【文章內(nèi)容簡介】 電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)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(shè)計中的機(jī)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(jī)器人外形圖 機(jī)器人的工作空間本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動軸的扇形體立體空間。機(jī)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(dá)的最大空間體積與機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 機(jī)械手驅(qū)動器機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)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(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器（在第 5 章計算說明步進(jìn)電機(jī)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(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)械手5 / 39的旋轉(zhuǎn)運動。 [5]如下圖 ：1——支座，2——電機(jī)，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(jī)械手底座傳動示圖本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 21。表 21 機(jī)械手參數(shù)表3 機(jī)械手的傳動設(shè)計 滾珠絲杠的選擇絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷機(jī)械手類型 四自由度圓柱坐標(biāo)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂升降機(jī)構(gòu) 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂伸縮機(jī)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(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機(jī)選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 , NF245m? min52r?設(shè)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(shè)計取為 c = 245? = 294 N最大動負(fù)載 C 的計算 最大動負(fù)載 C 的計算公式： [12]mFLC??f3 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 214 得式中： L——工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計取為 27 106r? fm——運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取 ，本設(shè)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(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 27，選用漢江機(jī)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(dǎo)程角 γ = = = 3186。57′ dPn?arctonarct 效率的計算公式： [12])tan(????? 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 215 得式中： ——絲桿螺旋導(dǎo)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(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。本設(shè)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(shè)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(shè)計中取為 =80mm ；Rd Rd ——最大嚙入深度，近似取 =（ ）m ，~4 ；?? b ——齒寬（mm） ，設(shè)計中取為 b=20mm ； ——當(dāng)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(shè)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(qiáng)度計算：諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動變化，若以 分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。 [11]ma???,（1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 0,?????mpDE??（2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為：9 / 39 12pp21y 0,?????????則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)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(shè)計中取為： = ；1h 1h ——計算平均直徑（mm） ，設(shè)計中為：PD ；??? E——彈性模量（ ） ，設(shè)計中為 E =206000 ；aMPaMP ——變形量（mm） ， ，本設(shè)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(xué)性能如下： [6] ，球化處理后硬度為 ，10,90basaMP???HRC26~4且，?。? ()227b aMP?????柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)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(qiáng)度滿足要求。11 / 39 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，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(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點擊的選擇機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。初選步進(jìn)電機(jī) [8]7503BF由前計算絲桿導(dǎo)程為 mLo6?本設(shè)計機(jī)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(jī)械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM ——機(jī)械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；f——機(jī)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(shè)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(shè)計取為 (m)L 代入得：