-三自由度机械手设计课案

精品文档 I欢迎下载 摘 要 本次设计实验用三自由度机械手为实验用专用机械手 主要由手爪 手臂 机身 机座等组成 具备上料 搬运等多种功能 本机械手机身采用机座式 实验对象围绕机座布置 其坐标形式为关节式 具有水平旋转 手臂竖直摆动 等 3 个自由度 驱动方式为电机驱动 利用电机带动减速机 减速机减速后带 动旋转轴实现各个回转运动 电动驱动的优点是控制精度高 能精确定位 反 应灵敏 可实现高速 高精度的连续轨迹控制 伺服特性好 本次设计的机械 手能对不同物体完成多种动作 采用单片机控制系统 最终实现关节的伺服控 制和制动 实时监测机器人的各个关节的运动情况 机器人的在线修改程序 设置参考点和回参考点 关键词 机械手 电机驱动 伺服 精品文档 1欢迎下载 目 录 摘 要 I 第 1 章 绪论 1 1 1 题目提出的意义 1 1 2 国内外发展现状 1 第 2 章 方案的确定与比较分析 3 2 1 机械手机械系统的比较与选择 4 2 2 机械手驱动系统的比较与选择 6 第 3 章 驱动源的选择与设计计算 9 3 1 主要技术参数的确定 9 3 2 各关节电机的选择计算 10 3 2 1 大臂旋转电机的选择 11 3 2 2 小臂旋转电机的选择 12 3 2 3 腰部旋转电机的选择 13 第 4 章 手部结构设计 15 4 1 夹持式手部结构 15 4 1 1 手指的形状和分类 15 4 1 2 设计时考虑的几个问题 15 4 2 手部夹紧气缸的设计 16 4 2 1 弹簧的设计计算 16 4 2 2 对于压缩弹簧稳定性的验算 17 4 2 3 疲劳强度和应力强度的验算 17 4 2 4 手部驱动力计算 18 4 2 5 气缸直径的设计计算 19 4 2 6 缸筒壁厚的设计 21 4 2 7 活塞杆运动行程的计算 21 第 5 章 各机械部件的设计选择与校核 23 5 1 轴的设计与校核 23 5 1 1 大臂旋转轴的设计 23 5 1 2 大臂轴的强度校核 24 精品文档 2欢迎下载 5 2 键的选择与强度的校核 27 5 3 轴承寿命的校核 30 5 4 联轴器的选择与圆锥销的校核 31 5 4 1 联轴器的选择 31 5 4 2 联轴器圆锥销的校核 32 第 6 章 控制系统设计 33 6 1 单片机最小系统 33 6 1 1 8051 单片机介绍 34 6 2 2 复位电路 36 6 1 3 振荡电路 36 6 2 串行接口电路 37 6 3 传感器 38 6 3 1 传感器的选型 38 6 3 2 硬件电路的设计 39 6 4 电动机的控制 40 6 4 1 L298N 电机驱动芯片简介 40 6 4 2 硬件电路图 41 结 论 42 致 谢 43 参 考 文 献 44 精品文档 1欢迎下载 第 1 章 绪论 1 1 题目提出的意义 本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问题 使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作 通过不同程序的输入 使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式 进一步强化大学生学习与 就业能力 1 2 国内外发展现状 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识 其一 它能 部分代替人工操作 其二 它能按照生产工艺的要求 遵循一定的程序 时间 和位置来完成工作的传送和装卸 其三 它能操作必要的机具进行焊接和装配 从而大大的改善工人的劳动条件 显著的提高劳动生产率 加快实现工业生产 机械化和自动化的步伐 因而 受到各先进工业国家的重视 投入大量的人工 物力加以研究和应用 尤其在高温 高压 粉压 噪音以及带有放射性的污染 的场合 应用得更为广泛 在我国 近几年来也有较快的发展 并取得一定的 效果 受到机械工业和铁路工业部门的重视 1 1 国外发展现状 专用机械手经过几十年的发展 如今已进入了以通用机械手为标志的时代 机械手可以应用于更加多的场合 从而节约了不少的开发以及设计的成本 由 于机械手的发展 进而促进了智能机器人的研制 机械手涉及的内容 不仅包 括一般的机械 液压 气动等基础知识 而且还应用了一些电子技术 电视技 术 通讯技术 计算技术 无线电控制 仿生学等 因此它是一项综合性较强 的技术 目前国外对发展这一技术很重视 几十年来 这项技术的研究和发展 一直比较活跃 设计在不断的修改 品种在不断的增加 应用领域在不断的扩 大 目前国外的发展趋势是 2 1 研制有更多自由度的机械手 这样机械手就可以变得更加的灵活 从而完成更加多的动作 精品文档 2欢迎下载 2 研制带有行走机构的机械手 这种机械手可以从一个工作地点移动 到另一个工作地点 3 研制维修维护方便的机械手 4 研制能自动编制和自动改变程序的机械手 5 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手 这种机械手具有各种 传感装置 并配有计算机 根据仿生学的理论 用计算机充当其大脑 使它进 行思考和记忆 用听筒和声敏元件作为耳朵能听 用扬声器作为嘴能说话进行 应答 用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触 用滚轮或者双足式机构脚来实 现自动移位 这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令 布置任务 使自动化生产线成为智能化生产线 6 机械手的外观达到美观的要求 尽量用最简单的结构和设备能完成 更加多的动作 7 研制具有柔性系统的机械手 2 国内发展状况 目前 在国内广泛应用的再现式机械手 虽然一般也都有记忆装置 但其 程序都是预先编好的 或由人在工作之前领动一次 而后机械手可以按领动的 工作内容正确进行再现动作 如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话 那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了 现在研究的机械手正在朝 着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展 而且 机械手具有比原来的更多的自由度 3 4 虽然在这方面相对于发达国家还有点 落后 但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性 国家大力支持相关的设 计及产品的开发 在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果 国内每年都将举行机器人大赛 以增加研发单位的交流与合作 5 现在国内具 有越来越强的自主研发的单位 我相信在不久的将来 我国一定能够赶上并将 且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位 6 精品文档 3欢迎下载 第 2 章 方案的确定与比较分析 本毕业设计的机械手 要求有较高的定位精度和较高的耐用度 其结构形 式方案一般有一下几种 7 8 表 2 1 机械手结构选型表 结构形式方 案 特点优缺点结构简图 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 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 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 精品文档 4欢迎下载 续表 结构形式方案特点优缺点结构简图 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 2 1 机械手机械系统的比较与选择 1 直角坐标型机械手 直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种 机械手 它的手臂可作伸缩 左右和上下移动 按直角坐标形式 X Y Z 三个 方向的直线进行运动 结构简图见表 2 1 其工作范围可以使一个直线运动 二个直线运动或三个直线运动 如在 X Y Z 三个直线运动方向上各具有 A B C 三个回转运动 即构成六个自由 度 但在实际上是很少有的 缺点是这种机械手作业范围较小 占空比大 灵 活性差 2 圆柱坐标型机械手 圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作 具有直观性好 结构简单 而动作范围较大等优点 圆柱坐标式机械手由 X Z 三个运动组成 它的工作范围可分为 一 个旋转运动 一个直线运动 加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动 二 个直线运动加一个旋转运动 结构简图见表 2 1 圆柱坐标式机械手有五个基本动作 1 手臂水平回转 2 手臂伸缩 3 手臂上下 4 手臂回转动作 精品文档 5欢迎下载 5 手爪夹紧动作 圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒 手臂装在滑动套 筒上 手臂可作上下直线运动 Z 和在水平面内做圆弧状的左右摆动 圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大 两个移动轴的设计比较复杂 难于其他 设备协调工作 3 球坐标型机械手 球坐标式机械手是一种自由度较多 用途较广的机械手 它是由 X 三个方向的运动组成 结构简图见表 2 1 球坐标式机械手的工作 范围包括 一个旋转运动 二个旋转运动 二个旋转运动加一个直线运动 球坐标式机械手可实现以下八个动作 1 手臂上下动作 即俯仰动作 2 手臂左右动作 即回转动作 3 手臂前后动作 即伸缩动作 4 手腕上下弯曲 5 手腕左右摆动 6 手腕旋转运动 7 手爪夹紧动作 8 机械手整体移动 球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上 枢轴又装在叉形架上 能在 垂直面内做圆弧状上下俯仰运动 它的臂可作伸缩 横向水平摆动 工作范围 和人手的动作类似 它的特点是能自动选择最合理的动作路线 所以工效高 另外由于上下摆动 它的相对体积小 动作范围大 其缺点是壁障性差 有平 衡问题 位置误差与臂长成正比 控制难度大 4 关节型机械手 又称回转坐标型 分为垂直关节坐标和平面 水平 关节坐标 机械手由 立柱和大小臂组成 立柱与大臂通过肩关节相连接 立柱绕 z 轴旋转 形成腰 关节 大臂与小臂形成肘关节 可使大臂作回转和俯仰 小臂作俯仰 机械手 工作空间范围大 动作灵活 避障性好 能抓取靠近机座的物体 其缺点是位 置精度较低 控制耦合比较复杂 目前应用越来越多 10 本次设计的是实验用三自由度机械手 要求体积小 重量轻 灵活性强 对精度要求不高 抓取重量较轻 上述 4 种类型机械手中关节式械手结构最为 紧凑 占空比最小 适合中小负载 能够达到设计要求且结构不复杂 所以本 精品文档 6欢迎下载 次设计选择关节式机械手 2 2 机械手驱动系统的比较与选择 工业机械手的驱动可分为液压 气动和电动三种基本类型 1 液压驱动 液压传动机械手有很大的抓取能力 抓取力可高达上百公斤 液压力可达 7Mpa 液压传动平稳 动作灵敏 但对密封性要求高 不宜在高或低温现场工 作 需配备一套液压系统 整体结构庞大 液压驱动有以下特点 1 输出功率很大 压力范围为 50 140N cm2 2 控制性能较强 利用液体的不可压缩性 控制精度较高 输出功率 大 可无级调速 反应灵敏 可实现连续轨迹控制 3 结构适当 执行机构可标准化 模拟化 易实现直接驱动 功率 质 量比大 体积小 结构紧凑 密封问题较大 4 液压系统可实现自我润滑 过载保护方便 使用寿命长 液压驱动需配置液压系统 易产生泄漏而影响运动精度 系统易发热 出现故 障后较难找出原因 5 适用于重载 低速驱动 电液伺服系统适用于喷涂机械手 点焊机 械手和托运机械手 2 气压驱动 气压传动机械手结构简单 动作迅速 价格低廉 由于空气可压缩 所以 工作速度稳定性差 气压一般为 0 7Mpa 因而抓取力小 只有几十牛到百牛 力 气压驱动具有以下特点 1 输出功率不大 压力范围为 48 60N cm2 最高可达 100N cm2 2 可控性不强 气体压缩性能大 精度低 阻尼效果差 低速不易控 制 难以实现高速高精度的连续轨迹控制 3 执行机构可标准化 模拟化 易实现直接驱动 功率 质量比大 体 积小 结构紧凑 密封问题比液压小 4 适用于中小负载驱动 精度要求较低的有限点位程序控制机器人 如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具 11 3 电力驱动 精品文档 7欢迎下载 这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种 早期多采用步进电动机 SM 驱动 后来发展了直流伺服电动机 DC 现在交流伺服电动机 AC 驱动也开始广泛应用 上述驱动单元有的直接驱动机构运动 有的通过减速器 装置来减速 结构简单紧凑 电动驱动的控制精度高 功率较大 能精确定位 反应灵敏 可实现高速 高精度的连续轨迹控制 伺服特性好 控制系统复杂 适用于中小负载 要求 具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度 速度较高的机械手 如 AC 伺服喷 涂机械手 点焊机械手 弧焊机械手 装配机械手等 电力驱动可分为普通交流电动机驱动 交 直流伺服电动机驱动和步进电 动机驱动 各种电机驱动的特点 1 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 2 直流伺服电动机 直流伺服电动机具有良好的启动 制动和调速特性 可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速 动态响应特性和稳定性好 可 适应频繁启动 反向 制动等工作状况 直流伺服电动机按励磁方式不同 有 永磁式和电磁式之分 按转速高低及转子的转动惯量大小 有高速 小惯量 小惯量直流伺服电动机有多种 无槽电枢直流伺服电动机 绕组铁芯细长 故转动惯量小 其功率较大 空心杯转子直流伺服电动机 转动惯量很小 灵 敏度更高 功率较小 印制绕组直流伺服电动机 可承受频繁的起动 换向 切率中等 这类电动机的转子转动惯量小 电感小 故换向性能好 动态响应 快 快速性能好 低速无爬行 和低速 大惯量 大惯量直流伺服电动机有 永磁式和电磁式两种 其中永磁式用得较多 它的低速性能好 输出转矩大 调速范围宽 转子惯量大 受负载影响小 故可与丝杠直接连接 承受过载 重载能力强 之分 3 交流伺服电动机 交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优 点 且结构简单 制造 维护简单 具有调速范围宽 稳速精度高 动态响应 特性更好等技术特点 可达到更大的功率和更高的转速 4 步进电动机 步进电动机是由电脉冲信号控制的 它可将电脉冲信号 转换成相应的角位移或直线位移 有回转式和直线式两种 步进电动机结构简 单 控制简便 价格较低 但易失步 具有转子惯量低 反应灵敏 能提供较 大的低速转矩 无漂移 无积累定位误差等优良性能 其控制线路简单 不需 精品文档 8欢迎下载 反馈编码器和相应的电子线路 步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正 比关系 转子速度主要取决于脉冲频率 故控制简便 步进电动机系统主要由 步进控制器 功率放大器及步进电动机组成 纯硬件的步进电动机控制器由脉 冲发生器 环形分配器 控制逻辑等组成 它的作用就是把脉冲串分配给步进 电动机的各个绕组 使步进电动机按既定的方向和速度旋转 若采用微机技术 用软件与硬件相结合 则控制器不仅可在硬件上简化线路 降低成本 而且又 提高可靠性 12 13 综上所述 由于本次设计机械手负载较小 对体积有一定要求 又考虑到 机械手的特点和各驱动方式的优缺点 直流伺服电机体积小 控制精度高 与 传动系统配合结构最为紧凑 故机械手关节处选择直流伺服电机驱动 手部采 用气动驱动 第 3 章 驱动源的选择与设计计算 3 1 主要技术参数的确定 重心 重心 精品文档 9欢迎下载 图 3 1 机械手手臂重量分布图 重心 图 3 2 开口盘重量分布图 如图 3 1 所示 设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下 1 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为 397mm 质量为 M1 6kg 左右 重心在距离第一关节轴 220mm 处 L1 220mm 2 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为 435mm 质量为 M2 7kg 左 右 重心在距第二关节轴 280mm 处 L2 397 280 677mm 如图 3 2 所示 设计机械手开口盘质量和尺寸如下 旋转轴与转盘中心距离为 160mm 转盘质量为 15Kg 本次设计机械手的基本设计参数如下 负载 1kg 大臂回转 0 小臂回转 0 腰 90s 60 60s 60 部旋转 0 600 s 手爪夹持半径 45mm 95mm 360 3 2 各关节电机的选择计算 当机械手手臂旋转时 当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大 所以在旋转 开始时可产生电机的转矩不足 如图 3 1 所示 设两臂绕各自重心轴的转动惯 量分别为 JG1 JG2 根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为 14 J1 JG1 M1L12 JG2 M2L22 3 1 其中 M1 M2 分别为 6Kg 7Kg L1 L2 分别为 220mm 677mm JG1M1L12 JG2M2L22 故可忽略不计 所以绕大臂轴的转 精品文档 10欢迎下载 动惯量为 J1 M1L12 M2L22 3 2 6 0 22 7 0 6772 3 45kg m2 同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量 M2 7Kg L4 280mm J2 M2L42 3 3 7 0 282 0 5488kg m2 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与 小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和 设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为 J3 所以同理可得腰关节旋转转 轴的转动惯量 M3 15Kg L5 160mm 3 2 013135 3 4515 0 1623 834JJJJM LKg m 4 3 2 1 大臂旋转电机的选择 设大臂速度为 则旋转开始时的转矩可表示如下 1 60 s 3 TJ 5 式中 T 旋转开始时转矩 N m J 转动惯量 kg m2 角加速度 rad s 设机械手大臂从到所需的时间为 由式0 0 1 60 s 0 2ts 3 5 有 10 1111 3 4518 1 3 0 2 TJJN m t 精品文档 11欢迎下载 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 取安全系数 为 2 则减速机输出轴所需输出的最小转矩为 01 22 18 136 2 TTN m 选择减速机 型号 APEX AE235 同轴式行星减速机 额定输出转矩 40N m 减速比 i1 100 谐波减速器的的传递效率为 步进电机应输出力矩为 90 3 6 01 1 36 2 0 402 1000 9 out T TN m i 选择小型直流伺服电机 型号 MAXON EC118896 额定转矩 0 7N m 额定电压 24V 额定电流 1 5A 额定转速 1000rpm 最高转速 1200rpm 额定功率 40w 电机尺寸 L 93mm D 46mm 3 2 2 小臂旋转电机的选择 原理同上 设小臂转速 设角速度从 0 加到所需加速时间 2 60 s 2 则旋转开始时的转矩可表示如下 st2 0 3 7 TJ 式中 T 旋转开始时转矩 N m J 转动惯量 kg m2 角加速度 rad s2 由式 3 7 有 精品文档 12欢迎下载 20 22 20 548810 47 3 0 1 TJJN m t 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 取安全系数 为 2 则减速机输出轴所需输出的最小转矩为 3 8 022 22 10 4720 94 TTN m 选择减速机 型号 APEX AE235 同轴式行星减速机 额定输出转矩 40N m 减速比 i2 100 谐波减速器的的传递效率为 步进电机应输出力矩为 90 3 9 02 2 20 94 0 233 1000 9 out T TN m i 选择小型直流伺服电机 型号 MAXON EC118896 额定转矩 0 7N m 额定电压 24V 额定电流 1 5A 额定转速 1000rpm 最高转速 1200rpm 额定功率 40w 电机尺寸 L 93mm D 46mm 3 2 3 腰部旋转电机的选择 设旋转盘旋转速度为 则旋转开始时的转矩可表示如下 3 60 s 3 10 TJ 式中 T 旋转开始时转矩 N m J 转动惯量 kg m2 精品文档 13欢迎下载 角加速度 rad s 设机械手大臂从到所需的时间为 则 0 0 3 60 s 0 2ts 0 000 3 83420 07 3 0 2 TJJN m t 若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩 取安全系数 为 2 则减速机输出轴所需输出的最小转矩为 3 11 000 2220 741 4 TTN m 选择减速机 型号 APEX AE238 同轴式行星减速机 额定输出转矩 50N m 减速比 i3 100 设谐波减速器的的传递效率为 步进电机应输出力矩为 90 3 12 00 0 41 4 0 46 1000 9 out T TN m i 选择小型直流伺服电机 型号 MAXON EC137489 额定转矩 0 9N m 额定电压 24V 额定电流 2A 额定转速 1000rpm 最高转速 1200rpm 额定功率 60w 电机尺寸 L 124mm D 64mm 精品文档 14欢迎下载 第 4 章 手部结构设计 4 1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指 或手爪 和传力机构所组成 其传力结构形式比较 多 如滑槽杠杆式 斜楔杠杆式 齿轮齿条式 弹簧杠杆式等 4 1 1 手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种 其中常用的有两指式 多指式和双手双指式 按 手指夹持工件的部位又可分为内卡式 或内涨式 和外夹式两种 按模仿人手手 指的动作 手指可分为一支点回转型 二支点回转型和移动型 或称直进型 其中以二支点回转型为基本型式 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离 缩小到无穷小时 就变成了一支点回转型手指 同理 当二支点回转型手指的 手指长度变成无穷长时 就成为移动型 回转型手指开闭角较小 结构简单 精品文档 15欢迎下载 制造容易 应用广泛 移动型应用较少 其结构比较复杂庞大 当移动型手指 夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置 能适应不同直径的工件 4 1 2 设计时考虑的几个问题 1 具有足够的握力 即夹紧力 在确定手指的握力时 除考虑工件重量外 还应考虑在传送或操作过程中 所产生的惯性力和振动 以保证工件不致产生松动或脱落 2 手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角 手指的 开闭角应保证工件能顺利进入或脱开 若夹持不同直径的工件 应按最大直径 的工件考虑 对于移动型手指只有开闭幅度的要求 3 保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置 必须根据被抓取工件的形状 选择相应的手指形状 例如圆柱形工件采用带 V 形面的手指 以便自动定 心 4 具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外 还受到机械手在运动过程中所产生 的惯性力和振动的影响 要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形 当应 尽量使结构简单紧凑 自重轻 并使手部的中心在手腕的回转轴线上 以使手 腕的扭转力矩最小为佳 5 考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要 通过比较 我们采用的机械手的手部结构是一支 点 两指回转型 由于工件多为圆柱形 故手指形状设计成 V 型 16 4 2 手部夹紧气缸的设计 4 2 1 弹簧的设计计算 选择弹簧是压缩条件 选择圆柱压缩弹簧 如图 4 1 所示 精品文档 16欢迎下载 图 4 1 圆柱压缩弹簧 图 4 1 中 D 为弹簧中心线到弹簧丝中心的距离 D1为弹簧中心线到弹簧 丝内圈的距离 D2为弹簧中心线到弹簧丝外圈的距离 d 为弹簧丝直径 H0为 弹簧长度 本次设计弹簧具体尺寸参数如下 D 20mm d 7mm 1 d 16 5mmDD 2 d 27mmDD 0 50 5Hmm n 4 2 2 对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时 则受力后容易失去稳定性 这在工作中是 不允许的 为了避免这种现象本次使用的压缩弹簧的长细比 0 50 2 5 20 H b D 本设计弹簧是 2 端自由 根据下列选取 当两端固定时 当一端固定 一端自由时 当两端自由5 3b 3 7b 转动时 2 6b 本设计弹簧 因此弹簧稳定性合适 2 52 6b 4 2 3 疲劳强度和应力强度的验算 对于循环次数多 在变应力下工作的弹簧 还应该进一步对弹簧的疲劳强 度和静应力强度进行验算 如果变载荷的作用次数 或者载荷变化幅 3 10N 度不大时 可只进行静应力强度验算 精品文档 17欢迎下载 现在由于本设计是在恒定载荷情况下 所以只进行静应力强度验算 计算公式 4 1 max ca S SS SS 式中 选取 1 3 到 1 7 之间 力学性精确能高 s S K 取 1 2 F 取 1620N max 33 88 1 2 0 020 1621288975135 d3 14 0 007 KDF 6 max 800 10 2 768 288975135 ca s SS pa SS pa 结论 经过校核 弹簧适应 4 2 4 手部驱动力计算 本次设计的机械手手部结构示意图如下图 4 2 所示 精品文档 18欢迎下载 图 4 2 齿轮齿条式手部 其工件重量 G 1 公斤 V 形手指的角度 摩擦系数为 1202 10040bmmRmm 10 0 f 1 根据手部结构的传动示意图 其驱动力为 4 R b p 2 N 2 2 根据手指夹持工件的方位 可得握力计算公式 4 0 5NGtg 0 5 10 tg60 8 66N 8 7N 取 3 所以 2b p R N43 5 N 3 实际驱动力 4 21K K pp 实际 4 因为传力机构为齿轮齿条传动 故取 并取 若被抓取94 0 5 1 1 K 工件的最大加速度取时 则 3ag 2 14 a K g 所以 取 280 N 1 5 4 43 5277 65 0 94 pN 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 280N 4 2 5 气缸直径的设计计算 本气缸属于单向作用气缸 根据力平衡原理 单向作用气缸活塞杆上的输 精品文档 19欢迎下载 出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力 其公式为 4 zt FF PD F 4 2 1 5 式中 活塞杆上的推力 N 1 F 弹簧反作用力 N t F 气缸工作时的总阻力 N z F 气缸工作压力 Pa P 弹簧反作用按下式计算 4 1 sGF ft 6 4 7 f G nD Gd 3 1 4 1 8 式中 弹簧刚度 N m f G 弹簧预压缩量 m 1 活塞行程 m s 弹簧钢丝直径 m 1 d 弹簧平均直径 mm 1 D 弹簧有效圈数 n 弹簧材料剪切模量 一般取GPaG 9 10 4 79 在设计中 必须考虑负载率的影响 则 精品文档 20欢迎下载 4 t F pD F 4 2 1 8 由以上分析得单向作用气缸的直径 4 1 4 FFt D pn 9 代入有关数据 可得 f G 3 1 3 1 8 Gd D n 3 93 3 3 79 4 10 7 10 8 54 10 5 3026 714 N m 1 sGF ft 3 3026 714 60 10 181 N 所以 D pn FtF 1 4 2 4 280181 53 46 10 58 24 mm 查有关手册圆整 得63Dmm 可得活塞杆直径 0 30 4 18 925 2dDmm 圆整后 取活塞杆直径校核 按公式28dmm 4 2 1 dF 有 4 10 0 5 4 1 dF 其中 MPa120 1 280FN 则 0 5 4280 120 d 精品文档 21欢迎下载 d1 72328 满足实际设计要求 4 2 6 缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力 必须有一定厚度 一般气缸缸筒壁厚与内 径之比小于或等于 1 10 其壁厚可按薄壁筒公式计算 4 11 2 p DP 式中 6 缸筒壁厚 mm 气缸内径 mm D 实验压力 取 Pa p PPPp5 1 材料为 ZL3 3MPa 代入己知数据 则壁厚为 2 p DP 56 63 6 10 2 3 10 6 3 mm 取 则缸筒外径为 mm5 7 1 637 5 278 Dmm 4 2 7 活塞杆运动行程的计算 本次设计机械手手爪夹持半径为 45mm 95mm 手爪手指长 100mm 设手爪 夹持最小半径工件与夹持最大半径工件之间手爪的旋转角度为 则有 4 12 0 21 9545 arcsinarcsin30 100100 RR 式中 R1 夹持最小半径 mm R2 夹持最大半径 mm 精品文档 22欢迎下载 由于活塞杆与手爪间用齿轮齿条传动 所以齿轮的转动弧长则为活塞杆 运动行程 设活塞杆运动行程为 L 则 3022 5 11 78 180180 n R Lmm 所以活塞杆的运动行程为 11 78mm 由于考虑到机械精度和传动效率的影 响 本次设计设计活塞杆运动行程为 15mm 精品文档 23欢迎下载 第 5 章 各机械部件的设计选择与校核 5 1 轴的设计与校核 5 1 1 大臂旋转轴的设计 转矩和弯矩是轴的主要承受载荷 轴的常见形式有直轴和弯轴 而根据本次 设计中机构的特点 选择传动轴为直轴 知条件可知 n 10r min 由电机传递到 轴上的功率 50 0 9 0 045 wPPK 电 选择轴的材料为 45 钢 经调质后 再使用 由参考资料表查得 硬度 HBS217 255 屈服强度极限 s 360MPa 抗拉强 度极限 b 650 MPa 弯曲疲劳强度极限 1 300 MPa 由表查得 1 b 55 MPa 初步确定轴的直径 按照扭转强度估计轴输出端直径 由表查得 C 1 3 126 取 C 120 由式 得 d 120 19 81 取 d 19mm 轴的设计尺寸参数如下 3 p d n 3 0 045 10 图 5 1 所示 图 5 1 大臂旋转轴 精品文档 24欢迎下载 5 1 2 大臂轴的强度校核 按照扭转强度校核 本次设计传动轴全长 193mm 最小轴颈 19mm 材料为 45 号钢 经调质后 使用 轴的扭转强度条件为 5 3 9550000 n 0 2d TT T P T W 1 式中 扭转切应力 MPa T T 轴所受的扭矩 N mm 轴的抗扭截面系数 T W 3 mm N 轴的转速 r min P 轴的传递功率 Kw D 计算界面处轴的直径 mm 许用扭转切应力 MPa T 由上式得 5 3 3 0 9550000p d A 0 2n t p n 2 查表得的范围为 25 MPa 45MPa 的范围为 103 126 T 0 A 本次设计取 40 则 T 精品文档 25欢迎下载 取 106 3 0 9550000 106 8 0 2 40 A 则 33 0 0 045 d10617 5mm n10 P A 本次设计最小轴径为 19mm 17 5mm 故满足强度要求 按照弯扭合成强度校核 弯扭合成图如图 5 2 所示 图 5 2 弯扭合成图 精品文档 26欢迎下载 r123 12 2 1 2 1 12 1 761 10140 71mm 70 70 y y 0 140719940 mm FAVR FBVR R FAV R FBV HR FGGGN LF FLF L FLF L F L FN L F L FN L MM MF LN 若是轴强度合格 则 2 2 ca 1 M W 5 3 式中 轴的计算应力 MPa ca M 轴所受的弯矩 N mm T 轴所受的扭矩 N mm W 轴的抗弯截面系数 3 mm 截面系数 本次设计轴的材料为 45 号刚 查表得 0 6 取 1 60 取 轴的危险界面断面图如下图 5 3 所示 精品文档 27欢迎下载 图 5 3 轴的危险截面断面图 图中 b 8mm t 3 5mm d 30mm 22 33 3 bt d t8 3 5 303 5d30 2323mm 322d322 30 W 所以 22 22 ca 99400 6 40000 11 18 2323 MT W 即 ca1 11 1860 所以本次设计的轴强度合格 5 2 键的选择与强度的校核 1 大臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择普通圆头平键 GB T1096 bhl 10 870 平键联接传递转矩时 其主要失效形式是工作面被压溃 除非有严重过载 一 般不会出现键的剪断 通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算 由 机械设计 第七版页 查得载荷在键的工作表面上均匀分布 普通平 103 P 键联接的强度条件 精品文档 28欢迎下载 5 3 210 PP T kld 4 式中 T 传递的转矩 N m K 键与轮毂键槽的接触高度 k 0 5h 此处 h 为键的高度 mm mm 键的工作长度 圆头平键 这里为键的公称长度 lmmlLb L 为键的宽度 mmbmm 轴的直径 dmm 键 轴 轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力 P a MP 从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力62 分别为和 a 100120MP a 5060MP 键的材料为 45 号钢 大臂与钻转轴的材料分别为和 45 号钢 三150HT 者中最弱的材料是铸铁 测试中存在轻微冲击载荷 故为 取 P a 5060MP 其平均值 55 P a MP 此处键传递的转矩 T 40 键与轮毂键槽的接触高度 k 4 键的N m mm 工作长度 轴的直径 30 将这些数据代入公式7010mm60mml dmm 5 4 得 3 210 P T kld 3 a 240 10 MP 46030 a 11 11MP P 故键的强度满足要求 键联接安全 2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核 选择使用普通圆通平键 GB T1096 尺寸10 860bhl 精品文档 29欢迎下载 平键联接传递转矩时 其主要失效形式是工作面被压溃 除非有严重过载 一 般不会出现键的剪断 通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算 由 机械设计 第七版页 查得载荷在键的工作表面上均匀分布 普通平 103 P 键联接的强度条件 3 210 PP T kld 式中 T 传递的转矩 N m K 键与轮毂键槽的接触高度 k 0 5h 此处 h 为键的高度 mm mm 键的工作长度 圆头平键 这里为键的公称长度 lmmlLb L 为键的宽度 mmbmm 轴的直径 dmm 键 轴 轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力 P a MP 从本书表查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应62 力分别为和 a 100120MP a 5060MP 键的材料为 45 号钢 大臂与旋转轴的材料分别为和 45 号钢 三150HT 者中最弱的材料是铸铁 测试中存在轻微冲击载荷 故为 取 P a 5060MP 其平均值 55 P a MP 此处键传递的转矩 T 40 键与轮毂键槽的接触高度 k 4 键的N m mm 工作长度 轴的直径 30 将这些数据代入公式6010mm50mml dmm 5 4 得 3 210 P T kld 3 a 240 10 MP 45030 a 13 33MP P 精品文档 30欢迎下载 故键的强度满足要求 键联接安全 5 3 轴承寿命的校核 本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的 故选用四口相同 型号尺寸的轴承 选择深沟球轴承 6186 所以校核所受载荷最大的一个轴承 合格即可 本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命 该轴上的轴承只受径向载荷 轴承的预 期计算寿命 轴承对轴的支撑力与轴承上所受到的径向载荷是一 100000 h Lh 对作用力与反作用力 由前边轴的强度校核部分 可以计算出轴上安装轴承两 处的轴承所受到的径向载荷和大小分别为 rB F rD F 70 rB FN 70 rD FN 查 机械设计 第七版页公式 知以小时表示的轴承寿命 312 P135 为 h L 5 6 10 60 h C L n P 5 式中 轴承的转速 nr min 轴承的基本额定动载荷 kN C 载荷 kN P 指数 对于球轴承 3 轴承的转速 从 最新轴承手册 页表查得代号为10r minn 296 P3 1 3 6186 深沟球轴承的基本额定动载荷 将相关数据代入轴承寿命40 8k NC 精品文档 31欢迎下载 计算公式可求得 h L 66 311 101040800 h3 3 10 h 6060 1070 h C L n P 远大于 轴承的寿命满足设计要求 h L h L 5 4 联轴器的选择与圆锥销的校核 5 4 1 联轴器的选择 1 大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择 选择圆锥销套筒式联轴器 如图 5 4 所示 图 5 4 圆锥销套筒式联轴器结构图 联轴器具体尺寸参数如下 6mm 4mm L 45mm 35mm 额定转矩 50N M 圆锥销 1 d 2 d 0 D635 圆锥销435 2 旋转盘与减速机之间联轴器选择 如图 5 4 所示 具体尺寸参数如下 8mm 4mm L 50mm 40mm 额定转矩 70N M 圆锥销 1 d 2 d 0 D840 精品文档 32欢迎下载 圆锥销440 5 4 2 联轴器圆锥销的校核 由于联轴器最小直径圆锥销都是 4mm 所以本次设计只校核受力最大的即 可 圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效 校核公式为 5 6 2 2000T d D 式中 D 圆锥销的平均直径 mm T 所传递的转矩 N m D 轴径 mm 销的许用剪切应力 对于 45 号钢一般取 80MPa 其中 T 40N m d 4 5mm D 19mm 所以 MPa 22 200200040 66 185 4 519 T d D 所以校核合格 精品文档 33欢迎下载 第 6 章 控制系统设计 机器人具有多个自由度 每个自由度一般包括一个伺服机构 它们必须协 调起来 组成一个多变量控制系统 这种多变量的控制系统 一般要用计算机 来实现 因此 控制系统在本次设计中非常重要 本次设计选择单片机控制系 统 控制系统总体设计框图如图 6 1 所示 单片机 传感器 独立键 盘 计算机 电磁阀机械手爪 驱动芯片伺服电机 传动部件机械手臂 图 6 1 控制系统总体框图 6 1 单片机最小系统 由于单片机体积小 价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力 因 此本次设计控制芯片选择 8051 单片机 单片机最小系统一般由单片机 复位 电路 震荡电路等组成 由于本次设计使用 8051 单片机 所以以 8051 最小系 统为例介绍单片机最小系统 8051 单片机最小系统硬件电路图如图 6 2 所示 精品文档 34欢迎下载 30uF 30uF 12MHz SW PB 10K P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 RST Vpd 9 P3 0RXT 10 P3 1TXD 11 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6WR 16 P3 7RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 Vcc 40 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 EA Vpp 31 ALE PROG 30 PSEN 29 P2 7 28 P2 6 27 P2 5 26 P2 4 25 P2 3 24 P2 2 23 P2 1 22 P2 0 21 P1 7 8 P1 6 7 8051 8051 10uF 5 200 5 图 6 2 51 单片机最小系统电路图 6 1 1 8051 单片机介绍 8051 单片机的片内结构如图 6 3 所示 8051 单片机是把那些作为控制应 用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上 如果按功能划 分 它由如下功能部件组成 1 微处理器 CPU 2 数据存储器 RAM 3 程序存储器 ROM EPROM 4 4 个 8 位并行 I O 口 P0 口 P1 口 P2 口 P3 口 5 1 个串行口 6 2 个 16 位定时器 计数器 7 中断系统 8 特殊功能寄存器 SFR 上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成 如图 6 3 所示 图 6 3 中各功能部件的功能如下 1 CPU 微处理器 8051 单片机中有一个 8 位的微处理器 与通用的微处 理器基本相同 同样包括了运算器和微处理器两大部分 只是增加了面向控制 的处理功能 不仅可以处理字节数据 也可以进行位变量的控制 精品文档 35欢迎下载 2 数据存储器 片内为 128B 片外最多可外扩 64KB 数据存储器来存 储单片机运行期间的工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 片内的 128B 的 RAM 以高速 RAM 形式集成在的单片机内 可以加快单片机的 运行速度 而且这种结构还可以降低单片机的功耗 3 程序存储器 用来存储程序 为 4K 的 ROM 最多可外扩至 64KB 4 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 5 定时器 计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 计数器 具有 4 种工作 方式 6 串行口 1 个全双工的的串行口 具有 4 种工作方式 可用来进行串 行通信 扩展并行 I O 口 7 P1 口 P2 口 P3 口 P0 口 为 4 个并行 8 位 I O 口 8 特殊功能寄存器 SFR 特殊功能寄存器共有 21 个 用于 CPU 对片内 各功能部件进行管理 控制 监视 实际上片内各功能部件的控制寄存器和状 态寄存器 是一个具有特殊功能的 RAM 区 CPU 运算器 控制器 数据存储器 RAM P0P2 P1 P3 串 行 口 定时器 计数器 程序存储器 ROM EPROM 特殊功能寄 存器 SFR XTAL1 XTAL2 ALE PSEN EA RESET 8 8 88 图 6 3 8051 单片机片内结构 精品文档 36欢迎下载 6 2 2 复位电路 单片机的置位和复位 都是为了把电路初始化到一个确定的状态 一般来 说 单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态 而在单片机内 部 复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上外接电阻和电容 实现 上电复位 当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效 复位电平的持续时 间必须大于单片机的两个机器周期 具体数值可以由 RC 电路计算出时间常数 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成 1 上电复位 STC89 系列单片及为高电平复位 通常在复位引脚 RST 上 连接一个电容到 VCC 再连接一个电阻到 GND 由此形成一个 RC 充放电回路保 证单片机在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位 随后回归到低电平 进入正常工作状态 这个电阻和电容的典型值为 10K 和 10uF 2 按键复位 按键复位就是在复位电容上并联一个开关 当开关按下时 电容被放电 RST 也被拉到高电平 而且由于电容的充电 会保持一段时间的 高电平来使单片机复位 6 1 3 振荡电路 单片机系统里都有晶振 在单片机系统里晶振作用非常大 全程叫晶体振 荡器 他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率 单片机晶振提供的 时钟频率越高 那么单片机运行速度就越快 单片接的一切指令的执行都是建 立在单片机晶振提供的时钟频率 在通常工作条件下 普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十 高级的 精度更高 有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率 称为