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线控多自由度机械手设计-周权.doc

线控多自由度机械手设计【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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原稿--线控多自由度机械手设计

线控多自由度机械手设计

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关键词：: 线控多自由度机械手设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

随着现代科学技术的发展，机械手技术越来越受到广泛关注，近年来机械手在我国发展迅速，多种类型和用途的机械手已经开始在汽车等若干工程领域得到广泛应用。而工业机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本次毕业主要对线控多自由度机械手机械结构设计，其拥有4个自由度。了解各关节的传动关系的选择方案，基于二维或三维CAD软件环境下进行机械手腰部、大臂、小臂机械结构进行设计，并对所设计的结构进行力学校验，最后完成该机械手PLC控制系统的设计

关键词：机械手，结构设计，控制系统

Abstract

With the development of modern science and technology, robot technology has been paid more and more attention, in recent years the manipulator is developing rapidly in China, and the use of various types of mechanical hand has already been widely used in several engineering fields of automobile. Industrial manipulator is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the appearance of modern industry. The graduation is mainly on the line of multi degree of freedom mechanical mobile phone mechanical structure design, which has 4 degrees of freedom. To understand the relationship between the joint of the selection of transmission, design of manipulator waist, 2D or 3D CAD software environment, the small arm mechanical arm based structure, and mechanical analysis of check and kinematics of the structure design, finally completed the design of the PLC control system of the manipulator

Keywords: manipulator, structure design, control system

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1 工业机械手的概述1

1.2 工业机械手发展历史1

1.3 研究课题的提出2

第二章工业机械手的总体设计4

2.1 工业机械手的组成4

2.2 工业机械手的设计分析5

2.2.1 设计要求5

2.2.2 总体方案拟定5

2.2.3 线控机械手主要技术性能参数5

第三章工业机械手的运动系统设计6

3.1方案结构设计与分析6

3.1.1 机械手自由度的分配6

3.1.2 械结构类型6

3.1.3．方案描述6

3.2机械手的执行机构设计7

3.2.1 腰部和基座设计7

3.2.2 大臂机构设计11

3.2.3 小臂机构设计17

第四章线控多自由度机械手控制系统设计22

4.1 三菱的GX Developer 编程软件简介22

4.2 系统程序设计方法22

4.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明24

4.3.1 四轴点动程序24

4.3.2 上电回原点程序25

4.3.4 极限位置保护程序26

4.3.5 伺服定位程序27

第五章总结与展望29

5.1 工作总结29

5.2 技术展望29

参考文献30

致谢31

第一章绪论

1.1 工业机械手的概述

机械手是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

目前，工业机械手的定义，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械手协会给工业机械手下的定义：工业机械手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，对工业机械手作如下定义：

工业机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

工业机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

工业机械手的定义有很多，综合而言有以下几个重要特征：

(1) 是一种类似人的手臂的机械装置，用于搬运材料、零件、工具等或进行装配、加工等各种工作任务。

(2) 是可以再编程的，用户可根据工作环境编制各种程序流程，完成不同的作业任务。

(3) 是一种自动控制装置，在无人参与的情况下自动按程序工作。

(4) 具有通用性，除专用的工业机械手外，一般工业机械手在执行不同的作业任务时有较好的通用性，如更换其手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。

一个典型的工业机械手是由机械本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通讯接口等组成，一般多关节型串联机械手具有4~6个自由度，其中2~3个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余2~3个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。

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内容简介：: 编号毕业设计题目线控多自由度机械手设计学生姓名学号系部专业班级指导教师二一四年 X月 nts 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：线控多自由度机械手设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： XXX 2014 年 X 月 X 日 nts毕业设计 I 线控多自由度机械手设计摘要随着现代科学技术的发展，机械手技术越来越受到广泛关注，近年来机械手在我国发展迅速，多种类型和用途的机械手已经开始在汽车等若干工程领域得到广泛应用。而工业机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本次毕业主要对线控多自由度机械手机械结构设计，其拥有 4 个自由度。了解各关节的传动关系的选择方案，基于二维或三维 CAD 软件环境下进行机械手腰部、大臂、小臂机械结构进行设计，并对所设计的结构进行力学校验，最后完成该机械手 PLC 控制系统的设计关键词：机械手，结构设计，控制系统 nts毕业设计 II Abstract With the development of modern science and technology, robot technology has been paid more and more attention, in recent years the manipulator is developing rapidly in China, and the use of various types of mechanical hand has already been widely used in several engineering fields of automobile. Industrial manipulator is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the appearance of modern industry. The graduation is mainly on the line of multi degree of freedom mechanical mobile phone mechanical structure design, which has 4 degrees of freedom. To understand the relationship between the joint of the selection of transmission, design of manipulator waist, 2D or 3D CAD software environment, the small arm mechanical arm based structure, and mechanical analysis of check and kinematics of the structure design, finally completed the design of the PLC control system of the manipulator Keywords: manipulator, structure design, control system nts毕业设计 III 目录摘要 . I Abstract . II 第一章绪论 . 1 1.1 工业机械手的概述 . 1 1.2 工业机械手发展历史 . 1 1.3 研究课题的提出 . 2 第二章工业机械手的总体设计 . 4 2.1 工业机械手的组成 . 4 2.2 工业机械手的设计分析 . 5 2.2.1 设计要求 . 5 2.2.2 总体方案拟定 . 5 2.2.3 线控机械手主要技术性能参数 . 5 第三章工业机械手的运动系统设计 . 6 3.1 方案结构设计与分析 . 6 3.1.1 机械手自由度的分配 . 6 3.1.2 械结构类型 . 6 3.1.3方案描述 . 6 3.2 机械手的执行机构设计 . 7 3.2.1 腰部和基座设计 . 7 3.2.2 大臂机构设计 . 11 3.2.3 小臂机构设计 . 17 第四章线控多自由度机械手控制系统设计 . 22 4.1 三菱的 GX Developer 编程软件简介 . 22 4.2 系统程序设计方法 . 22 4.3 PLC 控制系统软件程序的编写及说明 . 24 4.3.1 四轴点动程序 . 24 4.3.2 上电回原点程序 . 25 4.3.4 极限位置保护程序 . 26 4.3.5 伺服定位程序 . 27 第五章总结与展望 . 29 nts毕业设计 IV 5.1 工作总结 . 29 5.2 技术展望 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 nts毕业设计 1 第一章绪论 1.1 工业机械手的概述机械手是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。目前，工业机械手的定义，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械手协会给工业机械手下的定义：工业机械手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，对工业机械手作如下定义：工业机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机械手的定义有很多，综合而言有以下几个重要特征： (1) 是一种类似人的手臂的机械装置，用于搬运材料、零件、工具等或进行装配、加工等各种工作任务。 (2) 是可以再编程的，用户可根据工作环境编制各种程序流程，完成不同的作业任务。 (3) 是一种自动控制装置，在无人参与的情况下自动按程序工作。 (4) 具有通用性，除专用的工业机械手外，一般工业机械手在执行不同的作业任务时有较好的通用性，如更换其手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。一个典型的工业机械手是由机械本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通讯接口等组成，一般多关节型串联机械手具有 46 个自由度，其中 23 个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余 23 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。 1.2 工业机械手发展历史工业机械手的发明始于 1954，当乔治 Devol 在物品移动上应用了专利权的时候。在与约瑟 Engelberger 的第一个机械手公司 Unimation 协力之后，从一部投掷一钢模的机器中吸取部份，并在 1961 年在通用汽车公司使用了第一个机械手进入服务。大部份的情况促使未来這数年通用机械手只作为汽车身体的焊接。两者应用的成功意谓机械手可靠地工作性和nts毕业设计 2 确定统一的质量。很快，许多其他公司开始发展制造工业的机械手。一种驱使改革的工业出生了。然而，它花了许多年才把这种工业变成了利润。史丹福手臂由 1969 年一位机械工程学生 Scheinman 在史丹福智化实验室（ SAIL）当做一个研究原型时设计出来。全电力六自由度（ 6-DOF）的操作者由一部标准的计算机，数传设备 PDP-6 控制。配置了非神人同形同性论的运动学的结构，棱镜分析和五个回转的关节，以致于解决机械手运动学加速计算问题。操作部分由直流电马达，声控开车和马刺齿轮减径管，电位计和为位置和速度回应的转速计所组成。后来的机械手设计受到了 Scheinman 观念的强烈影响在 1973 年， ASEA 公司（现在 ABB）生产了第一部微型计算机控制的全电的，允许连续路径运动的工业机械手 IRB-6，为电弧法融合机制提供先决条件 .大量设计证明使长达 20 年的机械手终于被发表了。在 1970 年代机械手大举应用于当时的汽车焊接制造业 . 在 1978 年 , 日本 Yamanashi 大学的 Hiroshi Makino 发明了选择性服从装配机械手（ SCARA） . 突破性的四轴廉价的设计完全适合为小部份运动学的结构快速地允许和顺从的手臂运动装配 .产品以 SCARA 机械手为基础的有柔性的装配制度设计（设计为装配， DFA）有助于到高体积电子学生产中创造全世界的繁荣和消费者产品 . 工业机械手的发展，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：第一代工业机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机械手，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。第二代机械手是带感觉的机械手。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械手要复杂得多，这种机械手从 1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机械手即智能机械手。这种机械手除了具有触觉、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。这种机械手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 1.3 研究课题的提出本次毕业主要对典型的 4 自由度线控机械手位置控制模块机械结构进行设计，即基于二维或三维 CAD 软件环境下进行机械手腰部、大臂、小臂机械结构进行设计与校验，在对机械nts毕业设计 3 手结构设计过程中综合运用本科阶段所学，课题具有一定的深度与工程意义。 nts毕业设计 4 第二章工业机械手的总体设计 2.1 工业机械手的组成工业机械手一般由执行系统、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。执行系统：执行系统是工业机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、臂部、腰部等。（ 1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（ 2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（ 3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（ 4）腰部：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。驱动系统：为机械手各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。测量系统：用于机械手运动部件的位移、速度和加速度的测量。控制器 (RC)：用于控制机械手各运动部件的位置、速度和加速度，使机械手手爪或机械手工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。传感器：获得搬运对象和机械手本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识工业机械手执行系统驱动系统测量系统控制器及传感器手部腕部腰部臂部交流伺服电机驱动图 2-1 工业机械手的组成 nts毕业设计 5 别，抓举工件的重量是否过载等。 2.2 工业机械手的设计分析 2.2.1 设计要求（ 1）毕业设计任务要研究或解决的问题研究基于线控多自由度机械手结构设计问题，要求阅读 -工业机械手相关的论文和书籍，系统地了解 -工业机械手相关知识和原理的目的。掌握 CAD 软件平台的应用和操作，利用 CAD 软件画出基本结构和主要传动方式（ 2）拟采用的研究方法在线控多自由度机械手结构设计问题中，采用以下研究方法：研究工业机械手的基本原理，分析传动方式。利用 CAD 软件绘制基本结构和主要传动方式。 2.2.2 总体方案拟定在工业机械手的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计主要研究其中的移动功能。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机械手，利用交流伺服电机驱动和谐波齿轮传动来实现机械手的旋转运动； 2.2.3 线控机械手主要技术性能参数机械手末端最大负载 1kg，各个轴的转动范围如下： J1-axis:180 J2-axis:180 J3-axis:180 J4-axis:180 nts毕业设计 6 第三章工业机械手的运动系统设计 3.1方案结构设计与分析 3.1.1 机械手自由度的分配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要的独立运动参数的数目，它是表示机械手动作灵活程度的参数。本设计的工业机械手分成腰关节的 180 回转，大臂的摆动，小臂的转动以及腕部转动。 3.1.2 械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过三个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为类似圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 3.1.3方案描述该机械手固定在地面上，由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有 4 个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转。机械手采用电机驱动，这种方式结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机械手应用最多的驱动方式。由于机械手固定在地面上，故电源为普通民用电即： 220V， 50Hz 的交流电。由于该机械手功率较较大，电动机可以选择交流伺服电机。使用交流伺服电机能构成闭环控制，精度高，力矩大，但价格很高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。故确定这种机械手的六个关节都采用步进电动机驱动，开环控制。由于一些关节驱动力矩较大，如果使用电机直接驱动，要求电机的输出扭矩较大，因此统一采用带减速器的伺服电机，而大臂和小臂俯仰运动的力矩较大，还要再进行减速传动。步进电机的输出扭矩为 0.5Nm，配置的减速器的减速比为 1： 9，大臂和小臂还有 1： 4 的齿轮减速驱动。在现代机械手结构中广泛使用着各种机械手轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大、承载力强和安装方便等优点。但这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足要求，故这里全部采用nts毕业设计 7 球轴承。在电机的布置上，考虑将电机均置于各关节连接处，可以最大限度地减小扭矩，便于安装和控制，且传动链较短，精度相对较高，可以满足需要。 3.2机械手的执行机构设计 3.2.1 腰部和基座设计 1 结构设计通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机械手的旋转运动。该种设计采用了减速器支承结构。它由电动机直接驱动谐波减速器。 2电机的选取图 3-1 腰部结构图 nts毕业设计 8 工业机械手的旋转采用了伺服电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。表 3-1 各种驱动方式比较比较内容驱动方式机械驱动电机驱动气压传动液压传动异步电机直流电机步进电机伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力可较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知伺服电机应用于驱动工业机械手有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对伺服电机的型号进行选取。 a 、初选电机为 EML 型伺服电机，型号为： 40APA。它的有关技术参数如下表：电机型号额定输出功率转子转动惯量额定转矩瞬间最大转矩额定电流瞬间最大电流额定转速最高转速 40APA 4KW 102*10-4Kg.m2 38.2N.m 114.6N.m 24A 72A 1000r/min 1500r/min 表 3-2 技术参数 nts毕业设计 9 b 、电机功率的确定电机所需工作功率式为 WdaPP kW因此 3 . 6 29550nd TP k W c 、电机转速的确定腰部的工作转速为 2.5r/min 腰部采用单级谐波传动齿轮，传动比，可达 i=70 500。故电机的转速可选范围为 dn i n =( 70 500 ) 2.5 = 175 1250 因此，初选电机符合要求。 3 谐波减速器的选取本关节采用 XBF3 系列谐波传动减速器，柔轮主动，输入钢轮固定，输出钢轮输出地形式。工作时，固定钢轮，由电机带动柔轮转动，输出钢轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。 1承载能力高谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70 500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。图为该系列减速器的型号及尺寸。本设计采用最后一种型号。 nts毕业设计 10 图 3-2 XBF3 系列的型号及尺寸 nts毕业设计 11 3.2.2 大臂机构设计 1 结构设计及要求 a、大臂的结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出的工作空间要求 b、根据大臂所受载荷和结构的特点，合理选择大臂截面形状和高强度轻质材料。 c、尽量减小大臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 d、要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度。通过安装在大臂关节上的伺服电机和谐波齿轮减速器直接驱动大臂转动，从而实现机械手臂部绕腰部摆动。 2电机的选取根据大臂表可知伺服电机应用于驱动工业机械手有着许多无可替代的优点，如控图 3-3 大臂结构图 nts毕业设计 12 制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，因此依旧选择交流伺服电机 a 、初选电机为 EML 型伺服电机，型号为： 40APA。它的有关技术参数如下表：电机型号额定输出功率转子转动惯量额定转矩瞬间最大转矩额定电流瞬间最大电流额定转速最高转速 40APA 4KW 102*10-4Kg.m2 38.2N.m 114.6N.m 24A 72A 1000r/min 1500r/min b 、电机功率的确定电机所需工作功率式为 WdaPP kW因此 3 . 2 29550nd TP k W c 、电机转速的确定大臂的工作转速为 2.5r/min 大臂采用单级谐波传动齿轮，传动比可达 i=70 500。故电机的转速可选范围为 dn i n =( 70 500 ) 2.5 = 175 1250 因此，初选电机符合要求。 3 谐波减速器的选取本关节采用 XB1 系列单级谐波传动减速器，采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。表 3-3 技术参数 nts毕业设计 13 它主要由三个基本构件组成：（ 1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；（ 2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（ 3）波发生器 H，它相当于行星架。（ 1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；（ 2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（ 3）波发生器 H，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。波发生器 H 是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮 1 的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿图示方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器 H 相反方向的缓慢旋转。所谓谐波传动是一种靠中间柔性构件弹性变形来实现运动和动力传动的装置的总称。在谐波传动出现后短短的几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量，致力于这类新型传动的研制，几乎对该类传动的整个领域中的全部问题均进行了程度不同的研究。当然，由于谐波传动本身所涉及问题的复杂性和广泛性，因而有不少图 3-4 谐波减速器基本组成 nts毕业设计 14 问题目前尚未作最后定论。图 3-5 谐波齿轮传动系统谐波齿轮传动系统有三个基本构件组成，如图 2-1 所示：刚轮 1(Circular Spline)，柔轮 2(Flexspline)和波发生器 3(Wave Generator)。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用，产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的。特点：优点： (1)结构简单，体积小，重量轻 3, 50%, 1/3 (2)传动比范围大 50300, 300060000 (3)同时啮合的齿数多 30%,正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 (4)承载能力大 (5)运动精度高 (6)运动平稳，无冲击，噪声小 (7)齿侧间隙可以调整 (8)齿面磨损小而均匀，传动效率高 (9)同轴性好 (10)可实现向密闭空间传递运动及动力缺点： (1)柔轮周期性变形，易于疲劳损坏 (2)柔轮和波发生器的制造难度较大 (3)传动比的下限值高，齿数不能太少 (4)起动力矩大，且速比越小越严重； nts毕业设计 15 (5)谐波齿轮传动没有中间轴，因而不能获得中间速度 (6)如果结构参数选择不当或结构时机不良，发热过大，降低传动承载能力工作时，固定钢轮，由电机带动波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。下图为该系列减速器的型号及尺寸。本关节采用最后第二种型号。 4 大臂的强度校核图 3-6 XB1 系列的型号及尺寸 nts毕业设计 16 设计项目计算公式或说明结果 1、受力分析（ 1）平移载荷 (2)计算工作载荷将力 P 向螺栓组位置中心处平移，得到横向工作载荷 P和扭矩 T 10 1PP 1 8 0 0 1 8 0 0 1 0TP 单纯考虑 P的作用时，每个螺栓联接处分担的载荷为 1 / 2 1 0 / 2FP(方向如图所示 ) 单纯考虑 P的作用时，每个螺栓联接处分担的载荷为 2 / 4 8 / 6 1 8 0 0 0 / 4 8 / 6FT(方向如图所示 ) 将它们分别合成后，即得每个螺栓联接处分担的总载荷（由图可见它们大小相等，但方向却不相同）为 2 2 2 212 5 6 2 . 5R F F 10PN 18000T N m m 1 5FN2 62.5FN62.7R 2、求最小预紧力利用公式可得最小预紧力为 m i n / 1 . 2 6 2 . 7 / 0 . 2NQ K f m z min 376Q 3、确定螺栓所需选螺栓材料为 4.6 级的 A3 刚，由表查得其屈服240s M P a 图 3-7 大臂受力示意图 nts毕业设计 17 直径第一次计算第二次计算极限。估取螺栓直径 d=14mm,由表并用线性插值法计算，可得安全系数 S。许用应力 / 2 4 0 / 3 . 2s S 1 4 1 . 3 / /4 1 . 3 1 1 2 5 0 / 3 . 1 4 / 7 5PdQ 由表可知，与 d1 相对应的标准螺栓为 M10（ d1=8.376）。与原估计（ d=10mm）不符，故重新计算。估取螺栓直径 d=18mm,由表并用线性插值法计算，可得安全系数 S。许用应力 / 2 4 0 / 3 . 2s S 1 4 1 . 3 / /4 1 . 3 1 1 2 5 0 / 3 . 1 4 / 7 5PdQ 由表可知，与 d1 相对应的标准螺栓为 M10（ d1=15.852）。与原估计（ d=18mm）想符，设 10d mm S=3.2 75 M P a 1 1 5 .7 6d 与原假设不符重新计算 S=6 75 M P a 1 1 5 .7 6d 应选用 M18 以上的螺栓 6 只 3.2.3 小臂机构设计 1 结构设计及要求小臂的设计要求与大臂想类似： a、小臂的结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出的工作空间要求 b、根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择小臂截面形状和高强度轻质材料。 c、尽量减小小臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 d、采用缓冲和限位装置提高定位精度。通过安装在小臂关节上的伺服电机和谐波齿轮减速器直接驱动小臂转动，从而实nts毕业设计 18 现机械手的臂部竖直面摆动。 2电机的选取根据腰部表可知伺服电机应用于驱动工业机械手有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，因此依旧选择交流伺服电机初选电机为 EML 型伺服电机，型号为： 20APA。它的有关技术参数如下表：电机型号额定输出功率转子转动惯量额定转矩瞬间最大转矩额定电流瞬间最大电流额定转速最高转速 20APA 3KW 77.8*10-4Kg.m 28.7.2N.m 86N.m 18A 54A 1000r/min 1500r/min 图 3-8 小臂结构图表 3-4 技术参数 nts毕业设计 19 2 b 、电机功率的确定电机所需工作功率式为 WdaPP kW因此 2 . 5 69550nd TP k W c 、电机转速的确定小臂的工作转速为 2.5r/min 小臂采用单级谐波传动齿轮，传动比可达 i=70 500。故电机的转速可选范围为 dn i n =( 70 500 ) 2.5 = 175 1250 因此，初选电机符合要求。 3 谐波减速器的选取本关节采用与大臂相同的 XB1 系列单级谐波传动减速器，采用波发生器主动、柔轮固定、刚轮输出形式。本关节采用最后第二种型号。 4 小臂的强度校核 nts毕业设计 20 设计项目计算公式或说明结果 1、受力分析（ 1）平移载荷 (2)计算工作载荷将力 P 向螺栓组位置中心处平移，得到横向工作载荷 P和扭矩 T 10 1PP 9 5 0 9 5 0 1 0TP 单纯考虑 P的作用时，每个螺栓联接处分担的载荷为 1 / 2 1 0 / 2FP(方向如图所示 ) 单纯考虑 P的作用时，每个螺栓联接处分担的载荷为 2 / 4 8 / 6 9 5 0 0 / 4 8 / 6FT(方向如图所示 ) 将它们分别合成后，即得每个螺栓联接处分担的总载荷（由图可见它们大小相等，但方向却不相同）为 2 2 2 212 5 3 3R F F 10PN 9500T N m m 1 5FN2 33FN33.37R 2、求最小预紧力利用公式可得最小预紧力为 m i n / 1 . 2 3 3 . 3 7 / 0 . 2NQ K R f m z min 200Q 3、确定螺栓所需直径第一次计算选螺栓材料为 4.6 级的 A3 刚，由表查得其屈服极限。估取螺栓直径 d=10mm,由表并用线性插值法计240s M Pa 设 10d mm 图 3-9 小臂受力示意图 nts毕业设计 21 第二次计算算，可得安全系数 S。许用应力 / 2 4 0 / 6s S 1 4 1 . 3 / /4 1 . 3 5 9 4 0 / 3 . 1 4 / 4 0PdQ 由表可知，与 d1 相对应的标准螺栓为 M10（ d1=8.376）。与原估计（ d=10mm）不符，故重新计算。估取螺栓直径 d=18mm,由表并用线性插值法计算，可得安全系数 S。许用应力 / 2 4 0 / 6s S 1 4 1 . 3 / /4 1 . 3 5 9 4 0 / 3 . 1 4 / 4 0PdQ 由表可知，与 d1 相对应的标准螺栓为 M10（ d1=15.852）。与原估计（ d=18mm）想符， S=6 40M Pa 1 1 5 .6 8d 与原假设不符重新计算 S=6 40M Pa 1 1 5 .6 8d 应选用 M18 以上的螺栓 6 只 nts毕业设计 22 第四章线控多自由度机械手控制系统设计 4.1 三菱的 GX Developer 编程软件简介进入 GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称】中填写设备名称，设备类型选择 PLC的类型，然后单击设定按钮选择 CPU的类型，单击确定后，即可进入梯形图编程界面，开始编程，如图 4-1所示界面。图 4-1 编程界面程序编写完成后，下一步就可进行编译、链接和调试了。如果编译没有错误，就可以进行在线运行。在编译过程中，如果出现错误要进行修改时，我们既可以在梯形图编程下修改，也可在助记符方式下修改。编译完成，没有语法错误，可加载程序到 PLC，进行在线运行。 4.2 系统程序设计方法工程设计中，可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法，也是使用最多的方法。这些方法的应用，也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法，以便对下面的设计更有一个清晰的认识，也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。 1、经验设计法 nts毕业设计 23 经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下：（ 1）确定输入 /输出电器；（ 2）确定输入和输出点的个数、选择 PLC机型、进行 I/O分配；（ 3）做出系统动作工程流程图；（ 4）选择 PLC指令并编写程序；（ 5）编写其它控制控制要求的程序；（ 6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。 2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“ 0”和“ 1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行 PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于 PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换

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