基于步进电机的四自由度机械手设计与控制【单片机】【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985摘 要机械手是在工业生产中得到广泛的使用，经常被用来对工件进行水平、垂直地移位，是现在自动化生产中不可缺少的设备。特别是在自动化程度高的工厂，不但提高了整体生产的精度，也大大提高了机械生产的效率，对现代化机械发展是有很大意义的。本文所阐述的机械手共有 4 个自由度，分别是夹紧工件、机械手腕的旋转、手臂的伸出与缩回、机身的旋转和升降，基本满足了工业生产线上传递工件并进行定位的需要，它的控制系统采用单片机进行控制，得益于单片机成熟的应用技术、低廉的价格，以及稳定的开发平台，工作人员可以很直观地通过按钮进行操作。关键词：机械手，单片机，步进电机买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985ABSTRACTManipulator in industrial production is widely used in the movement of the work piece along the horizontal, vertical direction.It is now indispensable to the automated production equipment. The manipulator not only improves the accuracy of the overall production,but also greatly improves the efficiency of the machinery,especially in highly automated factories.Manipulators application is beneficial to the development of modern machinery.Manipulator described in this paper has four degrees of freedom for fixing the work piece, rotaing the mechanical wrist, extending and retracting the arm, as well as rotating and lifting the body. Thus, the needs of the transmission and locating of the work piece in the product line are basicly satisfied line to meet the industrial need to orient the work piece. Its control system adopts the microcomputer control. In terms of the application of SCM mature technology, low price, and a stable development platform, the manipulator can be operated very intuitively through pushing buttons.Key words: manipulator, SCM, stepping motor买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985目 录1 绪论 .11.1 课题的意义 .11.2 国内外研究现状与发展趋势 .11.3 本论文主要任务 .32 机械手的总体设计 .52.1 机械手的组成 .52.2 机械手设计参数 .52.3 机械手坐标系 .62.4 机械手控制系统 .62.5 小结 .63 机械手手部结构设计 .73.1 手部机构 .73.2 手部结构设计及计算 .83.3 主要尺寸的确定 .93.4 气缸结构设计 .143.5 步进电机的计算与选型.143.6 步进电机性能校核 .163.7 小结 .164 机械手手臂机构的设计 .174.1 机械手手臂的结构 .174.2 机械手手臂电机的计算与选型 .174.3 小结 .235 机械手腰部和基座结构设计 .245.1 机械手腰部和基座的结构 .245.2 机械手腰部的步进电机的计算与选型 .245.3 步进电动机的性能校核.265.4 机械手底座的步进电机的计算与选型 .275.5 步进电动机的性能校核.295.6 小结 .306 机械手控制系统设计 .316.1 驱动器.31买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709856.2 接线图.376.3 步进电机原理 .376.4 单片机的选用 .396.5 控制原理图 .396.6 机械手控制程序流程图.406.7 小结 .437 结论 .44参考文献 .45致谢 .46买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709851 绪论1.1 课题的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用 1。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（1）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或部分代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产 2。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.2.1 国内外研究现状机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓取，放下机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709851962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。目前，机械手常用于完成的工作有:注塑工业中用于从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序; 机械加工行业中用于取料、送料 ; 浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象，针对本文作者参与的工业取料用直角坐标机械手控制系统软、硬件进行了介绍和分析。目前市场上常见的工业取料直角坐标机械手主运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制策略的优点在于结构简单，系统易于控制。但缺点是系统定位靠设定接近开关的位置来实现，定位精度低，而一旦用户要求改变取料工作类型，必须买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985重新调节各液压或气压缸的定位开关，以适应新的工作任务，不利于生产过程的自动化。国内机械手工业，铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。1.2.2 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作业。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光觉测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态 3。1.3 本论文主要任务本论文主要完成的任务如下：买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985（1）介绍了机械手的背景和意义；（2）介绍了机械手的总体框架；（3）详细描述了机械手的总体研究方案；（4）基于单片机完成了对机械手硬件部分的设计与完成。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709852 机械手的总体设计2.1 机械手的组成机械 手机械系统控制系统执行机构手臂机构腰部机构驱动机构步进电机驱动单片机控制图 2-1 机械手的组成它主要由机械系统(执行机构、驱动机构)、控制系统组成。执行机构：执行机构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、手臂、机身等。（1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2） 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。（3）手臂：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。A. 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。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。B. 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 4-5。2.2 机械手设计参数机械手（重复）定位精度：±0.5mm；机械手最大抓重：1kg；工件尺寸：直径约 23cm，圆柱形，材料是铁质；支座旋转角度为：90 度（最大速度：90 度每秒） ；物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度：30 度（最大转度：30 度每秒） ；手部机构买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985手臂上下移动距离为：20cm（最大速度 10cm/s） ；手臂前后移动距离为：20cm（最大速度 10cm/s） ；手指开合角度为：60 度（最大速度 60 度每秒） ，手爪旋转角度为 360 度。2.3 机械手坐标系本课题的机械手的坐标系采用极坐标系设计 5。图 2-2 机械手坐标系2.4 机械手控制系统本课题采用单片机控制器对机械手进行控制，根据机械手的工作流程编制出单片机程序，预定工作流程如图 2-3 所示。归零 物料盘转一个工步手臂伸出 手臂向下手指夹紧手臂向上支座顺时针转手臂向下手指松开手臂向上图 2-3 机械手循环动作流程图2.5 小结本章节对机械手进行了总体介绍，对机械手的总体方案进行了详细介绍。对各个自由度的动作和实现作了详细的说明，根据设计综合参数确定设计方案，介绍了基于极坐标机械手的特点和原理。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709853 机械手手部结构设计3.1 手部机构本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构 4。其机构由图 3-1 所示。图 3-1 机械手手部3.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件 5。3.1.2 设计时考虑的几个问题（1）具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985（2）手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。（3） 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。（4） 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。（5） 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型。3.2 手部结构设计及计算本课题气动机械手的手部结构设计，如图 3-1 所示：手部驱动力的计算：其工件重量 G=1 公斤，V 形手指的角度 ， ，摩擦1203m12.5bR系数为 。25.0f（1）根据手爪类别,计算夹紧力。图 3-2 手爪如图 3-2 所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得：(3-1)()sin()2GmgaFSN买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985式中： -工件质量， ；mkg-重力加速度， ；g2/s-动态运动时产生的加速度， ；a2/sm-安全系数；S-V 型手爪张开的角度， ；-气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手爪与工件材料都采用 45 钢，查表得0.25所以： )(sin2)(NSagmFG= 5.08.915.26iN43（2） 根据手部结构的传动示意图 3-1，其驱动力为:(3-2)RbF2所以： N)(21645.130N（3）实际驱动力:(3-3)21KF实 际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工件的为94.05.1匀速取 时，则:0a12gaK)(345)(68.94.056NF实 际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 345N。3.3 主要尺寸的确定（1） 气缸工作压力的确定买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985由液压传动与气压传动表 3-1 取气缸工作压力 MPap4.0表 3-1 气压负载常用的工作压力负载 F/N 50000工作压力 p/MPa 57（2） 气缸内径 和活塞杆直径 的确定Dd本课题设计的气缸属于双向作用气缸。单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。活塞左行时活塞杆产生推力 ，1F活塞右行时活塞杆产生拉力 。2F(3-4)zFpD421(3-5)zdF)(22式中：- 活塞杆上的推力，N；1F-活塞杆的拉力，N ；2- 气缸工作时的总阻力，N；z- 气缸工作压力，Pa；p-活塞直径，m；D-活塞杆直径，m；d气缸工作时的总阻力 与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处zF摩擦力等。以上因素可以载荷率 的形式计入公式，如要求气缸的静推力 和静拉力1F，则在计入载荷率后：2F(3-6) 421pDF买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985(3-7)4)(22pdDF计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取 ，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动5.03态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取 。85.07由以上分析得双向作用气缸的直径:(3-8)pFD14代入有关数据，可得 p485.014.36.9()m查机械设计手册圆整，得 D=40mm由 ,可得活塞杆直径:3.02/Dd Dd12)3.2(圆整后，取活塞杆直径 d=12mm（3） 缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:(3-9)2/pDP式中：- 缸筒壁厚，mm；- 气缸内径，mm；D- 气缸试验压力，一般取 （Pa） ；pPpP5.1-气缸工作压力 （Pa） ；-缸筒材料许用应力（Pa） ；本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金 ZL106, =3MPa将己知数据代入式(3-9)，则壁厚为: 2/pDP)(4)103/(5.1065m买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985取 ，则缸筒外径为: m414028()Dm（4）手部活塞杆行程长 L 计算活塞杆的位移量为：S (3-10)R5.6230气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加 10-20mm 的行程余量。(3-11)mL5.260.故查有关手册圆整为 l27（5） 校核A. 活塞杆稳定性的验算：当活塞杆的长度 较小时 ， 可以只按强度条件校核计算活塞杆直径 有: L）（ d10 d(3-12)5.0)/4(F其中， ，MPa120N31则: 5.0)12/4(d9.所以满足实际设计要求。B. 气缸推力验算： 421pDF= 85.01.0.362= )(47N）（5由以上计算可知气压缸能产生的推力 大于夹紧工件所需的推力F21。所以该气缸满足要求。NF345实 际（6）耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量 为：Q(3-13)23()(/min)4snDd式中：-气缸缸径，m；D-活塞杆直径，m；d-活塞行程，m；s-气缸活塞每分钟往复次数；n此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。(3-14)min/02.1.04.23407.13 322Q）（7）气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径 用下式计算：0d(3-15)(20mQd式中：-工作压力下气缸的耗气量， ；Qs/3-空气流经进排气口的速度，一般取 ； s/150把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照 GB/T 1403893>选择合适的气口螺纹 7。故， md3.0（8） 手爪部分总质量估算(3-16)零 件气 缸手 爪 其中：手爪部分和活塞杆材料采用 45 钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 ZL106查相关手册， 45 号钢密度为 7.85 3/10mkgZL106 的密度为 2.73手爪部分总质量约为 2.368kg1.90.24买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709853.4 气缸结构设计（1） 缸筒和缸盖的连接缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于 时，一定要校MPa1核螺栓强度，必要时增加螺栓数量，例如 6 根 8。查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用 4 根螺栓。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于 ，故无须校核螺栓强度。MPa1（2）活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接 6。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。（3） 密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：A. 密封性好，耐磨损，使用寿命长。B. 稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。C. 摩擦力小。D. 密封件表面平整、光滑、无气泡、杂质、凹凸等缺陷。E. 结构简单，成本低。O 型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。故采用 O 型密封圈。3.5 步进电机的计算与选型（1） 初选电机为 45BF3-3A,参数如表 3-2 所示 9。表 3-2 电机参数相电流 步距角 最大静 转矩 空载启动频率 空载运行频率 转动惯 量型号 相数A 度 N.m Hz Hz Kg.cm245BF3-3A 3 2 1.5 0.196 3000 27000 0.015（2） 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量为了使手部能够进行 360 度旋转，因此在手部一侧装上步进电机，初选步进电机型号为 45BF3-3A,查表得该型号电动机转子的转动惯量 =0.015kg. ,mJ2c气缸的转动惯量 =0.65 kg. 。sJ2cm买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985= + =0.665 kg. (3-17)eqJms2c（3） 计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩 eqT分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 1eq由式 = 可知， 是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩1eqTmax1eqT。max根据式 = ，考虑纵向链的总效率 ，计算快速空载启动时折max260eqmeqaJnt算到电动机转轴上的最大加速转矩：= * (3-19)maxT260eqmeqaJnt1对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速；mn步进电动机有静止到加速至 转速所需要的时间；at mn其中： max036v空载最快移动速度，为 2000r/min；ax步进电动机步矩叫角，为 1.5 度；脉冲当量， =0.025mm/脉冲。将以上各式带入式 (3-20)max036vn算得 =333 。mn/ir设步进电动机由景致到加速至 转速所需时间 =0.4s，传动链总效率 =0.7；mat 则由式 = * (3-21)maxT260eqeqaJnt1求得 =8.28* ,因此 =8.28*ax31NeqT30N（4） 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考eq买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985虑到安全系数。这里取安全系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4maxjT=3.3*eqT210Nm对于前面预选的 45BF3-3A 行步进电动机，由表可知，其最大静转矩 =0.196maxj，可见完全满足式 4 的要求。 maxjTeq综上所述，这里选用 45BF3-3A 步进电动机，可以满足设计要求。3.6 步进电机性能校核（1） 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度 =2000mm/min，对应的电动机运行频率 =222Hz。查表的maxv maxf45BF3-3A 的极限运行频率为 27000Hz，可见没有超出范围。（2） 启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量 =0.665kg ，电动机转子自身的转动惯量eqJ2cm=0.015kg ，查>表 4-3 可知电动机转轴不带任何mJ2c负载时的最高空载启动频率 =27000Hz。则由式 可以求出步进电动机qf 1/qLemffJ克服惯性负载的启动频率为：=4010Hz。1/qLemffJ上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于4010Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有 100Hz（即 100脉冲/s ） 。综上所述，这里横向进给系统选用 45BF3-3A 步进电动机，可以满足设计要求 10。3.7 小结 本章节对机械手手部进行了详细的设计，包括夹持器的选择、夹紧力的大小、手爪张开的角度、工件的定位精度、刚度强度校核、被抓取对象的考虑等设计，具体阐述了在此过程中机构的详细设计思路，进行了大量的夹紧力和外形尺寸的计算。还进行了步进电机的选型和校核。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709854 机械手手臂机构的设计4.1 机械手手臂的结构通过安装在末端上的步进电机以及连接轴带动滚珠丝杠，从而实现末端执行机构的前后运动。机械手手臂的机构图如图 4-1 所示。图 4-1 机械手手臂4.2 机械手手臂电机的计算与选型（1） 初选电机为 90BYG2502，参数如表 4-1 所示 10。表 4-1 电机参数相电流 步距角 最大静 转矩 空载启动频率 空载运行频率 转动惯 量型号 相数A 度 N.m Hz Hz Kg.cm290BYG2502 2 4.0 0.9 6 1800 20000 4（2） 滚珠丝杠的选择根据电机以及末端执行机构负载重量 W=1kg最大行程 Smax=200mm快速进给速度 Vmax=100mm/s加减速时间常数 t=0.15s预期寿命 Lh=30000h直线运动导程摩擦系数 =0.02电机转速 Nmax=600r/min买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985A. 设定螺距根据电机的最大转速与快速进给速度 max601VLNB. 计算基本动态额定负载各动作模式下的轴向负载的计算a. 加速时，加速度 32max10.67/Vst轴向负载 =3.5NWgPAb. 匀速时轴向负载 NB8.0c. 减速时轴向负载 gPc9.1表 4-1 各动作模式 1 次循环所需的时间（s ）动作模式 A B C 共需时间所需时间 0.3s 1.4s 0.3s 2s表 4-2 螺距为 10 的负载条件动作模式 A B C轴向负载（N） 3.5 0.8 1.9转 速 300 600 300所需时间比例 15% 70% 15%根据表 4-2 负载条件计算轴向品均负载 Pm 与平均转速 Nm(4-5)(32mNPCAmin/510rttNCBA计算所需基本动态额定负载 C根据预期寿命，扣除停止时间后的净运行使用寿命（预计夹紧 1s 上下运动 5s）h7502130h）（L将运行系数 带入公式中得2.1wf买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985 NfPNLCwmh410631）（因此选择 FL2004 丝杠C. 容许屈曲载荷，危险速度计算研讨丝杠轴全场 L 与危险速度 Nc 屈曲载荷 PkL=最大行程+螺母长度+ 余量+ 末端尺寸=280mm下面就屈曲载荷进行讨论，设负载作用点间距： 120lm2k197nEIPNl式中：开始引起压曲的负载；kP： 负载作用点间距；1lE： 杨氏模量；I： 丝杠轴最小惯性矩；46dn： 由丝杠的支撑方法决定的系数单推单推 n=1双推简支 n=2(选用)双推双推 n=4双推自由 n=0.25k489.5PN式中：屈曲载荷；k： 安全系数（0.5） ；说明容许轴向负载充分满足使用条件由于电机速度比较慢，肯定安全 ，需校核危险速度D. 最终选型结果：适合的滚珠丝杠的形式为：FL2004（3） 校核驱动电机A. 传动系统等效转动惯量计算买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985a. 电机转子转动惯量 mJ=4kg.mJ2cb. 滚珠丝杠转动惯量 的折算SJc. 手臂转动惯量 的折算GJ工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量 可按下式GJ进行计算： MLJG2)(式中， 为丝杠导程（ cm） ； 为工作台质量（kg ） 。所以：22 24()1.63.GJ kgcmd. 中间轴转动惯量 的折算zJ)(98.122z cKgDMe. 联轴器转动惯量 )(4822ll cmgJf. 系统等效转动惯量 计算 2z41.980261.78mSGJJ kgcmB. 验算矩频特性步进电机最大静转矩 是指电机的定位转矩，从附件中查得axjM。步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为：max6jM mqmaxjMaxjq查得 0.707。所以，0.764.2m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：220.468jDkgcm买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985 0MKfaKq式中： 为空载启动力矩（N .cm） ；KqM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ka力矩（N .cm） ；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N .cm） ； Kf有关 的各项力矩值计算如下：qMa. 加速力矩 360102maxa 2maxpbKvntnJM式中： 为传动系统等效转动惯量；J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；maxnt 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；axv为初选步进电机的步距角；b为脉冲当量。p min/603025.9.136maxa rvnpb2 2ax.47813.760KaMJ ct b. 空载摩擦力矩 2LMkf见机电综合设计指导公式（2-34）P35式中： 为运动部件的总重量；M为导轨摩擦系数；为传动系数总效率，取 0.9；买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 11970985为滚珠丝杠的基本导程。L 249.8013.923.4kfMcmc. 附加摩擦力矩 2001LFYJ式中： 为滚珠丝杠预紧力； 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取 0.9。YJF002013754.9184.2.Mcm所以，步进电机所需空载启动力矩： 0.68.5KqaKf初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 mqK从上式可知电机初步满足要求。C. 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。