机械手-基于单片机控制的三自由度机械手设计-设计

机械手-基于单片机控制的三自由度机械手设计-设计内容摘要：

外壁上压紧力 ,为零件重力。 所以 ,取。 由《机械制造装备》式 460 可知驱动力的计算公式为 : (32) 为斜面倾角 ,为传动机构的效率 ,这里为平摩擦传动。 由已知条件有 ,这里取 ,由《机械设计师手册》表 128,可查得 ,。 取 《液压传动与气压传动》公式 415 (33) 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》中负载与工作压力由表 33 所示。 表 33 负载与工作压力 负载 F/N 5000 5000~10000 10000~20200 20200~30000 30000~50000 50000 工作压力 p/MPa ~1 ~2 ~3 3~4 4~5 5~7 取。 由《液压系统设计》可查得 :~, 由式 (33)计算得 : 由以上计算可知 液压缸能产生的推力 F565N 远大于夹紧工件所需的推力P100N。 所以该液压缸能够满足要求。 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图 35: 图 35 弹性爪结构图 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。 当弹性手工作时 ,由于夹紧过程具有弹性 ,就可以避免易损零件被抓伤 ,变形和破损。 工件与弹簧片间的力由上节可知 N20N。 则弹簧爪截面上的剪应力为 [τ ]30MPa, τ Q/A [τ ] 故弹性爪满足强度要求 [4]。 手臂机构的设计 手臂的设计要求 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的如下工作空间要求 : (1)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。 (2)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。 (3)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。 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动以及手抓前后运动 ,结构简单 ,装拆 方便 ,还设计有两根导柱导向 ,以防止手臂在滚珠丝杠上转动 ,确保手臂随机座一起转动。 它的结构如下图。 图 36 手臂结构图 设计计算 工业机器人的旋转和上下移动采用了伺服电机驱动 ,下面表 34 就给出各种驱动方式的比较 ,以作为选取伺服电机作为驱动方式的依据。 表 34 各种驱动方式比较 比较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机 ,直流电机 步进或伺服电机 输出力矩 输出力矩较大 输出力可较大 输出力矩较小 气体压力小 ,输出力矩小 ,如需输出力矩较大 ,结构尺寸过大 液体压力高 ,可以获得较大的输出力 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 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 由上表可知伺服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。 通过安装在末端上的伺服电机以及连接轴带动滚珠丝杠 ,从而实现末端执行机构的前后运动。 (1)滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构 ,拟使用如下条件 : 负载重量 W4KG 最大行程 S120mm 快速进给速度 V100mm/s 加减速时间常数 预 期寿命 Lh30000h 直线运动导程摩擦系数 根据电机的最大转速与快速进给速度 (34) 各动作模式下的轴向负载的计算 (a)加速时加速度 ,轴向负载分别为 (35) (36) (b)匀速时轴向负载为 (37) (c)减速时轴向负载为 (38) 由上述计算结果可知 : 各动作模式 1 次循环所需的时间 (s)由表 35 所以 表 35 循环时间 动作模式 A B C 共需时间 所需时间 2 螺距为 10 的负载条件由表 36 所示 表 36 负载条件 动作模式 A B C 轴向负载 (N) 转速 300 600 300 所需时间比例 15% 70% 15% 根据负载条件计算轴向平均负载 Pm 与平均转速 Nm (39) (310) (d)计算所需基本动态额定负载 C 根据预期寿命 ,扣除停止时间后的净运行使用寿命 ,预计夹紧 1s 上下运动 5s (311) 将运行系数带入公式中得 (312) 因此选择 BSBR2510 丝杠 (2)滚珠丝杠容许屈曲载荷 研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 Nc 屈曲载荷 Pk L 最大行程 +螺母长度 +余量 +末端尺寸 L 100+94+118+40350mm 下面就屈曲载荷进行讨论 ,设负载作用点间距 (313) 式中 : ??开始引起压曲的负载 ??负载作用点间距 E??杨氏模量 I??丝杠轴最小惯性矩 (314) n??由丝杠的支撑方法决定的系数 单推 ?单推 n1 双推 ?简支 n2 双推 ?双推 n4 双推 ?自由 选用 因为固定 ?自由适用于低转速 ,中精度 ,短轴向行型的丝杠。 (315) 式中 : 屈曲载荷 :安全系数 () 说明容许轴向负载充分满足使用条件 [5], [6]。 (3)刚度的计算 机械手臂部的丝杠支撑方式采用固定 ?自由的方式 ,其中中心距为a350mm,滚珠直径 ,丝杠底径 ,丝杠截面积 S。 丝杠的拉 /压变形量。 根据公式 ,求得单圈滚珠数 Z12,该型号丝杠为单螺母 ,滚珠的圈数 X列数为 *2,代入 60,求得滚珠与螺纹滚到间的接触变形量 mm,因为丝杠加有预紧力 ,且取 mm,所以 ,其中丝杠的有效行程为 100mm,由《系统设计课程设计指导书》表3?27 知 ,滚珠丝杠的有效行程在 315mm 时 ,行程偏差允许达到 6,可见丝杠刚度足够 [7]。 (4)最终选型结果 适合的滚珠丝杠的形式为 BSBR2510。 (5)伺服电机和减速器的选型与校核 TRK?5B?100 减速伺服电机 (输入转速为 3000r/min,减速比为 5)。 算 (a)减速电机惯量 (316) (b)滚珠丝杠转动惯量的折算 (317) (c)手臂转动惯量的折算 工作台是移动部件 ,其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式 (318) 式中 ,为丝杠导程 (cm)。 为工作台质量 (kg)。 (d)中间轴转动惯量的折算 (319) (e)联轴器转动惯量 (320) 则加在伺服电机转轴上的总转动惯量为 (321) (322) 考虑到转动时的传动效率 ,所以设传动效率 所以 机械手臂需要的转矩小于 TRK?5B?100 减速伺服电机的额定转矩 ,即。 从上述可知 TRK?5B?100 减速伺服电机满足要求 ,可以使用 [9], [10], [11]。 大臂和基座设计 结构设计 通过安装在支座上的电机和减速机接驱动转动机座转动 ,从而实现机器人的旋转运动 ,通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。 采用了双导柱导向 ,以防止手臂在滚珠丝杠上转动 ,确保手臂随机座一起转动。 支撑梁采用冷拔钢管 ,以减轻重量和节省材料 ,它的结构如图 37 所示。 1??支座 ,2??电机 ,3??减速箱 ,4??转动机座 5??支承冷拔管 ,6??滚珠丝杠 ,7??导向柱 ,8??锥环无键联轴器 图 37 基座结构图 (1)滚珠丝杠的选择 根据电机以及末端执行机构 ,拟使用条件 负载重量 W50KG 最大行程 S450mm 快速。