三自由度机械手设计毕业论文

1、三自由度机械手设计毕业论文第1章绪论1.1 题目提出的意义本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问 题，使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作，通过不同程序 的输入使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式，进一步强化大学 生学习与就业能力。1.2 国内外发展现状机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它 能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、 时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接 和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实 现工业生产机械化和自动化的步伐。因

2、而，受到各先进工业国家的重视，投 入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带 有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发 展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视1。1 .国外发展现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时 代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成 本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。 机械手涉及的内容， 不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、 电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综 合性较强的技

3、术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的 研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领 域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是2：(1)研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活， 从而完成更加多的动作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动 到另一个工作地点。(3)研制维修维护方便的机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种 传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它 进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器

4、作为嘴能说话 进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构 脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令， 布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。(6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成 更加多的动作。(7)研制具有柔性系统的机械手2 .国内发展状况目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般也都有记忆装置，但 其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领 动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式机械手称为第二代机械 手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机 械手正在朝着

5、一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方 向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度3,4。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大 力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取 得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与 合作5。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来， 我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先 地位6。第2章方案的确定与比较分析本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，具结构 形式方案一般有一下几种7,8：表2-

6、1机械手结构选型表结构形式方 案特点优缺点结构简图直角坐标型操作机的手 臂具有二个 移动关节， 其关节轴线 按直角坐标 配置结构刚度较好，控制 系统的设计最为简 单，但其占空间较大， 且运动轨迹单一，使 用过程中效率较低r1圆柱坐标型操作机的手 臂至少有一 个移动关节 和一个回转 关节，其关 节轴线按圆 柱坐标系配 置结构刚度较好，运动 所需功率较小，控制 难度较小，但运动轨 迹简单，使用过程中 效率不图1:今匚)操作机的手 臂具后两个 回转关节和 一个移动关 节，其轴线 按极坐标系 配置结构紧凑，但其控制 系统的设计有f难 度，且机械手臂的刚 度不足，机械结构较 为复杂球坐标型续表结构形式方

7、案特点优缺点结构简图关节型操作机的手 臂类似人的 上肢关节动 作，具有三 个回转关节运动轨迹复杂，结构 最为紧凑，但控制系 统的设计难度大，机 械手臂的刚度差岑1 .1机械手机械系统的比较与选择2 .直角坐标型机械手直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一 种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1 o其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在 X、Y、Z三个直线运动方向上各具有 A、B、C三个回转运动，即构成六个 自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比 大

8、，灵活性差。2.圆柱坐标型机械手圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由 X、Z、小三个运动组成。它的工作范围可分为： 一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动； 二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.圆柱坐标式机械手有五个基本动作：(1)手臂水平回转；(2)手臂伸缩；(3)手臂上下；(4)手臂回转动作；(5)手爪夹紧动作。圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动 套筒上，手臂可作上下直线运动(Z)和在水平面内做圆弧状的左右摆动(小)。圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移

9、动轴的设计比较复杂，难于其 他设备协调工作。3球坐标型机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、8、小三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：(1)手臂上下动作，即俯仰动作；(2)手臂左右动作，即回转动作；(3)手臂前后动作，即伸缩动作；(4)手腕上下弯曲；(5)手腕左右摆动；(6)手腕旋转运动；(7)手爪夹紧动作；(8)机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能 在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向

10、水平摆动，工作 范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工 效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。具缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。4关节型机械手又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面(水平)关节坐标，机械手 由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕 z轴旋转，形 成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰。 机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其 缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多10o本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵

11、活性强,对精度要求不高，抓取重量较轻，上述 4种类型机械手中关节式械手结构最 为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所 以本次设计选择关节式机械手。2.2机械手驱动系统的比较与选择工业机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。1液压驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可 达7Mpa,液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温 现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。液压驱动有以下特点：(1)输出功率很大，压力范围为 50-140N/cm2。(2)控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率 大，可无级调

12、速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。(3)结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。(4)液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现 故障后较难找出原因。(5)适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机 械手和托运机械手。2气压驱动气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩，所 以工作速度稳定性差，气压一般为 0.7Mpa,因而抓取力小，只有几十牛到百 牛力。气压驱动具有以下特点：(1)输出功率不大，压力范围为 48-60N/cm2,

13、最高可达100N/cm2(2)可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控 制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。(3)执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。(4)适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具11。3电力驱动这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机(SM)驱动，后来发展了直流伺服电动机 (DC),现在交流伺服电动机(AC) 驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速 器装置来减速，结构简单紧凑。电动驱动的

14、控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高 速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、 要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如 AC 伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进 电动机驱动。各种电机驱动的特点：(1)普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手。(2)直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特 性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性 好，可适应频繁启动、反

15、向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式 不同，有永磁式和电磁式之分； 按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量(小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁 芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯 量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的 起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性 能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。)和低速、大惯量(大惯量直 流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能 好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直 接连接

16、，承受过载、重载能力强。)之分。(3)交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有 优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态 响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。(4)步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信 号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结 构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能 提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简 单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个 数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频

17、率，故控制简便。步进电动 机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电 动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把 脉冲用分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋 转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化 线路，降低成本，而且又提高可靠性 12，13 0综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑 到机械手的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高,与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手 部采用气动驱动。46第3章驱动源的选择与设计计算3.1

18、主要技术参数的确定图3-1机械手手臂重量分布图图3-2开口盘重量分布图如图3-1所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下:1 .大臂的第一和第二关节轴之间的距离为397mm,质量为 M1(6kg左右)，重心在距离第一关节轴 220mm处，L1=220mm。2 .小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为435mm,质量为M2(7kg左右)，重心在距第二关节轴 280mm处，L2=397+280=677mm。如图3-2所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下：旋转轴与转盘中心距离为 160mm,转盘质量为15Kg0本次设计机械手的基本设计参数如下：负载1kg;大臂回转：090 , 60 /s；小臂回转

19、：0 60 , 60 /s； 腰 部旋转：0 360 , 600/s ；手爪夹持半径 45mm- 95mm3.2各关节电机的选择计算当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋 转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2,根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为14：J1=J G1+M 1L12+J G2+M 2L22(3-1)其中：M1, M2,分别为 6Kg, 7Kg; L1, L2,分别为 220mm, 677mm 。JG1= M1L12、Jg2= M2L22,故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：Ji= MiLi2+

20、M 2L22(3-2)=6 义 0.22+7 义 0.6772一.2=3.45kg.m同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量：M2=7Kg , L4=280mm。J2 = M2L42(3-3)=7 X 0.282 =0.5488kg.m2 腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂 与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为J3,所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：M3=15Kg, L5=160mm。J0 J1 J3 J1 M3L5 3.45 15 0.162 3.834Kg m2(3-4)3.2.1大臂旋转电机的选择设大臂速度为i 60 /s,则

21、旋转开始时的转矩可表示如下：T J式中：T 旋转开始时转矩，N.m。J转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s。设机械手大臂从0 0到i 60 /s所需的时间为： t 0.2s,(3-5)有：T1 J11 J1 0 3.45 18.1N.mt3 0.2若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系 数为2,则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：T01 2T 2 18.1 36.2N.m选择减速机：型号：APEX-AE235 (同轴式行星减速机)额定输出转矩：40N.m减速比：i1=100谐波减速器的的传递效率为：,T01T out1 . i选择小型直流伺服电机：型号：MAXON

22、-EC118896额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm90% ,步进电机应输出力矩为:36.20.402 N.m100 0.9(3-5)由式(3-6)额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=46mm3.2.2 小臂旋转电机的选择原理同上，设小臂转速 2 60 /S,设角速度从0加到2所需加速时问t 0.2s,则旋转开始时的转矩可表示如下：T J(3-7)式中：T 旋转开始时转矩，N.m。J转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s2。由式(3-7)有：T2 J2 J2 0 0.5488 10.47N.mt3 0.1若考虑绕

23、机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系 数为2,则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：T02 2T2 2 10.47 20.94N.m(3-8)选择减速机：型号：APEX-AE235 (同轴式行星减速机)额定输出转矩：40N.m减速比：i2=100谐波减速器的的传递效率为： 90% ,步进电机应输出力矩为：Tout2 T0220.940.233N.m(3-9)i 100 0.9选择小型直流伺服电机：型号：MAXON-EC118896额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=4

24、6mm3.2.3 腰部旋转电机的选择设旋转盘旋转速度为3 60 /s,则旋转开始时的转矩可表示如下：T J(3-10)式中：T 旋转开始时转矩，N.m。J转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s。设机械手大臂从 0 0到3 60 /s所需的时间为：t 0.2s则：T0 J0 J0 0 3.834 20.07N.mt3 0.2若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系 数为2,则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：T00 2T0 2 20.7 41.4N.m(3-11)选择减速机：型号：APEX-AE238(同轴式行星减速机)额定输出转矩：50N.m减速比：i3=10090%

25、,步进电机应输出力矩为:41.40.46N.m100 0.9(3-12)设谐波减速器的的传递效率为：选择小型直流伺服电机型号：MAXON-EC137489额定转矩：0.9N.m额定电压：24 V额定电流：2A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：60w电机尺寸：L=124mm D=64mm第4章手部结构设计4.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比 较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。4.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 按手指夹持工件的部位又可分为内卡式

26、（或内涨式）和外夹式两种：按模仿人手 手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结 构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当 移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的 工件。4.1.2 设计时考虑的几个问题1 .具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程 中所产生的惯性力和振动

27、，以保证工件不致产生松动或脱落。2 .手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指 的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大 直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3 .保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形 状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便 自动定心。4 .具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产 生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形， 当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，

28、并使手部的中心在手腕的回转轴线上， 以使手腕的扭转力矩最小为佳。5 .考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一 支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。164.2 手部夹紧气缸的设计4.2.1 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 4-1所示:D1为弹簧中心线到弹d为弹簧丝直径；D2 D d=27mm ;图4-1圆柱压缩弹簧图4-1中，D为弹簧中心线到弹簧丝中心的距离； 簧丝内圈的距离；D2为弹簧中心线到弹簧丝外圈的距离; H0为弹簧长度，本次设计弹簧具体尺寸参数如下：D=20mm ; d=7mm ; D1 D

29、d=16.5mm;H0 50mm; n 54.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中 是不允许的。为了避免这种现象本次使用的压缩弹簧的长细比 b 皿 50 2.5,本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：D 20当两端固定时，b 5.3,当一端固定；一端自由时，b 3.7;当两端自由转动时，b 2.6。本设计弹簧b 2.5 2.6,因此弹簧稳定性合适。4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳 强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数N 103,或者载荷变化幅度不大时，可只进行静

30、应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公 式：288975135(4-1)S% SSmax式中：Ss选取1.3至I 1.7之间（力学性精确能高）K 取 1.28KDFmax =,3dSsamaxF 取 1620N8 1.2 0.020 3- 16213.14 0.0073800 106 pac2.768 SS288975135pa结论：经过校核，弹簧适应。4.2.4 手部驱动力计算本次设计的机械手手部结构示意图如下图4-2所示:图4-2齿轮齿条式手部其工件重量G=1公斤，V形手指的角度2120 , b 100mm R 40mm,摩擦系数为f 0.10(

31、1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：p 2b N(4-2)R(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：N 0.5Gtg =0.5 10 tg60=8.66 (N)取8.7N(4-3)所以2b43.5( N)(3)实际驱动力p实际 pK1K2(4-4)因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94,并取Ki 1.5。若被抓取工件的最大加速度取a 3g时，则：K2 1 - 4g15 4一所以 p实际43.5 277.65( N)取 280 ( N)0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为280N o4.2.5气缸直径的设计计算本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的

32、输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：D2P/、Fi Ft Fz(4-5)4式中：Fi 活塞杆上的推力，NoFt 弹簧反作用力，NoFz 气缸工作时的总阻力，N。P 气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算：Ft Gf(1 s)(4-6)Gdi4Gf= -(4-7)8D1 n式中：Gf 弹簧刚度，N/m。1 弹簧预压缩量，m。s 活塞行程，m。有:di 弹簧钢丝直径，m。Di 弹簧平均直径， mm。n弹簧有效圈数.G 弹簧材料剪切模量，一般取 G 79.4 109Pa在设计中，必须考虑负载率的影响，则：Fi由以上分析得单向作用气缸的直径D代入有关数据，可得G&

33、379.4 109 (7 10 3)3Gf8D；n8 (54 10 3)3 53026.714(N /m)Ft(4-8)4( FiFt)FtGf(1 s)(4-9)pn3026.714 60 10181(N)所以:4(F1 Ft)pn4 (280 181)5 3.46 1058.24(mm)查有关手册圆整，得D 63mm，可得活塞杆直径：d (0.3 0.4)D 18.9 25.2mm圆整后，取活塞杆直径 d 28mm校核，按公式F1 /( /4d2)d (4F1/ 严(4-10)其中，120MPa, F1280 N贝 hd (4 280/120)0.5d 1.723 28满足实际设计要求。4

34、26缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：DPp/2 (4-11)式中：6缸筒壁厚， mm。D 气缸内径，mm。Pp 实验压力，取 Pp 1.5P, Pa。材料为:ZL3, =3MPa。代入己知数据，则壁厚为：DPp/2_5_663 6 105/(2 3 106)6.3(mm)取 7.5mm,则缸筒外径为：Di 63 7.5 2 78( mm)4.2.7活塞杆运动行程的计算本次设计机械手手爪夹持半径为45mm 95mm手爪手指长100mm设手爪夹持最小半径工件与火持最大半径工件之间手爪的旋转角度为，则有.

35、R2 R . 95 450arcsin arcsin 30(4-12)100100式中：Ri火持最小半径，mm。R2 火持最大半径， mm。由于活塞杆与手爪间用齿轮齿条传动，所以齿轮的转动弧长则为活塞杆 运动行程，设活塞杆运动行程为L”180L,则：3022.511.78mm180所以活塞杆的运动行程为 11.78mm,由于考虑到机械精度和传动效率的 影响，本次设计设计活塞杆运动行程为15mm。第5章各机械部件的设计选择与校核5.1 轴的设计与校核5.1.1 大臂旋转轴的设计转矩和弯矩是轴的主要承受载荷，轴的常见形式有直轴和弯轴，而根据本次设计中机构的特点，选择传动轴为直轴.知条件可知n=10

36、r/min ,由电机传递到轴上的功率P P电=50 0.9=0.045 Kw选择轴的材料为45钢，经调质后，再使用.由参考资料表查得：硬度:HBS217255;屈服强度极限：oS=360MPa;抗拉 强度极限ob=650 MPa,弯曲疲劳强度极限 /=300 MPa.由表查得1b=55 MPa.初步确定轴的直径：按照扭转强度估计轴输出端直径由式d=.p,得d=120由表查得 C=1.3126取C=1200.045 =19.81取d=19mm轴的设计尺寸参数如 ,10下图5-1所示:图5-1 大臂旋转轴5.1.2 大臂轴的强度校核按照扭转强度校核：本次设计传动轴全长 193mm,最小轴颈19mm

37、,材料为45号钢，经调 质后使用。轴的扭转强度条件为：C c P9550000_ TnF - 二 FWT0.2d3(5-1)式中：t 扭转切应力， MPa。T轴所受的扭矩，N.mm。Wt轴的抗扭截面系数，mm3 <N轴的转速；r/min。P轴的传递功率，KwoD计算界面处轴的直径，mm许用扭转切应力， MPa。由上式得:(5-2)d 3 9550000p =人 0 3p 0.2 t n - n查表得 T的范围为25 MPa45MPa； Ao的范围为103126。本次设计 t取40则3：9550000106.80 0.2 40取 106本次设计最小轴径为19mm>17.5mm,故满足

38、强度要求 按照弯扭合成强度校核：弯扭合成图如图5-2所示：图5-2 弯扭合成图F尸G1 G2 G3 (7 6 1) 10 140NL1 F2 71mmFFAV . L FR. L2FFBV . LFR. L1FfavFLL2 70NFfbv仲 70NM 1y=M 2y=0MHFR.L1 140 71 9940N.mm若是轴强度合格，则(5.3)二 :M22ca" W式中：ca 轴的计算应力， MPa。M 轴所受的弯矩，N.mm。T轴所受的扭矩，N.mm。W轴的抗弯截面系数，mm3。截面系数。本次设计轴的材料为45号刚，查表得:取 0.6,-1 取 60轴的危险界面断面图如下图 5-3

39、所示:图中,b=8mm,图5-3轴的危险截面断面图t=3.5mm, d=30mmo2od3 bt d-t _303=32 2d 328 3.5 30 3.52 302323mm3所以:994020.6 40000 2232311.18即ca=11.18160ca所以本次设计的轴强度合格5.2 键的选择与强度的校核1大臂旋转轴键联接处键的强度校核选择普通圆头平键， GB/T1096 b h l 10 8 70平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算 由机械设计第七版 13页，查得载荷在键的工作表面上均匀分

40、布，普通平键联接的强度条件:2T 103kldp(5-4)式中：TK l传递的转矩，N.m键与轮毂键槽的接触高度,mm ；键的工作长度，mm ;圆头平键lmm； b为键的宽度， mm。k=0.5h,此处h为键的高度，mmL b ,这里L为键的公称长度,d轴的直径，mm op 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力,MPa。从本书表6 2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为 100: 120MPa 和 50: 60MPao键的材料为45号钢，大臂与钻转轴的材料分别为HT150和45号钢。者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故p为 50 : 60MPa ,取其平均

41、值，P =55 MPa此处键传递的转矩T=40 Ngm ,键与轮毂键槽的接触高度 k=4mm ,键的 工作长度l 70 10mm 60mm ,轴的直径d =30mm。将这些数据代入公式 (5.4)得：32T 10pkld2 40 1034 60 30MPa11.11MPa P故键的强度满足要求，键联接安全。2.小臂旋转轴键联接处键的强度校核选择使用普通圆通平键，GB/T1096尺寸 b h l 10 8 60平键联接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载, 一般不会出现键的剪断。通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。由机械设计第七版 13页，查得载荷在键的工作表面上均

42、匀分布，普通 平键联接的强度条件：3P pkld式中：T传递白转矩，N m。K键与轮毂键槽的接触高度，mm ; k=0.5h,此处h为键的高度，mml 键的工作长度，mm；圆头平键l L b,这里L为键的公称长度, mm； b为键的宽度， mm。d轴的直径，mm op 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa。从本书表6 2查得材料为钢和铸铁在轻微冲击载荷作用下的许用挤压应力分别为 100 : 120MPa 和 50 : 60MPa。键的材料为45号钢，大臂与旋转轴的材料分别为HT150和45号钢。三者中最弱的材料是铸铁，测试中存在轻微冲击载荷，故 P为50: 60MPa ,取其平均值

43、，P=55MPa。此处键传递的转矩T=40 Ngm ,键与轮毂键槽的接触高度 k=4mm ,键的 工作长度l 60 10mm 50mm ,轴的直径d =30mm。将这些数据代入公式 (5-4)得：32T 10 pkld2 40 103 MPa4 50 3013.33MPa P故键的强度满足要求，键联接安全。5.3 轴承寿命的校核本次设计由于大臂与小臂旋转轴所设计的轴承是一样的，故选用四口相 同型号尺寸的轴承，选择深沟球轴承 6186,所以校核所受载荷最大的一个轴 承合格即可。本设计校核大臂旋转轴上轴承的寿命，该轴上的轴承只受径向载荷，轴承的预期计算寿命L： 100000h。轴承对轴的支撑力与轴

44、承上所受到的径向载荷是一对作用力与反作用力，由前边轴的强度校核部分，可以计算出轴上安装轴承两处的轴承所受到的径向载荷FrB和FrD大小分别为：F旧 70NFrD70 N查机械设计第七版 已12页公式（13 5）知以小时表示的轴承寿命Lh为:(5-5)%C) 60n P式中：n轴承的转速，r/min。C 轴承的基本额定动载荷，kNP 载荷，kN o指数，对于球轴承，3。轴承的转速n 10r/min ,从最新轴承手册P296页表3.1 3查得代号为 6186深沟球轴承的基本额定动载荷 C 40.8k N，将相关数据代入轴承寿命 Lh计算公式可求得:Lh道(C)上 60n P 60 10噌)3h 3

45、.3 1011 hLh远大于L；,轴承的寿命满足设计要求。5.4联轴器的选择与圆锥销的校核5.4.1 联轴器的选择.1 .大臂旋转轴与减速机之间联轴器选择选择圆锥销套筒式联轴器，如图 5-4所示：图5-4 圆锥销套筒式联轴器结构图联轴器具体尺寸参数如下：d1 =6mm； d2=4mm ; L=45mm ; D0=35mm；额定转矩 50N.M;圆锥销 6 35;圆锥销4 352 .旋转盘与减速机之间联轴器选择如图（5-4）所示：具体尺寸参数如下：d1=8mm； d2=4mm ; L=50mm ; D0 =40mm；额定转矩 70N.M;圆锥销 8 40;圆锥销4 405.4.2 联轴器圆锥销的

46、校核4mm,所以本次设计只校核受力最大的由于联轴器最小直径圆锥销都是 即可。圆锥销主要受横向剪切力的作用而失效，校核公式为：(5-6)2000Td74.519D式中：D圆锥销的平均直径，mm。T 所传递的转矩，N.m。D轴径，mm。销的许用剪切应力，对于 45号钢一般取80MPa其中，T=40N.m； d=4.5mm； D=19mm,所以:200Td2D2000 4066.185MPa所以校核合格第6章控制系统设计机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须 协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，控制系统在本次设计中非常重要。本次

47、设计选择单片机控制系统，控制系统总体设计框图如图6-1所示:图6-1 控制系统总体框图6.1 单片机最小系统由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因 此本次设计控制芯片选择 8051单片机。单片机最小系统一般由单片机、复位 电路、震荡电路等组成，由于本次设计使用8051单片机，所以以8051最小系统为例介绍单片机最小系统。8051单片机最小系统硬件电路图如图6-2所示。图6-2 51单片机最小系统电路图6.1.1 8051单片机介绍8051单片机的片内结构如图 6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应 用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能

48、 划分，它由如下功能部件组成：1 .微处理器CPU2 .数据存储器RAM3 . 程序存储器 ROM/EPROM4 . 4 个 8 位并行 I/O 口（ P0 口 P1 口 P2 口 P3 口）5 . 1个用行口6 . 2个16位定时器、计数器7 .中断系统8 .特殊功能寄存器（SFR）上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成，如图6-3所示。图6-3中各功能部件的功能如下：（1） CPU微处理器8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微 处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。(2)数据存储器 片内为

49、128B,片外最多可外扩 64KB。数据存储器来 存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志 位等。片内的128B的RAM ,以高速RAM形式集成在的单片机内，可以加 快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。(3)程序存储器 用来存储程序，为4K的ROM,最多可外扩至64KB。(4)中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。(5)定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作 方式。(6)用行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行用 行通信，扩展并行I/O 口。(7) P1 口、P2 口、P3 口、P0 口 为 4 个并行

50、 8 位 I/O 口。(8)特殊功能寄存器 SFR特殊功能寄存器共有 21个，用于CPU对片 内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器 和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。图6-3 8051单片机片内结构6.2.2 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般 来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片 机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一 个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持 续时

51、间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时问常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。(1)上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚 RST 上连接一个电容到 VCC ,再连接一个电阻到 GND ,由此形成一个 RC充放 电回路保证单片机在上电时 RST脚上有足够时间的高电平进行复位， 随后回 归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。(2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下 时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时 间的高电平来使单片机复位。6.1.3振荡电路单片机系统里

52、都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体 振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提 供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行 都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级 的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控 振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状 态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个品 振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而

53、通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子 系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提 供。8051使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。6.2 串行接口电路串行接口是为了让单片机与外部设备传输数据的一种方式。用行接口具 有使用线路少、成本低等优点。AT89C51单片机具有一个全双工串行通信接 口，这样可以很容易的实现单片机与PC机之间或者多机之间的通信。因为单片机用行口的输出与输入均为TTL电平。这种以TTL电平串行传输数据的方式，抗干扰技能差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，增 大串行通信的距离就必须采用标准用口。RS-232C是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终设备（ DTE）数据通信设备（DCE）之 间的串行接口标准。PC机都配有标准的 RS-232C接口，由于 TTL电平和 RS-232C电平互不兼容，所以两者连接必须有