装配机械手设计及运动仿真【三维UG】【9张CAD图纸+PDF图】
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本科毕业设计任务书系 别机电工程系专业机械设计制造及其自动化班级103学生姓名学号指导教师职称题 目装配机械手设计及运动仿真论文（设计）的主要任务与具体要求（有实验环节的要提出主要技术指标要求）本课题是为某零件的装配设计装配机械手（装配零件可根据生产实际自定）。工业机械手是按预定要求，模仿人体上肢功能，完成抓取工件，移送定位等工作，实现自动化操作的设备。是减轻工人劳动强度，提高工作效率，实现工业自动化的重要手段。本课题应用CAD技术对机械手进行结构设计、传动设计和控制系统的设计,并进行运动仿真。它可以实现某零件的自动装配，装配机械手的自由度, 动作程序和速度按生产实际要求设定。 主要完成1、开题报告（包含文献综述），外文资料的翻译（2000字符以上）；2、完成设计草图；3、根据设计草图完成参数、尺寸计算；4、完成设计图纸及CAD图，（折合2张以上A0图）；UG3维及仿真5、完成设计说明书。（8000字以上，最少50页标准纸）。进度安排（包括时间划分和各阶段主要工作内容）第七学期 第八周第十三周 毕业设计开题报告第七学期 第十四周第十九周 主要设计工作，包括草图、结构设计及工程图等第八学期 第三周 中期检查第八学期 第六周末 上交初稿（包括图纸、说明书、外文资料），老师审阅初稿，提出修改意见。第八学期 第十一周 上交终稿（上交所有资料的纸质和电子版）第八学期 第十二周第十三周(2014.5.24日前) 答辩主要参考文献1、机械设计手册编委会：机械设计手册 机械工业出版社, 20072、工业机械手编写组：工业机械手-机械结构上 上海科学技术出版社 3、左键民主编：液压与气压传动 机械工业出版社, 20084、大连理工大学工程画教研室编：机械制图 高等教育出版社， 20075、杨可桢主编：机械设计基础 高等教育出版社， 20066、周晓邑主编：机械制造基础 北京理工大学出版社， 20087、孙靖民主编：机械优化设计 ，机械工业出版社 20088、陈震邦主编：工业产品造型设计 机械工业出版社 20109、丛晓霞主编：机械创新设计 北京大学出版社 2008指导教师签名系（教研室）审核意见任务接受人（签名）年 月 日审核人签名： 年 月 日年 月 日备注：1、本任务书一式三份，由指导教师填写相关栏目，经系审核同意后，系、指导教师和学生各执一份。 2、本任务书须装入学生的毕业设计（论文）档案袋存档。 宁XX大学毕业设计(论文)装配机械手设计及运动仿真所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要近代装配机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。装配机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。装配机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。随着机械手技术的快速发展，装配机械手的应用范围正在不断扩大，提出了新要求，为提高机械手教学教育的水平，我们研制出一套以实验教学为目的的机械手演示系统。本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；关键词：机械手；工业；传动；强度IIIAbstractFrom the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field.The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation;Key Words: robot; industrial; transmission; strength 目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第一章 绪论11.1 机械手概念11.2 课题研究的背景和意义11.3 机器人的发展及技术21.3.1 机器人的发展21.3.2 机器人技术31.4 机器人研究概况31.4.1 国外研究现状31.4.2 国内研究现状41.5 装配机械手的应用51.6 本课题研究内容6第二章 总体方案设计62.1 机器人工程概述62.2 工业机器人总体设计方案论述72.3 机器人机械传动原理82.4 机器人总体方案设计92.5 本章小结10第3章 装配机械手的机械结构设计123.1 装配机械手的总体设计123.1.1 装配机械手的参数123.1.2 装配机械手外形尺寸与工作空间123.1.3 装配机械手的总体传动方案123.2 机器人腰座结构的设计133.3 机器人手臂的结构设计143.4机器人腕部的结构设计153.5 机器人末端执行器（手爪）的设计163.6 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择163.7 主要零件材料的选择与强度校核173.8 臂部电机的计算与选型203.9机械手重要零部件设计计算203.9.1电机的设计计算203.9.2同步型齿型带的设计参数223.9.3滚珠丝杠副的设计参数233.10 大臂和小臂机械结构设计243.11腕部机械结构设计253.12 腰部机构设计（含齿轮计算校核）253.13小结29第四章 控制系统的分析设计304.1控制系统的组成结构304.2 控制系统的性能要求314.3 传感器的选择314.3.1 位置检测装置314.3.2 滑觉传感器324.4 控制系统PLC的选型及控制原理324.4.1 PLC控制系统设计的基本原则324.4.2 PLC种类及型号选择374.4.3 I/O点数分配374.4.4 PLC外部接线图384.4.5 机械手控制原理394.5 PLC程序设计41参考文献45致 谢4646第一章 绪论1.1 机械手概念机械手是一种典型的机电一体化产品，仿人型机械手是机械手研究领域的热点。研究仿人型机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机械手是仿人型机械手的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机械手，开创了机械手发展的新纪元。随着科学技术的发展，仿人型机械手的研究与应用迅猛发展。世界著名机械手专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机械手应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机械手的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，装配机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。1.2 课题研究的背景和意义由于现代科技的发展，无论是在工业生产中还是人类日常生活，机械手技术都得到广泛的应用。研究智能类人机械手是近年科学家一致致力于的方向。类人机械手是以人类模型的，它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来机械手管家将不是梦。按机械手结构的不同，机械手又可以分很多种。轮式移动机械手、履带机械手、机器手、步行机械手等等。值得一提的是步行机械手，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带机械手，他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业，在不平的道路上如履平地，上下楼梯等等。将来不久，这项技术会得到非常广泛应用。 在机械手研究、制作中，运用电脑对设计出来的机械手进行仿真是一项非常重要的过程。机械手仿真包含零件建模，零件装配，最后进行运动仿真。通过仿真，设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况，知道有没有出现干涉；可以清楚知道各个部件的受力情况，得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。 1.3 机器人的发展及技术1.3.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的ConsolidatedContr01公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学哈尔滨工程大学硕十学位论文。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.3.2 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和机器人技术等。1.4 机器人研究概况1.4.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.4.2 国内研究现状国内机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机器人，先研制成功静态双足机器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机器人37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型 KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机器人，实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机器人。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。1.5 装配机械手的应用机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，装配机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。 图1一1装配机械手1.6 本课题研究内容本课题是为某零件的装配设计装配机械手（装配零件可根据生产实际自定）。工业机械手是按预定要求，模仿人体上肢功能，完成抓取工件，移送定位等工作，实现自动化操作的设备。是减轻工人劳动强度，提高工作效率，实现工业自动化的重要手段。本课题应用CAD技术对机械手进行结构设计、传动设计和控制系统的设计,并进行运动仿真。它可以实现某零件的自动装配，装配机械手的自由度, 动作程序和速度按生产实际要求设定。第二章 总体方案设计2.1 机器人工程概述机器人工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程学”。以机器人设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机器人的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行机器人设计时，不仅要重视组成机器人系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机器人的功能要求，将组成机器人系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机器人产品。在比较复杂的工业机器人系统中大致包括如下:操作机，它是完成机器人工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机器人的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机器人能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机器人等一起形成了各种不同形式地工业机器人技术综合体地工业机器人系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机器人系统亦是如此。2.2 工业机器人总体设计方案论述（一） 确定负载目前，国内外使用的工业机器人中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。（二） 驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机器人的运动和位置控制精度。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 机器人机械传动原理本课题设计的是一种小经济型装配机器人。该机器人为多关节型，具有六个自由度。采用伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装壳体与轴的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量5。2.4 机器人总体方案设计工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。(1) 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人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)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人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)。这种机器人构造比较简单，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) 球坐标机器人结构球坐标机器人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)。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，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。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种机器人坐标形式根据任务书要求和具体实际我们选择的是(d) 关节型。具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达5KG，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机器人的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机器人手臂运动范围大,且有较高的定位准确度,要求设计的机器人为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。2.5 本章小结本章主要完成对机器人整体方案的一个分析和设计,通过多种方案的选择来确定最终要确定的方案. 确定了机器人的总体设计方案后，就要针对机器人的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。第3章 装配机械手的机械结构设计3.1 装配机械手的总体设计3.1.1 装配机械手的参数工作半径：800mm；负载：5kg；关节活动范围：轴1旋转+125 -125，速度 250/s轴2旋转+145 -145，速度 250/s轴3手臂200mm，速度 1500mm/s轴4手腕+360 -360，速度 320/s3.1.2 装配机械手外形尺寸与工作空间机构图：图2一1 装配机械手的结构图3.1.3 装配机械手的总体传动方案VR减速器：是由两级减速和中心圆盘支撑为主的速器， 该减速器具有同轴线的传动、传动精度高、减速比大、刚度大、结构紧凑等等优点，适于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也有承载能力大，传动平稳，传动效率高，传动精度高，结构简单、体积小，重量轻、传动比大等优点。谐波减速器与VR减速器相比较，它的制造成本要低得多，因此在本设计中选用谐波减速机。装配机械手大小臂都采用谐波减速机加推力 向心交叉短圆柱滚子轴承结构，因要承受轴向压力和倾覆力矩。推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力与径向扭矩，刚好符合谐波减速机配合SCAAR机械手大小臂高的抗倾覆力矩及高刚性的设计要求。主轴垂直直线运动:步进电机1一同步齿形带一丝杠螺母一主轴主轴旋转:步进电机2一同步齿形带花键主轴大臂回转:步进电机3减速器一大臂小臂回转:步进电机4小臂3.2 机器人腰座结构的设计工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量4。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：(1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。(2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。(3) 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。(4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。(5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。(6) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机器人的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动5。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机器人的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。3.3 机器人手臂的结构设计机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动6。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。(2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。(5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的7。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。机器人的俯仰关节手臂（大臂）和俯仰关节手臂（大臂）。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达0.55KG，属小型重量，同时考虑到机器人的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机器人运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机器人的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机器人的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。3.4机器人腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态8。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 (1) 机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案9。(2) 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。(3) 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4) 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。(6) 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。3.5 机器人末端执行器（手爪）的设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求10。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种12。机器人夹持器电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.6 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择在确定握力时，除考虑抓取物体重量5Kg外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证夹持安全可靠。另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。综上所述，本文选择电机驱动为机械手的驱动方式。本文设计要求夹持的物体重为 m=5Kg，设螺纹为 M8，其中径 r=3.6mm，螺距 P=1mm，当量摩擦系数 f=0.1，Q为轴向载荷，M为螺纹驱动力矩。手指材料为铝合金，铝合金与常用材料的磨擦系数如表3.1所示:表3.1 主要工程材料摩擦系数 摩擦副材料 静摩擦系数 铝合金 黄 铜 0.27 青 铜 0.22 钢 0.3 胶 木 0.34 钢 纸 0.32 树 脂 0.28 硬橡胶 0.25 石 板 0.26从表3.1可以看出铝合金与不同材料的静摩擦系数趋近于0.3，所以取被抓物体和末端执行器手指之间的静摩擦系数，则： (3-1)螺纹增力比 （3-2）式中 当量摩擦角，= ；螺纹升角，= 带入数据,得, 得 （3-3）选用齿轮传动比 n=1:1，忽略齿轮传动摩擦及轴承滚动摩擦力矩，根据上述计算，我们选择了博美德(黄冈)机械有限公司公司生产的 SM40-001-30LFB 型伺服电机，它的保持转矩为 100，满足设计要求。3.7 主要零件材料的选择与强度校核 (1)壳体件材料的选择机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工而成。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。材料ZAlSi9Mg的弯曲应力240，手指抓去的最大质量为3000g，重力为29.4N。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设计中的要求。，不会出现手指弯曲变形的情况。 (2)本体支撑件材料的选择和校核（a）材料的选择机械臂支撑件由于与连接件之间为滑动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高,特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小,因此其强度高。聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似,摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。由于本设计中的负荷低,机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造手部的导向轴。（b）支撑件的校核支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用两个支撑件，直径各为8mm,手部的两个导向轴受力几乎一样。手部要抓取的物体重量为3Kg。这样每个导向轴受到的重量有3Kg。受到的重力仅为29.4N。聚甲醛分为均聚和共聚两种，使用时应注意它们性能上的区别。共聚甲醛在短期内强度好而均聚甲醛柔软性好。共聚物比均聚物软化点高10，受载荷时热变形温度高，热稳定性好，成型温度范围广。聚甲醛成型材料的一般性质如表3.3所示：表3.3 聚甲醛成型材料的一般性质(23)项目单位试验方法ASTM一般型号CF增强型号均聚物共聚物均聚物共聚物物理机械性能比重吸水率(24h浸渍)吸水率*抗张强度相对伸长拉伸模量抗弯强度弯曲模量压缩强度(10%)剪切强度悬臂梁（缺口）冲击强度(无缺口)洛氏硬度锥度摩擦摩擦系数(对钢)摩擦系数同材料-%MPa%GPaMPaGPaMPaMPaJ/cmJ/cm-Mg/千周-D570D570D638D638D638D790D790D695D732D256D256D785D1044D1894-1.420.250.2268.6403.197.12.82124.565.70.7451.284M94-1.410.220.1660.8602.8296.12.59107.953.00.63711.17M80140.150.351.560.250.2058.8126.2173.55.03124.565.70.431-M90-1.610.29-127.538.63193.27.55117.766.70.8434.31M79400.150.35表注: 1. 吸水率*（23，50%RH平衡） 聚甲醛的抗压强度为124.5，抗弯强度为97.1，整个零件的强度和刚度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文的设计要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而机器人速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。聚甲醛与其他塑料相比，具有自润滑性及低摩擦系数、低磨耗等特点。其动摩擦系数和静摩擦系数相近，粘接较困难。有报导与钢进行摩擦试验结果如表3.4所示：表3.4 与硬铝进行摩擦实验结果动摩擦系数0.21 1(P1：0.27MPa)(v1：25cms)比因耗1.32mm3(Nm)临界Pv值122kPa. ms3.8 臂部电机的计算与选型对于本课题来说，关节额定转速为20r/min。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。下面对步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力和重力。估算机器人整体重量在 20Kg(重物0.5kg加上机器人重量)左右，摩擦系数按金属之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：则提供的功率为49瓦。： （3-1）则电机需要提供的转矩为： （3-2）因此，选择了北京和利时公司的 57BYG250E-0152 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。其力矩随转速的关系如下图4.8所示。3.9机械手重要零部件设计计算3.9.1电机的设计计算轴(机座旋转轴)的等效转动惯量为 式中:先设机座的，内径为100毫米；外径为150毫米；带轮直径60毫米，宽40毫米.设谐波减速器转动惯量为： 电机的转子惯量86BYG250B一0402电机的转子惯量1540因此自由度弓传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量为电机轴扭矩为： T=因为所选材料的摩擦系数f=0.002取响应时间T=o.045，则T=1.0 N.m所选两相混合式步进电机YCT132-4A电机在转速为1230时扭矩为1.09N.m满足要求。其它电机的选择方法以此类推。型 号Model标称功率Momical PowerKw额定转矩Rated torqueNm调速范围Adjustableapeed ranger/min转速变化率Speedvariationratio%噪音NoisedB（A）（)重量WeightKgYCT90-4A0.372.31200120 2.57333YCT112-4A0.553.61230125 7555YCT112-4B0.754.912301257560YCT132-4A1.17.1123012575853.9.2同步型齿型带的设计参数初选带轮直径为40毫米。（1）设计功率同步齿型带传递的功率随着速度的增减、载荷性质和带轮的张紧而变化着。设K3为考虑张紧轮的修正系数，为考虑增速的修正系数 为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数。设计功率为:(2) 带型和带轮节径以及齿数的选择 由“同步带选型图”选择带型为L型，则选择带轮20L050，外径39.88毫米，节径40.64毫米，齿数为20，节距P=9.525毫米。验算带速：(3)同步带的节线长度Lp，齿数Zb及传动中心距初选中心距取圆整为370mm，则选择长度代号为143的同步带型，齿数为38，计算实际中心距C =89.7702(4)确定实际啮合齿数Zm (5)确定实际同步带宽度选取带轮宽度为14+2毫米，同步带的宽度为12.7mm、3.9.3滚珠丝杠副的设计参数(1)工作载荷的最大值计算。工作最大负载，沿Z轴方向即丝杠轴向。因此，滚珠丝杠的进给抗力，即最大工作载荷Fm为设横向工作载荷为： Fy=0.5Fz=7.5N 为导杆和轴套之间的摩擦系数，=0.15。因此，丝杠最大工作载荷为 (2)最大动负载C校核滚珠丝杠最大动负载L为工作寿命，;n为丝杠转速，T为额定使用寿命(h)，取T=1500则L=60x3000x15000/=2700. 为运转状态系数，无冲击，=1.2，因此，由表可知额定动负载，安全裕度为：。 (3)刚度的验算丝杠的拉压变形量为1=式中:L为滚珠丝杠在支撑间的受力长度，取L=1mm;E=20.6x MPa;丝杠底径dl近似为外径和滚珠直径之差，即=d-，丝杠外径d=-(0.2一0.25) ，丝杠名义直径已知12mm，查表知滚珠直径=2.38lmm，因此丝杠底径为=9.5mm,A=，于是拉压变形量为1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 该变量可以忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。(4)压杆稳定性验算。失稳时的临界载荷为采用两端 固定的支承方式，查表得知支承方式系数f=0.25;I为截面惯性矩，I=/64=1091.18 L=12Omm。因此稳定安全裕度为因工作负载很小，压杆不会失稳。3.10 大臂和小臂机械结构设计机械手大臂8的驱动电机1及谐波减速器2直联后安在机械手大臂的内部。谐波减速器7输出轴铣成为方形插入底座14，底座14则通过螺栓13固定于机座1上。同个时间推力向心交叉短圆柱滚子轴承内圈通过螺栓n和连接板5联结在一起，连接板则通过螺栓6联结于大臂上， 推力向心交叉短圆柱滚子轴承的外圈是通过螺栓2和机座1联结在一起。当电机轴旋转的时候，受到固定限制的减速器输出轴无法转动，从而电机及减速器以及大臂进行反向旋转。这样机械手大臂就可以 绕机座中心轴相对固定机座转，但转动方向与减速机输出轴的转向相反。同时在圆周方向，固定基座应安装两个极限行程开关4和两个 限位挡块，运动体则要安装压板及行程触发块12，达到限制大臂在规定范围内转动的目的，免于机械手小臂部分在运动空间之外同其他设备或部件碰撞【g。3.11腕部机械结构设计图3一2腕部装配图1.下端盖 2.滑块 3.轴承套 4.丝杆 5.导杆 6.步进电机 7.滚珠螺母及导轨滑块 8.腕部机壳 9.步进电机 10.同步齿形带 11.腕部上端机壳 12.制动块 13.导杆 14.同步齿形带 15.轴承套 16.密封圈 17.主轴腕部装配结构图如图3-2所示。为方便加工及保证精度，把安装滚珠丝杠一端的端盖3和支撑上端盖的壳体设计成分离式结构，依靠壳体两端面和小臂及上端盖配合面来保证丝杠与主轴的平行度。对于电机13直接连接在滚珠螺母和导杆滑套上，这样电机就可随主轴一起做直线运动。3.12 腰部机构设计（含齿轮计算校核）两实心轴的材料都选用45号钢，查表得知轴的许用扭剪应力是= 30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.A. 第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩 （3-16）所以可以将轴的轴径加工的大一点,以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径是50mm,齿轮两端装轴承,加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为 滚动轴承7206AC,内径为30mm。具体尺寸如图3-2所示。b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。求作用在齿轮上的力： (3-17) 画轴的受力简图 见图33计算轴的支承反力在水平面上 (3-18) (3-19)在垂直面上 (3-20)画弯矩图 见图33在水平面上，剖面左侧 (3-21)剖面右侧 (3-21)在垂直面上 (3-22)合成弯矩，剖面左侧 (3-23)剖面右侧 (3-24)画转矩图 见图33 (3-25)判断危险截面 截面左右的合成弯矩左侧相对于右侧大点，扭矩为T，则判断左侧是危险截面，只要左侧满足强度校核就可以了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力， 截面左侧 (3-26) (3-27)c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度 ，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限，等效系数， 截面左侧 (3-28)查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ， (3-29) 应力幅 平均应力 切应力 (3-30) 安全系数 (3-31) (3-32) (3-33)查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩,转速,传递功率为,则 （3-34）安装轴承部分轴径是最小,由于整个轴上零件比较复杂,在两个轴承间有车在轴上的齿轮, 还有安装于轴上的小齿轮,及轴套和轴承,所以可以取大一点,这里取, 轴承部分 ,轴承选定单列角接触球轴承,轴承型号是滚动轴承7206AC,其它根据结构来确定.由于载荷不大,轴承选的较大,强度足够,这里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图3-4所示。C. 主轴的设计主轴是连接腰关节和大臂的结构，因为结构体积比较大,为了节省材料减轻重量,因此需要设计成空心轴,主要来承受轴向拉力, 取内径,外径,用圆锥滚子轴承来支承,轴承型号选用滚动轴承30205。主轴材料选用型号为ZAlCu5Mn的铸铝合金。3.13小结装配机械手的大臂和小臂结构相同，基本实现模块化设计，符合发展的趋势; 三个模块相互独立、零部件少、结构简单、精度高、可靠性高，它不仅适用于S以AR平面关节式装配机械手设计，一二关节模块结构一样适用于其他关节式机械手前端转动关节设计。三四关节的模块结构紧凑，充分利用结构空间，同时实现高速旋转运动和直线运动，主轴直线运动距离定为100mm，而整个模块在主轴方向高度约4O0mm左右。同时，三四关节的电机轴和主轴不在同一直线，有利于结构布局，所以该模块也可以应用于一些对精度和结构尺寸都有要求的组合运动结构设计中。第四章 控制系统的分析设计机械手控制系统的设计是整个机械手设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高机械手整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前机械手广泛采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。4.1控制系统的组成结构在原点位置按起动按钮时，机械手按图连续工作一个周期，一个周期的工作过程如下：原点下降夹紧（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原点。机械手的控制系统一般是使机械手运动协调为目的，包括高性能的计算机及相应的系统硬件和控制软件。机械手的控制部分可分为4个部分：机械手及其感知器、环境、任务、控制器。机械手是由各种机构组成的装置，它通过感知器的内部传感器实现本体和环境状态的检测和信息交互；环境即指机械手所处的周围环境；任务是指机械手要完成的操作，它需要适当的程序语言描述，并把它们存入控制机中，随着系统的不同，任务的输入可能是程序方式，或文字、图形或声音方式；控制器包括软件和硬件两大部分，相当于机械手的大脑，它以计算机或专用控制器运行程序的方式来完成给定的任务。控制系统的硬件一般包括3个部分：(1) 感知部分 用来收集机械手的内部和外部的信息，如位置、速度、加速度传感器可接受机械手的本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机械手的工作环境的外部状态。(2) 控制装置 用来处理各种信息，完成控制过程，产生必要的控制指令，它包括计算机相应的接口等。(3) 驱动部分 为了使机械手完成操作及移动功能，机械手各关节可选用、液动、电气等方式驱动。4.2 控制系统的性能要求对于一般的控制系统有以下控制的要求：(1) 稳定性 稳定性是系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏离平衡点恢复到原平衡点状态的能力。稳定性是一般自动控制必须满足的基本要求，对稳定性的研究是自动化控制系统中的一个基本问题。 (2) 过渡过程性能 描述过渡过程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系统由初始状态运动到新的平衡状态时具有较小的超调和震荡性；系统由初始状态运动到新的平衡状态经历的时间表示系统过渡过程的快速程度。(3) 稳态误差 稳态误差是在过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。因此，稳态误差是衡量控制系统性能好坏的一项重要指标，控制系统设计的任务之一就是在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个允许的限制值。4.3 传感器的选择 传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。它主要被用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。根据本设计的要求需要对位置检测装置、滑觉传感器、视觉传感器进行选用。位置检测装置检测机械手动作是否到位，滑觉传感器是判别物料是否被稳定吸住，视觉传感器是为了完成机械手对物料的识别。4.3.1 位置检测装置在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。4.3.2 滑觉传感器机械手吸取物体时按吸力的大小可分为硬吸取和软吸取。硬吸取是吸盘用最大的吸力吸取物体，以保证可靠性；软吸取方式是吸盘使吸力保持在能稳固吸取物体的最小值，以避免损伤物件。软吸取时吸力不够时被吸物体会产生滑动，滑觉传感器就是为了检测滑动而设计的，可以检测垂直于吸物方向物体的位移、由重力引起的变形，以达到修正吸力，防止吸取物的滑动。滑动传感器主要用于检测物体接触面直接的相对运动的大小和方向，判断是否吸住物体以及应用多大的吸力等。4.4 控制系统PLC的选型及控制原理4.4.1 PLC控制系统设计的基本原则一、 PLC机型的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (1) 确定合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量的生产线故此选择整体试PLC的结构形式较为合适。(2) 确定合理的安装方式 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。在工厂小批量生产中降低成本是很重要的，所以此系统选择集中试的安装方式。 （3)满足相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。此系统只需用开关量控制，选用一般小型PLC即可。(4)满足响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 本系统不需要跨范围使用PLC对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速IO处理功能的PLC。 (5)满足系统可靠性要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。本系统选用一般系统PLC能够满足要求，不需要考虑太多此方面的问题。 (6) 机型尽量统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。以保证其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高；其外部设备可以通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。 本课题的要求不高，不需要考虑配备上位计算机，但为了方便采购和管理等我们还是要求机型要统一。二、 确定PLC的容量PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。1）确定系统的实际输入点数系统由启动按钮SB1、停止按钮SB2、急停按钮SB3、手臂复位按纽SB4、颜色传感器ST1、左旋极限传感器ST2、右旋极限传感器ST3、上升限位传感器ST4、下降限位传感器ST5、手臂缩回限位传感器ST6、手臂伸出限位传感器ST7、超上升限位传感器ST8、超下降限位传感器ST9、超左旋限位传感器ST10、超右旋限位传感器ST11、超伸出限位传感器ST12、超缩回限位传感器ST13、工件检测传感器PS1、系统的自动/手动控制开关SA以及手动的升降、左右旋转、伸缩、吸放按钮（SB5-SB12）作为个输入继电器的外部控制点，共有28个输入点。2）确定系统的实际输出点数系统有手臂左旋、右旋、伸出、缩回、上升、下降、吸物、放物的电磁阀动作，报警指示灯、原位指示灯及自动/手动指示灯工作，一共12个输出点。3）确定应选择PLC的点数PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。 通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10到15的裕量来确定。本系统的输入、输出实际需要40个点，所以本系统的PLC输入、输出点数定为48点比较合适，但输入和输出各应留有裕量。 4）确定系统同时接通输入/输出点的数量 a.同时接通的输入点数量 对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60。b.同时接通的输出点数量同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V2A的点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60。 对同时接通的输/入输出点的制约，此系统是可以满足的。(3) 系统存储容量的选择 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20到30的裕量。 存储容量（字节）开关量IO点数10 模拟量IO通道数100A=40*10+0*100 =400（字节） 另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。但是，本课题要求的存储容量很低，一般的PLC能够满足，所以我们不需要考虑存储容量。三、 确定PLC的IO模块 一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的IO模块有开关量IO模块、模拟量IO模块及各种特殊功能模块等。不同的IO模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。根据本课题要求，不需要用到模拟量IO模块及各种特殊功能模块，所以只需要对开关量IO模块选择即可。 （1）开关量输入模块的选择 开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面： 1）输入信号的类型及电压等级 开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过十米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。本系统传输距离较近可选择24直流输入。 2）输入接线方式 开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。 汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。 3）输入门槛电平 为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。（2）开关量输出模块的选择 开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面： 1）输出方式 开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。 继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。 对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。 本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。 2）输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。 分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。本系统选择分组式输出。 3）驱动能力 开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。 4) 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。4.4.2 PLC种类及型号选择PLC种类较多，主要有西门子、三菱、OMRON、FANAC、东芝等，但能配套生产，大、中、小、微型均有配套且目前用得最广泛的的主要是西门子、三菱、OMRON的PLC。根据前面确定的PLC点数：实际输入点28点，实际输出点12点，综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为48点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面。本系统可选择PLC型号为：FX2N64MR001，合计总数64点32点输入，DC24V，32点继电器输出；尺寸（mm）：2208790，其性能、价格都优于其他PLC。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。该型号PLC有32个输入节点，32个输出节点，能够满足系统要求并留有一定的余量。4.4.3 I/O点数分配根据机械手动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制系统的I/O点分配，如表4.1、表4.2所示：表4.1 机械手控制输入点分配表输入设备输入点号输入设备输入点号启动按钮SB1X000手动下降按钮SB6X016停止按钮SB2X001手动左旋按钮SB7X017急停按钮SB3X002手动右旋按钮SB8X020左旋极限传感器ST2X003手动伸出按钮SB9X021右旋极限传感器ST3X004
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