工业机器人机械手的执行机构设计.doc

I 摘摘 要要 数控机床上下料机械手是工业机器人机械手的一种，机械手在工业生产中能代 替人手做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例 如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、 机械加工和简单装配 等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作【1】。 数控机床上下料机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或 工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结 构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动） 、 移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升 降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置 和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多， 机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自 由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手； 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位 控制和连续轨迹控制机械手等。 【2】 数控机床上下料机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。数 控机床上下料机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完 成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人 的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济 各领域有着广阔的发展前景。 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。实际的机器人由带有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某些类 型的夹持器)组成,同时也包括一个辅助动力系统。本文是对整个设计工作较全面的 介绍和总 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感 器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 II 关键词关键词：手臂 夹持器 工业机器人 Abstract Industrial machine hand in industrial production can replace hand to do some drab, frequent and repeat the long operation, or danger, harsh environment, such as the homework in pressing, welding, casting, heat stress, coating, plastic forming, machining and assembling process such as simple, and in the atomic energy industry departments, complete harmful material handling or process operation. Manipulator hand and movement mainly by institutions. Hand is used to catch the workpiece (or tools), according to the parts of the object was caught the shape, size, weight, materials and operational requirements and has a variety of structural forms, such as the type of clamping, and adsorption type, etc. Sports organizations and finish all kinds of rotating (hand), moving or composite swing motion to realize, change the position of the object was caught and posture. The lifting mechanism, and the independence movement of the manipulator, called freedom. In order to grab arbitrary position and orientation of the object, need to have six degrees. Freedom is the design of hand machine armed key parameters. The freedom of the manipulator, the degree of flexibility, the greater the universality and broader, its structure is more complex. General special manipulator has 2-3 degrees. According to the types of the manipulator, driving mode can be divided into hydraulic, pneumatic, electric type, mechanical manipulator, According to the scope and special manipulator can be divided into two manipulators, According to the trajectory control mode can be divided into position control and continuous trajectory control manipulator, etc. Robots are usually used or other machine tools, such as additional device in automatic machine or automatic production line, loading and unloading workpieces relay in machining center, the replacement of tools is not independent control device. Some operations to direct manipulation by device, such as atomic energy sector also dangerous goods masterslave gunner also often called the manipulator. III Industrial robot developed in recent years is a high-tech automation production equipment. Industrial robots is an important branch of industrial robots. Its characteristic is accomplished by programming task, various expected in the structure and performance of the respective advantages of both human beings and machines, particularly reflected peoples intelligence and adaptability. Manipulator and the accuracy of all sorts of homework assignments in the environment of national economy, in the field has broad prospects for development. In industry, the automatic control system in a wide range of applications, such as industrial automation control, computer systems, machine, etc. Industrial robot is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the face of modern industry. The actual robot with a wrist (or called by the host body and arms) at the end of the fuselage of tool (usually a certain types of grippers), also include an auxiliary power system. This is the design of the whole work is introduced and the total manipulator technology involves mechanics, mechanical, electrical and hydraulic technology, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, science, is an interdisciplinary comprehensive technology. Key words：arm grippers industrial robots IV 目目 录录 摘摘 要要 .I ASTRACT .II 1.1.绪论绪论 .1 1.1 选题背景 .1 1.2 设计目的 .1 1.3 国内外研究现状和趋势业 .2 2.2.工业机器人机械手的总体设计工业机器人机械手的总体设计 .3 2.1 工业机器人的组成及各部分的关系概述 .3 2.2 工业机器人机械手设计分析 .3 3.3.工业机器人机械手的运动系统分析工业机器人机械手的运动系统分析 .6 3.1 工业机器人的运动自由度 .6 3.2 机器人的运动空间和机械结构类型 .6 4.4.工业机器人机械手的执行机构设计工业机器人机械手的执行机构设计 .8 4.1 末端执行机构设计 .8 4.2 手臂机构的设计 .11 4.3 腰部和基座设计 .14 总总 结结 .20 参考文献参考文献 .21 致致 谢谢 .22 附附 录录 .23 V 1 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装 置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电 子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅 速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实 现与机械化和自动化的有机结合。 机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动 生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加 工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。 目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组 成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应 于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。 当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种， 提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究 和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必 要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的设计目的 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度 大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔 性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一 台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实 现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅 速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够 应用到 加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求， 1 从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.3 国内外研究现状和趋势国内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和 大体趋势如下： A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 B工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统 的可靠性、易操作性和可维修性。 C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术 成为智能化机器人的关键技术。 D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、 系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹 规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块 化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器， 先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体 的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求 系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 【3】 2 2 工业机器人机械手的总体设计工业机器人机械手的总体设计 2.12.1 工业机器人的组成及各部分关系概述工业机器人的组成及各部分关系概述 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。 执行系统：执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，它包括手部、腕部、机身等。 手部：机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接 抓取工件或夹具。 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作 方位。 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管 理荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。 机身：机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自 转、升降或俯仰运动。 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有 机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 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。 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 【4】 2.22.2 工业机器人机械手的设计分析工业机器人机械手的设计分析 2.2.12.2.1 设计要求设计要求 通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析 能力和解决问题的能力。 有关数据：设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具 2 米远处的铝活塞毛坯箱里。 3 零件尺寸：外孔 101.6，高 106。 零件材料：铝。 2.2.22.2.2 总体方案拟定总体方案拟定 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工业机器人工作方式，利用步进电机驱动和锥 齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下运动；考虑 到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端 夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。5 图 2-1 机器人外形图 2.2.32.2.3 工业机器人机械手主要技术性能参数工业机器人机械手主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： a.抓取重量： 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参 数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 4 b 抓取工件的极限尺寸： 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的 基础。 c 坐标形式和自由度： 说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 d 运动行程范围： 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据 运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 e 运动速度： 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。 它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大 直线移动速度为 1000mm/s 左右，一般为 200400mm/s；回转速度最大为 180/s， 一般为 50/s。 f 定位精度和重复定位精度： 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。6 g 编程方式和存储容量: 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 2-1。 表 2-1 工业机器人的技术参数 机械手类型三自由度圆柱坐标型 抓取重量 2.38Kg 自由度3 个（1 个回转 2 个移动） 机座内部回转运动，回转角 0-180，步进电机驱动 腰部机构伸缩运动，升降范围 400mm，液压缸驱动 手臂机构伸缩运动，伸缩范围 70mm，液压缸驱动 末端执行器液压缸驱动 5 3.工业机器人机械手的运动系统分析工业机器人机械手的运动系统分析 工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三 方面来讨论。 3.13.1 工业机器人的运动自由度工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参 数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转， 前后往复三自由度。7 3.23.2 机器人的工作空间和机械结构类型机器人的工作空间和机械结构类型 3.2.13.2.1 工作空间工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机 器人的主要技术参数，工作空间图如图 3-1。 图 3-1 工作空间图 3.2.23.2.2 机械结构类型机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动， 共三个自由度组成的运动系统（代号 RPP） ，工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标 型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 6 二机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图 3-2 和表 3-1。 图 3-2 运动过程 表 3-1 运动过程工序 机器人开机，处于 A 点工步一 手臂上升工步二，工步七，工步十三 旋转至 B 点工步三 手臂伸出工步四, 工步十 手臂下降工步五，工步十一 夹紧工件工步六 手臂收缩工步八，工步十四 旋转至 C 点工步九 放松工件工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的， 这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键 所在。8 7 4 工业机器人机械手的执行机构设计工业机器人机械手的执行机构设计 4.14.1 末端执行机构设计末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件 的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手 的关键部件之一。 4.1.14.1.1 设计时要注意的问题：设计时要注意的问题： a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工 件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应 注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。 d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。9 4.1.24.1.2 总体结构设计总体结构设计 采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图 4- 1。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆 2 向上运动时，圆柱销 3 在两杆 4 的 滑槽中移动，迫使与支架 1 相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆 2 向下运动时，手指松开。 8 图 4-1 末端执行器 4.1.34.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验液压油缸的选择和夹紧力的校验 a.初选油缸型号 考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为 Y- HG1-C40/2225LF2HL1Q， b.夹紧力校验 1）零件的计算 （4-1） 2 2 3 9 3.1450.8106 858940() 858940 27809.823.4() 10 VR h mm mv GmgvgN 图 4-2 零件实体图 其中 g 取 9.8 取 G=24（N） 9 紧力的计算： 要夹持住零件必须满足条件： 2 N fFG f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为铝，手指为钢材，查机械零件手 册 表 2-5 f=0.15，N 为作用在零件内壁上压紧力，G 为零件重力。 所以 （4-2） 24 80() 22 0.15 N G FN f 取=80（N） N F 由机械制造装备式 4-56 可知驱动力的计算公式为： （4- 2 1 2cos N PlF b 3） 图 4-3 滑槽杠杆式回转型夹持器 为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，49o 查机械零件手册表 2-2 这里取 0.8592. 085 . 0 b=90.8mm,l=154.53mm。 所以 （4-4） 20 1 2 154.53 80 cos 49137.88 0.85 90.8 P 取 p=150(N) 按液压传动与气压传动公式 10 （4-5） m P D F 4 2 D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）,由液压传动与气压传动表 4-1 表 4-1 液压传动与气压传动 负载 F/N 50000 工作压力 p/MPa57 取 p=0.5MPa。由液压系统设计可查得：=0.90.95, m 所以 （4-6）NP D F5659 . 0105 . 0 4 )1040(14 . 3 4 6 232 由以上计算可知液压缸能产生的推力 F=565N 大于夹紧工件所需的推力 P=150N。所以该液压缸能够满足要求。10 （3）弹性爪的强度校验 当弹性手工作时，由于夹过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和 损。 工件与弹簧片间的力： 由上节可知 F=80N。 则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa， =Q/A= （4- 33 2 80 4 2 20 101 10 MPa 7） 故弹性爪满足强度要求。 4.24.2 手臂机构的设计手臂机构的设计 4.2.1.4.2.1.手臂的设计要求手臂的设计要求 a.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 11 b.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。 c.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。 d.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。 本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上，结构简单，装拆方便，尾部设置导 向杆，以防止活塞杆转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。 图 4-4 手臂结构图 手臂与末端执行器的联结结构如图 4-5 所示： 选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活 塞杆一起转动。11 图 4-5 手臂与末端执行器的联结结构 4.2.24.2.2 . .伸缩液压油缸的选择伸缩液压油缸的选择 选液压缸型号为 Y-HG1-C50/3640LF4HL1Q，它的主要技术参数如表 4-2。 缸 径 /mm活塞杆直径 /mm油口直径 12 速度比 1.46 2 通径/mm联接螺纹 50283610M18x1.5 表 4-2 冶金设备标准液压油技术规格 4.2.3.4.2.3.活塞杆的强度校核活塞杆的强度校核 末端执行器的重量约为：12Kg。 工件重量为：2.38Kg。 由静力平衡方 MB=0 R1LAB QLBC=0 （4-8） MA=0 R2LAB QLAC=0 （4-9） 求得支反力为： R1=292N R2=628.93N 以 A 点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下： 由表得活塞杆=140MPa, =240MPa. 则在 B 处横截面上的剪应力为： B= R2/A= 安全。 （4- 3 2 628.93 1.02 (28 10 ) 4 MPa 13 10） 在 B 处的弯应力为： B= MB/A= 安全。12 （4- 3 3 94.34 21.89 (28 10 ) 16 MPa 11） 4.34.3 腰部和基座设计腰部和基座设计 4.3.1.4.3.1.结构设计结构设计 通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器 人的旋转运动，通过安装在顶部的液压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动。采用 了导向杆导向，确保手臂随机座一起转动。它的结构如装配图。 4.3.2.4.3.2.步进电机的选取步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式 的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。 表 4-3 各种驱动方式比较 驱动方式 电机 驱动 比较内 容机械传动 异步电机， 直流电机 步进或伺服 电机 气压传动液压传动 控制性 能 速度可高，速度 和加速度均由机 构控制，定位精 度高，可与主机 严格同步 控制性能 较差，惯 性大，步 易精确定 位 控制性能好， 可精确定位， 但控制系统 复杂 可高速，气体 压缩性大，阻 力效果差，冲 击较严重，精 确定位较困难， 低速步易控制 油液压缩性小，压 力流量均容易控制， 可无级调速，反应 灵敏，可实现连续 轨迹控制 体积当自由度多时， 机构复杂，体积 液较大 要油减速 装置，体 积较大 体积较小体积较大在输出力相同的条 件下体积小 维修使 用 维修使用方便维修使用 方便 维修使用较 复杂 维修简单，能 在高温，粉尘 维修方便，液体对 温度变化敏感，油 14 等恶劣环境种 使用，泄漏影 响小 液泄漏易着火 应用范 围 适用于自由度少 的专用机械手， 高速低速均能适 用 适用于抓 取重量大 和速度低 的专用机 械手 可用于程序 复杂和运动 轨迹要求严 格的小型通 用机械手 中小型专用通 用机械手都有 中小型专用通用机 械手都有，特别时 重型机械手多用 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制 性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机 械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。 初选电机为 BF 反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表： 表 4-4 反应式步进电机的参数 电 机 型 号 相 数 步距 角 /（） 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(Kgf cm) 最高空 载启动 频 率 /HZ 运行 频率 /HZ 转子转 动惯量 10Kg 5 m 2 分 配 方 式 质 量 /Kg 90BF0014 09 80 3.922000800017.64 四相 八拍 45 A、传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系 统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算 的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等 效转动惯量。 （1） 、电机转子转动惯量的折算 D J 由机电综合设计指导表 2-18 查出=1.764cm2 D J (2） 、联轴器转动惯量的折算 L J （4-12）)/( 8 2 2 cmKg DM J c L 式中：为圆柱质量（Kg） ，D 为圆柱体直径（cm）,L 为圆柱体长度。 c M 15 对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：)108 . 7 33 cmKg （4-)(99 . 2 8 2 2 cmKg DM J c L 13） （3） 、手臂转动惯量的折算 G J 工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量可按下式进行计 G J 算： ；见机电综合设计指导公式（2-6）P8 式中，为活塞工M L JG 20 ) 2 ( 0 L 作长度（cm） ；为工作台质量（kg） 。M 所以： （4-14） 2 2 20 15 . 1 71 14 . 3 2 8 . 0 ) 2 (cmkgM L JG （4）系统等效转动惯量计算 J （4- 2 294 . 6 15 . 1 39 . 0 99 . 2 764 . 1 cmkgJJJJJ GSLD 15） B、验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从机电综合设计指导表 maxj M 2-21 中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩mM j 92 . 3 maxmq M 的关系为： maxj M 见机电综合设计指导公式（2-29）P32 maxjmq MM 查机电综合设计指导表 2-12 P35 得0.707。所以， mMmq77 . 2 92 . 3 707 . 0 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载 启动力矩可按下式计算： 见机电综合设计指导公式（2-30）P32 0 MMMM KfKaKq 式中：为空载启动力矩（Ncm） ；为空载启动时运动部件由静止升速到 Kq M ka M 16 最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm） ；为空载时折算到电机轴上 Kf M 的摩擦力矩（Ncm） ； 有关的各项力矩值计算如下： Kq M （1）加速力矩 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM 见机电综合设计指导公式（2-32）和（2-33）P32 式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最 J max n 大 快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需 的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当 max v b p 量。 （4-18） min/1250 36001 . 0 9 . 05000 360 max max r v n p b （4-19）cm t n JMKa 17.4110 2 . 060 125014 . 3 2 294 . 6 10 60 2 22max （2） 、空载摩擦力矩 （4-20） i LfG Mkf 2 0 见机电综合设计指导公式（2-34）P35 式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数； 齿轮传动降速比；为G f i 传动系数总效率，取0.8；为活塞工作长度。 0 L （4- cmMkf 55 . 0 18 . 014 . 3 2 8 . 0005 . 0 8 . 971 21） C、启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电 机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的 升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。 查看机电综合设计指导图 2-21 P36，从 90BF001 矩特性图中，可查得： 纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。 Kq M cm148.43 Zyq Hf2100 （4-16） （4-17） 17 查机电综合设计指导表 2-11 P34，步进电机 150BF002 启动频率 ,所以所选电机不会丢步。 yqZq fHf 2000 D、运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率可按下式计算： KJ f 见机电综合设计指导公式（2-36）P36 P KZ v f 60 1000 max 式中：为运动部件最大快进速度。算得。 max v ZKZ Hf33.8333 快进力矩的计算公式： KJ M 见机电综合设计指导公式（2-37）P37 0 MMM KfKJ 式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。 算得： 0 M Kf M 。 cmMMM KfKJ 1.9781.4280.55 0 综上所述，所选用的步进电机 90BF001 符合要求，可以使用。14 3 . 轴承的选取 A、环形轴承 3 作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度 小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩） 、 装置方便等特点价格高。 B、止推轴承，型号为 30204， ， 它的有关参数如下： 表 4-5 止推轴承的参数 基本额定 极限转速 r/min 轴承代号 动载荷 Ca/KN静载荷 C0a/KN 脂润滑油润滑 30204，28.230.5800010000 4 .齿轮的选取 18 齿轮的参数如下表所示 表 4-6 齿轮的参数 名称代号小齿轮大齿轮 分度圆直径 d80152 齿数 z2038 大端模数 m4 节锥角 27.759o62.241o 锥距 R85.882 齿宽 b26 齿距 p12.56 工作齿高 h6.8 齿高 h7.552 顶圆锥角 30.777o63.756o 跟圆锥角 f 25.742o58.723o 齿顶圆直径 d 88.014154.116 冠顶距 k A 73.89137.989 大端分度圆弧齿 厚 s7.5834.977 齿轮材料为 20Cr 且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86 弯曲材料系数 KFC=0.97。 19 总总 结结 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计 终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯 总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前 面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我 明确了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什 么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明确学习是 一个长期积累的过程，在以后的工作生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识 和综合素质。 20 参考文献参考文献 1 顾崇衍 机械制造工艺学 陕西科技出版社，1996 2 周伯英 工业机械人设计 机械工业出版社，1995 3 龚振帮 机械人机械设计 电子工业出版社，1995 4 成大光 机械设计图册 （5） 化学工业出版社，1999 5 郑堤、唐可洪 机电一体化设计基础 机械工业出版社，1997 6 张铁、谢存禧 机器人学 华南理工大学出版社，2004 7 冯辛安 机械制造装备设计 机械工业出版社，1999 8 沈鸿. 机械工程手册 机械工业出版社，1983 9 吴宗泽,罗圣国. 机械设计课程设计手册第二版 高等教育出版社， 1999 10 廖念钊,莫雨松等. 互换性与技术测量第四版 中国计量出版社， 2000 11 陈锦昌,刘就女,刘林. 计算机工程制图 华南理工大学出版社，1999 12 濮良贵，纪名刚. 机械设计 高等教育出版社,1995 13 何立民. 单片机高级教程:应用与设计 北京航空航天大学出版社， 2000 14 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学 高等教育出版社，1997 15 余达太,马香峰. 工业机器人应用工程 冶金工业出版社，2001。 21 致致 谢谢 在此衷心感谢学校、学院各位老师三年来给我的教育和培养，特别要感谢李明 达老师在我的毕业设计期间, 悉心指导和不啬赐教，他于百忙中不忘记我提出的问 题进行耐心的解答与指导，并提出宝贵的意见。在此表示衷心的感谢！ 22 附录一附录一 Industrial robot manipulator hand and arm can imitate some action according to fixed program function and transporting or grab the operating tool for automatic operation device. It can replace human heavy labor to achieve production mechanization and automation, can operate in harmful environment to protect the personal safety and widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc. Manipulator hand and movement mainly by institutions. Hand is used to catch the workpiece (or tools), according to the parts of the object was caught the shape, size, weight, materials and operational requ