FMC物料搬运机械手设计

FMC 物料搬运机械手设计 I 摘 要本课题是为完成车间搬运工作而设计的搬运机械手。机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。本课题的机械手是采用气压传动装置，PLC 控制机械手，它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置。主要完成的是气压传动式机械手臂的结构方面设计，以及用 PLC 软件进行简单的控制编程设计，使机械手具备手爪张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 5 个主要运动。机械手分别采用了两个直线气缸，一个摆动气缸和滚珠丝杠来实现以上 5 个运动。对于机械手准确、高效的工作是当今生产上一个具有很现实意义的课题，于是利用步进电机滚珠丝杠来控制机械手的手臂升降运动，达到了定位精度较高的效果。关键词：机械手，PLC(可编程控制器)，步进电机，滚珠丝杠副FMC 物料搬运机械手设计 II ABSTRACTThe issue is supporting the workshop designed carrying manipulator. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, which is a part of imitating human upper limb function, scheduled in accordance with the requirements of transportation tools Hold the workpiece or the operation of automation technology equipment, the realization of industrial automation, and promote the further development of industrial production plays an important role. Hence, it has strong vitality by the extensive attention of the people and welcome.This subject is adopted pneumatic transmission device robot manipulator, PLC control, basic function of it from the designated position grab workpiece to another location. The main type of mechanical arm pneumatic transmission is the structure design, and the use of PLC control software programming design, make robots have hand piece; hand again; arm expansion; turning arm; arm movements of five main movement.Robots are used for the two straight cylinder, a swing cylinder and ball screw to achieve the above five movement. For manipulator is accurate and efficient work today in a production of practical significance, and using the step-motor ball screw to control the movement of the manipulator arm positioning accuracy, high effect.Key words: manipulator, Programmable Logic Controller, step-motor, ball screw assemblyFMC 物料搬运机械手设计 III 目 录1 绪论-11.1 机器人的起源-11.2 我国搬运机器人基本情况-11.3 国外搬运机械手发展情况-21.4 工业机器人发展的趋势和展望-31.5 本章小结-52 设计的总体思想-62.1 机械手预计达到的目标-62.2 基本结构框架-62.3 本章小结-83 机械结构的设计-93.1 手部抓取机构的设计-93.2 腕部旋转机构的设计-143.3 臂部伸缩机构的设计-203.4 手臂升降机构的设计-223.5 机身旋转机构的设计-293.6 本章小结-334 气压系统的设计-344.1 气压传动系统工作原理-344.2 气动元件的选择-344.3 本章小结-355 PLC 控制机械手设计-365.1 可编程序控制器的选择及工作过程-365.2 可编程序控制器的使用步骤-FMC 物料搬运机械手设计 IV 375.3 机械手可编程序控制器控制方案-375.4 本章小结- 506 结论-51参考文献-52致谢-53FMC 物料搬运机械手设计 2 1 绪论1.1 机器人的起源机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有 3000 多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。机器人的诞生先后经历了从古代的神话幻想到此后数千年的艰苦探索、设计和试验的漫长道路。自古以来，幻想就是人类创造力的源泉，从人类最早的发明到当今的人间奇迹无一不是如此。人们在辛苦的劳动生产中渴望着有“人”来帮助自己战胜困难、创造幸福。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人；春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” ，体现了我国劳动人民的聪明智慧；公元前 2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌；1800 年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下；后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马” ，并用其运送军粮，支援前方战争。其实，在几百年甚至几千年以前，人类就制造出了许多可以帮助自己工作的“机器人”，只是还不成熟，仅仅是一个“雏形”。所以说，机器人发展的起源，是因为人们为了更加有效率的，更加节约人力的进行生产。而人类丰富的想象力和智慧造就了今日的“机器人”。1.2 我国搬运机器人基本情况我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品：机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、FMC 物料搬运机械手设计 3 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种：在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发运用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中 1。搬运作业在现代企业的物流管理中占有重要地位。近几年来随着物流业的发展，特别是自动仓库的出现，加速了搬运机器人的发展和广泛应用。我国在“七五”、“八五”期间已有许多单位研制出搬运码垛机器人，如上海大学研制的用于银行金库的直角坐标型码垛搬运机器人，哈工大研制的堆垛机器人。物料搬运机器人的操作和使用推广属于自动化技术中增值最快的领域之一。在带有微型机电一体化元件的小型盘、套、罩形零部件的自动化封装运送中, 借助于物料搬运机器人的图像识别技术和复杂的编程技术, 物料搬运机器人可以完成迄今为止人力所无法完成的艰巨任务。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.3 国外搬运机械手发展情况现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产生。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国机械铸造公司在上述工件抓放机构方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。FMC 物料搬运机械手设计 4 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间） ，由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到0.1 毫米。德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50 多个。1976 年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990 年将有 55 万机器人在工作 2。1.4 工业机器人发展的趋势和展望工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平、提高劳动生产率和产品质量提高经济效益、改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛兴趣。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。从近几年世界机器人推出的产品来看，未来工业机器人具有如下的发展趋势：(1) 高智能化未来工业机器人与今天的相比最突出的差异在于其具有更高的智能。随计算机技术、模糊控制技术、专家系统技术 人工神经网络技术和智能工程技术等高新技术的不断发展，必将大大提高工业机器人学习知识和运用知识解决问题的能力，并具有视觉、听觉、感觉等功能，能感知环境的变化，做出相应反应，有很高的自适应能力，几乎能象人一样去干更多的工作。(2) 结构一体化工业机器人的本体采用杆臂结构或细长臂轴向式腕关节，并与关节机构、电动机、减速器、编码器等有机结合，全部电、管、线不外露，形成十分完整的防尘、防漏、防暴、防水全封闭的一体化结构。FMC 物料搬运机械手设计 5 (3) 组件、构件通用化标准化和模块化工业机器人是一种高科技产品，其制造、使用维护成本较高，操作机和控制器采用通用元器件，让机器人组件、构件实现标准化、模块化是降低成本的重要途径之一。大力制订和推广“三化”，将使工业机器人产品更能适应国际市场价格竞争的环境。(4) 高精度 高可靠性随着人类对产品和服务质量的要求越来越高的发展趋势，对从事制造业的工业机器人的要求也相应提高，开发高精度、高可靠性工业机器人是必然的发展结果。采用最新交流伺服电动机或 DD 电动机直接驱动，以进一步改善机器人的动态特性，提高可靠性采用 64 位数字伺服驱动单元和主机采用 32 位以上 CPU 控制，不仅可使工业机器人精度大为提高，也可以提高插补运算和坐标变换的速度。目前，工业机器人的应用主要还是集中在焊接、装配、工件搬运、机床上下料和喷漆( 涂 )等作业领域，对于去毛刺，铸件清理、切削加工和抛光等很有应用潜力的这些作业，工业机器人的应用数量目前还较少，主要原因是尚缺少合适的传感器，阻碍了工业机器人在这些领域里的迅速增长。同样，对于目前应用量较大的弧焊和装配机器人，进一步扩大应用也需要有传感器技术的支持。如进行弧焊作业时，传感器用来识别和跟踪焊缝，进行零件装配时，工业机器人需采用装有测力传感器和柔性手爪，用于识别零件及其位置的图象处理系统等。显然，传感器系统的进一步开发和完善、控制系统和驱动技术的进一步改进，对扩大工业机器人的应用范围和保证其作业质量越来越具有重要意义。新的加工工艺的开发和改进(如激光加工)，为工业机器人开辟了新的应用领域。例如，应用装有 CO 激光器的工业机器人进行激光焊接和切割等 3。另外，工业机器人在其它一些领域用于代替人的工作或从事人们所难以完成的一些工作也有一定的潜在市场。例如，采用工业机器人在海洋进行深水作业。值得提及的是，近几年来采用工业机器人在超净环境里制造高性能高集成度电路芯片已引起人们的重视。随着工业机器人结构智能化，工业机器人将从工业应用扩大到生活服务应用。据报道，美国一家从事生活服务的企业打算采用工业机器人进行清洁打扫工作，以便在大企业里代替人的劳动。目前，在北美一些医院里，已开始应用机器人来自动送食品或药物。不断提高工业机器人的性能，重视系统配套，同时努力降低成本，这是进一步扩大工业机器人应用的几个重要条件。鉴于目前大量应用工业机器人的主要是一些大型企业，为在中小企业里推广应用工业机器人， 一些制造厂提出了低成本自动化(LowcostAutomation)策略，以便为中小企业提供一种具有一定专用性和价格特别合适的工业机器人系统。可以预料，在 21 世纪中，随着柔性自动化技术的进一步发展，各企业对工业机器人的需求将会有较大幅度的增长 4。综上所述，工业机器人是典型的机电一体化高科技产品。自从 20 世纪 50 年代美FMC 物料搬运机械手设计 6 国制造第一台机器人以来，工业机器人技术及其产品发展很快，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益，保证产品质量，改善劳动条件等方面的作用日益显著。工业机器人代替人力劳动是必然的发展趋势。和计算机技术一样，工业机器人的广泛应用，正在日益改变着人类的生产方式和生活方式。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。随着工业机器人在今后不断的向智能化发展，工业机器人必定会走向一个更加繁荣的时代。1.5 本章小结本章介绍了机器人的起源，国内外搬运机器人的基本情况以及工业机器人发展的趋势和展望。FMC 物料搬运机械手设计 7 2 设计的总体思想2.1 机械手预计达到的目标采用气压传动装置，PLC 控制机械手，它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置。主要完成机械手结构方面设计，以及用 PLC 软件进行简单的控制编程设计，使机械手具备手爪张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 5 个主要运动。在 PLC 程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 5。（如图 2-1 所示）图 2-1 机械手系统控制图2.2 基本结构框架2.2.1 机械手基本形式的选择FMC 物料搬运机械手设计 8 常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下 4 种： (1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型 6。2.2.2 机械手执行机构的设计本机械手机械系统执行机构主要由以下部分组成：（1） 手部，采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手爪的张合，采用夹持式手部。抓重： ，棒料直径： 。kg5m80（2） 腕部，采用一个摆动气缸实现手部回转。回转范围： ，回转速度：180。s/90（3） 臂部，采用直线气缸来实现手臂平动。伸缩行程： ，伸缩速度：m45。m/5（4） 机身，采用电机驱动实现手臂升降和回转。升降行程： ，回转范10围： ，回转速度: 180。s/702.2.3 驱动系统的设计驱动系统是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。工业机械手的驱动大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压驱动，结构简单、重量轻、控制方便，无污染等优点。因此，本设计机械手的手爪张合、手部回转、手臂伸缩运动均采用气压传动驱动系统。此外，机械手的手臂升降、手臂回转运动采用电机驱动系统 7。2.2.4 控制系统的选择本机械手采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取 PLC 型号（初定三菱的 PLC 装置），根据机械手的工作流程编制出 PLC 程序，并画出梯形图。预定工作流程如图 2-2 所示。FMC 物料搬运机械手设计 9 手臂下降 手臂伸长手爪夹紧手臂缩回手臂上升手臂下降 支座左转 手部左转手爪放松手部右转手臂上升图 2-2 机械手循环动作流程图2.3 本章小结本章介绍了本课题的总体方案设计分别采用了两个直线气缸，一个摆动气缸，滚珠丝杠和减速电机来实现机械手具备手爪张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 5 个主要运动。驱动系统选择气压传动与电动驱动系统。控制系统选择可编程序控制器(PLC)。另附机械手的技术参数。支座右转FMC 物料搬运机械手设计 10 3 机械结构的设计3.1 手部抓取机构的设计3.1.1 手部结构设计要求手部处于腕部的最前端，工作时运动变化频率高，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。故采用如图 3-1 所示单活塞杆伸出，活塞式气缸，该结构较为简单制造方便 8。3.1.2 抓取装置原理如图 3-1 所示，气缸右腔进气时，产生压力夹紧工件，气缸右腔停止进气时弹簧伸展松开工件。FMC 物料搬运机械手设计 11 图 3-1 手爪受力图3.1.3 手部抓取气缸的设计（1）已知工件质量 mhrkgm1045，（2）受力分析计算手指握力 1F（3-fGF/5.011）1./.N250活塞杆拉力 2F(3-2）1212/LFN304085右腔推力 PF(3-3)PDF24输出力 PU(3-4)2FNPU设弹簧加紧状态弹力为: =50NNFFMC 物料搬运机械手设计 12 （3）缸径计算（参考机械设计手册气压传动单行本22-114） 224FPDN可得缸径：=51.7mm (3-5)N2取 D=55mm则 NFPU13850.42（4）壁厚的计算（3-PD26） 8)67(n )12(410)( )(15.1bmax max安 全 系 数 一 般 取 铝 合 金材 料 抗 拉 强 度 ， 材 料 为缸 筒 材 料 许 用 应 力气 缸 最 高 工 作 压 力试 验 耐 压 力 ， 取AMPaPPP则 m70.41257.21.5nbmaxDPP按照公式算出的壁厚较薄，设计过程中按工艺要求取 3检验 ，故满足要求。 （参照机械设计手册气压传动单行本22-1053D115）（5）活塞杆的计算（3-8.14032.128.14bPUbPUFdFMC 物料搬运机械手设计 13 7）根据实际情况，取 md10检验 NPUFPdDF)(42210950.5满足条件（6）活塞杆行程的计算 L（3-8042tan18）27.5arct手爪张开的角度活塞杆的位移量 （3-mr1923609）故查有关手册圆整为 mL20（7）弹簧的设计计算I材料的选择根据工作条件选择油淬火回火高疲劳级钢丝 V-DCrV-A(50CrVA)查得材料切变模量 G=79 MPa，310（参考机械设计手册袖珍第三版，表 21-11）初设 d=2mm参考机械设计手册袖珍第三版表 21-13 得抗拉强度 MPab1520根据表 21-15 按 I 类负荷取许用应力 b3.035.II材料直径计算钢丝直径 d 按旋绕比：（3-1428dDC10）FMC 物料搬运机械手设计 14 （ 弹 簧 直 径 ）螺 旋 弹 簧 中 径 ）d(D由图 21-3 得， 1.K（3-92.15340.16.6. FCd11）则取 d=2mm（表 21-4） ，根据 GB/T 1358 的系列值，并与假定值相符。III弹簧所需的刚度圈数弹簧所需刚度（3-mNFk/5.2012）有效圈数：（3-8.258793434kDGdn13）取 ，取支撑圈3n2则总圈数 圈531n校核，（3-m/4.2381079n8dk34NDG14）与所需刚度 k=2.5N/mm 相符，则满足条件。IV高度的确定自由高度 （查表 21-8） mH5010（3-15 ）则夹紧状态时高度 31V弹簧疲劳强度校核根据，FMC 物料搬运机械手设计 15 （3-MPaFdCK490521.81.42216）因此，（3-32.149053.0bS17）所以符合条件。 （参考机械设计手册袖珍第三版 P1134 安全系7.13S数取值）3.1.4 气压回路设计1 气源设备 2 减压阀 3 压力表 4 消音器 5 二位三通电磁换向阀 6 单向节流阀 7 单作用气缸图 3-2 手部抓取气缸气压原理图工作方式：手爪电磁阀失电，气缸右腔进气，产生压力夹紧工件；手爪电磁阀得电，气缸右腔停止进气，弹簧伸展松开工件。（1）手部右腔工作压力计算FMC 物料搬运机械手设计 16 （3-MpaDFSPNPU48.051942218）（2）手部右腔流量活塞移动速度为 60mm/s则，（3-smVSQ/8.1425960319）3.2 腕部旋转机构的设计3.2.1 腕部设计要求腕部是联结手部和臂部的部件，腕部的转动主要是用来改变被夹物体的方位。本课题腕部需有一个回转自由度，则可采用一个摆动气缸来实现该自由度 9。要求：回转范围： 180回转速度： s/93.2.2 手腕的驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性负载转矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 10。图 3-3 所示为手腕回转示意图。FMC 物料搬运机械手设计 17 1.工件 2.手部 3.手腕图 3-3 手碗回转示意图手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:（3-摩偏惯驱 TT20）式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩( )；驱TmN- 惯性负载转矩( )；惯 - 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴偏线所产生的偏重力矩( )；N-手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩；摩T下面以图 3-3 所示，分析各阻力矩的计算：(1)手腕加速运动时所产生的惯性负载转矩若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的时间为 ，则 :t（3-)(1mNtJT）（惯21）式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ；J )(2kg- 工件对手腕转动轴线的转动惯量 。1 )(2kg若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为:1J（3-gGJc121e22）式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量 ：cJ )(2mk- 工件的重量(N)；1G- 工件的重心到转动轴线的偏心距(m),e- 手腕转动时的角速度(弧度/s)；FMC 物料搬运机械手设计 18 - 起动过程所需的时间(s)；t 起动过程所转过的角度(弧度)。估算抓取部分结构部件总质量约为 6kg，根据特殊情况将抓取部分等效成半径约为60mm 的圆柱体，则有 018.26.2mrJ )(2mkg已知工件质量为 5kg，半径 R=40mm，高 h=100mm 的圆柱体，抓取位置为工件 h/2处，且工件中心过转动轴线，则有（3-3221 107.6).04.3(15)3 hRJ（ )(2kg23）（公式参考袖珍版机械设计师手册表 2-12）已知手腕转动时角速度为 90/s，加减速时间为 0.1s，则带入公式 3-19，得)(27.015.7.6018.31 mNtJT ）（）（惯(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏T+ ( ) （3-偏T1eG3mN24）式中: - 手腕转动件的重量(N)；3G- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)。e当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 。10通过质量特性估算测得重心坐标，得出 m63e则有，+偏T1G306m.N(3)手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩的计算查机械设计课程设计手册深沟球轴承的摩擦系数为 取 。04.2. 03.fFMC 物料搬运机械手设计 19 令气缸轴的半径 则有，m6R)(31GfT摩605.0mN综上， 摩偏惯驱 TT3.06.27.0N93.2.3 摆动气缸的选择根据驱动力矩 选择合适的摆动气缸，选定型号为 DSM-25-270-P-CC。驱T表 3-4 气缸型号FMC 物料搬运机械手设计 20 图 3-5 转动惯量与时间 T 的关系表 3-6 基本尺寸FMC 物料搬运机械手设计 21 主要技术尺寸缸径 ，气缸输出效率为 。mBmdmD40,12,25叶 片 长 度转 子 直 径 903.2.4 气压回路设计1 气源设备 2 减压阀 3 压力表 4 消声器 5 消声器 6 三位五通电磁换向阀7 单向节流阀 8 摆动气缸 9 节流调速阀图 3-7 手部回转气缸气压原理图FMC 物料搬运机械手设计 22 工作方式：手部电磁阀（左边）得电，电磁阀（右边）失电，气缸左腔进气，手部右转；手部电磁阀（右边）得电，电磁阀（左边）失电，气缸右腔进气，手部左转。（1）计算工作压力（3-10)(82dDBTP驱25） 109.)25(406.8MPa.活塞平均线速度（3-rv26） smdD/5.14)2(（2）流量的计算（3-vAq27）smBdDv/37040)125(.42133.3 臂部伸缩机构的设计3.3.1 手臂伸缩机构的设计手臂的设计要求（1）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求（2）根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。FMC 物料搬运机械手设计 23 （3）尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。（4）要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度 11。本设计手臂伸缩通过采用一个直线气缸来实现该运动。已知气缸最大行程500mm，气缸型号定为 163394 DNC-30-500-PPV。使用行程为 L=450mm，缸径为D=30mm，活塞杆直径为 d=15mm。3.3.2 相关参数的计算（1）摩擦力的计算考虑活塞等的摩擦力，查机械设计课程设计手册表 1-10 定摩擦系数 。2.0k（钢与钢）利用质量特性估算出腕部与抓取部分的总质量为 。gM25则，（3-kgFf28）N5012.（2）惯性力的计算已知 1.,4,/50max tmLsV加 减 速 时 间行 程则，（3-加 速 度 2ax/5.10.smtV29） NMF.6.251总受力 0F（3-fF1030） N5.126FMC 物料搬运机械手设计 24 （3）左腔工作压力的计算 1P（3-2RF31）Pa6210.5.（4）左腔流量的计算 1Q匀速时活塞移动速度为 ，则smV/250ax（3-sS/176430125232）（5）右腔工作压力的计算 2P（3-)(2rRF33） Pa62210. )75.(则控制压力位 0.212MPa。（6）右腔流量的计算 2Q（3-VS234）sm/1325)150(4323.3.3 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量FMC 物料搬运机械手设计 25 等因素来确定 12。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用双导向杆来增加手臂的刚性和导向性。3.3.4 气压回路设计1 气源设备 2 减压阀 3 压力表 4 消声器 5 三位五通电磁换向阀 6 单向节流阀7 摆动气缸图 3-8 臂部伸缩气压原理图工作方式：手臂电磁阀（左边）得电，电磁阀（右边）失电，气缸左腔进气，手臂伸长；手臂电磁阀（右边）得电，电磁阀（左边）失电，气缸右腔进气，手臂缩回。3.4 手臂升降机构的设计本机械手采用滚珠丝杠副来控制手臂的升降运动。3.4.1 工作要求工作部件质量约 （利用质量特性估算得工作部件质量包含工件） ，上下行程kg60为 ,进给最大速度为 ,重复定位精度 ，最小进给 ，寿m150sm/ m1.0pm/12.0命 ，电机转速为 。h2in3r3.4.2 滚珠螺母结构形式的设计选择FMC 物料搬运机械手设计 26 根据本题的工作情况及要求选择内循环浮动式双螺母垫片预紧滚珠丝杆副截面形状为双圆弧形 13。（1）内循环浮动式结构特点：滚珠循环链较短，反向灵活，结构紧凑，刚性好，使用可靠，工作寿命长，螺母配合外径较小，扁圆形反相器螺母螺母轴向尺寸较短。使用场合：适用于各种高精度，高灵敏，高刚度的进给定位系统。（2）垫片预紧结构特点：结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，不可调整，轴向尺寸适中，工艺性好。使用场合：广泛用于高速或重载场合（3）双圆弧形特点：传动效率、承载能力和轴向刚度比较稳定，成型较复杂。3.4.3 滚珠丝杆副主要参数、型号及丝杆轴向承载能力计算（1）初步计算导程 hP在本课题的设计中，我直接把步进电动机通过联轴节与丝杠直接连接，即 I=1。工作手臂快速升降的最高速度要求达到 。取电动机的最高转速min/6.3axV，则丝杠的最高转速也应该为 。那么丝杠的基本导程：min/30axrn i/0axr（3-nVPh 123/6.1/10max35）初选 mh2（2）计算平均轴向载荷 mF根据条件丝杠的最大轴向载荷即为工作时手臂重力（已算工件重力）加摩擦力；已知手臂重力为 ，螺母副间摩擦力及导柱与手臂间的摩擦力通过查机械NG60设计课程设计手册表 1-10，可知钢与钢材料之间的摩擦系数为 0.1（无润滑）深沟球轴承的摩擦系数为 0.003，则估算 。NFf 530.6丝杠最大轴向载荷 max（3-Gf536）丝杠工作时最小轴向载荷即最大工作载荷减去工件重力，已知工件重力为 50NFMC 物料搬运机械手设计 27 丝杠最小轴向载荷 minF（3-NG506i 37）根据机械设计师手册袖珍第三版所查公式计算得（3-Fm 58360232minax 38）（3）计算平均转速 mV机械手工作时升降速度基本保持不变，故升降时平均速度估算为最大速度=300r/min。 mV（4）计算载荷 Fc（3-NKHFm 3.75016.581 39）查机械设计师手册袖珍第三版得： )2819(16. 706. 短 行 程 系 数 ， 见 表硬 度 影 响 系 数 ， 见 表载 荷 系 数 ， 见 表KHF（5）工作寿命根据设计要求定使用寿命 。hLh0（6）计算动载荷 aC根据寿命条件求必须的基本额定动载荷：（3-aChaFnL4106.40）则，NCa 5.14293.75016.2304（7）静载荷 a0（3-oamHFo CK8.6450.1FMC 物料搬运机械手设计 28 41）查机械设计师手册袖珍第三版得： ）（ 硬 度 影 响 系 数 ， 见载 荷 系 数 ， 见 表 27190.1)6( HFK查机械设计师手册表 19-23，选择型号为 FDM4012-7-P3 内循环浮动双螺母垫片预紧导管埋入式公称直径为 40mm 导程 12mm 精度等级 7 级的定位滚动螺旋副滚珠丝杆副。尺寸参数: mdmPh 40)(,120公 称 直 径技术参数： ,81,34750NCaa满足设计要求。3.4.4 丝杠支承轴承的选择 (1)当量动载荷的计算(参考机械设计机手册单行本轴承公式 6-2-2)（ 轴 向 动 载 荷 系 数 ）（ 径 向 动 载 荷 系 数 ）（ 轴 向 载 荷 ）（ 径 向 载 荷 ）（ 当 量 动 载 荷 ）中YXFPYaraar由于本设计单向推力球轴承受轴向推力较大，而径向力较小可忽略。则有：（3-NGFPa 680丝 杆42）其中，根据要求定丝杆长度 0.88m，直径 0.04m,密度 。3/1.7mkgNVG 2.860425.018.7hd41g 232 丝 杆考虑到丝杆两端加工后去除部分材料，故取 。G丝 杆(2)基本额定动载