2个自由度搬运机械手设计-二自由度直角坐标型搬运机械手设计（全套含CAD图纸）
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SENSORS,ANDCOMMAND,CONTROL,COMMUNICATIONS,ANDINTELLIGENCEC3ITECHNOLOGIESFORHOMELANDSECURITYANDHOMELANDDEFENSEV,EDITEDBYEDWARDMCARAPEZZA,PROCOFSPIEVOL6201,620112,20060277786X/06/15DOI101117/12666253PROCOFSPIEVOL62016201121PROCOFSPIEVOL62016201122VPROCOFSPIEVOL62016201123PROCOFSPIEVOL62016201124HIPACTUATORFLOWLOADCHARACTERISTICSSUPPLY3200P51PRESSUREPSIKNEEACTUATORFLOWLOADCHARACTERISTICSSUPPLY3200P5102000PRESSUREPSI2500PROCOFSPIEVOL62016201125PROCOFSPIEVOL62016201126PROCOFSPIEVOL62016201127PROCOFSPIEVOL6201620112862OMFUTERSYSTEMCCUMULATORSPIHYDEAULBFILTEEANIFOLDELOCKNEEACTUATOEPROCOFSPIEVOL62016201129PROCOFSPIEVOL620162011210353637383940353637383940353637383940353637383940536373839403536373839403637383940353637383940353637383940PROCOFSPIEVOL620162011211ESPECIALLYSINCEITISSTRAIGHTFORWARDTOPREDICTWHENHIGHPRESSUREWILLBEREQUIREDANDTHESWITCHESCOULDBESWITCHEDAHEADOFTIMETHEPOTENTIALTOSWITCHBETWEENSUPPLYPRESSURESATHIGHRATELEADSONETOPONDERWHETHERASWITCHINGCIRCUITSIMILARTOAPWMELECTRICMOTORAMPLIFIERCOULDBEDEVELOPEDHOWEVER,THEREARETWOKEYREQUIREMENTSOFPWMCIRCUITSTHATALLOWTHEMTOBEEFFICIENTHIGHFREQUENCYSWITCHESANDINDUCTORSWITHANELECTRICPWMMOTORAMPLIFIER,HIGHVOLTAGEISAPPLIEDMOMENTARILYTHROUGHASWITCHTOANINDUCTIVELOADTHEINDUCTORBUILDSUPITSMAGNETICFIELDANDWHENTHESWITCHTURNSOFF,THEELECTRICFIELDBREAKSDOWN,CAUSINGCURRENTTOCONTINUEFLOWINGTHROUGHTHELOADSINCETHESWITCHINGFREQUENCY,TYPICALLYONTHEORDEROF10KHZ,ISANORDEROFMAGNITUDEFASTERTHANTHEL/RTIMECONSTANTOFTHELOAD,THECURRENTDELIVEREDTOTHELOADSMOOTHLYVARIESWITHSUCHACIRCUIT,ASINGLEHIGHVOLTAGESOURCECANBEUSEDTOEFFICIENTLYDRIVEALOADWITHVARYINGVOLTAGEREQUIREMENTSUNFORTUNATELY,HYDRAULICSWITCHESARERELATIVELYLOWFREQUENCY,ONTHEORDEROF100HZ,ANDHYDRAULICINDUCTORSAREIMPRACTICALWHILETHEREISSOMEINDUCTANCEINERTIAINTHEHYDRAULICFLUIDITSELF,ITISNOTSUFFICIENTONECOULDMAKEAHYDRAULICINDUCTORUSINGFOREXAMPLEAHYDRAULICMOTORWITHAFLYWHEEL,BUTTHESIZEANDWEIGHTMAYBEPROHIBITIVEFORHIGHINERTIALLOADS,THEMASSOFTHELOADMAYPROVIDETHEPROPERAMOUNTOFINERTIAANDSUCHATECHNIQUEMIGHTBEPRACTICALHOWEVER,THELOADSPRESENTDURINGTHEPERIODSOFCONCERNFORARUNNINGROBOTSUCHASLEGSWINGARETYPICALLYVERYLOWINERTIATHEREFORE,ITISDOUBTFULTHATSIMILARTECHNIQUESTOPWMAMPLIFIERSCANBEUSEDINHYDRAULICCIRCUITSUNLESSNEWFORMSOFSMALLANDLIGHTWEIGHTHYDRAULICINDUCTORSANDFASTERHYDRAULICSWITCHESCANBEDEVELOPED7NEXTSTEPSONGOINGEFFORTSWITHTHEMONOPODINCLUDETHEFOLLOWINGFINISHINTEGRATINGTHEPOWERSYSTEMINTOTHEMONOPODFURTHERREFINETHECONTROLALGORITHMINVESTIGATEMOREEFFICIENTHYDRAULICSYSTEMDESIGNS8ACKNOWLEDGEMENTSTHISPROJECTWASFUNDEDUNDERTACOMSBIRCONTRACTW56HZV04C0072SPECIALTHANKSTOGILLPRATTFORCLARIFYINGDISCUSSIONSONTHEOPERATIONOFELECTRICPWMAMPLIFIERSREFERENCES1GAPRATTANDMMWILLIAMSON,“SERIESELASTICACTUATORS,“PROCEEDINGS1995IEEE/RSJINTERNATIONALCONFERENCEONINTELLIGENTROBOTSANDSYSTEMSHUMANROBOTINTERACTIONANDCOOPERATIVEROBOTS,PP399406,19952JEPRATTANDBTKRUPP,“SERIESELASTICACTUATORSFORLEGGEDROBOTS,“PROCEEDINGSOFTHESPIETHEINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICALENGINEERING,VOL5422,NO1,PP135144,20043DWROBINSON,“DESIGNANDANALYSISOFSERIESELASTICITYINCLOSEDLOOPACTUATORFORCECONTROL“PHDMASSACHUSETTSINSTITUTEOFTECHNOLOGY,DEPTOFMECHANICALENGINEERING,20004RMALEXANDER,“THREEUSESFORSPRINGSINLEGGEDLOCOMOTION,“INTERNATIONALJOURNALOFROBOTICSRESEARCH,VOL9,NO2,PP5361,19905MRAIBERT,LEGGEDROBOTSTHATBALANCEMITPRESS,19866KAMUNDSON,JRAADE,NHARDING,ANDHKAZEROONI,“HYBRIDHYDRAULICELECTRICPOWERUNITFORFIELDANDSERVICEROBOTS,“2005IEEE/RSJINTERNATIONALCONFERENCEONINTELLIGENTROBOTSANDSYSTEMS,PP34533458,20057HKAZEROONI,“EXOSKELETONSFORHUMANPOWERAUGMENTATION,“2005IEEE/RSJINTERNATIONALCONFERENCEONINTELLIGENTROBOTSANDSYSTEMS,PP34593464,20058SHINMINSONGANDKENNETHJWALDRON,MACHINESTHATWALKTHEADAPTIVESUSPENSIONVEHICLEMITPRESS,1989PROCOFSPIEVOL620162011212附件1外文资料翻译译文独立动力单臂机器人摘要本文介绍了独立动力的平面单臂机器人的构思和初步结果。机器人二个自由度由液压油驱动，一个臂控制。它运用的是液压反推装置，一种能精确的提供高压，工作台面宽度一般并且阻抗力很小的控力装置。这些装置安装在机器人的身体部位，用电缆将能量传送到臀部和腿的关节处。液压发动机驱动着一个排量恒定的给蓄电池增压的泵。因为用的是线性译码器，每个反推装置的绝对位置和弹簧的压缩都可测量的。弹簧压缩量转化为输出力，利用软件使用循环算法把控制力与需要的力相比。输出信号的每个力控制器驱动着高性能的伺服阀门，控制着液体流向执行机构的活塞。在设计机器人过程中，我们用了以模拟为基础的重复多次的设计方法。初步概算的机器人的物理参数是基于以往的经验并且形体上更逼真的机器人的仿真模型。其次，控制算法模拟出它在平面上的跳跃。从模拟中的关节的能源要求和移动范围，我们再反推出需要的滑轮的直径，活塞的直径，行程，液压，伺服阀门的流量和带宽，齿轮泵的额定流量和发动机功率。符合或超过技术要求的零件被选出来集成到机器人里去，运用CAD软件，我们计算出设计的机器人的物理参数，将它们代替先开始用CAD估算出来的数据，然后生产出新的能源要求的连接器。我们不断重复这些工作，最终得到了设计中的提到的已校正过的原型。一般来说，除去体外的泵产生的力，在惯性作用下，机器人以大约12M/S的速度运转，。在试验台上，最终试验的电力系统数据加载到机器人实体上去。当除去电力系统所产生的惯性力以后，机器人普遍以大约225M/S的速度运转。目前进行的工作是把电力系统集中到机器人本身，总结出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。1介绍实用机械手因为动力平衡要求，复杂的设计和动力系统等原因正在接受挑战。为了研究动力自主机械手，我们开发了一个高压液压系统驱动的双缸发动机提供动力的动力自主机器人。这种机器人是一个平面机器人，由一个半径12英尺的构架限制表面范围。它有2个自由度，一个导杆和曲柄。液压执行装置固定在机身上，通过链条传递到导杆和曲柄。单臂机器人被设计为一个适合多样性技术的测试平台，它包括液压弹性串联执行装置液压执行装置要考虑到高准确性,适度带宽压力控制，一些机器人利用弹性串联执行装置,而单臂机器人是第一台应用液压型执行装置的机器人。虚拟转动弹簧转动的支架定位经常仿造在弹簧上,它表示转动效率取决于肌肉组织和筋（见参考文献4）。为了加快效率和简化控制，大多数机器人利用的是一个物理支管弹簧（见参考文献5。单臂机器人是一个决定在转动机器人中是否能用虚拟弹簧替代实体弹簧的测试平台。当单臂机器人完成试用，我们将模拟一个使用可控制的虚拟支撑弹簧。弹性串联执行装置的特性如果在实体弹簧中没有得到效率补偿，机器人灵活的保持控制,弹簧弹回完全支配合成力。高密度，移动性，液压动力系统为了使机器手臂更实用，必须要研制高动力和高能量系统。燃油驱动液压系统是一个使人感兴趣的选择。然而，现在缺少轻便的解决方法，而且专家这方面的知识比腿部机器人的知识更加集中。单臂机器人是可以成为一个能给与其他机器人提供液压发动机动力系统的发展项目和测试平台。在机器人的设计中,我们反复利用了个仿真设计程序。我们以各种不同的速度和不同的总数块运行了机械手，现实模拟而且得到了物理参数和联合转力矩、速度、和运动范围要求。使用这些功率的联合器,我们能够计算出系统的压力和流程需求，而且可以选出一些符合那些规格部件来。然后在SOLIDWORKS里把这些部件连同机械手结构一起做成模型，得到的新的机械性能被加载到模型里进行模拟。重复这一个程序，直到原型设计成份选择出来。2模拟仿真为了确定单臂机器人的电力需求，我们用YOBOTICSSIMULATIONCONSTRUCTIONSET软件进行了最真实的模拟。在模拟实验中，我们假设弹力腿部的回弹力为0。这是一个非常保守的设定，因为记载数据显示奔跑的动物和几乎所有移动机器人的弹力腿部的回弹力都很大。我们打算最后修改弹力腿部构造的设计。现在，先假设回弹力为0，其一确保电力系统超过最终机器人所需的要求，其二因为弹力腿部是比较难模拟的，我们要准确的确定它提供哪种电力储备系统。我们总结了模拟机器人以35M/S速度行走时的控制法（图1），算法类似于RAIBERT（见参考文献5）的三工位计算，但是稍做了修改。工步通过控制垂直方向的上下速度进行控制，而不是通过底部的弹簧片组的压缩得到。因为单臂机器人的腿部弹簧是假设的，并且臀部和膝盖的力是任意假设给定的，所以这完全有可能。相对来说，大多数可移动机器人的腿部弹簧是真的并且规定了相应的跳跃。如果真实的速度比需要达到的速度更少，除了经过脚安置控制向前的速度之外，需要增加一个速度控制机延迟推进。我们在各种不同的身体块中做模拟以完善机械手的设计。到目前为止，当轻量级94磅模拟速度为35M/S时,重量级的模拟速度只有25M/S。图1表示的是94磅重的机器人在速度是35M/S时模拟赛跑的一个截图。在运动中，联合关节处的转力矩、速度和力量在一个完全的周期期间改变。表1显示了模拟奔跑时运动的转力矩、速度、力量和范围的最大值。液压系统的组成部分按照联合关节处的力量数据来选择。表1模拟联合关节处以最大速度运动时的力量要求最大臀部转力矩360NM266FTLB最大膝转力矩360NM263FTLB最大臀部速度24RAD/SEC224RPM最大膝速度28RAD/SEC264RPM最大臀部力4450W596HP最大膝力4205W563HP最大总力6025W807HP图143公斤94磅单臂机器人以35M/S的速度模拟赛跑的图像动画图像间隔005秒。从右向左运动。平均力1550W208HP最大臀部旋转170RAD973DEG最大膝旋转112RAD637DEG3液压系统设计在设计液压系统前，我们对于单臂机器人的总体结构做一些设想。1假设动力元件牢牢的装在机器人的身体部位并且用电缆和滑轮机构和关节处连接好。通过放置在机器人身体上的动力元件（正如直接安置在机器人腿上的反推装置），可以将机器人腿的质量减到最小，并可以使它达到很快的运动速度。2假设动力元件是线性的，而不是螺旋的。液压直活塞相比螺旋液压活塞更容易运用，更便宜更轻。此外，用螺旋液压活塞很难执行连续的弹性冲击。这是因为相对于压缩弹簧，扭弹簧性能很差，并且生产扭弹簧的过程很复杂。图2表示的是单臂机器人的液压循环图。红线表示的高压供应路线，蓝线表示的低压返回路线。恒量泵由发动机驱动，给油箱外的低压油增压并使它们冲过各种图2单臂机器人的液压系统设计图障碍。如果流进去，液体正常的通过一个节流阀，在这对蓄电池加压。电脑控制着的电磁阀可以间隔的通过一个油液冷却器阻止液体回流到油箱。当积聚的力已经达成被需要的最大值如一个压力感应器所测量的压力的时候，运用并联电路。高压力液体被储存在油箱中，直到二个伺服阀门之中任意一个启动。如果压力在积聚者中变成太高,一个压力减轻阀门将会交替地把液压油转移回到油库。伺服阀门控制每个活塞的压力和流量。如活塞被循环,回返液体经过油冷却器被送回到油库,如此完成周期。31液压成分选择液压的系统配置相当标准。困难在于在没有设计说明书的情况下挑选出符合单臂机器人力量要求的组成部件，还要留下余量。图3是成份选择程序的示意图。32滑轮和活塞直径我们从模拟中为单脚架估算了运动的联合转力矩、速度和范围。力量经过绕过滑轮的钢电缆被传送到关节，而且这些钢的电缆由液压活塞驱动。在选择活塞和滑图3成分选择过程示意图轮直径方面，假定操作压力为3000PSI,这是一个广泛承认的超高压标准。当压力超过3000PSI时，设备变成非常重而且贵。考虑滑轮直径的同时，还必须考虑电缆寿命。非常小的皮带轮对钢索会产生显著的弯曲应力，从而使电缆寿命退化。按照电缆制造业情况，滑轮直径应该是大约包围在它周围的电缆的直径的25倍。我们初步选择了一个直径为0188英寸的电缆，因为它的断裂强度（2000磅）差不多达到设计要求。根据制造业者的25X因素,我们得到了一个直径为468寸的滑轮。取整数,使用一个直径为475英寸的滑轮。用这个带轮直径和3000PSI的设计压力，计算出扭矩为266英尺磅条件下的活塞直径是0770英寸。保守起见，选择了活塞直径为075英寸。注意驱动力（指电缆力）为075英寸直径的活塞是1324磅，少于额定强度电缆2000磅。汽缸直径为075英寸和滑轮直径475英寸，模拟产生的最大压力和流速如表2所示。表2活塞直径为0750英寸，带轮直径为475英尺时模拟的最大压力值和流量最大臀部主动器压力2068MPA3000PSI最大膝主动器压力2068MPA3000PSI最大值髋舵机流速402E4M3/S638GPM245IN3/S最大值膝动器流速3895E4M3/S617GPM238IN3/S最大总动器流速6385E4M3/S1012GPM390IN3/S平均流速198E4M3/S314GPM121IN3/S在圆筒和滑轮直径选择方面，我们用了模拟模型为单臂机器人结束产生压力和流程需求而且延长时间的时期。从这个压力和流量的数据中抽取了平均流量、洪峰流量和压降。这方面的资料，用来选择主要系统组件，包括伺服阀、散热器、蓄能器、齿轮泵等。下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396专业课程设计说明书题目搬运机械手学院（系）专业班级学号10学生姓名指导教师起止时间20131212201418下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396设计任务书院（系）机械工程与自动化学院教研室机电教研室学号学生姓名专业（班级）设计题目搬运式机械手技术参数与要求技术参数1、抓重19000G夹持式手部2、自由度数2个自由度3、坐标型式直角坐标型4、横臂手臂长度1000MM5、手臂最大高度1500MM要求将工件从一个固定位置移动到另外固定位置工作量1机械装配图一张，1；2控制电路图一张，4；3程序流程图一张，4；4设计计算说明书一份工作计划1查阅资料，方案讨论6天2方案确定1天3设计计算4天4绘制机械装配图5天5控制系统设计，绘制电路图3天6软件设计，绘制程序流程图3天7整理设计说明书1天8答辩1天图面45说明书25答辩10平时20总分成绩评定及评语成绩指导教师签字学生签字年月日设计说明书3目录第1章绪论111机械手的现状112选题意义1第2章总体方案设计321研究机械手322机械手基本形式选择323总体布置设计，画出总体布置图4第3章机械系统的设计计算5311动力电机的选择5312械手夹持范围设计5321滑动丝杠设计计算6322电机的选择7323直臂气缸的选择8324机械手臂设计933电机联轴器的选择12第4章控制系统的设计1441控制器的选择1542控制器结构16第5章结论17参考文献18设计说明书4设计说明书5设计说明书1第1章绪论11研究内容的现状能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。成型机配置机械手,在目前普遍缺乏人力资源的大趋势下,显得尤为重要。具体突出了机械手三省、机械手三高的两大优势。机械手三省机械手省时、机械手省力、机械手省钱。机械手三高机械手高效率、机械手高安全、机械手高回报。12选题意义目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、设计说明书2生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。设计说明书3第2章总体方案设计21研究机械手按坐标形式大致可以分为以下4种直角坐标机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标极坐标型机械手；多关节型机机械手；图21机械手基本形式简图22确定每种运动方案表22机械手可能方案动作123手抓夹持丝杠螺母连杆杠杆齿轮齿条横臂平移丝杠螺母液压传动气压缸直臂升降丝杠螺母气压缸齿轮齿条设计说明书423总体布置设计，画出总体布置图图23总体布置图注1手抓夹持；2直臂升降；3横臂平移231实物图设计说明书5第3章机械系统的设计计算311动力电机的选择表311各动作动力机参数动作型号功率PW转矩T（NMM）转速（R/MIN）横臂伸缩SGMAH01A交流伺服电动机1009551500手抓夹紧SGMPH02A交流伺服电动机20019103500312机械手夹持范围设计图312手爪布置图1手抓夹持范围计算加工毛坯尺寸100X120X200毛坯质量（以钢材的密度计算）18960（按最大19000G计算）装夹深度约75MM手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。321滑动丝杠设计计算设计条件需自锁丝杠长度220MM最大质量共计约1700G。丝杠载荷丝杠竖直时承受最大轴向力，GMGG取10N/KG。（3NFA190MX1）设计计算设计说明书6牙型、材料和许用应力采用梯形单头螺纹螺杆材料选45钢，调制处理，由机械手册查表可得2/360MNS许用拉应力（32）2/712053SP手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得许用弯曲应力，取；2/6MNBP2/50MNBP许用剪应力2/40由机械手册查表可得许用压强，取2/86PP2/6PP1按耐磨性计算螺杆中径由表中公式，（33）PFD02采用整体螺母式，取，1MPFDP16290802由GB/T579631986，可选，43DD5413D的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别12D为，。EHLTR7/4EHTR7/214螺母高度，取（34）MD80921则螺纹圈数圈（35）5/PN2自锁性验算由于单头螺纹，导程，故螺纹升角为S1（36）439ARCTARCT2D由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得120F10F（37）561COS0ARTN2COSARTNF，故自锁可靠。设计说明书73螺杆强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩，（38）MNFDMAT8150643TAN1902TN21代入以下公式得螺PTCAD22322323/570571404母螺纹强度校核因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。由机械手册查表可得牙根宽度（39）MPB97501650，基本牙高（310）H1代入以下中的公式得PNBNDF24/73809503BPBH1122414效率由回转运动转化为直线运动时（311）3042950643TAN905TAN905效率取为27322电机的选择计算条件空行程最长，夹紧时间不超过12SML562设计计算螺母移动平均速度，（312）SSTLV/081摩擦转矩（313）MNFDMTAT7510643TAN92TN211（3MND7610932T314）设计说明书8故（315）MNTQ75260751321（38905NPQ16）选用转速为的交流电机，速比MIN/30RN7510NI齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率96129总效率（32907217）电机轴驱动转矩（3MNITQL645/156/18）电机轴输出功率（3WNPL61950364019）电机选用SGMPH02A交流伺服电动机323直臂气缸的选择1手爪及工件总质量23100G气缸实际轴向负载FMG22638N2气缸平均速度VS/T1500/6250MM/S（320）负载率053气缸理论输出力F1F/0545276N4单杆双作用气缸理论推力F11/4X314D2PD3797MM（321）5气缸直径查表选择气缸缸径为40MM选择型号为STX薄型导杆气缸M40X1000MM设计说明书9设计说明书10图323气缸和气缸法兰安装形式图324气缸法兰尺寸根据图324选择气缸法兰形式及安装尺寸。324机械手横臂设计1滚珠丝杠设计（1）选取的滚珠丝杠转动系统为磨制丝杠右旋设计后丝杠总长MLA105最大行程设计说明书11支承方式为两端固定定位精度由表得，有效行程内目标行程公差，行程变动量MEP47MVUP39由表得，任意300MM行程内行程变动量，2弧度内行程变动量VP230MVP82丝杠精度为5级，可靠性90。（2）计算载荷手爪气缸部分重量KG3（重力加速度取）NKGMG0/13KGN/10轴向载荷FA（3）初算导程丝杠螺母转速，直臂移动速度MIN/150RNSMV/20I/RNM初算导程，所以取VPMH8PH8选工作寿命LH20（5）由表得，（322）NFNFFCCAHMAWAM531/63NE2式中，查机械手册得，精度系数90AF查机械手册得，可靠性系数1C查机械手册得，载荷性质系数2WF查机械手册得，预加载荷系数76E所以，NCAM53静载计算由机械手册得，式中NFFAS0MX2SF设计说明书12（7）选取滚珠丝杠型号采用外循环导珠管埋入式CDM16053P8型，。其中，250D480HPKNCA73514KNCOA346满足承载能力要求。（8）计算预紧力，（3FAP31MXFAMA30X23）（9）值校验ND由机械手册得，符合要求。70241506MAX0（10）临界转速校核IN/872/127RLFDNCC查机械手册得，453FMLDOWNC062MIN/10IN/1872RRC满足转速要求螺杆强度螺杆材料为45钢，调质处理，其许用应力MPAP60螺杆当量应力（3215132051342034212PCADTF24）（3MNNPT4591125）符合强度要求12系统刚度计算BK刚性为机械刚度的指标，滚珠丝杠的刚性取决于螺杆与螺母之间轴向负荷珠槽接触刚性及螺杆轴的刚性来决定。机械驱动系统总刚性的惯性经由测试，可将螺帽螺杆及钢珠珠槽两者间的刚性合二为一，成为螺帽刚性，因此NK设计说明书13（3NSBK132410598602LDS26）（394862510748108313CFRPN27）（3MNKNSB/7328）2电机选型计算条件丝杠轴向工作载荷约为，丝杠移动速度NFM30SMV/20联轴器传递效率90轴承传递效率设计计算丝杠工作的功率（3WNFVP6203129）丝杠转矩405911NT电机选用同步转速交流伺服电动机MIN/0R电机输出轴负载转矩429051LT电机输出轴功率WTNPL3467电机选用SGMAH01A交流伺服电动机33电机联轴器的选择根据电机轴轴径为15MM,滚珠丝杠轴端轴径为15MM，回转间隙为0001MM,导轨工字导轨上下面平度误差000017MM,径向偏差00028MM，角向偏差0003MM,选择设计说明书14TGDS401515型联轴器。4横臂导轨与滑块选择根据表34选择SME20EASME20LEA型导轨和滑块。表33滑轨尺寸表高W1宽H1节距P动负荷KN静负载KN静容许力矩MP静容许力矩MY静容许力矩MR导轨质量KG滑块质量KG/MSME2015560204321027KNM027KNM033KNM04223设计说明书15第4章控制系统的设计41控制器的选择搬运机械手的电控部分选择PLC控制，因为PLC介于工业控制计算机和可编程控制器之间，他有较强的控制功能和低廉的成本，具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，PLC往往成为优先选择的目标，PLC是目前世界上使用量最大的微处理器。51系列单片机、PLC单片机的应用广泛，有很多优点，其如下所诉1PLC价格便宜。适用于小型自动控制领域及无线控制领域；2易学易用，深受工程技术人员欢迎；3配套齐全，功能完善，适用性强。本机器需要控制2个电机。首先控制交流伺服电机启动，触碰到形程开关，电机制动，手部的伺服电机启动，夹取物品，当传感器检测到手夹取物品时会给单片机发出信号，单片机收到信号后会控制电机的启停，然后运送到下一位置，手部电机启动，放下工件。8031单片机需要控制两个步进电机，因此除了需要扩展程序存储器和数据存储器外，还需要扩展I/O口,用8155扩展单片机的I/O口，8155的输出接口连接两个步进电机的驱动芯片L6208，由以上设计要求得出流程图如下设计说明书1642控制流程图图43械手流程图设计说明书1743驱动器结构图43驱动器结构设计说明书18第5章总结经过两周的努力终于完成了课程设计设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这次设计任务是难以想象的。本次课程设计是在董老师的精心指导下完成的，虽然他平日里工作繁多，但在我做课程设计设计的每个阶段，设计整个过程中吴老师都给予了我悉心的指导，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。同时感谢和我一起并肩奋战的同学们，在我课程设计过程中对我的悉心指导，他们在设计过程中给与了我很大的帮助。正是有了互相的支持和鼓励，才得以顺利完成此次课程设计。通过本次设计使我加深了对PLC的理解，扩大和深化了专业知识面。因此我们只有通过不断加强学习，才能提高适应现代技术发展的能力和要求。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。希望答辩时，老师多提些问题，由此我可用更好地了解到自己的不足，以便课后加以弥补。设计说明书19参考文献1张龙机械设计手册S北京国防工业出版社,2006,52卜炎机械传动装置设计手册S北京机械工业出版社，1999,43吴宗泽机械设计实用手册S北京化工工业出版社，2003,64成大先机械设计手册S北京化工工业出版社，2004,15巩云鹏机械设计课程设计M沈阳东北大学出版社，2000,126于梦生机械零部件手册S北京机械工业出版社，1996,117孙志礼机械设计M沈阳东北大学出版社，2000,98廖常初PLC程与应用机械工业出版社2005年5月9吴宗泽,罗圣国机械设计课程设计手册M北京高等教育出版社，2006专业课程设计说明书题目搬运机械手学院（系）专业班级学号10学生姓名指导教师起止时间20131212201418设计任务书院（系）机械工程与自动化学院教研室机电教研室学号学生姓名专业（班级）设计题目搬运式机械手技术参数与要求技术参数1、抓重19000G夹持式手部2、自由度数2个自由度3、坐标型式直角坐标型4、横臂手臂长度1000MM5、手臂最大高度1500MM要求将工件从一个固定位置移动到另外固定位置工作量1机械装配图一张，1；2控制电路图一张，4；3程序流程图一张，4；4设计计算说明书一份工作计划1查阅资料，方案讨论6天2方案确定1天3设计计算4天4绘制机械装配图5天5控制系统设计，绘制电路图3天6软件设计，绘制程序流程图3天7整理设计说明书1天8答辩1天图面45说明书25答辩10平时20总分成绩评定及评语成绩指导教师签字学生签字年月日1专业课程设计说明书题目搬运机械手学院（系）专业班级学号10学生姓名指导教师起止时间20131212201418设计任务书院（系）机械工程与自动化学院教研室机电教研室学号学生姓名专业（班级）设计题目搬运式机械手技术参数与要求技术参数1、抓重19000G夹持式手部2、自由度数2个自由度3、坐标型式直角坐标型4、横臂手臂长度1000MM5、手臂最大高度1500MM要求将工件从一个固定位置移动到另外固定位置工作量1机械装配图一张，1；2控制电路图一张，4；3程序流程图一张，4；4设计计算说明书一份工作计划1查阅资料，方案讨论6天2方案确定1天3设计计算4天4绘制机械装配图5天5控制系统设计，绘制电路图3天6软件设计，绘制程序流程图3天7整理设计说明书1天8答辩1天图面45说明书25答辩10平时20总分成绩评定及评语成绩指导教师签字学生签字年月日设计说明书3目录第1章绪论111机械手的现状112选题意义1第2章总体方案设计321研究机械手322机械手基本形式选择323总体布置设计，画出总体布置图4第3章机械系统的设计计算5311动力电机的选择5312械手夹持范围设计5321滑动丝杠设计计算6322电机的选择7323直臂气缸的选择8324机械手臂设计933电机联轴器的选择12第4章控制系统的设计1441控制器的选择1542控制器结构16第5章结论17参考文献18设计说明书1第1章绪论11研究内容的现状能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。成型机配置机械手,在目前普遍缺乏人力资源的大趋势下,显得尤为重要。具体突出了机械手三省、机械手三高的两大优势。机械手三省机械手省时、机械手省力、机械手省钱。机械手三高机械手高效率、机械手高安全、机械手高回报。12选题意义目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、设计说明书2生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。设计说明书3第2章总体方案设计21研究机械手按坐标形式大致可以分为以下4种直角坐标机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标极坐标型机械手；多关节型机机械手；图21机械手基本形式简图22确定每种运动方案表22机械手可能方案动作123手抓夹持丝杠螺母连杆杠杆齿轮齿条横臂平移丝杠螺母液压传动气压缸直臂升降丝杠螺母气压缸齿轮齿条设计说明书423总体布置设计，画出总体布置图图23总体布置图注1手抓夹持；2直臂升降；3横臂平移231实物图设计说明书5第3章机械系统的设计计算311动力电机的选择表311各动作动力机参数动作型号功率PW转矩T（NMM）转速（R/MIN）横臂伸缩SGMAH01A交流伺服电动机1009551500手抓夹紧SGMPH02A交流伺服电动机20019103500312机械手夹持范围设计图312手爪布置图1手抓夹持范围计算加工毛坯尺寸100X120X200毛坯质量（以钢材的密度计算）18960（按最大19000G计算）装夹深度约75MM手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。321滑动丝杠设计计算设计条件需自锁丝杠长度220MM最大质量共计约1700G。丝杠载荷丝杠竖直时承受最大轴向力，GMGG取10N/KG。（3NFA190MX1）设计计算设计说明书6牙型、材料和许用应力采用梯形单头螺纹螺杆材料选45钢，调制处理，由机械手册查表可得2/360MNS许用拉应力（32）2/712053SP手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得许用弯曲应力，取；2/6MNBP2/50MNBP许用剪应力2/40由机械手册查表可得许用压强，取2/86PP2/6PP1按耐磨性计算螺杆中径由表中公式，（33）PFD02采用整体螺母式，取，1MPFDP16290802由GB/T579631986，可选，43DD5413D的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别12D为，。EHLTR7/4EHTR7/214螺母高度，取（34）MD80921则螺纹圈数圈（35）5/PN2自锁性验算由于单头螺纹，导程，故螺纹升角为S1（36）439ARCTARCT2D由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的，取，可得120F10F（37）561COS0ARTN2COSARTNF，故自锁可靠。设计说明书73螺杆强度校核由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩，（38）MNFDMAT8150643TAN1902TN21代入以下公式得螺PTCAD22322323/570571404母螺纹强度校核因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。由机械手册查表可得牙根宽度（39）MPB97501650，基本牙高（310）H1代入以下中的公式得PNBNDF24/73809503BPBH1122414效率由回转运动转化为直线运动时（311）3042950643TAN905TAN905效率取为27322电机的选择计算条件空行程最长，夹紧时间不超过12SML562设计计算螺母移动平均速度，（312）SSTLV/081摩擦转矩（313）MNFDMTAT7510643TAN92TN211（3MND7610932T314）设计说明书8故（315）MNTQ75260751321（38905NPQ16）选用转速为的交流电机，速比MIN/30RN7510NI齿轮传动效率、滑动螺旋传动效率96129总效率（32907217）电机轴驱动转矩（3MNITQL645/156/18）电机轴输出功率（3WNPL61950364019）电机选用SGMPH02A交流伺服电动机323直臂气缸的选择1手爪及工件总质量23100G气缸实际轴向负载FMG22638N2气缸平均速度VS/T1500/6250MM/S（320）负载率053气缸理论输出力F1F/0545276N4单杆双作用气缸理论推力F11/4X314D2PD3797MM（321）5气缸直径查表选择气缸缸径为40MM选择型号为STX薄型导杆气缸M40X1000MM设计说明书9设计说明书10图323气缸和气缸法兰安装形式图324气缸法兰尺寸根据图324选择气缸法兰形式及安装尺寸。324机械手横臂设计1滚珠丝杠设计（1）选取的滚珠丝杠转动系统为磨制丝杠右旋设计后丝杠总长MLA105最大行程设计说明书11支承方式为两端固定定位精度由表得，有效行程内目标行程公差，行程变动量MEP47MVUP39由表得，任意300MM行程内行程变动量，2弧度内行程变动量VP230MVP82丝杠精度为5级，可靠性90。（2）计算载荷手爪气缸部分重量KG3（重力加速度取）NKGMG0/13KGN/10轴向载荷FA（3）初算导程丝杠螺母转速，直臂移动速度MIN/150RNSMV/20I/RNM初算导程，所以取VPMH8PH8选工作寿命LH20（5）由表得，（322）NFNFFCCAHMAWAM531/63NE2式中，查机械手册得，精度系数90AF查机械手册得，可靠性系数1C查机械手册得，载荷性质系数2WF查机械手册得，预加载荷系数76E所以，NCAM53静载计算由机械手册得，式中NFFAS0MX2SF设计说明书12（7）选取滚珠丝杠型号采用外循环导珠管埋入式CDM16053P8型，。其中，250D480HPKNCA73514KNCOA346满足承载能力要求。（8）计算预紧力，（3FAP31MXFAMA30X23）（9）值校验ND由机械手册得，符合要求。70241506MAX0（10）临界转速校核IN/872/127RLFDNCC查机械手册得，453FMLDOWNC062MIN/10IN/1872RRC满足转速要求螺杆强度螺
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