【正文】 43 / 47致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年間所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，通過(guò)這次設(shè)計(jì)把這四年所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)課程作了一個(gè)總結(jié)和回顧，加深了對(duì)理論的理解，能夠掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。 表 6－1 導(dǎo)軌潤(rùn)滑的粘度選擇列表導(dǎo)軌油粘度 適用額定壓力 適用滑動(dòng)速度32 7MPa 可用于 10m/min68 70KPa 可用于 10m/min150 400KPa 10m/min39 / 47220 400KPa 10m/min本機(jī)械手的導(dǎo)向系統(tǒng)負(fù)載較小，滑動(dòng)速度適中，而工業(yè)生產(chǎn)中 68潤(rùn)滑油應(yīng)用最為廣泛，因此，潤(rùn)滑油選用 68，為實(shí)現(xiàn)較高的互換性，豎直導(dǎo)向系統(tǒng)及兩個(gè)絲杠螺母選用的潤(rùn)滑油也選用 68。為鍵、軸、輪轂中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，查資料 得到 45 鋼的??P? [2]＝120MPa實(shí)際應(yīng)力為???? ＝120MPa,因此強(qiáng)度安全，此處平鍵聯(lián)接的選用是合格的。m，因此：軸徑 d≥ = =，即軸徑最小處應(yīng)大于 。10% 500 2/ms圖 43 EE－SPX740 光電開(kāi)關(guān)安裝尺寸 圖光電開(kāi)關(guān)要與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，因此需要知道光電開(kāi)關(guān)的接線(xiàn)圖：*為連接電晶體回路時(shí)的電壓輸出圖 44 EE－SPX740 光電開(kāi)關(guān)接線(xiàn)圖為保證導(dǎo)向桿的導(dǎo)向精度，以及提高機(jī)械手的可維護(hù)性，將一對(duì)青銅導(dǎo)向套通過(guò)螺釘固定在鋁合金材料的水平運(yùn)動(dòng)板上，這樣，如果長(zhǎng)期使用導(dǎo)致導(dǎo)向22 / 47套磨損，可以較容易地進(jìn)行更換。步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸如圖 3－7 所示：18 / 47圖 37 57BYGH803 步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸圖19 / 47第四章 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì) 手爪部件及水平運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 手爪部件的設(shè)計(jì)與校核如圖 4－1 所示，連接鉸鏈 1 與氣缸的活塞桿連接，鉸鏈 2 是自由的，轉(zhuǎn)軸3 的軸心固定在水平運(yùn)動(dòng)部件上。mm Nmm根據(jù)機(jī)械手上電機(jī)安裝空間及轉(zhuǎn)矩、步距角要求，選用混合式步進(jìn)電機(jī)，初步確定型號(hào)為 42BYG017，電機(jī)參數(shù)如下表所示：表 34 42BYG017 步進(jìn)電機(jī)性能參數(shù)電壓 電流 電阻 最大靜力矩 定位力矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量V A ?N L=230cos30176。－齒條式手爪機(jī)構(gòu)當(dāng)活塞桿左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿末端的齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通 過(guò)齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手指齒條的平行運(yùn) 動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。3 177。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，因此，自由度選擇為 3 個(gè)自由度。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手各活動(dòng)部件采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大，轉(zhuǎn)換后，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，各個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成機(jī)械手的升降，左右旋轉(zhuǎn)，伸縮等功能，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)程序控制兩種功能。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。設(shè)計(jì)難度較大的部分，一是手爪動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)換成手爪的合攏與放開(kāi)，但每次夾持的工件尺寸不同，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度要自動(dòng)調(diào)節(jié)，防止過(guò)載。在工作空間內(nèi)要考慮桿件自身的干涉，防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。6 / 47機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：1 運(yùn)動(dòng)箱體，2 豎直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向桿，3 上部限位蓋， 4 豎直運(yùn) 動(dòng)絲杠， 5 水平限位塊，6 夾持手爪，7 水平運(yùn)動(dòng)絲杠，8 水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向桿，9 轉(zhuǎn)盤(pán)， 10 底座，M1 轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)電機(jī)， M2 豎直絲杠步進(jìn)電機(jī)，M3 水平絲杠步進(jìn)電 機(jī)。若將繩輪作成非圓輪 或采用鏈傳動(dòng)．則機(jī)構(gòu)作非均勻 牽引運(yùn)動(dòng)。 氣缸的各項(xiàng)參數(shù)如表 3－2 所示：表 32 QCJ2B10－50 型微型氣缸參數(shù)表缸徑/mm 活塞行程/mm工作介質(zhì) 動(dòng)作型式 工作壓力 使用速度 接管口徑10 50 潔凈壓縮空氣 雙動(dòng) 300mm/s M5氣缸安裝尺寸如圖 3－2 所示：10 / 47圖 32 QCJ2 系列雙作用微型氣缸安裝尺寸圖校核氣缸所能提供的拉力大小。 2cmkg 15 140 15 20 其他參數(shù)：步距角為 176。環(huán)境溫度為－25～＋40℃溫升 85K此電機(jī)與豎直運(yùn)動(dòng)絲杠通過(guò)減速比為 2 的齒輪副連接，由此可知豎直運(yùn)動(dòng)精度為：,???豎直運(yùn)動(dòng)精度為 ,符合運(yùn)動(dòng)精度要求，因此可以認(rèn)為豎直運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的選擇是合理的。鋁合金材料選用鑄造鋁合金 ZAlSi7Mg，該鋁合金的特性如表 4－1 所示：圖 41 手爪部件設(shè)計(jì)圖表 41 鑄造鋁合金 ZAlSi7Mg 的特性主要化學(xué)成分 ,% 力學(xué)性能，≥ 特性和用途牌號(hào) Si Mg Al/MPab?/%s?HBSZAlSi7Mg 余量 155 2 50耐蝕性、鑄造性能好、易氣焊；用于制作形狀復(fù)雜的零件，在海水中使用時(shí)，銅含量≤％20 / 47因本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手夾持工件重量較小，手爪夾持部受力較小，因此該材料的力學(xué)性能能夠滿(mǎn)足使用要求。圖 45 水平導(dǎo)向部件說(shuō)明圖②.校核水平導(dǎo)向桿的強(qiáng)度及剛度：水平導(dǎo)向桿是懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)手爪部件在最外端極限位置時(shí)，部件的剛度最差，校核這種情況下水平導(dǎo)向桿的剛度。m1T?大齒輪的分度圓直徑為 =158=58mm22dmz?則作用在軸上齒輪的力為：27 / 47周向力： ??? 徑向力： tantan10r??傳動(dòng)軸的彎矩和轉(zhuǎn)矩圖見(jiàn)圖 5－2。40rC大齒輪選用 45 鋼 (調(diào)質(zhì))，硬度為 240HBS。水平方向上，水平絲杠和導(dǎo)向桿均為懸臂結(jié)構(gòu)，為提高剛度，兩導(dǎo)向桿同樣是對(duì)角布置，水平絲杠位置在箱體中心處，剛度最佳。這次設(shè)計(jì)工作量不小，由于屬于創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)，因此有一定難度?？傊?，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一個(gè)成本低、柔性大、功能強(qiáng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。導(dǎo)軌有時(shí)會(huì)有水接觸，生產(chǎn)中，經(jīng)常有水會(huì)濺到導(dǎo)軌上，若導(dǎo)軌油的分水性能不佳就會(huì)被水分解，油滴到切削液中，會(huì)造成切削液污染，所以導(dǎo)軌的分水性能極重要。圖 5－6 平鍵尺寸圖 2鍵連接的強(qiáng)度校核:已知工作條件:轉(zhuǎn)矩為豎直運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)扭矩的 2 倍，則：，接觸高度為 k==6mm=3mm,????＝34 / 47工作長(zhǎng)度為 l＝6mm，軸徑 d＝20mm。第五章 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與校核 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的材料選用 45 鋼，查表 得 ＝110[1]0A已知傳動(dòng)軸傳遞的扭矩為 EE－SPX740 光電開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸如下所示：表 42 EE－SPX740 光電開(kāi)關(guān)技術(shù) 參數(shù)表檢測(cè)距離 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物體 誤差距離 應(yīng)答頻率 電源電壓 耐沖擊 不透明 1 以上 小于1KHz DC524V177。,則末端執(zhí)行部件的精度為 符合精度要求，??m選擇是合理的。 豎直運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的選型豎直螺紋連接受力分析如右圖所示： 圖 36 豎直螺紋連接受力分析圖已知 ，則由圖可知： 20GFN? 2 ???16 / 47????豎直運(yùn)動(dòng)絲杠與步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速比為 2 的齒輪副連接，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最小值近似為：，?????轉(zhuǎn)矩、步距角要求，初步選用混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào) 42BYG504，電機(jī)參數(shù)如下表所示：表 36 42BYG504 步進(jìn)電機(jī)性能參數(shù)電壓 電流 電阻 最大靜力矩 定位力矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量V A ?N 水平運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的選擇由圖 可知， ????13 / 47要驅(qū)動(dòng)絲杠，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最小值近似為： ????出于安全考慮，所選步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最小值應(yīng)大于 30 N時(shí)，兩爪間的距離 L。構(gòu)當(dāng)活塞左右運(yùn)動(dòng)時(shí)．通過(guò)凸輪和連桿的組合，實(shí)現(xiàn)卡爪的圓 弧開(kāi)合，但平行運(yùn)動(dòng)中摩擦阻力較 大。 177。在滿(mǎn)足機(jī)械手工作要求前提下，為簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。本文的主要內(nèi)容包括：機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)方案的選型、機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類(lèi)也不盡相同。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速2 / 47機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。可以在手爪上設(shè)置受力傳感器，反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)這一功能。此外在工作空間內(nèi)某些位置，機(jī)械手不可能達(dá)到預(yù)定的速度，甚至不能在某些方向上運(yùn)動(dòng)，即所謂工作空間的奇異性。圖 21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖選用圓柱坐標(biāo)型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原因：因本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧控制部分的要求。手爪在夾持工件時(shí)，由于不同工件的尺寸不同，因此每次夾持時(shí)，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程也應(yīng)該不同，否則會(huì)出現(xiàn)夾持不到位或夾持電機(jī)燒毀等現(xiàn)象，為避免這種現(xiàn)象，夾持機(jī)構(gòu)需有過(guò)載保護(hù)功能。使用壓力為 ，氣缸內(nèi)徑為 10mm，活塞桿直徑為 4mm,可知?dú)飧姿芴峁┑睦?=24?????..???N 30N,所以可以認(rèn)為氣缸的選用是合適的。環(huán)境溫度為－25～＋40℃溫升 85K此電機(jī)與水平運(yùn)動(dòng)絲杠通過(guò)減速比為 2 的齒輪連接，由此可知水平運(yùn)動(dòng)精度為：,???, 水平運(yùn)動(dòng)精度符合要求，因此可以認(rèn)為水平運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的選擇是合理的。因絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，因此，只要步進(jìn)電機(jī)的靜力矩大于850N為減輕重量以及降低成本，桿件都采用不銹鋼薄板沖壓成形。包含被夾持工件的末端總重量約為G＝1kg＝10N，單根導(dǎo)向桿的重量為＝。圖 5－2 傳動(dòng)軸的受力分析圖從上圖可以得出危險(xiǎn)截面的支反力、彎矩值列于表 5－1。根據(jù)工作條件，定為 8 級(jí)精度，選小齒輪齒數(shù) ，則大齒輪齒數(shù)129Z?。詳細(xì)設(shè)計(jì)請(qǐng)參閱下頁(yè)設(shè)計(jì)圖 6－圖 6－圖 6－4。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到了指導(dǎo)老師張錦萍老師的大力幫助，在此表示衷心的感謝?；趩纹⑿陀?jì)算機(jī)的機(jī)械手系統(tǒng)還可以用于工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)，完成工件轉(zhuǎn)移、零件裝配、檢測(cè)以及危險(xiǎn)環(huán)境中替代人完成簡(jiǎn)單精確的勞動(dòng)等很多工作，提高裝備的自動(dòng)化水平；系統(tǒng)還可以較容易地實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中控制生產(chǎn)設(shè)備；另外，該系統(tǒng)價(jià)格便宜，組成靈活，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。導(dǎo)軌油的目的在于保護(hù)導(dǎo)軌及滑塊，套環(huán)不被磨損，長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)導(dǎo)軌的最佳精度。??? 豎直運(yùn)動(dòng)絲桿與齒輪連接處鍵連接的選用與校核傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)盤(pán)聯(lián)接，軸徑為 20mm，根據(jù)手冊(cè)選得公稱(chēng)尺寸 bh＝66，受機(jī)構(gòu)限制，鍵長(zhǎng) l＝6mm，根據(jù) GB/T 1096－1979,選用 B 型平鍵，尺寸如圖5－6 所示。?????1??許用壓力為 ，實(shí)際壓力為24223..0567()(7)crEIFNl?????26 / 478N，因此可以算得實(shí)際安全系數(shù)為： ，支撐桿的穩(wěn)定性是合762958crFn?格的。21 / 47光電開(kāi)關(guān)型號(hào)選用 EE－SPX740 ，通過(guò)螺釘安裝在水平定位板上。 環(huán)境溫度為－25～＋40℃轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)動(dòng)精度為 176。螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件 為：[1]26[]bbFlDu????設(shè)計(jì)的螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力為： ??????=查得許用彎曲應(yīng)力為150MPa，150MPa,因此，螺紋牙危險(xiǎn)截面滿(mǎn)足彎曲強(qiáng)度條件。螺紋牙危險(xiǎn)截