三自由度機械手傳動方案設(shè)計

◎馬興飛 張姍姍 馬立洲

機械手也稱自動手，它可以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。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中。

本次設(shè)計的三自由度機械手是一種小型的針對回轉(zhuǎn)任務(wù)的機械手，它的功能明確、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。

本次設(shè)計的機械手要求如下：

1.三自由度：一個移動、兩個轉(zhuǎn)動；

2.大臂水平方向的有效行程為1.6m；

3.設(shè)計工況：回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)進(jìn)行180度自由旋轉(zhuǎn)。

一、機械手結(jié)構(gòu)概述

機械手主要結(jié)構(gòu)分為：執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)。

1.執(zhí)行機構(gòu)。是最常見、最直觀能夠看到的部分，主要包括支柱、手臂、腕部、手部等四部分。

支柱是整個機械手中受力最為復(fù)雜的部分，支撐著整個機械結(jié)構(gòu)。手臂是用來支撐手部的運動，承受手部所抓取物體的彎矩和扭矩。手腕具有一個單獨的自由度，是為了確保機械手的靈活性以及較強的適應(yīng)性能。手腕的動作包括回轉(zhuǎn)、擺動、上下運動等。手部是用來抓取對象物體的結(jié)構(gòu)。手部不單單是手爪、手指的形式，也可以做成吸盤、真空盤、鉗體等各種結(jié)構(gòu)。

2.驅(qū)動系統(tǒng)。機械手需要動力源對其進(jìn)行驅(qū)動，動力源常見的有電動、氣動、液壓、機械等裝置，是完成動作的基礎(chǔ)保障之一。

3.控制系統(tǒng)。約定機械手進(jìn)行動作的根本，是機械手的大腦。常見的控制系統(tǒng)有基于單片機、基于PLC、基于互聯(lián)網(wǎng)等形式。

4.位置檢測。機械手在運動時要不斷進(jìn)行反饋位置，已確定是否達(dá)到所需要的要求及下一步動作，需要不斷利用傳感器或其他方法進(jìn)行位置的檢測確定。

二、機械手傳動方案設(shè)計

1.坐標(biāo)形式選擇。

目前機械手的主要坐標(biāo)形式有四種：直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)。

（1）直角坐標(biāo)。類似于直角坐標(biāo)系，整個機械手的運動是在X、Y、Z三個坐標(biāo)空間運動。直線運動能夠通過一個坐標(biāo)方向?qū)崿F(xiàn)，而空間運動或者斜線運動則需要兩個或者三個坐標(biāo)方向同時或者配合才能夠?qū)崿F(xiàn)，所以直角坐標(biāo)的機械手一般尺寸都相對大一點。在應(yīng)用范圍上，直角坐標(biāo)機械手主要用來裝配和搬運工作，實現(xiàn)較為精準(zhǔn)的傳動及定位，常見的形式有龍門結(jié)構(gòu)、行車結(jié)構(gòu)等。

2.圓柱坐標(biāo)。一種常見的機械手坐標(biāo)形式，工作范圍是一個圓柱形結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等運動。在結(jié)構(gòu)中利用機械手主體的回轉(zhuǎn)及手臂的伸縮，附以主體升降或手臂旋轉(zhuǎn)等動作，實現(xiàn)復(fù)雜的運動要求及達(dá)到一定精度。圓柱坐標(biāo)機械手的整體結(jié)構(gòu)簡單、工作范圍大、靈活性高，應(yīng)用范圍包括碼垛機、上下料、物料搬運等。

3.球型坐標(biāo)。球坐標(biāo)機械手的靈活性高，執(zhí)行速度快，整體結(jié)構(gòu)簡單，精度方面較高，一般采用伺服電機，利用閉環(huán)反饋信號精準(zhǔn)控制。常見的動作是底座回轉(zhuǎn)，手臂直線運動，大臂回轉(zhuǎn)運動。球坐標(biāo)機械手主要應(yīng)用在物體搬運、空間轉(zhuǎn)換等方面的工作中，具有柔性，實用性較強。

4.關(guān)節(jié)型坐標(biāo)?？蓪崿F(xiàn)多個關(guān)節(jié)聯(lián)動，利用回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行運動。由于可以多個關(guān)節(jié)聯(lián)動，所以能夠覆蓋較大的工作面積，靈活性強，整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，是應(yīng)用范圍最廣的一種機械手。主要應(yīng)用在搬運、焊接、裝配、噴漆等行業(yè)。

在本次設(shè)計中，根據(jù)規(guī)定的基本參數(shù)和要求，需要實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動。本次設(shè)計選擇的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)。其基本功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機械手基本功能結(jié)構(gòu)

2.傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計。

為了確保整個機械手定位精準(zhǔn)，動作快捷，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳動鏈需做到盡可能簡潔，這樣能夠利用伺服電機快速實現(xiàn)指令動作。整個機械手的動力驅(qū)動部分都是采用的伺服電機，伺服電機對于機械手來說是一個標(biāo)配，伺服電機能夠根據(jù)控制系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)控制，達(dá)到很好的精度實現(xiàn)工作，并且伺服電機結(jié)構(gòu)體積較小，非常適合機械手使用。具體三個自由度的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹如下：

（1）整體轉(zhuǎn)動采用伺服電機驅(qū)動，利用行星齒輪減速。行星齒輪減速機占用空間小同時能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動比，具有響應(yīng)速度快、噪音小、精度高以及安裝方便等優(yōu)點，同時行星齒輪減速機在市場中已經(jīng)形成了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)件，只需要選擇即可，價格適中。

（2）大臂的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機驅(qū)動，二級同步帶減速。為了降低大臂轉(zhuǎn)動以及伸縮運動的運動慣量，驅(qū)動大臂的伺服電機放置在底殼或者靠下的位置，利用回轉(zhuǎn)殼體高度的空間，采用同步帶減速傳遞。同步帶傳遞結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便成本低，同時傳動比固定效率高。

（3）大臂的水平方向采用伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動。大臂水平方向主要實現(xiàn)的是一個伸縮運動，采用伺服電機直接驅(qū)動能夠減少傳動鏈，響應(yīng)更加迅速。同時利用滾珠絲杠能夠直接實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動變直線運動，節(jié)省不必要的結(jié)構(gòu)。同時滾珠絲杠還具有減速作用，具有自功能，傳動定位精準(zhǔn)，適合高精度傳動。

圖2 傳動方案圖

3傳動帶設(shè)計計算

在本次設(shè)計中，同步帶驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩為80Nm，為了考慮工作余量及工作安全性、穩(wěn)定性，同步帶的計算輸出轉(zhuǎn)矩提高1.5倍，也達(dá)到120Nm，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速，選擇同步帶的額定輸出轉(zhuǎn)速為30°/s，單級傳動效率為85%，總傳動比為10，則同步帶傳遞的功率計算為：

本次設(shè)計的大臂轉(zhuǎn)動采用兩級傳動，連續(xù)用兩個齒形帶傳動。在設(shè)計中選擇第一級傳動比為5，第二級傳動比為2，則據(jù)此可以計算各個帶輪的轉(zhuǎn)速。

第一輪轉(zhuǎn)速：n1=30°/s=5r/min

第二輪轉(zhuǎn)速：n2=2n1=10r/min

第四輪轉(zhuǎn)速：n4=5n2=50r/min

對兩級傳動的中心距，可以先暫時擬定中心距分別為310mm和350mm，后期可以根據(jù)實際計算進(jìn)行修改微調(diào)。

計算齒形帶傳動的設(shè)計功率。

結(jié)合本次設(shè)計工作環(huán)境及傳動過程可知不需要采用張緊輪，同時傳動比屬于減速傳動。所以選擇載荷修正系數(shù)k=1.2。則齒形帶傳遞設(shè)計功率Pd計算為：pd=1.2×174=208.8w

根據(jù)計算功率及同步帶所傳遞的最大轉(zhuǎn)速等，選擇同步帶的基本結(jié)構(gòu)尺寸，選擇節(jié)距代號為H，對應(yīng)選擇的節(jié)距Pd=12.700mm。

帶輪直徑

對于齒形帶同步帶，其最小齒數(shù)可以選擇值為10，考慮到制造和安裝等因素，本次設(shè)計選擇最小齒數(shù)Z1=68。

則得出z2=150。

對計算的齒數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選擇，取值

則同理可計算得出z3=72，z4=133

根據(jù)所選擇的齒形帶的齒數(shù)，重新計算傳動比，可得：

則總的傳動比為：i=i1i2=3.96

則可以根據(jù)具體的參數(shù)計算帶輪的直徑：

則據(jù)此可以計算帶長，計算公式如下：

帶入計算得：Lp1=834mm

根據(jù)同樣的計算公式以及方法計算得出Lp2=907mm。

對計算的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選擇，參考計算值以及標(biāo)準(zhǔn)，選擇Lp1=845mm，齒數(shù)為169，Lp2=920mm，齒數(shù)為184。

計算傳動的中心距，計算公式如下：

公式中M=Pb×(2Zb-z1-z2)/8

Pb表示齒形帶的節(jié)距，根據(jù)所選擇的型號等，取值為12.70mm。

Zb表示齒形帶的齒數(shù)，根據(jù)前面計算，Zb1=169，Zb2=184。

帶入計算得：M1=Pb1×(zb1-z1-z2)/8=12.70×(2×169-68-150)=324mm

L1可取=350mm。

根據(jù)同理計算，M2=334.7mm，L2=368.4mm，對其取整可取L2=368mm。

對齒形帶的帶寬進(jìn)行選擇。對于小的齒形輪，選擇的齒數(shù)為68，根據(jù)其轉(zhuǎn)速以及所選擇帶型的基準(zhǔn)額定功率，計算嚙合的齒數(shù)。

嚙合齒數(shù)計算公式如下：

根據(jù)計算及參數(shù)的選擇，嚙合系數(shù)為：KZ=1-0.2(6-Zm=0.6)

根據(jù)前面計算的參數(shù)，可以選擇同步帶的基準(zhǔn)寬度為b=23.5mm。則同步帶寬度為：bs=(pd/p0KZ)1/1.14b

計算得bs=19.7mm。

可查詢得其帶寬系數(shù)為0.81，齒形帶的許用拉應(yīng)力Ta=113.17N，帶的質(zhì)量為0.175kg/m。

兩級帶傳動均采用齒形帶，其一級齒形帶齒數(shù)為169，圓周直徑845mm，代號為160。二級傳動齒數(shù)為184，長度為920mm，代號為160?？偣矀鲃拥膸л啚樗膫€，齒數(shù)分別為68、150、72、133。帶輪的直徑分別為d1=64.17mm；d2=142.48mm；d3=67.99mm；d4=126.24mm。傳動的中心距分別為306mm和345mm。

四、滾珠絲杠設(shè)計計算

根據(jù)一般滾珠絲杠運動的特點以及機械手工作的性質(zhì)。擬定滾珠絲杠工作時候的Vmax最高運動速度為0.1m/s，加減速行程運動時間均為0.15s，定位精度為±0.3mm/1000m，工作軸向間隙為0.15mm，導(dǎo)軌和工作臺摩擦系數(shù)為0.003，滾珠絲杠傳動效率為90%。伸縮滾珠絲杠運動所選擇電機轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)動慣量為1×10-3kg/㎡。

1.絲杠導(dǎo)程確定。

驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為1500r/min，電機和絲杠之間的連接方式是直接連接，所以傳動比為1，導(dǎo)程的計算可以采用以下公式：

根據(jù)計算，可以選擇絲杠的導(dǎo)程為4mm。

同時對于絲杠來說，由于是機械手的運動模式，可以選擇一端固定一端支撐的安裝方式。

2.絲杠的外徑.

根據(jù)市場常見的滾珠絲杠，比如常見的THK公司的軸向間隙小于0.15mm的滾珠絲杠外徑需要在32mm以下。結(jié)合前面計算出的絲杠的導(dǎo)程為4mm，據(jù)此選擇滾珠絲杠的外徑為16mm。

計算滾珠絲杠的容許載荷。首先計算滾珠絲杠的加速度，如下：

工作中所承受的最大軸向載荷：

根據(jù)絲杠參數(shù)表可以查得絲杠的內(nèi)直徑為13.2mm，前面已經(jīng)選定了絲杠的安裝形式，根據(jù)安裝形式，其安裝系數(shù)為f=15.1，可以計算絲杠的臨界轉(zhuǎn)速：

校核運行的最高實際速度，是否超過臨界值：

可知，滿足要求，沒有超過臨界值。

3.螺母的選擇計算。

根據(jù)絲杠的外徑以及導(dǎo)程等，選擇螺母的型號為BNFN 1604-3，其基本參數(shù)為ca=5.4KN，c0a=13.3KN。根據(jù)機械手的工作特點，沖擊振動取值fs=2.5。則可以計算螺母所承受的最大載荷：

通過計算，選擇的螺母是符合要求的。

4.驅(qū)動電機的選擇計算。

正常工作狀態(tài)下，一般絲杠處于等速運動的工作情形，計算正常工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩。公式如下：

公式中參數(shù)F=μmg+f=16.47N，帶入得：

根據(jù)所選擇的絲杠，其本身的單位長度轉(zhuǎn)動慣量為1.23×103kg·cm2/mm。根據(jù)絲杠的長度選擇為1000mm，所以絲杠自身的轉(zhuǎn)動慣量計算如下：Js=1.23×103×1000=123kg/m2

機械手螺母執(zhí)行部件等的轉(zhuǎn)動慣量計算如下：

將所有負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機的輸出總的滑動慣量計算

電機在實際工作時候的最高轉(zhuǎn)速為：

工作中的角加速度：

則加速度所產(chǎn)生的扭矩計算為：

所以電機在工作中所需要的最大扭矩為加速時的驅(qū)動扭矩。根據(jù)扭矩以及轉(zhuǎn)速等，選擇電機的型號為82SY002電機。

四、總結(jié)

本文首先介紹了機械手的通用結(jié)構(gòu)及組成，其次針對給定的功能限制參數(shù)，設(shè)計三個自由度的傳動方案。最后，針對移動方向，著重介紹了傳動帶及滾珠絲杠的相關(guān)設(shè)計驗算。

本次設(shè)計只針對具有回轉(zhuǎn)任務(wù)的特定工序，具有一定現(xiàn)實意義，同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計可以此做參考。