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自由度
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三自由度机械手臂的设计说明书,自由度,机械,手臂,设计,说明书
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摘 要本设计是针对三自由度机械臂的简单设计。设计主要对机械臂进行简单进行介绍，包括机械臂的发展历史，机械臂的分类，机械臂的主要组成部分，各个部分的设计计算和强度校核等等，并对机械手臂进行总体方案设计。本文机械臂主要从三个方面的展开。其一是机械臂在X向和Y向的结构设计，其工作原理和结构类似，都是采用滚珠丝杆实现传动；其二是机械臂手部手指结构设计，其三是机械臂机身的旋转运动。机械自动化方面在当今社会扮演着越来越重要的角色和任务，其中这一分支机械臂的发展也越来越成熟和标准化，已经被广泛的应用社会的各个角落和工厂的到各种自动生产线中。其工作原理是在控制元件的控制下通过驱动装置的作用下完成臂部的空间移动，腕部的旋转和俯仰，手部的抓取任务。关键词：机械臂；滚珠丝杆；异步电动机；AbstractThis paper mainly introduces the mechanical arm briefly, including the development history of the mechanical arm, the main components of the mechanical arm, the design calculation and strength check of each component, and the overall scheme design of the mechanical arm. Mechanical automation is playing an increasingly important role and task in todays society. The development of mechanical arm is becoming more and more mature and standardized, and has been widely used in various unmanned automatic production lines. The mechanical arm consists of three parts: arm, wrist and hand. Its working principle is to complete the spatial movement of the arm, the rotation and elevation of the wrist, and the grasping task of the hand under the control of the control element and the action of the driving device.Key word: Mechanical arm; Ball screw rod;Indaction motor;目录摘 要IAbstractI第1章 绪论21.1 机械臂概述21.2机械臂的分类21.3 课题研究的背景和意义3第2章 总体方案机构设计32.1设计概念32.2设计原理4第3章 X向结构及传动设计43.1 X向滚珠丝杆的选择53.1.1导程确定53.1.2确定丝杆的等效转速53.1.3估计工作台质量及负重53.1.4确定丝杆的等效负载53.1.5确定丝杆所受的最大动载荷63.1.6选择滚珠丝杆型号63.2校核73.2.1 临界压缩负荷验证73.2.2临界转速验证83.3电机的选择83.3.1电机轴的转动惯量93.3.2电机扭矩计算9第4章 Y向结构设计114.1 滚珠丝杠计算、选择114.2 步进电机惯性负载的计算134.3步进电机的选用14第5章 手指的相关设计与计算165.1 手指的相关设计与计算165.2 手爪扇形齿轮与齿条强度校核195.3 机身与基座20总 结21参考文献22致 谢23第1章 绪论1.1 机械臂概述机械臂是在现在生产自动化趋势下发展起来的。相对于人工操作，机械臂在抓取工件过程中的速度更加快捷，不会产生疲惫，效率高。通过输入指定的程序可控制机械臂来完成各种上料、搬运等的工作任务。在现代生产过程中机械臂构造上仿照人的手臂工作机理，结合机器的优点，已在自动生产线中被广泛应用。尽管现在的机械臂还达不到人的手臂那样灵活，但它具有人的手臂所不具有优势。比如：在接收到命令后能够一直不断的工作，手臂有足够的强度和硬度，在驱动力和疲劳强度的限度内可不断的提升抓举力和夹紧力等。目前，机械臂已受到社会各个领域的关注，并得到了越来越广泛地运用。机械臂在起步发展阶段结构较为简单，没有标准化，以3自由度机械臂应用最为广泛，一般用在车间机床的搬运和上下料。随着自动化及工业技术的发展，机械臂朝着更加灵活地方向发展，由原来的3自由度变成了4自由度，5自由度等。在驱动方式上也更加的灵活和成熟。有了液压驱动、气压驱动等，控制方式也更加灵活,出现了PLC控制和单片机控制等。由于机械手臂可通过输入不同的程序改变其工作过程，适应性较强，所以它能在不断发展变换中获得广泛的应用。机械臂的发展，其应用将在社会生产的各个领域应用的更加宽广。1.2机械臂的分类当前工业机械臂的分类标准还不是很统一。主要是按照机械臂的驱动方式进行简单的分类。驱动方式有如下几种： 1液压驱动机械臂。液压驱动机械臂由液压系统、伺服系统等提供驱动力。其优点是通过液压系统提供液压力，在执行元件转化为很大的的夹紧力，传动系统平稳，能够在较差的工作场合工作，但是液压系统会有漏油现象，在一些干燥或者对环境有要求的场合不适用。 2气动式机械臂。 驱动系统空气压缩机、控制装置、执行装置、辅助装置组成。其优势是：结构简单，便于制造维修。缺点是气压不稳定难控制速度，气压不能太高，造成其抓紧力较小。3电动式机械臂。采用电力驱动是机械臂最常见的驱动方式。其优点是电源方便，反应速度快，驱动力大。按照使用范围分为：1. 专用机械臂。 只能在工作一开始编入程序，无单独的控制系统。这种机械臂结构较为简单，成本较低，标准化程度低，主要应用于动作单一的大批大量生产车间。2. 通用机械臂。 可通过输入不同的程序改变机械臂的运动路线来完成不同的工作任务，在现代化生产中应用较为广泛。1.3 课题研究的背景和意义在现代企业中，尤其是工业方面，其厂内的工人越来越少，逐渐无人化，这一现象的原因在于世界工业的发展。在机械工业的一个分支中，工业机械臂的发展也充满着活力。机械臂的空前发展也被应用到世界的各个行业和角落，大到军事工业，各种跨国企业，小到生活中的个人开办的小型生产制造厂，以及各种超市、快递物流行业。我国在工业机械臂发展方面已经逐步成型，从最开始的三自由度到了现在的六自由度，从原来的简单控制到各种控制系统。机械臂行业也逐步兴起。通过简单设计三自由度机械臂，从小的方面来讲将其应用到生活中减轻人们在一些不必要的劳动，增强人们的舒适感，大的方面来说，适应在现代企业中自动化的趋势，加快了生产效率的提高。第2章 总体方案机构设计图2-1 机械臂总装配图2.1设计概念机构简图2.2设计原理本论文设计的机械臂是用于工厂中大批大量的工件搬运工作，能够在较恶劣的工作环境中工作。其基本要求是能够快速准确地移动到指定空间完成工件的搬运工作。设计原则如下：1. 设计结构简单安全，便于制造维修；2. 设计标准化、通用化；3. 选用合理的好工程材料和结构，保障手臂的强度和刚度；4. 拟定合理的工艺规程和作业工序；Y轴和X轴采用丝杠传动：电动机联轴器滚珠丝杠 第3章 X向结构及传动设计图2-3 X向结构总图表 3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构精简，便于制造维修，丝杆的稳定性较差，只能在转速较低的场合使用。这种机构的的刚度较小，承受外载荷不能过大，适用于需要较短丝杆的工件上。一端固定一端游动这种结构同轴度要求较高，机构相对复杂，丝杆的稳定性和转速较高，这种机构应用在丝杆相对较长，转速相对较高的的工件上。两端固定该机构稳定性能好，丝杆刚度大。该机构可在工作开始之前进行拉伸，大大减少了丝杆由于丝杆本身重量导致的弯曲变形的弊端，该机构的结构和制造过程较为复杂，应用于对刚度要求大和误差要求小的场合。3.1 X向滚珠丝杆的选择滚珠丝由滚珠、丝杆、螺母构成其机构。机构主要功用是把螺旋转动转与直线运动进行相互转化。3.1.1导程确定联轴器的主要作用是连接电动机和丝杆，查表知传动比i为1, 本设计采用Y系列异步电动机。最高转速，带入数据计算得，导程， 令Ph=12mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 丝杆的等效转速 式中取故3.1.3估计工作台质量及负重 工作台重量 移动工件重量 3.1.4确定丝杆的等效负载本设计中选用滑动导轨，本设计摩擦系数取0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本设计取1.3，则丝杆受力为其等效载荷按下式计算（式中取，）3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷由上式计算得Car=17300N3.1.6选择滚珠丝杆型号计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=30mm 丝杆大径d1=29.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆小径d2=24.3mm Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m3.2校核滚珠丝杠副的拉伸和压缩系统的刚度会影响系统的定位精度以及轴向拉伸和压缩振动的固有频率，而其扭转刚度则会影响到扭转的固有频率。 承受轴向载荷的滚珠丝杠副的拉伸和压缩系统的刚度KO具有丝杠本身的拉伸和压缩刚度KS，丝杠对内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka ，以及螺母座的刚度Kn，根据不同支撑的组合取决于计算。3.2.1 临界压缩负荷验证本论文采用一端固定，另一端一端支撑的丝杠。临界压缩载荷计算如下：式中E-弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do-丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N得FcaFmax，由计算结果比较可知该丝杆能够满足设计任务。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠在转速很高的场合会发生共振现象，因此设计中的最高转速不能超过发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A-丝杆最小截面：A=-丝杠内径，单位；P-工件密度（取p=7850(Kg/m)）-共振极限转速长度，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数，可取=0.8fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得= 6.3*104，计算结果大于丝杠产生共振的临界转速，满足使用要求。3.3电机的选择步进电机的工作原理是将输入端的脉冲信号在转化装置中将输入端信号转化为相应角度转动或直线运动，从而完成对外界的做功。输入端传输一个脉冲信号后，其执行元件转子就旋转一个角度或着相应的做位移，执行元件的旋转角度或位移与输入端输出的的脉冲数成正比例关系。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电机具有转动惯量小、定位误差小、方便控制等优点，所以被广泛应用于自动化化产品中。选用步进电动机先要考虑步进电机功率否满足本设计的工作要求，其次还要考虑到转动惯量、工作负载要求等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转件转动惯量上式中：d丝杆外径d=29.5mmL长度=1mP材料密度=7800带入数据计算得b、X向直线运动件的惯量上式中：M质量 M=160kgP螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 所以3.3.2电机扭矩计算a、电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta时间 KS电机增量，取15s-1,则ta=0.2s带入数据计算得b、电机轴上的摩擦力矩式中：F0摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1带入数据计算得c、电动机轴上的附加摩擦力矩上式中P0丝杆预加载荷1500N0丝杆的传动效率为0.9带入数据计算得T0=0.05NM所以空载转动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。第4章 Y向结构设计图4-1 Y向结构图4.1 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，导轨摩擦系数取值范围f=0.0030005；当车床车削外圆柱面时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW是负载系数，小冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，当HRC58为1.0。查表得中等冲击时则:根据工作场景选择合理的丝杠螺母的型号，根据所能承受的极限动载荷，本设计选用滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副其基本参数如下:其额定动载荷为14205N ，满足工作要求。预紧形式选用双螺母预紧方式.其基本参数如下表所示名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹大径23.212mm螺母小径20.7mm（1） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：=10摩擦角；-螺旋升角。（2） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算由于丝杠承受的扭矩很小，对丝杆导程进度影响微小，为了计算得方便，可忽略不计。丝杆导程由于变形而引起的误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.2 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算步进电机的等效转动惯量为：式中：具有回转表面的刚性材料零件根据下式简单的预估计算算：式中是零件直径，为零件的长度。所以有：由于电机轴的转矩很小，为了设计计算上的方便，可以忽略不计，所以有：4.3步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的载荷力矩为，载荷，电动机和外载荷对外做功的关系可根据能量守恒定理列出下面的等式：电动机转动角度，电机的传递效率，机构移动部分位移。本设计取，则，。机构可相对运动部分的载荷，G机构上可相对运动部分的质量（N），在机构竖直方向上作用在机构可相对运动部件上的载荷（N），接触面摩擦系数，步距角（rad）,T电机轴载荷力矩。本设计中取=0.3，.8，=279.23。想到机构自身重量的影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：由于机构自身可相对运动部件的影响，开始工作起始转矩：取系数为.，则： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:第5章 手指的相关设计与计算5.1 手指的相关设计与计算设计手部时除了要满足基本抓取工件的任务外，在设计时还要考虑到以下几点性能：（1）、手指夹紧力的大小要适当；确定机械臂手部夹紧力时，第一要想到工件自身重量大小的影响，根据力臂的工作要求载荷确定所能抓取的工件重量的范围，还要考虑到由于机械臂在抓取过程中所产生的惯性的影响，来保证工件在跟随机械臂在移动过程中不会因为这些原因产生松动或掉落，其次也要考虑到机械臂手部的夹紧力不可过大，造成工件在抓取过程中造成损坏。（2）、保证手爪能够轻松的抓取和放置工件；机械臂手部手爪要能够张开足够大的张角来抓取体积较大或形状不规则的工件。（3）、.在保证刚度和强度的前提下，机械臂应选用轻便的材料来减小手臂自身的负重。（4）、保证机械臂在空间中能够灵活地移动，并且要有较为准确地空间位置；根据机械臂用途，其手部机构可分为一下几类：夹持式手部、吸盘式手部和专用手具。 本设计选用夹持式手部。手部是机械臂用来抓取工件或设计成专用工具完成工作要求的机构，所以手部的结构和尺寸应依据具体的工作要求和工作任务来设计计算。一 、夹持式手部机械臂手部设计成手爪夹持式时，可抓取的工件范围比较广泛，对形状不规则和体积较大的工件都能抓取，适应性较为广泛，因此应用较为广泛。其运动形式类似虎钳。二 、结构夹持式手部主要由驱动元件、执行机构和手爪等构成。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。工业中手爪两指、多指形式并存，两指能满足一般的工作要求，在工业中使用的比较多。本设计选择移动式的齿轮齿条手部。抓取的工件尺寸大约为直径2030mm，手部材料采用铁。设机械臂手部所能抓取的最大重量：2kg根据机械臂的工作要求，选用齿轮的齿顶模数m=2，=23。齿条齿数取=23。1手指夹紧力的计算：公式： (3-1)机械臂抓取的最大工件质量2Kg ，安全系数，取1.22，工作实际情况系数，=1.12.5，为方位系数，查手册公式： =0.5tan，估计计算等于0.91.1本设计选为1。根据公式（3-1）计算得:1.52129.8N =58.8N查设计手册可知夹紧力为驱动力的一半，即: =0.5 (3-2)此处考虑其他因素取100N。 图3-1机械手手部简图(c)手部活塞杆行程L, （3.4） =25tg30 =23.1mm经圆整取l=25mm(d)确定“V”型钳爪的L、3。取L/Rcp=3 （3.5）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）由公式（3.5）（3.6）得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=2239计算：设a=100mm,b=50mm,;手部最终得到的响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 =1.02 根据公式，将已知条件带入： =1.5 （2）根据驱动力公式得： =1378N （3）取 （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。设机械手手爪为100mm,在手部没有工作的情况下，如图3.2（a）所示，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从20-30mm（a） (b)手抓张开示意图5.2 手爪扇形齿轮与齿条强度校核1、材料：齿轮：40 渗碳淬火 硬度5862 齿条：40 渗碳淬火 硬度 48552、齿轮与齿条的强度校核 查表计算查表 查资料： 安全系数 由上面的公式知：符合要求5.3 机身与基座机座用来承受是整个机械臂上的载荷，要保持机械臂整个机构的平稳，机座结构上一定要设计规范。在本次设计中机座选用HT200工程材料，首先这样做的原因是为了增加整个机械臂机身的重量，因为在设计机械臂的整个框架时为了减小机体自身的重量，减小负载的大小，机械臂机身都是采用的铝合金材料，真个机体的质量较轻，选用一个较重的底座能够保证了整个机械臂在抓取工件过程中，不受工件重量的影响，保持其整个手臂的稳定性。其次HT200材料市场多，价格便宜。其机构简图如下：总结在本次论文设计过程中，通过查阅大量的文献资料才得以形成初稿，在这一过程走了不少弯路，经过大量的计算，机械臂才得以成型。在设计过程中我也将大学学习的课程学习到的知识重新回顾和应用，这样更加深刻的进行了对已学知识的理解。经过不懈的努力完成了对机械臂X向，Y向，机身，和手部的结构设计。但不可否认本设计还有很多不好的地方，设计的方案比较少，选用的例子也比较少，望老师批评指正。致谢这是我在青岛农业大学海都学院所写的最后一篇论文，也是我的唯一一篇论文，行文至此最后落笔之处，也意味着本科的生涯即将结束。始于2016初秋，终于2020盛夏，时间若流
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