機械手畢業(yè)設(shè)計論文---簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在當(dāng)今大規(guī)模的制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)認(rèn)同并采用。工業(yè)機械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)自動化水平。目前，工業(yè)機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重要性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取試教

2、在線的方式。</p><p>　　本文通過分析現(xiàn)代機械手的作用，發(fā)展簡史，組成（包括執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)，控制系統(tǒng)），全面詳盡地討論了直角坐標(biāo)機械手的手部，腕部，手臂以及機身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括機械部分的零部件，比如滾珠絲杠，聯(lián)軸器，單軸驅(qū)動器的使用條件，種類選型，設(shè)計基本要求，優(yōu)點特點分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計，基本參數(shù)的選定，計算與校核，以及安全性的分析。還有控制部分的各電機的馬達型號，種類，簡介，控制步驟分析，

3、部分控制程序的編寫，運行特性分析，基本參數(shù)的計算和校核。</p><p>　　最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：實現(xiàn)步進電機的開環(huán)控制，通過手臂的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)空間任意位置的抓取，實現(xiàn)手部快速，有效的抓取物體，有良好的傳感和限位功能使每個自由度上的運?？焖?，準(zhǔn)確。做到盡量體積小，重量輕，功耗低，維護方便，外形美觀，動作靈敏，傳動平穩(wěn)，程序簡潔，運行誤差小等優(yōu)點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機械手，滾珠絲

4、杠，單軸驅(qū)動器，步進電機，手臂，手部，直角坐標(biāo)</p><p>　　The design of the Cartesian coordinate manipulator</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In today's large-scale manufacturing, the enter

5、prise to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, manipulator as an important member of automatic production line, gradually by enterprise and th

6、e use of identity. Industrial robot technology level and application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level. Currently, the manipulator main bear the welding, painting, handling and st

7、orage, and th</p><p>　　This article elaborates the structure design of the major parts of the Cartesian coordinate manipulator, such as hand, wrist, arm and the machine body. In which includes designing the

8、components of the mechanical part. Such as ball screws, coupling, single axis actuator, mainly describing the use condition, type selection, basic requirement of design, analysis of the strong point, characteristic, calc

9、ulate and proofread the basic parameter, analysis of security. Besides, it also includes designi</p><p>　　The target which should be terminally realize including: achieving the open loop control of the step

10、motor, achieving grabbing object in space arbitrarily position by the actuator of the arm. Realizing grabbing object by hand quickly, effectively. Possessing the good function of sense and limiting position, which makes

11、 the motion and stop quickly and precisely. Realizing the merits including small volume, light weight, low power dissipation, easy maintenance, beautiful appearance, sensitive act</p><p>　　Key words: manipu

12、lator, ball screws, single axis actuator, step motor, arm, hand, Cartesian coordinate</p><p>　　簡易小型直角坐標(biāo)機械手設(shè)計</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　0.1 機械手的簡介</p><p>

13、;　　機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)，不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械設(shè)備。機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟戰(zhàn)略重點之一。</p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種

14、高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機械手的工業(yè)機器人的一個重要分支，它的特點是通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動化生產(chǎn)線中，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技

15、術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)和勞動，不知疲勞，不懼危險，抓舉重物的力量比人手大的特點，因此機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到了應(yīng)用。</p><p>　　機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的

16、快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 </p><p>　　機械手技術(shù)涉及到力學(xué)，機械學(xué)，電氣液壓技術(shù)，自動控制技術(shù)，傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨多種學(xué)科的綜合技術(shù)。</p><p>　　機械手是一種能自

17、動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。</p><p>　　0.2 工業(yè)機械手的作用</p><p>　　機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。</p><p>　　0.2.1 建造旋轉(zhuǎn)體零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線</p><p>　　一般都采用機械手在

18、機床之間傳送工件。國內(nèi)已建成的這類自動線很多，如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機軸加工自動線（軸類），上海拖拉機齒輪廠的齒柸加工自動線（盤類）等。</p><p>　　加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣缸蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。</p><p>　　0.2.2 在實現(xiàn)單機自動化方面</

19、p><p>　　（1）各類半自動車床，有自動夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應(yīng)用最多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二機床廠的自動循環(huán)液壓仿形車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾齒花鍵機床機械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類機床產(chǎn)品出廠時就附上機械手

20、，或為用戶自行安裝機械手提供條件。</p><p>　?。?）注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。</p><p>　?。?）沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。目前機械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t沖床磁力起動器殼體下料機械手和天津拖拉機廠400t沖

21、床的下料機械手等；一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進，如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位沖床）和天津二輕局技術(shù)研究所制作的12t和40t多工位沖床機械手等。</p><p>　　0.2.3 鑄、鍛、焊、熱處理等加工方面</p><p>　　在模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機械手成一定夾角布置在爐前，實現(xiàn)進出料自

22、動化。上海柴油機廠、北京內(nèi)燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。</p><p>　　總的來說，工業(yè)機械手滿足了社會生產(chǎn)的需要，其特點是：</p><p>　　對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要跟據(jù)工作環(huán)境進行合理設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常的高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅

23、火等危險環(huán)境中勝任工作。</p><p>　　（1）為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鋼造、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手或機器人。</p><p>　?。?）由于機械手的動作準(zhǔn)確，因為可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。</p><p>　　（3）機械手能持久、耐勞，可以把人從

24、繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人得功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調(diào)重復(fù)勞動。</p><p>　?。?）機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能較好的適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能，在中、小批量的自動

25、化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。</p><p>　?。?）采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。</p><p>　　0.3 機械手的分類</p><p>　　工業(yè)機械手的種類很多，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)等進行分類。</p><p><b>　　0.3.1按用途分<

26、/b></p><p>　　機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:</p><p><b>　?。?）專用機械手</b></p><p>　　它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下

27、料機械手和加工中心。</p><p><b>　?。?）通用機械手</b></p><p>　　它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同

28、可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。</p><p>　　0.3.2按驅(qū)動方式分</p><p>　?。?）液壓傳動機械手</p><p>　　是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳

29、動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。</p><p>　?。?）氣壓傳動機械手</p><p>　　是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出

30、力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。</p><p>　　（3）機械傳動機械手</p><p>　　即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的

31、專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)大，動作程序不可變。</p><p>　?。?）電力傳動機械手</p><p>　　即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有

32、發(fā)展前途。</p><p>　　0.3.3 機械手的組成</p><p>　　圖0.1 工業(yè)機械手的組成框圖</p><p>　　圖0.2 單軸工業(yè)機械手示意圖</p><p>　　機械手手臂：手臂是支撐被抓物體、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬運到給定的位置。</p><p>

33、　　手臂有三個自由度，可采用直角坐標(biāo)系（前后、上下、左右都是直線），圓柱坐標(biāo)系（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)系（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸縮）四種方式。</p><p>　　直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性小，所以一般不多用，只有在自由度數(shù)較少時用之。</p><p>　　圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。</

34、p><p>　　球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍較大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以也不多用。</p><p>　　機械手手腕：手腕是操作機的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用 是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。</p&g

35、t;<p>　　機械手手部：手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。手指是直接與物件接觸的機構(gòu)。常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。</p><p>　　0.3.4 機械手的設(shè)計目的</p><p>　　工業(yè)機械手設(shè)計是機械制造、機械設(shè)計和機械電子工程（機電一體化）等專業(yè)的一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課程及有關(guān)專業(yè)課以后的一

36、次專業(yè)課程的綜合設(shè)計。通過設(shè)計提高學(xué)生的機構(gòu)分析與綜合的能力、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。通過這一教學(xué)環(huán)節(jié)要求可以達到：</p><p>　?。?）通過設(shè)計，把有關(guān)課程（機構(gòu)分析與綜合、機械原理、機械設(shè)計、液壓與氣動技術(shù)、自動控制理論、測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微型計算機原理及應(yīng)用、自動機械設(shè)計等）中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以應(yīng)用，使這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使

37、理論知識和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來。因此，工業(yè)機械手設(shè)計是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設(shè)計。</p><p>　?。?）工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學(xué)生一次比較完整的機電一體化整機設(shè)計。通過設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立的機械整機設(shè)計的能力，樹立正確的設(shè)計思想，掌握機電一體化機械產(chǎn)品的基本方法和步驟，為自動機械設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。</p><p>　　0.3.5 本文

38、研究范圍</p><p>　　本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械手的工作原理，熟悉了單軸機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了單軸機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對單軸機械手的運動進行了簡單的分析，完成了單軸機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。</p><p>　　0.3.6 機械手的簡史</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于

39、20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。</p><p>　　1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手

40、。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。</p><p>　　1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動

41、，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。</p><p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。</p><p>　　美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unima

42、te公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。</p><p>　　德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p&

43、gt;<p>　　瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。</p><p>　　瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。</p><p>　　日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機

44、械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將

45、有55萬機器人在工作。</p><p>　　第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。</p><p>　　第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexib

46、le Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。</p><p>　　0.3.7 機械手的發(fā)展趨勢</p><p>　　現(xiàn)在工業(yè)機械手的應(yīng)用簡況：在現(xiàn)在工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械

47、化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。</p><p>　　有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯的生產(chǎn)。日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還有所改變。</p><p>　　機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。</p><p>　　國內(nèi)機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料。減輕工

48、人的勞動強度。</p><p>　　國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床組合成一個綜合的數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　采用機械手進行裝配更是現(xiàn)在研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。</p><p>　　國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世

49、界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能對所抓取的工件進行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進而精確地在機器中定位、定向。</p><p>　　為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和法、分辨形狀不同的零件，它有視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工作。</p><p>　　為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物

50、體滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當(dāng)?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物體的滑動位移，來修正握力。</p><p>　　因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：</p><p>　?。?）能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體。</p><p>　?。?）能判斷對象的重量。</p><p>　　（3）能自動避開障礙物。<

51、;/p><p>　?。?）抓空或抓力不足時能檢測出來。</p><p>　　這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機械手稱為智能機械手，它是具有發(fā)展前途的。</p><p>　　現(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險地工作，在惡劣的環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門，機械手的應(yīng)用情況

52、決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟性問題當(dāng)然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設(shè)備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術(shù)方面和價格方面存在的問題獲得解決，機械手的應(yīng)用必將會飛躍發(fā)展。</p><p>

53、　　1 直角坐標(biāo)機械手的總體設(shè)計方案</p><p>　　本課題是直角坐標(biāo)機械手的設(shè)計。本設(shè)計的主要任務(wù)是完成機械手的結(jié)構(gòu)以及傳動方面的設(shè)計。</p><p>　　機械手的主要部件及運動</p><p>　　本設(shè)計機械手主要由4大部件組成：（1）手腕，通過L型彎鐵一部分連接在Z軸的單軸驅(qū)動器上的工作臺上，另一部分連接安裝電磁鐵。（2）手臂，采用單軸驅(qū)動器在頭部安裝上

54、聯(lián)軸器，再使?jié)L珠絲杠與聯(lián)軸器連接，并與工作臺連接，然后通過螺紋連接用銜接板把相鄰軸上的一個單軸驅(qū)動器的工作臺與另一個驅(qū)動器的底座連接起來（本處使用沉孔式十字頭螺釘和圓頭式十字頭螺釘），再通過兩相步進電機做控制裝置，從而把電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠螺母轉(zhuǎn)換為工作臺的直線運動。（3）手掌與手指，采用簡單的電磁鐵。（4）機身，采用鋁合金型材，再用螺栓連接銜接板讓它與X軸的驅(qū)動器連接起來，然后，設(shè)計兩個門字型的機架，把鋁合金型材與三個驅(qū)動器掛上去。

55、</p><p>　　原始數(shù)據(jù)（主要參數(shù)）</p><p>　　方塊尺寸：80×50×30 自由度：三個 坐標(biāo)形式：直角坐標(biāo)</p><p>　　手臂水平行程：100毫米 手臂垂直行程：50毫米</p><p>　　手臂前后行程：50毫米 驅(qū)動方式：步進電機 </p><p>　　控

56、制方式：點位，程序控制。</p><p><b>　　工作要求</b></p><p><b>　　機械手工作流程：</b></p><p>　　機械手的原位 X軸電機起動（先加速后勻速再減速）X</p><p>　　軸的工作臺與Y軸的驅(qū)動器沿橫向水平方向移動（先加速后勻速再減速）Y軸電

57、機起動（先加速后勻速再減速）Y軸的工作臺與Y軸的驅(qū)動器沿縱向水平方向移動（先加速后勻速再減速）Z軸電機起動（先加速后勻速再減速） Z軸的工作臺與Z軸的驅(qū)動器沿豎直方向移動（先加速后勻速再減速）電磁鐵最后吸住物體完成任務(wù)。</p><p>　　1.4 工作形式的確定</p><p>　　圖 1.1 直角坐標(biāo)式</p><p><b>　　2 手臂部分設(shè)計&l

58、t;/b></p><p>　　2.1 本設(shè)計主要零件組成</p><p>　　手臂部分是本設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)，由單軸驅(qū)動器與它們之間的銜接板構(gòu)成。本設(shè)計用LX30標(biāo)準(zhǔn)型系列的單軸驅(qū)動器。X軸驅(qū)動器總長200毫米，Y軸驅(qū)動器總長100毫米，Z軸驅(qū)動器總長100毫米。而單軸驅(qū)動器由頭，身，尾三部分組成，頭部由驅(qū)動部件2相步進電機（東方電機系列PK26系列），法蘭板T3060系列（米思米）

59、，聯(lián)軸器SCPW雙膜片型28系列（米思米）。其中法蘭板與電機用四個M4長20系列的圓頂十字頭螺釘連接，法蘭板與驅(qū)動器的頭部用四個M4長8系列的圓頂十字頭螺釘連接。</p><p>　　頭部與身體部的連接部分用一塊板用4個M6的內(nèi)六角頭螺釘連接。</p><p>　　身體部分用一個工作臺在導(dǎo)軌上來回運動來實現(xiàn)三個自由度上的規(guī)定的運動，X軸導(dǎo)軌總長100毫米，Y軸導(dǎo)軌總長50毫米，Z軸導(dǎo)軌總長

60、50毫米。導(dǎo)軌部分的底部由四個φ9.5的沉孔加四個φ5.5的通孔組成。其中X軸驅(qū)動器用長為200毫米，導(dǎo)程為10毫米，絲杠螺距為10毫米，有效行程為100毫米，絲杠軸外徑為10毫米的滾珠絲杠。Y,Z軸驅(qū)動器用長為150毫米，導(dǎo)程為10毫米，絲杠螺距為10毫米，有效行程為50毫米，絲杠軸外徑為10毫米的滾珠絲杠。</p><p>　　均為米思米BSSR系列的滾珠絲杠，精度等級C10。每個軸的驅(qū)動器用長73毫米，寬5

61、0毫米左右的工作臺來執(zhí)行運動任務(wù)，且表面開有四個M5，深度是8的盲孔，兩側(cè)有四個小凸臺，與滾珠絲杠連接的部分孔徑為11毫米。</p><p>　　X與Y軸的驅(qū)動器用長為90毫米，寬為50毫米的連接板來連接。其中左側(cè)高22毫米，并開有四個倒角2.7，孔徑5.5的通孔，其與X軸的工作臺用四個M5，長30系列的沉頭十字頭螺釘連接。右側(cè)高30毫米，開有兩個孔徑5.5，長為26.8毫米的盲孔，其與Y軸驅(qū)動器的底座用兩個M5

62、，長為30系列的圓頂十字頭螺釘連接。</p><p>　　Y軸和Z軸的驅(qū)動器用一個土字形的連接板連接，其中后側(cè)長60毫米，寬50毫米，高22毫米。前側(cè)長20毫米，寬50毫米，高120毫米。后側(cè)開有四個倒角2.7，孔徑5.5的通孔，其與Y軸的工作臺用四個M5，長30系列的沉頭十字頭螺釘連接。前側(cè)開有四個孔徑5.5，長為26.8毫米的盲孔，其與Z軸驅(qū)動器的底座用四個M5，長為30系列的圓頂十字頭螺釘連接。</p

63、><p>　　其中每個工作臺的中部有兩個M2.6，深度4的盲孔，用來安裝LX30系列的傳感器發(fā)迅快，本設(shè)計用接近傳感器型，目的在于當(dāng)一個自由度接近物體有信號立即停止其運動并立即讓另一個驅(qū)動器運動。</p><p>　　每個驅(qū)動器的尾部用用一塊厚為11毫米，截面長60，寬30的底板組成，用來限制滾珠絲杠的運動。</p><p><b>　　2.2 單軸驅(qū)動器&l

64、t;/b></p><p>　　2.2.1 單軸驅(qū)動器的特征與主要類型</p><p>　　LX系列的四大特征 1 滑塊上設(shè)有定位孔，提高了組裝性能（僅限蓋板型） 2 采用精密磨削的滾珠絲杠，施加預(yù)壓實現(xiàn)靜音和高精度。3 采用連體式滑塊結(jié)構(gòu)降低了滑臺高度，最適合省空間設(shè)計。4 底座上設(shè)有2個定位孔，提高了重復(fù)定位性能。</p><p>　　命名方式是 TYP

65、E 導(dǎo)程 精密級 潤滑方式 如LX2602PG</p><p>　　單軸驅(qū)動器的構(gòu)成零件 底座（滑軌） 滑塊 馬達支架 支撐側(cè)軸承座 擋塊 精密滾珠絲杠（磨削）(均有材質(zhì) 表面處理 硬度的要求</p><p>　　規(guī)格表主要描述滑塊數(shù) 馬達附件 有效行程 安裝孔尺寸</p><p>　　有效行程對相同底座總長的不同潤滑方式的單軸驅(qū)動器是不同的。安裝孔尺寸有A

66、、P、B。</p><p>　　有效行程L=A+P×(等分?jǐn)?shù)-1)+B…………………………… (2.1)</p><p>　　X軸的有效行程=50+100×（2-1）+50=200mm</p><p>　　Y,Z軸的有效行程=25+100×（2-1）+25=150mm</p><p>　　表2.1 單軸驅(qū)動器的基

67、本參數(shù)</p><p>　　2.2.2 單軸驅(qū)動器內(nèi)的主要機械傳動部件</p><p>　?。?）機械傳動部件及其功能要求</p><p>　　機械傳動部件在本產(chǎn)品中主要有絲杠螺母傳動，聯(lián)軸器，導(dǎo)軌等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，機械傳動部件主要是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變換器。其目的是使執(zhí)行元件與轉(zhuǎn)速方面得到最佳匹配。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是其傳動類

68、型，傳動方式，傳動剛度以及傳動可靠性對機電一體化系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。因此，應(yīng)設(shè)計和選擇傳動間隙小，精度高，體積小，重量輕，運動平穩(wěn)，傳遞轉(zhuǎn)矩較大的傳動部件。</p><p>　?。?）傳動機構(gòu)及其性能</p><p>　　傳動機構(gòu)主要是對運動的變換，主要是其形式，行程，方向，速度。動力的變換主要是其大小和方向。</p><p>　　還要克服慣性

69、力（力矩）及摩擦阻力。</p><p>　　表2.2 傳動機構(gòu)及其功能</p><p>　　2.2.3 本設(shè)計選用的單軸驅(qū)動器的參數(shù)</p><p>　　表2.3 單軸驅(qū)動器的選用參數(shù)</p><p>　　2.2.4 LX30系列的精度</p><p><b>　　表2.4 精度基準(zhǔn)</b><

70、;/p><p>　　2.2.5 負(fù)載與力矩</p><p>　　表2.5 容許負(fù)載與靜力矩</p><p>　　2.3 滾軸絲杠的選用</p><p>　　2.3.1 本設(shè)計的選用</p><p>　　根據(jù)表3.1本設(shè)計使用導(dǎo)程是10mm，絲杠直徑是10mm, 絲杠螺母機構(gòu)有滑動摩擦機構(gòu)和滾動摩擦機構(gòu)之分?；瑒咏z杠螺母機

71、構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。滾動絲桿螺母機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~40%），因此在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　本設(shè)計使用絲桿轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動方式。</p><p>　　絲桿轉(zhuǎn)動、螺母移動，該傳動形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置，其特點是結(jié)構(gòu)

72、緊湊、絲桿剛性較好，適用于工作行程較大的場合。</p><p>　　根據(jù)滾珠絲杠的命名方式，本設(shè)計用米思米系列LX30系列單軸驅(qū)動器配套的滾軸絲杠。</p><p>　　本設(shè)計三軸均用導(dǎo)程是10mm,絲杠螺距是10mm的滾珠絲杠。</p><p>　　名稱為GB/T BSSK 10×10×100—P C10右旋。X軸總長度是188mm,有效行程1

73、00mm。Y,Z兩軸總長度都是158mm,有效行程都是50mm。</p><p>　　表2.4 本設(shè)計絲杠螺母基本參數(shù)</p><p>　　2.3.2 滾珠絲杠的工作原理</p><p>　　滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動原件——滾珠，它由絲杠，螺母，滾珠，反向器組成。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋軌道滾動，在螺母的螺旋槽兩端

74、設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的返回通道，從而形成滾珠流動的閉合回路。</p><p>　　2.3.3 滾珠絲杠傳動的優(yōu)點</p><p>　　具有軸向剛度高（通過預(yù)緊可消除絲杠與滾珠之間的軸向間隙），運動平穩(wěn)，傳動精度高，不易磨損，使用壽命長。</p><p>　　但不能自鎖，具有傳動的可逆性，在升降傳動時，需要采取制動措施。</p><p>

75、;　　圖2.1 滾珠絲杠副的工作原理</p><p><b>　　2.4 導(dǎo)軌的選用</b></p><p>　　2.4.1 本設(shè)計的選用</p><p>　　本設(shè)計使用滑動導(dǎo)軌副，用在三個單軸驅(qū)動器的工作臺，還有鋁合金型材與手臂部分的螺釘連接處。</p><p>　　三個單軸驅(qū)動器的工作臺用的是對稱三角形導(dǎo)軌，底部各有

76、兩組φ9.5的沉孔加四個φ5.5的通孔。鋁合金型材與手臂部分的螺釘連接處用的是矩形導(dǎo)軌，用的是與鋁合金型材長度相同的長滑塊，底部用兩組φ5的通孔用十字頭螺釘連接。</p><p>　　2.4.2 導(dǎo)軌的作用</p><p>　　導(dǎo)軌的作用是使運動部件能沿一定的軌跡運動（導(dǎo)向），并承受運動部件及工件的重量和切削力（承載）。在導(dǎo)軌副中，運動的一方叫運動導(dǎo)軌；不運動的一方叫支撐導(dǎo)軌。運動導(dǎo)軌相對

77、于支撐導(dǎo)軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　2.4.3 導(dǎo)軌的設(shè)計要求</p><p><b>　　（1）導(dǎo)向精度高</b></p><p>　　影響導(dǎo)軌精度的主要原因除制造精度外，還有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式，裝配量。導(dǎo)軌及其支撐部件的剛度和熱變形，對靜壓導(dǎo)軌還有油膜的剛度等。</p><p><b&

78、gt;　　（2）耐磨性能好</b></p><p>　　主要是指使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度，應(yīng)該力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。因此可選用合適的耐磨涂料，潤滑方法和保護裝置，使導(dǎo)軌具有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。</p><p><b>　　（3）足夠的剛度</b></p><p>　　導(dǎo)軌受力變形會影響

79、部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠的剛度。</p><p>　?。?）運動輕便和低速平穩(wěn)性</p><p>　　要使導(dǎo)軌的阻力小，運動輕便，低速運行時無爬行現(xiàn)象。</p><p><b>　?。?）結(jié)構(gòu)工藝性好</b></p><p>　　要加工和裝配方便，使用時便于調(diào)整和維修，成本低。</p>

80、<p>　　2.4.4 本設(shè)計的導(dǎo)軌特性</p><p><b>　　（1）三角形導(dǎo)軌</b></p><p>　　該導(dǎo)軌屬于尖頂朝下的V型導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動補償，不會產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度較高。但壓板面仍需要有間隙調(diào)整裝置，本設(shè)計為了增加承載面積，減小壓強，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，采用了較大的頂角（110到120）.因為在兩個方

81、向上分力差不多，所以使用對稱型三角形。</p><p>　　但缺點時垂直誤差相互影響，給制造，檢驗和修理帶來困難。</p><p>　　圖2.2 三角形導(dǎo)軌</p><p><b>　?。?）矩形導(dǎo)軌</b></p><p>　　矩形導(dǎo)軌的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造，檢驗和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，但磨損后不能

82、自動補償，須有調(diào)整間隙的裝置，但一個方向上的調(diào)整不會影響到另一個方向上的位移，因此安裝調(diào)整比較方便，在相同情況下，摩擦阻力與接觸變性都比較小。</p><p><b>　　圖2.3 矩形導(dǎo)軌</b></p><p>　　2.5 步進電機的選用</p><p>　　2.5.1 步進電機的原理</p><p>　　步進電機是

83、一種利用電磁感應(yīng)原理，將電脈沖型號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。</p><p>　　步進電機的運動是由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖型號，通過環(huán)行分配器按一定的順序加到電動機的各個繞組上。為了使電動機能夠輸出足夠的功率，通過環(huán)行分配器產(chǎn)生的脈沖信號還需要進行功率放大。環(huán)行分配器，功率放大器以及

84、其它輔助電路統(tǒng)稱為步進電動機的驅(qū)動電源。</p><p>　　2.5.2 步進電機的特點</p><p>　　主要特點是能實現(xiàn)精確定位、精確位移，且無積累誤差。這是因為步進電機運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于數(shù)量輸入指令脈沖的頻率。</p><p>　　步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定

85、位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。</p><p>　　廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 </p><p>　　2.5.3 步進電機的選用原則</p><p>　　選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負(fù)

86、載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負(fù)載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負(fù)載力矩大。 </p><p>　　選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其

87、精度。精度是由電機的固有特性所決定。 </p><p>　　選擇功率步進電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負(fù)載的負(fù)載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。</p><p>　　2.5.4 本設(shè)計的選用</p><p>　　本設(shè)計選用東方電機PK26系列的2相步進電機，2相PK系列為高轉(zhuǎn)矩

88、3; 低振動型步進電動機。除了每轉(zhuǎn)200分割（1.8?/step）的標(biāo)準(zhǔn)型外，另外還備有每轉(zhuǎn)400分割的高分辨率型以及高轉(zhuǎn)矩、高分辨率的減速機型產(chǎn)品。驅(qū)動本系列時需另購驅(qū)動器。</p><p>　　本系列產(chǎn)品備有高轉(zhuǎn)矩· 高效率型、高轉(zhuǎn)矩型、標(biāo)準(zhǔn)型、標(biāo)準(zhǔn)型保護等級IP65規(guī)格、高分辨率型、SH減速機型等產(chǎn)品種類。</p><p>　　本設(shè)計用T3060型式的高轉(zhuǎn)矩型60mm的步進

89、電機。</p><p>　　圖2.4 本設(shè)計使用的步進電機</p><p>　　表2.5 本設(shè)計選用電機的基本參數(shù)</p><p>　　圖2.5 本設(shè)計電機的運行特性</p><p>　　2.5.5 步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機的工作原理，其實就是電磁鐵的工作原理。如圖2.6所示。有一項繞組通電時

90、，轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小的路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。</p><p>　　圖2.6 步進電機結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　2.5.6 本設(shè)計的步進電機工作原理</p><p>　　根據(jù)步距角的基本公式</p>

91、<p>　　........................ ...........（2.2）</p><p><b>　　Ø——步距角</b></p><p><b>　　m——相數(shù)</b></p><p><b>　　Z——齒數(shù)</b></p><p&g

92、t;<b>　　C——拍數(shù)</b></p><p>　　Ø規(guī)定為1.8度，m為2相，C為1，Z為100齒。</p><p>　　本設(shè)計為小步距角步進電動機如圖2.7所示。它的定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓上均有齒和槽，而且定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。定子上有三對磁極，分別繞有三相繞組，定子極面小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒位置符合下列規(guī)律：</p><p>

93、　　圖2.7 小步距角步進電動機</p><p>　　當(dāng)U相的定子齒和轉(zhuǎn)子齒對齊時，V相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開1/3齒距，而W相的定子齒應(yīng)相對于轉(zhuǎn)子齒順時針方向錯開2/3齒距。就是說，當(dāng)某一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子的齒相對時，下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒的位置剛好錯開ｇ/m，g為齒距，m為相數(shù)；再下一相磁極下定子與轉(zhuǎn)子齒則錯開2ｇ/m。</p><p>　　以此類推，當(dāng)定子繞組按U-V

94、-W順序輪流通電時，轉(zhuǎn)子就順時針方向一步一步的移動，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距。</p><p><b>　　2.6 聯(lián)軸器</b></p><p>　　2.6.1 十字滑塊聯(lián)軸器</p><p>　　十字滑塊聯(lián)軸器由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉(zhuǎn)時兩軸間的相

95、對位移。 </p><p>　　這種聯(lián)軸器零件的材料可用45鋼，工作表面需要進行熱處理，以提高其硬度；要求較低時也可用Q275鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應(yīng)從中間盤的油孔中注油進行潤滑。</p><p>　　因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，故主動軸與從動軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。

96、因此選用時應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。</p><p>　　這種聯(lián)軸器一般用于轉(zhuǎn)速n<250r/min，軸的剛度較大，且無劇烈沖擊處。 </p><p>　　本設(shè)計參考選用十字滑塊聯(lián)軸器，主要因為它具有以下優(yōu)點：</p><p>　　（1）結(jié)構(gòu)簡單的高扭矩剛性、高靈敏度聯(lián)軸器。</p><p>　?。?）主體中間用十字滑塊聯(lián)接，安裝

97、方便，免維護。</p><p><b>　?。?）零回轉(zhuǎn)間隙。</b></p><p>　　（4）主體軸套采用鋁合金,體積輕巧。</p><p>　?。?）安裝方便、免維護、可抗油污抗腐蝕和電氣絕緣。</p><p>　　（6）容許大的徑向和軸向，角向偏差。</p><p>　　（7）吸收較的的傳

98、動扭力。</p><p>　?。?）壽命長,性能安全可靠。</p><p>　?。?）制作工藝:精車件,表面處理:本色陽極氧化處理。</p><p>　　2.6.2 本設(shè)計使用的聯(lián)軸器</p><p>　　本設(shè)計使用米思米系列的SCPW雙膜片型聯(lián)軸器，具體尺寸參數(shù)如表2.6</p><p>　　表2.6 本設(shè)計使用的聯(lián)

99、軸器的基本參數(shù)</p><p>　　基本尺寸如圖2.8所示</p><p>　　圖2.8 SCPW米思米系列聯(lián)軸器</p><p>　　2.6.3 本設(shè)計聯(lián)軸器基本力學(xué)參數(shù)</p><p>　　表2.7 聯(lián)軸器的力學(xué)參數(shù)</p><p>　　2.7 法蘭板和馬達附件</p><p>　　圖2.9

100、 T3060米思米系列法蘭板</p><p>　　法蘭板是打有標(biāo)準(zhǔn)螺釘孔的板，而馬達附件主要用來使電機與驅(qū)動器在安裝過程中保持一定的對中性與裝配精度，以確保電機正常旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.10 附件安裝夾具</p><p>　　2.8 單軸驅(qū)動器LX30傳感器發(fā)迅快</p><p>　　圖2.11 傳感器安裝截面圖</p>

101、;<p>　　圖2.12 傳感器安裝圖</p><p>　　2.8.1 發(fā)迅塊的主要參數(shù)</p><p>　　本設(shè)計主要使用米思米系列的LX30型的接近傳感器，當(dāng)各軸的傳感器在各自的方向上靠近物體時，傳感器發(fā)出信號，使工作臺停止運動。</p><p>　　表2.8 發(fā)迅塊的組成</p><p>　　表2.9 發(fā)迅塊的主要零件&l

102、t;/p><p>　　2.8.2 發(fā)迅塊的工作原理</p><p>　　接近覺傳感器是機器人用來探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的一種傳感器，它探測的距離一般在幾毫米到十幾厘米之間。有時接近覺傳感器與視覺、觸覺等傳感器沒有明顯的區(qū)別。接近覺傳感器結(jié)構(gòu)上分為接觸型和非接觸型兩種，其中非接觸型接近覺傳感器應(yīng)用較廣。目前按照轉(zhuǎn)換原理的不同接近覺傳感器分為電渦流式、光纖式、超聲波式及激光掃

103、描式等。</p><p>　　本設(shè)計用電渦流式?；竟ぷ髟頌閷?dǎo)體在一個不均勻的磁場中運動或處于一個交變磁場中時，其內(nèi)部就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流稱為電渦流，這一現(xiàn)象稱為電渦流現(xiàn)象，利用這一原理可以制作電渦流傳感器。電渦流傳感器通過通有交變電流的線圈向外發(fā)射高頻變化的電磁場，處在磁場周圍的被測導(dǎo)電物就產(chǎn)生了電渦流。由于傳感器的電磁場方向與產(chǎn)生的電渦流方向相反，兩個磁場相互疊加削弱了傳感器的電感和阻抗。用電路把

104、傳感器電感和阻抗的變化傳換成傳換電壓，則能計算出目標(biāo)物與傳感器之間的距離，該距離正比于傳換電壓，但存在一定的線性誤差。對于鋼或鋁等材料的目標(biāo)物，線性度誤差為+0.5%。</p><p>　　使用電渦流式傳感器的優(yōu)點在于外形尺寸小，價格低廉，可靠性高，抗干擾能力強，而且檢測精度也高，能夠檢測到0.02mm的微量位移。但是該傳感器檢測距離短，一般只能測到13mm以內(nèi)，且只能對固態(tài)導(dǎo)體進行檢測，這是其不足之處。<

105、/p><p>　　2.9 手臂部分運動計算</p><p>　　2.9.1 速度的計算</p><p>　　電動機轉(zhuǎn)速n=Øb×f/360×60…………………………………… (2.3)</p><p>　　Øb——步進電機的步距角</p><p>　　f——脈沖頻率（脈沖/秒）<

106、;/p><p>　　n=1.8×200/360×60=60r/min=1r/s</p><p>　　絲杠螺距TSP=S×δ……………………………………………… (2.4)</p><p>　　S=360/ Øb………………………………………………………… (2.5)</p><p><b>　　S

107、——每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)</b></p><p>　　δ——脈沖當(dāng)量（mm） </p><p>　　TSP取10mm δ取0.05mm</p><p>　　S=360/1.8=200脈沖/轉(zhuǎn)</p><p>　　f×n=S………………………………………………………………(2.6)</p><p>　　

108、f×1轉(zhuǎn)/秒=200脈沖/秒</p><p><b>　　f=200脈沖/秒</b></p><p>　　工作臺運動速度V=n×S……………………………………………(2.7)</p><p>　　V=60r/min×10mm=600mm/min=10mm/s</p><p>　　X軸驅(qū)動器有

109、效行程為S1=100mm</p><p>　　其中分為先勻加速S11，再勻速S21，再勻減速S31直到停止</p><p>　　S1=S11+S21+S31………………………………………………………(2.8)</p><p>　　設(shè)S11，S31均為20mm</p><p>　　有勻加速公式V²=2×a×S………

110、…………………………………(2.9)</p><p>　　(10mm/s) ²=2×a×20mm</p><p>　　a=2.5mm/(s²)</p><p>　　加速時間t1=減速時間t3=V/a=10mm/s/ a=2.5mm/(s²)=4s</p><p>　　勻速時間t2= S21/V

111、=60mm/(10mm/s)=6s</p><p>　　運動總時間t=t1+t2+t3=4s+6s+4s=14s</p><p>　　步進電機旋轉(zhuǎn)的角速度? =2×π ×n…………………………(2.10)</p><p>　　?=2×3.14×1r/s=6.28rad/s</p><p>　　步進電機旋