACT With the development of modern industry, in order to further improve the efficiency and automation of processing, flexible manufacturing systems has been rapidly developed, especially to produce the work piece handling and automatic switching system , making great increasing of the efficiency of the flexible manufacturing system. In recent years, many industries, especially in the automotive manufacturing industry, industrial robots have been widely used. This research is an implementation to achieve automatic work piece handling of industrial robots in automated exchange system between the work piece and the work piece warehouse. The research is designed for industrial robots, a comprehensive application a typical electromechanical integration equipment related technology , which uses a stepper motor driver , with a detection part , using computer program control , proceed from the technology and theoretical studies two aspects of research and developing a good perance for the robot to achieve reliable and accurate handling and crawl. Reasonable structure, perfect perance of robots can improve workers daily working environment, reduce labor intensity , which may lead to the greatly improvement of labor productivity, will accelerate the process of means of production automation . Key words flexible systems, robots, open-loop, microcomputer control, automatic switching system 目 录 1 绪论1 1.1 机械手的研究现状1 1.2 机械手的国内外研究方向1 2 伸缩机构滚珠丝杠副的选型3 2.1 最大工作载荷计算（）3 2.2计算最大动负载荷（）3 2.3滚珠丝杠副的选型4 2.4传动效率的计算4 2.5刚度验算5 3 齿轮传动比的设计计算7 3.1 伸缩机构传动比i的确定7 3.2 底座机构传动比i的确定7 3.3 底座圆锥齿轮的设计8 4 步进电动机的计算以及选型13 4.1 底座机构步进电机的计算与选型13 4.2 伸缩机构步进电机的计算与选型17 4.3 提升机构直线步进电机的计算和选型21 4.4 手抓步进电机的计算和选型22 5 底座机构轴的设计计算26 5.1底座高速轴的设计计算26 5.2底座低速轴的设计计算28 6 键的选择与校核31 6.1底座传动轴上键的选择与校核31 7 轴承的选型以及校核33 7.1伸缩丝杠副轴承的选型33 8 控制系统的选型以及设计34 8.1控制电动机需要考虑的控制量34 8.2 机械手控制系统的选择34 8.3 专用微机控制系统的组成34 8.4 微机的特点35 8.5 控制应用系统的开发与选择35 9 结论45 参考文献46 致谢47 1 绪论 工业机械手，是用于再现人类手的功能的机械装置，可以通过一定的设计，模仿人手所进行的动作进行操作，实现按照程序指令，抓取、搬运、放置等操作。在工业生产中，还是一门新的学科，起源于上个实际的50年代初，最早的机械手是Unimate和Versatran公司研发的机械手，经历六十多年的发展，已逐渐成为了现代机械制造生产系统中一个成熟的重要的组成部分。机械手技术涉及力学、机械学、自动控制技术、测试技术等等学科，是一门多学科综合的技术[1]。 机械手的出现，对实际的生产加工有着极大的作用，并逐步为人类所识，它的优点在于能够部分替代人类进行操作，大大改善人类的工作条件，特别是高温、高压、多粉尘、噪音、辐射、腐蚀性的环境或者人们所无法到达的月球等环境进行劳动操作。[2]机械手的遵循工艺指令操作，动作灵敏，反应迅速，便于自动控制，不受温度变化影响，相对于人工也减少了废品的比例，提高生产率，降低企业生产成本。 1.1 机械手的研究现状 机械手，一般由机械部分，传感部分和控制部分三大部分组成。其中，最关键的是机械部分，包含运动机构和手部两个部分。其中，手部是用于抓取的工件的部件，其可以根据其在具体的工况的不同或者自身尺寸、形状、材料、体积、密度的不同，再细分成不同的部分，最常见的有夹持型机械手、吸附型机械手以及托持型机械手。 运动机构也可以按照其需要完成动作需要的独立运动方式（伸缩，升降，旋转，俯仰等）的数量上进行区分。一个完整的可以到达空间任意位置和方位的机械手，需要6个自由度。但是根据机械手所需要的实际的工作情况，自由度一般会少于6个。一般，自由度数量越多，机械手就越灵活，但是其结构就会更加复杂，控制起来更加复杂。一般，如果不考虑机械手的通用性，可以将专用的定制手的自由度设置为2至3个，从而简化结构，降低控制难度以及成本。 1.2 机械手的国内外研究方向 1.2.1 国外研究方向 未来的工业手将会与电机计算机更加紧密的配合，从而进一步的发展成柔性制造系统（FMS）以及柔性制造单元（FMU）重要的一环。随着工业机器手研究的不断深入，未来的机器人将不断向智能化方向发展，并且未来将由数以百计的机器人行程一个大群体，实现“网络化”制造，以适应多样化以及个性化的需求。在未来，随着传感器研究的不断深入，将会有源源不断的新传感器产生，为机器人提供更多感觉功能，而数字控制方面的发展，将有利于系统不断完善系统集成化程度，减小系统体积，并且提高系统的安全可靠性，更重要的是，将系统的移动操作变为可能。[2] 有国外专家预测，在不远的将来，工业机器人将会有更多感觉功能，更智能化，移动化，集成化，微型化，更安全可靠。 1.2.2 我国研究方向 我国的工业机器人起步较晚，于20世纪70年代初期才开始萌芽，经过80年代的开发期和90年代的适用化期，已经取得了一大批的科研成果，成功研制了一大批特种机器人。自90年代初起，我国国民经济进入了根本转变的时期，进入了经济体制改革和技术进步的热潮，先后制出了装配、喷漆、切割、包装等各种用途的工业机器人，将工业机器人形成产业化，为我国自己的机器人产业奠定了一定物质和技术基础。[1] 在一份最新的国际机器人联合会统计中显示，目前全球能够正常工作的机器人总量约在76至102万台之间。而就我国实际的发展情况而言，自1990年开始的技术进步热潮开始，到下一代机器人研究进入成熟期需要大约30年左右。[4]也就是说，我国的工业机器人有望在2020年左右进入成熟期。 近年来，我国在机器人的研究方面，高校取得了重要的进展。哈工大的双自由度笛卡尔坐标式机器人码垛机，已经在全自动包装码垛生产线上，取得了非常好的经济效益。上海交通大学的机器人研究所也在此获得了突破性的进展。 2 伸缩机构滚珠丝杠副的选型 2.1 最大工作载荷计算（） 最大工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台所受的最大轴向力，它包括滚珠丝杠副进给力、移动部件重力、以及作用在导轨上切向产生的摩擦力，最大工作载荷实验公式参见下表 表2-1 最大工作载荷的实验公式 导轨类型 实验公式 K取值 取值 矩形导轨 1.1 燕尾导轨 1.4 三角形或综合导轨 1.15 其中，滑动系数均指滑动导轨。 本课题设计时选用矩形导轨。同时，由课题要求，搬运手最大抓取重量设为，机械手伸缩总重量，水平工作台重量，提升机构工作臂重量。 作用在丝杠上的工作载荷主要包括工作在伸缩移动件的重量以及其作用在导轨上的摩擦力。 （2-1） 2.2计算最大动负载荷（） 计算公式如下 （2-2） 式中滚珠丝杠寿命，由式（2-3）可得 载荷系数，由参考文献[3]表3-3得1.2 硬度系数，由参考文献[3]第38页，取1.0 （2-3） 式中n丝杠转速r/min，由式（2-8）得 T使用寿命，一般取 （2-4） 式中 最大负载下进给速度，设定为6m/s 故， 2.3滚珠丝杠副的选型 由参考文献[3]表3-33，根据本课题的任务书给出的行程要求650mm以及设计计算所得的最大动载荷，选择启东润泽机床附件厂有限公司生产的型滚珠丝杠副，其公称直径为25mm，导程，双螺母滚珠总圈数326圈，精度等级4级，额定动载荷10.4KN。 2.4传动效率的计算 计算公式如下 （2-5） 式中丝杠螺旋长升角，由式（2-10）得； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 （2-6） 故， 2.5刚度验算 采取双推双推的支承方式，其支承间距a为750mm，刚的弹性模量，查[3]表3-33得，滚珠直径，算得滚珠丝杠底径 则丝杠截面积 （2-7） 忽略公式 （2-8） 中的第二项，算的丝杠在工作载荷Fm的作用下产生的拉/压变形量 （2-9） 根据公式2-10，该型号丝杠为双螺母，圈数6，则滚珠总数，滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力，由式 （2-11） 得. 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，故变形量可减少一半，取 将以上算的的带入（2-12），得丝杠总变形量 。 由参考文献[3]表3-27，4级精度滚珠丝杠任意300mm的轴向行程允许变动量为，而对于跨度为750mm的滚珠丝杠，只有，可见刚度足够。 3 齿轮传动比的设计计算 3.1 伸缩机构传动比i的确定 设定电动机的步距角，根据本课题任务书要求的定位精度，脉冲当量应小于定位精度，方可保证实际运行中的定位要求，故选取脉冲当量，滚珠丝杠导程，根据下式计算传动比 （3-1） 故， 初选小齿轮齿数，大齿轮齿数。 表3-1 传动齿轮几何参数 项目 计算公式 齿轮一20齿 齿轮二（24齿） 分度圆 40 48 齿顶圆 44 52 齿根圆 35 43 齿宽 12 12 中心距 64 3.2 底座机构传动比i的确定 试选传动比i1.6，小齿轮齿数，，取。 根据前后设计，初步选取的电动机为步进电动机，型号130BYG5501，根据电动机转速公式（3-2），可初步估算转速。 （3-2） 式中电动机频率， 通电系数 定子转速 转子齿数 步距角 由于步进电动机在不同频率下输出的功率并不相同，若要获取较大的输出功率，那么就应该选取较小的输出频率，根据表3-1所列数据，选取电动机的运行频率为1000Hz。 表3-2 步进电动机的运行频矩特性 电动机型号 运行频率/Hz 100 500 1000 2000 4000 6000 8000 10000 步距角/° 不同频率下的输出转矩/ 130BYG5501 0.72 19.60 19.00 17.20 16.50 13.80 10.20 7.00 3.80 在1000Hz频率下，电机转速为 （3-3） 并由此计算功率，公式如下 （3-4） 式中 n每分钟转速 M力矩（单位） 至此，电动机所有所需参数已经求出，可直接计算圆锥齿轮的各项参数。 3.3 底座圆锥齿轮的设计 3.3.1按齿面接触强度设计 由参考文献式（10-21）试算，即 （3-5） （1） 确定公式内各计算数值 A） 试选载荷系数 B） 由参考文献[4]图10-30选取区域系数 C） 由参考文献[4]图10-26查得，则 （3-6） D） 由参考文献[4]图10-21d，按照齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度。大齿轮的接触疲劳强度极限。 E） 取失效概率1，安全系数S1，由参考文献[4]式（10-12）得 F） 许用接触应力 G） 计算小齿轮传递的转矩 H） 由参考文献[4]表10-7选取齿宽系数 I） 由参考文献[4]图10-6查得弹性影响系数 3.3.2设计计算 A） 试算小齿轮分度圆直径d1t，由计算公式得 B） 计算圆周速度 C） 计算齿宽b以及模数mnt D） 计算纵向重合度 E） 计算载荷系数K 已知使用系数，根据，7级精度，由参考文献[4]图10-8，查得动载荷系数，。 由参考文献[4]图10-13，查得 由参考文献[4]表10-3查得 故，载荷系数 F） 根据纵向重合度，从参考文献[4]图10-28查得螺旋角影响系数 G） 计算当量齿数 H） 查取齿形系数 由参考文献[4]10-5查得 I） 查取应力校正系数 由参考文献[4]10-5查得 J） 由参考文献[4]图10-20c，得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ，大齿轮的弯曲强度极限 K） 由参考文献[4]图10-18取弯曲疲劳寿命系数 L） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S1.4，由参考文献[4]式（10-12）得 M） 计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大。 3.3.3设计计算 对于上述两式计算结果的分析，根据齿面接触疲劳强度所计算出的法面模数比通过齿根弯曲疲劳强度计算出来的法面模数大，故应该根据齿面接触疲劳强度所计算，但是由于其计算出的模数小于2.0，依旧取模数，可以满足弯曲强度要求。同时，为了能够符合接触疲劳强度的要求，还应该根据照接触疲劳强度计算所得的分度圆直径径来修正应有的齿数，于是，由 取 3.4.4几何尺寸计算 （1） 中心距 将中心距圆整为. （2） 按圆整后中心距修正螺旋角 以为改变的不多，故参数等不必修正 （3） 计算大小齿轮分度圆直径 （4） 计算齿轮宽度 圆整后，取 （5） 结构设计 根据设计计算的结果，因为齿轮齿顶圆直径小于160mm，故宜选用普通圆锥齿轮即可。 4 步进电动机的计算以及选型 4.1 底座机构步进电机的计算与选型 4.1.1 计算加在在步进电动机轴上的等效转动惯量 已知滚珠丝杠公称直径d025mm，总长L750mm，导程，材料密度，移动部件总重力，齿轮传动比。 计算各个零部件的转动惯量，使用下式 （4-1） 根据初步设计，预采用如下的传动方案。 图4-1 底座机构传动方案图 此时，计算公式可做如下简化 （4-2） 式中 电机转子的转动惯量 齿轮1的转动惯量 齿轮2的转动惯量 锥齿轮传动比 其中，可近似看作圆柱体，用式（4-3）进行计算。 （4-3） 式中材料密度 D圆柱体直径 圆柱体质量 L圆柱体长度或者厚度 故， 在设计时，初选提升机构步进电动机为130BYG5501，由参考资料[3]表4-5，其转动惯量为 则加在步进电动机转轴上总转动惯量为 4.1.2计算加在步进电动机上的等效负载转矩 分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，包括三个部分快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，则有 （4-4） 根据式（4-5）考虑提升机构效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 （4-5） 式中步进电动机转轴上的总转动惯量； 电动机转轴的角加速度； 对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速; 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间 。 其中 （4-6） 式中纵向空载最快移动速度，本课题定为350mm/s； 纵向步进电动机步矩角为； 纵向脉冲当量，。 代入式中，算得。 设步进电动机由静止到加速至转速所需时间，纵向传动链总效率（取值一般为0.70.85）；则由式（4-5），可知 由式可知，移动部件运动时，折算到电机轴上的转矩摩擦为 （4-7） 式中导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.015； 垂直方向的工作负载，空载时取0； 纵向传动总效率，取0.7； 总传动比，电动机转速比丝杠转速，取1.2。 则由式得， 最后由式（4-4），求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为 （2）最大工作负载转台下电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，包括三部分折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可忽略不计。则有 （4-8） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载由式（4-9）计算。在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷，则有 （4-9） 再由式计算承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 其中，由式（4-10）计算 （4-10） 式中摩擦导轨系数 G运动件总重量 最后，由式（4-8），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 （3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K4（对于开环系统K一般在2.54之间选取，在此选取4），则步进电动机的最大静转矩应满足。 对于前面预选的130BYG5501行步进电动机，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求. 4.2 伸缩机构步进电机的计算与选型 4.2.1 计算加在在步进电动机轴上的等效转动惯量Jeq 已知滚珠丝杠公称直径d025mm，总长L750mm，导程，材料密度，移动部件总重力G149N，齿轮传动比i1.2。 计算各个零部件的转动惯量，使用下式 （4-1） 根据初步设计，预采用如下的传动方案。 图4-2 伸缩机构传动方案图 此时，计算公式可做如下简化 （4-2） 式中 电机转子的转动惯量 齿轮1的转动惯量 齿轮2的转动惯量 滚珠丝杠的转动惯量 滚珠丝杠的导程 其中，可近似看作圆柱体，用式（4-3）进行计算。 （4-3） 式中材料密度 D圆柱体直径 圆柱体质量 L圆柱体长度或者厚度 在设计时，初选提升机构步进电动机为130BYG5501，由参考资料[3]表4-5，其转动惯量为 则加在步进电动机转轴上总转动惯量为 4.2.2计算加在步进电动机上的等效负载转矩 分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，包括三个部分快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；移动部件折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，故相对于很小，可以忽略不计，则有 （4-4） 根据式 （4-4）考虑提升机构效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 （4-5） 式中步进电动机转轴上的总转动惯量； 电动机转轴的角加速度； 对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速; 步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间 。 其中 （4-6） 式中纵向空载最快移动速度，本课题定为350mm/s； 纵向步进电动机步矩角为； 纵向脉冲当量，。 代入式中，算得。 设步进电动机由静止到加速至转速所需时间，纵向传动链总效率（取值一般为0.70.85）；则由式（4-5），可知 由式可知，移动部件运动时，折算到电机轴上的转矩摩擦为 （4-7） 式中，导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.15； 垂直方向的工作负载，空载时取0； 纵向传动总效率，取0.7； 总传动比，电动机转速比丝杠转速，取1.2。 则由式得， 最后由式（4-4），求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为 （2）最大工作负载转台下电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，包括三部分折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可忽略不计。则有 （4-8） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载由式计算。在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷，则有 。 再由式计算承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 其中，由式（4-9）计算 （4-9） 式中摩擦导轨系数 G运动件总重量 最后，由式（4-8），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 （3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K4（对于开环系统K一般在2.54之间选取，在此选取4），则步进电动机的最大静转矩应满足。 对于前面预选的130BYG5501行步进电动机，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求. 4.3 提升机构直线步进电机的计算和选型 4.3.1 电机类型的选择 （1）电机类型的选择 提升机构由于在悬臂伸出到最远处时候距离动作的原点较远，如果选取普通的电机加上滚珠丝杠的结构，会使整体重量过大，伸出时候力矩过大，可能会造成伸缩臂的变形，甚至于整个机械手机构的倾倒。故在设计选取机构的时候，不但要考虑本身的机械结构要求，同时也应当考虑在能够完成相同问题的情况之下，总体质量越小越好，以满足伸出到最大时能不损坏、影响机械手的正常工作。 综上，在考虑和比较了多种电机的情况之下，结合实际情况，本课题将拟采用直线电动机来控制机械手手抓的升降操作。 直线电动机[5]，是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在交通运输、机械工业和仪器工业中，已经得到了非常广泛的推广和运用，它具有实线精度高、响应快和稳定性好的特性。直线电动机按照种类来分，一半可以分为直线异步电动机、直线电流电动机和直线同步电动机三种，本课题根据自身的情况，选取使用直线步进电动机。直线步进电动机可以将输入的电脉冲信号转换成微步直线运动的驱动装置。与对应的普通步进电机一样，其可以通过控制外加的电脉冲数量以及频率，将部件的直线运动准确的锁定在所希望的位置上，同时，由于其开环的特性，直线步进电动机也是一种最经济的位置控制的解决方案。 （2） 直线步进电机特性和选择 直线步进电机按照其轴向运动分为单轴、双轴和三轴。单轴通常为长条形而双轴通常为扁平的方形。双轴电机可以方便地沿同一平米的两个轴运行。三轴电机则可由一台双轴电机加上一台单轴电机组合而成。 根据本课题实际只需升降的需求，选取单轴的直线步进电机。相比其他电机，单轴直线步进电机的特点有 （1） 用于开环系统； （2） 非伺服驱动； （3） 最大加速度； （4） 最大驱动力222.4N； （5） 重复定位精度； （6） 整步距0.25mm； （7） 允许多动子共用一个定子； （8） 底平面或侧面安装； （9） 气隙。 根据设计计算，拟选取LTSS-1302S直线步进电机，其参数列表如下 表4-1 LTSS-1302S参数 参数 相数 静态力 阻抗 电抗 安培数 重量 轴承类型 引力 单位 N mH A kg N 数值 2 22.2 2.2 2.6 2.0 0.35 wheel 178 4.4 手抓步进电机的计算和选型 4.4.1 传动力的计算 手抓部位的电机主要用于克服在搬运时抓取物料的重力。本课题设计的是专用环境下物料的搬运，设计要求抓重为5kg，外形为圆柱体型物块，其抓取动作的完成主要依靠手指与物块之间产生的摩擦力与物块的重力平衡来实现。 其中，抓取物件不掉落的平衡条件为 （4-10） 由于手指与物块之间接触有2处，则（4-10）可以改写为 （4-11） 其中， ， （4-12） 由（4-11）以及（4-12），可得 （4-13） 式中G物块重力，本课题为 物块与手指间摩擦系数，取； 单个手指握力 物块与手指正压力 手指抓取角度，取 在实际应用生产中，为了安全起见，引入手抓的效率，取，安全系数为安全系数，通常取，为工作情况系数，主要受惯性力等影响，取，则上式（4-13）可改为 （4-14） 将数据代入 根据计算出的单手握力，由手指的静力矩平衡条件求出所需传动力。 设传动力只分别作用在两个手指上，单个手指上所得到的传动力为，由力矩平衡条件 （4-15） 得 即 （4-16） 综合式（4-14）以及（4-16），得 （4-17） 式中 L物块中心到手指回转中心的距离，取； 物块体心到手指间距离，即物块半径，取； 将上述数据代入，得 4.4.2根据传动力计算电机转矩 丝杠旋转时，驱动转矩 （4-18） 式中 螺纹摩擦力矩 螺纹传动轴向支撑面摩擦力矩 其中 （1） 螺纹摩擦力矩计算公式为 （4-19） 式中 F螺杆传动轴向载荷，即传动力 螺旋线升角 当量摩擦角 初选手抓丝杠导程，螺纹中径，由式（2-5） 根据钢与钢摩擦系数，取，根据式 （4-20） 故， （2） 螺杆传动轴向支撑面摩擦力矩公式为 （4-21） 式中 深沟球轴承摩擦系数，取0.0022； F轴承载荷，因径向载荷比较小，可忽略不计，故 轴承内径，取d10mm 取滚珠丝杠传递效率，则 为了使机构在实际应用中有更好的适应性，引入系数，则机构实际转矩 综合，选取90BYG2502步进电机。 5 底座机构轴的设计计算 5.1底座高速轴的设计计算 5.1.1 已知已求参数陈列 已知电动机型号130BYG5501，在运行频率为1000Hz时的功率为251W，转速，转矩。 齿轮齿数，中心距。 5.1.2求作用在齿轮上的力 因已知大齿轮的分度圆直径为 而 5.1.3确定轴的最小直径 先按式（5-1）初步估算轴的最小直径。 （5-1） 选取钢的材料为45钢，调质处理，由表15-3，取，于是，得 轴上的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了使联轴器的孔径与所选的轴相适应，故需同时选取联轴器的型号。 联轴器的计算转矩，查表4-1，考虑到转矩变化很小，故取，则 按照集散转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T5014-2003或手册，选取圆锥销以及套筒进行连接，这里，取对应轴段尺寸。 5.1.4轴的结构设计 （1） 拟定零件的装配方案。 方案图请参见零件图 （2） 根据轴向定位的要求确定各段直径和长度。 1） 为了满足联轴器的轴向定位要求，I-II段左端需制出一轴肩，故取II-III段的直径，。 2） 初步选取滚动轴承。 因轴承需同时承受径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据，由参考文献[6]轴承目录中初选0系基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30204，其尺寸为，故，而，V-VI段轴承右端采用轴肩进行轴向定位。 3） 取安装齿轮处的轴段III-IV直径，齿轮右端与右轴承之间采用套筒定位。已知，齿轮轮毂宽度，为了使套筒端面可以可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。 4） 由于平台位置给据实际情况设计约在高度800mm左右，设计底座箱体壁厚15.25mm（根据先前设计计算），参照附件高速轴零件装配图），箱体两壁间距D为80mm，则初分配。 至此，已经初步确定了轴的各段长度以及直径。 （3） 轴向零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接，按，由参考文献[6]表4-1查得平键尺寸，键长，取标准值，键槽用键槽铣刀加工。同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向配合定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。 （4） 确定轴上圆角、倒角尺寸 参考参考文献[6]表15-2，取轴端倒角 各轴肩圆角半径参见零件图标注。 5.2底座低速轴的设计计算 5.2.1 求低速轴上的功率、速度和转矩 由于传动中存在能量损失，故引入传动效率。 若取齿轮传动（包括轴承传动效率在内）的效率，则 5.2.2求作用在齿轮上的力 因已知大齿轮的分度圆直径为 而 5.2.3确定轴的最小直径 先按式（15-2）初步估算轴的最小直径。 选取钢的材料为45钢，调质处理，由参考资料[4]表15-3，取，于是，得 轴上的最小直径显然是在VII-VI段，用以和升降平台连接，但是由于其轴段上开有2键槽，为了保证刚度，则直径需要增加1015，即17.671.1520.32mm，取 5.2.4轴的结构设计 （1）拟定零件的装配方案。 方案图请参见零件图 （2）根据轴向定位的要求确定各段直径和长度。 1）VI-VII段右端为非定位轴肩，没有严格的规定，一般取12mm，故 。 2）初步选取轴承。 这里，我们需要的轴承用以使得压在上面的整个平台能通过轴承所在的轴的旋转而被平稳的带动，参考相关文献，一般，这种情况下，我们优先选取平底推力球轴承。根据参考文献[6]表6-8，选取52000系列推力球轴承。根据，选取型号为52307型推力球轴承，其主要外型尺寸为，故取，而应该略短于轴承，取。 右端滚动轴承采用轴肩定位，由参考文献[6]上查得，52307型轴承对定位轴肩没有特别要求，一般可取2至4毫米，则，这里取。 3）取长度，由于其为非定位轴段，直径应该略小于，取，由于总长固定，为82.25mm，取。 4）由锥齿轮的设计尺寸31mm，外加为了便于其在安装时方便调整中心距离的需求，此处需增加一个垫片，设计的垫片厚度为4mm，故，轴段的长度为。 5）轴段I-II通过平键与整个平台相连并为旋转提供动力，故考虑应该尽量设计的长些，以增加平键面积，这里，取长度。 同时，轴段I-II的直径也参考最小直径进行计算，这里，选取，则 由于其轴段上开有键槽，为了保证刚度，则直径需要增加710，即，取。 6） 设I-VI段总长度固定，为207mm，由于I-V段长度皆已经求出，故可计算出 至此，已经初步确定了轴的各段长度以及直径。 （3）轴向零件的周向定位 齿轮、升降工作平台的连接均采用平键连接，按，由参考文献[6]表4-1查得平键尺寸，键长，取标准值，键槽用键槽铣刀加工。同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向配合定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。 （5） 确定轴上圆角、倒角尺寸 参考参考文献[6]表15-2，取轴端倒角 各轴肩圆角半径参见零件图标注。 6 键的选择与校核 6.1底座传动轴上键的选择与校核 6.1.1 底座高速轴上键的选择与校核 （1） 用于连接齿轮的键 键、轴、轮毂的材料都是钢，由参考资料[3]表6-2，查得许用挤压应力，取，键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由参考资料[3]式（6-1），可得 故合适。 （2） 步进电机输出轴上键的校核 键、轴、轮毂的材料都是钢，由参考资料[3]表6-2，查得许用挤压应力，取，键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由参考资料[3]式（6-1），可得 故合适。 6.2.1 底座低速轴上键的选择与校核 （1） 用于连接齿轮的键 键、轴、轮毂的材料都是钢，由参考资料[3]表6-2，查得许用挤压应力，取，键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由参考资料[3]式（6-1），可得 故合适。 （2） 低速轴输出部分与平台连接键的设计计算与校核 1）选择键连接的类型和尺寸 一般8级以上精度零件都有定心精度要求，选取圆头普通平键。 根据，从参考资料[3]表4-1选取键的截面尺寸，；一般，键的长度比轮毂短510mm，由，则在2530mm范围中选取，选。 2）校核键连接的强度 键、轴、轮毂的材料都是钢，由参考资料[3]表6-2，查得许用挤压应力，取，键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。由参考资料[3]式（6-1），可得 故合适。 7 轴承的选型以及校核 7.1伸缩丝杠副轴承的选型 由先前计算，提升机构滚珠丝杠副的型号为，由参考资料[6]表3-33查得，丝杠直径，可由此直径选取相适应的轴承。 由先前设计，丝杠采用双推简支的支撑方式，故需一端安装推力轴承和深沟球轴承的组合，另一端呈简单支撑状态，故需选取一推力轴承、一深沟球轴承。 7.1.1 深沟球轴承的选型 根据，选取6003型深沟球轴承，其参数列表如下 表7-1 6003型深沟球轴承参数 基本尺寸（mm） 安装尺寸（mm） 基本额定载荷（KN） 动载荷 静载荷 6.00 3.25 7.1.2 推力球轴承的选型 根据，选取51203型推力球轴承，其参数列表如下 表7-2 51203型深沟球轴承参数 基本尺寸（mm） 安装尺寸（mm） 基本额定载荷（KN） 动载荷 静载荷 16.5 24.8 8 控制系统的选型以及设计 8.1控制电动机需要考虑的控制量 本课题选用的是经济型易于控制的步进电动机。步进电动机，是一种将电脉冲信号转变为对应的角位移或者是直线位移的执行原件，其具有快速启停，高精度，能够直接接受数字信号以及不需要位移传感器就可达到较精确定位的特点。每当有一个脉冲信号通过是，电机的转子就会固定的通过一个角度。随着脉冲的连续通入，步进电动机的转子就一步一步的转动，从而带动整个位移。 步进电动机的位移速度与通过其的脉冲频率有关，为正比关系，通过的频率越高，转速越快；同样，步进电机的位移量与通过其的脉冲数量成正比例关系，通过的脉冲数量越多，位移量越大。 综上，只要控制步进电机的脉冲频率数量，以及脉冲的频率，就可以控制机械部分的传动速度和位置。 8.2 机械手控制系统的选择 尽管机电一体化控制系统的形式多种多样，应用于不同被控对象的控制装置在原理和结构上也有差异，但是从系统的组成来分析，其内部总是包含一些基本的模块电路，故应该从这些电路入手，对控制系统进行选择设计。 设计机电一体化的控制系统，一般来说有三方案一是选用可编程序控制器（PLC）；二是选用标准的工业控制计算机；三是设计专用的微机控制系统。 三种控制方式各有其优缺点PLC具有体积小，功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等特点，但是其成本投入较大；工业控制计算机具有一定的抗干扰能力，能够适应工厂的恶劣环境，可维修性强，有完善的输入/输出通道，适当的精度和运算速度；专用微机控制系统区别于通用微机控制系统的最大特点，就是其只包含了通用系统的部分功能，一般以够用为准，系统内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，可靠性与抗干扰能力大大增加，并且系统具有造价低、安装使用方便、体积小等特点。 根据机械手的经济型低成本低功耗的设计制造要求，以及机械手的专用性以及需要控制的量较小（3个自由度）的特点，专用的控制系统更加适合作为机械手的控制系统。 8.3 专用微机控制系统的组成 专用微机控制系统通常由CPU、RAM、ROM、定时/计数器、模拟量输入/输出接口、数字量输入/输出接口、键盘/显示接口，以及通信接口等组成，其具体的功能配置要视被控对象而定。 CPU RAM 键盘/显示器 ROM 定时/计数器 通信接口 系 统 总 线 D/A转换器 放大电路 执行机构 数字量输出通道 工 业 控 制 对 象 数字量输入通道 D/A转换器 放大电路 执行机构 图8-1 专用微机控制系统的组成 8.4 微机的特点 “微机”这个术语，是三个概念的统称，即微处理器、微型计算机与微型计算机系统。 微型计算机简称或者MC，它是以微处理器为核心，加上ROM、RAM、I/O接口电路、系统总线，以及其他支持逻辑电路所组成的计算机。如果以上各部分均集成在一个芯片，那么这个芯片就叫微控制器，简称MCU，也就是人们常说的单片机。 单片机，即以微处理器（MPU技术以及超大规模集成电路技术的发展为先导的一项技术。在本课题中使用单片机进行机械手的控制，主要考虑机械手其专用环境情况之下，在完成固定动作的情况下，制造机械手成本低和运行低功耗的目标。 主要的，单片机控制，表现出以下的技术特点 （1） 单片机长寿命 （2） 8位、32位单片机共同发展 （3） 单片机速度越来越快 （4） 低电压与低功耗 （5） 低噪声与高可靠性技术 （6） ISP技术便于后期开发调试 8.5 控制应用系统的开发与选择 8.5.1 步进电机控制系统系统的组成 步进电动机是受脉冲信号控制而动作的，在脉冲发生器产生电脉冲信号之后，通过环形脉冲分配器，按照一定的顺序加载到电动机的各相绕组上。有些环形脉冲分配器还不具备功率放大功能，那么就需要对在环形分配器产生的脉冲信号进行功率放大。环形脉冲分配器、功率放大器以及其他控制电路的组合整体叫做步进电动机的驱动电源，是步进电动机正常工作不可缺少的部分，其整体构成了步进电动机整体控制系统，如图8-2所示。 驱动电源 控制器 环形 分配器 功率 放大器 步进 电动机 辅助电路 图8-2 步进电机控制系统框图 8.5.2 确定方案，选择单片机芯片 1单片机选型以及主要引脚的接线 由于机械手的仅含有3个动作，并且都为分时控制，故对于控制芯片的要求并不高，考虑制造成本，选取AT89S51芯片。AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有4K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 图8-3 8051引脚图 AT89S51单片机共有40个引脚，采用双列直插式结构，其引脚分布与逻辑符号如图9-3所示。其中包括了4个8位并行I/O接口线，6条信号线和2条电源线。 AT89S51单片机的40个引脚中的EA引脚必须接地； P2口部分引脚做地址线用，其余引脚就不能再做I/O口使用，只能闲置。 AT89S51的PSEN接2732的输出允许端OE，用以传递片外程序储存器的读选通信号。 Vcc接正5V电源正端，Vss接正5V地端。 RST接复位电路，具体接法参见下文2）复位电路的设计。 分别为时钟电路接外部晶体振荡器的两端，具体接法参见下文3）时钟电路的设计。 ALE在访问外部储存器时作为地址锁存信号，用以锁存出现在P0口的低8位地址。 PSEN为片外程序存储器读选通信号，低电平时有效，读出内容送P0口。与W27C512的OE口相连。 P3口除了标准的双向I/O口的功能之外，还具有第二功能，这里用到的有 P30 RXD 串行输入通道；P31 TXD 串行输入通道； P32 INT0 外部中断0；P33 INT1 外部中断1； P36 WR 外部数据存储器写选通；P37 RD 外部数据存储器读选通； 2）复位电路的设计 AT89S51单片机有两种外部复位方式，分别为上电复位和开关复位，其主要是与AT89S51芯片的RST针脚相连，当RST引脚上出现正脉冲，且正脉冲保持100ms以上，就能使单片机复位。但是在实际情况中，上电复位电路仅仅是在开关时候的瞬间有效，其他时间无效，且当有干扰存在的情况时，单片机就不能正常复位，故一般在上电复位的电路上，加装一个开关变成开关复位电路，当上电复位电路部分受干扰失效的时候，可以通过开关复位电路上的开关进行强行复位，从未保证单片机的正常运行。本课题选取的就是开关复位电路，其外部复位电路图如下图所示。 图8-4 8051外接的开关复位电路 3）时钟电路的设计 无论是旋转步进电动机还是直线型步进电动机，其转向和转速主要是通过给定的脉冲数量以及频率来决定的。而给定的脉冲频率，主要是靠单片机时钟电路提供。 AT89S51单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2引脚分别为振荡器的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。外部电路如图9-4所示。在XTAL1和XTAL2引脚上接定时元件，定时元件一般为石英振荡体和电容组成谐振电路。本课题接入的晶体振荡频率为（取值范围一般为之间），电容的取值取，（取值范围一般为之间）。 图8-5 8051的时钟电路 （1） 地址锁存器的选择 由于主控制芯片选取的是52系列的单片机，故其访问外部储存器的时候，P0口和P2口共同既作为地址线，又作为数据线，故其需要分时复用，以防止总线之间的冲突（主要防止在数据传输时，其对地址数据的影响）。所以其必须再接入一个地址锁存器，先送地址信息，再由ALE使锁存器将地址信息所存在外设的地址端，再传送数据，使得数据和地址信号分时传送。 本课题选取常用的74LS373作为本课题的地址锁存器。 （2） 储存器及其拓展电路的选择与设计 图8-6 8051的储存拓展电路 本课题选取的是ATMEL公司的AT89S52单片机做CPU，该芯片为自带ROM型微控制器，片内含有8KB的EEPROM，为电擦除型。在构成整个系统时，此8KB的ROM空间不够用，需要外拓，故选取含64KB的W27C512作为64KB的外部拓展，同时应该选取如上文（2）所说明的74LD138型地址锁存器作为地址译码器，其外拓接线格式可以参考图8-6。 （3） I/O接口芯片机器拓展电路的设计 常见的I/O接口芯片分为两大类，简单 I/O接口芯片和可编程I/O接口芯片。 其中，对于需要控制机械手多个自由度，或者偶尔需要改变机械传动量的情况下，可以优先选取可编程接口芯片。常用可编程控制接口芯片有8255A，8155，8279以及计数器8253等。 本课题中，三个自由度需要三个8位并行口控制，可优先选用8255A可编程并行接口。其有三种工作方式。方式0为基本输入输出；方式1为选通输入输出；方式2为双向传动。其典型连接线可以参考图8-9。 图8-9 8051与8255的典型连接 （4） 地址译码器片选的设计 由于机械手的三个动作在实际运行中需要控制的变量较多（转向，速度等），在实际用单片机进行控制时需要的RAM和I/O容量较大，故其芯片所需的片选信号多于可用地址线，需采用部分地址译码法，它将低位地址线作为芯片的片内地址，用译码器对高位地址进行译码，并将译出的信号作为片选线。 图8-8 部分地址译码法 本课题选用AT89S52型单片机，常选用74LS138作为片选译码器，其接线可以使用图8-8。 8.5.3 单片机运行流程图 运行程序之后，系统先进行初始化，本课题设计时设计的机械手初始状态位置为未加工工件仓库1的一端，当加工完工件到达零件交换台时，交换台上传感器发出信号，机械手转向零件交换台3抓取工件，再转向已加工工件仓库2放下工件，然后转至未加工工件仓库1，抓取工件，放入零件交换台3。机械手工况图可参见图8-9,程序运行流程图参见图8-10。 图8-9 机械手运行工况 Y N 传感器检测 N 开始 系统初始化 检测零件交换台上是否有工件 Y 直线电机M3正转（提起手抓越障） 底座电机M1正转（转至零件交换平台3） N 位置检测 Y N Y 悬臂电机M2正转（手抓伸出） 位置检测 直线电机M3反转（降下手抓待取物） 直线电机M3正转（提起手抓越障） 位置检测 Y N Y 手抓电机M4正转（取物） 直线电机M3正转（抬起避物） N 位