移动式搬运机械手总体结构设计-机械毕业设计说明书论文CAD图
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摘要移动式搬运机械手,在工业化进程中起着至关重要的作用,是我国未来无人化工厂、智能制造业,高尖端产业的重要组成部分。随着十四五规划的提出,关于加快制造业的创新能力,实施关键核心技术攻关力度，宏观上，从我国科学技术的发展来看,这也将是未来设计制造领域的所将要深入研究对象的方向。总的来说，移动式搬运机械手的研究，一方面，避免了人力资源的浪费,而且在工业生产加工零件时还可以减少不必要人为误差,提升精度要求。另一方面,随着产业化的发展,工厂的集约化程度的提高,生产工艺链的日益成熟,移动式机械手在未来的应用将会更加频繁,规模还将日益庞大，是未来发展的大趋势之一。本次毕业设计中移动式搬运机械手研究主要根据所给的性能指标和参数,主要分析了移动式搬运机械手的结构原理,再根据结合机械原理和机械设计等相关知识完成移动式机械手机构的方案设计;考虑到移动式搬运机械手由于具备载荷可控化,轨迹可视化,位移精度高,位置定位准确,操作误差小,生产高效率，工作时间长等一系列优点,所以被广泛应用于流水线上的机械工厂、加工工厂以及搬运工厂等做业,而且日益成为先进制造装配车辆化工等行业大型工厂重要组成部分,它可以实现遥控窗口化,远程控制,人工智能化、程序编制轨迹规划。因此,基于技术对移动式机械手进行关键技术研究显得十分必要。本文依据所给性能指标,首先确定了移动式机械手机构的方案设计;其次根据相关的机械原理知识,在设计结构尺寸,选型参数,分析计算,以及校核的基础之上基于进行了移动式机械手的整体草图绘制,、装配、以及相关校核检验。主要完成工作如下:1)在通过国内外相关文献的阅读之后,通过对移动式搬运机械手结构分析,传动运动方案的了解并结合移动式机械手的未来发展现状和趋势基础上,通过对比较多种设计方案,结合实际情况与参数要求，最终确定了机械手的总体方案，其主要包括确定移动式搬运机械手的驱动方式,控制方式,运动方式,行走装置等。2)利用所给的参数要求以及性能指标,对整个移动式搬运机械手的机械传动系统以及极限受力和整体结构布置的规划进行了仔细研究和详细设计。其中总体结构方案的设计及主要技术参数的确定，包括确定主要零部件的尺寸,装配配合，按设计要求分析、计算、受力载荷及扭矩,校核强度和刚度。3)先后使用软件对移动式搬运机械手的主要机械零部件尺寸测量，再进行了校核来验证了机械手的各个部件结构设计选择以及材料的相关的选取做的是否正确与合理。4)基于完成了的零部件的、装配、干涉检验,再次论证了本次设计的可行性。关键词:移动式搬运机械手;装配。AbstractMobile handling manipulator plays rather a vital role in the process of industrialization. It is an important part of Chinas future unmanned chemical plant, intelligent manufacturing and high cutting-edge industry. With the proposal of the 14th Five-Year Plan, this will also be the direction of the future research In general, the study of mobile handling manipulator, on the one hand, improve the accuracy requirements. On the other hand, the scale will be increasingly large,which is one of the trendence of the future development.In this graduation project, the mobile carrying manipulator research is mainly based on the performance Considering that the mobile handling manipulator has controllable load, trajectory visualization, high displacement accuracy, accurate position positioning, small operating error,so they are widely used in mechanical factory on the assembly line, processing plant and handling plant industry, remote control, artificial intelligence, programming trajectory planning. Therefore, it is very necessary to study the key technology of mobile manipulator based on technology.In this paper, according to the performance indicators given, the first to determine the mobile manipulator mechanism design scheme; Secondly, according to the relevant mechanical principle knowledge, in the design of structure size, 3D modeling, assembly, and related check and inspection.The main work completed is as follows:1) It mainly includes determining the driving mode, control mode, movement mode, walking device and so on of mobile handling manipulator.2) Using the parameter requirements and performance indicators, the mechanical transmission system of the whole mobile handling manipulatorAmong them, assembly, 3) Successively use the software to measure the size of the main mechanical parts of the mobile moving manipulator, 4)Based on, twhich proves the feasibility of this design again.Key words: mobile handling manipulator;,3D modeling 28目录摘要IAbstractIII目录11绪论11.1移动式搬运机械手发展现状和研究背景11.2移动式搬运机械手的组成和分类11.2.1移动式搬运机械手的组成11.2.2移动式搬运机械手的分类31.3移动式机械手研究目的和意义及应用41.4本次设计参数以及重点解决的问题52.移动式搬运机械手总体方案设计72.1 搬运机械手工作原理72.2 搬运机械手各关节的运动72.3 搬运机械手结构设计82.4 搬运机械手材料的选择82.5 搬运机械手驱动系统92.6 搬运机械手支承系统92.7搬运机械手执行系统103.零部件的选型113.1电机的选择113.2联轴器的选用143.3轴承的的校核与选用153.4 螺栓的选用及校核183.5手臂强度校核203.6履带速度的校核22结论25感谢27参考文献281绪论1.1移动式搬运机械手发展现状和研究背景移动式搬运机械手是一种通过控制机械手来代替人手来达到伸展、俯仰、抓取、紧握、翻转、收回等一系列独立的动作来实现指定的目标.在现代工业生产中一般来说要实现工业生产的过程自动化和生产集约化,考虑到它们可能很大一定程度上有效减少工业劳动力生产成本,增加效率,并且在极端恶劣和对人体有危害的环境下保障人生安全。近年来,随着我国出生人口下降,逐渐进入人口老龄化时代,但是国家科技不断发展,各种工业机器人层出不穷,移动式搬运机械手迎来了新的发展。随着十四五规划的提出,机械制造业将迎来新的发展,毫无疑问的是移动式搬运机械手推动了我国工业发展由劳动密集型产业向技术产业升级的重要时刻,在此转变重要契机,移动式搬运机械手发展促进了产业的更新换代、以及智能化的变革。在众多的工业机器人中,移动式搬运机械手无疑是广泛使用的的机器设备之一,所以说不管是在哪行哪业机械手替代人工具有普适性。就目前的形式而言,移动式搬运机械手的研究方向大体分为以下几类：1.直动可伸缩式式，随着导轨沿着x轴y轴z轴平动,操作抓取范围随着导轨长度而改变,这种机械手结构原理相对简单,输入程序可以定向操作,缺点是不够灵活所需要的空间较大,并且由于三轴垂直对材料的强度刚度要求十分严格。2.随着转动副的加入完成类似人腕关节一样的转动,使其覆盖范围大,机械手运动较灵活,但是内部结构复杂了，转动副实现的回转与俯仰几乎可以在空间任何位置抓取,这也是目前机械化工厂主流的操纵机械手。机械手的控制由程序编制,系统安全可靠方便操作与维修。3.关节式的机械手的灵活度是最高的但同时运动也是最难的。路径的规划与安排就显得格外重要。另外相比其他两种制造成本高，负载相对较低,对关节处的装配精度和空间布置安排也很高。1.2移动式搬运机械手的组成和分类1.2.1移动式搬运机械手的组成移动式搬运机械手主要由动力输入装置、传动链系统、执行装置、运动控制系统还有位置检测反馈装置等一系列装置所构成的。(一)执行机构移动式搬运机械手末端执行机构主要有机械爪部分、手腕部分。1.机械爪部分就是与物品或者工件相接触的部分。现在搬运机械手一般采用多个吸盘吸附利用大气压强实现贴合,对于表面不规则或者不易吸附的物品常采用机械手爪或者仿真生物手的形式,来实现拿这个动作。2.手腕是联接操纵头与夹头板的部件,可以实现绕z轴的回转,调整抓取角度从不同方向来抓取空间物件,使机械更具有灵活性。3.机械上臂支承着操纵头与机械大臂的部件,可以实现空间中绕x轴的俯仰,机械上臂的长短可以实现机械手抓取范围的大小。4.机械大臂是支承机械上臂与底座的部件,机械大臂与机械上臂都属于机械臂的一部分就好像人的手臂的大小臂两节,机械大臂也可以做俯仰运动。5.底座与机械大臂下连接,而底座固定在旋转台上底座相对于旋转台通常为固定不动的,而旋转台下有推力球轴承,推力球轴承与轴承套基座相连接,这样轴承上方旋转台以上的全部构件都可以随着z轴转动,从而实现整个机械手系统的回转6.行走机构,为了让搬运机机械手实现移动,为其增加可以移动的装置,常见的移动装置有履带和车轮,这样就可以远距离的抓取和搬运,考虑到履带式的搬运机械手拥有更高的承载能力,对路面压强较小,并且不容易深陷,对环境适应能力强,所以本设计采用履带式移动行走装置。(二)驱动方式移动式搬运机械手的传动系统由驱动件的运动的传递装置来输入的。常用的有液压传动(对封闭性要求比较高可以接受重载,但是对密封性要求比较高)、气压传动(主要是通过压缩空气来实现,不能接受重载,动作相对快一些)、电力传动(通过步进电机直接驱动,驱动速度快拆卸比较方便)和机械传动(如机械原理中的曲柄连杆、曲柄滑块、凸轮、齿轮等)等四种形式。(三)控制系统常见电气的控制如plc控制。电气控制系统是移动式搬运机械手的组成部分之一,因为搬运机械手的运动轨迹就是按照给定的路径规划轨迹来运行的,它能够控制机械手按既定的编好的程序运行,比如说有机械手臂的动作顺序、末端执行件的运动轨迹、整体升降移动至物体表面运动速度及时间,抓取的力的大小,返回行程等),同时根据检测系统所检测的机械手的信息再次发出指令,再次控制,如果超出了设定的取值范围,或者严重脱离目标实际那么就会报警装置就会启动,并且紧急制动。(四)位置信息检测装置当运动轨迹已经设定好了之后,就需要机械手末端执行件的精确定位,通过测试当前位置与理想位置之间的不足,然后再次反馈给搬运机械手控制系统,由控制系统再次施加控制,然后再检测再反馈,形成一系列闭环系统,搬运机械手执行机构的运动位置,因此变的可以控制。1.2.2移动式搬运机械手的分类由于移动式搬运机械手的分类标准不同所以产生了多种分类,在此处,通过对比搬运机械手手臂的不同运动方式及其不同方向移动副与转动副的采用状况,再根据其坐标型式把他分为下列几种情况:(一)直角坐标式直角坐标式的移动式搬运机械手,分别是沿着一个空间中称为x、y、z的三轴的方向平动(沿空间x和y轴的快速伸缩、沿空间z和z轴的快速升降、沿空间y和z轴的横移),因为这种移动式搬运机械手与其手臂的坐标运动的关系仅仅只是由三个简单的直线坐标运动所组合构成,所以我们把这种沿着直角坐标的三轴进行平动的搬运机械手手臂称为一种直角坐标式的搬运机械手。这种小型机械手的主要特征之一是它结构轻巧、原理简单、一目了然,且没有旋转,轨迹都是直线所以定位精度很高,比较适用于物体排列比较整齐的情况。但是由于占地面积大并且对横梁刚度要求比较高,变形小,并且只能直来直取直去的运动所以不够灵活,因此限制了它的使用范围。(二)圆柱坐标式圆柱坐标式的移动式搬运机械手,它们在手臂上的一个运动副通常是由两个手臂移动副和一个手臂上的转动副,在空间直角坐标系中(沿y轴的伸缩、沿z轴的升降和绕z轴的回转)。这样的由两个平动和一个转动副形成的的搬运机械手称为圆柱坐标式机械手。这种搬运运输机械手可自由延伸进行工作的应用范围很大,同样的,此种不同类型的立式搬运运输机械手整体结构也相对简单,运动估计容易控制不容易产生偏差所以定位精度也比较高。考虑到以上要素所以它的应用较广泛。缺点是,由于沿z轴方向升降时最底位置会与底座或者驱动装置阻碍,所以所能移动到的最低极限位置不为0即抓取紧贴或者低于地面,高度很低的无东西时会有障碍。(三)球坐标式球坐标式的移动式搬运机械手,由于其手臂运动副通常是由一个可移动副和两个转动副所组成,在空间直角坐标系中,(即沿y轴伸缩、沿x轴俯仰以及按z轴回转)。相比较上面的两种圆柱式,这种新型机械手利用绕x轴的俯仰旋转动作,成功的是使其手臂能够更有能力的抓取落在地面上的任何物件。为了做到使一个手臂能够在合适的回转方位能够抓取任何物体,所以经常在一个搬运机械手臂和手腕这个部位上添加了围绕一个x点的轴进行摆动的一个自由度,经常能够使这个x轴摆动时的自由度连续添加一直到搬运机械手手大臂的水平回转位置中心,能够做到使其他的手部不仅仅能够保持一个水平回转位置而且还有其它的回转情况。这种属于坐标搬移型式的机械移搬运动器械手更多地具有的是动作灵活的一种特点,相比较上面两种,具有既是占地面积很小又是小,而且其工作应用范围很广又是大的一种特点,它也是能够广泛地应用于沿动力伸缩机的方向向外搬移作业的动力传动机械形式,就像挖掘机的结构原理就与其十分相似,只不过用来搬运机械手用的是机械手爪,而挖掘机用的是铲斗。另外,由于旋转副的添加使其运动相对比较复杂,对手臂摆动幅度的控制将会放大误差。(四)多关节式说起多关节式的移动式搬运机械手,它的手臂的运动副都是由三个转动副构成的。在空间直角坐标系中,(主运动由不同关节绕x、y、z轴的回转)。它的机械手臂结构分为人体机械手腕上臂和人体机械手腕大臂,它类似对应于人体每个手臂的机械模拟,它就好好像一个人的机械臂膀一样,手爪与机械操纵手指头结合形成机械手腕和肘部,机械手腕上臂与人体机械手腕大臂结合形成肩和肘关节,机械手腕大臂与人体基座结合形成肘和肩膀等关节,其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。这种多关节式的移动式搬运机械手它的最大特点是工作范围大运动路径短,可以完成一系列复杂的动作,通用性强,不存圆柱坐标式不能抓取地面上物体的情况,面对复杂的工作环境也能应对自如。但是由于其运动轨迹较为复杂,控制方式也、路径规划相对也比较困难,所以产生的偏差就会计较大。而且其内部的机械结构,传动方式,转动副的连接处,都是相对复杂的。总而言之,以上中所涉及到的四种常见的坐标形式的移动式搬运机械手,主要特点是根据各种机械臂的具体运动操作方式不同来进行确定的,当然也可以是两种方式的混合比如圆柱坐标式与球坐标式形成四自由度的机械手,还有多种混合的形成六自由度机械手。需要注意的是,在拟定坐标形式方案时并不是单一的,需要根据现场的环境,工况,成本,设计参数与精度要求等一系列条件来综合考量搬运机械手的型号。1.3移动式机械手研究目的和意义及应用移动式搬运机械能够替代人类在某些特定的场合从事生产,或用于流水线的作业,以机械手日复一日的工作,成功省去人的体力。归因于机械手在生活中的大量运用,使得人类的生产效率有了大幅的增长,同时也让我们的工作环境变得宜人.让人类的生活变得越来越便利.目前为止,在中国许多企业在他们的装配生产线上的数控机床上装卸工件仍依赖人力完成。针对这一现象,机械手的在工业上的应用不仅为了解决集约化工厂的工作效率低的问题,还可以减少支出,并使生产装配线成功的发展成为机械自动化系统,进而一步一步适应大规模现代自动化大生产,针对所要求的具体的生产的工艺以及性能要求,依靠成型的机器人发展的技术,可以专用的移动式机械手搬运,从而解放生产力,以达到改善劳动生产率的目的。移动式搬运机械手就是在进行机械、自动化生产的过程中所采用并且能够实现移动工件、抓拿工件等各种功能性设备,它们都是在我国机械化、自动化的生产进程中逐步发展而来的。移动式的搬运机械手能够帮助我们人类顺利地完成各种危险、和枯燥乏味的重复的工作,减轻了人类劳动力的强度,进而可以提高整个社会的劳动生产能力。近些年来数控机械手在不同的领域都已经获得了广泛的应用,特别适合于现在的各种自动化数控机床、高级铣床上。它既能够适应大、中、小三位一体,又能够省去工件的输送设备。但是当前,由于我国工业机器人的技术水平和工程实际应用水平仍然存在着较大差距机械手的研制与开发直接决定了我国工业自动化制造水平的改进,必须考量经济上、技术上的问题。从机械手的应用来说,尽管搬运机械手比不上人手那样灵动,但是它是机械,不会感到疲劳,它具有能日复一日,年复一年的工作,而且不怕危险、不受环境影响,夹取重物的力量远远大于人类,因此,机械手越来越受到工业生产部门的重视,并具有广泛的用处,比如:(1)数控机床加工车刀自动装夹和工件的夹取,特别是在自动化车床、高级铣床机床上等精度要求比较高的工件加工时,使用较为普遍。(2)另外在装配式工程的作业中它的应用广泛,在特别是机械和电子工程的时候,它是一种可以直接用来焊接的电路板时候,在机械工程的时候,它是一种可以直接用来一些精度,以及一些大型零部件的组装时。(3)此外它可以在极端恶劣的工作条件,单调重复着单一固定的动作,来以代替一些没有技术的工种。(4)可在危险情况下工作,如易燃易爆的物体、军工品的装卸、化学用品,处理危险货物及危险物质等。(5)像对宇宙和海洋等未知领域的开发。1.4本次设计参数以及重点解决的问题1.搬运式机械手的最高搬运重量就是其主要的测量参数。本论文中将物料输送给机械手时所需要搬运到的物品质量设置为10kg 。2.如果移动式搬运机器手的设计移动速度太快,会大大增加了机械手的重量和负载,提高了机械手的运行稳定性这个时候机械手最大平移运动速度应该为200mm / s 。移动范围500mm。主要完成手臂、腕部、行走机构等设计,并对零部件做校核计算,完成相关运动仿真。3.伸缩行程与工作半径决定了一个机械手的工作区域范围与总体尺寸,它们又是一个机械手的设计基本参数与操纵人员。需要注意的是如果机械手伸长量过高,在负载的时候弯矩和扭矩就很大，对材料和螺栓连接处的强度与刚度要求就很高。4.定位精度也是重要的一个基本参数。机械手的工作精度过于低,无法完成所需要的功能,如果工作精度过高,就可能意味着制造费用过高起来,故而将机械手的普通定位模式设置在0.5mm到1mm之间;那个材料传递给机械手每个部件的基本参数可由以上所有材料传递给机械手每个运动关节的活动行程及其在时间上的变化而得出。表1-1.机器人机械手的要求要求参数负载重量：10kg夹持力：300N以内最大移动速度：200mm/s移动范围：500mm。设计精度：0.5mm到1mm最大旋转速度：1.57 rads-15.需要解决的主要问题：主要设计工作：基座的设计，旋转台的设计，底座的设计、连杆支撑的设计、机械上臂和下臂的设计，机械手爪的设计以及它们之间的空间布局以及行走履带的设计。(1)根据实际需要进行设计和加工确定了零件整体形状,以及所有的需要加工选用的类似材料型材及其大小和整体尺寸及其规格(2)校核机械力臂弯曲应力及弯矩,选择合适的机械臂材料。(3)着重解决移动式机械手的手爪部分设计和材料的选择。(4)着重解决移动式机械手的履带设计和材料的选择。(5)分析移动式机械手中关键零件所受应力的情况并校核设计是否符合要求。2.移动式搬运机械手总体方案设计2.1 搬运机械手工作原理移动式搬运机械手的类型是相当多样的,从坐标类型上来划分常见的有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式等。移动式搬运机械手主要是由基座、旋转台、底座、机械上臂与机械下臂、机械手爪和行走履带组成的。机械手基座的主要用途是支撑负载、机械自重并且参与与履带的固定作用；旋转台主要起绕z轴回转作用；机械下臂通过底座安装在旋转台上,可做绕x轴俯仰动作,同样上臂可以作x轴俯仰运动,机械手手部夹持部分通过不完全齿轮可夹紧放松。机械臂的结构设计:主要是用来完成上下臂之间的相互支撑，和通过转销固定连杆，完成转动的部分。对于一般机械臂而言,驱动装置或传动部件在其提升、旋转的运动,或直接形成整体并连接至底座;故而手臂的运动越多,机械臂工作情况就越复杂,机架可以是固定或者焊接在车架底板上，也可以通过履带或者轮子变成行走式的.实际上机械臂与机械手爪的配置形式实际上反映了机械手机的总体上的结构。机械式的手臂结构机身为底座式,使得机械式的手臂结构能够独立地组成系统的完整设备,使用方便,可以在系统中任意地放置和移动,也就是可以具有行走的机构。臂架被放置在两个立柱中间,通常是在旋转机械式手臂结构中发现的。手臂能够沿着立柱上下移动,从而产生更大的升力。期间为了提高其生产过程中需要使用电动机功率可以直接带动一个螺柱绕轴进行高速旋转。特别的它是由于的相互配合而运动引起的螺旋运动。手臂的方向旋转运动是用风力发电机主轴驱动的而减速器通过主轴上的驱动齿轮进行旋转而手臂带动自身体体的方向旋转,以此来满足身体自由度的控制要求。2.2 搬运机械手各关节的运动本产品所设计的机械手运动部分(1)机械手手部,通过不完全齿轮的运动可以实现机械手爪之间的张合,来夹取物体;(2)机械手腕部,采用一个步进电机可以实现手腕部的回转，用来调整夹取物体的角度,另外摇杆摆角所带动形成机械手和手腕部的俯仰角度;(3)机械手手臂底座,固定了步进电机，初速度在经过行星齿轮减速后再通过联轴器传递给一个曲柄摇杆机构的曲柄旋转来传递速度与扭矩，完成机械臂的俯仰动作。(4)旋转台通过推力球轴承,连接基座，再通过步进电机控制旋转台以上部分的绕z轴的回转。(5)基座固定在履带行走装置的底板上，通过控制履带来进行行走。2.3 搬运机械手结构设计搬运机械手坐标形式的选择，根据我们对产品设计的各种类型机械手在各种工件操作中的三个运动自由形态:通过机械手臂之间旋转副转动,根据我们的在上文中所讲述的,机械手按照标准坐标方式进行类型分类的实际和在使用中的情况,选择一种类似圆柱形或标准坐标式的小型机械手比较恰当。2.4 搬运机械手材料的选择机械臂的材料应根据机械臂的工作条件和设计制造的要求进行选择。在设计思想上,机器人的手臂都必须将各个动作完成。所以对于材料的一个基本要求就是说它必须做到一种重量轻、速度快的材料。到另一个方面,手臂经常发生震荡,这将使得运动速度大大减慢,从而导致运动速度失去准确率。为了有效地改善和提高机械臂的动态特性,对于刚度和电力阻尼时,所选材料应该变得更详细之外,机械臂的材质也就需要不同于普通的机械臂结构。机器人的手臂就像一个伺服部件。为了更好地进行检查,其材质的可控性必须从材料上考虑,如果是机械臂选型在内,应该从综合考虑。质量和其它性能。总之,在我们选用这种机械臂所用的材料时,要充分考虑到这种机械臂的力学强度、刚度、重量、弹性、耐震等。外观等。以下介绍一些常用的机械臂材料高刚性强钢,如碳素和合金钢:这类材料都具有很好的机械强度,特别重要的是碳素和合金具有较大的机械强度,弹性模量大,变形状态强,因此它们是目前使用最多的材料。其中最值得注意的轻合金材料有很多种，以铝、铝合金等用途很是广泛，值得一提的是就是，它们的共同优势之一就是重量小,弹性模数E,小,但这些材料的密度低,使仍然可以与钢相比。从本文中所设计的是机械手。在选择材料时,对移动式搬运机械手的负载能力、弹性模量E要求不高。综合考虑各种因素,结合工作条件,初步选择铝合金作为机械手的零件。Al5052铝合金产品系列其主要是由金属镁和铝构成的。Al5052是一种比较典型的铝镁合金防锈铝合金的主要特点:它密度小，延展性好，容易焊接,耐腐蚀性佳,比较耐受拉力，良好的加工稳定性和低成本综合性能优秀。加工特点，基体金属的焊接接头位置温度韧性也很好。Al5052铝合金机械性能如下：抗拉强度190-290Mpa;曲服强度90-255Mpa;疲劳强度110-140Mpa;抗剪强度125-165Mpa;硬度45-75HB；伸长率7-25%。Al5052铝板物理性能：弹性模量70GPa;密度2.8g/cm3具有较好的综合性能。2.5 搬运机械手驱动系统机械手通常采用的驱动形式主要是由液压传动、空气驱动以及电机传动。液压传动具有功率大、结构简单、能减速装置、反应快、精度高等特点,但是必须有液压源,对液体泄漏敏感。气动动力驱动的机械能量和动力结构相对简单,但是与其他传统的机械液压动力驱动控制系统形式相比,功率较小,速度也不容易被精确控制,精度也不高。电机驱动器具有能源简单、转矩宽、工作效率好、转矩和位置精确、使用方便、噪音小、控制灵活等特性。步进电机是一种开环控制发动机,型号众多，应用广泛。通过自动控制调节步进脉冲的移动个数大小来精确控制固定角度的移动位移,达到准确自动定位的重要作用。同时,可以用显示控制涡轮脉冲驱动频率的多种选择方式来自由驱动精确控制一台发动机的曲轴转速和涡轮加速度,达到调速的目的。步进电机是一种感应发动机。其工作原理是用电子开关指示直流电转换成元件时的电流。采用多相序控制电流对步进电机进行功率补充。只有当该电流用于向步进发动机供电时,发动机才能正常减速。驱动器是码头发动机的分时电源。多相控制器序列2.6 搬运机械手支承系统根据设计参数，对于支撑件的基本要求如下：1.足够的静刚度保证移动式机械手在承受载荷的情况下仍然有较好的抵抗变形的能力。同样支承件所需要的刚度要小于材料的刚度。移动式搬运机械手在工作时会受到各种力以及力矩，比如说机械自重，负载，惯性力，摩擦力，板材较薄式还会受到较大剪力，以及这些力形成的弯矩和扭矩，对应的支承件发生相应的形变，所以刚度要求使得变形在满足工作要求的合理范围之内。2.良好的热性能移动式搬运机械手在工作时有电动机和机械摩擦产生热量，由于本次设计的负载不是很大，并且步进电机的功率较小，并且整个系统散热面积大，所以热变形可以忽略。3.小的应力注意在支承件的连接处如螺栓与螺柱，钣金类零件的连接处的内应力要设法消除，不然这些地方极其容易引起零部件的变形，零件是损坏。可以通过时效处理来相应的减少内应力。4.其他比如支承件的布置，要考虑其他装置的布局和安装2.7搬运机械手执行系统移动式搬运机械手执行系统的设计主要是为了实现预期的工作，总的来说执行系统都是由末端执行件（机械手爪）和执行机构组成的。本设计是利用曲柄连杆使末端执行件机械手爪实现预定轨迹。曲柄连杆机构属于平面连杆机构，步进电机通过联轴器使曲柄能够根据步距角匀速转动。连杆需要满足旋转精度，即装配过后在低速转动和轻载荷的情况下径向跳动在合理范围之内，静刚度即机械零部件有抵抗静态外载荷的能力，抗振性即发生突变载荷也仍然能够平稳的运转。3.零部件的选型3.1电机的选择机身采用两台步进电机,一台是手臂的俯仰运动;另一台是机身的旋转。这个驱动手臂固定在底座上。底座布置在旋转台上,旋转台上布置电机。图3-1 42系列行星减速步进电机图3-2 42mm行星减速步进电机矩频曲线上表中的额定转矩、转速范围仅为步进电机转速的参数。在齿轮箱的最大范围内，减速发动机工作转速的降低可能会导致更大的工作扭矩。为了达到更好的降噪效果，建议变速箱的输入转速不要高于600转/分。表3-1步进电机型号42步进电机型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻（）相电感(mH)保持转矩（Nm）定位转矩重量转动惯量42BYG250AK-SASSML-0151-220.9/1.81.51.32.10.230.0120.213842BYG250AK-BASSML-015120.9/1.81.51.32.10.230.0120.213842BYG250BK-SASSML-0151-220.9/1.81.52.15.00.430.0150.235742BYG250BK-SASSML-015120.9/1.81.52.15.00.430.0150.235742BYG250CK-SASSML-015120.9/1.81.52.03.850.540.0250.368242BYG250CK-BASSML-015120.9/1.81.52.03.850.540.0250.3682在选择步进电机型号时，主要看移动式搬运机械手回转所需转矩，所以必须计算极限位置时使机械手转动所需要的扭矩，由于机械上臂与机械下臂的长度基本相同，其主要受力点之间的距离为135mm,根据三维建模体积与材料密度得机械手的上臂为1.22kg下臂为1.5kg电机输出转矩的轴与机械臂质心之间的距离分别为130.78mm与263.77mm。(1)(2)根据平行轴定理得以下公式计算得(3)设计回转速度为15s-1当机械臂开始旋转时小臂的转矩为，设定加速度时间为0.3s安全系数取1.8根据以公式计算得转矩为T=0.363N/m(4)启动电机,它的最大转矩是在步进电机从转速 0 升到最大转速 max的时候，根据但质心的最大距离263.33mm,以及负载和机械手的自重所代入上式得最大转矩为0.473N m 选用的42步进电机的转矩要大于所需要的的最大转矩，由于步进电机在低速时的转矩与保持转矩相接近，根据表3-2所以选用保持转矩为0.54Nm的42BYG250CK-SASSML-0151步进电机。然后是旋转台的电机的选型，其电机的主要是为了完成移动式搬运机械手的主轴回转运动，考虑到旋转台上方承受较大的轴向载荷，而电机要保证主轴回转的精度与速度，则根据技术要求主轴回转速度为1.57rads-1即0.25rs-1。42步进电机内置行星减速取i=5.18 根据技术要求负载为10kg外加机械手自重，代入以下公式:(5)式中NL电机负载轴回转速度，单位r/mm减速机效率T1负载转矩，单位N mNM电机轴回转速度，单位N.m得TL=0.072N ，综合考虑各个部分重力与摩擦,取安全系数为1.8，f=0.002 代入下式:(6)式中R机械臂回转轴的等效圆半径f滚动轴承中的摩擦系数G机械臂自重和物体重量NM电机轴回转速度，单位N.m得转矩T=0.212Nm,根据表3-2选用保持扭矩为0.23Nm 42BYG250AK-BASSML0151.图3-3 42步进电机尺寸图3.2联轴器的选用联轴器主要作用原理是一个通过齿轮轴向运动连接两个主要中心轴并对两个主要中心轴之间进行轴向传递动力扭矩和轴向运动的动力装置,能够有效抵消两个主要中间轴的轴向偏移。为了有效减小内部机械传动系统过程中的内部振荡,降低内部峰值传动载荷,联轴器在正常工作时还要对其内部进行一些传动阻尼。有时这种类型联轴器也可能会附带有一个用于过载安全防护的特殊功能。联轴器的选用原则：大多数标准型的联轴器是通用型的,每种类型的联轴器具有各自不同的性能特征和适合的用途,可以满足不同情况下的选用,一般不需要改变联轴器的尺寸和材质。只有当我们现有的标准联轴节已经不能满足要求时,才能按照具体的要求来设计这个联轴节。选项根据不同的工况,联轴器必须具备以下特点:(1)高速和可移动。便携式联轴器的相对位移是指两个旋转运行部件之间的相对位移发生位移的能力委员会通过连接两个旋转部件之间的制作和安装路线,运行过程中的温度变化、负载变形和其它因素应包含所有规定的要求下可转让式移动的性能补偿。(2)缓冲性。用于必须通过带有弹性缓冲和阻尼元件的联轴器提供频繁启动或工作时间变化的机会,以保护原动机和操作机器免受较少或无损坏。(3)连接部件之间的制造和安装路线、运行中的温度变化和负载变形以及其他因素应包含所有便携性要求。考虑到驱动端和联轴器的允许用转速,驱动端和从动机的两端通过一个或多个不同的类型和规格的联轴器连接在机械和机器之间,以提供浮动式传动系统。因为各种类型动力机的具体机械工作传动原理和具体运行传动机理都应该是不一样的,动力机对于各种动力运输系统的直接机械传动特性不一样,对于各种动力学系统性能的直接影响也不一样。物种中的过滤器,它们的工作动力和所用机械部件类型等都是如何决定物种联轴器的一个基本影响因素。动力联轴电动机的工作功率大小决定了动力联轴器的传动性能。图3-4联轴器尺寸参数根据载荷计算公式，计算公称转矩，42步进电机转速一般取600rmp此时功率大概为15.7w代入求公称转矩为0.249Nm。(7)考虑到42行星减速步进电机是小功率电机，工作情况系数取KA=1.3，然后计算转矩为(8)根据计算结果，所以选用钉销的孔径4mm,许用转速为900rmp轴外径为26mm联轴器，满足强度要求。3.3轴承的的校核与选用根据轴承的工作条件，主要是看移动式搬运机械手所需要的受力方向，以及速度和润滑，是否可以根据使用要求选，然后进行寿命校核；检查所选载体的额定负载和最大速度。根据移动式机械手的工作需要知道需要的该轴承是连接旋转台和与基座之间保证回转运动，从受力方向来看，有较大的轴向载荷等工作要求。图3-5 51109推力球轴承三维模型本设计的移动式机械手的轴承是用于旋转台的回转运动，在轴承套中固定在基座上，工作中主要承受的是轴向载荷，不受径向载荷，转速要求低，并且只承受来自旋转台上方的单向轴向载荷，因此，轴承的类型，根据轴承样本推荐选用51109推力球轴承.图3-6 51109为推力球轴承参数，需要注意的是在安装时推力球轴承的轴线必须与旋转台和固定基座相重合，以用来保证轴承内钢球受力均匀，提高寿命。表3-2 51109推力球轴承参数轴承型号51109轴承基本尺寸单位（mm）内径（d）45外径（D）65T14额定负载基本额定动载荷，径向（Cr）27800基本额定静载荷，径向（Cor）69100转速N(1/min)脂润滑速度3200油润滑速度5000重量0.15kg详细信息单向推力球轴承，平座圈推力球轴承特点：1.有两种运动类型:单向和双向运动，为了允许安装误差,可以选择相同的球面垫式或球面椅圈式。2优质钢超净钢,使用寿命可延长至80%，优质钢球高速旋转时安静流畅。3润滑剂的高脂化作为传动装置技术,它可以有效地延长油脂的使用寿命,提高了载体的性能。4.推力球不能承受径向载荷,最大转速低，下部的轴环、座圈和滚子元件是分离的,可以单独安装和拆卸。图3-6 轴承的载荷-寿命曲线轴承的寿命的计算：(9)式中Lh轴承基本额定寿命指数，球轴承取3n轴承转速(单位为r/min)C基本额定动载荷（单位为N）P当量载荷（单位为N）ft温度系数表3-3 温度系数ft轴承的工作温度120125150175200225250温度系数ft1.000.950.900.850.800.750.70移动式机械手当量动载荷的计算(10)式中X径向动载荷系数Y轴向动载荷系数P当量动载荷（单位为N）对于只承受轴向力Fa不受径向力Fr（51109推力球轴承属于第5类轴承）(11)式中P当量动载荷（单位为N）fd载荷系数Fa轴向力由于当量动载荷由于外部因素复杂难以精确计算，所以载荷系数fd是一个经验值数值表3-4滚动轴承的载荷系数fd载荷性质fd举例无冲击或者轻微冲击1.0-1.2电动机、汽轮机、通风机中等冲击或者中等惯性冲击1.2-1.8车辆、动力机械、机床强大冲击1.8-3.0破碎机、轧钢机查表3-4，移动式搬运机械手属于无冲击或者轻微冲击这一类所以取fd=1.2,转速，n根据设计要求的机械手底座回转的最高转速1.57rad s-1=15r min-1，Fa要求负载重量10kg还有机械手旋转台以上部分机械自重，基本额定动载荷根据51109型号查表为27.8N(12)(13)3.4 螺栓的选用及校核在次设计的移动搬运机械手中选用六角螺栓八个。主要四个用于大臂左与大臂右；四个用于上臂左与上臂右钣金类零件直接的连接固定作用。由于螺栓主要受到拉应力和剪切力的作用，利用应力校核公式(14)得螺栓最小直径公式：(15)式中d1螺栓危险截面的直径F工作拉力N螺栓材料的选用拉应力(16)式中F2螺栓总拉力F2F工作载荷NF1残余预紧力螺栓在工作时无论拉伸还是压缩都有轴向变化量，连接件的压缩力等于残余预紧力F1,应该使残余预紧力0只有这样才能防止螺栓与材料之间产生间隙。在普通连接中在比较平稳的工作环境中F1=(0.2-0.6)F螺栓的总拉力为：(17)式中螺栓的相对刚度F0螺栓的预紧力F2螺栓总拉力F2F工作载荷N参数要求负载,再考虑机械手自重取工作拉力F=125N,每个机械臂上有4个六角螺栓，可由工作拉力分别得出危险截面内径为2.375mm,所以选用内径为2.5mm六角螺栓，边长3.75mm再依据机械大臂之间的距离为32mm机械上臂之间的距离22mm.设计如图3-9所示六方螺柱。图3-7六角螺栓的尺寸3.5手臂强度校核移动式搬运机械手机械臂的主要是承受两个来自于臂体本身及其臂端各个零件的重量性载荷,也就是说臂体需要同时承受平衡性的载荷和突起性的载荷。由材料力学的相关知识可以知道移动式搬运机械手力臂弯矩最大处发生在左端端点处螺栓连接处。图3-8机械臂所受集中力图3-9机械臂所受剪力图图3-10机械臂所受弯矩图(18)突加载荷产生的弯矩：(19)故左端最大弯矩：(20)为计算简便将移动式搬运机械手的机械臂的侧面近似看作矩形。则机械大小臂必须满足弯曲正应力的强度条件：(21)矩形截面积：(22)图3-11机械大臂的质量属性(23)(24)(25)表3-5常温下Al5052铝合金的械性能Al5052机械性能抗拉强度190-290Mpa屈服强度90-225Mpa疲劳强度110-140Mpa抗剪强度125-165Mpa所以满足设计要求。3.6履带速度的校核根据设计参数中对行走装置的要求，主要设计尺寸以及参数如下：车体长度=500mm, 车体长度=350mm, 车体高度=150mm, 最大移动速度200mm/s，移动范围500mm 图3-12履带行走系统的俯视与侧视图和与传统的轮式行走系统相比,履带式的移动式搬运机械手的行走机构在地面上的接触范围较大,压强较小，使得机械手的重量可以分布在更广阔的区域内,使产生的压力相对较小,不易产生深凹,这样使得整个机构行走平稳。较大的接触空间可以使得机器人在工作时具有良好的牵引能力、优异的机动性和高度的越野能力。履带式搬运机械手比较轮式搬运机械手行走装置有以下几个特点:(1)受力面积大,压强低,滚动阻尼低,通过性好;(2)越野的性能优于车轮结构;(3)轨道支承面上有走行齿,走行齿不光滑,牵引力、附着力好;(4)结构复杂,重量大,运动惯量大,阻尼性能差,构件容易损坏。斜坡上运动时,起受力如图所示,移动式搬运机械手匀速行驶或静止时,其驱动力:图3-13履带车爬坡示意图(26)最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力为：(27)当时，移动式搬运机械手能平稳行驶。当时，移动式搬运机械手受重力的影响将沿斜面下滑。已知最大静摩擦系数，移动式搬运机械手履带爬越的最大坡度为:(28)爬坡时移动式搬运机械手克服摩擦力所需的最大加速度为：(29)通过以上的分析,我们就可以依靠移动式搬运机械手的轨迹和运动时表面之间的摩擦力系数判断一些危险的陡坡在攀登时是否有效地能够安全进行攀登,并根据斜坡和引擎发动机的特点,确定在攀登过程中最大加速度和攀登相对比较灵活。结论移动式搬运机械手的发展越来越受到人们的重视,对机械手的研究也随着时代的发展而日渐变更。但是可以预见,未来移动式搬运机械手将有以下发展趋势:1移动式搬运机械手能够在不久的将来依旧会进行不断的改进和发展比如在高速度、精确性、可靠度、操作及维护简便。2机械结构正朝着调制和振动的方向发展来重新配置。例如将整个装配过程中的发动机、减速器和动力检测以及传动系统等功能集成应用到一个相应的重组关节产品模块中:整个传动机器手由一个重组关节产品模块和互相连接的多个产品关节模块以各种重组关节方式相互进行组合构建,模块化的伺服装配式传动机器手的相关产品在这个重组关节产品模块中被成功带到了国外的整个市场。3移动式搬运机械手自动控制系统已经发展为基于pc的开放式自动控制器,便于设备的标准化和网络化,以及提高了对设备的信息集成程度,模块化的结构改善了系统的可靠度、可操作性以及系统的可持续发展。4机械手的应用将在不同的领域运用越来越广泛。由于不同国家的工业分布不同,以及不同行业对移动式搬运机械手的需求不同,机械手在工业自动化中得到了广泛的应用,主要应用于人工无法完成或需要花费更多时间去完成的工作
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