【文章內(nèi)容簡介】 為動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合驅(qū)動(dòng)的方式。 控制機(jī)構(gòu)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。1)用途：用于車間搬運(yùn)2)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：a) 抓重：1Kg(平行氣爪)；b) 自由度數(shù)：4個(gè)自由度（手爪張合；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降4個(gè)運(yùn)動(dòng)）；c) 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；d) 最大工作半徑：300mm；e) 手臂最大中心高：591mm；f) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s升降行程：200mm升降速度：250mm/s回轉(zhuǎn)范圍：0～180176。 回轉(zhuǎn)速度：45176。/s 搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖如下圖23圖 23 四自由度搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖1步進(jìn)電機(jī) 2標(biāo)準(zhǔn)氣缸 3標(biāo)準(zhǔn)氣缸 4平行氣爪3 零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾持式手部結(jié)構(gòu)機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型。1)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。3)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。4)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。5)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是平行氣動(dòng)手爪。搬運(yùn)工件是小于一千克的物體，所以我們選擇MHZ240C型氣動(dòng)手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合，這種型號的氣爪夾持力范圍在300800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動(dòng)手爪其結(jié)構(gòu)如圖31所示。圖 31 平行氣動(dòng)手爪結(jié)構(gòu)圖 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求：1) 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：a)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b)提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；c)合理布置作用力的位置和方向；d)注意簡化結(jié)構(gòu)；e)提高配合精度。2) 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在250mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為200mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個(gè)途徑：a)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料；b)減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸；c)減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作；d)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。3) 手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。4) 位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。5) 設(shè)計(jì)合理合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀?？偨Y(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。 手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1)手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：a)雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；b)手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d)活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2)手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇氣缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動(dòng)，水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。本設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸2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(shí)的總阻力，其公式為: （31）上式中: 活塞桿上的推力，N 彈簧反作用力，N 氣缸工作時(shí)的總阻力，N 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: （32）= 上式中: 彈簧剛度，N/m 彈簧預(yù)壓縮量，m 活塞行程，m 彈簧鋼絲直徑，m 彈簧平均直徑，. 彈簧有效圈數(shù). 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: （33）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (34)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸1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(shí)的總阻力，其公式為: (35)上式中: 活塞桿上的推力，N 彈簧反作用力，N 氣缸工作時(shí)的總阻力，N 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: (36)= 上式中: 彈簧剛度，N/m 彈簧預(yù)壓縮量，m 活塞行程，m 彈簧鋼絲直徑，m 彈簧平均直徑，. 彈簧有效圈數(shù). 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: （37）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （38）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代, 70年代中期以后多用寬調(diào)速直流伺服電機(jī), 進(jìn)入80年代以來,交流伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展, 并大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域, 占據(jù)了絕對優(yōu)勢。但是, 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、容易控制、維修方便, 而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 其驅(qū)動(dòng)控制除功率放大電路外, 都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。因此, 本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)氣缸的回轉(zhuǎn)。 工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與選用 步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的35%，且不累積。2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏8090度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 本設(shè)計(jì)是一個(gè)小型的氣動(dòng)機(jī)械手，需要的轉(zhuǎn)矩不大，查閱相關(guān)資料，同時(shí)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)我們選用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，初步定為拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)型號為TDA332S。 聯(lián)軸器