成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐）.2機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。一、按用途分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。二、按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。2、氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。3、機(jī)械傳動機(jī)械手即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4、電力傳動機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。三、按控制方式分1、點(diǎn)位控制2、連續(xù)軌跡控制2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:1、工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)。2、機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4、機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7、機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（多自由度機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）3工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識,搜集有關(guān)資料獨(dú)立完成三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)和驅(qū)動單元的設(shè)計(jì)工作。原始數(shù)據(jù)：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人將一零件從A帶送到B帶。零件尺寸：內(nèi)孔￠100，壁厚10，高100。零件材料：45鋼。二、總體方案擬定在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動；末端夾持器則采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。圖3.1機(jī)器人外形圖三、機(jī)械手主要技術(shù)性能參數(shù)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：1、抓取重量抓取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。2、抓取工件的極限尺寸抓取工件的極限尺寸是用來表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。3、坐標(biāo)形式和自由度說明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。4、運(yùn)動行程范圍指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動自由度的運(yùn)動量。根據(jù)運(yùn)動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。5、運(yùn)動速度是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動速度是機(jī)器人的最大運(yùn)動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o/s，一般為50o/s。6、定位精度和重復(fù)定位精度定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。7、編程方式和存儲容量本設(shè)計(jì)中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3.1。表3.1相關(guān)參數(shù)表機(jī)械手類型三自由度圓柱坐標(biāo)型抓取重量2.69Kg自由度3個(1個回轉(zhuǎn)2個移動)機(jī)座長120mm,回轉(zhuǎn)運(yùn)動,回轉(zhuǎn)角180度,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單片機(jī)控制腰部機(jī)構(gòu)長680mm,伸縮運(yùn)動,升降范圍450mm,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單片機(jī)控制手臂機(jī)構(gòu)長826mm,伸縮運(yùn)動,伸縮范圍50mm,液壓缸驅(qū)動行程開關(guān)控制末端執(zhí)行器液壓缸驅(qū)動行程開關(guān)控制成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（多自由度機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）4機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1機(jī)械手的運(yùn)動系統(tǒng)分析一、機(jī)械手的運(yùn)動概述機(jī)械手的運(yùn)動，可從機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。如圖4.1所示，為機(jī)械手機(jī)構(gòu)的簡圖。圖4.1機(jī)構(gòu)簡圖1、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動自由度所謂機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指確定一個機(jī)器人操作位置時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)。本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運(yùn)動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度。2、機(jī)器人的工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型（1）工作空間工作空間是指機(jī)器人正常運(yùn)行時，手部參考點(diǎn)能在空間活動的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖4.2。圖4.2工作空間圖（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動范圍大。二、機(jī)械手的運(yùn)動過程分析機(jī)械手的運(yùn)動過程中各動作如圖4.3和表4.1。圖4.3動作圖表4.1機(jī)械手的運(yùn)動過程中各動作機(jī)器人開機(jī),處于A位工步一手臂上升工步二,工步七,工步十三旋轉(zhuǎn)至B位工步三手臂伸出工步四,工步十手臂下降工步五,工步十一加緊工件工步六手臂收縮工步八,工步十四旋轉(zhuǎn)至C位工步九放松工件工步十二實(shí)現(xiàn)運(yùn)動過程中的各工步是由機(jī)械手的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械手對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計(jì)成敗之關(guān)鍵所在。4.2機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。1、設(shè)計(jì)時要注意的問題：a.末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。b.末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動路線及其方位的影響。c.應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。d.結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。e.根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。2、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖4.4。內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力，即當(dāng)液壓缸1工作時，推動推桿2向下運(yùn)動，使兩鉗爪3向外撐開，從而帶動彈性爪4夾緊工件。該種夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。圖4.4末端執(zhí)行器3、液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗(yàn)a．初選油缸型號考慮到所要夾持的是很小的薄壁零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表4.2。表4.2冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格缸徑/mm活塞桿直徑/mm油口直徑速度比通經(jīng)/mm連接螺紋1.46240222810M18x1.5b．夾緊力校驗(yàn)1）零件的計(jì)算2）緊力的計(jì)算：所以取N=100（N）由《機(jī)械制造裝備》式4-60可知驅(qū)動力的計(jì)算公式為：P=2bNtgα/(cη)α為斜面傾角，α=35o，η為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，查《機(jī)械零件手冊》表2-2η=0.85?0.92這里取0.85,b=77.5mm,c=29mm。取p=500(N)。按《液壓傳動與氣壓傳動》公式4-15，D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,由以上計(jì)算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力F=565N大于夾緊工件所需的推力P=500N。所以該液壓缸能夠滿足要求。4、彈性爪的強(qiáng)度校驗(yàn)彈性爪的結(jié)構(gòu)形式如圖4.5：圖4.5彈性爪結(jié)構(gòu)圖工件與彈簧片間的力：由上節(jié)可知F=100N。則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa，故彈性爪滿足強(qiáng)度要求。二、手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1、手臂的設(shè)計(jì)要求a．手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。b．根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。c．盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動的動載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度。d．要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。本設(shè)計(jì)中手臂由滾珠絲杠驅(qū)動實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。圖4.6手臂結(jié)構(gòu)圖選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。2、伸縮液壓油缸的選擇選液壓缸型號為Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表4.4。表4.4冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格缸徑/mm活塞桿直徑/mm油口直徑速度比通經(jīng)/mm聯(lián)接螺紋1.46250283610M18x1.53、活塞桿的強(qiáng)度校核末端執(zhí)行器的重量為：10.389Kg。工件重量為：2.64Kg。由靜力平衡方ΣMB=0R1·LAB－Q·LBC=0ΣMA=0R2·LAB－Q·LAC=0求得支反力為：R1=524.88NR2=673.16N以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得剪力圖和彎矩圖由[]表得活塞桿[τ]=140MPa,[σ]=240MPa.則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為：安全。在B處的彎應(yīng)力為：安全。三、腰部和基座設(shè)計(jì)1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1——支座，2——步進(jìn)電機(jī)，3——諧波齒輪，4——轉(zhuǎn)動機(jī)座5——支承工字梁，6——滾珠絲杠，7——導(dǎo)向柱，8——聯(lián)軸器圖4.7腰部和基座結(jié)構(gòu)圖1——支座，2——電機(jī)，3——軸承，4——帶傳動，5——?dú)んw6——位置傳感器，7——柔輪，8——波發(fā)生器，9——剛輪圖4.8環(huán)形軸承的機(jī)器人機(jī)座2、步進(jìn)電機(jī)的選取機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動方式的依據(jù)。表4.5各種驅(qū)動方式比較比較內(nèi)容驅(qū)動方式機(jī)械傳動電機(jī)驅(qū)動氣壓傳動液壓傳動異步電機(jī),直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小,輸出力矩笑,如需輸出力矩較大,結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高,可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高,速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制,定位精度高,可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差,慣性大,步易精確定位控制性能好,可精確定位,但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速,氣體壓縮性大,阻力效果差,沖擊較嚴(yán)重,精確定位較困難,低速步易控制油液壓縮性小,壓力流量均容易控制,可無級調(diào)速,反應(yīng)靈敏,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制反應(yīng)范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手,高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有,特別時重型機(jī)械手多用由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等，下面就對步進(jìn)電機(jī)的型號進(jìn)行選取。初選電機(jī)為BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，型號為：90BF001。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表：表4.6技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號相數(shù)步距角/(度)電壓/V最大勁轉(zhuǎn)矩/N·m(Kgf·cm)最高空載啟動頻率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10-5Kg·m290BF00140.9803.922000800017.64A、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機(jī)軸折算的問題。最后，要計(jì)算整個傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。1）電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算JD。由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-18查出JD=1.764㎏?cm22）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算JL式中：為圓柱質(zhì)量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度。cM對于鋼材，材料密度為7.8×10?3Kg?cm3),把數(shù)據(jù)代入上式得：3）滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算JS查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表4-2P119，得出1m長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為0.94㎏cm2，絲杠長度L＝420mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量：JS=0.94×0.42=0.39㎏?cm2；4）手臂轉(zhuǎn)動慣量的折算JG工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進(jìn)JG行計(jì)算：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-6）P8。式中，LO為絲杠導(dǎo)程（cm）；M為工作臺質(zhì)量（kg）。所以：5）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算JΣB、驗(yàn)算矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-21中查得。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-29）P32mqjmaxM=λM查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-12P35得λ＝0.707。所以，步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可按下式計(jì)算：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-30）式中：為空載啟動力矩（N?cm）；為空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大Kq快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N?cm）；為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N?cm）；有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：1)加速力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33）P32。式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；ε為電機(jī)最大角加速度；為與運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間，為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。2）空載摩擦力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-34）P35式中：G為運(yùn)動部件的總重量；f′為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；i齒輪傳動降速比；η為傳動系數(shù)總效率，取η＝0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。3）附加摩擦力矩見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-35）P35式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)?。?.96。所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩：初選電機(jī)型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-31）P32從上式可知電機(jī)初步滿足要求。C、啟動矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖2-21P36，從90BF001矩特性圖中，可查得：縱向：空載啟動力矩對應(yīng)的允許啟動頻率。查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表2-11P34，步進(jìn)電機(jī)150BF002啟動頻率，所以所選電機(jī)不會丟步。D、運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按下式計(jì)算：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-36）P36式中：為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度。算得。快進(jìn)力矩的計(jì)算公式：見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（2-37）P37式中：為附加摩擦力矩，為快進(jìn)時，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得：查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》圖2-22P36，從90BF001運(yùn)行矩頻特性圖中，可知：快進(jìn)力矩對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；所以,所用的電機(jī)都滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。綜上所述，所選用的步進(jìn)電機(jī)90BF001符合要求，可以使用。3、軸承的選取a、環(huán)形軸承3作為機(jī)座的支承原件，是為機(jī)器人研制的專用軸承，具有寬度小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩）、裝置方便等特點(diǎn)價格高。b、絲杠下部裝有圓錐滾子軸承，型號為30204，它的有關(guān)參數(shù)如下：表4.7參數(shù)表軸承代號基本額定極限轉(zhuǎn)速r/min動載荷Ca/KN靜載荷Coa/KN脂潤滑油潤滑3020428.230.58000100004.3機(jī)械手的機(jī)械傳動裝置的選擇一、滾珠絲杠的選擇估算：等效載荷Fm=1000N,絲桿有效行程420mm,等效轉(zhuǎn)速nm=1500r/min,要求使用壽命Lh=15000h左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。A、計(jì)算載荷查<機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊>上冊，表15-21得B、選擇滾珠絲桿副的型號主要尺寸為：按Ca=19559N，查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表2-9，選用漢江機(jī)床廠C1型滾珠絲杠，系列代號為FYC1-4008-2.5。，滾珠直徑d0=3.969mm滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑螺旋導(dǎo)程角螺桿不長，無需驗(yàn)算穩(wěn)定性。C、剛度驗(yàn)算按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計(jì)算公式為：式中磨擦系數(shù)f=0.025,當(dāng)量磨擦角剪切彈性模量G=8.33×104N/mm2，所以：其中，危險截面d1=35.76，E=2.06每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形：因?yàn)闈L球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得，所以其剛度滿足要求。D、計(jì)算效率二、諧波齒輪的選擇諧波齒輪的特點(diǎn)，與一般齒輪傳動相比，有如下特點(diǎn)：1、傳動比大：一級諧波齒輪減速比可以在50～500之間，在只傳遞運(yùn)動的裝置中可達(dá)1000。采用多級或復(fù)波式傳動時，傳動比可以更大。2、這種傳動同時嚙合的齒數(shù)多，可達(dá)總齒數(shù)的30%～40%。故承載能力大。3、運(yùn)動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。4、效率高（減速傳動下，一般可達(dá)0.7～0.9），結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕。在承載能力和傳動比相同的條件下，比一般齒輪減速器的體積和重量約減少1/2～1/3。5、缺點(diǎn)是起動力矩大，柔輪易疲勞損壞，故柔輪的材料和熱處理?xiàng)l件要求高。傳動比小于35時不能采用諧波傳動。由于諧波減速傳動裝置明顯的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。本設(shè)計(jì)中的諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。型號XB1-80-100-2-3/3機(jī)型號100，既柔輪的公稱內(nèi)徑為80mm減速比100三大件訂貨精度等級，最大空回小于3分（角）/最大傳動誤差小于3分（角）。成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（多自由度機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）5機(jī)械人的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述5.1機(jī)械人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能的基本要求工業(yè)機(jī)器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機(jī)器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點(diǎn)。一、實(shí)現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運(yùn)動和控制方式主要有兩種。1.點(diǎn)位控制方式（PTP控制）這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動過程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡（包括移動的路徑和運(yùn)動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。2.連續(xù)軌跡控制方式（CP控制）這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動。3.存儲和示教功能要使機(jī)器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機(jī)器人，這個操作過程稱為示教，將示教內(nèi)容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲的示教內(nèi)容進(jìn)行動作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動作是通過示教—存儲—再現(xiàn)的過程實(shí)現(xiàn)的。4.對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。5.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)采用二級計(jì)算機(jī)控制方式，選用IBM-PC，80C51系列CPU。第一級機(jī)擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運(yùn)算，機(jī)器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級機(jī)做位置給定。第二級機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計(jì)算，位置檢測等工作，根據(jù)插補(bǔ)算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。一級機(jī)與示教盒通訊采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教動作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT終端。二級機(jī)接口電路將計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機(jī)及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖5.3硬件電路的組成圖5.1是采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：1.主從CPU都采用8031芯片；2.主從CPU各擴(kuò)展程序存儲器27256一片，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器62256一片；3.主CPU擴(kuò)展可編程串行通信接口芯片8251A一片；可編程多功能接口芯片8155一片；電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232一片；4.從CPU擴(kuò)展可編程多功能接口芯片8155六片；D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832六片；運(yùn)算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光電編碼器六片；5.地址鎖存器、譯碼器各兩片；6.鍵盤電路，顯示電路；7.光電編碼電路，功率放大電路；8.報(bào)警電路，暫停、急停電路，復(fù)位電路；5.4電路接口說明1.主計(jì)算機(jī)(1)CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲器62256一片(16K)。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)展了一片8155可編程接口芯片。(2)采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號。27256，62256，8251A，8155的片選信號分別接到譯碼器的Y0～Y4。MCS-51系列單片機(jī)，64K字節(jié)外部RAM是由16根地址線(A0～A15)決定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想擴(kuò)大RAM空間，可用增加地址線的辦法來解決。這里，利用P1口增加地址線。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3)由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址線。其A0～A7低8位接74LS373芯片的輸出端線，A8～A14接8031芯片的P2.0～P2.6，74LS373地址鎖存器在選通號ALE為高電平時直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。(4)主機(jī)8031要和示教盒通信，因此擴(kuò)展一片8251A增加一個串行RS-232C接口。8251A的數(shù)據(jù)線與8031的P0口相接。WR、RD對應(yīng)相連。8251的CS接74LS138的Y3，C/D接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY經(jīng)或非門接到8031的INT0，當(dāng)8251A準(zhǔn)備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時都能向8031申請中斷。時鐘部分，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE經(jīng)過一個分頻電路后提供時鐘。TTL電平與RS-232C電平的轉(zhuǎn)換通過專門的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。由于不用調(diào)制解調(diào)器，DSR和CTS接地。(5)8155的PA0～PA7、PB4～PB7作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號由8031的P1.2～P1.7和P3.4、P3.5發(fā)出，兩邊都接上反相驅(qū)動器74LS06。通過軟件譯碼靜態(tài)顯示，12個顯示器，每4個分別顯示X、Y、Z軸的坐標(biāo)。8155的PB.0～PB.3是鍵盤掃描輸入，采用行列式結(jié)構(gòu)，12×3鍵。行線經(jīng)限流電阻接+5V電源，按鍵跨接在行線和列線上。(6)8155的PC0～PC4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動、暫停、急停、示教等操作方式。2.從計(jì)算機(jī)(1)CPU采用8031芯片，擴(kuò)展外部程序存儲器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲器62256一片(16K)。從CPU8031要控制6個關(guān)節(jié)位置的伺服量，8031的I/O口不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)擴(kuò)展了6片8155可編程接口芯片。每一個芯片負(fù)責(zé)其相應(yīng)伺服系統(tǒng)的輸入輸出量。(2)采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號。27256，62256，六片8155的片選信號分別接到譯碼器的Y0～Y7。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。(3)由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的輸出端線1Q～8Q及P2口的P2.0～P2.6輸出地址作為27256、62256的15根地址線，尋址空間各為32K字節(jié)。(4)用8155的I/O輸入輸出口來控制伺服電機(jī)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)求出控制量之后，把這個控制數(shù)據(jù)送出到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832去，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再去控制PWM功率放大器工作。(5)DAC0832的輸入數(shù)據(jù)線～接到8155的PA口，DAC0832內(nèi)部有輸入0DI7DI寄存器，所以可以這樣直接相連而不必另加鎖存器。輸入寄存器允許信號ILE固定置于高電平。片選信號CS和傳送控制信號XFER一起接到8155的高位地址，5PC寫信號WR1和WR2一起接到8031的WR端。(6)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和運(yùn)算放大器μA741組成一個完整的D/A轉(zhuǎn)換電路，它可以把數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。按照常規(guī)的用法，DAC0832以電流開關(guān)方式進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的。其轉(zhuǎn)換結(jié)果以電流形式在、端輸出，而、再接一個運(yùn)算放大器1I2I1I2IμA741的兩個輸入端，同時運(yùn)算放大器的輸出再接反饋電阻端；這樣由一個運(yùn)fbR算放大器把DAC0832的輸出、的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。其輸出的電壓去控1I2I制PWM功率放大器，就可以使伺服電機(jī)以不同的速度實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。(7)光電編碼盤是一種可以直接把角度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼的元件，可以產(chǎn)生9位數(shù)據(jù)。它的分辨率是0.7o。當(dāng)光電編碼盤隨伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時，它送出的數(shù)據(jù)不同；每一個數(shù)據(jù)和一個角度對應(yīng)。光電編碼盤輸出的數(shù)據(jù)的最高位從8155的輸入，而低八位則從PB端口輸入。讀取光電編碼盤的數(shù)據(jù)時，單片機(jī)只0PC需讀取I/O口和PB的內(nèi)容。成都工業(yè)學(xué)院成教院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（多自由度機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）6工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時應(yīng)采取的安全措施有些國家已經(jīng)頒布了關(guān)于機(jī)器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會也有業(yè)機(jī)器人安全規(guī)范(IS