【導讀】在當今大規(guī)模的制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，重要成員，逐漸被企業(yè)認同并采用。工業(yè)機械手的技術水平和應用程。度在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)自動化水平。的工作，工作方式一般采取試教在線的方式。算與校核，以及安全性的分析。還有控制部分的各電機的馬達型號，基本參數(shù)的計算和校核。行機構實現(xiàn)空間任意位置的抓取，實現(xiàn)手部快速，有效的抓取物體，有良好的傳感和限位功能使每個自由度上的運?？焖伲瑴蚀_。平穩(wěn)，程序簡潔，運行誤差小等優(yōu)點。機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民。經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備，

　　

【正文】 360 60=60r/min=1r/s 絲杠螺距 TSP=S δ?????????????????? () S=360/ 216。b?????????????????????? () S—— 每轉脈沖數(shù) δ—— 脈沖當量（ mm） TSP取 10mm δ取 S=360/=200脈沖 /轉 f n=S???????????????????????? () 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 40 f 1 轉 /秒 =200 脈沖 /秒 f=200 脈沖 /秒 工作臺運動速度 V=n S????????????????? () V=60r/min 10mm=600mm/min=10mm/s X 軸驅動器有效行程為 S1=100mm 其中分為先勻加速 S11，再勻速 S21，再勻減速 S31直到停止 S1=S11+S21+S31????????????????????? () 設 S11， S31均為 20mm 有勻加速公式 V178。=2 a S???????????????? () (10mm/s) 178。=2 a 20mm a=(s178。) 加速時間 t1=減速時間 t3=V/a=10mm/s/ a=(s178。)=4s 勻速時間 t2= S21/V=60mm/(10mm/s)=6s 運動總時間 t=t1+t2+t3=4s+6s+4s=14s 步進電機旋轉的角速度 ? =2 π n?????????? () ?=2 1r/s=步進電機旋轉 （ 的角加速度 ?= ?/t??????????????? ???????? () ? =（ ） /4s= rad/(s178。) 轉動 慣量的計算 滾珠絲杠的慣性矩 J=π (d^4) L ρ/32???????? () X 軸滾珠絲杠的長度 =2002334=188mm 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 41 X 軸滾珠絲杠的慣性矩 J11= （ 1cm） ^4 [(cm179。)]/32= (cm178。) Y 軸與 Z 軸滾珠絲杠的長度 =1502334=138mm Y 軸與 Z 軸滾珠絲杠的慣性矩 J21=J31= （ 1cm） ^4 [(cm179。)]/32= g (cm178。) 驅動器上每個工作臺的體積為 （ cm179。） 工作臺的質量 M=ρ v=(cm179。) （ cm179。） = 工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 J=[V/(2 π n)] 178。 M??????????????? () V—— 工作臺移動速度 J2={1cm/s/[2 (1r/s)]} 178。 = g (cm178。) 設滾珠絲杠的傳動效率為 η 1= 聯(lián)軸器的傳動效率為 η 2= J2折算到電機軸上的慣量 J3= J2/(η 1 η 2) ?????????????????? () =( )= g (cm178。) J11折算到電機軸上的慣量 J4= J11/η 2????????????????????? () J4= (cm178。) J21=J31折算到電機軸上的慣量 J5= （ J21或 J31） /η 2?????????????????? () J5= (cm178。) 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 42 各 軸電機的慣量 Jm= g (cm178。) 結論： X 軸電機軸上的總慣量 Jx=J3+J4+Jm=++= g (cm178。) Y 軸電機軸上的總慣量 Jy= J3+J5+Jm =++= g (cm178。) Z 軸電機軸上的總慣量 Jz= Jy= g (cm178。) 轉矩的計算 X 軸摩擦力轉換到電機軸上的當量轉矩 Tux為 Tux=Fx V/n=180 M g u δ/(π 216。b η 1 η 2) ??? () Fx—— X 軸摩擦力 V—— X 軸 工作臺移動速度 Tux=180 () （ ） /( ) = N mm= cm 同理 Y,Z 軸摩擦力轉換到電機軸上的當量轉矩 Tuy, Tuz為 Tuy=Tuz=Tux= cm X 軸 電機啟動加速力矩 Max=Jx ?????????????????????? () Max= (cm178。) rad/(s178。)= N cm 同理 Y,Z 軸上的電機啟動加速力 矩 May=Maz=Jy ? 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 43 = (cm178。) rad/(s178。)= N cm 結論： X 軸上的轉矩 Tx=Tux+Max=+= N cm Y 軸上的轉矩 Ty=Tuy+May=+= N cm Z 軸上的轉矩 Tz=Tuz+May=+= N cm 3 手腕的設計 腕部的結構 手腕是操作機的小臂 (上臂 )和末端執(zhí)行器 (手爪 )之間的連接部件。其功用 是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿 態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。對一般商用機器人，末桿 (即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結的桿 )都有獨立的自轉功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。 手腕基本執(zhí)行方式 工業(yè)機器人的腕部 是連接手部與臂部的部件，起支撐手部的作用。機器人一般具有 6 個自由度才能使手部達到目標位置和期望姿態(tài)。為使手部能處于空間任何方向，要求手腕能實現(xiàn)對空間 3 個坐標軸 X,Y,Z 的轉動，既具有回轉、仰俯、偏轉。 4 手指的設計 本設計的手指部分用 電磁鐵 。 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 44 通電產生電磁的一種裝置。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組，這種通有 電流 的 線圈 像磁鐵一樣具有 磁性 ，它也叫做 電磁鐵 (electromag)。我們通常把它制成條形或蹄形狀，以使 鐵芯 更加容易 磁化 。另外，為了使電磁鐵斷電立即消磁，我們往往采用消磁較快的的軟鐵或硅鋼材料來制做。這樣的電磁鐵在通電時有磁性，斷電后磁就隨之消失。電磁鐵在我們的日常生活中有著極其廣泛的應用，由于它的發(fā)明也使發(fā)電機的 功率 得到了很大的提高。 電磁鐵的工作原理 當在 通電螺線管 內部插入 鐵芯 后，鐵芯被通電螺線管的 磁場 磁化。 磁化 后的鐵芯也變成了一個磁體，這樣由電磁鐵 于兩個 磁場 互相疊加，從而使 螺線管 的 磁性 大大增強。為了使電磁鐵的磁性更強，通常將鐵芯制成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上 線圈 的繞向相反，一邊順時針，另一邊必須逆時針。如果繞向相同，兩 線圈 對 鐵芯 的磁化作用將相互抵消，使鐵芯不顯磁性。另 外，電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用 鋼 制做。否則鋼一旦被 磁化 后，將長期保持 磁性 而不能退磁，則其磁性的強弱就不能用 電流 的大小來控制，而失去 電磁鐵 應有的優(yōu)點。 電磁鐵 是可以通電流來產生磁力的器件，屬非永久磁鐵，可以很容易地 將其磁性啟動或是消除。例如：大型 起重機 利用電磁鐵將廢棄車輛抬起。 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 45 當電流通過導線時，會在導線的周圍產生磁場。應用這性質，將電流通過 螺線管 時，則會在螺線管之內制成均勻磁場。假設在螺線管的中心置入 鐵磁性 物質，則此鐵磁性物質會被磁化，而且會大大增強磁場。 一般而言，電磁鐵所產生的磁場與電流大小、線圈圈數(shù)及中心的鐵磁體有關。在設計電磁鐵時，會注重線圈的分布和鐵磁體的選擇，并利用電流大小來控制磁場。由于線圈的材料具有 電阻 ，這限制了電磁鐵所能產生的磁場大小，但隨著 超導體 的發(fā)現(xiàn)與應用，將有機會超越現(xiàn)有的限制 。 圖 電磁鐵的工作原理圖 電磁鐵的優(yōu)點 電磁鐵有許多優(yōu)點：電磁 鐵磁性 的有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強弱或線圈的匝數(shù)來控制；也可改變 電阻 控制電流大小來控制磁性大??；它的磁極可以由改變電流的方向來控制，等等。即：磁性的強弱可以改變、磁性的有無可以控制、磁極的上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 46 方向可以改變，磁性可因電流的消失而消失。 本設計的機械手電磁鐵吸力 方塊尺寸為 80 50 30=120（ cm179。） 方塊質量 =M=ρ v= g/(cm179。) 120（ cm179。） =936g 方塊重量 =M g= = 本設計用直流電磁鐵 ， 直流電磁鐵的銜鐵和鐵心均由軟鋼和工程純鐵制成。當電磁線圈接上電源時，線圈中就有了激磁電流，使電磁鐵回路中產生密集的磁通。該磁通作用于銜鐵，使銜鐵受到電磁吸力的作用產生運動。 通過理論分析可知，電磁吸力Ｆ x 與Ｉ 和δ之間的關系可用下式來表達： Ｆ x＝ I178。（ dL/dδ） ?????????????? () δ — 氣隙長度，即磁極間的距離（ cm） L— 線圈的電感 線圈電感 L=W^2 Gδ (式中 Gδ — 氣隙的磁導 )。 所以 Fx= I178。 d Gδ /dδ ?????????????? () d Gδ /dδ =－μ 0（ S/δ 178。） ???????????? () μ 0— 空氣的磁導率， 10^8(h/cm)； S－決定磁導和電磁吸力的銜鐵面面積（ cm178。）； δ — 氣隙長度，即磁極間的距離（ cm）； K— 考慮到磁通能從磁極邊緣擴張通過氣隙的一個系數(shù)，它大于1，而且δ值越大， K 值也就越大。 上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 47 本設計的吸力 = （ 178。） 10^8(h/cm) 5（ cm178。） （ 10^5） 178。=15N 5 機架與機座的設計 機架零件一 般是指機器的底座、機架、箱體、基礎版等零件。機器的全部重量將通過機架傳至基礎上。機架零件還負有承受機器工作時作用力和使機器穩(wěn)定在基礎上的作用。 機架的設計要求 機架零件往往是機器中最大的零件，在機器總重量中，一般情況下，機器零件占 70%— 90%。因此，設法減輕這類零件的重量具有一定的經濟意義。機架零件按構造形式不同大體上可歸納成四類： 機座類； 板類； 框架類。此外也有其他分類方法，如整體機架和部分機架、鑄造機架和焊接機架、固定機架和移動機架等。 對于機架零件一般可提出下列基本要求： 足夠的 強度和剛度；形狀簡單，便于制造； 便于在機架上安裝附件等。對于帶有缸體、導軌等的機架零件，還應有良好的耐磨性，以保證機器有足夠的使用壽命。高速機器的機架零件還應滿足振動穩(wěn)定性的要求。 強度和剛度是評價機架零件工作能力的基本增長準則。像鍛壓機床、沖剪機床等類機器，其機架零件的截面尺寸往往由強度條件決定。 機架零件大多數(shù)形狀比較復雜。故采用鑄件。鑄鐵的鑄造性能好、價廉、吸振能力較強，所以在機架零件中應用最廣。受載情況嚴重的機架常用鑄鋼、如軋鋼機機架。要求質量輕時可以采用輕合金，如飛機上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 48 發(fā)動機的缸體多用鋁合金 鑄成。 本設計的機架 本設計的機架選用 3060 型的 鋁合金型材，基本參數(shù)如下 表 本設計使用的鋁合金型材 型號 重量 斷面積 慣性矩 Ix 慣性矩 Iy 壁厚 （ Kg） mm^2 mm^4 mm^4 mm 3060 720 7 10^4 10^4 圖 本設計使用的鋁合金型材 鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁 — 錳合金、鋁 — 銅合金、鋁 — 銅 — 鎂系硬鋁合金、鋁 — 鋅 — 鎂 — 銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。 鋁合金仍然保持了質輕的特點，但機械性能明顯提高。鋁合金材料的應用有以下三個方面：一是作為受力構件；二是作為門、窗、管、上海工程技術大學畢業(yè)設計 （論文） 簡易小型直角坐標機械手設計 49 蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。利用鋁合金陽 極氧化處理后可以進行著色的特點，制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。 成本低，而且使用一種加工工