小型零件装配机械手设计（不含全套CAD图纸）纯论文.pdf

图书分类号 密 级 毕业设计 论文 小型零件装配机械手设计小型零件装配机械手设计 the design of a small part assembly manipulator 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20 年 5 月 27 日 摘要 科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路 而机械手作为一种高科技自动化 生产设备 已经广泛应用于国民经济的各个领域 本文简要介绍了机械手的概念 机械手的组成和分类 机械手的自由度和坐标形式及 国内外的发展状况 本课题设计的小型零件装配机械手 主要包括机械手的总体方案设计 机械手的机械 结构设计以及驱动 控制系统设计等 实现了机械手的三自由度运动 x y 轴的移动以及 x 轴的旋转 设计中选用滚珠丝杠来实现 x y 方向的直线运动 采用步进电机进行驱动 同时采用步进电机实现 x 轴的旋转 机械手直接采用电磁吸盘抓取工件 设计的机械手结 构简单 便于操作 在单片机的控制下 完成预定的装配任务 关键词关键词 机械手 三自由度 滚珠丝杠 单片机 abstract scientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road while the robot as a high tech automated production equipment has been widely used in various fields of national economy at first the paper introduces the conception of the manipulator the composition of the manipulator and its classification the free degree the form of coordinate and the information of the development briefly the mechanical structure design the drive the control system design and so on realize three degrees of freedom movement of the manipulator the x and y axis movement and the x axis rotation the design chooses the ball screw to realize the linear motion in the x and y direction to drive by the stepping motor and realize the x axis rotation with the stepping motor the manipulator grabs workpiece directly by electro magnetic chuch the manipulator has simple structure and it is easy to operate under the control of the processor it complete assembly task by itself keywords manipulator three degrees of freedom ball screw scm i 目 目 录录 摘要 i abstract ii 1 绪论 1 1 1 机械手概述 1 1 1 1 机械手的组成和分类 1 1 1 2 国内外发展状况 4 1 2 本课题研究的主要内容 5 1 3 小型零件装配机械手的功能要求及现实意义 6 1 3 1 小型零件装配机械手的功能要求 6 1 3 2 小型零件装配机械手的现实意义 6 2 机械手总体设计方案 7 2 1 机械手的坐标型式与自由度 7 2 1 1 机械手的坐标型式 7 2 1 2 机械手的自由度 8 2 2 总体设计方案 8 2 2 1 传动行走机构 8 2 2 2 驱动行走机构 9 2 3 机械手的设计参数 10 3 机械手机械系统设计 12 3 1 x 轴结构的设计与选择 12 3 1 1x 轴滚珠丝杆副尺寸选择计算 12 3 1 2 滚动轴承型号选择计算 16 3 1 3 驱动电机的选择计算 17 3 1 4x 轴键的选择计算 18 3 2y 轴结构的设计与选择 19 3 2 1 滚珠丝杠副尺寸选择计算 19 3 2 2 滚动轴承型号选择计算 23 3 2 3 驱动电动机的选择计算 25 3 2 4y 轴键的校核 26 3 2 5 二维工作台底板的选择及校核 27 4 机械手控制系统设计 29 4 1 控制系统的结构分类 29 4 2 控制方式 29 4 3 机械手的控制电路 30 ii 4 3 1 增量式光电编码器辨向电路 30 4 3 2 增量式光电编码器计数电路 31 4 3 3 二相混合式步进电机的控制 31 4 3 4 二相混合式步进电机双极型驱动电路的设计 31 4 3 5 双极型驱动方式脉冲分配器的设计 32 结论 35 致谢 36 参考文献 37 1 1 绪论 1 1 机械手概述 机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 它可以说是机器人的一个 重要分支 它模仿人手的部分动作 按给定程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运或操作 涉及到力学 机械学 电器液压技术 自动控制技术 传感器技术和计算机技术等科学领 域 是一门跨学科综合技术 它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务 在构造 和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人的智能和适应性 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 可以减轻劳动强度 保 证产品质量 实现安全生产 尤其在高温 高压 低温 低压 粉尘 易爆 有毒气体和 放射性等恶劣的环境中 它代替人进行正常的工作 意义更为重大 机械手作业的准确性 和各种环境中完成作业的能力 在国民经济各个领域有着广阔的发展前景 用机械手可以代替人从事单调 重复或繁重的体力劳动 实现生产的机械化和自动化 代替人在有害环境下的手工操作 改善劳动条件 保证人身安全 因此 在现有的机械手 技术基础上设计一台小型零件机械装配机械手有着深远的意义 1 1 1 机械手的组成和分类 1 1 1 1 机械手的组成 机械手主要由执行机构 驱动机构和控制系统位置检测装置等组成 1 执行机构 1 手部 手部安装在手臂的前端 手臂的内孔装有转动轴 可把动作传给手腕 以转动 伸屈 手腕 开闭手指 机械手手部的机构系模仿人的手指 分为无关节 固定关节和自由关节三种 手指的 数量又可以分为二指 三指和四指等 其中以二指用的最多 可以根据夹持对象的形状和 大小配备多种形状和尺寸的夹头 以适应操作需要 本设计所做的机械手采用电磁铁直接吸引 2 手臂 手臂有无关节和有关节手臂之分 本设计所做的机械手的手臂采用无关节臂 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件 并运送到所需要的位置上 为了使机械手能 够正确的工作 手臂的三个自由度都需要精确的定位 本设计所做的机械手在手臂的 x 轴 y 轴移动的定位均采用光电开关控制 以保证定 位的精度 2 机械手的运动离不开直线移动和转动二种 因此 它采用的执行机构主要是直线油缸 摆动油缸 电液脉冲马达 伺服油马达 直流伺服电机和步进电机等 躯干是安装手臂 动力源和执行机构的支架 2 驱动机构 驱动机构主要有四种 液压驱动 气压驱动 电气驱动和机械驱动 其中以液压气动 用的最多 占 90 以上 电动 机械驱动用的较少 液压驱动主要是通过油缸 阀 油泵和油箱等实现传动 它利用油缸 马达加上齿轮 齿条实现直线运动 利用摆动油缸 马达与减速器 油缸与齿条 齿轮或链条 链轮等实 现回转运动 液压驱动的优点是压力高 体积小 出力大 运动平缓 可无级变速 自锁 方便 并能在中间位置停止 缺点是需要配备压力源 系统复杂成本较高 气压驱动所采用的元件为气压缸 气压马达 气阀等 一般采用 4 6 个大气压 个别 的达到 8 10 个大气压 它的优点是气源方便 维护简单 成本低 缺点是出力小 体积 大 由于空气的可压缩性大 很难实现中间位置的停止 只能用于点位控制 而且润滑性 较差 气压系统容易生锈 为了减少停机时产生的冲击 气压系统装有速度控制机构或缓冲机构 电气驱动采用的不多 现在都用三相感应电动机作为动力 用大减速比减速器来驱动 执行机构 直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构 有的采用直线电动机 通用机械手则 考虑用步进电机 直流或交流的伺服电机 变速箱等 电气驱动的优点是动力源简单 维护 使用方便 驱动机构和控制系统可以采用统一 形式的动力 出力比较大 缺点是控制响应速度比较慢 机械驱动只用于固定的场合 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作 它的优点是动作 确实可靠 速度高 成本低 缺点是不易调整 本设计所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的 x 轴 y 轴的移动及 x 轴的旋转 3 控制系统 机械手控制系统的要素 包括工作顺序 到达位置 动作时间和加速度等 控制系统可根据动作的要求 设计采用数字顺序控制 它首先要编制程序加以存储 然后再根据规定的程序 控制机械手进行工作 控制系统是支配机械手按规定的要求运动的系统 目前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 控制系统有电气控制和射流控制两种 它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 3 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 4 位置检测装置 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 1 1 1 2 机械手的分类 目前机械手的种类很多 关于分类的问题在国内尚无统一的分类标准 在此暂按使用 范围 驱动方式和控制系统等进行分类 1 按用途分类 机械手按用途可分为专用机械手和通用机械手两种 1 专用机械手 它是附属于主机的 具有固定程序而无独立控制系统的机械装置 专用机械手具有动 作少 工作对象单一 结构简单 使用可靠和造价低廉等特点 一般适用于大附属 如自 动机床 自动线的上下料机械手和 加工中心 批量自动化生产的自动换刀机械手等 2 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的 程序可变的 动作灵活多样的机械手 在其驱动系统 和性能允许范围内 它的动作程序是可变的 且控制系统是独立的 只需通过一定的调整 可在不同场合使用 通用机械手的工作范围大 定位精度高 通用性强 适用于不断变换 生产品种 中小批量的自动化的生产 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 简易型以 开 关 式控制定位 只能是点位控制 伺服型具有伺服系统定位控制系统 既可以点位控制 也可以实现连续轨迹控制 一般的伺服型通用机械手属于数控类型 2 按驱动方式分 机械手按驱动方式可以分为液压传动 气压传动 机械传动 电力传动四种机械手 1 液压传动机械手 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手 其主要特点是 抓重 可达几百公斤以上 传动平稳 结构紧凑 动作灵敏 但对密封装置要求较为严格 否则 油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响 且不宜在高温 低温下工作 若机械手采用 电液伺服驱动系统 可实现连续轨迹控制 使机械手的通用性扩大 但是电液伺服阀的制 造精度高 油液过滤要求严格 成本高 2 气压传动机械手 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手 其主要特点是 介质来源极为方便 输出力小 气动动作迅速 结构简单 成本低 但是 由于空气具有 可压缩的特性 工作速度的稳定性较差 冲击大 而且气源压力较低 抓重一般在 30 公 4 斤以下 在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大 所以适用于高速 轻载 高温和粉 尘大的环境中进行工作 3 机械传动机械手 机械传动机械手即由机械传动机构 如凸轮 连杆 齿轮和齿条 间歇机构等 驱动的 机械手 它是一种附属于工作主机的专用机械手 其动力是由工作机械传递的 它主要特 点是运动准确可靠 动作频率大 但结构较大 动作程序不可变 因此它常被用于工作主 机的上 下料 4 电力传动机械手 电力传动机械手即由特殊结构的感应电动机 直线电机或功率步进电机直接驱动执行 机构运动的机械手 因为不需要中间的转换机构 故机械结构简单 其中 直线电机机械 手运动速度快 行程长 维护和使用较为方便 但此类机械手目前较少 有着很大的发展 前途 3 按控制方式分类 机械手按控制方式可以分为点位控制和连续轨迹控制两种 1 点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动 只能控制运动过程中几个点的位置 不能控制其 运动轨迹 若欲控制的点数多 则必然增加电气控制系统的复杂性 目前使用的专用和通 用工业机械手均属于此类 2 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线 其特点是设定点为无限的 整个移动过程处于 控制之下 可以实现平稳和准确的运动 并且使用范围广 但电气控制系统复杂 这类工 业机械手一般采用小型计算机进行控制 1 1 2 国内外发展状况 1 1 2 1 国外机器人领域发展趋势 近年来 国外的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 同时 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 有关节模块 连杆模块用重组方式构造的 机器人整机 国外已有模块化装配机器人产品问市 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 大大提高了系统性 易操作性和 可维修性 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 多传感器融合技术在产品化系统 5 中已有成熟应用 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 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统 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 从 1994 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 1 2 2 国内机器人的发展趋势 我国的机器人研究从 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 条自动喷漆生产线上获得规模应用 弧焊机器人己经应用在汽车制造厂的焊装线上 但总 的来看 我国的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 我国己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 模块化设计 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 6000m 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 2 本课题研究的主要内容 本课题主要阐述了机械手的基本组成及国内外机械手发展的现状 研究了装配机械手 的功能要求和现实意义 通过对机械手工作原理的学习和了解 熟悉了机械手的运动机理 在现有机械手技术基础上 确定了小型零件装配机械手的基本系统结构 对机械手的运动 进行了简单的力学模型分析 完成了机械手传动部分 执行系统 驱动系统等系统的相关 6 设计 并对机械手的控制技术进行了一定的设计 1 3 小型零件装配机械手的功能要求及现实意义 1 3 1 小型零件装配机械手的功能要求 本设计的机械手是一台小型零件装配机械手 实现三自由度运动 完成物件的搬运装 配工作 1 3 2 小型零件装配机械手的现实意义 科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路 而机械手作为一种高科技自动化 生产设备 已经广泛应用于国民经济的各个领域 应用装配机械手可以提高生产的自动化 水平和劳动生产率 可以减轻劳动强度 保证质量 实现安全生产 尤其在高温 高压 低温 低压 粉尘 易爆 有毒气体和放射性等恶劣环境中装配机械手替代人进行正常的 工作意义更大 7 2 机械手总体设计方案 对于装配类机械手的基本要求是能快速 准确地拾取 搬运 放置物件 这就要求具 有较高的精度 快速反应 一定的承载能力 足够的工作空间和灵活的自由度及自动定位 等特性 设计机械手的原则是 充分分析作业对象和环境 明确工作的结构形状和材料特 性 定位精度要求 抓取 搬运时的受力特性 尺寸和质量参数等 从而进一步确定对机 械手结构及运行控制的要求 尽量选用定型的标准组件 简化设计制造过程 兼顾通用性 和专用性 并能实现柔性转换和编程控制 本次设计的机械手是一台小型零件装配机械手 通过 x 轴 y 轴的移动及 x 轴的旋转 实现零件的拾取 搬运 装配 2 1 机械手的坐标型式与自由度 2 1 1 机械手的坐标型式 机械手的坐标型式主要有直角坐标结构 圆柱坐标结构 球坐标结构和关节型结构四 种 各结构型式及其相应的特点 分别介绍如下 1 直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的 如图 2 1 a 所 示 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制 所以直角坐标机械手有可能达到很高的位 置精度 m 级 但是 这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲是比 较小的 因此 为了实现一定的运动空间 直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型机械 手结构尺寸大得多 直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体 主要用于装配作业及搬 运作业 一般有悬臂式 龙门式和天车式三种结构 2 圆柱坐标机械手结构 圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的 如图 2 1 b 所示 这种机械手构造比较简单 成本低廉 精度还可以 常用于搬运作业 其工作空间 是一个圆柱状的空间 3 球坐标机械手结构 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的 如图 2 1 c 所示 这种机械手结构简单 成本较低 但精度不是很高 主要应用于搬运作业 其工作 空间是一个类球形的空间 4 关节型机械手结构 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的 如图 2 1 d 所示 关节型机械手 动作灵活 结构紧凑 占地面积小 相对机械手本体尺寸 其工作空间比较大 此种机器 人在工业中应用十分广泛 如焊接 喷漆 搬运 装配等作业 都广泛采用这种类型的机 器人 一般有水平关节型和垂直关节型两种 8 图 2 1 四种机械手坐标型式 本设计是设计一台小型零件装配机械手 要求实现三自由度运动 为满足设计要求 综合考虑上述四种坐标型式机械手的不同特点 最终选用直角坐标型机械手结构 2 1 2 机械手的自由度 结合直角坐标型机械手的特点 所设计的小型零件装配机械手具有相应的三个自由 度 x 轴的移动 y 轴的移动及 x 轴的回转 2 2 总体设计方案 三自由度装配机械手的传动机构及驱动系统设计主要是针对传动行走机构 驱动系 统 控制方式的设计 2 2 1 传动行走机构 直角坐标型机械手的传动主要是直线传动 直线传动的方式主要有齿轮齿条传动 链 传动 丝杠传动 直线电机传动等 其中齿轮齿条传动主要适用于重载荷 长行程的传动机构 且齿轮齿条传动工作噪声 大 普通的齿轮齿条传动很难达到高精度的定位 而机械手在装配的过程中行程不是很大 在运行中需要有很高的定位精度 因此选择齿轮齿条并不合适 链传动的优点是没有滑动 工况相同时传动尺寸比较紧凑 不需要很大的张力 作用在轴上的载荷小 效率较高 可 达到 98 但是它只能用于平行轴之间的传动 瞬间速度不均匀 高速运转时不平稳 不 宜在载荷变化的传动中应用 工作时有噪声 丝杠传动刚性较好 可以传动较大的扭力 位置准确 丝杠传动方式主要有梯形丝杠传动 滚珠丝杠传动 滑动丝杠传动等 其中梯 形丝杠的传动效率不高 轴向间隙不容易去除 滑动丝杠丝杠传动效率低 摩擦损失大 寿命没有滚珠丝杠长 工业应用中重要的是采用可靠的机械机构 简单的控制结构和算法 并易于维护 经济性好 在这方面 滚珠丝杠具有其他丝杠传动方式不可比拟的优势 直 线电机传动中直线电机的优点是直线驱动 无传动链 无磨损 无反向间隙 所以能达到 最佳的定位精度 直线电机具有较高的动态性 加速度可超过 2g 采用直线电机还具有可 靠性高 免维护等特点 进给速度宽 可从 1m s 到 20m min 以上 目前加工中心的速度 已达到 208m min 但是 直线电机直接驱动也存在一些缺点 如效率低 功耗大 结构尺 寸和自重也相对较大 工作过程温度升高 要强冷却造价很高 虽然直线电机具有很多优 9 点 但是就本设计而言 三维传动距离不大 速度要求也不高 因此如果应用直线电机 则性价比不高 经济性也不高 综合以上的对比选择滚珠丝杠是最合适的 滚珠丝杠是丝杠和螺母间以滚珠为滚动体的螺旋传动副 它可以将旋转变为直线运 动 或相反 对于本设计是实现二维传动 即 x y 轴的直线传动 如图所示 图 2 2 x 轴视图 图 2 3 俯视图 2 2 2 驱动行走机构 机械手的驱动方式有液压式 气动式和电动式 液压容易达到较高的压力 体积较小可以获得较大的推力或扭矩 工作平稳可靠 但 是它的不足之处是油液的粘度随温度变化而变化 影响工作性能 液体的泄露难以克服 要求液压元件有较高的精度和质量 造价高 液压驱动方式的输出力和功率更大 能构成 伺服机构 常用于大型机器人关节的驱动 10 气压驱动与液压驱动相比 气压驱动的特点是压缩空气粘度小 容易达到高速 气动 元件工作压力低 故制造要求比液压元件低 它的不足之处是压缩空气常用压力为 0 4 0 6mpa 若要获得较大的力 其结构就要相对增大 空气压缩性大 工作稳定差 多 用于开关控制和顺序控制的机器人 考虑到三维传动的稳定性 本设计不选用气动方式驱 动 电动机驱动可分为普通交流电动机驱动 交 直流伺服电动机和步进电机驱动 普通 交 直流电动机驱动需加减速装置 输出力矩大 但控制性能差 惯性大 适用于中型或 重型机械手 伺服电机和步进电机输出力矩相对小 控制性能好 可实现速度和位置的精 确控制 适用于中小型机器人 伺服电机和步进电机虽然在控制方式上相似 但在使用性能和应用场合上存在着差 异 现就二者的使用性能做一比较 运行性能 步进电机的控制为开环控制 启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转 得现象 停止时 转速过高易出现过冲的现象 所以为保证其控制精度 应处理好升 降 速问题 交流伺服电机系统为闭环控制 驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样 内部构成位置环和速度环 一般不会出现步进电机的丢步或过冲现象 控制性能更为可靠 但实际工作中负载较小 若避免启动频率过高 选择合理的转速 步进电机将会降低丢步 和堵转的频率 速度响应性能 步进电机从加速到工作转速需要 200 400 毫秒 交流伺服系统的加速 性能较好 加速时间更短 但实际工作中 200 400 毫秒是很快的速度 因此步进电机与伺 服电机相比更加经济 步进电机一般作为开环伺服系统的执行机构 有时也用于闭环伺服系统 它是一种将 脉冲电信号转换为角位移或直线位移的一种 d a 转换装置 它具有以下优点 输出角度精 度高 无累积误差 惯性小 输入输出呈严格的线性关系 容易实现位置 速度控制 起 停及正 反控制方便 输出信号为数字信号 可以与计算直接接口 综上所述 初步选择 步进电机驱动 2 3 机械手的设计参数 1 主要参数 机械手的最大抓取重量是其规格的主参数 该机械手主参数定为 5kg 2 设计技术参数 1 抓重 5kg 2 自由度 3 个 3 坐标型式 直角坐标型 4 运动参数 x 轴 最大行程 1000mm 最大移动速度 5m min y 轴 最大行程 720mm 最大移动速度 5m min 11 5 定位精度 0 1mm 6 重复定位精度 0 05mm 7 驱动方式 步进电机驱动 8 希望寿命 15000h 12 3 机械手机械系统设计 3 1 x 轴结构的设计与选择 3 1 1x 轴滚珠丝杆副尺寸选择计算 3 1 1 1 初算导程 h p mm 导程应该按承载能力 传动精度及传动速度选取 导程值大承载能力也大 导程值小 传动精度高 所以综上所述 x 轴的滚珠丝杆的导程先选择为 8mm 对应的公称直径可取 32mm h p 8mm 0 d 32mm 3 1 1 2 当量载荷 m f n 当载荷在 min f 和 max f 之间周期变化时 载荷按下式计算 min max 2 3 1 f f f 估算 min f 500n max f 2000n n 1500 500 2000 2 3 1 2 3 1 min max f f f 3 1 1 3 当量转速 m n r min 当转速在 max n 和 min n 之间变化时 min max 2 1 n n n m 已知 max v 5m min 0 d 32mm 估算 min v 2m min 则由 v d n 得 032 0 14 3 5 max d v n 50r min 032 0 14 3 2 min d v n 20r min 所以 20 50 2 1 2 1 min max n n n m 35r min 3 1 1 4 额定动载荷计算 am c n c a h m m w am f f l n f f c 100 60 3 1 式 3 1 当有预加载荷时还要计算 max f f c e am 式 3 2 式中 a f 精度系数 c f 可靠性系数 w f 载荷性质系数 h l 预期工作寿命 c f 预加载荷系数 13 max f 最大轴向载荷 查表得 5 1 2 1 w f 9 0 a f 1 c f h 15000 h l 5 4 c f kn 0 4 6 1 9 0 100 15000 35 60 1500 5 1 100 60 3 1 3 1 c a h m m w am f f l n f f c kn 9 2000 5 4 max f f c e am 选择 am c 与 am c 中较大者为预期值 am c 所以 kn 9 am c 3 1 1 5 估算滚珠丝杆允许最大轴向变形 m m 已知定位精度为 mm 1 0 重复定位精度为 mm 05 0 4 1 3 1 m 重复定位精度 mm 0167 0 05 0 3 1 5 1 4 1 m 定位精度 mm 0025 0 1 0 4 1 取 m 和 m 中较小值为 m 值 即 m m 2 5 mm 0025 0 3 1 1 6 估算滚珠丝杠底径 mm 2m d 根据公称直径的选择 滚珠丝杠的底径的选择要小于公称直径 暂时选 mm 26 2 m d 3 1 1 7 确定滚珠丝杆副的规格代号 滚珠丝杠分为定位用 p 型 和传动用 t 型 p 型用于精确定位且能根据旋转角和导 程间接测量轴向行程的滚珠丝杠副 这种滚珠丝杠是无间隙的 或称预紧滚珠丝杠副 t 型是用于传递力滚珠丝杠副 其轴向行程的测量由与滚珠丝杠副旋转角度和导程无关的测 量装置来完成 因此选择 p 型的滚珠丝杠 根据上面算出的额定动载荷 在选择丝杠时要 满足载荷 am a c c 和 m d d 2 2 的条件 但不宜过大 以免增加转动惯量及结构尺寸 因此 所选择的滚珠丝杠副的规格代号为 5 3 3205 cm b f 其中 kn 1 14 a c 大于额定 载荷 kn 9 am c 丝杆底径 mm 7 28 2 d 大于 mm 26 2 m d 所以满足条件 3 1 1 8 计算预紧力 n p f 当最大轴向载荷不能确定时 运公式 a p bc f 式 3 3 系数 b 对轻载荷时取 0 05 中载荷时取 0 1 重载荷时取 0 15 根据实际情况 1 0 b 1410n kn 41 1 1 14 1 0 a p bc f 3 1 1 9 行程补偿值 m c 3 10 8 11 u tl c 式 3 4 h u p l 行程 14 8 式 3 5 14 式中 t 温度变化值 c 3 2 u l 滚珠丝杠副有效行程 mm mm 1080 10 8 1000 8 h u p l 行程 m c 712 80 10 3 8 11 3 3 1 1 10 预拉伸力 n t f 2 95 1 td f t 式 3 6 式中 mm 2 滚珠丝杠螺纹底径 d n 6 4818 7 28 3 95 1 95 1 2 2 td f t 3 1 1 11 滚珠丝杠副精度选择 滚珠丝杠副的制造成本 主要取决于制造精度和长径比 因为制造精度越高 长径比 越大 工艺难度越大 成品合格率越低 精度标准分为 1 2 3 4 5 7 10 七个等级 1 级最高 10 级最低 2 级和 4 级不优先采用 由于小型零件装配机械手属于直角坐标机 器人 所以 精度等级选择 6 级 3 1 1 12 滚珠丝杠压杆稳定性 n 验算 c f max 2 4 2 5 2 1 10 a cl c f l d k k f 式 3 7 式中 c f 临界压缩载荷 n 1 k 安全系数 滚珠丝杠垂直安装为 1 2 滚珠丝杠水平安装取 1 3 2 k 支撑系数 cl l 滚珠丝杠最大受压长度 max a f 滚珠丝杠副所受最大轴向压缩载荷 n 由于 y 轴方向丝杠是水平安装 3 1 1 k 丝杠的支撑方式为两端固定 2 2 k mm 1080 cl l n 4230 1410 3 3 max p a f f n 95 8700 1080 7 28 10 2 3 1 10 2 4 5 max 2 4 2 5 2 1 a cl c f l d k k f 由于 max a c f f 因此符合校核要求 3 1 1 13 n d 值校验 7000 max 0 n d 式 3 8 式中 o d 滚珠丝杠副的公称直径 mm max n 滚珠丝杠副的最大转速 min r 其中 mm 32 0 d r min 50 max n 7000 1600 50 32 max 0 n d 因此符合校核要求 15 3 1 1 14 额定静载荷 oa c 验算 n oa s c f f max 式 3 9 式中 oa c 滚珠丝杠副基本轴向稳定静载荷 n s f 静态安全系数 一般取 2 1 有冲击时及振动时取 3 2 max a f 滚珠丝杠副所受最大轴向载荷 n 其中查表取 2 s f n 4230 max a f 由于滚珠丝杠副的规格型号已经选定 则 kn 5 32 oa c 因此复符合校核要求 3 1 1 14 丝杠轴拉压强度验算 max 2 2 4 a p f d 式 3 10 式中 p 丝杠轴许用拉压应力 2 n mm 丝 杠 的 钢 材 一 般 为 cr2ni2mo 34 其 力 学 性 能 查 表 得 mpa 1200 1000 b mpa 800 s 许用拉应力 5 1 e la 许用压应力 15 1 la ca e 是弹性极限 其数值与 s 值非常接近 因此 mpa 800 许用拉应力 mpa 3 533 5 1 800 5 1 e la 许用压应力 mpa 7 463 15 1 3 533 15 1 la ca n 4230 kn 83 344 4 7 28 14 3 3 533 4 max 2 2 2 a p f d n 4230 kn 9 299 4 7 28 14 3 7 463 4 max 2 2 2 a p f d 因此符合校核要求 3 1 1 15 滚珠丝杠弯曲正应力的强度条件校核 w m max max 式 3 11 式中 max m 最大弯矩 w 圆形截面抗弯截面系数 l f m max max 4 1 其中 m 5 2 n 1500 max l f 32 3 d w 其中 0 d d 取 0 03m mm 30 d mpa 8 463 pa 9 353 03 0 32 5 2 1500 4 1 3 max 因此符合校核要求 16 3 1 2 滚动轴承型号选择计算 选择滚动轴承的类型与多种因素有关 通常根据以下因素 1 允许空间 2 载荷 大小和方向 例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承 如径向载荷大 轴向载荷小 可选用深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承 如轴 向载荷大 径向载荷小 可选用推力角接触球轴承 3 轴承工作转速 4 旋转精度 5 轴承的刚性 一般滚子轴承的刚性大于球轴承 提高轴承的刚性可通过预紧 但必须适当 6 轴向游动 轴向配置通常是一端固定 一端游动 以适应轴的热胀冷缩 保证轴的 游动方式 一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承 另一种是在内圈与周外圈与轴承孔之间 采用间隙配合 7 摩擦力矩 需要低摩擦力矩的机械 应 3 尽量采用球轴承 8 安装 与拆卸等 因此根据上述因素 选择角接触轴承 由于轴径 20 d 则选择轴承型号为 kn 5 10 r c kn 08 6 or c 3 1 2 1 滚动轴承基本额定动载荷计算 a r t n d m h c c p f f f f f c 或 式 3 12 式中c 基本额定载荷计算值 n p 当量动载荷 n h f 寿命因数 n f 速度因数 m f 例句载荷因数 力矩较小时 5 1 m f 力矩较大时 2 m f r c 轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷 n a c 轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定动载荷 n 其中查表得 1 h f 5 1 m f 1 1 d f 984 0 n f 1 t f 1500n p kn 5 10 2 52kn n 2520 1500 1 84 9 0 1 1 5 1 1 p 因此符合校核要求 3 1 4x 轴键的选择计算 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面 选择键连接类型时 一般考虑传递扭矩 大小 轴上零件沿轴向是否有移动及移动距离大小 对中性要求和键在轴上的位置等因素 19 并结合各种键连接的特点加以分析选择 键的截面尺寸 键宽 b 和键高 h 按轴的直径 d 由标准选择 键的长度可根据轮毂的长度确定 可使键长度等于轮毂宽度 导向平键按轮 毂的长度及滑动距离确定而定 键的长度还需符合标准规定的长度系列 在规范中不仅规定了键本身 而且还规定了对不同轴径的键截面和加工尺寸 因此强 度验算是用改变键的有效长度的方法 由于平键靠侧面传递扭矩 易拆装 精度较高 因此选择圆头普通平键 联轴器的型 号为 hl1 且 u2m113h 型号的电机的键的基本尺寸为 mm 25 4 4 l h b 3 1 4 1 与电机配合的键的校核 键的强度校核 电 t d l h t p 4 1 式 3 21 式中d 轴的直径 h 键的高度 l 键的接触长度 p 许用挤压应力 mpa 80 p m 28n m 92n 31 80 19 21 4 4 1 4 1 电 t d l h t p 因此该键的强度符合校核要求 3 1 4 2 与丝杠轴配合的键的校核 初步选择键的基本尺寸为 mm 20 4 4 l h b 键的强度校核 转 t d l h t p 4 1 式 3 22 m n 25 m 6n 25 80 20 16 4 4 1 4 1 转 t d l h t p 因此该键的强度符合要求 3 2y 轴结构的设计与选择 3 2 1 滚珠丝杠副尺寸选择计算 3 2 1 1 初算导程 mm h p x 轴的滚珠丝杠的导程先选择为 6mm 对应公称直径可取 25mm mm 6 h p mm 25 0 d 3 2 1 2 当量载荷 n m f 当载荷在 min f 和 max f 之间周期变化时 在载荷按下式计算 20 min max 2 3 1 f f f 式 3 23 估算 n 1000 n 300 max min f f 那么 7n 766 300 1000 2 3 1 2 3 1 min max f f f 3 2 1 3 当量转速 r min m n 当转速在 max n 和 min n 之间变化时 2 1 min max n n n m 已知 mm 32 m min 5 0 max d v 估算 m min 2 min v 则由 v d n 得 r min 50 032 0 14 3 5 max d v n r min 20 032 0 14 3 2 min d v n 所以 r min 35 20 50 2 1 2 1 min max n n n m 3 2 1 4 额定动载荷计算 n am c c a h m m w am f f l n f f c 100 60 3 1 式 3 24 当有预加载荷时还要计算 max f f c e am 式 3 25 式中 a f 精度系数 c f 可靠性系数 w f 载荷性质系数 h l 预期工作寿命 e f 预加载荷系数 max f 最大轴向载荷 查表得 5 1 2 1 w f 9 0 a f 1 c f h 15000 h l 7 6 e f kn 422 8 1 9 0 100 15000 35 60 1600 5 1 100 60 3 1 3 1 c a h m m w am f f l n f f c 6 7kn 1000 7 6 max f f c e am 选择 am c 与 am c 中较大者为预期值 am c 所以 8 422kn am c 3 2 1 5 估算滚珠丝杠允许最大轴向变形 m m 已知定位精度为 0 1mm 重复定位精度为 0 05mm 21 4 1 3 1 m 重复定位精度 mm 167 0 0 5 0 0 3 1 5 1 4 1 m 定位精度 0 0025mm 1 0 4 1 取 m 和 m 中较小值为 m 值 即 m 2 5 mm 0025 0 m 3 2 1 6 估算滚珠丝杠底径 mm 2m d 根据公称直径的选择 滚珠丝杠的底径的选择要小于公称直径 暂选 mm 20 2 m d 3 2 1 7 确定滚珠丝杠副的规格代号 所选择的滚珠丝杠副的规格代号为 5 2505 cm b f 其中 kn 4 16 a c 大于额定载荷 kn 4 13 am c 丝杠底径 7 21 2 d 大于 mm 20 2 m d 所以满足 3 2 1 8 计算预紧力 n p f 当最大轴向工作载荷不能确定时 运用公式 a p bc f 式 3 26 系数 b 对轻载荷时取 0 05 中载荷时取 0 1 重载荷时取 0 15 根据实际情况 b 0 05 n 820 4 16 05 0 a p bc f 3 2 1 9 行程补偿值 m c 3 10 8 11 u tl c 式 3 27 h u p l 14 8 行程 式 3 28 式中 t 温度变化值 c 3 2 u l 滚珠丝杠副有效行程 mm mm 780 10 6 720 14 8 h u p l 行程 m 488 25 10 720 3 8 11 10 8 11 3 3 u tl c 3 2 1 10 预紧伸力 n l f 2 2 95 1 td f l 式 3 29 式中 2 d 滚珠丝杠螺纹底径 mm n 1 7 2754 7 21 3 5 9 1 95 1 2 2 2 td f l 3 2 1 11 滚珠丝杠副精度选择 由于小型零件装配机械手属于直角坐标机器人 再根据 x 轴滚珠丝杠副的精度选择 所以 y 轴精度等级也按 6 级来计算 3 2 1 12 滚珠丝杠压杆稳定性 c f 验算 n max 2 4 2 5 2 1 10 a cl c f l d k k f 式 3 30 22 式中 c f 临界压缩载荷 n 1 k 安全系数 滚珠丝杠垂直安装为 1 2 滚珠丝杠水平安装 1 2 2 k 支撑系数 cl l 滚珠丝杠最大受压长度 max a f 滚珠丝杠副所受最大轴向压缩载荷 n 由于 y 轴方向丝杠是水平安装 3 1 1 k 丝杠的支撑方式为两端固定 2 2 k mm 460 cl l n 2460 820 3 3 max p a f f n 58 209 460 7 21 10 2 3 1 10 2 4 5 max 2 4 2 5 2 1 a cl c f l d k k f 由于 max a c f f 因此符合校核要求 3 2 1 13 n d 值校验 7000 max 0 n d 式 3 31 式中 0 d 滚珠丝杠副的公称直径 mm max n 滚珠丝杠副的最大转速 r min 其中 7000 1250 50 25 max 0 n d 因此符合校核要求 3 2 1 14 额定静载荷 oa c 验算 n oa a s c f f max 式 3 32 式中 oa c 滚珠丝杠副基本轴向稳定静载荷 n s f 静态安全系数 一般取 2 1 有冲击时及振动时取 3 2 max a f 滚珠丝杠副所受最大轴向载荷 n 其中查表取 5 1 s f n 2460 max a f 由于滚珠丝杠副的规格型号已经选定 则 kn 2 37 oa c 2kn 37 3 96kn n 3690 1460 5 1 max oa a s c f f 因此符合校核要求 3 2 1 15 丝杠轴拉压强度验算 max 2 2 4 a p f d 式 3 33 p 丝杠轴许用拉压应力 2 n mm 丝 杠 的 钢 材 一 般 为 34cr2ni2mo 其 力 学 性 能 查 表 得 mpa 120