四自由度棒料搬运机械手设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 编号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 四自由度棒料搬运机械手设计 信机 系 机械工程及其自动化 专业 学 号： 0923076 学生姓名： 陈 华 指导教师： 冯 鲜 （职称：讲 师 ） （职称： ） 2013年 5月 25日 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 四自由度棒料搬运机械手设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用、表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923076 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及其自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 、 题目 四自由度棒料搬运机械手设计 、专题 二、课题来源及选题依据 机器人工程是近二十多年迅速发展起来的，目前已应用与许多生产领域。由目前的发展状况看，在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色。本机械手就是基于此并为提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历 史发展的趋势。 、本设计（论文或其他）应达到的要求： 机械手类型 四自由度圆柱坐标型 抓取重量 2由度 4个（ 2个回转 2个移动） 底座 长 290转运动，回转角 240 手臂升降机构 长 550降运动，升降范围 400手臂伸缩机构 长 826缩运动，伸缩范围 270缸驱动，活塞位置控制 气爪旋转机构 旋转运动，旋转角 180度，气缸驱动，行程开关控制 1、机械手的总体设计，包括型式选择、基本参 数确定、总体布置与主要结构设计。并绘制整体装配图。 2、机械手传动机构的设计，包括滚珠丝杠的选择，谐波齿轮减速器参数的确定。 3、机械手各种电机的选择。包括机械手手臂升降步进电机的选择，机械手底座回转驱动电动机的选择。 4、机械手各气动件的设计计算。 5、设计说明书一份。 6、所有非标零件需画出零件图。 、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 陈 华 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2013 年 5 月 25 日 要 在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁 重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势。 近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。 本设计的机械手是基于提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。 本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。 本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于 2圆形棒料的搬运。通过气爪手指的不同选择可满足直径小于 60棒料的搬运。 在控制器的作用下，机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻转过来这一简单的动作。 关键词： 四自由度；机械手；搬运； 工业机器人 V in at Its In in as to of at t in so to do a of It is of at of is is 0to it in of 录 摘 要 . . V 目 录 . 绪论 . 错误 !未定义书签。 业机器人的技术与发展 . 1 设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能 . 2 设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义 . 2 2 机械手的总体设计 . 3 计要求 . 3 械手的组成 . 3 方案的拟定 . 4 器人的工作空间 . 4 械手驱动系统的设计 . 5 械手驱动器 . 5 械手传动机构 . 5 3 机 械手的传动设计 . 7 珠丝杠的选择 . 7 波齿轮减速器参数的确定 . 8 4 机械手的各电机选择 . 12 械手手臂升降步进点击的选择 . 12 械手底座回转驱动电动机的选择 . 14 5 机械手各气动件的设计计算 . 18 爪夹紧力的起算与气爪的选择 . 18 爪夹紧力的要求 . 18 径的确定 . 19 程的确定 . 20 缸的动速度 . 20 动气缸的选择 . 21 臂伸缩气缸的选择 . 23 6 机器人控制系统的设置 . 26 械手控制器的选择 . 26 械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求 . 26 制系统的总体设计 . 27 7 手臂验算与机械手参数 .未定义书签。 无锡太湖学院学士学位论文 臂平衡的验算 . 29 械手参数 . 30 8 结论与展望 . 错误 !未定义书签。 论 . 错误 !未定义书签。 足之处及未来展望 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 32 参考文献 . 33 四自由度棒料搬运机械手设计 锡太湖学院学士学位论文 X 四自由度棒料搬运机械手设计 自由度棒料搬运机械手设计 1 1 绪论 业机器人的技术与发展 机器人（又称机械手，机械人，英文名称： 在人类科技发展史上其来有自，早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要 支柱。 机器人的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。 工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著。不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势。 工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位 ，自动化程度高的自动操作机械 。 主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。 工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作 。 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出 指令，执行机构按指令再现示教的操作。 第二代工业机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 世界上工 业机器人萌芽于 50 年代的美国，经过 40 多年的发展，已被不断地应用于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式。 进入 90 年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在 10%左右，世界上已拥有机器人数量达到 70 万台左右， 1992、 1993 年世界机器人市场曾一度出现小的低谷，近年除日本外，欧美机器人市场也开始复苏，并日益兴旺。与全球机器人市场一样，中国机器人市场也逐渐活跃， 1997 年上半年，我国从事机器人及相关技术产品研制、生产的单无锡太湖学院学士学位论文 2 位已达 200 家，研制生产的各类工业机器人约 有 410 台，其中已用于生产的约占 3/4。目前全国约有机器人用户 500 家，拥有的工业机器人总台数约为 1200 台，其中从 40 家外国公司进口的各类机器人占 2/3 以上，并每年以 100 150 台的速度增加。 从机器人的应用与发展来看，在很多方面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势，工业机器人将来必定有广阔的发展前景。 设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能 本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于 2圆形棒料的搬运。 本设计中的机械手有四个自由度，由底座的旋转 ，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转组成。本设计中的机械手是一种通用型棒料搬运机械手。通过气爪手指的不同选择可满足小于直径 60棒料的搬运。 通过示教再现或程序的直接控制 可实现在机械手工作范围内把棒料从指定点搬运到另一指定点，并把棒料翻转过来。通过对机械手的相应控制还可实现对棒料的排列。 设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义 机器人工程是近二十多年迅速发展起来的，目前已应用与许多生产领域。由目前的发展状况看，在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色。本机械手就是基于此并为提高劳动生产 率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势。 四自由度棒料搬运机械手设计 3 2 机械手的总体设计 计要求 要求：本毕业设计要求学生掌握机器人或工业机械手的结构及工作原理，实现机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多个自由度，完成一四自由度搬运机器人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件并到达规定的地点。 械手的组成 图 械手的组成图 本机械手由机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制检测系统组成。 机械系统： 行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括气爪、手臂升降、手臂伸缩、底座旋转。 执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动。 控制系统： 通过对驱动系统的控制，使执行 系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 机 械 手 机 械 系 统 控 制 系 统 执 行 机 构 驱 动 机 构 气爪旋转机构 伸缩机构 升降机构 底座 电器混合驱动 无锡太湖学院学士学位论文 4 方案的拟定 由设计要求本设计机械手实现的作用：自动线上有，两条输送带，设计机械手将一棒料工件从 A 带送到 B 带并将棒料翻转过来。 确定为四自由度的机械手。其中 2 个为旋转， 2 个为平移。 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定机械手，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机械手工作范围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则选用气爪来做夹持器，用小型气缸驱动夹紧。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸实现。 其外观与工作移动方位如图 2 器人外形图 器人的工作空间 本机械手底座采用圆柱坐标型结构，其工作空间是一个具有一定角度的绕机械手转动轴的扇形体立体空间。机器人具有较大的相对工作空间和绝对工作空间，所谓相对工作空间是指手腕端部可抵 达的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比，绝对工作空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积，只要工件搬运点都在此范围内即可实现搬运。 下图 2述了本机械手的工作空间，是顶视图。高度即为手臂可升降的高度。 四自由度棒料搬运机械手设计 5 图 作空间图 械手驱动系统的设计 械手驱动器 机械手驱动系统包括驱动器和传动机构 ,它们常和执行器联成一体 ,驱动臂，杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中采用电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机，交流伺服电机及其步进电机等。本设计中 底座的旋转与手臂升降都是采用步进电机作为驱动器（在第 5 章计算说明步进电机的选择），而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器。气爪的翻转是通过摆动气缸来作为驱动器。 10 械手传动机构 手臂的升降是步进电机通过联轴器直接与丝杆连接。手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。 手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板，从而实现伸缩运动的。 气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。 5如下图 爪连接示图 无锡太湖学院学士学位论文 6 底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直 接驱动转动机座转动，从而实现机械手的旋转运动。 5如下图 1 支座， 2 电机， 3 轴承， 4 带传动， 5 壳体 6 位置传感器， 7 柔轮， 8 波发生器， 9 刚轮 图 械手底座传动示图 本设计中的四自由度棒料搬运机械手的有关技术参数见表 2 表 2机械手参数表 机械手类型 四自由度圆柱坐标型 抓取重量 2由度 4 个（ 2 个回转 2 个移动） 底座 长 290转运动，回转角 240，步进电机驱动 制 手臂升降机构 长 550降运动，升降范围 400进电机驱动 制 手臂伸缩机构 长 826缩运动，伸缩范围 270缸驱动 活塞位置控制 气爪旋转机构 旋转运动，旋转角 180o，气缸驱动，行程开关控制 四自由度棒料搬运机械手设计 7 3 机械手的传动设计 珠丝杠的选择 丝杆所受载荷主要是手臂的重力，设计的手臂质量约为 25F 245m 。丝杆选为有效行程 450 由前电机选择的计算丝杆转速 , 设计使用寿命取 L=27 106r ，工作温度低于 100 ，可靠度 95%，精度为 3 级精度。 1 计算工作载荷： 中： K 颠覆力矩影响的实验系数，设计取为 F = 245 = 294 N 最大动负载 C 的计算 最大动负载 C 的计算公式： 12 查机电综合设计指导书式 2 式中： L 工作寿命，单位为 106r，本设计取为 27 106r 运转状态系数，无冲击取 ，本设计取 m 滚珠丝杆工作载荷（ N）； 把以上数据代入 得： 5 82 9 C 选择滚珠丝杆副的型号 C= ，查机电综合设计指导书表 2用汉江机床厂 滚珠丝杠，系列代号为 12其中 7747 0D= 25 螺杆不长，变形量不大无需验算。 效率计算 螺旋导程角 = 357 无锡太湖学院学士学位论文 8 效率的计算公式： ) 12 查机电综合设计指导书式 2 式中： 丝杆螺旋导程角有前计算的 753 摩擦角丝杆副摩擦系数为 ，其摩擦角为 01 把以上数据代入) 得： %959 5 1753t a n ( 753t a n 波齿轮减速器参数的确定 一般一级谐波齿轮减速比可以在 50 500 之间，谐波齿轮结构简单，零件少，重量轻，运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。谐波齿轮减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机 电一体化机械设备中。 本设计的底座旋转采用谐波齿轮减速器传动。 谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。 谐波齿轮的设计基本参数如下： 传动比： 100 柔轮变形波数： U=2 ； 柔轮齿数： 2 0 01 0 02i ； 刚轮齿数： 2 0 222 0 0 模数： ； 柔轮臂厚： ； 尺宽： ； 其中，柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别确定如下： 四自由度棒料搬运机械手设计 9 全齿高： R ； ； 分度圆直径： ； ； 齿顶圆直径： ； ； 齿根圆直径： ； ； 齿形角： 20R ； 20c ； 变位系数： X ； X ； 柔轮与刚轮均采用渐开线齿形，波发生器采用控制式发生器，其中长轴 2a=短轴 2b=并且采用具有 23 个直径为 珠的薄臂轴 承。 谐波齿轮轮齿的耐磨计算： 由于谐波齿轮的柔轮和刚轮的齿数均很多，两齿形曲线半径之差很小，所以轮齿工作时很接近面接触，则轮齿工作表面的磨损可由齿面的比压 P 来控制。轮齿工作表面的耐磨损能力可由下式计算： 7 2000pR n h b Z式中： T 作用在柔轮上的转矩（ mN ），由前计算取得 柔轮分度圆直径，本设计中取为 80 最大啮入深度，近似取 （ m，本设计中取 1 . 4 0 . 4 0 . 5 6nh m m ； b 齿宽（ 设计中取为 b=20 当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取 Z ； K 载荷系数，取 ，设计中取为 K= P 齿宽许用比压 ，对于无润滑条件下工作的调质柔轮，取 P =8 所以，代入vn 000 得： 2 0 0 0 2 1 . 58 0 0 . 5 6 2 0 1 50 . 4 4 6 4 M P 无锡太湖学院学士学位论文 10 因 M A 满足 ，所以符合耐磨性要求 。 柔轮强度计算： 谐波齿轮工作时，柔轮筒体处于变应力状态，其正应力基本上是对称变化的，而切应力则呈脉动变化，若以 , 分别表示正应力和切应力的应力幅和平均应力。 11 （ 1）正应力的应力幅和平均应力分别为： 0, （ 2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： 125 则，切应力的应力幅和平均应力为： )( 以上式中： T 柔轮工作转矩（ mN ），由前计算取为： T=2 mN ； 1h 柔轮齿根处的臂厚（ 设计中取为： 1h = 计算平均直径（ 设计中为： ； E 弹性模量（ ，设计中为 E =206000 ； 变形量（ Rc ，本设计中为 =80= 将具体数据代分别代入上式中得： 323220 . 8 2 0 6 1 0 0 . 63 . 5 5 5 6 . 1 0 3 ( )7 9 . 100 . 8 2 0 6 1 0 0 . 60 . 5 7 . 9 0 2 ( )7 9 . 12 0 0 0 20 . 3 3 9 ( )7 9 . 1 0 . 60 . 5 ( ) 0 . 5 ( 7 . 9 0 2 0 . 3 3 9 ) 4 . 1 2 1 ( )m y 四自由度棒料搬运机械手设计 11 柔轮工作条件较恶劣，为使柔轮在额定载荷下不产生塑性变形和疲劳破坏，并考虑加工工艺较高的要求，决定选用 30为柔 轮材料。 30力学性能如下： 6 1 1 0 0 , 9 0 0b a s M P ，球化处理后硬度为 4 ， 且，取： 110 . 4 5 0 . 4 5 1 1 0 0 4 9 5 ( )0 . 2 5 0 . 2 5 1 1 0 0 2 7 5 ( ) 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为： 11495 3 . 5 2 92 . 5 5 6 . 1 0 3275 2 3 . 3 80 . 2 2 . 2 5 4 . 8 0 1 0 . 2 4 . 8 0 1 柔轮的安全系数：4 8 222 此数值大于许用安全系数 柔轮强度满足要求。 无锡太湖学院学士学位论文 12 4 机械手的各电机选择 进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本机械手系统所要求的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较准确且控制易于实现。故本机械手选用的驱动电机都是步进电机。 械手手臂升降步进点击的选择 机械手手臂升降用步进电机来驱动，通过丝杆传动来实现升降。 初选步进电机 75 0038 由 前计算丝杆导程为 本设计机械手手臂升降速度选定为 5 所以丝杆转速： m i 回转转矩： 式中： 机械手手臂升降相对丝杆的回转力矩 ； 机械手手臂升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ； 机械手手臂升降在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ； 其中： 式中： 手臂升降启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作的角速度： 23 4 9 . 9 8 ( / m i n ) 3 4 9 . 9 8 3 6 . 6 4 9 ( / )60r r a d s ； t 手臂升降启动或制动的时间：本设计取为 ）（ ； 0J 手臂升降时各部件对回转轴线 的转动惯量 2 其中： o 式中： 丝杆对其转动轴的转动惯量 2 其中： 437 . 8 1 0 L 式中： 丝杆的公称直径由前计算得 ）（ D 四自由度棒料搬运机械手设计 13 L 丝杆的长度本设计取为 0.6(m) 代入得： ）（ 234 1 3 J 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量 ）（ 2s J 查机械设计手册 (软件版 )； 步进电机转子的转动惯量 ）（ 2d 0 1 7 6 J 查机电综合设计指导书表 2； 代入得：2 0 0 3 3 50 . 0 0 0 1 7 6 40 . 0 0 1 80 . 0 0 1 3 7）（ 把以上代入 2fD M ； 式中： G 手臂的自重约为 200N f 丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数 f=机械设计手册 (软件版 ) 代入得： ）（ 02f 得： ）（ 电机与丝杆直接联接所以 i=1； 所以 ）（。）；（ sr a 936 9.0 上式中： 负载峰值转速（ s），如上计算 ： )6 ； 负载峰值力矩（ 如上计算： ）（ 电动机的功率计算式： 无锡太湖学院学士学位论文 14 lp P 上式中： 计算系数，其中一般 ，本设计中取： 2 ； 丝杆传动装置的效率，一般取 ，本设计中取： ； 代入以上数据得： P 2 0 . 6 0 9 3 6 . 6 4 9 / 0 . 85 5 . 8 0 ( )W 根据负载峰值力矩 大静转矩，选用步矩角为 3 步进电机 00375mN ，满足负载峰值力矩 大静转矩的要求。 12 表 4机参数 电机型号 相数 步距角 /（ ） 电压 /V 最大静