毕业论文-袋装料码垛机械手设计论文.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 设计的目的和意义
机械手自问世以来，经过了40多年的发展，已广泛应用于各个领域。机械手最早应用于制造工业，常用于喷漆、焊接、搬运和上下料。机械手可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作；代替人完成单调重复和繁重的劳动，不仅减少了人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了生产效率和生产自动化水平。目前机械手主要用于以下几个方面。
(1)恶劣的工作环境和危险的工作
在核工业中，核反应堆内具有较强的放射性，为了人员的安全，经常需要机械手来完成相关的清理工作，另外在压铸、冲压、热处理、锻造、喷漆车间以及有强烈紫外线照射的电弧焊等危险领域的作业中也经常需要用到机械手。
(2)自动化生产领域
目前研制出了搬运机械手、码垛机械手、汽车座椅装配机械手、点胶机械手等各类工业机械手，主要用于生产上实现自动化。如当末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业；当末端安装喷枪时可以进行喷涂作业；当末端安装手钳时，可以给压铸机或成型机进行上下料作业或者用来装配机械零部件。目前我国已经建成的自动生产线有很多，如沈阳水泵厂的环类深井泵轴承体加工自动线、上海动力机厂的箱体类气缸盖加工自动线、大连电机厂的轴类4号和5号电动机轴加工自动线、上海拖拉机齿轮厂的盘类齿坯加工自动线等等[1]。
(3)在特殊作业场合进行极限作业
在一些极地探索、火山探险、空间探索、深海探密等领域经常要用到机器人去探索，目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测任务操作，它的身体结构接近于螃蟹，能够完成指定的指令，也可以用于海洋搜寻及石油天然气的勘测。还有用于国际空间站的机器人，可以对空间站的外表面进行检测。
(4)农业生产
目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，这主要依赖于它的视觉系统，当发现有别于农作物的植物时，它便利用数据库提供的植物的特性与目标植物加以比较，当确定为杂草时，就会用机械手割断杂草，同时还可以喷洒除草剂。
(5)军事应用
在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，给机器人配备军用机枪，利用机器人完成炸弹清除工作。
机械手在控制器的控制下，可以、仿人的手、腕、臂的动作，按照固定的动作流程进行工作。我国绝大多数农民工就业于劳动密集型行业，劳动密集型行业中绝大多数工作是简单的、重复性作业，这些工作没有多少技术，农民工很容易学会，但这些工作对从业者的体力反应灵敏度或操作精确度有比较高的要求，因此，青年农民工从事这些工作时劳动生产率比较高，但是非技术农民工进入中年后，体力、反应灵敏度和操作精确度下降，劳动生产率逐年降低。因此使用机械手，不但降低了人的体力劳动，减少人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了工作效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，为企业带来更大的经济效益，更有利于企业的发展。尤其是在高温、高压、重载、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的危险环境中应用更为普遍。
1.2 机械手国内外研究现状
工业机械手起源于20世纪50年代，最初是用来示教再现，这类机械手没有任何的传感器，它的工作路径和运动参数都是操作人员通过编程来设定的。后来出现了感觉型机械手，这类机械手配备了简单的内、外部传感器，具有部分适应外部环境的能力，可以感知部分物理量并进行反馈。再后来出现了智能型机械手，这类机械手可以对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的决策，可以自主的完成某一项任务，至今仍处于研究和发展阶段。目前，机械手在技术水平上优势集中于日美等几个发达的工业化国家。
1958年，创建世界上第一个机器人公司的Joseph F.Engel Berger 被誉为“工业机器人之父”，他参与设计了第一台机器人-Unimate机器人，后来AMF公司研制的Versatran机器人也相继问世，它主要用于机器之间的物料运输，20世纪60年代，美国斯坦福研究所研制了机器人Shakey。1986年，美国研制出了第一台拟人型两足步行机器人SD-2，8个自由度，可以静态行走，1987年，Pacific Northwest实验室研制出38个自由度的液压驱动拟人机器人[2]。随后，在美国的工业生产中，工业机械手得到了大力发展和广泛应用，
日本机器人的发展经历了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化时期以及80年代的普及期三个时期。1967年，日本东京机械贸易公司从美国AMF公司引进了Versatran机器人，后来日本川崎重工业公司从美国引进了Unimation机器人，1980年被日本人称为“日本的机器人元年”，在这一年，日本的机器人技术得到了极大的成功和普及。1997年，日本本田公司研制出了世界上第一台类人型步行机器人样机，2002年，该公司又研制出Asimo机器人。现在，日本拥有的工业机器人数量约占世界总数量的65%。
我国的工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了三个时期：70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。1990年，国防科技大学研制出了我国第一台类人型机器人，命名为：先行者。1989年，我国成功的将自主研发的水下机器人出口到美国。1990年，我国又成功研制出了深潜6000米的水下机器人，同年我国自主开发的机器人关键技术—AGV 技术出口韩国[3]。近几年，我国实施了“863”计划，培养了一大批机器人方面的专业技术人员，我国又斥资5800万元在沈阳建立机器人“机器人技术国家工程研究中心”和“智能机器人中心”，这充分说明了我国对工业机器人的重视。目前我国建立了多条工业机械手生产线，包括：弧焊机械手生产线、装配机械手生产线、喷涂生产线和焊装生产线等，我国的机械手技术取得了许多前所未有的成果。但是尽管如此，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，因此，我国应该加快工业化进程，提高关键技术，培养更多的专业化人才。
1.3 设计的内容
本课题旨在设计一种袋装料码垛机械手，该机械手抓取的物料为袋装物料，尺寸为，袋装物料重量小于5Kg，机械手工作范围为：工作半径1.0m。其工作过程如下：通电后，机械手先行复位，然后机械手臂下降至物品处，手部抓住物品，机械手臂上升将物品拿起，然后机身旋转至一定角度，机械手臂旋转到指定位置，手臂下降，手腕旋转至物料正确位置，然后手部张开将物品放下，机械手臂上升，复位。至此，一个工作周期结束。但是还要将物品堆垛起来，就要求放置物品时要按照一定的规律放到相应的筐内。设计时需要设计出机械手的手部、腕部和臂部等，使其能够完成相应的功能，画出机械手的装配图和部分零件图，通过分析袋装料码垛机械手系统的工作过程，选择运动控制器，设计出其控制系统。

1.3.1 机械手的技术参数

表1.1 机械手技术参数表
结构形式
平面关节式
自由度数
4
负载能力（Kg）
5
末端重复精度（mm）
±0.1
最大展开半径（mm）
1000
高度（mm）
973
本体重量（Kg）
<45
供电电源
单相220V、50Hz
运动精度（脉冲当量/转）
关节1
1000000
关节2
99000
关节3
2983
关节4
800000
每轴最大运动速度(rad/s)
关节1
1.57
关节2
3.14
关节3
3.14
关节4
3.14
每轴最大运动范围（°）
关节1
±120
关节2
±130
关节4
0~360

安装要求
安装方式
水平安装

安装环境
温度（°C）：0~45
湿度（%RH）：20~80
震动（G）：<0.5
避免接触易燃腐蚀性液体或气体，远离电器噪声源

2 总体方案设计
2.1 功能与性能要求分析
本次设计的机械手的功能是将袋装物料从流水线上依次搬运到相应的筐内，并进行堆垛。这就要求机械手具有灵活的运动关节和准确的定位，手部要抓住物料，臂部要能移动到指定位置并具有升降功能，当手部到达指定位置时，很可能袋装物料并未处于正确的位置，就需要手腕具有旋转功能，将物料旋转到正确位置然后放入相应的筐内。
袋装物料的尺寸为，重量小于5Kg，因此设计手部时就需要考虑手部的大小和驱动力的大小。机械手工作范围为：工作半径1.0m，因此设计时就需要考虑整体的工作半径。为了防止机械手运动的距离太远或者太近，需要在机械手的各个轴上加磁性开关，当完成一次任务时，机械手回到初始位置。设计时还要求将物料堆垛起来，因此放置物料时要按照一定的规律放到相应的筐内，每次机身旋转的角度是不一样的。手臂旋转的距离也是不一样的。二者必须协调工作将物料放到指定位置。
为了实现人机交互、运动控制和轨迹规划，机械手需要具有控制系统，要实现检测各关节的转动量、移动量和位置信息，就需要在机械本体上安装位置检测装置，它将这些信息反馈给控制系统，执行机构在控制系统的控制下，通过驱动系统驱动机械手各个关节的运动，实现指定动作。
综上分析，该袋装料码垛机械手组成框图如图2.1所示：

控制系统
驱动系统
执行机构
位置检测装置
工件
图2.1 机械手组成框图

2.2 设计方案比较、分析与确定
2.2.1 机械手基本形式的选择
为了满足设计的要求，本次设计的机械手需要四个自由度，即：手腕的旋转；小臂的升降；小臂的旋转和大臂的旋转。因此需要三个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，初选机械手的基本形式为平面关节型机械手。比较如下：
（1）直角坐标型机械手。这种机械手具有三个移动关节，在X、Y、Z轴上的运动是独立的，它的优点是定位精度高、轨迹求解容易、控制起来比较简单，但是它的操作范围比较小，占地面积比较大，运动速度比较低[4]。
（2）圆柱坐标型机械手。这种机械手有两个滑动关节和一个旋转关节组成，可以旋转一定的角度，它所占的空间尺寸较小，手部可获得较高的速度，但是手部外伸离中心轴越远，其切向线位移分辨精度越低。
（3）球坐标型机械手。这种机械手有一个滑动关节和两个旋转关节组成，优点是结构紧凑，所占空间尺寸小。但是它的坐标比较复杂，难以控制。
（4）关节坐标型机械手。这种机械手的关节都是旋转的，具有结构紧凑、所占空间体积小、工作空间大等特点。
（5）平面关节型机械手。这种机械手是关节坐标型机械手的特例，具有两个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，关节轴线共面。
通过特点比较可知：平面关节型机械手具有两个并联的旋转关节和一个做垂直运动的滑动关节，并且所占的空间体积小，结构紧凑，符合设计的要求，在此基础上增加腕部的旋转关节即可，因此选用平面关节型机械手。
2.2.2 驱动机构的选择
要使机械手完成相应的动作，必须有驱动机构，在驱动机构的驱动下，机械手才会具有动力，从而完成一系列的动作。机械手需要实现码垛功能，对位置的精确度要求较高，因此就要求驱动机构具有很大的精确性。又由于袋装物料重量小于5Kg，因此应该选用适用于中等负载机械手的驱动机构。设计时同时要考虑减小机械手的体积，减轻驱动装置的重量，初选电动驱动系统，比较如下：
（1）液压驱动系统。这类驱动系统具有动力大、快速响应高、可以直接驱动的特点。液压技术是一种比较成熟的技术，通过流量控制，可以改变运动速度，通过换向控制，可以改变运动方向。通过压力控制，可以实现无级控制。主要适用于惯量大、承载能力大的工业机械手中。
（2）气动驱动系统。这类驱动系统具有结构简单、速度快、体积小、价格低、维修方便等特点。对使用环境无特殊要求，通过向缸体内供给压缩空气使活塞做往复运动将动力传出，在上下料和冲压机械手中应用较多，适用于轻负载的工业机械手中。
（3）电动驱动系统。这类驱动系统具有电源方便、驱动力大、控制方式灵活、精确度高、响应快、信号检测与传递方便等特点，主要适用于中等负载的工业机械手中。
通过比较可知，电动驱动系统的精确度高，可以准确的达到机械手所需的位置，并且适用于中等负载的机械手，因此选用电动驱动系统。
所设计的机械手尽量要求电路简单，容易实现计算机控制，性价比较高，初选步进电动机作为驱动电机。比较如下：
（1）步进电动机。步进电机不需要反馈控制，容易用计算机控制，电路简单，维护比较方便，停止时能保持转矩，精确度高，但是它的工作效率比较低，容易引起失步。
（2）直流伺服电动机。直流伺服电动机使用简单，体积小，质量轻，启动转矩大，具有优良控制特性，只需要把直流电机的端子接到直流电源上就可以使其正常运转。但是它的寿命比较短，噪声比较大。
（3）交流伺服电动机。交流伺服电动机响应速度快，质量轻，惯性小，可以实现免维护。
通过比较分析，步进电动机容易用计算机控制，并且性价比较高，可以满足所需性能，因此选用步进电动机。

3 机械部分的设计
3.1 机械部分的组成和作用
机械手要实现所需功能，必须具有四个自由度，按照设计的要求，机械部分由手部、腕部、大臂、小臂和基座组成，如图3.1所示，各部分作用如下：
（1） 手部。机械手的手部又称为末端操作器或手爪，是用来抓取、握紧、吸附物体的部件，安装于机械手手臂的前端，是重要的执行机构。
（2）腕部。机械手腕部位于手部和臂部之间，具有独立的自由度，它可以使机械手变得更灵巧，主要作用是改变物料的空间方向，使物料旋转至正确位置。
（3）大臂。大臂要实现的功能就是改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，将物料旋转到指定位置。
（4）小臂。小臂的作用就是使物料具有升降动作，并且协助大臂将物料旋转至指定位置。
（5）基座。基座主要起固定作用，将基座固定到工作台上，使机械手更加稳定。

腕部
小臂
大臂
手部
基座

图3.1机械手机械部分组成

3.2 机械手手部的设计
本设计机械手的手部抓取的物料为袋装物料，袋装物料容易被抓破，而且物料比较软，抓取的时候不稳定，容易发生变形，因此设计手部结构时就需要避免上述现象的发生，初选吸附式取料手，分析如下：
（1）夹钳式取料手。它一般有手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组
成，通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持，主要用于夹持轴、盘、套类零件。
（2）吸附式取料手。它靠吸附力取料，利用吸盘内的压力和大气压力之间的压
力差来吸附物体，具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点。分为气吸附和磁吸附两种，主要用于大平面、易碎、易破、微小不易抓取的物体。
（3）专用操作器及转换器。为机械手配备专用的操作器就可以使其完成各种不同的工作，如给机械手安装拧螺母机，就可以使其成为一台装配机械手，如给机械手安装焊枪就可以使其成为一台焊接机械手，目前末端操作器有拧螺母机、焊枪、抛光头、电磨头、电铣头、激光切割机等，可以使机械手完成各种工作。
（4）仿生多指灵巧手。对形状复杂、不同材质的物体。无法用普通的取料手进行抓取，就需要有一个运动灵活、动作多样的灵活手。它有多个手指，可以模仿人手完成各种复杂的动作。
通过分析比较发现，吸附式取料手吸附物料时，物料不容易破碎，不会发生变形，由于物料没有磁性，不能使用磁吸附，因此选用气流负压式取料手。
气流负压式取料手利用了流体力学的原理，当需要抓取物体时，压缩空气就会高速流经喷嘴，使其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，从而使腔内的气体被高速气流带走而形成了负压，以此完成取物动作，当物料到达目的地时，就切断压缩空气，使物料释放。这种取料手的特点是：（1）适用于表面相当平整和光滑的材料，但材料性质不受限制[5]。（2）容易实现自动控制，成本比较低。（3）结构简单，但是要求吸引边缘和工件表面不能有碎屑堆积，否则就吸不起来。（4）使用寿命比较短。（5）由于管子和阀门容量有限，达到所需要的绝对压力应有一段等待时间。
原理图如图3.2所示：

图3.2 气流负压原理图

根据流体力学的原理，当气体在稳定的状态下流动时，单位时间内气体流经喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。所以，流速高、压强低的截面的喷嘴应当具有小面积，而流速低、压强高的截面的喷嘴应当具有大面积。按照图3.2所示，压缩空气经喷嘴进入A后，喷嘴开始由大到小逐渐收缩，气体流动面积逐渐降低，这时气流的速度就会越来越大，当喷嘴截面沿气流流动方向收缩到临界面积L处时，流速就会达到临界速度，称为音速。这时候的压力近似为喷嘴处压力的一半。为了使喷嘴出口处的压力低于L处的压力，就要在临界以后加一段渐扩段，使喷嘴出口处获得的流速比音速还要大，称为超音速，并在该处建立低压区域，这样C处的气体就会被高速气流不断地带走，使其腔内的压力下降而形成负压，在C处连接橡胶吸盘，就可以吸住物料了。
为了使喷嘴能够更有效的工作，喷嘴口和喷嘴套之间需要有适当的间隙，用于带走被抽气体，如果间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体会越来越多，就会大大降低抽气速率，如果间隙过小，被抽气体和喷射气流就会与套壁发生摩擦，从而使其速度降低而影响抽气速率。所以，就要调节好喷嘴与喷嘴套之间的间隙。
3.2.1 设计计算
吸盘吸力的计算公式为：
(3.1)
式中：—吸盘的吸力，本设计的机械手的吸盘吸力为50N，所以取P=50N；
—吸盘数量，取为1；
—吸盘直径；
—吸盘吸附工件起动时的安全系数，在此取=1.5；
—方位系数，本橡胶吸盘为垂直吸附，在此，取=1.5。
—工件情况系数。吸盘在运动过程中会由于加速运动而产生惯性力影响，因此，根据工作条件的不同，一般在1-3的范围内选取工件情况系数。在此，取=2；
代入数据得：

3.2.2 设计结果
机械手手部选用气流负压式取料手，考虑到摩擦力作用，吸盘的直径选为100mm。
3.3 机械手腕部的设计
机械手腕部需要具有回转功能，使手部可以旋转，由于腕部连同手部的静、动载荷都由臂部承担，因此设计时要求结构紧凑、重量轻，除此之外，还应该合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。用步进电动机的转动来带动腕部转动，可以实现腕部的回转功能。
3.3.1 设计计算
（1）步进电动机的选择
1)物体的转动惯量
（3.2）
2) 联轴器的转动惯量
查表可得联轴器的转动惯量为
3）折算到电机轴上的总惯量
（3.3）
4)快速空载起动力矩
(3.4）
加速力矩：
（3.5）
式中：—加速时间，取；
—折算到电机轴上的总惯量，约为
代入数据得：

折算到电机轴上的摩擦力矩：
（3.6）
式中：，为摩擦系数取0.18：
—长度，取0.005m；
—总效率，取=0.8；
—齿轮降速比，无齿轮降速，=1。
代入数据得：

附加摩擦力矩：
（3.7）
式中：—预加载荷；
—传动效率取0.9。
代入数据得：

所以快速空载起动力矩：

通过以上计算得出电机的最大转矩应大于0.476。
3.3.2 设计结果
机械手腕部采用步进电动机的转动来实现腕部的旋转功能，步进电动机型号为20BY001。
3.4 机械手大臂的设计
机械手的大臂需要实现旋转功能，大臂带动小臂、腕部、手部整体旋转，因此大臂的承载能力比较大，设计大臂时，要选用刚度较好的材料以提高刚度，并且自重要轻，承载能力要大，在此选用步进电机驱动，轴的转动来实现大臂的旋转功能，轴的结构主要取决于以下因素：轴上零件的类型、数量、尺寸以及和轴的连接方法；轴在机器中的安装位置及形式；轴的加工工艺；轴所受到的载荷大小、方向、性质及分布情况等。轴的结构应满足下列要求：轴上的零件应便于装拆和调整；轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴应该具有良好的制造工艺性等。步进电动机通过平键与轴连接。轴上安装滚动轴承，滚动轴承具有功率消耗少，起动容易，摩擦阻力小等优点。初选圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，以径向载荷为主。能在较高转速下正常工作。外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙[6]，因此可以满足设计要求。
3.4.1 设计计算
（1）步进电动机的选择
大臂旋转的步进电动机的设计计算类比于腕部步进电动机的设计计算方法。 （2）轴的设计与校核
估算轴的长度为478mm。各轴段的长度根据轴肩的定位关系以及轴承的设计来确定。
1）确定轴的最小直径[7]
(3.8)
式中：，初选轴的材料为45钢，查表得45钢的许用扭转切应力 ；
—轴传递的功率，取；
—轴的转速，取
代入数据得：

根据最小轴径关系取最小轴径为48mm。
2)校核轴的强度
轴的应力为：
（3.9）
式中：—轴的计算应力（）；
—轴所受的弯矩（）；
—轴所受的扭矩（），其中
—轴的抗弯截面系数（），其中
—折合系数，取。
代入数据得：
（3.10）
根据条件，选定轴的材料为45钢，调质处理，由表查得=60。因此<，故安全。
（3）键的选择与校核
1）键的选择
键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面，键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的主要尺寸为其截面尺寸和长度，查表选择平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为40mm，键的长度选为20mm。
2）键的校核
假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为：
（3.11）
式中：—传递的扭矩；
—键与轮毂键槽的接触高度，，此处为键的高度；
—键的工作长度；
—轴的直径。
—键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力。
代入数据得：

经查表，许用挤压应力为120~150MPa。所以，满足要求。
3.4.2 设计结果
选用步进电机驱动，轴的转动来实现大臂的旋转功能，步进电动机的型号为20BY001，轴的长度为478mm，最小轴径为48mm，选用圆锥滚子轴承，平键截面，键的长度选为20mm。
3.5 机械手小臂的设计
机械手小臂要实现的功能是带动腕部和手部实现升降运动，同时要配合大臂实现旋转运动。升降关节要求传动效率高，传动精度高，选择步进电动机转动带动带轮转动，带轮带动同步齿形带转动，同步齿形带带动滚珠丝杠螺母副转动，来实现丝杠的升降，从而实现手部的升降运动，同步齿形带具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动，同步齿形带传动的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格的传动比，它对中心距及其尺寸稳定性要求较高[8]。滚珠丝杠具有传动摩擦力矩小、传动效率高、刚性好、工作寿命长、结构紧凑、传动精度高等特点，滚动导轨副精度高，润滑方便，摩擦系数小，使用寿命长。通过分析发现，采用步进电机驱动，滚珠丝杠的传动来实现腕部和手部的升降运动，可以满足设计要求。
3.5.1 设计计算
（1）滚珠丝杠螺母副的计算和选型
1) 计算进给牵引力，选择圆导轨。
（3.12）
式中：—切削力；
—滚动导轨摩擦系数，在此取0.004；
—主轴上的扭矩；
—主轴直径。
代入数据得：

2）计算最大动载荷
（3.13）
式中：—工作寿命，以106转为一单位，，—丝杠转速，
，T为使用寿命，在此取T=15000h，则
；
—运转系数，在此取1.2；
代入数据得：

3）滚珠丝杠螺母副的选型
查阅表，可采用W1L2004外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为610N，精度等级选为3级。
4）传动效率计算：
（3.14）
式中：—丝杠螺旋长升角，查表知为；

—摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。
代入数据得：

5）稳定性校核：
滚珠丝杠两端圆锥滚子轴承，既可以承受轴向力，又可以承受径向力，不会产生失稳现象，不需要做稳定性校核。
（2）步进电动机的选择
1）滚珠丝杠的转动惯量
（3.15）
式中：—长度（m），取为0.3m；
—直径（m），取为0.02m。
代入数据得：

2)运动部件向滚珠丝杠折算的惯量
(3.16)
式中：—质量（kg），运动部件的质量取40kg；
—丝杠螺距（m），取0.005m。
代入数据得：

3）折算到电机轴上的总惯量
（3.17）
4）快速空载起动力矩
（3.18）
加速力矩：
（3.19）

式中：—加速时间，取；
—折算到电机轴上的总惯量，约为
代入数据得：

折算到电机轴上的摩擦力矩：
（3.20）
式中：，为摩擦系数取0.18：
—长度，取0.005m；
—总效率，取=0.8；
—齿轮降速比，无齿轮降速，=1。
代入数据得：

附加摩擦力矩：
（3.21）
式中：—预加载荷；
—传动效率取0.955。
代入数据得：

所以快速空载起动力矩：

5）快速移动时所需力矩
（3.22）
6）最大切削负载时所需力矩
（3.23）
上面计算可以看出，、、三种情况下，力矩最大，以此作为电动机选择的依据。
（3）同步齿形带的选择
1)确定同步齿形带的功率
（3.24）
式中：—考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数，在此取=1.4；
—考虑增速的修正系数，在此取=0；
—考虑张紧带轮的修正系数，在此取=0。
代入数据得：
(W)
2)选择带型
初选带型为L型。
同步带传动速度为
（3.25）
带轮满足要求。
3)确定传动中心距
初选中心距。
计算带所需的基准长度
（3.26）
（3.27）
代入数据得：

圆整为361.95mm,则选择长度代号为143的同步齿形带。L型，齿数为38
计算实际中心距

= （3.28）
（4）轴的设计与校核
类似于大臂轴的设计与校核，根据最小轴径关系取最小轴径为48mm，轴的长度为432mm，选定轴的材料为45钢，调质处理。
（5）键的选择与校核
类似于大臂键的设计与校核，平键截面，键的长度选为20mm。
3.5.2 设计结果
选用步进电机驱动，轴的转动来实现小臂的旋转功能，步进电动机的型号为20BY001，轴的长度为432mm，最小轴径为48mm，选用圆锥滚子轴承，平键截面，键的长度选为20mm，设计同步齿形带中心距为380mm。

4 控制系统硬件设计
4.1 控制系统功能和要求分析
控制系统的机能类似于人的大脑，它负责指挥机械手各个部分的协调动作，如吸盘的吸附，手腕的回转，手臂的升降和回转，以及各个动作的速度、时间等，在控制系统的指挥下，每一个运动部件就会按照预先编好的程序完成各自的动作。控制系统的作用就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照规定的运动参数和预期的运动轨迹进行运动[9]。
机械手的控制系统要求控制速度快，控制精度高，运动轨迹控制准确，能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算。在控制步进电动机时，控制方式为开环控制，因此不需要编码器。
4.2 控制系统的组成
控制系统需要有指挥机构，它可以是控制计算机，也可以用可编程控制器等，它主要用来处理各种感觉信息，执行控制软件，产生控制指令。机械手需要实现记忆存储，就需要存储器，包括硬盘存储器、软盘存储器和存储机械手工作程序的外部存储器。为了更好的柔顺控制机械手，自动检测控制信息，需要有传感装置，要输入或输出各种状态和控制命令，需要有数字和模拟量输入输出。机械手各个关节要运动，需要有关节驱动部分[10]。控制系统的组成如图4.1所示：

控

制

装

置
传感装置
存储器
数字和模拟量输入输出
小臂升降驱动器
腕部回转驱动器
大臂回转驱动器
小臂回转驱动器

图4.1 机械手控制系统基本组成

4.3 各组成部分的设计
4.3.1 选型理由
（1）控制装置的选择
控制系统的控制方式为开环控制，控制装置要求控制精度高，可以实现插补运算，运动轨迹控制准确。初选PC机加插卡式运动控制器，比较如下：
1）以单片机为核心的运动控制器。这类运动控制器成本相对较低，具有体积小、功耗低、使用灵活、性能好、易于产品化等优点，但是它的速度较慢，精度不高。应用于只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合[11]。
2）基于PLC的可编程序控制器。这类控制器设备体积小巧，维护方便，编程简单，具有很高的工作可靠性和抗干扰能力，使用方便，但是它的控制点数比较小，多用于单机控制。
3）以专用芯片(ASIC)作为处理器的运动控制器。这类运动控制器工作于开环控制方式，结构比较简单，但这类运动控制器不能满足于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备。
4）基于PC总线的以DSP和FPGA作为处理器的开放式运动控制器。这类控制器具有开放程度高、信息处理能力强、通用性好、运动轨迹控制准确等特点。可以提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划，可以实现实时的插补运算。运动控制器以插卡形式嵌入PC机中，形成“PC+运动控制器”的模式。
经过分析比较，PC机加插卡式运动控制器可以满足要求，故可行。
1999年固高科技(深圳)有限公司在深圳成立，他是我国第一家专业开发、生产插卡式运动控制器产品的公司，其综合性能已经达到了国际一流水平。固高运动控制器是在以高速数字信号处理器DSP为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件FPGA的基础上发展而来的，基于PC的开放式运动控制器已成为当今自动化领域功能最强、应用最广的运动控制器[12]。因此选用固高科技有限公司的插卡式运动控制器，初选GE系列多轴连续轨迹运动控制器，GE系列连续轨迹运动控制器基于计算机PCI总线，可控制2~4个伺服/步进电动机。其具有多轴直线插补，圆弧插补，螺旋线插补等功能。带缓冲区的速度前瞻及小线段预处理功能等特别适用于高速、高精度运动控制要求的场合，初选运动控制器的型号为GE—300—SV—PCI，端子板型号为GC2—X00—ACC2—G，控制的轴数为X=4，控制电机为步进电动机，控制方式为开环，输出方式为模拟量输出，反馈输入为4轴编码器输入。此型号可以满足性能要求，故可行。
（2）传感装置的选择
机械手的传感装置要求精度高、重复性能好、可靠性高、抗干扰能力强、安装方便可靠。机械手的手部接触到物料时，需要用到触觉传感器，为了避免运动幅度过大，并且需要位置控制，就要用到位移传感器。
（3）步进电机驱动器的选择
步进电机需要用到伺服驱动器，驱动器要求平稳性能好，可以驱动步进电动机，初选YKA2404MA型号的步进电机驱动器，该驱动器体积小巧、低噪音、平稳性极好、 性能高、价格低、运转平滑、分辨率高，采用独特的控制电路，有效的降低了噪音，增加了转动平稳性，双极恒流斩波方式，使得相同的电机可以输出更大的速度和功率。 该驱动器可以驱动任何4.0A相电流以下的步进电动机，可以实现过热保护和过流、电压过低保护。综上所述，该步进电机驱动器可以满足性能要求。
4.3.2 设计结果
控制装置选择PC机加插卡式运动控制器，运动控制器的型号为GE—300—SV—PCI，传感器选择触觉传感器和位移传感器，步进电机驱动器的型号为YKA2404MA。
机械手硬件系统结构图如图4.2所示：
端 子 板
计算机
运动控制器
驱 动 器 + 电 动 机

图4.2 硬件系统结构图

4.4 总体硬件电路
通过分析机械手的硬件系统结构图，画出总体硬件电路，如图4.3所示：

图4.3 总体硬件电路图

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