運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計

運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計,運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計,運送,活塞,鑄造,鍛造,毛坯,機械手,設計 湛江海洋大學 本科生畢業(yè)論文（設計）書 設計題目：運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 2001級6班 學生姓名： 王強 指導教師： 李作全 職稱 設計起訖日期：3．24～6.3 設計地點： 湛江海洋大學 2005 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等） 通過設計機械手，培養(yǎng)綜合運用所學過的基本理論、基本知識和基本方法分析能力和解決問題的能力。 有關數(shù)據(jù)：設計一機械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運送到離模具2米遠處的鋁活塞毛坯箱里。(鋁活塞的基本尺寸等技術要求參見顧崇衍編《機械制造工藝學》P91～P100。) 要求：設計方案和計算準確，敘述清楚，圖紙符合制圖規(guī)范，翻譯一篇有關的外文資料。 要求完成的圖紙內容及要求 1.機械手機構簡圖 2.工作空間投影圖 3.機械手傳動原理圖 4.裝配圖 5.零件圖 要完成的實習內容及要求： 1.到本校機械實驗室組裝各類機械手模型。 2.學習工業(yè)機械人設計方面知識 其他要提交的設計資料： 設計參考資料： 1.顧崇衍．《機械制造工藝學》．陜西科技出版社，1996 2.周伯英．《工業(yè)機械人設計》．機械工業(yè)出版社，1995 3.龔振幫．《機械人機械設計》．電子工業(yè)出版社，1995 4.成大光．《機械設計圖冊》（5）．化學工業(yè)出版社，1999 畢業(yè)設計（論文）進度計劃 設計起訖時間 工作內容 備注 3．24～4．25 4．26～5．3 5．4～5．17 5．18～5．24 5．25～6．1 實習，擬訂設計方案 機械手傳動原理圖 機械手裝配圖 零件圖 寫說明書 目錄 中文摘要 ……………………………………………………………………………………… 1 Abstract ……………………………………………………………………………………… 1 第1章 緒論………………………………………………………………………………… 2 1.1工業(yè)機器人簡介…………………………………………………………………………… 2 1.2工業(yè)機器人的發(fā)展………………………………………………………………………… 2 第2章 工業(yè)機器人的總體設計……………………………………………………………… 3 2.1工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述…………………………………………………… 3 2.2工業(yè)機器人的設計分析…………………………………………………………………… 3 2.2.1設計要求……………………………………………………………………………… 3 2.2.2總體方案擬定………………………………………………………………………… 3 2.2.3工業(yè)機器人主要技術性能參數(shù)……………………………………………………… 4 第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計……………………………………………………… 5 3.1工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析…………………………………………………………… 5 3.1.1 機器人的運動概述………………………………………………………………… 5 3.1.2 機器人的運動過程分析…………………………………………………………… 6 3.2工業(yè)機器人的執(zhí)行機構設計…………………………………………………………… 7 3.2.1 末端執(zhí)行機構設計………………………………………………………………… 7 3.2.1.1 設計時要注意的問題：……………………………………………………… 7 3.2.1.2 總體結構設計……………………………………………………………… 7 3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗………………………………………… 8 3.2.1.4 彈性爪的強度校驗…………………………………………………………… 10 3.2.2 手臂機構的設計………………………………………………………………… 10 3.2.2.1 手臂的設計要求…………………………………………………………… 10 3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇……………………………………………………… 11 3.2.2.3 活塞桿的強度校核………………………………………………………… 11 3.2.3 腰部和基座設計………………………………………………………………… 13 3.2.3.1 結構設計…………………………………………………………………… 13 3.2.3.2 步進電機的選取…………………………………………………………… 13 3.2.3.3 軸承的選取………………………………………………………………… 16 3.2.3.4 齒輪的選取………………………………………………………………… 17 第4章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述……………………………………………… 18 4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求……………………………… 18 4.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方案…………………………………………………………… 18 4.3 硬件電路的組成………………………………………………………………………… 19 4.4 電路接口說明…………………………………………………………………………… 19 第5章 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施……………………………………………… 21 5.1 安全要求………………………………………………………………………………… 21 5.2實施方法………………………………………………………………………………… 21 總 結……………………………………………………………………………………… 22 鳴 謝……………………………………………………………………………………… 23 參考文獻……………………………………………………………………………………… 24 運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計 中文摘要 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。實際的機器人由帶有腕(或稱為手臂)的主機身和機身端部的工具(通常是某些類型的夾持器)組成,同時也包括一個輔助動力系統(tǒng)。本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結。 關鍵詞：手臂；夾持器；工業(yè)機器人 Abstract Industrially, automatic control systems 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. A physical robot is normally composed of a main frame (or arm) with a wrist and some tooling (usually some type of gripper) at the end of the frame. An auxiliary power system may also be include with the robot. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.. Key words ：arm ；gripper ；Industrial robot 運送鋁活塞鑄造毛坯機械手設計 專業(yè)：機械設計制造及其自動化，學號：2001121626，姓名：王強 指導老師：李作全 第一章 緒論 1.1 工業(yè)機器人簡介 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義： 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人是在計算機控制下可編程的自動機器。采用工業(yè)機器人是提高產品質量與勞動生產率，實現(xiàn)生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應用到國民經濟，民事技術等眾多的領域，具有廣闊的應用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力。 根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機器人具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用錐齒輪傳動實現(xiàn)機器人的旋轉，利用液壓缸實現(xiàn)其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉運動。 1.2 工業(yè)機器人的發(fā)展 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。 第2章 工業(yè)機器人的總體設計 2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關系概述 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 （1） 手部：機器人為了進行作業(yè)而配置的操作機構，又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。 （2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。 （3） 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。 （4） 機身：機器人的基礎部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。 B、 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的有 機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 C、 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生 錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 2.2工業(yè)機器人的設計分析 2.2.1 設計要求 通過設計機械手，培養(yǎng)綜合運用所學過的基本理論、基本知識和基本方法分析能力和解決問題的能力。 有關數(shù)據(jù)：設計一機械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運送到離模具2米遠處的鋁活塞毛坯箱里。(鋁活塞的基本尺寸等技術要求參見顧崇衍編《機械制造工藝學》P91～P100。) 零件尺寸：外孔 ￠101.6，高 106。 零件材料：鋁。 2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設計內容和需求確定工業(yè)機器人工作方式，利用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動；利用一個液壓缸，使手臂實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用滑槽杠桿式回轉型夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊。 圖2-1 機器人外形圖 2.2.3　工業(yè)機器人主要技術性能參數(shù) 工業(yè)機器人的技術參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標。主要技術參數(shù)有如下： A、 抓取重量： 抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 B、 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術參數(shù)，它是設計手部的基礎。 C、 坐標形式和自由度： 說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標系特征。 D、 運動行程范圍： 指執(zhí)行機構直線移動距離或回轉角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù) 運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。 E、 運動速度： 是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關，互相影響。目前，國內外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉速度最大為180o/s，一般為50o/s。 F、 定位精度和重復定位精度： 定位精度和重復定位精度是衡量機器人工作質量的一項重要指標。 G、 編程方式和存儲容量。 本設計中的三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人的有關技術參數(shù)見表2-1。 表2-1 機械手類型 三自由度圓柱坐標型 抓取重量 2.38Kg 自由度 3個（1個回轉2個移動） 機座內部 回轉運動，回轉角0°--180°，步進電機驅動 腰部機構 伸縮運動，升降范圍400mm，液壓缸驅動 手臂機構 伸縮運動，伸縮范圍70mm，液壓缸驅動 末端執(zhí)行器 液壓缸驅動 第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計 3.1 工業(yè)機器人的運動系統(tǒng)分析 3.1.1 機器人的運動概述 工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結構類型等三方面來討論。 如圖2-1所示，為工業(yè)機器人機構的簡圖。 圖3-1 機構簡圖 a．工業(yè)機器人的運動自由度 所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。 本設計的工業(yè)機器人具有四轉動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉，前后往復三自由度。 b．機器人的工作空間和機械結構類型 （1）工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數(shù)，工作空間圖如圖2-2。 圖3-2 工作空間圖 （2）機械結構類型 圓柱坐標型為本設計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 3.1.2 機器人的運動過程分析 工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖3-3和表3-1。 圖3-3 表3-1 機器人開機，處于A點 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋轉至B點 工步三 手臂伸出 工步四, 工步十 手臂下降 工步五，工步十一 夾緊工件 工步六 手臂收縮 工步八，工步十四 旋轉至C點 工步九 放松工件 工步十二 實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調的是機器人對工件的定位夾緊的準確性，這是本次設計成敗之關鍵所在。 3.2工業(yè)機器人的執(zhí)行機構設計 3.2.1 末端執(zhí)行機構設計 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構設計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。 3.2.1.1 設計時要注意的問題： a. 末端執(zhí)行機構應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。 b. 末端執(zhí)行機構應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 c. 應能保證工件在末端執(zhí)行機構內準確定位。 d. 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。 3.2.1.2 總體結構設計 采用滑槽杠桿式回轉型夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊，它的結構形式如圖2-4?；鄹軛U式回轉型夾持器，當驅動器推動桿2向上運動時，圓柱銷3在兩桿4的滑槽中移動，迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產生夾緊動作和夾緊力。當桿2向下運動時，手指松開。 圖3-4 末端執(zhí)行器 3.2.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 a． 初選油缸型號 考慮到所要夾持的是比較小的零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技術參數(shù)如表2-2。 表3-2 冶金設備標準液壓油技術規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 40 22 28 10 M18x1.5 b． 夾緊力校驗 1）零件的計算 圖3-5 零件實體圖 其中g取9.8 取G=24（N） 2） 緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為鋁，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15，N為作用在零件內壁上壓緊力，G為零件重力。 所以 取=80（N） 由《機械制造裝備》式4-56可知驅動力的計算公式為： 圖3-6 滑槽杠桿式回轉型夾持器 為斜面傾角，，為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動， 查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85 b=90.8mm,l=154.53mm。 所以 取p=150(N) 按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 4-15 D為汽缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,由《液壓傳動與氣壓傳動》表9-1 表3-3 負載F/N <5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 取p=0.5MPa。由《液壓系統(tǒng)設計》可查得：=0.9～0.95, 所以 由以上計算可知液壓缸能產生的推力F=565N大于夾緊工件所需的推力P=150N。所以該液壓缸能夠滿足要求。 3.2.1.4 彈性爪的強度校驗 當彈性手工作時，由于夾過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和破損。 工件與彈簧片間的力： 由上節(jié)可知F=80N。 則彈簧爪截面上的剪應力為[τ]=30MPa， τ=Q/A= 故彈性爪滿足強度要求。 3.2.2 手臂機構的設計 3.2.2.1 手臂的設計要求 a、 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求 b、 根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料。 c、 盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。 d、 要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 本設計手臂直接聯(lián)接在底座升降液壓缸上，結構簡單，裝拆方便，尾部設置導向桿，以防止活塞桿轉動，確保手臂隨機座一起轉動。它的結構如下圖。 圖3-7 手臂結構圖 手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結結構如圖3-8所示： 選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結構，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉動。 圖3-8 3.2.2.2 伸縮液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為Y-HG1-C50/36×40LF4HL1Q，它的主要技術參數(shù)如表2-3。 表3-4 冶金設備標準液壓油技術規(guī)格 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 速度比 通徑 /mm 聯(lián)接螺紋 1.46 2 50 28 36 10 M18x1.5 3.2.2.3 活塞桿的強度校核 末端執(zhí)行器的重量約為：12Kg。 工件重量為：2.38Kg。 由靜力平衡方ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 求得支反力為： R1=292N R2=628.93N 以A點為坐標原點，得剪力圖和彎矩圖如下： 由[]表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在B處橫截面上的剪應力為： τB= R2/A= 安全。 在B處的彎應力為： σB= MB/A= 安全。 3.2.3 腰部和基座設計 3.2.3.1 結構設計 通過安裝在支座上的步進電機和錐齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉運動，通過安裝在頂部的液壓缸帶動橫梁轉動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了導向桿導向，確保手臂隨機座一起轉動。它的結構如裝配圖。 3.2.3.2 步進電機的選取 工業(yè)機器人的旋轉和上下移動采用了步進電機驅動，下面就給出各種驅動方式的比較，以作為選取步進電機作為驅動方式的依據(jù)。 表3-5 各種驅動方式比較 比較內 容 驅動方式 機械傳動 電機 驅動 氣壓傳動 液壓傳動 異步電機，直流電機 步進或伺服電機 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，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結構尺寸過大 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構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步 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)復雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當自由度多時，機構復雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復雜 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應用范圍 適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 中小型專用通用機械手都有 中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用 成本 結構簡單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結構簡單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復雜 由上表可知步進電機應用于驅動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手等，下面就對步進電機的型號進行選取。 初選電機為BF反應式步進電機，型號為：90BF001。它的有關技術參數(shù)如下表： 表3-6 電機型號 相數(shù) 步距角 /（°） 電壓 /V 最大靜轉矩 /N·m(Kgf·cm) 最高空載啟動頻 率 /HZ 運行頻率 /HZ 轉子轉動慣量 10Kg·m 分配方式 質量 /Kg 90BF001 4 0．9 80 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍 4．5 A、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載,在電機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軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。 （1）、電機轉子轉動慣量的折算 由《機電綜合設計指導》表2-18查出=1.764㎏?cm2 （2）、聯(lián)軸器轉動慣量的折算 式中：為圓柱質量（Kg），D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度。 對于鋼材，材料密度為,把數(shù)據(jù)代入上式得： （3）、手臂轉動慣量的折算 工作臺是移動部件，其移動質量折算到活塞軸上的轉動慣量可按下式進行計算： 見《機電綜合設計指導》公式（2-6）P8 式中，為活塞工作長度（cm）；為工作臺質量（kg）。 所以： （4）系統(tǒng)等效轉動慣量計算 B、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉矩是指電機的定位轉矩，從《機電綜合設計指導》表2-21中查得。步進電機的名義啟動轉矩與最大靜轉矩的關系為： 見《機電綜合設計指導》公式（2-29）P32 查《機電綜合設計指導》表2-12 P35得＝0.707。所以， 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可按下式計算： 見《機電綜合設計指導》公式（2-30）P32 式中：為空載啟動力矩（N?cm）；為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm）；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N?cm）； 有關的各項力矩值計算如下： （1）加速力矩 見《機電綜合設計指導》公式（2-32）和（2-33）P32 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量；為電機最大角加速度；為與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速；t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間，為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的步距角；為脈沖當量。 （2）、空載摩擦力矩 見《機電綜合設計指導》公式（2-34）P35 式中：為運動部件的總重量；為導軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)總效率，取＝0.8；為活塞工作長度。 C、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內，按一定的升速 規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設計指導》圖2-21 P36，從90BF001矩特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩＝對應的允許啟動頻率。查《機電綜合設計指導》表2-11 P34，步進電機150BF002啟動頻率,所以所選電機不會丟步。 D、運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算： 見《機電綜合設計指導》公式（2-36）P36 式中：為運動部件最大快進速度。算得。 快進力矩的計算公式： 見《機電綜合設計指導》公式（2-37）P37 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。 算得： 。 查看《機電綜合設計指導》圖2-22 P36，從90BF001運行矩頻特性圖中，可知： 快進力矩＝對應的允許快進頻率； 所以,所用的電機都滿足快速進給運行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的步進電機90BF001符合要求，可以使用。 3.2.3.3 軸承的選取 A、環(huán)形軸承3作為機座的支承原件，是為機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）、裝置方便等特點價格高。 B、止推軸承，型號為30204，， 它的有關參數(shù)如下： 表3-7 軸承代號 基本額定 極限轉速 r/min 動載荷 Ca/KN 靜載荷 C0a/KN 脂潤滑 油潤滑 30204， 28.2 30.5 8000 10000 3.2.3.4 齒輪的選取 齒輪的參數(shù)如下表所示 表3-8 名稱 代號 小齒輪 大齒輪 分度圓直徑 d 80 152 齒數(shù) z 20 38 大端模數(shù) m 4 節(jié)錐角 27.759o 62.241o 錐距 R 85.882 齒寬 b 26 齒距 p 12.56 工作齒高 h’ 6.8 齒高 h 7.552 齒頂高 4.528 2.272 齒跟高 3.024 5.28 頂隙 c 0.725 齒跟角 2.017o 3.518o 齒頂角 3.018o 1.515o 頂圓錐角 30.777o 63.756o 跟圓錐角 25.742o 58.723o 齒頂圓直徑 88.014 154.116 冠頂距 73.891 37.989 大端分度圓弧齒厚 s 7.583 4.977 法向側隙 46 齒輪材料為20Cr且經滲碳淬火，接觸材料系數(shù)：KHC=0.86 彎曲材料系數(shù) KFC=0.97。 第四章 工業(yè)機器人的計算機控制系統(tǒng)概述 4.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求 工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構，它們必須協(xié)調起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計算機來實現(xiàn)。因此，機器人控制系統(tǒng)也是一個計算機控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的功能是控制機器人操作機的運動和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機器人的工作任務是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(yè)機器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點。 A、實現(xiàn)對位姿、速度、加速度等的控制功能 在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿足作業(yè)質量要求。而對達到目標點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，如圖4-1 a)圖，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作業(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)行器嚴格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應的運動。如圖4-1b)圖，這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。 B、存儲和示教功能 要使機器人具有完成預定作業(yè)的功能，須先將要完成的作業(yè)示教給機器人，這個操作過程稱為示教，將示教內容記錄下來，稱為存儲。使工業(yè)機器人按照存儲的示教內容進行動作，稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機器人的動作是通過示教—存儲—再現(xiàn)的過程實現(xiàn)的。 C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。 4.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方案 控制系統(tǒng)采用二級計算機控制方式，選用IBM-PC，80C51系列CPU。 第一級機擔負管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運算，機器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級機做位置給定。第二級機負責位置伺服控制軟件的計算，位置檢測等工作，根據(jù)插補算出的各關節(jié)位置增量做位置給定。 一級機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，CRT終端。 二級機接口電路將計算機輸出數(shù)字量轉換成相應的模擬量，驅動伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機及光電編碼盤等伺服調速系統(tǒng)。 4-1 機器人控制系統(tǒng)框圖 4.3 硬件電路的組成 圖3-1是采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下： i. 主從CPU都采用8031芯片； ii. 主從CPU各擴展程序存儲器27256一片，擴展數(shù)據(jù)存儲器62256一片； iii. 主CPU擴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；電平轉換芯片MAX232一片； iv. 從CPU擴展可編程多功能接口芯片8155六片；D/A轉換器DAC0832六片；運算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光電編碼器六片； v. 地址鎖存器、譯碼器各兩片； vi. 鍵盤電路，顯示電路； vii. 光電編碼電路，功率放大電路； viii. 報警電路，暫停、急停電路，復位電路； 4.4 電路接口說明 A.主計算機 (1) CPU采用8031芯片，由于片內無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴展外部程序存儲器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～。MCS-51系列單片機，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8031要和示教盒通信，因此擴展一片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。、對應相連。8251的接74LS138的，接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY經或非門接到8031的，當8251A準備好接收或發(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經過一個分頻電路后提供時鐘。TTL電平與RS-232C電平的轉換通過專門的電平轉換芯片MAX232。由于不用調制解調器，和接地。 (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。8155的PB.0～PB.3是鍵盤掃描輸入，采用行列式結構，123鍵。行線經限流電阻接 +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，設有啟動、暫停、急停、示教等操作方式。 B.從計算機 (1) CPU采用8031芯片，擴展外部程序存儲器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)擴展了6片8155可編程接口芯片。每一個芯片負責其相應伺服系統(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～。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，在計算機系統(tǒng)求出控制量之后，把這個控制數(shù)據(jù)送出到D/A轉換器DAC0832去，把數(shù)字量轉換成模擬電壓，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內部有輸入寄存器，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。片選信號和傳送控制信號一起接到8155的高位地址，寫信號和一起接到8031的端。 (6) D/A轉換器DAC0832和運算放大器μA741組成一個完整的D/A轉換電路，它可以把數(shù)字轉換成模擬電壓信號。按照常規(guī)的用法，DAC0832以電流開關方式進行D/A轉換的。其轉換結果以電流形式在、端輸出，而、再接一個運算放大器μA741的兩個輸入端，同時運算放大器的輸出再接反饋電阻端；這樣由一個運算放大器把DAC0832的輸出、的信號轉換成電壓信號輸出。其輸出的電壓去控制PWM功率放大器，就可以使伺服電機以不同的速度實現(xiàn)正轉和反轉。 (7) 光電編碼盤是一種可以直接把角度轉換成二進制數(shù)碼的元件，可以產生9位數(shù)據(jù)。它的分辨率是0.7o。當光電編碼盤隨伺服電機的旋轉處于不同位置時，它送出的數(shù)據(jù)不同；每一個數(shù)據(jù)和一個角度對應。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，單片機只需讀取I/O口和PB的內容。 第五章 工業(yè)機器人運行時應采取的安全措施 有些國家已經頒布了關于機器人的安全法規(guī)和相應的規(guī)程,國際標準化協(xié)會也有業(yè)機器人安全規(guī)范(ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218)。在工業(yè)機器人的生產廠家，有嚴格的管理規(guī)定和詳盡的技術保障體系。 在機器人應用工程中，要參照有關規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機器人的說明資料，注意落實安全措施，杜絕發(fā)生機器人傷人或其它事故。 5.1 安全要求 工業(yè)機器人能代替人在危險有害的環(huán)境作業(yè)。但又給人另一種危險，即機器人傷人事故。這是工業(yè)機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外，除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外，還要注意工業(yè)機器人的特殊性，采取相應可靠的對策。 對工業(yè)機器人應用工程的安全要求有如下幾條： a、 必須為工業(yè)機器人和周邊設備安裝安全護欄，以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機器人的動作范圍不能超越護欄。 b、 在護欄出入口的門上必須設置插拔式電接點點開關，其插座有導線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關的插頭，才能打開對應的門。這時，工業(yè)機器人及周邊設備停止運轉，并且將工業(yè)機器人鎖定在示教模式。 c、 在距操作者的地方設置緊急停止開關。按下此開關，工業(yè)機器人和有關的設備立即停止運轉。 d、 在人機結合部設置傳感器。當操作者在此處上、下料或裝卡工作時，控制系統(tǒng)要有相應的安全對策。 e、 在生產設備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產系統(tǒng)的當前狀態(tài)。如運轉、調試、停止等。 f、 設置工業(yè)機器人的作業(yè)的作業(yè)原點，并在生產系統(tǒng)的操作盤上設置相應的指示燈，使操作者容易判斷工業(yè)機器人本體的位置狀態(tài)。 g、 示教作業(yè)時應降低工業(yè)機器人的運動速度，并且要另有一人專門監(jiān)護，一但發(fā)現(xiàn)異常應立即停機。 h、 由經過操作培訓的人員進行工業(yè)機器人的示教作業(yè)。 i、 制定生產系統(tǒng)及工業(yè)機器人的操作規(guī)程和安全規(guī)程，張貼在護欄上并認真執(zhí)行。 5.2 實施方法 在工業(yè)機器人應用工程中，不僅要注意對人員的危險性，而且還要考慮包括工業(yè)機器人在內的設備的安全性。為此生產廠家在工業(yè)機器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應盡可能地增加有關功能，以確保安全。例如，用軟極限的功能可設定工業(yè)機器人操作機（本體）的實際動作小于標稱最大動作范圍。當控制點運動到軟極限位置時，工業(yè)機器人自動停止并報警，不會超越設定的區(qū)間。因此，可以將工業(yè)機器人本體的動作限制在實際作業(yè)的領域內。又如對于弧焊的應用，生產廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后，示教作業(yè)及再現(xiàn)運動時，一但焊槍撞上工件或其他物體時，工業(yè)機器人將立即停機。為了確保工業(yè)機器人應用工程中的安全，必須實施確保安全要求的具體措施。 總 結 機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計是我們學完了大學的全部基礎課，技術基礎課以及專業(yè)基礎課之后進行的。這是我們對所學課程的一次深入的綜合性總復習，也是一次理論聯(lián)系實際的訓練。因此，它在我們四年的大學生活中占有重要的地位。 在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經過本次設計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設計人員的艱難性。在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導致的，有的是設計經驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設計。 雖然我的設計存在很多不足的地方，總的來說，我希望通過這次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應性的訓練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎。 鳴 謝 在此衷心感謝學校、學院各位老師四年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李作全老師在我的畢業(yè)設計期間, 悉心指導和不嗇賜教，他于百忙中不忘記我提出的問題進行耐心的解答與指導，并提出寶貴的意見。在此表示衷心的感謝！ 主要參考文獻 1.顧崇衍．《機械制造工藝學》．陜西科技出版社，1996 2.周伯英．《工業(yè)機械人設計》．機械工業(yè)出版社，1995 3.龔振幫．《機械人機械設計》．電子工業(yè)出版社，1995 4.成大光．《機械設計圖冊》（5）．化學工業(yè)出版社，1999 5鄭堤、唐可洪．《機電一體化設計基礎》．機械工業(yè)出版社，1997 6.張鐵、謝存禧．《機器人學》．華南理工大學出版社，2004 7.馮辛安．《機械制造裝備設計》．機械工業(yè)出版社，1999 8.沈鴻. 《機械工程手冊》．機械工業(yè)出版社，1983 9. 吳宗澤,羅圣國. 《機械設計課程設計手冊第二版》．高等教育出版社，1999 10. 廖念釗,莫雨松等. 《互換性與技術測量第四版》．中國計量出版社，2000 11. 陳錦昌,劉就女,劉林. 《計算機工程制圖》．華南理工大學出版社，1999 12. 濮良貴，紀名剛. 《機械設計》．高等教育出版社,1995 13. 何立民. 《單片機高級教程:應用與設計》．北京航空航天大學出版社，2000 14. 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 《理論力學》．高等教育出版社，1997 15. 余達太,馬香峰. 《工業(yè)機器人應用工程》．冶金工業(yè)出版社，2001。 - 24 -