全套毕业设计四自由度棒料搬运机械手设计

全套毕业设计四自由度棒料搬运机械手设计内容摘要：

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。 机械手的组成 图 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： ：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各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。 ：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 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 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Ａ，Ｂ两条输送带，之间距离为，现设计机械手将一棒料工件从 A 带送到 B 带并将棒料翻转过来。 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 22 图 机器人外形图 机器人的工作空间 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 23 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。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 图 工作空间图 机械手驱动系统的设计 机械手驱动器 机械手驱动系统包括驱动器和传动机构 ,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] 机械手传动机构 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。 气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。 [5]如下图 图 气爪连接示图 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 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，从而实现机械手的旋转运动。 [5]如下图 ： 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 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 21。 表 21 机械手参数表 机械手类型 四自由度圆柱坐标型 抓取重量 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 240176。 ，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 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 3 机械手的传动设计 滚珠丝杠的选择 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 NF 245m。 丝杆选为有效行程 450mm , 由前电机选择的计 算丝杆转速 min525m rn  , 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： FK mcF 式中： K—— 颠覆力矩影响的实验系数，设计取为 FF mc K = 245 = 294 N 最大动负载 C 的计算 最大动负载 C 的计算公式： mm FLC  f3 [12] 查机电综合设计指导书式 214 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 ~1 ，本设计取 Fm—— 滚珠丝杆工作载荷（ N）； 把以上数据代入 mm FLC  f3 得： 0 5 82 9 C 选择滚珠丝杆副的型号 C= 按 aCC ，查机电综合设计指导书表 27，选用汉江机床厂 FN 型滚珠丝杠，系列代号为 FN250624。 [12]其中 7747aCN 0D = 25 mm , nP =6mm , 螺杆不长，变形量不大无需验算。 效率计算 螺旋导程角 γ = dPnarctan = ondParctan = 3186。 57′ 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 效率的计算公式： )tan(tan [12] 查机电综合设计指导书式 215 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 01 把以上数据代入)tan(tan   得： %959 5 )01753t a n ( 753t a n   谐波齿轮减速器参数的确定 一般一级谐波齿轮减速比可以在 50～ 500 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： 100i2 ； 柔轮变形波数： U=2 ； 柔轮齿数： 2 0 01 0 02i  UZ R ； 刚轮齿数： 2022200rc  UZZ ； 模数：  ； 柔轮臂厚： H ； 尺宽： mm20b ； 其中，柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别确定如下： 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 全齿高： R ；  ； 分度圆直径： mm80dR ；  ； 齿顶圆直径：  ；  ； 齿根圆直径：  ；  ； 齿形角： 20R ； 20c ； 变位系数： RX ； CX ； 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= ，短轴 2b= ，并且采用具有 23 个直径为。 谐波齿轮轮齿的耐磨计算： 由于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] 2020pR n vTKPPd h b Z 式中： T—— 作用在柔轮上的转矩（ mN ），由前计算取得 m2  NT ； Rd —— 柔轮分度圆直径，本设计中取为 Rd =80mm ； nh —— 最大啮入深度，近似取 nh =（ ~ ） m，本设计中取 1 .4 0 .4 0 .5 6nh m m   ； b —— 齿宽（ mm），设计中取为 b=20mm ； vZ —— 当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取 Z ； K—— 载荷系数，取 ~K ，设计中取为 K= ； P —— 齿宽许用比压 ，对于无润滑条件下工作的调质柔轮，取 P =8MPA ； 所以，代入vn bhd 2020 ZKTP R  得： 20 00 2 1. 580 0. 56 20 150. 44 64 M P aP     全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 因 MPAMPA  满足 aP ，所以符合耐磨性要求。 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 mam  , 分别表示正应力和切应力的应力幅和平均应力。 [11] （ 1）正应力的应力幅和平均应力分别为： 0, 2  mpDE  （ 2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： 12pp2p1y2 0 0 0,hE0 . 5 D hTD    则，切应力的应力幅和平均应力为： )(   ym 以上式中： T—— 柔轮工作转矩（ mN ），由前计算取为： T=2 mN ； 1h —— 柔轮齿根处的臂厚（ mm），设计中取为： 1h = ； PD —— 计算平均直径（ mm），设计中为： mmD 1fp  ； E—— 弹性模量（ aMP ），设计中为 E =206000 aMP ； —— 变形量（ mm）， Rc dd ，本设计中为 =－ 80= ； 将具体数据代分别代入上式中得： 323220. 8 20 6 10 0. 63. 55 56 .1 03 ( )00. 8 20 6 10 0. 60. 5 7. 90 2( )20 00 20. 33 9( )79 .1 0. 60. 5 ( ) 0. 5 ( 7. 90 2 0. 33 9) 4. 12 1 ( )aamyaaa m y aMPMPMPMP                   全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 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：。