【正文】 機系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。純硬件的步進電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進電動機的各個繞組，使步進電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性[12,13]。綜上所述，由于本次設計機械手負載較小，對體積有一定要求，又考慮到機械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機驅(qū)動，手部采用氣動驅(qū)動。第3章 驅(qū)動源的選擇與設計計算 主要技術(shù)參數(shù)的確定圖31 機械手手臂重量分布圖 圖32 開口盤重量分布圖如圖31所示，設計機械手大臂與小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為198mm，質(zhì)量為M1(3kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸110mm處，L1=110mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和手爪前部之間的距離為194mm，質(zhì)量為M2()，重心在距第二關(guān)節(jié)軸120mm處，L2=198+120=318mm。如圖32所示，設計機械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤重心距離為60mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為8Kg。 本次設計機械手的基本設計參數(shù)如下：；大臂回轉(zhuǎn)：0~，；小臂回轉(zhuǎn)：0~，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0~，600/s；手爪夾持半徑45mm95mm。 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算當機械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖31所示，設兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JGJG2，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為[14]：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （31）其中：M1，M2，分別為3Kg，；L1，L2，分別為110mm，318mm。JG1M1L1JG2M2L22，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為：J1= M1L12+M2L22 (32)=3+=同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M2=，L4=120mm。J2=M2L42 (33)== 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。設開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量：M3=8Kg，L5=60mm。 （34） 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （35）式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩。 J —— 轉(zhuǎn)動慣量。 ——角加速度，rad/s。 設機械手大臂從到所需的時間為：，由式（35）有：若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：選擇減速機：型號：APEXAE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比：i1=100諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為： (36)選擇小型直流伺服電機： 型號：MAXONEC118896 額定轉(zhuǎn)矩：額定電壓：24V額定電流：額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：10w 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇原理同上，設小臂轉(zhuǎn)速，設角速度從0加到所需加速時間，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （37）式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩。 J ——轉(zhuǎn)動慣量。 ——角加速度，rad/s。由式（37）有：若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： （38)選擇減速機：型號：APEXAE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比：i2=100諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為： (39)選擇小型直流伺服電機： 型號：MAXONEC118896 額定轉(zhuǎn)矩：額定電壓：24V額定電流：額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：10w 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩。 J ——轉(zhuǎn)動慣量。——角加速度，rad/s。 設機械手大臂從到所需的時間為：則：若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (311)選擇減速機：型號：APEXAE238 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩： 減速比：i3=100設諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為： (312)選擇小型直流伺服電機 型號：MAXONEC137489 額定轉(zhuǎn)矩：額定電壓：24V額定電流：2A額定轉(zhuǎn)速：1000rpm最高轉(zhuǎn)速：1200rpm額定功率：20w第4章 手部結(jié)構(gòu)設計 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指。同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 設計時考慮的幾個問題1. 具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。2. 手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。3. 保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。4. 具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。5. 考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。 手部夾緊氣缸的設計 彈簧的設計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖41所示：圖41 圓柱壓縮彈簧 圖41中，D為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離；D1為彈簧中心線到彈簧絲內(nèi)圈的距離；D2為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；d為彈簧絲直徑；H0為彈簧長度，本次設計彈簧具體尺寸參數(shù)如下： D=10mm；d=3mm；。 。 。 n=5 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象本次使用的壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉(zhuǎn)動時。本設計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 疲勞強度和應力強度的驗算對于循環(huán)次數(shù)多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： (41） 式中：（力學性精確能高） F取521結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應。 手部驅(qū)動力計算 本次設計的機械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖42所示:圖42 齒輪齒條式手部其工件重量G=，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:N （42）(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （43） 所以 (3) 實際驅(qū)動力: （44）因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以 取120N所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為120N。 氣缸直徑的設計計算本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （45）式中: ——活塞桿上的推力，N?！獜椈煞醋饔昧?，N?！獨飧坠ぷ鲿r的總阻力，N。—— 氣缸工作壓力，Pa。彈簧反作用按下式計算: （46） = （47）式中:——彈簧剛度，N/m?！獜椈深A壓縮量，m。s——活塞行程，m?！獜椈射摻z直徑，m?！獜椈善骄睆剑琺m?！獜椈捎行?shù).——彈簧材料剪切模量，一般取在設計中，必須考慮負載率的影響，則: （48）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （49）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得(N/m)N所以: 圓整，得D=36mm ,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿