【文章內(nèi)容簡介】 電機驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸實現(xiàn)。其外觀與工作移動方位如圖 22圖 機器人外形圖 機器人的工作空間本機械手底座采用圓柱坐標型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機械手轉(zhuǎn)動軸的扇形體立體空間。機器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相對工作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比，絕對工作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積，只要工件搬運點都在此范圍內(nèi)即可實現(xiàn)搬運。下圖 23 描述了本機械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。圖 工作空間圖 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 機械手驅(qū)動器機械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動臂，桿和載荷完成指定的運動。常用的驅(qū)動器有電機、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機，交流伺服電機及其步進電機等。本設計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進電機作為驅(qū)動器（在第 5 章計算說明步進電機的選擇） ，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來作為驅(qū)動器。 [10] 機械手傳動機構(gòu)手臂的升降是步進電機通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現(xiàn)伸縮運動的。 氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。 [5]如下圖 圖 氣爪連接示圖底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進電機聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手5 / 39的旋轉(zhuǎn)運動。 [5]如下圖 ：1——支座，2——電機，3——軸承，4——帶傳動，5——殼體6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪 圖 機械手底座傳動示圖本設計中的四自由度棒料搬運機械手的有關技術參數(shù)見表 21。表 21 機械手參數(shù)表3 機械手的傳動設計 滾珠絲杠的選擇絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設計的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷機械手類型 四自由度圓柱坐標型抓取重量 2Kg自由度 4 個（2 個回轉(zhuǎn) 2 個移動）底座 長 290mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角 240176。，步進電機驅(qū)動 PLC 控制手臂升降機構(gòu) 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進電機驅(qū)動 PLC 控制手臂伸縮機構(gòu) 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動 活塞位置控制氣爪旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關控制。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 , NF245m? min52r?設計使用壽命取 L=27 106r ，工作溫度低于 100℃，可靠度 95%，精度為 3 級精度。 [1]?計算工作載荷： FKmc?式中： K——顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，設計取為 c = 245? = 294 N最大動負載 C 的計算 最大動負載 C 的計算公式： [12]mFLC??f3 查機電綜合設計指導書式 214 得式中： L——工作壽命，單位為 106r，本設計取為 27 106r? fm——運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 ，本設計取 ~ Fm——滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入 mFC??f3得： ?選擇滾珠絲桿副的型號C= 按 ，查機電綜合設計指導書表 27，選用漢江機床廠 FN 型滾珠絲aC?杠，系列代號為 FN250624。 [12]其中 74aN?= 25 mm , =6mm ,0DnP螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算 螺旋導程角 γ = = = 3186。57′ dPn?arctonarct 效率的計算公式： [12])tan(????? 查機電綜合設計指導書式 215 得式中： ——絲桿螺旋導程角有前計算的? 753??? ——摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為 ，其摩擦角為?04.~.f 01???把以上數(shù)據(jù)代入 得： )tan(?????7 / 39 %950.)1753tan(?????? 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定一般一級諧波齒輪減速比可以在 50～500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕，運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設備中。本設計的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。諧波齒輪的設計基本參數(shù)如下：傳動比： ；10i2?柔輪變形波數(shù)：U=2 ；柔輪齒數(shù)： ；201i???UZR剛輪齒數(shù)： ；rc?模數(shù)： ；柔輪臂厚： ；5?H尺寬： ；2b其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算分別確定如下： 全齒高： ； ；?R ? 分度圓直徑： ； ；8d 8d 齒頂圓直徑： ； ； .ac 齒根圓直徑： ； ；79f?24f? 齒形角： ； ；?0R? ?0c? 變位系數(shù)： ； ；.柔輪與剛輪均采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸2a= ，短軸 2b= ，并且采用具有 23 個直徑為 滾珠的薄臂軸承。諧波齒輪輪齒的耐磨計算：由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪齒工作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作表面的耐磨損能力可由下式計算： [7] 20pRnvTKPPdhbZ??A式中：T——作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計算取得 ；m?Nm2??NT ——柔輪分度圓直徑，本設計中取為 =80mm ；Rd Rd ——最大嚙入深度，近似取 =（ ）m ，~4 ；?? b ——齒寬（mm） ，設計中取為 b=20mm ； ——當量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取vZ；??Z K——載荷系數(shù)，取 ，設計中取為 K= ；.~3K ——齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取 =8MPA ；P P所以，代入 得： vnbhd20ZTR?? ??因 滿足 ，所以符合耐磨性要求 。?a?柔輪強度計算：諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應力狀態(tài)，其正應力基本上是對稱變化的，而切應力則呈脈動變化，若以 分別表示正應力和切應力的應力幅和平均應力。 [11]ma???,（1）正應力的應力幅和平均應力分別為： 0,?????mpDE??（2）由變形和外載荷所引起的切應力分別為：9 / 39 12pp21y 0,?????????則，切應力的應力幅和平均應力為： )(.a?ym以上式中：T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩（ ） ，由前計算取為：T=2 ；?Nm?N ——柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設計中取為： = ；1h 1h ——計算平均直徑（mm） ，設計中為：PD ；??? E——彈性模量（ ） ，設計中為 E =206000 ；aMPaMP ——變形量（mm） ， ，本設計中為?Rcd? =－80= ；將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： ()79...9().10()())()a amy aaamy aMPPMP?????????????????柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。30CrMnSiA 的力學性能如下： [6] ，球化處理后硬度為 ，10,90basaMP???HRC26~4且，?。? ()227b aMP?????柔輪正應力安全系數(shù)和切應力安全系數(shù)分別為： ..????????????柔輪的安全系數(shù)： ???此數(shù)值大于許用安全系數(shù) ，則柔輪強度滿足要求。11 / 39 4 機械手的各電機選擇進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機。本機械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進電機對系統(tǒng)位置控制比較準確且控制易于實現(xiàn)。故本機械手選用的驅(qū)動電機都是步進電機。 機械手手臂升降步進點擊的選擇機械手手臂升降用步進電機來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。初選步進電機 [8]7503BF由前計算絲桿導程為 mLo6?本設計機械手手臂升降速度選定為 sS35所以絲桿轉(zhuǎn)速： ?回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacM??式中： ——機械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM ——機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f——機械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga其中： ，twoga??J式中： ——手臂升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：?A； (/min)(/)0r rads? ??? ——手臂升降啟動或制動的時間：本設計取為 ；tA ）（.t??——手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ，0J ??2mkg?其中： dlsJ??o 式中： ——絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量 ，2 其中： 式中： ——絲桿的公稱直徑由前計算得 ）（ m05.?D ——絲桿的長度本設計取為 (m)L 代入得：