舵机论文正文

1、兰州理工大学成教学院二一二届机电一体化专业毕业设计（论文） 第21页 共21页1 绪论11 工业机械手的概述工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自

2、动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。12 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看

3、出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。具体应用在以下几方面：(1) 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线(2) 在实现单机自动化方面(3) 铸、锻、焊热处理等热加工方面13 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.3.1 执行机构(1) 手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内

4、抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2) 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵

5、巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3) 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身

6、运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。(4) 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动三大类。根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。目前广泛采用的驱动系统的比较如下表： 表1 常用驱动系统特性特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气动驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于小型快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控

7、制困难，阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境中工作，维护方便效率低，（为0.15-0.2）气源方便，结构简单，成本低液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适用于重型、低速驱动器液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速，能实现速度，位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境有污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高，（防泄漏）要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.3-0.6 管路结构较复杂，成本高交流普通电动机适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的

8、驱动，输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位，对环境无影响电动驱动易实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低，效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机，输出力较小，伺服电机可大一些，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高，效率为0.5左右14 工业机械手的发展趋势(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块

9、中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、

10、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。2 总体设计方案21 设计题目：四自由度关节型机械手设计 22 初始参数与设计要求2.2.1、四自由度关节机器人主要参数结构型式 垂直关节型自由度 4手爪张合 握紧/放松手腕弯曲 -9090度小臂摆动 0120度大臂摆动 0120度腰部旋转 -150150度工作空

11、间半径300mm工作空间高度450mm最大载荷 0.5kg2.2.2、机器人工作要求1）机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，2）机器人能够完成抓取物体、搬运物体等功能3）机器人自动化程度高，控制方便灵活。23 方案拟定2.3.1 初步分析机械手抓重为0.5KG，按工业机械手的分类，属于小型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、结构紧凑、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。由设计参数可以了解到，设计方案为通用型机械手，其通用性强，应用范围广，自身体积和重量较小，成本较低，维修较容易。关节型机械手与其他形式机械手相比，占

12、地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。由于大小臂摆动角度较大，沿Z轴方向移动的位置大，所以能完成地面上物体的抓取。2.3.2 拟定方案 由初始参数拟定整体设计方案机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度，自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械胡搜灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。通用机械手是36个自由度，而本次设计为4自由度，末端执行器（夹持器）可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放动作。其原理图如图1所示：图1：4自由度关节机械手原理图2.3.3 执行机构(1) 手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，也有

13、吸盘式和电磁式结构，本次选用结构简单的平移型结构。手部为二指开合式。传力机构常用有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次选用丝杠螺母式机构。 (2) 腕部 连接手部与手臂的部件。要求0120的回转动作，因此选用伺服电机-舵机直接驱动结构。此结构特点是结构紧凑，灵活。(3) 臂部 臂部是机械手的主要执行部件。他的作用是支撑腕部和手部（包括工件与工具）。并带动他们作空间运动。臂部设计的基本要求为：a 承载能力大，刚度好，自重轻 b 运动速度高，惯性小 c 动作灵活手臂动作应灵活 d 位置精度要高因此，本设计选用伺服电机-舵机直接驱动结构，其优点是形式简单，传动平稳，外

14、形整齐美观，结构紧凑。2.3.4 驱动机构 机器人关节的驱动方式有液压式、气动式和电动式。因为多自由度关节型机器人的特点是:1).动作较灵活、工作空间大.2).关节驱动容易密封防尘.3).工作条件要求低,可在水下等环境中工作.4).运动难以想象和控制,计算量较大.5).适合于电动机驱动,不适合用液压驱动.故:选用电机驱动.因为异步电机,直流电动机的输出较大,但控制性能较差.惯性大,不易精确定位,使用于速度低,特重大的机器人.步进电动机,伺服电动机,容易与CPU连接,控制性能好,响应好,可精确定位,使用于运动轨迹要求严格的机器人.综上所述以及设计需要,选用伺服电动机-舵机. 图2 舵机 图3 舵

15、机接线图 图4 舵机结构图舵机的工作原理：舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。舵机可在0-180精确转动，能够提供较大力矩并且拥有保持位置的功能，反应灵敏，可很好的完成机械手运动要求。24 材料与型材的选择机械手的制作材料多种多样，因此有多种方案可以选择。本设计选用铝及铝合金材料，相对于通常使用的钢铁材料，铝有一下的重要特点和有点。基于这些特点和优点，铝及铝合金在许多领域得到广泛的应用。(1) 质量轻

16、。铝的密度约为2.7g/cm2，只是钢铁的1/3.铝合金不仅应用于飞机制造等方面，而且由于当前节约能源的需要，车辆与舟船等常用交通运输工具的轻量化更加突出，铝合金在这方面也得到更加广阔的应用。此外，在土木结构和建筑门窗等方面，铝合金制造的结构也已经被广泛采用。(2) 耐腐蚀。铝及铝合金在大气中不会“生锈”，耐大气腐蚀性远优于钢铁，这是由于铝对空气中的氧具有较大的亲和力。因此，当铝的表面曝露在大气中时，其表面很快就能生成一层吸附力强、致密的有一定保护下的自然氧化膜。尽管氧化膜厚度很薄，只有0.01-0.05um，但这已经赋予铝及铝合金优良的耐大气腐蚀性。特别是铝的阳极氧化处理，由于铝的阳极氧化膜

17、是透明膜，既可以保持铝原有的金属质感，而且又可大幅度的提高金属铝原表面的硬度。耐腐蚀性和耐磨损性，从而大大拓宽铝及铝合金的应用范围。(3) 铝容易形成各种合金。铝合金可以满足多方面新的性能要求，尤其可以满足力学性能与腐蚀性能方面的需要。目前已经使用的工业铝合金品种已达400多种，形成8各系列，从延展性最好的低强度铝1xxx系列到超高强度的7xxx系列合金，极限抗拉强度已经高达690Mpa。铝合金可以通过热处理进一步强化，其强度甚至可以和优质合金结构钢媲美。(4) 加工成型性好。铝及铝合金的压力加工产品，如板、管、棒、型、线、箔和粉都可以生产，并且其产品都已经得到广泛的工业应用。(5) 热传导性

18、高。铝的热传导性仅次于铜，其导热率相当高，约为铜的50%-60%，而单位重量的导热性则优于铜。不论加热还是冷却，铝都有很好的金属介质。为此，在食品行业、化工行业、石油行业和航空工业中，铝材是被广泛采用的热交换器器材。此外，铝是生产金属厨具的首选材料。(6) 导电性好。铝是两个常用的高电导率金属之一，电导体级别的铝是IASC（国际退火铜标准）的62%，然而铝密度只有铜的1/3，因此，单位重量的铝是相同单位重量的铜的导电性的两倍。(7) 光反射性强。抛光的铝对无线电波、可见光波、甚至红外光波等所有电磁光波都具有很强的反射性。抛光的铝表面对白光的反射率高达80%以上。(8) 无低温脆性。铝的低温拉伸

19、强度比较高，可以用于低温结构材料。(9) 耐克辐射性。铝的热中子吸收截面小，仅为0.23x105Pa左右，适合与热中子可反应堆使用。(10) 冲击吸收性比较好。适于制作汽车的保险杠。(11) 非磁性，冲击不产生火花。铝及铝合金是非磁性的，且受冲击不产生火花。这一性能在某些特殊用途时是非常可贵的特性。由此可作为电器设备的屏蔽材料，或作为易燃易爆器材、仪表材料等。(12)可焊接性。铝及铝合金通过惰性气体电弧焊接后的外观、耐腐蚀性和力学性能都比较好，可以组焊接结构件的需要。(13) 无毒性。铝对于生物体是无毒的。3 机械手手部设计计算31 手部设计基本要求(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到

20、在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小是不同的。(2) 手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。(3) 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。(4) 应保证手抓的夹持精度32 手部夹持结构及夹紧力的计算3.2.1手爪夹持装置的机构选型手部按其握持原理分为夹持类和吸附类. 前者是用手指夹持工件，后者是无指夹持工件，其夹持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、静电悬浮式、铲挖式、钩吊式、刺穿式和粘着式等因设计要求握持规则的圆柱或立方体,且体积较大,故选用夹持类之夹钳式,有两个手指,为满足变化的工件的不同外形要求,将手指设计为可替换型,手爪具体结构在设计

21、图中已表达清楚. 本次设计考虑夹持物体重量较轻，设计结构简单紧凑，故采用螺旋式手爪，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动， 手抓更换方便，夹紧力大。 螺旋式手抓机构简图3.2.2手爪夹紧力及驱动力的计算 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 式中 安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=30mm,b=100mm,=35；机械手达到最高响应时间为0.5

22、s，求夹紧力和驱动力。(1) 设=1.6 =60 mm/s =0.5s =1.01 =0.5 根据公式，将已知条件带入： =1.61.010.550=40.4N根据驱动力公式得：(2) =40.4=180.4N 取(3) =212.2N33 机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图

23、3-3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为1040mm。夹持误差不超过3mm，分析如下：工件的平均半径： =45mm手指长L=60mm，取V型夹角偏转角： =64.34按最佳偏转角确定： =64.34计算理论平均半径 120sin60cos64.34=45mm因为 1.4840.166所以=1.4843夹持误差满足设计要求4 机械手腕部设计计算4.1腕部设计基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求

24、结构紧凑，重量轻。(2) 结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。(3) 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。4.2腕部驱动力计算手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量; - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s);将参与手腕转动的主要部件

25、简化为一个100mm100mm100mm的正方体，正方体的质量为4千克，则参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量为： 要求手腕转动时的角速度(弧度/s)：=；启动过程所需时间： 则手腕转动时所需的驱动力矩： 5 机械手臂部设计计算51 机械手臂部设计的基本要求（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（2）臂部运动速度要高，惯性要小（3）手臂动作应该灵活（4）位置精度要高52 手臂驱动力矩计算5.2.1小臂驱动力矩计算 用能量法来求小臂旋转所需电动机输出转矩，设小臂从水平到竖直所需时间为3s，再求出所做的功，用功比时间就得到功率，又知最大转速为，则可求出所需转矩。 估计手爪加工件的总重量为4.5k

26、g，小臂支架、电动机，轴承及外花键等总重量为2kg，则把上述两部分提起所需电动机提供的功为： 功率 则所求转矩 5.2.2大臂驱动力矩的计算 用能量法来求小臂旋转所需电动机输出转矩，设小臂从水平到竖直所需时间为3s，再求出所做的功，用功比时间就得到功率，又知最大转速为，则可求出所需转矩。 估计手爪加工件的总重量为4.5kg，小臂支架、电动机，轴承及外花键等总重量为2kg，大臂支架、电动机，轴承及外花键等总重量为2.5kg，则把上述三部分提起所需电动机提供的功为： 功率 则所求转矩 6 机身设计与计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或

27、者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。机身的整体设计如下图所示：6.1 腰转运动机构动力学参数计算6.1.1 腰转运动箱体选型 根据腰转与底座的连接特点，腰转箱体底端与底座用螺栓连接，底端凸缘厚度为5mm，长度为140mm，上端的壁厚为5mm，箱体的总高度为110mm，上端宽度为110mm，内部宽度为100mm，箱体各尺寸如图 3-10所示： 图3-10 腰转箱体结构6.1.2 腰转动力矩的计算 腰部转动时所需的驱动力矩可按下式计算:式中: - 参与腰部转动的部件对转动轴线的转动惯量;-

28、 工件对腰部转动轴线的转动惯量; - 腰部转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s);参与腰部转动的部件可以简化为一个杆件，根据上面所做的设计，可以推知转盘以上的重量为：手爪为4kg，小臂为2kg，大臂为2.5kg，腰转为4kg。这样看来，参与腰部转动的部件对转动轴线的转动惯量为： 工件对腰部转动轴线的转动惯量为： 腰部转动的角速度为： 腰部转动时所需的驱动力矩为： 6.2 转盘和底座运动机构动力学参数计算6.2.1 转盘结构设计 图3-8 转盘结构尺寸图根据转盘和腰转连接特点，整体为圆柱形，上端开有4个M5深6mm的螺纹孔，以便与上端腰转相连，凸缘厚度为10mm，中间开一个直径

29、为12mm的中心孔，中心孔上开一个键槽，以便和电动机相连，下端圆柱外装滚动轴承。详细的结构尺寸如图3-8所示 。6.2.2 底座结构设计图3-9 底座结构尺寸图根据底座和腰转连接的特点，可设计底座结构如图3-9所示，整体呈圆柱形结构，上端设有装轴承的轴肩，底座分为两部分，主要是为了减小底座的铸造工艺难度，上下用4个螺钉连接，基座上开了4个通孔，这样就可以根据机械手的不同用途来安装到其他地方，底座机构的详细结构及尺寸如图3-9所示。结 论本设计为四自由度串联关节型工业机械手，其工作靠四个轴旋转，可以控制手臂伸出和收回。在控制器的作用下，机械手可以执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作,还

30、可以执行其他简单动作，本机械手还可以作为教学实验模型，学生通过观察机械手的工作过程和操作机械手，能对机电一体化系统有一定认识；本机械手有一定柔性，可以作为一个多功能的单片机控制运动平台，末端执行部件可以更换，实现其他功能，因此，学生可以通过对本机械手的二次开发，对机械设计、单片机控制等学科进行深入研究。另一方面也锻炼学生的动手实践能力。机械手的主要动力来自步进电机，本设计选用的步进电机都是市场上比较常见的、性能价格比比较高的产品，因此，采购容易，维护方便。本机械手的手爪螺旋式开合型，在机械加工中，锥齿轮加工方便，机械手的工作容易进行。总之，本次毕业设计的机械手是一个成本低、柔性大、功能强的机电一体化产品。致 谢本次毕业设计是三年来所学知识的综合运用，通过这次设计把这三年所学的基础理论和专业课程作了一个总结和回顾，加深了对理论的理解，能够掌握机械设计的全套思路，为即将走上工作岗位和以后的发展打下了一定的基础。在设计过程中，我查阅了大量资料，包括机械零件、材料力学、电气控制、单片机电路等等，尤其是在从对各类设计手册的查阅中，我的知识面得到了很大的提高；对该课题的独立设计，使我对机