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自由度 工业 机械手 结构 毕业设计

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中北大学2010届毕业设计说明书1 绪论1.1 工业机器人简介早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。但是自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已经受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：（1） 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普编。（2） 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它用来装配印制电路板， 在机械行业中它可以用来组装零件。（3） 可在劳动条件差，单调重复易疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4） 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品级有还、及有害物的搬运等。（5） 宇宙及海洋的开发。（6） 军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.2 世界机器人的发展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103万美元降至97年的65万美元。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，控制柜日见小巧，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。1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。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、模化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 设计任务通过计算机PLC编程控制电机，使机械手按照预定的工作条件，完成旋转、俯仰动作，完成理论方案的设计。运用 AutoCAD软件绘制装配图、部件图、零件图，编制PLC梯形图。（1）机械手以机械臂计，总臂长度小于500mm，大臂长度小于350mm、小臂长度小于250mm。（2）机械手的驱动采用步进电动机，电机功率小于100w，其电源应为安全电源。（3）使用三菱公司的PLC软件进行编程，对机械手进行控制。2 机械手结构方案与机电结构方案的设计2.1 机械手的结构方案在制定机械手结构的方案中，必须要设定机械手的主要技术指标包括：（1）可搬重量；（2）最终合成速度的最大值；（3）工作空间，其球体半径；（4）重复定位精度；（5）机械手本体重量。根据机械手的技术指标和总体方案进行设计。本课题要求采用五自由度关节型机械，其总体机械结构如图2-1所示，它有旋转台、大臂、肘、小臂，手腕装置组成，是一个具有五种动作的关节型机械手，并能够模拟接近于人手臂的动作。机械手的坐标可以采用简单的关节型坐标，因此对它的五种动作需要作一些规定：（1）机械手的旋转角度。由上向下看，相对旋转台的基准线，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转；（2）大臂的旋转是相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转；（3）肘也是相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转；（4）小臂相对于肘的轴线旋转，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转；（5）手腕相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在正负90度范围内旋转。对于所设计的机械手有五轴需要动作，其动作的方式可以单独运行，也可以组合或同时进行。单独运行即旋转台先旋转，而后大臂、肘分别进行俯仰，然后小臂进行旋转，到位后，手腕进行运动；也可以采用确定空间位置的关节和确定手腕姿态的运动轴，同时进行控制。可以根据需要由控制装置来选择控制方法。机械手的执行采用步进电机，选择开环控制。由于有五个自由度，所以共需要五台步进电机。机械手的工作原理：机械手的运动由腰部传动、上臂传动、前臂传动、肘部传动和腕部传动这五部分组成。腰部通过谐波减速器直接传动。安装在底座上的步进电机的输出，通过高速轴传给波发生器，柔轮带动底板使腰部绕回转360度。上臂定在腰部的底板上，安装在腰部上的步进电机通过齿轮传动带动上臂进行左右摆动，运动，并且随腰部一起转动。肘部固定在上臂末端轴上，其驱动电机固定在大臂上通过锥齿轮传动带动小臂转动。小臂固定在肘部的末端，通过一对锥齿轮实现其上下摆动，其步进电机固定在肘部。腕部传动驱动电机固定在小臂的末端，通过同步齿形带传动带动手上下摆动。各个电机输出轴上安装有光电编码器，进行位置检测，并将位置信号反馈到控制器输入端，构成伺服电机驱动回路的闭环反馈控制。具体装配图， 2.2 机械手机电结构方案的设计2.2.1机械传动系统为了能使机械手的臂转动，所需要的最大转矩是当臂呈水平状态（图2-3）。机械传动系统的各部分尺寸，按机械手工作空间的要求为准。各部分重量的分配，原则上是在机械手传动结构和电机安放位置允许的条件下，离第一关节越远的部分。按其重量越轻越好、重心越靠近关节越好这两个原则来分配各部分的重量。这些重量要求越小越好，因此在结构设计上要考虑增加刚度。对于旋转台（即肩）的旋转是使机械手整体旋转，故电机要安装在机械手的基座上。大、小臂都有一定的俯仰角度，这种机构图形的变化必然引起机械手在运动中部分重心位置的改变，必须考虑其重力负荷的平衡。因此，驱动大、小臂的电机均安装在肩上，起着平衡臂的重量，也使电机的重心靠近第一关节。机械手所进行的最终工作是反映在其手部末端即手腕的运动上，这种运动的实现是通过传动链来获得的。手部端点的重复定位精度是机械手设计中一个十分重要的指标，它的实现主要依靠机械传动链的精度和伺服系统的精度这两个方面的因素。对于传动系统，传动链越短，越直接，精度自然越高，但实际上还必须有中间环节的传动谐波减速齿轮具有可以实现大的减速比、结构紧凑、自身重量轻的特点，这对于机器人的结构设计是十分重要的，因为减速装置重量的增加将严重地影响机器人的动力学特性。因此，在机械手模型传动设计中均采用齿轮传动进行速度的传递，即根据需要选择合适的传动比。2.2.2电机的选择和设计机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.110kW。工业机器人驱动系统中所采用的电动机，大致可细分为以下几种：（1）交流伺服电动机 包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。 （2）直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。 （3）步进电动机 包括永磁感应步进电动机。速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大，常用的减速机构有： 1）RV减速机构； 2）谐波减速机械； 3）摆线针轮减速机构； 4）行星齿轮减速机械； 5）无侧隙减速机构； 6）蜗轮减速机构； 7）滚珠丝杠机构； 8）金属带齿形减速机构； 9）球减速机构。工业机器人电动机驱动原理如图2-4所示。工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。目前国外许多电动机生产厂家均开发出与交流伺服电动机相适配的产品用户根据自己所需功能侧重不同而选择不同的伺服控制方式，一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：1） 位置控制方式； 2） 速度控制方式；3） 转矩控制方式；4） 位置、速度混合方式；5） 位置、转矩混合方式；6） 速度、转矩混合方式；7） 转矩限制；8）位置偏差过大报警；9）速度PID参数设置；10）速度及加速度前馈参数设置；11）零漂补偿参数设置；12）加减速时间设置等。几种电机驱动器1直流伺服电动机驱动器 直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制（PWM）伺服驱动器，通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压，从而改变电动机的转速。 PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。2同步式交流伺服电动机驱动器 同直流伺服电动机驱动系统相比，同步式交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制（PWM）相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统，以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，它又可分为两种伺服系统： 1）矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。 2）正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。 采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机，采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。3步进电动机驱动器 步进电动机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的元件，它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉冲频率成正比。在负载能力的范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，实现快速起动、正反转制动。作为一种开环数字控制系统，在小型机器人中得到较广泛的应用。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等缺点，一般只应用于小型或简易型机器人中。4直接驱动 所谓直接驱动（DD）系统，就是电动机与其所驱动的负载直接耦合在一起，中间不存在任何减速机构。 同传统的电动机伺服驱动相比， DD驱动减少了减速机构，从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动，极大地提高了机器人的精度，同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点，所以机械刚性好，可以高速高精度动作，且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点，在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起人们的重视。 作为DD驱动技术的关键环节是DD电动机及其驱动器。它应具有以下特性： 1）输出转矩大：为传统驱动方式中伺服电动机输出转矩的50100倍。 2）转矩脉动小： DD电动机的转矩脉动可抑制在输出转矩的510以内。 3）效率：与采用合理阻抗匹配的电动机（传统驱动方式下）相比， DD电动机是在功率转换较差的使用条件下工作的。因此，负载越大，越倾向于选用较大的电动机。 目前，DD电动机主要分为变磁阻型和变磁阻混合型，有以下两种结构型式： l）双定子结构变磁阻型DD电动机； 2）中央定子型结构的变磁阻混合型DD电动机。5特种驱动器 1）压电驱动器。众所周知，利用压电元件的电或电致伸缩现象已制造出应变式加速度传感器和超声波传感器，压电驱动器利用电场能把几微米到几百微米的位移控制在高于微米级大的力，所以压电驱动器一般用于特殊用途的微型机器人系统中。 2）超声波电动机。6. 电机的选择本课题中需要五台电动机，根据上述电动机因考虑其指标、模型的重量、尺寸等因素，选择了一台Kinco86系列步进电机、四台Kinco57系列三相步进电动机（其中两台技术参数为3S57Q-04042,另两台技术参数为3S57Q-04056），分别驱动臂旋转以及大、小臂俯仰、旋转和手腕的俯仰活动它们的主要参数如下表:型 号技术参数电机惯量(kg.cm )保持扭距(Nm)电机长度（mm）最大负载（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.056563 有关机械手的计算3.1设计分析手臂运动由提升重物的竖直运动与带动重物旋转的水平回转运动组成。手臂自重相对于重物来说. 对手臂强度计算的影响较小，可不作考虑，因此，设计时仅考虑重物的作用。手臂受力如图3-1 所示。3.1.1抗拉强度条件如图3-1所示，手臂N点处受到最大拉应力是，由弯矩M产生的拉应力与向心力F产生的应力组成。其中=，式中，W为抗弯截面系数，仅与截面形状、尺寸有关。对于外径D内径为 d的圆环截面有：W=1-() （1）M=GL （2） =A为手臂横截面积（m）,A=()-()=(2DT-T) （3）F=mL （4） 根据抗拉强度条件有：=+ （5）将式(1)、(2)、(3)、(4)及已知数据代入(5),取g=10m/s（下同），计算整理得：120D-970D+34D-6.4LD03.1.2抗剪强度条件手臂N点处所受的剪应力最大。因圆环截面壁厚T远小于外径d，故最大剪应力为:=2据抗剪强度条件有：=2 （6）将已知数据代入式（6），计算整理得：D0.2(cm)3.1.3 刚度条件如图3-1所示，受力分析得,M点处挠度最大。据刚度条件:= （7）式中， E为材料的弹性模量（GPa）；I为截面惯性矩（cm）,I= （8）将式（8 ）及已知数据代入式（7），计算整理得： 30D +18D-0.64L03.1.4结构尺寸限制D2TL10(cm)3.2机械手的位置控制3.2.1 机械手几何模型设计了一种五自由度机械手用于小型工业。该机械手的主要任务是，在给定点抓取柱状物，从一个位置送至另一位置。该机械手几何模型如图3-2所示。其中，l为肩关节偏航自由度， 2为肩关节俯仰自由度，3为肘关节偏航自由度为， 4为腕关节偏航自由度，5为腕关节俯仰自由度。l、l分别为机械手上、下臂的长度，l为腕关节中心到抓手中心的距离。3.2.2机械手运动学模型1 运动学方程假定机械手伸直状态下所处位置为停止位置，根据D-H方法建立各坐标系，如图3-1所示；相应的各连杆及关节的参数如表（一）。表（一）连 杆/（）adcossin136000102180l0-103180l0-10436000105180l0-10将参数代入D-H齐次变换矩阵得：T= （1）T= （2）T= （3）T= （4）T= （5）式中，T( i=1，2，5)为机械手两相邻连杆间第i个杆坐标系相对于第i一1个杆坐标系的齐次变换矩阵。将式(1)(5)相乘可得末端抓手坐标系Oxyz相对于参考坐标系Oxyz的齐次变换矩阵为:T= TTTTT= （6） 式中： （7） （8） （9） （10） （11）式(6)即机械手的运动学方程。R=为旋转变换矩阵,p=(p p p) 为平移变换矩阵。当已知各关节变量的值时，可根据式(6)求出当前的末端抓手的位置和姿态。2 逆运动学问题在实际控制中，规定末端抓手的运动轨迹，并从中得到每一时刻末端抓手在基座坐标系中的位置表达式，即已知的是式(6)，要反求出相应时刻各关节变量的表达式。根据式(1)(5)求出相应的逆矩阵T(i=1，2，5)，依次左乘末端抓手的位置矩阵T ，得到方程组(12)： （12）联立运动学方程(1)(6)和方程组(12)可以求出各关节变量 (i=1，2，5)的解析解，这一组解具有不唯一性，根据关节的作业要求、防止碰撞障碍物、防止受到机械约束等实际情况，可以得到各关节变量(i=1，2，5)的一组范围: （13）在约束(13)的限制下可以得到逆运动学问题的一组唯一解。3 微分关系 在机械手的运动控制中，速度控制是必不可少的，所以有必要求出机械手各关节速度与末端抓手速度的关系。通常的方法是先求出机械手的雅可比矩阵J,再求出逆雅可比矩阵J，即可解出机械手各关节速度的解析式。设机械手关节速度向量为： （14）式中 (i：1，2，5)为关节变量的角速度，同时设末端抓手在基座坐标系中的广义速度向量为：= （15） 式中, ，分别为线速度和角速度分向量，用雅可比矩阵将式(14)，(15)联系起来即为机械手各关节角速度的解析式： （16）因所讨论的机械手只有5个自由度，对应的雅可比矩阵不是方阵，所以相应的逆雅可比矩阵是一个广义逆矩阵：J （17）式(17)的求取比较繁琐，而且在工作空间的某些位置上，JJ变为奇异阵，无法求逆。所以，采用对逆运动学解直接进行微分的方法来得到关于的解析式。对于三角函数表达式，可以导出：(1) sin和cos的表达式时，有：d=cosd(sin)-sind(cos) (18) (2) 当已知tan= 时，有:d= (19) 在求解逆运动学方程解的过程中，不难得到各关节变量的三角函数表达式，再利用式(18)、(19)可以迅速求得关于的解析式。3.3机械手的部分零件的设计及校核对机械手的主要零件进行设计和校核，由于本课题中涉及的零件较多，计算时就以谐波减速器和大臂中的零件为例。其它部分的零件计算类似方法可以算出。3.3.1 谐波减速器的设计【25】1、结构型式的选择 根据设计要求：传动比大、结构紧凑、承载能力大和传动效率高。按照表23-1选取：刚轮b固定、波发生器H输入和柔轮g输出的单级双波传动的结构型式，其传动简图如表23-1中的图1所示。2、确定柔轮和刚轮的齿数 按照传动比公式（23-9） 即可得柔轮的齿数zg为 刚轮齿数zb为 3、选取柔轮和刚轮的材料 根据对柔轮的强度和抗疲劳性的要求，由表26-3中选取柔轮的材料为30CrMnSiA合金钢（），刚轮的材料为45号刚（）。4、初步确定啮合模数m按照设计公式（26-3）计算啮合模数m，即 已知zg=200和T2=800Nm;根据谐波传动的工作情况、载荷性质和传动要求，以及所选用的材料，现选取：载荷系数K=1.35，许用比压pp=60N/mm2, 和ch=1.5代入上式可得其啮合模数m为0.644mm现取模数m=0.8mm,符合表25-2中的标准值。5、选取柔轮和刚轮的结构型式和计算其几何参数 按照该谐波齿轮减速起的使用要求：结构简单、安装方便、运动精度高和效率高等。选取分体式筒形柔轮（见图29-2）、环形内齿刚轮（图24-12（a）和凸轮式波发生器（图24-20），且选取该凸轮轮廓线形状为标准椭圆（图24-21）。柔轮的几何参数：柔轮分度圆直径 dg=mzg=0.8x200=160mm柔轮齿圈厚度 现取柔轮壁厚=2mm。柔轮壳体厚度 柔轮齿宽度 柔轮轮毂凸缘长度 柔轮长度 柔轮筒底凸缘直径 柔轮轮齿过度圆角半径 刚轮几何参数： 刚轮分度圆直径 刚轮齿圈壁厚 取刚轮外圆直径 6、计算谐波传动的啮合参数和几何尺寸 采用 25-3中所介绍的方法和公式（25-13）(25-23),计算其啮合参数和几何尺寸如下：径向变形系数 式中 jmax最大间隙，jmax=jT+j0 因为，最大扭矩i=100和m=0.8mm。则得所以，即有其径向变形系数为 则得柔轮的最大径向变形量w0为 柔轮的变位系数 刚轮的变位系数 0 柔轮的啮入深度系数 即得柔轮的啮入深度hn为 因啮入深度系数，则可满足传递动力的要求。柔轮齿根圆直径dfg=dg-2m(ha*+c*-xg)选取：和（因模数m1mm）,则得 柔轮内圆直径 柔轮中性圆直径 柔轮齿顶圆直径 由图25-2查得：，代入上式得且应验算下列条件 即 刚轮齿顶圆直径 刚轮齿根圆直径 按25-3中的公式（25-22a）和（25-22b）可得 制造中心距 插齿刀齿顶圆直径则得 mm 再按公式（25-23）检验径向间隙 即 上述验算结果表明：柔轮与刚轮不会产生齿顶干涉。7、选取波发生器的结构型式和计算其几何尺寸 根据该谐波机构的传动性能要求：传动精度高、承载能力大、传动效率高和输入转速较高以及制造精确等，现选用凸轮式波发生器。该波发生器的凸轮轮廓系选取标准椭圆的。其凸轮轮廓线方程为公式（24-31） 式中 从长轴开始的转角； a凸轮椭圆的长半轴 柔性轴承的最大总径向间隙，=0.066mm；柔性轴承内径d=120mm; b凸轮椭圆的短半轴 8、计算柔性轴承的几何参数和寿命根据柔轮内径dr=159.65mm,按表24-1可得其柔性轴承的几何参数为轴承外径 D=160mm轴承内径 d=120mm径向间隙 =0.0200.046mm钢球直径 d=14.228mm钢球数目 z=21轴承宽度 B=24mm按照24-3中的有关公式，可得轴承外圈滚道直径 轴承内圈滚道直径 轴承内、外圈厚度 9、柔轮的疲劳强度验算 按公式（26-21）验算柔轮的疲劳强度，即 式中 现选取：正应力幅按公式（26-26）计算，即 选取系数和柔轮材料的弹性模量,则得 平均应力 剪切应力幅和平均剪切应力幅为 式中，剪切应力按公式（26-27）计算，即 选取Cr=0.478,且有柔轮的计算长度为 则得 由扭矩产生的剪切应力按公式（26-28）计算 选取系数Kpr=1.6,且知：Tg=800Nm，则得 所以 已知：柔轮材料的玩去疲劳极限为和剪切疲劳极限为，则可得 和 所以 可见，柔轮满足疲劳强度条件。再按公式（26-29）计算柔轮的承载能力，即式中 TgTg=800Nm柔轮的额定扭矩。10、谐波齿轮机构的传动效率计算按表27-1中的公式（3）计算其传动效率，即 先计算损失系数 按公式（27-25）计算系数 取 。已知：，即得 则得损失系数为 所以，该谐波机构的效率为 可见，该谐波齿轮减速器的传动效率较高，满足设计要求。谐波减速器的装配图如图3-3. 图3-3 谐波减速器装配图3.3.2 轴上的键校核1、与联轴器配合的的键：与联轴器配合的轴的尺寸为10mm，材料为45号钢，其上有开有2 6的普通平键A 型的键槽。工作时由此键传递转矩，对其进行强度校核：=式中， 键连接时工作表面的挤压应力，MPa；T转矩，N m m；d 轴的直径，mm；l键的接触长度，mm;K键与轮毂的接触高度，mm；许用挤压应力，MPa。带入数据计算得：=33.333MPa200MPa，故满足设计要求。2、与齿轮1 配合的键：与齿轮配合的普通平键键的尺寸为39。对其校核=8.23MPa200MPa，故满足设计要求。3.3.3大臂中齿轮的设计机构中的齿轮是开式齿轮，设计过程如下：（1）选择材料和热处理方式：为了使机构的机构紧凑，齿轮的传动比为1：1.26，小齿轮的材料选用40Cr，大齿轮选用45，表面调质处理，硬度HBS217-255。 得 630MPa。（2）许用应力计算：=式中， 许用弯曲应力； 齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值； Y 抗弯强度计算的寿命系数；Y相对齿根圆角敏感系数；Y相对表面状况系数；Y 抗弯强度计算的尺寸系数；S F min 弯曲强度最小安全系查图表计算各参数值： 630MPa，Y 2.5， Y 1，Y 0.9，Y X 1.0， S F min 1.25。计算得：=1134MPa（3）计算齿轮上的作用力：分度圆上的圆周力为：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44N（4）按弯曲疲劳强度计算：m12.6式中，m齿轮模数；K载荷系数；T1 齿轮传递的额定转矩；Y 复合齿形系数；齿宽系数；z齿数；许用弯曲应力。查图表计算各参数值，K=1.4，T180N m g ,Y FS 3.73，10， z 19，1134MPa，计算得：m12.6=12.6考虑传动形式为开式，应增大齿轮得模数，标准化后选择齿轮的模数为m=2 精度为6级。（5）计算弯曲应力：=式中， 计算弯曲应力；F t 分度圆上圆周力；b齿宽；m模数；K使用系数；K 动载荷系数；K齿向载荷分布系数；K齿间载荷分布系数；Y 复合齿形系数；Y 抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数。查图表计算各参数值： F t 111.11N，b=11，m=2, K=1, K 1.05， K1.394，K1.1， Y 3.73，Y0.75。带入公式计算得：= =22.75MPa,符合设计的要求。（6）计算齿轮的主要几何尺寸： d=mz=219=38.00mmd= d+2m=38+22=42.00mmd=d-2.5m=38-2.52=33.00mma=1/2( d+d)=1/2(38+48)=43小齿轮的零件图如3-4所示 图3-4 小齿轮零件图大齿轮的设计计算与上同，符合设计要求。3.3.4 轴的设计此轴是大臂中重要的零件，其上布置有主动齿轮和支撑的轴承。其结构尺寸要满足弯曲和扭转的要求。a)轴的材料选45钢，调质处理硬度HBS217-255。其机械性能查表，得，=650MPa，360 MPa，270 MPa， 155 MPa，许用疲劳应力 190MPa。b)、轴上力的计算：齿轮上的径向力、圆周力为：F=F= Ftan=111.11tan20=40.44NN1 = N 2=36.75N ，阻力矩2 M 1 =M2 = 0.5N m，重力N 3 =20 N m，主动力矩M 0 =1N m。计算作用于轴水平=面上的力，由力学知识可得：R=53.90NR=57.21N计算作用于轴的竖直面上的力，由力学知识可得：R=6.98NR=N计算弯矩， M=36.7526.8-2013.4-40.4413=0.187NmM=2013.4+40.4413.8-36.7526.8=0.160Nm齿轮处：M=36.7513.8-36.7513-200.4=0.021Nm计算扭矩：T=T=T=0.5Nm计算当量弯矩，M=A 点处：M(A)=0.354Nm齿轮作用集中处： M(F)=0.301NmB 点处：M(B)= =0.340Nmc)、轴的尺寸计算：按许用弯曲应力计算轴颈：d=10=2.650mm考虑轴的结构及轴上零件的定位，取轴颈为 dmin =10mmd)、校核轴的强度：齿轮作用处的当量弯矩最大，对其进行强度校核：=4.328MPa S ，故该轴截面是安全得的。轴的零图如3-4所示：图3-4 轴的零件图3.3.5 轴上的轴承的选取及校核由设计计算可得两处支撑力不大，有一定的轴向力，因此选择深沟球轴承，型号为6002，采用ZL-1 通用锂基润滑脂润滑。其基本额定动载荷 C r 5.58KN，基本额定静载荷C0r2.85KN。预期使用寿命L h 10000h。对轴承受力分析计算：F=F=因B轴承的径向力较大，故只需对B轴承进行校合因其所受的轴向力相对径向力很小，故只需考虑径向力对轴承的影响。轴承的当量动载荷：P=XF+XF=157.52=57.52N寿命计算：L=式中， L 10h基本额定寿命；C基本额定动载荷；P当量动载荷；f t 温度系数；n转速；寿命指数。带入数据计算，得：L=15976h大于10000h，满足设计要求。额定静载荷校核计算：C式中， C 额定静载荷；S 安全系数； P 当量动载荷。C=2.85kN, 满足设计要求。其它轴承照此计算符合要求。4 机械手的plc控制4.1 PLC控制系统设计的基本原则与步骤 4.1.1 PLC控制系统设计的基本原则 在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： n 最大限度地满足控制要求 充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。n 保证系统的安全可靠 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。n 力求简单、经济、使用与维修方便 在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。n 适应发展的需要 适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。4.1.2 PLC控制系统设计的步骤 1）分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。2）确定输入输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3）选择PLC PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。5）程序设计程序设计：1.控制程序；2.初始化程序；3.检测、故障诊断和显示等程序；4.保护和连锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。6）硬件实施设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之。间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查；由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短7）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。8）整理和编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。本课题选用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的产品。三菱公司的可编程控制器分为F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、FX1N和FX q2N几个系列。其系统配置灵活多便，它具有各种点数及各种输出类型（继电器、晶体管、晶闸管）的扩展单元及扩展模块，要与基本单元自由混合配置，使系统有极高的灵活程度。FX的应用领域包括：通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械 。 多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，不必投入很多费用。FX可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足本课题的需要。 4.2 机械手的基本参数机器人是一种最先进的数控系统, 是实现柔性自动化中最典型的机电一体化装置。机器人主要由控制箱和机械手两大部分组成, 通过对控制器进行编程控制, 由光电闭环伺服回路引导机械手末端手爪, 可以实现手爪对体的抓取和释放。该机器人是关节型的机器人, 结构简单, 且全部采用开放式结构。机械手具有5个自由度, 皆由步进电动机驱动。我们采用新的控制器( PLC) , 同时编制控制程序, 从而实现起功能。由5个电机控制的机械手,如图4-1所示，可使手爪在其工作范围内运动到达任意位置。手爪位置矢量r0 可由机械手的各臂的长度和各关节的角度计算出来。被抓取的物体的位置矢量r2 可以表示为:r2 = r0 (1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) + r1 (x ,y ,z , l)其中;n ( n = 1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 为第n 个关节的角;x ,y ,z 为手爪的方位坐标; l 为手爪到目标位置的距离。原始数据：S轴360度回转，L轴左右摆动，U轴上下摆动，R轴回转，B轴上下摆动。技术要求：1）总臂长度小于500mm 2）电机功率小于100w 3）L轴小于350mm 4）R轴小于250mm系统工作时, 各光电编码器输出一系列与电动机转动角度信号相对应的脉冲信号, 经过转换电路将序列脉冲电压信号转换为PLC可以接收的开关信号, 在PLC 内部经过计数器计数后得到每一个电机实际的转角信号, 运行PLC控制程序, 获得所需输出, 再通过外电路由PLC 的输出信号来控制电动机正反转的启动及停止, 以实现规定的机械手的动作。4.3 机械手的控制器根据机器人机械手控制的特点, 我们采用了日本三菱公司生产的可编程序控制器作为机器人的控制器, 这种控制器具有40个输入点、40个输出点。满足机械手5个步进电机位置测量及控制的要求。系统控制的电路如图4-2 所示。包括4 部分: 光电编码器、输入接口电路、PLC、输出接口电路。位置检测与输入接口电路位置反馈信号是通过光电编码器而得到, 每个步进电机输出轴上都装有光电编码器, 通过它实现光电脉冲转换及对电机的转角和转速进行检测, 光电编码器主要是由控制电路板、红外光电耦合器及遮光盘组成, 红外光电耦合器为塑封双列直插式结构, 固定于槽形框内, 遮光盘固定在电机转轴上, 遮光盘为5孔均匀圆周分布的金属盘。光电编码器原理电路图如图4-2 所示。其中, R3 用于调节发光二极管的工作电流,以保证发光二极管发出的红外光具有足够的强度。R1、R2 用于调节A、B 相的光敏接收管的工作电流,以确保光耦合器件正常工作。当总线通电时, 光电耦合器的发光二极管发出不可见红外线光, 通过旋转的遮光盘的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件两端由截止变为导通, 两端电压发生相应变化, 从A、B 输出脉冲信号。光电码盘旋转一周产生6 个相位差为30。的A、B 两相6 个脉冲。正、反向测速A、B 两相脉冲波形如图4-3 所示。从A、B 输出的脉冲信号为电平信号, 不能直接连接到PLC 的输入端。还要经过转换电路将电平信号转换成开关信号, 再送入PLC 输入端。图2 中IC、R4、T1 就是为此而设计的计数接口电路。IC 是一个异或门, 将两路脉冲信号合成一路信号。西门子PLC 有高速一相一输入计数器, 本文用到的计数器为C235C240 , 其相应计数输入端为X0X5。4.4 控制软件设计利用PLC 对机械手进行控制, 需要将手爪的运动控制转化为对机械手的直流伺服电机的控制。为了使手爪准确到达所要求的位置, 需要精确计算出每个电机所应转的角度, 即根据手爪在运动空间的初始位置和目标位置计算出在空间坐标系中的相对运动量, 并将其换算成PLC 控制的内部指令。各关节运动如图4-1 所示。电机2、3、4 控制的关节始终在同一平面内转动, 而电机1 所控制的关节始终在关节2、3、4 所处的垂直平面内转动, 电机5 控制手腕的转动。 PLC 内部应用程序运行后, 首先, 腰部电动机M1根据PLC 指令开始运转, 相应计数器进行计数, 计数器计满数据后, PLC 输出控制指令, 使M1 停止转动,同时启动M2、M3、M4、M5 一起动作, M2、M3、M4、M5 转动到位后均停止转动, 手爪抓住物体后, 电机M2、M3、M4、M5 重新运转, 将物体提高至某一高度后停止, 然后启动电机M1 转动至预定位置后, M2、M3、M4、M5 动作放下手爪, 而后M2、M3、M4、M5 动作回位, 机械手回到起始位置。设计程序是通过PLC 的内部计数器来对电动机进行控制。电动机转动时, 光电编码器输出与电机转速成一定比例的脉冲频率。PLC 的内部通用计数器的计数频率小于10Hz , 输入脉冲信号的频率远大于这一频率, 因而必须使用PLC 内部的高速计数器。PLC 高速计数器的输入端是固定的, 高速计数器采用中断处理方式的计数方式, 与PLC 的内部频率无关。采用的高速计数器是C235、C236、C237、C238、C239,对应的计数输入端是X0、X1、X2、X3、X4、。因为各个高速计数器的计数输入固定, 所以输入端口被占用后, 另外的计数器就不能使用。因而无论电动机的正反转都采用同一个计数器, 这就产生了一个问题,即每次计数前, 计数器都要清零, 这就会影响前一个过程已经计数过的计数器的输出动作。于是我们就采用了一个辅助继电器来控制输出, 这样不会影响前一个流程已经有输出的计数器。计数器输入为X0X5 , 高速计数器自动读取相应输入端的数值, 在程序里面不需要对其编程, 只需对计数