基于单片微机控制的机械手设计.doc

1 47 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 2 47 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 44 44 参考文献参考文献 45 45 1 47 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 2 47 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 3 47 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 4 47 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 300mm 300mm 300mm 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 300mm 300mm 300mm 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 5 47 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 2 1 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 05 1 1 0 12 3 0 01 0 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 6 47 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 7 47 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 8 47 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 3 1 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 m g 0 1kg 10N kg 1N 9 47 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 2 30 cos30 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 QCJ2B10 50 型双作用微型气缸 气缸的各项参数如表 3 2 所示 表 3 2 QCJ2B10 50 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 sM5 0 8 气缸安装尺寸如图 3 2 所示 10 47 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 75N 30N 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 11 47 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 m g 0 1kg 10N 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 12 47 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 0006MPa P 7 5MPa 可知耐磨性条件满足使用要求 校核螺旋副是否满足自锁条件 1 许用螺纹升角为 arctan arctan0 35 19 65 V V f 实际螺纹升角为 3 arctan 15 95 10 5 可知螺旋副满足自锁条件 螺母螺纹牙的强度校核 1 螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 F Dbu 设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为 0 65 FF DbuDPu 5 0 0137 3 14 12 0 65 3 5 MPa 查得许用剪切应力为 120MPa 0 0137MPa 120MPa 因此 螺纹牙危险截面 满足剪切强度条件 螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为 1 2 6 bb Fl Db u 设计的螺纹牙危险截面的弯曲应力为 0 078MPa 2 12 5 10 5 6 5 6 2 3 14 12 5 0 65 3 5 b Fl Db u 查得许用弯曲应力为 150MPa 0 078MPa 250MPa 因此 螺纹牙危险截面 满足弯曲强度条件 3 2 2 水平运水平运动动步步进电进电机的机的选择选择 由图 3 4 可知 1 5 1 5 2 coscos15 95 y uGN FN B 13 47 要驱动丝杠 电机转矩的最小值近似为 2 10 5 5 227 3 22 y D WFNNmm 出于安全考虑 所选步进电机转矩的最小值应大于 30 N mm 根据机械手上电机安装空间及转矩 步距角要求 选用混合式步进电机 初步确定型号为 42BYG017 电机参数如下表所示 表 3 4 42BYG017 步进电机性能参数 电压电流电阻 最大静力矩定位力矩转动惯量重量 VA N mmN mm g 2 cm kg 6 30 421514015200 2 其他参数 步距角为 1 8 环境温度为 25 40 温升 85K 此电机与水平运动丝杠通过减速比为 2 的齿轮连接 由此可知水平运动精 度为 1 8 20 9 30 0075 360360 lPmmmm 0 0075mm 0 1mm 水平运动精度符合要求 因此可以认为水平运动步进电 机的选择是合理的 因丝杠螺母机构具有自锁功能 因此 只要步进电机的静力矩大于 30N mm 就能满足使用要求 电机要达到的最大转速为 20 60 min 400 mm Vr mm r m i n 3 电机安装尺寸如下页图 3 5 所示 14 47 图 3 5 42BYG017 步进电机安装尺寸图 3 3 竖竖直运直运动动机构力学参数机构力学参数计计算算 3 3 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 运动箱体的竖直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 20mm 初定螺母工作高度为 H 25mm 梯形螺纹基本尺寸见下表 表 3 5 竖直运动梯形螺纹基本尺寸 GB T5796 3 1986 4 公称直径螺距 粗牙 中径大径小径 dP 22 dD 4 D 3 D 1 d 2041820 515 516 前面的设计已假设执行部件的总重量为 500g 竖直丝杠要承载的重量包括 水平丝杠 水平导向杆 箱体和水平限位块 其总重量初步定为 2000g 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 螺母的工作高度为 H 25mm 则螺纹工作圈数为 则每 25 5 5 4 Hmm n Pmm 圈螺纹的承载重量为 2000g 5 5 363 7g 每圈螺纹受重力为 G m g 0 3637kg 10N kg 3 7N 查表得滑动螺旋副材料为钢螺杆 青铜螺母 许用压力 p 7 5MPa 中径 系数 2 25 1 39 18 Hmm dmm 耐磨性校核 1 丝杠轴向力 3 7 x FGN 15 47 实际压力为 2 3 74 0 0026 3 14 18425 x F PNmm pMPa d hHmmmmmm 查表得许用压力 P 7 5MPa P 0 0026MPa P 7 5Mpa 可知耐磨性条件满足使用要求 校核螺旋副是否满足自锁条件 1 许用螺纹升角为 arctan arctan0 35 19 65 V V f 实际螺纹升角为 可知螺旋副满足自锁条件 4 arctan 12 53 18 螺母螺纹牙的强度校核 1 螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 F Dbu 设计的螺纹牙危险截面的剪切应力为 0 65 FF DbuDPu 20 0 024 3 14 20 0 65 4 5 5 MPa 查得许用剪切应力为 120MPa 0 024MPa 120MPa 因此 螺纹牙危险截面 满足剪切强度条件 螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为 1 2 6 bb Fl Db u 设计的螺纹牙危险截面的弯曲应 力为 2 20 5 18 6 20 6 2 3 14 20 5 0 65 4 5 5 b Fl Db u 0 163MPa 查得许用弯曲应力为 150MPa 0 163MPa 150MPa 因此 螺纹 牙危险截面满足弯曲强度条件 3 3 2 竖竖直运直运动动步步进电进电机的机的选选型型 竖直螺纹连接受力分析如右图所示 图 3 6 竖直螺纹连接受力分析图 已知 则由图可知 20 G FN 2 20 92 2 sinsin12 53 G FN FN 16 47 2 92 2 94 5 coscos12 53 M FN FN 竖直运动丝杠与步进电机通过减速比为 2 的齿轮副连接 电机转矩的最小 值近似为 根据机械手上电机安装空间及 2 18 94 5425 5 2 22 2 M D WFNNmm 转矩 步距角要求 初步选用混合式步进电机 型号 42BYG504 电机参数如下 表所示 表 3 6 42BYG504 步进电机性能参数 电压电流电阻 最大静力矩定位力矩转动惯量重量 VA N mmN mm g 2 cm kg 121 2101100150800 8 其他参数 步距角为 1 8 环境温度为 25 40 温升 85K 此电机与竖直运动丝杠通过减速比为 2 的齿轮副连接 由此可知竖直运动 精度为 1 8 20 9 40 01 360360 lPmmmm 竖直运动精度为 0 01mm 0 1mm 符合运动精度要求 因此可以认为竖直运 动步进电机的选择是合理的 因丝杠螺母机构具有自锁功能 因此 只要步进电机的静力矩大于 850N mm 就能满足使用要求 由此可知 步进电机 42BYG504 可以满足使用要求 电机安装尺寸同 42BYG017 但尺寸 L 比电机 42BYG017 的要大的多 电机要达到的最大转速为 则丝杠的最大转 20 60 min 300 4 mm Vr mm r m i n 速为 150r min 3 4 转盘转盘运运动动机构机构动动力学参数力学参数计计算算 根据上面所做的设计 可以推知转盘以及转盘以上的部件总重量 2zxMqt MMMM 其中 2000g 为箱体及水平运动部件的重量 800g 为竖直运动 x M 2M M 步进电机的重量 为其他部件重量 比如上盖板 竖直运动丝杠 导向杆 qt M 17 47 转盘等部件重量之和 5000g z M 前面的设计已确定转盘的转速为 0 02m s 20mm s 由此可知转盘运动部件的 转动惯量 参见设计装配图 我们可以看到 虽然水平运动是悬臂结构 但 M1 电机距 离支撑杆距离很近 结构刚度较好 因此转盘运动部件可以近似地认为是直杆 L 350mm 转动惯量为 22 2 350 551042 1212 Z L Jmkgmm 转盘的转轴与步进电机通过减速比为 2 的齿轮副连接 步进电机转动惯量 的最小值近似为 2 2 51 042 260 22 Z M Jgcm Jgcm 考虑安全系数以及传动中的能量损失 根据机械手上电机安装空间及转矩 步距角要求 初步选用混合式步进电机 型号 57BYGH803 电机参数如下表示 表 3 7 57BYGH803 步进电机性能参数 电压电流电阻 最大静力矩转动惯量重量 VA N mm g 2 cm kg 121 54 214004401 1 其他参数 步距角为 1 8 环境温度为 25 40 转盘运动精度为 0 9 则末端执行部件的精度为 0 1mm 符合精度要求 因此可以认为转盘运动步进电机的 0 9 300 075 360 mm 选择是合理的 步进电机安装尺寸如图 3 7 所示 18 47 图 3 7 57BYGH803 步进电机安装尺寸图 19 47 第四章第四章 运动学设计运动学设计 4 1 手爪部件及水平运手爪部件及水平运动动部件的部件的设计设计 4 1 1 手爪部件的手爪部件的设计设计与校核与校核 如图 4 1 所示 连接铰链 1 与气缸的活塞杆连接 铰链 2 是自由的 转轴 3 的轴心固定在水平运动部件上 手爪与工件接触的部分有防滑橡胶 4 增大摩 擦阻力 夹持部件采用铝合金材料经机械加工制成 装配时通过螺钉与杆件连接 这样的设计降低了加工成本 同时又减轻了结构重量 铝合金材料选用铸造铝 合金 ZAlSi7Mg 该铝合金的特性如表 4 1 所示 图 4 1 手爪部件设计图 表 4 1 铸造铝合金 ZAlSi7Mg 的特性 主要化学成分 力学性能 特性和用途 牌号 SiMgAl MPa b s HBS ZAlSi7M g 6 5 7 50 25 0 45余量155250 耐蚀性 铸造性能好 易 气焊 用于制作形状复杂 的零件 在海水中使用 时 铜含量 0 1 20 47 因本设计中的机械手夹持工件重量较小 手爪夹持部受力较小 因此该材 料的力学性能能够满足使用要求 为减轻重量以及降低成本 杆件都采用不锈钢薄板冲压成形 不锈钢型号 选用 1Cr18Ni9Ti 钢板厚度均为 1mm 其他尺寸如图4 1 所示 4 1 2 水平运水平运动动部件的部件的设计设计与校核与校核 水平运动部件包括水平运动丝杠 螺母和水平导向杆等 水平运动丝杠设计如图 4 2 所示 图 4 2 水平运动丝杠设计图 图中 轴段 B K 均是轴承安装轴段 轴段 D 处安装齿轮 轴段 C 为卡环 安装部位 卡环与右侧的轴肩为齿轮提供轴向定位 轴段 H 为丝杠段 长度为 135mm 因此可知水平运动部件的最大运动范围为 135mm 因为机械手每次使 用之前都要回参考点 因此 实际运动范围必须小于 135mm 现确定实际运动 范围为 130mm 因为箱体由 2mm 厚不锈钢板 A 经板金弯折而成 为便于水平丝杠及其支撑 轴承的安装 在箱体上焊接轴承座 M 轴承装在上面 为保证传动精度 制造 过程中先将轴承座 M 的毛坯与箱体焊接在一起 再加工组件 在运动箱体和水平定位块上都应有相应的定位装置 因机械手的控制是通 过单片机系统来完成的 所以定位装置要提供一定的电流给控制系统 选用光 电开关作为定位装置 21 47 光电开关型号选用 EE SPX740 通过螺钉安装在水平定位板上 EE SPX740 光电开关的技术参数及安装尺寸如下所示 表 4 2 EE SPX740 光电开关技术参数表 检测距离标准检测物体误差距离应答频率电源电压耐冲击 3 6mm不透明 1 0 5mm 以上小于 0 05mm 1KHzDC5 24V 10 500 2 m s 图 4 3 EE SPX740 光电开关安装尺寸图 光电开关要与控制系统进行连接 因此需要知道光电开关的接线图 为连接电晶体回路时的电压输出 图 4 4 EE SPX740 光电开关接线图 为保证导向杆的导向精度 以及提高机械手的可维护性 将一对青铜导向 套通过螺钉固定在铝合金材料的水平运动板上 这样 如果长期使用导致导向 22 47 套磨损 可以较容易地进行更换 两水平导向杆末端都加工有螺纹 通过六角 螺母将水平导向杆与水平限位板连接 便于安装 拆卸 并且便于调节轴向距 离 1 水平限位板 2 青铜导套 I 3 水平导杆 I 4 青铜螺母 5 水平丝杠 6 青铜导套 II 7 水 平导杆 II 8 手爪安装板 图 4 5 水平导向部件说明图 校核水平导向杆的强度及刚度 水平导向杆是悬臂结构 当手爪部件在最外端极限位置时 部件的刚度最 差 校核这种情况下水平导向杆的刚度 包含被夹持工件的末端总重量约为 G 1kg 10N 单根导向杆的重量为 0 065kg 2 233 11 0 008 3 140 1657 85 10 2 dd GVmmkg m 两根导向杆与手爪部件的载荷分析如图 4 6 所示 图 4 6 水平运动部件载荷分布图 可知近似认为部件的重心在 O 处 即图形的几何中心处 而两导向杆对于 23 47 重心成对称分布 因此可以认为重物的重量平均分担在 2 根导向杆上 即 而导向同时还受到自身重力的作用 因此 水平导向杆的 12 5 2 dd G FFN 总挠度可以认为是重物所造成的挠度与导向杆自身重力造成挠度的叠加 计算重物所造成的挠度 2 图 4 7 水平导向杆受力及剪力 弯矩图 1 图 4 8 水平导向杆受力及剪力 弯矩图 2 其中 为重物所造成的挠度 E 为导向杆材料的弹性模量 3 1 3 B Fl W EI 1B W 查表得 E 210GPa l 为导向杆长度 l 165mm 0 165m F 5N I 为杆件的截 面极惯性矩 实心圆柱弯曲时的 可知挠度 44 10 3 14 0 008 2 01 10 6464 d I 为 33 5 1 910 5 0 165 1 77 100 017 33 210 102 01 10 B Fl Wmmm EI 计算水平导向杆自重所造成的挠度 2 其中 为水平导向杆自重所造成的挠度 实际载荷为均布 4 2 8 B ql W EI 2B W 载荷 q E 为导向杆材料的 2 233 0 008 3 147 85 10 0 39 4 qAmkg mkg m 弹性模量 查表得 E 210GPa l 为导向杆长度 l 165mm 0 165m F 5N I 为杆件的截面极惯性矩 实心圆柱弯曲时的 44 10 3 14 0 008 2 01 10 6464 d I 可知挠度为 2B W 44 74 2 910 0 39 0 165 8 56 108 56 10 88 210 102 01 10 B ql Wmmm EI 24 47 可知水平导向杆的总挠度为 12 0 0170 0008560 017856 BBB WWWmmmmmm 手册规定的导轨许用挠度为 0 05mm 0 017856mm 0 05mm 因此导向杆 10 刚度合格 水平导向套的设计 水平导向套尺寸见图 4 9 内壁尺寸为 水平导向套与导向杆有相对运动 因此要选用间隙配合 8mm 这个间隙配合需要较高的精度 同时又考虑要提高加工经济性 配合选用间隙 配合mm 内壁需要很小的表面粗糙度 选用表面粗糙度 外 7 8 6 H g 1 6Ram 壁尺寸为 因水平导向套与水平运动部件的配合不需要高的精度 主要15mm 考虑要提高加工经济性和拆卸维护方便 配合选用间隙配合mm 外壁对 8 15 7 H f 表面粗糙度无过多要求 选用表面粗糙度 其他未标注表面3 2Ram 如图 4 9 所示 12 5Ram 图 4 9 水平导向套尺寸图 4 2 竖竖直运直运动动部件的部件的设计设计 竖直运动部件包括竖直运动丝杠 螺母 竖直导向杆等 因为箱体及水平 运动部件的重量由竖直运动螺纹牙承担 在螺纹的设计中已做过校核 因此 认为盖板及步进电机的重量由两根支撑杆承担 要校核支撑杆的强度和压杆稳 定性 支撑杆的材料为 45 钢 查阅资料得 45 钢的材料力学性能 2 表 4 3 45 钢的材料力学性能 屈服强度抗拉强度断面收缩率弹性模量 25 47 s MPa b MPa s E GPa 35359816200 支撑杆的强度校核 盖板及其上面的步进电机的总重量为 1 6kg 实际应力为 2 1 6 10 0 11 0 01 3 14 2 2 g z G MPa S 20000h 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 5 4 所示 表 5 4 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 31 47 计算系数e 0 35 续表 5 4 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 2kg 32N 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 b h公称长度 l联接类型 传动轴与转盘连接20mm6 610mm较紧联接 竖直运动丝杠与齿轮联接20mm6 66mm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 b h 6 6 键 的有效长度位 l 10mm 根据 GB T 1096 1979 选用 A 型平键 尺寸如图 5 5 所示 33 47 图 5 5 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 5 6mm 3mm 22 22 1 42 8 s TTNmNm 工作长度为 l 10mm 轴径 d 20mm 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 33MPa 120MPa 因此强度安全 此处平键联接的选用是合格的 P 5 3 2 竖竖直运直运动丝动丝杆与杆与齿轮连齿轮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 b h 6 6 受 机构限制 键长 l 6mm 根据 GB T 1096 1979 选用 B 型平键 尺寸如图 5 6 所示 图 5 6 平键尺寸图 2 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 5 6mm 3mm 22 22 1 12 2 s TTNmNm 34 47 工作长度为 l 6mm 轴径 d 20mm 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 2 10 12 2 3 6 20 P T MPa kld 12 2MPa 120MPa 因此强度安全 此处平键联接的选用是合格的 P 5 4 传动齿轮传动齿轮的的设计设计与校核与校核 5 4 1 水平运水平运动传动齿轮动传动齿轮副的副的设计设计与校核与校核 已知工作条件 输出功率 考虑传动过程中的 0 03 400 1 26 95509550 Tn Pw 摩擦等因素造成的功率损失和安全系数 取 P 1 5w 大齿轮转速 400r min 初 定传动比 i 2 则小齿轮转速为 200r min 1 选材料 定等级 小齿轮选用 调质 硬度为 280HBS 40 r C 大齿轮选用 45 钢 调质 硬度为 240HBS 根据工作条件 定为 8 级精度 选小齿轮齿数 则大齿轮齿数 1 29Z 2 29 258Z 2 因齿面为软齿面 故应按齿面接触强度进行设计 按齿根弯曲 强度进行校核 由设计计算公式进行试算 设计计算公式均摘自 机械设计实用 手册 4 表 5 6 齿轮设计过程列表 计算项目计算内容计算结果 1 初步计算 转矩 1 140TN mm A 齿宽系数 d 由表 9 3 11 查取