基于框架式三自由度机械手设计及控制

基于框架式三自由度机械手设计及控制 1摘 要在当今大规模制造业中，随着工业自动化发展的需要，工业机器人在工业应用中越来越重要。企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化水平。 本设计是一台三自由度的工业机器人，用于给相关设备运送物料。在控制器的作用下制动，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文将对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，工业机器人，制动基于框架式三自由度机械手设计及控制 2AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, the applying of the manipulators are more and more inportant in the industry with the development of industrial automation. enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, an guarantee the product quality. As an important part of the automation production line , industrial robots are gradually approve and adopred by enterprises.The technique level and the application to some extent. In this paper I will design an industrial robot with three DOFs, which is used to carry material for a punch. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.Key words ：three degrees of freedom, Industrial robot, brake基于框架式三自由度机械手设计及控制 3目 录1 绪论-11.1 机械手的概述-21.2 国内外研究现状与发展 -21.3 课题设计要求-32 机械手的总体设计方案-42.1 机械手的设计要求-42.2 机械手的系统工作原理及组成-42.3 工作要求-52.4 总体方案拟定-52.5 设计技术参数-63 机械手的机械系统设计-83.1 机械手的运动概述-83.2 机械手的运动过程分析-94 机械手的总体设计方案-104.1 手部结构设计-104.2 手部的分析与计算-114.3 气缸的设计-175 机械手的总体设计方案-195.1 X 轴小臂设计-195.2 Y 轴大臂设计-276 机械手腰部和基座结构设计及计算-356.1 结构设计-356.2 电动机的选取-356.3 轴承的选择-366.4 联轴器的选择-377 机械手的控制系统设计-397.1 系统方案设计构成-397.2 单片机的选用-407.3 驱动器的选择-417.4 工作流程图及误差分析-44结论-53参考文献-54致谢-55基于框架式三自由度机械手设计及控制 41 绪论机械手装置在工业生产中以得到广泛使用，列如在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面有也得到越来越广泛的使用。本课题旨在掌握机械手装置及其控制，可见该项目的研发具有重要的现实意义和工程应用价值。框架式三自由度机械手可以模仿人的手进行抓取、移动的动作，实现对工件的抓取及转移。框架式三自由度机械手主要由控制部分以及机械部分两大部分组成：机械手主体以及控制部分。其工作原理是用机械手代替人工搬运，通过丝杠传动、电机、单片机控制装置、使机械手的水平旋转、伸缩、夹取等动作，从而使机械手完成对工件的抓取搬运。达到节省劳动力的目的。1.1 机械手的概述机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手，它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。其特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械 6。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。它是为主机服务的，由主机驱动；工作程序一般是固定的。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。由于科学幻想所系的“永动机” 、太空探险以及梦想解决人的机能所无法达致境界的求新意念，推动科学家想研究创造出种种能够代替人的机械。上世纪六、七十年代的自动化机器、无人操纵的飞行器等等，即是此产业发展链条上的一个大胆的尝试与突破。虽然，后来电脑、电子产业的发达引开了人们关注的热点，但关于机械手的研究与开发一直在持续进行着。而近二十年中，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展， “机械手”的研发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开发活动，参与者也打破了各行各业的划地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争奇斗妍，蔚成热潮的研究与制作尝试 7。机械手的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手术机械，生命监测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机械手的战争。至于工业、农业、遗传生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机械手的大量登场而出基于框架式三自由度机械手设计及控制 5现产业革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机械手的。1.2 国内外研究现状与发展趋势1.2.1 国外机械手技术的发展概况如今世界许多发达国家高度重视机器人技术的研究，各种用途的机械手越来越多地应用于现代化的工业生产以及作业中。说到第一台机械手可以追溯 1985 年，美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的机构是机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁快的工件抓放机构。80 年代，美国政府和企业界对机器人开始重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80 年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，其功能以及控制系统也一代比一代先进。可见美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位 8。在亚洲范围内日本是工业机械手发展的最快、应用最多的国家。自 1967 年从美国引进两种机械售后大力从事机械手的研究。并于 1968 年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到欢迎。日本政府也在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人。这使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到上世纪 80 年代中期，已一跃成为机器人王国，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位 9。正因为这样才使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。使得日本的经济在世界范围内迅速崛起。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。70 年代，德国政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。从而带动了德国的经济发展2。前苏联则是从六十年代开始发展机械手，目前来看其工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制。第二代则在加紧研制中 11。在国外机械制造业中工业机械手应用较多发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及电焊、喷漆等作业。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，使其能根据外界的变化做出相应的反应。可见工业机械手的普及是将来的发展趋势。基于框架式三自由度机械手设计及控制 62、中国机械手行业的现状及前景现代工业生产中，生产过程中的机械化、自动化已经成为突出的主题。我国在七五计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。目前工业机械手主要用于机床加工，铸造，热处理等方面，无论数量，品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在我国范围内机械手重点发展于铸造、热处理方面，以减轻劳动强度及作业条件。在应用专业机械手的同时相应的发展同用机械手，有条件的情况下研制示教机械手，计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的加紧机构，即可组成不同用途的机械手。这样既便于设计制造又便于跟换工件，这样便夸大了机械手应用范围。此外我国还在大力研究伺服型、记忆再现型，以及有触觉、视觉等性能的机械手。1.3 本课题设计要求本课题将要完成的主要任务如下:（1）机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。（2）选取机械手的座标型式和自由度。（3）设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成夹持式手指来抓取棒料工件。 （4）传动系统的设计本课题将设计出机械手的传动系统，包括丝杠的选取，气动夹具的设计。（5）机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可单片机对机械手进行控制，本课题将要选取单片机型号并且绘制出电气图。基于框架式三自由度机械手设计及控制 72 机械手的总体设计方案2.1 机械手的设计要求2.1.1 机械手设计的预计目标预计达到的目标：熟悉框架式三自由度机械手的工作原理及其组成部分的结构，机械手的设计计算。关键理论和技术：在设计框架式三自由度机械手中主要理论和技术包括：机械设计理论、控制理论、微机控制与接口技术等。2.2 机械手的系统工作原理及组成机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在程序控制的条件下，采用丝杠传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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 12。位置检测装置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要求达到设定位置。图 2-1 机械手的执行系统执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（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。基于框架式三自由度机械手设计及控制 8（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）机身：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：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求图 2-2 工业机器人的组成图2.3 工作要求：机械手的工艺流程：机械手原位机械手前伸机械手上升机械手抓取并夹紧机械手后退机械手前进停止左转 90机械手前伸机械手松开机械手后退机械手下降机械手右转 90机械手后退退至原位2.4 总体方案拟定在工业机器人的诸多功能中，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。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用大扭矩电机控制旋转运动；利用两台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下及其前后运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸基于框架式三自由度机械手设计及控制 9驱动夹紧。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦，丝杠传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动 13。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动相比，有以下特点：（1） 传动效率高一般滚之丝杠副的传动效率达到 85%98%，为滑动丝杠副的3-4 倍。（2） 运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动无冲击，低速时无爬行。（3） 能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。（4） 工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度、具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠福的 4-10 倍以上。（5） 定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙、通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。（6） 同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同运动。（7） 可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。（8） 不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。2.5 设计技术参数用途:用于车间搬运在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。图 2-3 图 2-4基于框架式三自由度机械手设计及控制 10负载重量：3kg自由度：3(1) 大臂的升降(2) 大臂的伸缩(3) 腰轴各轴的最大运动范围：（1） 垂直直线运动由步进电机与垂直丝杠实现，其伸缩长度约为 200m（2） 水平旋转位移由电机实现，其旋转角度为 90（3） 水平直线运动步进电机与水平丝杠实现，其伸缩长度约为 100mm各轴的运动速度：（1） 大臂升降速度 100mm/s（2） 滑块伸缩速度 40mm/s控制系统的设计分析：本课题采用单片机对机械手进行控制，预定工作流程如下：图 2-5 工作流程基于框架式三自由度机械手设计及控制 113 机械手的机械系统设计3.1 机械手的运动概述机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。图 3-1 机械手的机构简图（1）机械手的运动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。本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。（2）机械手的工作空间工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数。（3）机械手的机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一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱形。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。基于框架式三自由度机械手设计及控制 123.2 机械手的运动过程分析表 3-1实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性。基于框架式三自由度机械手设计及控制 13图 3-24 机械手手部结构设计及计算4.1 手部结构设计4.1.1 手指的形状和分类手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。常用的手部，根据传力结构形式分，可分为滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。根据设计要求，本设计采用的是夹取式的手部结构。夹取式手抓的手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴盘类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。基于框架式三自由度机械手设计及控制 14图 4-1 手抓的结构示意图平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指的结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆柱形的，所以采用齿轮齿条型手指，其张开和闭合靠手指根部的回转来完成。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生加持定位误差。为了手指的结构紧凑，这里采用齿轮齿条样式。4.1.2 设计时考虑的几个问题（1）具有足够的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。基于框架式三自由度机械手设计及控制 15（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。4.2 手部的分析与计算4.2.1 气动机手爪结构设计：图 4-2 手抓的结构示意图4.2.2 手部驱动力的计算：其工件重量 G=1-3KG，V 形手指的角度 ， ，摩擦系数为60=mRb2095=。25.0f图 4-3根据手爪类别,计算夹紧力,采用摩擦锁紧方式，故受力分析得：（4-SagmFG+=sin2)(基于框架式三自由度机械手设计及控制 161）-工件质量， ；mkg-重力加速度， ；g2/s-动态运动时产生的加速度， ；a2/sm-安全系数；S-V 型手爪张开的角度 -气爪夹头与工件的摩擦因素；手抓与工件材料采用 45 钢，查表得 =0.25 SagmFG+=sin2)(= 5.08935.26iN17根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: MRbF2=N4.12093.7095实际驱动力:21KF实 际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工件的为匀速94.05.1取 时，则: 0a12gaK)(97.124.05.29NF=实 际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 。 4.2.3 气缸工作压力的确定 ：由表取气缸工作压力 MPap5.0=基于框架式三自由度机械手设计及控制 17表 4-1 气压负载常用的工作压力负载 F/N 50000工作压力 p/MPa 57气缸内径 和活塞杆直径 的确定Dd本课题设计的气缸属于双向作用气缸。单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。活塞左行时活塞杆产生推力 ，活塞1F右行时活塞杆产生拉力 2F（4-2）zFpD421（4-3）zd)(22式中， 活塞杆上的推力，N1F活塞杆的拉力，N2气缸工作时的总阻力，Nz气缸工作压力，Pap活塞直径，mD活塞杆直径，md气缸工作时的总阻力 与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦zF力等。以上因素可以载荷率 的形式计入公式，如要求气缸的静推力 和静拉力 ，1F2则在计入载荷率后：（4-5）421pDF基于框架式三自由度机械手设计及控制 18（4-6）4)(22pdDF计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取 ，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参5.03数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取 。85.074.2.4 双向作用气缸的直径计算:（4-7）41pFD=代入有关数据，可得 DpF148.015.9726)(4.m=查机械设计手册圆整，得 D由 ,可得活塞杆直径:3.02/d mDd2416)3.02(=圆整后，取活塞杆直径 d16=缸筒壁厚和外径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:（4-8） 2/pDP式中， 缸筒壁厚，mm气缸内径，mmD气缸试验压力，一般取 （Pa）pPpP5.1气缸工作压力 （Pa）缸筒材料许用应力（Pa）本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金 ZL106, =3MPa壁厚为: 2/pDP基于框架式三自由度机械手设计及控制 19=10mm651032.8=取 ，则缸筒外径为: m )(10281mD=+4.2.5 手部活塞杆行程长 L 计算：活塞杆的位移量 R47.102.3602360=气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 的行程余量。m21L47.30.=+查表得 l4.2.6 活塞杆稳定性的验算：当活塞杆的长度 较小时 ， 可以只按强度条件校核计算活塞杆直 L）（ d10（4-9）5.0)/4(F其中， ，MPa120N97.12=21)0/.4(d65.4=所以满足实际设计要求。4.2.7 气缸推力验算：（4-10 ）421pDF= =421pDF85.0.08.1362)(.13N）（97.12由以上计算可知气压缸能产生的推力 大于夹紧工件所需的推力F2.1。所以该气缸满足要求。N97.12实 际4.2.8 耗气量的计算：气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量 为：Q基于框架式三自由度机械手设计及控制 20（4-min)/)(2(432dDnsQ11） -气缸缸径，Dm-活塞杆直径，d-活塞行程，s-气缸活塞每分钟往复次数n此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。min/089.16.08.2340.1 32Q=）（4.2.9 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径 用下式计算：0d（4-12）)(20mQd-工作压力下气缸的耗气量，Qs/3-空气流经进排气口的速度，一般取 s/150把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照 GB/T 1403893 选择合适的气口螺纹: md04.=4.2.10 手抓部分总质量估算（4-13）零 件气 缸手 爪 m手爪部分和活塞杆材料采用 45 钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 ZL106查表得：45 号钢密度为 7.85 3/10kgZL106 的密度为 2.73手抓部分总质量约为 =2.5KG零 件气 缸手 爪 mm基于框架式三自由度机械手设计及控制 214.3 气缸结构设计4.3.1 缸筒和缸盖的连接缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，见表。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于 时，一定MPa1要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量。 图 4-4查阅机械手册，本设计选择拉杆式螺栓连接，采用 4 根螺栓。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于 ，故无须校核螺栓强度。MPa14.3.2 活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。4.3.3 密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：（1）密封性好，耐磨损，使用寿命长。（2）稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。（3）摩擦力小。（4）密封件表面平整、光滑、无气泡、杂质、凹凸等缺陷。（5）结构简单，成本低。基于框架式三自由度机械手设计及控制 22图 4-5 活塞的结构与密封型式Y 型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。本设计在活塞与轴端采用 Y 型密封圈，其余部分采用 O 型密封圈。4.3.4 气缸的安装连接结构根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，该气缸用脚架式安装连接。5 机械手手臂机构的设计5.1 X 轴小臂设计5.1.1 拟定使用条件：负载重量 W=6KG （工件+夹具+滑块）基于框架式三自由度机械手设计及控制 23最大行程 Smax=100mm快速进给速度 Vmax=40mm/s加减速时间常数 t=0.15s预期寿命 Lh=30000h直线运动导程摩擦系数 =0.02电机转速 Nmax=1125r/min5.1.2 丝杆选型：（1） 确定丝杠循环方式为外循环插管式（2） 选择丝杠预紧方式为双螺母垫片预紧方式（3） 丝杠主要参数计算及其选型：工件 3kg 夹具 2.5kg 滑块 0.5kg kgM65.0=+5.1.3 滚珠丝杠副尺寸计算1.根据拟定的电机最大转速与快速进给速度估算螺距： mNVL13.25604max2.初算导程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。所以根据实际情况，X 轴的滚珠丝杠的导程先选择为 5mm。3.根据拟定条件初算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算加速时加速度 233 /7.015.041maxsmtV轴向负载 = =2.796NWgPA8.96.2.6匀速时轴向负载 NB17.890.减速时轴向负载 = =0.444NgPA8.9602.6各动作模式 1 次循环所需的时间表 5-1 动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.4 1.2 0.4 2基于框架式三自由度机械手设计及控制 24螺距为 5 的负载条件表 5-2 动作模式 A B C轴向负载（N） 2.796 1.176 0.444转 速 500 1125 500所需时间比例 20% 60% 20%4.计算当量载荷与转速：移动时的加速度 a=0.27m/s=60.42N =57.18N ()gamFX+=ax ()agmFX-in=当量动载荷 = 59.34 N 32imax当量转速 in/875rttNCBA工作寿命与额定动静载荷的计算： =6087515000=7.9108h hmLh60=载荷平稳或轻度冲击时 取 1.01.2wf额定动载荷 = 660.83 N ()3120hmXaLFC额定静载荷 = 120.84 N fax05.确定滚珠丝杠副规格代号因为根据使用条件本设计的滚珠丝杠副不需要在静态或低速状态下长时间承受工作载荷，所以选滚珠丝杠副的规格时，只须使其额定动载荷 条件a0C根据计算出的最大动载荷，查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-33，选择启动润泽机床附件有限公司生产的丝杠型号 CM 2505-5 滚珠丝杠副。公称直径为25mm，基本导程为 5mm。6.滚珠丝杠副精度的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，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 级以及 4 级不优先采用。由于三自由度机械手属于直角坐标机器人，所以精度选择 5 级。5.1.4 传动效率的计算基于框架式三自由度机械手设计及控制 25（5-1）tan()丝杠的螺旋升角，由 算得0arct/hPd摩擦角，一般取 100arctn(/)arctn(5/32).8hPd将 与 代入：94.%5.1.5 压杆稳定校核失稳时临界载荷 kF应满足： 2kmfEIFKa（5-2）kF临界载荷，N f丝杠支承系数由丝杠的支撑方法决定的系数单推单推 kf=1(选用)固定铰支 =2固定铰支 kf=4固定自由 =0.25支承方式为单推-单推的 kf取 1 K压杆稳定安全系数，一般取为 2.54 a滚珠丝杠两端支承间的距离 将 kf=1、E=200GP、丝杠最小惯性矩 4.9102.641.34=dI带入 mk FNKaEfF 63.728.2522所以丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 基于框架式三自由度机械手设计及控制 265.1.6 刚度的验算丝杠的拉伸或压缩变形量 ， 在总变形量中占的比重较大：1（5-3） 21mFaMESI滚珠丝杠副的最大工作载荷mFa滚珠丝杠两端支承间的距离E滚珠丝杠材料的弹性模量S滚珠丝杠底径 确定的面积 2dM转矩 I滚珠丝杠底径 确定的截面惯性矩（ ）2 42/6Id横纵向滚珠丝杠副的支承，都采取单推的方式。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为 a=386mm； ，算得丝杠底径510=E7.3wD=25-3.175=31.825mm，则丝杠截面积wDdd滚 珠 直 径公 称 直 径 02=3.14*21.2*21.2/4=352.81 。4/S2m由于转矩 M 很小，故忽略第二项，算得丝杠在工作载荷 作用下产生的拉/压变形量