运送铝活塞铸造毛坯机械手设计.doc

学士学位论文
运送铝活塞铸造毛坯机械手设计
摘 要
在机械手的诸多功能中，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工作方式，利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。此次设计机械手的主要任务有：各部分机构的关系概述、技术参数的分析、夹持器的设计、伸缩液压油缸的设计、机械手臂的设计、步进电机的选择、轴承的选取、计算机控制系统的设计、运行安全的要求等。

关键词 机械手；夹持器；步进电机

Transport of Aluminum Piston Casting Blank Design of Mechanical Hand
Abstract
In the many functions of industrial robots, crawling and moving is the most important feature. Technical basis to achieve these two features are compact mechanical design and excellent servo control drive. This design is expanded in this thinking. Industrial robots work to determine the content and design according to the needs, the use of stepper motor drive and bevel gear drive to achieve rotational motion of the robot; utilizes a hydraulic cylinder, the arm moves up and down to achieve; taking into account the design of the robot is not the scope of work, it is driven by a hydraulic cylinder telescopic arm movement to achieve; ends of the gripper is adopted chute leveraged Rotary gripper clamping with a small hydraulic cylinder. The main task of the design of the robot are: the choice between an overview of the various parts of the organization, the technical parameters of the analysis, design holder, telescopic hydraulic cylinder design, robot design, stepper motor, bearing selection, computer control system design, operational safety requirements.

Keywords Dustrial robots；Gripper；Stepper motor

目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国外工业机器人的现状及发展趋势 1
1.2.1 国外工业机器人的现状 1
1.2.2 国外工业机器人的发展趋势 2
1.3 国内工业机器人的现状与发展趋势 3
1.3.1 本研究的目的与意义 4
1.4 课题的提出 4
第2章 机械手的总体设计 5
2.1 机械手的组成及各部分关系概述 5
2.2各部分的主要功能 5
1、执行机构 5
2、驱动系统 6
3、控制系统 6
4、检测系统 6
2.3机械手的设计分析 6
2.3.1设计要求 6
2.3.2总体方案拟定 6
2.3.3机械手主要技术性能参数 6
第3章机械手的系统设计 8
3.1 机械手的运动系统分析 8
3.1.1 机器人的运动概述 8
3.1.2 机器人的运动过程分析 9
3.2机械手的执行机构设计 10
3.2.1末端执行机构设计 10
3.2.2 设计时要注意的问题： 10
3.2.3总体结构设计 11
3.2.4 液压油缸的选择和夹紧力的校验 11
3.2.5 弹性爪的强度校验 13
3.3 手臂机构的设计 14
3.3.1 手臂的设计要求 14
3.3.2伸缩液压油缸的选择 14
3.4 腰部和基座设计 15
3.4.1 结构设计 15
3.4.2 步进电机的选取 15
3.4.3轴承的选取 19
3.4.4齿轮的选取 19
第4章 机械手计算机控制系统概述 21
4.1 机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求 21
4.2 计算机控制系统的设计方案 21
4.3 硬件电路的组成 22
4.4 电路接口说明 23
第5章机械手运行时应采取的安全措施 25
5.1 安全要求 25
5.2 实施方法 25
结论 27
参考文献 28
致谢 30

IV
第1章绪论
1.1 课题背景
第一台Unimate型Robot在美国问世至今已45年了，机器人技术正在以超乎一般人所预料的速度向前发展，对机器人这一概念的理解及定义也在变化。1984年末著名科学家钱学森指出：“所谓机器人，就是指那些具有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的20世纪80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。”这是最有权威和精辟归纳的定义，也为20年来的实践所证实其远见卓识。机器人是人类20世纪的重大发明之一。据国外有关专家预测，21世纪将是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。在非常规和极端制造过程之中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。
1.2 国外工业机器人的现状及发展趋势
1.2.1 国外工业机器人的现状
机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外有关专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到了15%，预计21世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪的日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（2003～2007年），现正在实施中。
机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万余台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会（UCENE）统计，2001年机器人安装量为7.8万台套，年增长率9%。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人的自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。
据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元，经过70年代的应用期和80年代的普及期，1981年产值达到1000亿日元，到1991年提高到6000亿日元，到2000年，其产值已达到10800亿日元，2005年将达到18500亿日元
据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从2002年的68600台套增长到2006年的91100多台套，年平均增长达7.4%。
1.2.2 国外工业机器人的发展趋势
机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科的发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业的发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化 和智能化等方面。
1.3 国内工业机器人的现状与发展趋势
我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作的状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。
在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
在机器人控制装置研制方面：已开发出具有双CPU、多CPU和分级分层控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。
在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机器人和特种机器人，如AGV（自动导引车），壁面爬行机器人，重复定位精度为±O.024mm的装配机器人，可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。
在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生线，装配机器人生产线，喷涂生产线以及焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性价比和市场竞争力。
据统计，“九五”期间，我国工业机器人的需求量以每年30％以上的速度增长。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额达6．7亿元。1986～2000年产品销量如表3所示。据有关专家预测，我国机器人2005年拥有量将增至7600台，年销售额为28.7亿元；2010年拥有量为17300台，年销售额为93.1亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展的趋势，到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来了显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来了巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。预计在2005年左右需求此类自动化生产线达到600条。据初步测算，“十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达800多亿元人民币。
我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。生产规模达到大批量生产的能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、蛇形、无人飞行器以及家用、病人护理、盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界舞台。
1.3.1 本研究的目的与意义
工业机器人是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，工业机器人被广泛的运用于自动生产线中，工业机器人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了工业机器人的发展，使得工业机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。工业机器人虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，工业机器人已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
1.4 课题的提出
在设计工业机器人过程中，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力，将大学四年所需的知识融会贯通。

第2章 机械手的总体设计
2.1 机械手的组成及各部分关系概述
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。其组成及相互关系如图2-1所示：

图2-1机器人各组成及关系图

2.2各部分的主要功能
1、执行机构
执行系统：执行系统是机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。
手部：机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。
机身：机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。
2、驱动系统
驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有：机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
3、控制系统
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。
4、检测系统
检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
2.3机械手的设计分析
2.3.1设计要求
有关数据：设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具2米远处的铝活塞毛坯箱里。
零件尺寸：外孔 ￠101.6，高 106。
零件材料：铝。
2.3.2总体方案拟定
在机械手的诸多功能中，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工作方式，利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。
2.3.3机械手主要技术性能参数
机械手的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：
1、抓取重量：
抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。
2、抓取工件的极限尺寸：
抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。
3、坐标形式和自由度：
说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。
4、运动行程范围：
指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。
5、运动速度：
是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180º/s，一般为50º/s。
6、定位精度和重复定位精度：
定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。
7、编程方式和存储容量。
本设计中的三自由度圆柱坐标型机械手有关技术参数见表2-1。

表2-1 圆柱坐标型机械手有关技术参数
机械手类型
三自由度圆柱坐标型
抓取重量
2.38Kg
自由度
3个（1个回转2个移动）
机座内部
回转运动，回转角0°--180°，步进电机驱动
腰部机构
伸缩运动，升降范围400mm，液压缸驱动
手臂机构
伸缩运动，伸缩范围70mm，液压缸驱动
末端执行器
液压缸驱动

第3章机械手的系统设计
3.1 机械手的运动系统分析
3.1.1 机器人的运动概述
机械手的运动，可从机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。
如图3-1所示，为机械手机构的简图。

图3-1机器人机构简图

1、机械手的运动自由度
所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。
本设计的机械手具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。
2、机器人的工作空间和机械结构类型
（1）工作空间
工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。

图3-2工作空间图

（2）机械结构类型
圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。
3.1.2 机器人的运动过程分析
机械手的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。

图3-3机器人运动过程中的各动作图

表3-1机械手的运动过程中各动作
机器人开机，处于A点
工步一
手臂上升
工步二，工步七，工步十三
旋转至B点
工步三
手臂伸出
工步四, 工步十
手臂下降
工步五，工步十一
夹紧工件
工步六
手臂收缩
工步八，工步十四
旋转至C点
工步九
放松工件
工步十二

实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。
3.2机械手的执行机构设计
3.2.1末端执行机构设计
机械手的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。
3.2.2 设计时要注意的问题：
1、末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。
2、末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。
3、应能保证工件在末端执行机构内准确定位。
4、结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。
3.2.3总体结构设计
采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图3-4。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在两杆4的滑槽中移动，迫使与支架1相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆2向下运动时，手指松开。

图3-4末端执行器
3.2.4 液压油缸的选择和夹紧力的校验
1、初选油缸型号
考虑到所要夹持的是比较小的零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技术参数如表3-2。
表3-2 冶金设备标准液压油技术规格
缸径/mm
活塞杆直径 /mm
油口直径
速度比
通径
/mm
联接螺纹
1.46
2
40
22
28
10
M18x1.5
2、夹紧力校验
(1)零件的计算

其中g取9.8
取G=24（N）
(2) 紧力的计算：
如图3-5滑槽杠杆式回转型夹持器
要夹持住零件必须满足条件：
f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为铝，手指为钢材， f=0.15，N为作用在零件内壁上压紧力，G为零件重力。
所以
取=80（N）
驱动力的计算公式为：

为斜面倾角， ，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动， 这里取 0.85，b=90.8mm,l=154.53mm。
所以

取p=150(N)

图3-5 滑槽杠杆式回转型夹持器
D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,负载与工作压力如表3-3：
表3-3负载与工作压力
负载F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作压力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
取p=0.5MPa，=0.9～0.95
所以

由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N大于夹紧工件所需的推力P=150N。所以该液压缸能够满足要求。
3.2.5 弹性爪的强度校验
当弹性手工作时，由于夹过程具有弹性，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F=80N。
则弹簧爪截面上的剪应力为[τ]=30MPa，
τ=Q/A=
故弹性爪满足强度要求
3.3 手臂机构的设计
3.3.1 手臂的设计要求
1、手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求
2、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。
3、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；提高手臂运动的响应速度。
本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上，结构简单，装拆方便，尾部设置导向杆，以防止活塞杆转动，它的结构如图3-6。

图3-6机械手臂结构图
手臂与末端执行器的联接结构如图3-7所示：
选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。

图3-7连接结构
3.3.2伸缩液压油缸的选择
选液压缸型号为Y-HG1-C50/36×40LF4HL1Q，它的主要技术参数如表3-4。
表3-4 冶金设备标准液压油技术规格
缸径/mm
活塞杆直径 /mm
油口直径
速度比
通径/mm
联接螺纹
1.46
2
50
28
36
10
M18x1.5
3.4 腰部和基座设计
3.4.1 结构设计
通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的液压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动。采用了导向杆导向，确保手臂随机座一起转动。
3.4.2 步进电机的选取
机械手的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，如表3-5以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。

表3-5 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
体 积
当自由度多时，机构复杂，体积液较大
要油减速装置，体积较大
体积较小
体积较大
在输出力相同的条件下体积小
维修使 用
维修使用方便
维修使用方便
维修使用较复杂
维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小
维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火
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

成本
结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造
成本低

成本较高
结构简单，能源方便，成本低

液压元件成本较高，油路也较复杂

由表3-5可知步进电机应用于驱动机械手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。
初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如表3-6：
表3-6电机技术参数
电机型号
相数

步距角

电压

最大静转矩

最高空载启动频 率

运行频率

转子转动惯量

分配方式
质量
90BF001
4
0．9
80
3.92
2000
8000
17.64
四相八拍
4．5

1、传动系统等效转动惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
（1）对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：

（2）手臂转动惯量的折算
工作台是移动部件，其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量可按下式进行计算：

式中，为活塞工作长度（cm）；为工作台质量（kg）。
所以：

（3）系统等效转动惯量计算

2、验算矩频特性
步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：

查得＝0.707
所以

步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：

式中：为空载启动力矩（N•cm）；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N•cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；
有关的各项力矩值计算如下：
（1）加速力矩

式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。

（2）空载摩擦力矩

式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取＝0.8；为活塞工作长度。

3、启动矩频特性校核
步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速 规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。
查表从90BF001矩特性图中，可查得：
纵向：空载启动力矩＝对应的允许启动频率。查表可得步进电机150BF002启动频率,所以所选电机不会丢步。
4、运行矩频特性校核
步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：

式中：为运动部件最大快进速度。算得。
快进力矩的计算公式：

式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。 算得：
。
查表从90BF001运行矩频特性图中，可知：
快进力矩＝对应的允许快进频率；
所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。
综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。
3.4.3轴承的选取
1、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。
2、止推轴承，型号为30204，， 它的有关参数如表3-7：
表3-7轴承参数

轴承代号

基本额定
极限转速 r/min
动载荷 Ca/KN
静载荷 C0a/KN
脂润滑
油润滑
30204，
28.2
30.5
8000
10000
3.4.4齿轮的选取
齿轮的参数如表3-8所示
表3-8齿轮参数
名称
代号
小齿轮
大齿轮
分度圆直径
d
80
152
齿数
z
20
38
大端模数
m
4
节锥角

27.759o
62.241o
锥距
R
85.882
齿宽
b
26
齿距
p
12.56
工作齿高
h’
6.8
齿高
h
7.552
齿顶高

4.528
2.272
齿跟高

3.024
5.28
顶隙
c
0.725
齿跟角

2.017o
3.518o
齿顶角

3.018o
1.515o
顶圆锥角

30.777o
63.756o
跟圆锥角

25.742o
58.723o
齿顶圆直径

88.014
154.116
冠顶距

73.891
37.989
大端分度圆弧齿厚
s
7.583
4.977
法向侧隙

46
齿轮材料为20Cr且经渗碳淬火，接触材料系数：KHC=0.86
弯曲材料系数 KFC=0.97。

第4章 机械手计算机控制系统概述
4.1 机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求
机械手具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对机械手的控制功能大致有如下的基本要求和特点。
1、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能
在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。
（1）点位控制方式（PTP控制） 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。
（2）连续轨迹控制方式（CP控制） 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。
2、存储和示教功能
要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使机械手按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以机械手的动作是通过示教—存储—再现的过程实现的。
3、对外部环境的检测和感觉功能。
4.2 计算机控制系统的设计方案
控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。
第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。
一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。
二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。
4.3 硬件电路的组成
如图4-1是采用MCS-51系列单片机组成控制系统硬件电路原理图。

4-1 机器人控制系统框图
电路的组成如下：
1、主从CPU都采用8031芯片；
2、主从CPU各扩