774-圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制

摘要本设计中机械手可模仿人的动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求设计为夹持型。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有3个自由度。关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构Abstract Robot arm to mimic certain actions of staff and functions, to capture a fixed procedure, carrying objects or operating tools, automation equipment. It can replace human labor in order to achieve the heavy mechanization and automation of production, can operate in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power sectors.Manipulator mainly by hand, sports bodies and the control system has three major components. Task of hand is holding the workpiece  of the components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of the various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. . Sports organizations to accomplish a variety of hand rotation, move, or complex movement to achieve the required action to change the location of objects by grasping and posture. Sports organizations lifting, stretching and rotating the independence movement, is known as freedom manipulator. Crawl space to an arbitrary position and orientation of objects, the need for six degrees of freedom. Freedom is the mechanical design of the key parameters of hand. More freedom, greater flexibility of the manipulator, the more wide versatility。 Keywords: manipulator, design, hand, wrist, arm, body, structure目录1绪论.........................................................11.1国内生产量......................................................11.2国内机械手区域市场分析..........................................12机械手总体设计方案.........................................22.1机械手组成.....................................................22.2机械手的规格参数..............................................103机械手手部设计计算.........................................43.1手部设计基本要求.................................................43.2手部手部力学分析.................................................53.3夹紧力与驱动力计算...............................................53.4手爪夹持范围计算.................................................73.5手爪夹持精度的计算...............................................84珠丝杠螺母副的选型........................................104.1提升机构滚珠丝杠副的计算及选型.................................104.2伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型.................................135蜗轮蜗杆传动的设计计算....................................175.1面接触疲劳强度设计.............................................175.2蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计...............................185.3齿根弯曲疲劳强度的校核.........................................165.4精度等级公差和表面粗糙度的确定.................................206电机的计算和选型..........................................216.1提升步进电机的计算及选型.......................................216.2伸缩步进电机的计算与选型.......................................256.3蜗轮蜗杆电机的计算及选型.......................................288机械手PLC控制系统设计....................................297.1接近开关的工作原理及选型......................................317.2限位开关的工作原理及选型......................................307.3系统的结构功能和总体设计方案...................................317.4PLC的选型及PLC外部接线图设计..................................327.5PLC控制系统的软件设计..........................错误！未定义书签。结论.....................................................35参考文献.....................................................36致谢.........................................................37附件.........................................................381绪论1.1国内生产总量我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。工业机械手应用前景极为广阔。目前国内机械手的保有量在4000台左右，并将以每年800～1000台左右的速度快速增长。2005年底，我国工业机械手实际安装量为11557台，比2004年底安装量的7096台，增长了63%。增长慢于2004年。2006年底，我国工业机械手实际安装量为17327台，增长47%。2007年底，实际安装量为23900台，增长31%，平均增长45%以上。1.2国内机械手区域市场分析虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。我国本土企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。我国目前比较大的生产企业有上海ABB工程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧地希机电(青岛)有限公司等。2机械手总体设计方案2.1机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.1.1执行机构(1）手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。（2）手臂是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。2.1.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑，控制方便。2.1.3控制机构在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用PLC进行控制，主要控制的是坐标位置。2.2机械手的规格参数抓重：2kg自由度：3个坐标形式：圆柱坐标式输入电压：220V或24V功率：50W伸缩行程（X）：200mm伸缩速度：3mm/s升降行程（Z）：200mm升降速度：3mm/s回转范围：0-270度回转速度： s / 20°位置检测：用电位器反馈式驱动方式：电机驱动控制方式：可编程控制3机械手手部设计计算3.1手部设计基本要求应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂负载。应保证手抓的夹持精度。3.2手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手爪张开。下面对其结构进行力学分析：在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为 1 F 和 2 F ，其力的