棒料搬运机械手设计概述(doc 37页).doc

1、I 摘摘 要要 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

2、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 2KG 的圆形棒料的搬运。 通过气爪手指的不同选择可满足直径小于 60mm 的棒料的搬运。 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 II Abstract Today that develop continuously in the society, The robot are more and more Using at industry scene application. Replaces the m

3、anpower with the machine strength, Its the historical development tendency that liberates the humanity from the arduous physical labor. In the recent several years, the robot development not only more and more optimizes, but also moreover has covered many domains. Industrially, automatic control sys

4、tems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This paper design for enhances the labor productivity, produ

5、ct quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do it. This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes an

6、d two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm. Under controller function the robot move the components from o

7、ne assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot 目目 录录 摘 要.IV Abstract.V 目 录.VII 1 绪论 .1 1.1 工业机器人的技术与发展 .1 1.2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能 .2 1.3 本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

8、设计 .3 2.1 设计要求 .3 2.2 机械手的组成 .3 2.3 总方案的拟定 .4 2.4 机器人的工作空间 .4 2.5 机械手驱动系统的设计 .5 2.5.1 机械手驱动器 .5 2.5.2 机械手传动机构 .5 3 机械手的传动设计 .7 3.1 滚珠丝杠的选择 .7 3.2 谐波齿轮减速器参数的确定 .8 4 机械手的各电机选择 .12 4.1 机械手手臂升降步进点击的选择 .12 4.2 机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 5.1 气爪夹紧力的起算与气爪的选择 .18 5.1.1 气爪夹紧力的要求 .18 5.1.2 缸径的确定 .1

9、9 5.1.3 行程的确定 .20 5.1.4 气缸的动速度 .20 5.1.5 摆动气缸的选择 .21 5.2 手臂伸缩气缸的选择 .23 6 机器人控制系统的设置 .26 6.1 机械手控制器的选择 .26 6.2 机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求 .26 6.3 控制系统的总体设计 .27 7 手臂验算与机械手参数.29 7.1 手臂平衡的验算 .29 7.2 机械手参数 .30 8 结论与展望 .31 8.1 结论 .31 8.2 不足之处及未来展望 .31 致 谢 .32 参考文献 .33 0 1 绪论绪论 1.1 工业机器人的技术与发展工业机器人的技术与发展 机器人（又称

10、机械手，机械人，英文名称：Robot） ，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

11、，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，

12、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

13、 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， 棒料搬运机械手设计 1 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

14、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 100150 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。 1.2 本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 2KG 的圆形棒料的搬运。 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

15、择可 满足小于直径 60mm 的棒料的搬运。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。 1.3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义本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

16、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。 2 2 机械手的总体设计机械手的总体设计 2.1 设计要求设计要求 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。 2.2 机械手的组成机械手的组成 图 2.1 机械手的组成图 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： 1.执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各

17、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。 2.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。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 棒料搬运机械手设计 3 2.3 总方案的拟定总方案的拟定 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，之间距离为 0.7m，现设计机械手将一棒料工件从 A 带送到 B 带并将棒料

18、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-

19、2 图 2.2 机器人外形图 2.4 机器人的机器人的工作空间工作空间 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 2-3 描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。 4 图 2.3 工作空间图 2.5 机械手驱动机械手驱动系统的设计系统的设计 2.5.1 机械手驱动器机械手驱动器 机械手驱动系统包括驱动器和传

20、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 2.5.2 机械手机械手传动机构传动机构 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

21、是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。5如下图 2.4 图 2.4 气爪连接示图 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 棒料搬运机械手设计 5 的旋转运动。5如下图 2.5： 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 2.5 机械手底座传动示图 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 2-1。 表 2-1 机械手参数表 3 机械手的传动机械手的传动设计设计 3.1 滚珠丝杠滚珠丝杠的选择的选择 丝杆所受载荷主要是手臂的重力，设计的手臂质量约为 25KG 即等效载荷 机械手类型四自由度圆柱坐标型 抓取

22、重量2Kg 自由度4 个（2 个回转 2 个移动） 底座长 290mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 PLC 控制 手臂升降机构长 550mm，升降运动，升降范围 400mm，步进电机驱动 PLC 控制 手臂伸缩机构长 826mm，伸缩运动，伸缩范围 270mm，气缸驱动 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 6 。丝杆选为有效行程 450mm , 由前电机选择的计算丝杆转速 , N F 245 m min525 m r n 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： F

23、K mcF 式中： K颠覆力矩影响的实验系数，设计取为 1.2 FF mc K =1.2 245 = 294 N 最大动负载 C 的计算 最大动负载 C 的计算公式： 12mmFLCf 3 查机电综合设计指导书式 2-14 得 式中： L工作寿命，单位为 106r，本设计取为 27 106r fm运转状态系数，无冲击取，本设计取 1.22 . 11 Fm滚珠丝杆工作载荷（N） ； 把以上数据代入mmFLCf 3 得： 4 . 10582942 . 127 3 C 选择滚珠丝杆副的型号 C=1058.4N 按，查机电综合设计指导书表 2-7，选用汉江机床厂 FN 型滚珠丝aCC 杠，系列代号为

24、FN-2506-24。12其中 7747aCN = 25 mm , =6mm , 0 D n P 螺杆不长，变形量不大无需验算。 效率计算 螺旋导程角 = = = 357 d Pn arctan o n d P arctan 效率的计算公式： 12 )tan( tan 查机电综合设计指导书式 2-15 得 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 004. 0003. 0f 0 1 把以上数据代入得： )tan( tan 棒料搬运机械手设计 7 %95950 . 0 )01753tan( 753tan 3.2 谐波齿轮减速器参数的确定谐波齿轮减速器参数的确定

25、一般一级谐波齿轮减速比可以在 50500 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 i2 柔轮变形波数：U=2 ； 柔轮齿数：；2001002iUZR 刚轮齿数：；2022200rcUZZ 模数：；mm44. 0m 柔轮臂厚：；mm5 . 0H

26、 尺宽：；mm20b 其中，柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别确定如下： 全齿高：； ；mm7 . 0h Rmm72. 0hc 分度圆直径：； ；mm80dRmm 8 . 80dc 齿顶圆直径：； ；mm 2 . 83daRmm 8 . 82dac 齿根圆直径：； ；mm7 .79dfRmm28.84dfc 齿形角：； ； 20R 20c 变位系数： ； ；7 . 3RX71 . 3 CX 8 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=59.9mm ，短轴 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 个直径为 7.14mm 滚珠的薄臂轴承。 谐波齿轮轮齿的耐磨计算： 由于

27、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 2000 p Rnv T K PP d h b Z A A A A 式中：T作用在柔轮上的转矩（） ，由前计算取得；mNm2 NT 柔轮分度圆直径，本设计中取为 =80mm ；RdRd 最大啮入深度，近似取=（）m，本设计中取nhnh6 . 14 . 1 ； 1.4 0.40.56 n hmm b 齿宽（mm） ，设计中取为 b=20mm ； 当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取vZ ；15200075 .

28、 0 vZ K载荷系数，取 ，设计中取为 K=1.5 ；75 . 1 3 . 1K 齿宽许用比压 ，对于无润滑条件下工作的调质柔轮，取=8MPA ；PPPP 所以，代入得： vnbhd 2000 Z KT P R 2000 2 1.5 80 0.56 20 15 0.4464MPa P 因满足，所以符合耐磨性要求 。MPAMPA84464 . 0 aPP 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。11mam, （1）正应力的应力幅和平均应力分别为： 0, h 35 . 3 2 m p

29、D E 棒料搬运机械手设计 9 （2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： 1 2 p p 2 p 1 y 2000 , hE 0.5 D h T D 则，切应力的应力幅和平均应力为： )(5 . 0 a ym 以上式中：T柔轮工作转矩（） ，由前计算取为：T=2 ；mNmN 柔轮齿根处的臂厚（mm） ，设计中取为：=0.6mm ；1h1h 计算平均直径（mm） ，设计中为：PD ；mm D 1 . 796 . 0 7 . 79 hd1fp E弹性模量（） ，设计中为 E =206000 ；aMPaMP 变形量（mm） ，本设计中为 Rcd-d =80.880=0.8mm ； 将具体数据代分别

30、代入上式中得： 3 2 3 2 2 0.8 206 100.6 3.5556.103() 79.1 0 0.8 206 100.6 0.57.902() 79.1 2000 2 0.339() 79.10.6 0.5 ()0.5 (7.9020.339)4.121() aa m ya a amya MP MP MP MP 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 30CrMnSiA 作为柔轮材料。 30CrMnSiA 的力学性能如下：6 ，球化处理后硬度为 ， 1100,900 basa MPMP HRC2624 且，取： 1 1

31、0.450.45 1100495() 0.250.25 1100275() ba ba MP MP 10 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为： 1 1 495 3.529 2.5 56.103 275 23.38 0.22.25 4.801 0.2 4.801 a am n k n k 柔轮的安全系数： 489. 3 38.23529 . 3 n 38.2359. 3nn nn 2222 此数值大于许用安全系数 1.5，则柔轮强度满足要求。 棒料搬运机械手设计 11 4 机械手的各电机选择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

32、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。 4.1 机械手手臂升降步进点击的选择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 875003BF 由前计算丝杆导程为 mmLo6 本设计机械手手臂升降速度选定为 smmS35 所以丝杆转速： min r 98.349OLSW 回转转矩： fgacMMM 式中： 机械手手臂升降相对丝杆的回转力矩 ；cM 机械手手臂升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ；fM 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

33、；gaM 其中： ， t w oga JM 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： A ； 2 349.98( /min)349.9836.649(/ ) 60 rrad s A tA 手臂升降启动或制动的时间：本设计取为；）（s3 . 0t 手臂升降时各部件对回转轴线的转动惯量， 0 J 2 mkg 其中：dlsJJJJo 式中：丝杆对其转动轴的转动惯量，sJ 2 mkg 其中： 43 7.810smJDL 式中：丝杆的公称直径由前计算得 mD ）（m025 . 0 mD 丝杆的长度本设计取为 0.6(m) L 12 代入得： ）（ 2 34 mkg00137.

34、0 1045 . 0 025 . 0 8 . 7s J 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量 lJ ）（ 2 smkg0018 . 0 J 查机械设计手册(软件版)R2.0 得； 步进电机转子的转动惯量 dJ ）（ 2 dmkg0001764 . 0 J 查机电综合设计指导书表 2-18 得； 代入得： 2 d 0.00335 0.00017640.00180.00137 ）（mmkg JJJJols 把以上代入得： t w oga JM409. 0 3 . 0 649.36 00335 . 0 gaM 其中 ；2fDmfGM 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

35、f=0.08 查机械设计手册(软件版)R2.0 得 代入得：）（m2 . 02025 . 0 08 . 0 2002f m fNDGM 得： ）（m609 . 0 409. 02 . 0fgacNMMM 电机与丝杆直接联接所以 i=1； 所以 ）（。）；（srad64936m609 . 0 plpcipWWNMM 上式中：负载峰值转速（rad/s） ，如上计算 ：；lpW) srad.649(36lp 负载峰值力矩（） ，如上计算：lpM N mA ）（m609 . 0 ipNM 电动机的功率计算式： lplp m M P 上式中：计算系数，其中一般，本设计中取：；5 . 25 . 12 棒料

36、搬运机械手设计 13 丝杆传动装置的效率，一般取，本设计中取：；9 . 07 . 08 . 0 代入以上数据得： lplp m M P 2 0.609 36.649/0.8 55.80()W 根据负载峰值力矩最大静转矩，选用步矩角为步进电机，其最大静转矩为lpM300375BF 0.882，满足负载峰值力矩最大静转矩的要求。12mNlpM 表 4-1 电机参数 电机型 号 相数步距角 /（） 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(cm)kgf 最高 空载 启动 频 率 /HZ 运行频 率 /HZ 转子转动 惯量 10Kgm 5 2 分配 方 式 质量 /Kg 75BF00 3 3 330 0882

37、（9）1250160001568三相 六拍 158 4.2 机械手底座回转驱动电动机的选择机械手底座回转驱动电动机的选择 机械手机身安装在底座上所以底座作旋转时将手臂与机身一起旋转 机械手底座转速：设计选取为即旋转 1800的时间为 3s； 10 /minr 回转转矩： fgacMMM 式中： cM 机械手整体相对底座回转轴的回转力矩 ； fM 机械手整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 ； gaM 机械手底座在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ； 其中： ， t w ga OJM 式中： 底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作角速度： A ； 2 10( /min)101.04

38、7(/ ) 60 rrad s A 14 t 底座旋转启动或制动的时间：本设计中；）（s.30t 与的转化系数：，本设计中取fMgaM95 . 0 85. 085 . 0 手臂、机身、转轴对底座旋转轴线的转动惯量oJ）（ 2 mkg 由于本机械手是一个不规则，不均匀的回转体所以算得转动惯量并不一定 十分准确。在选用电机时相应把最大静转矩要求提高来选择。 式中：手臂无气爪边的质量（kg） ，本机械手为 ； m1 kg15m1 手臂有气爪边的质量（kg） ，本机械手为 ；2mkg15m2 其中：手臂的质量，手臂两边都看作长杆来计算转动惯量；21mm 机身的质量（kg） ，本机械手为； 3mkg20

39、m3 其中：的转动惯量看作均匀圆柱体来计算；3m 与相对应的长度（m） 。3, 21,rrr321,mmm 把以上数据代入得： 0 1.047 9.733.853() 0.3 ga MJN m t A A A 33.853 39.827() 0.85 ga f M MN m A 33.85339.82773.68() cgaf MMMN mA 底座电机通过谐波减速器连接转动轴，偕波减速器传动比为 i=100。 所以： 73.68 0.737() 100 c lp M MN m i A 222 01 12 23 3 222 2 111 332 111 15 0.415 0.420 0.9 332

40、 9.7 Jmrm rm r kg m A 棒料搬运机械手设计 15 1.047 100104.7(/ ) lp irad s 上式中：负载峰值转速（rad/s） ，如上计算 ：；lp）（srad 7 . 104lp 负载峰值力矩（） ，如上计算：lpM N mA ）（m737 . 0 lpNM 电动机功率的计算公式式： lplp m M P 0.737 104.7 2 0.8 192.910W 式中： 步进电动机的功率（W） ； mP 负载峰值转速（rad/s） ，由前计算 ：；lp）（srad 7 . 104lp 负载峰值力矩（） ，由前计算： =0.737（） ；lpMmNlpMmN 计

41、算系数，其中一般，本设计中取：；5 . 25 . 12 底座传动装置的效率，估算为，本机械手取为：。9 . 07 . 08 . 0 根据负载峰值力矩最大静转矩，选用步矩角为的步进电机 90BF003，其最大lpM3 静转矩为 1.96，满足要求。mN 表 4-2 电机参数 电机型 号 相数步距角 /（） 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(cm)kgf 最高 空载 启动 频 率 /HZ 运行频 率 /HZ 转子转动惯 量 10Kgm 52 分配 方 式 质量 /Kg 16 90BF00 3 3 360 196（20）150080001764三相 六拍 42 棒料搬运机械手设计 17 5 机械手各

42、气动件的设计计算机械手各气动件的设计计算 5.1 气爪夹紧力的起算与气爪夹紧力的起算与气爪的选择气爪的选择 5.1.1 气爪气爪夹紧力的要求夹紧力的要求 由设计任务书的要求气爪连工件的重量为 5KG，从而确定夹紧的工件重量约为 2kg。 本设计设计的机械手搬运的工件定为圆柱形的棒料。其加紧视图如图 5-1 图 5-1 工件夹紧视图 工件重力 G=2 9.8=19.6N 夹起工件主要是靠气爪手指与工件的静摩擦力克服工件的重力。 气爪拿起工件所需的力 1GKKKFL321 式中：G机器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本设计 G=19.6； 安全系数，一般取,本设计中取=1.2；1K0 . 22

43、. 11K1K 机器人的手部工作状况系数，按计算得=1.2；2K g a K122K a 为机器人手爪运动加速度的绝对值； 方位系数，根据机器人手爪与工件形状选=13K3K 把以上数据代入得：GKKKFL321 =1.2 1.2 1 19.6LF =28.224N 气爪能拿起工件所需的夹紧力： L N F F 式中：钢与钢接触的摩擦系数=0.2 查机械设计手册(软件版)R2.06得 18 把以上数据代入得： L N F F NFN12.114 2 . 0 224.28 气缸的选定中，首先确定其负载的大小，负载决定了缸径的大小；其次要确定其行 程、安装形式等。 5.1.2 缸径的确定缸径的确定 缸径与所使用的气源的压力有关，同时要确定动作方向是推力还是拉力。 本设计的气爪气缸工作主要以拉力。 本设计满足气缸理论推力、拉力速度为 50-500mm/s 的范围，其力学计算公式为： 拉力 pd25 . 0 22 ）（DF 式中：D气缸直径（m）,本设计初取为 0.04m ； d气缸活塞杆直径（m） ，本设计初取为 0.012m ； P气缸