智能物料机器人-机械手的结构外观设计—金俊慧.docx

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计智能物料机器人-机械手的结构外观设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程金俊慧学 号：职 称：160404102574文豪教授中国珠海二二年四月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计智能物料机器人-机械手的结构外观设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日智能物料机器人-机械手的结构外观设计摘 要在工业迅速发展的时代，为达到提高生产效率、节约成本的目的，企业会购入一些自动化产品，这些自动化产品主要为了代

2、替传统的人力去做一些重复性高、危险性高、劳动力大的工作，这其中被广泛运用的是物料搬运机器人，尤其是在汽车行业发达、物流发达的这个时代，但即便是如此，国内的物料机器人发展还是相对落后的，尤其是在搬运物料方面上，广泛运用国外的进口的物料机器人。本次设计主要采用电动与气动结合的设计思路，采用51单片机进行控制，通过结合原始数据对智能物料机器人进行结构设计以及电机与电子元件、气缸与气动元件的计算与选型，再通过运动学分析、力学分析、强度校核分析设计的可行性，运用solidworks软件对智能物料机器人进行三维建模。本文详细阐述了本人设计的智能物料机器人的机械手结构外观设计全部过程，其中包括X、Y轴的平面

3、定位、Z轴的上下移动取料、气动机械手夹取装置。全文详细的描述了X、Y、Z轴主要部件的选型与设计，包括步进电机选型、辅助部件选型、滑轨选型、气爪选型、气动元件选型等等。最终通过对电机及气爪的控制，实现对物料的定点夹取与运输。关键词：单片机、三维建模、步进电机、气爪Design of structure and appearance of intelligent material robot - manipulatorAbstractIn the industrial era of rapid development, in order to reach the goal of improving

4、 production efficiency, cost savings, companies will purchase some automation products, these automation products are mainly to replace traditional manpower to do some highly repetitive, high risk, labor work, which is widely used as material handling robot, especially in this era of automobile indu

5、stry and developed logistics, but even so, the development of domestic material robots is still relatively backward, especially in the handling of materials. Imported material robots from abroad.This design mainly adopts the combination of electric and pneumatic design ideas, using 51 single chip mi

6、crocomputer to control, through a combination of the original data for intelligent materials robot structure design, and electrical and electronic components, cylinders and pneumatic components, and then through kinematics The feasibility of analysis, mechanical analysis, and strength check analysis

7、 design, using solidworks software to carry out three-dimensional modeling of intelligent material robots.This article elaborated on the design process of the manipulator structure design of the intelligent material robot I designed, including the plane positioning of the X and Y axes, the up and do

8、wn movement of the Z axis, and the pneumatic manipulator gripping device. The full text describes in detail the selection and design of the main components of the X, Y, and Z axes, including the selection of stepper motors, the selection of auxiliary components, the selection of slide rails, the sel

9、ection of air grippers, and the selection of pneumatic components. Finally, through the control of the motor and the air jaw, the material can be pinched and transported.KEY WORDS:Single Chip; 3 D modeling; stepper motor；gas claw目录1.绪论51.1选题背景51.2机械手的发展历史与趋势61.3研究现状61.4研究目标71.5课题的主要研究方向72.机械手的电动设计与气

10、动设计82.1研究思路82.2气动部分的工作原理92.3机械手气动部分的系统设计102.4机械手电动部分的工作原理102.5机械手电动部分的系统设计102.6可行性分析112.7设计中用到的原始数据113. Z轴气缸与气爪的整体设计123.1气动技术的特点123.2气爪装置的设计123.2.1气爪的工作原理123.2.2气爪夹持力和夹持距的计算123.2.3确定气爪型号133.3气缸总设计143.3.1气缸输出力的有关计算143.3.2气缸耗气量相关计算153.3.3自由空气消耗量计算163.4气动元件的选择163.4.1电磁阀选型163.4.2消声器选型173.4.3节流阀选型174. 滚珠

11、丝杠及滑块选型计算184.1 滚珠丝杠选型184.1.1滚珠丝杠导程计算184.1.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算184.1.3滚珠丝杠扭矩计算194.1.4选定滚珠丝杠规格代号194.2 Y轴滑块选型204.2.1滑块选型计算204.2.2滑块选型确定215.步进电机的选型与计算215.1步进电机简介215.2加在电机上的转动惯量225.3加在电机上的总力矩225.4确定步进电机的型号235.5确定步进电机的控制器型号246.机械手三维建模256.1机械手整体三维结构图256.2 X轴移动机构外观设计286.3 Y轴移动机构外观设计296.4 Z轴移动机构外观设计317.部分外发加工零件编程与

12、工程图337.1Y轴载板铣板编程337.2Y轴载板钻孔编程347.2.1加工Y轴载板孔CAD图层设置347.2.2载板与X轴固定板程序编程358.机械手装配368.1组装368.2部装378.2.1 X轴的组装378.2.2 Y轴的组装388.2.3 Z轴的组装388.3总装399.总结40参考文献40谢辞41附录42附录1 步进电机与电机驱动器实物图42附录2 加强块工程图42附录3 气缸安装板工程图43附录4 立柱工程图43附录5 KK安装板工程图44附录6 机械手X轴实物图44附录7 Z轴实物图45附录8 物料运输装置实物图46附录9 控制装置实物图471.绪论1.1选题背景近年来人口老

13、龄化越来越严重，这意味着劳动力的减少，尤其是在以劳动力为竞争优势的中国，劳动力的减少意味着企业制造生产率的降低。只有不断发展工业自动化，以自动化代替传统人工，才能解决老龄化这一问题。这其中最为常见的莫过于机械手，它是一种模拟人类的手、臂、关节，再输入固定的程序就能实现抓取、搬运物料的自动化装置。它的出现不仅大大减少了企业制造过程中的劳动力，而且保证了产品的质量。在制造业高速发展的时代，机械手也得到了较快的发展，现如今第一代机械手被人们广泛运用于自动化生产中，操作者可根据生产要求对机械手进行控制；第二代机械手结合了人类的感官功能，例如视觉、听觉、触觉的能力，科技含量较高，所以还未被广泛运用于企业

14、中；结合了人工智能的第三代机械手，不需要人为操作便能能独自进行工作，它与我们日常生活常见的电视设备和电子计算机有着密不可分的联系，目前依旧处于被研制状态。至2018年末，中国已有几十个具有较大影响力的智能制造基地，智能机械人的发展，推动了成千上万的企业开展机器换人。1.2机械手的发展历史与趋势目前被广泛运用的第一代机械手是在古代机械手的基础上发展而来的，早在20 世纪中期，机械手就开始被研制了，随着科学技术的不断发展和电子计算机的发明，尤其是在1946年第一代计算机的发明以来，人们对生活质量的追求也更高了，需求推动生产，这时候大批量的计算机需要被生产，然而当时劳动力不足，这就为机器手的发展奠定

15、了基础。第一台机械手于1958年被美国联合控制公司研制，该机械手通过模拟人类的手臂结构进行设计，再对机械手控制器输入特定的程序就可以进行一些指定的动作；最早的一个关于机器人的概念于1954年被一个叫戴沃尔的美国人提出，这个概念在当时就已经已被申请为专利。该专利的大致内容是机械手模拟人类关节，人类进行一些动作并对机器人进行示教，机器人学会以后便可再现人类所进行的一些动作。这也就是当时最早的示教机器人。现如今的社会依然使用这种示教的控制方式，可想而知，当初的概念对如今机器人发展的影响是多么的巨大。衡量机器手灵活度标准有很多，灵活度越高的机械手所能进行的动作也就越多，这其中最为关键的参数为机械手的自

16、由度，现如今市场上机械手的自由度已经达到了6个自由度，但被广泛运用的机械手的自由度有2-3个。美国联合控制公司抓住了时代的浪潮，大力发展机械手制造企业，在1958年便研制出了第一台机械手，当时轰动了各国的机械手研究所，这也为机械手开拓了新篇章。嗅到科技力量的美国，大力发展科技，有了第一台机械手的基础，美国联合控制公司于1962年研制出了一台数控再现机械手，这台机械手被广泛运用于数控机床上，它工作效率高，制造成本低。随着科技快速发展，现如今日本已经成为机械手运用最为广泛的国家之一。中国于上世纪70年代就开始研发与制造机械手，1972年首台中国自己研发制造的机械手在上海研发成功，随后中国23个省也

17、陆续开始了对机械手的研究。1.3研究现状 国外的机械手发展是比较快的，尤其是在物料搬运机械手这个领域上，精度越高自由度越多的机械手被研发与制造3。现如今国外的搬运物料机械手朝着更加智能的方向发展，机械手具有感应物料的功能，操作者能通过设置搬运的参数来控制夹持的方式。随着互联网的全球普及、航天航空技术的发展、生物技术的发展，机械手也致力于精度更高、功能更强大、更加智能的方向发展1。国内的机械手相对还是比较落后的，尤其是在搬运物料的机械手方面，大部分依然使用国外进口的机械手。其实中国在上世纪70年代就开始研发与制造机械手了，但即便如此，我国在机械手上的造诣还是与欧美国家保持着30年差距。意识到差距

18、的中国政府调取大量的资金，召集了全国最顶尖的研究人员，开始对机械手进行研究，成功研发制造出了第一批属于中国人的机械手。但是总的来看，我国的机器人技术依旧与国外存在着不可忽视的差距，无论是在机械手的精度还是在智能化程度上，我们都有一定的距离，尤其是在国际竞争力日益增加的状况下，我国机械手面临着发展的机遇和来自国外的不断挑战，因此我国政府应高度重视机械手的研发与制造，投入更多地资金，召集更多的研究人员，提高我国科技竞争实力，大力发展高科技机器人，掌握机械手关键技术，为推进我国机械手的发展不断努力学习。1.4研究目标现在市面上的机械手大部分都将三轴移动平台的三根轴悬挂在一起，因为轴本身就存在一定的重

19、量，使用这样的设计会大大减低了机械手的承载能力，而且轴之间的移动阻力也会增加，同时也会影响到机械手的使用寿命与定位的精确度。本次设计针对市面上机械手的问题，对传统机械手的结构进行改造，通过将Y轴单独隔开进行设计，将X轴与Z轴进行结合，并且将Z轴的电机与丝杆滑轨改为气缸与气爪，这样的设计不仅减低了轴之间的阻力，大大提高了气动机械手抓取物料的承载重量，同时也提高了三轴移动平台的使用寿命；再通过团队自身研究的控制方式对电机以及气缸进行控制，提高了三轴移动平台定位的精确性与稳定性，使机械手精准定位并进行夹取。作为智能物料机器人实现动作的载体，本次设计的机械手需具有以下特点：各轴承载物料的重量大、使用寿

20、命长、高精准定位与夹取、稳定性高。1.5课题的主要研究方向1.通过原始数据对电机、气缸、气爪以及其他部件进行选型。2.使用solidworks进行三维建模。3.运用solidworks对零件进行装配。因为考虑到机械结构可能会出现模块与模块之间的干涉，因此用solidworks软件对模型进行运动仿真分析。4.对加工件和标准件进行区分并且出BOM表（物料清单）。5.对加工件进行数控编程（包括铣板编程与钻孔编程）。2.机械手的电动设计与气动设计2.1研究思路根据X、Y、Z三轴设计移动平台，再分别对X、Y、Z轴的步进电机、丝杆、连接器以及零件进行选型与三维建模，用solidworks设计软件对已经确定

21、的部件及零件进行绘图，并用solidworks对已经设计好的部件与零件进行装配，再进行模拟三轴移动平台动作，根据设计要求进行改善。如图2.1所示为研究思路图如图2.1研究思路图如图2.1所示为设计工作流程图根据原始参数要求进行方案设计对设计要求抽象化认清事物的本质确定系统的功能结构 寻求实现各分功能的作用原理 组合作用原理，形成原理解根据原理解进行三维设计对三维模型进行运动仿真与优化图2.1 设计工作流程图2.2气动部分的工作原理气缸与气爪的工作步骤如下: 气缸到位气缸伸出传感器感应气缸伸出到位气爪夹取感应气爪抓取到位气缸缩回感应运输到位气缸伸出传感器感应气缸伸出到位气爪卸料归位。在气动过程中

22、，必须考虑到以下几个环节: 1).如何快速自动的归位。 2).如何对物料快速定位与夹紧。3).如何通过传感器与控制系统实现动作的精确循环运行。2.3机械手气动部分的系统设计 为了实现上述的功能，本设计采用了一个气缸与一个气爪。气缸与气爪均为双作用气缸，气缸作为机械手的Z轴进行上下移动，气爪作为机械手的夹取物料装置，二者均通过电磁阀进行控制，气动系统的原理如图2.2所示图2.2 气动系统原理图2.4机械手电动部分的工作原理 该机械手电动部分需要完成Y轴、X轴的定点移动以及归位，完成一次作业的步骤为：Y轴与X轴同时移动到原点Y轴与X轴同时移动到系统设置的夹取位置等待夹取Y轴与X轴同时移动到系统设置

23、的卸料位置Y轴与X轴同时移动到系统设置的原点。2.5机械手电动部分的系统设计 为了实现上述的功能，本设计的电动设计用了两个步进电机、两个丝杆、四个滑块、两个链接器等，单片机输入控制算法控制电机的控制器，控制器输出信号给电机驱动电机，位置传感器反馈当前位置给单片机，单片机进行信号的A/D转换，将信号转换为电压大小控制电机的旋转，进而对当前位置进行纠正。电动的系统原理图如图2.3所示。图2.3电动系统原理图2.6可行性分析操作可行性：当今科技的迅速发展，社会逐步进入人工智能时代，人类对机械手的运用创新要求也有了不断地提高。而在人工智能时代，机械手起着关键的作用，例如：3D打印、流水线上的定位夹取物

24、料装置，这些都运用到了机械手。技术可行性：该装置的设计主要由SolidWorks进行设计，电机、丝杠以及连接器的选型主要参考本人实习公司的培训资料，并在公司现有的选型软件进行选型并根据零件的工程图进行设计。经济可行性：该智能物料机器人-三轴平台及夹取装置采用的大部分电机、丝杆及连接器都是自主选型并进行配合，电机选用的标准都是采用价格相对便宜的，其他零部件都是自主设计并进行加工，所以在经济上是相对可行的。2.7设计中用到的原始数据需要运输的物料直径为80-100mm。气爪未通气状态时的最大距离为150mm。气爪夹持点距转轴的力臂大约为800mm。1S夹紧，夹持速度为12-20mm/s。运输的工件

25、材料可为塑料、铝制品、钢制品，重量可确定的范围为：4-6kg。X轴可移动的距离为100cm。Y轴可移动的距离为60cm。Z轴气缸可伸出的距离为40cm。气缸工作压力P为0.5MPa。X轴电机驱动的负载量本设计设定为50kg。3. Z轴气缸与气爪的整体设计3.1气动技术的特点(1)气动所需的工作介质为空气，具有取之不尽用之不竭的优势，而且用完后排出外面也不会污染环境。(2)能多方面运用到各种工作环境，例如：易爆、易燃、辐射等环境。 (3)相比电动、液压而言，气动具有动作反应迅速、控制简单的优势。 (4)气动元件使用寿命长，能更好地适应不同的工作环境，可靠性高。 (5)结构外观简单，方便工程师进行

26、设计。3.2气爪装置的设计3.2.1气爪的工作原理气爪的动作由气缸进行驱动，在我们设计气爪时，可以根据原始参数中设定的夹持力的大小来确定活塞的拉力与推力。气爪的动作主要由气体推动气爪体内的左右两个独立活塞运动实现的，因此活塞的运动表示气爪的运动。活塞在运动的过程中会有所损耗，使用我们在选择气爪的时候，输出的力应选择比计算量略大，具体数值应参考实际计算所得。倘若选择的缸径小了，则输出力不够，气爪夹持力达不到设计要求；如果气缸缸径选大了，这不仅会造成能源的浪费，而且增加我们的设计成本，所以我们在设计的过程中，应该结合实际要求，根据计算的数据对气爪进行选型。3.2.2气爪夹持力和夹持距的计算本设计设

27、定夹取物料的重量为2kg，假设综合摩擦系数为=0.1，由G=mg得G=20N，又G=2F可得F=100N（F为气爪对物料的夹持力）气缸内径的确定结合原始数据中Z轴的工作载荷与工作压力，我们可以根据公式3.1进行计算气爪的缸径D： D=4F1（P） （式3.1） D表示气缸的内径（mm）；F1表示作用在活塞上的推力（N），根据原始数据我们取F1=F=100N；P表示初选的工作压力（Pa）,本设计去P=0.5Pa；表示为总机械效率（当气缸动态性能要求和工作效率较高时，=0.3-0.5;当气缸动态性能要求一般，工作效率要求低时，=0.7-0.85，本设计对气缸动态要求和工作效率较高，所以取=0.4；

28、将上述数据代入式3.1，得D=25mm；3.2.3确定气爪型号综合上述数据，本设计我们选用亚德客型号为WGY11-25-50-2的双作用气爪，该气缸的夹持力为131N，缸径为25mm，手指行程为50mm，接管的口径为M5，使用压力范围0.1-0.6MPa，磁性开关数量为2个。如图3.1所示为气爪实物图图3.1 气爪实物图3.3气缸总设计3.3.1气缸输出力的有关计算如图3.2为本次设计选择的气缸，它为双作用气缸，缸径为25mm，动作行程为150mm，带磁环，使用压力范围0.15-1MPa。图3.2 Z轴气缸气缸作用力的大小： 在气缸选型设计过程中，我们可以先结合实际设计要求设定气缸正常工作所需

29、的力大小，再来确定活塞杆上的拉力与推力。下面是气缸理论推力的计算公式： (式3.2)F表示气缸理论的输出力(kgf) F表示气缸工作效率为85%时的输出力(kgf)D表示气缸的缸径(mm) P表示气缸的工作压力(kgf/cm2) 本次设计，如上述我们选择的气缸缸径为25mm，原始数据给出的工作压力P为0.5MPa。将各组数据代入公式3.2中，得出：F=2.45kgf，F=2.08kgf通常在工程中确定输出力的大小时，可直接查阅经验图3.3。根据已确定的缸径与工作压力，两点一线，直线与中间线的相交点就是实际输出里与理论输出力的数值，同样的，也可以通过另外两组数据求出其他数据，例如知道缸径与实际输

30、出力，我们便可通过画直线求出工作压力。图3.3 气缸计算经验图3.3.2气缸耗气量相关计算 在气缸选型的过程中，气缸的耗气量是我们不可忽视的一部分，本次设计可根据公式（3.3）进行计算。 Q=/4D2SP10-4 （式3.3）Q表示气缸运动过程中每厘米所消耗的空气量（L/cm）D表示气缸运动活塞的直径(mm) S表示气缸的行程(mm) P表示操作过程中的压力，简称操作压力(kgf/cm2)由上述数据与原始数据可得：D=5mm，S=150mm，P=0.5MPa将数据带入公式3.3得：Q=117.18L/cm3.3.3自由空气消耗量计算 气缸运动过程中，每分钟消耗的空气量为： （式3.4） （式3

31、.5）气爪连接的气缸仅对气爪有提供拉力，所以根据上述对气缸计算所得的数据以及原始数据S、t数值代入公式3.4与公式3.5得：V拉=63.4L/min，V推=73.6L/min3.4气动元件的选择3.4.1电磁阀选型由于本次实验我们选择的Z轴气缸为双作用气缸，根据设计要求，型号为WLE12-4V210-06-A的两位五通电磁阀为我们本次选择的电磁阀。该产品具有的特点：电磁阀结构为滑柱式结构，内孔采用了特殊的加工工艺，这样的加工工艺不仅减小了摩擦阻力，而且延长了产品的使用寿命，具有密封性良好，反应灵敏的特点；如图3.4为Z轴气缸电磁阀实物图图3.4 电磁阀实物图3.4.2消声器选型气缸在工作的过程

32、中，会不断的排出废气，由于气体在气缸里面的体积是被压缩的，排出时气体体积会在外界突然变大产生非常大的噪声，这是属于噪声污染，长期身处于这种工作环境下，工作者会造成耳鸣和情绪暴躁的不良症状。本次设计我们选择的消声器品牌为NIHON SEIKI，型号为BN-26T01，该消声器的外径为M5。如图3.5为消声器实物图图3.5 消声器实物图3.4.3节流阀选型节流阀的主要作用通过改变节流截面或节流长度来控制气体的大小，进而控制气缸的伸出速度。在实际运用中，我们可以通过调节节流阀上的手拧螺丝来控制气体的流量进而控制气爪抓取速度和Z轴气缸的伸出速度。如图3.6所示为本次设计选择的节流阀实物图图3.6 节流

33、阀实物图4. 滚珠丝杠及滑块选型计算 4.1 滚珠丝杠选型4.1.1滚珠丝杠导程计算本次设计我们选用的X轴上的驱动电机为松下牌子型号为MDMA152P1V的步进电机，该电机的最高转速为4600rpm。设定电机与滚珠丝杠之间的传动比为1，X轴上滑块运动的最大速度为25mm/s。根据X轴滑块最大速度与电机的额定转速，将各数据代入公式4.1计算丝杠导程： （式4.1）将已知数据代入式4.1得，Ph=0.34mm实际取 Ph =10mm，因此满足设计要求。4.1.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算本次设计中当滚珠丝杠受到外力作用时，我们设定滑动摩擦力系数的最大值为0.008，静摩擦系数的取值跟滑动摩擦系数取

34、值差不多，因此本次设计取静摩擦系数也为0.008。根据公式4.2计算导轨静摩擦力： F=Mgf (式4.2)公式中： M为X轴电机驱动的总质量，本设计设定为50kg。 F为导轨滑块的密封阻力，本设计按4个滑块计算，每个滑块密封阻力5N。将数据代入公式4.2中，得：F=0.0085010+45=24N由于X轴上装有Z轴，所以X轴工作是会受到Z轴带来的切削力，所以X轴的阻力除了导轨、滑块的阻力以为，还有Z轴带来的阻力。这里我们设定Z轴的总质量为M1=10kg，假设Z轴与X轴间的摩擦系数1为0.06，则有：F1=1M1g=6N 滚珠丝杆副的载荷为：滚珠丝杠副的当量转速：4.1.3滚珠丝杠扭矩计算如右

35、图4.1所示，根据能量守恒有：T2i=FPB （式4.3）则电机对负载所需输出扭矩T为： T=FPB2i（式4.4）T-输出扭矩（N.m）;i-减速比（无减速环节时i=1）;-传输效率； F-物体受力(N)； 图4.1 PB-导程(m)；将综上所述数据带入式4.4可得：T=2.5N.m 4.1.4选定滚珠丝杠规格代号根据上述所得的数据，本次设计我们选择型号为FYBS1210的内循环双螺母式滚珠丝杠，精度等级C7级。该丝杆的基本导程为10mm，外径为12mm，载荷大小为100KN/m2。图4.2 内循环双螺母式滚珠丝杠4.2 Y轴滑块选型4.2.1滑块选型计算由于采用滚珠推荐其直径为d3-6mm

36、，因此本次设计我们采用滚珠直径为4mm。根据设计要求，滚动体的数量由导轨的长度决定，因此本次设计所用导轨的设计长度为900mm，每条导轨上的滚动体数量要求不少于10-16个。推荐滚珠数量： （式4.5）式4.5中，F为每条导轨所承受的载荷（N），本次Y轴总负载我们设定为23kg，d为滚珠直径（mm）。将数据代入式4.5得：Zb=12 F1=1/4(G+F)+(FL3)/(2L1)+(FL4)/(2L2) （式4.6）承载板自重G为15N垂直向下的外力F为8N运动方向两滑块之间的距离为L1为0.17m外力距垂直于运动方向的中心距离为L3为0m外力距运动方向中心距离为L4为0.08m两导轨之间的距

37、离L2为0.17mm将上述数据代入式4.6得：F=76.3N由T=FL得：T=76.30.08=6Nm4.2.2滑块选型确定综上所述，本次设计我们选取怡和达滑块，型号为IAY31-H28-L900，该滑块高度为28mm，导轨长度为900mm。如图4.3所示为滑块选型图图4.3 滑块选型图由图可知，我们选取的滑块力矩T1=9NmT，所有符合选型要求。如图4.4为滑块实物图图4.4 滑块实物图5.步进电机的选型与计算5.1步进电机简介步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单来讲，步进电机由脉冲信号控制，当电机接收到一个脉冲信号时，它会根据步进电机所设定的方向转动一个原始设定的角度。因此我

38、们可以通过控制脉冲信号的个数进而控制电机的精确定位。5.2加在电机上的转动惯量由上述计算可得：X轴负载运动速度为25mm/s，负载的总质量为50kg，丝杆转速为150rpm。由直线运动系统有： J=900mV22n2 （式5.0）m-负载质量（kg）;V-负载运动速度（m/s）;J-负载相对于电机转动惯量（g.cm2）;n-丝杆转速（r/min）;将数据带入公式5.0得：J=50.7 g.cm25.3加在电机上的总力矩支撑轴承产生的负载扭矩为：结合上述选择的滚珠丝杠型号数据，本次设计我们选择NSK单列深沟球轴承，轴承代号：FY0003586，查轴承样本可知摩擦力矩：Ta=0.3N.m如图5.1

39、所示为所选轴承实物图图5.1 NSK单列深沟球轴承电机加速产生的负荷扭矩：根据原始数据及计算可得，X轴移动的速度为25m/min，电机的转速为150rpm，最大加速度为a=36mm/s2,则X轴速度从0加速到25mm/s 的时间为：t2=2V/a,带入数据得：t=1.2s电机转速从0升至150 rpm时，负荷扭矩为： Tf= 【J2（n0-n）】/60t (式5.1)将数据带入公式5.1得：Tf=0.66Nm加在电机的总力矩为：T总=T-Tf-Ta =1.54 Nm 5.4确定步进电机的型号安照上述数据，本次设计我们选择的是凯福刹车方形步进电机，产品编号为Y07-59D1-3075M，产品法兰

40、尺寸为57mm，保持力矩为1.4N.m，断电刹车，步距角为1.8，电流4.2A，转子惯量为245g.cm2，总质量为1.15kg。如图5.2所示为X轴所选电机图5.2 刹车方形步进电机如图5.3为电机的接线图图5.3 电机接线图5.5确定步进电机的控制器型号根据所选电机型号和所得数据，选取合适的控制器，综合所得数据，本次设计我们选择的控制器型号为EEDO-06-80，为开环控制，输入电源支持18-56AC或24V-80VDC，尺寸为103.2x107.8x62.5。如图5.4所示为控制器的技术参数图。图5.4 控制器的技术参数图如图5.5为控制器实物图图5.5 EEDO-06-80控制器 6.

41、机械手三维建模6.1机械手整体三维结构图如图6.1为机械手的三维结构图，长度为1217mm，宽度为545mm，高度为423mm，它有X轴、Y轴、Z轴组成。 图6.1 三轴移动平台的气动机械手 如同下图6.2，6.3所示为机械手的物料表，分为加工件与外购件图6.2加工件图标图6.3外购件图表6.2 X轴移动机构外观设计如图6.4所示为X轴移动机构的整体外观三维图。图6.4 X轴移动机构的整体外观下列所示图为X轴加工部件及标准件三维图，其中包括连接器、Z轴加强块、Z轴连接块、气缸安装板、X轴安装板、X轴滑块、X轴滑轨、X轴电机三维图。 图6.5 X轴滑块 图6.6 X轴滑轨 图6.7 X轴连接器

42、图6.8 Z轴加强块 图6.9 Z轴连接块 图6.11 Z轴安装板 图6.12 X轴安装板 图6.13 X轴电机6.3 Y轴移动机构外观设计如图6.14所示为Y轴移动机构的整体外观三维图。图6.14 Y轴移动机构的整体外观 下列所示图为Y轴加工部件及标准件三维图，其中包括连接器、Y轴底板、电机固定块、Y轴丝杆、Y轴滑轨、Y轴载板、电机固定环、丝杆支撑座、气缸安装板、Y轴滑块、Y轴滑轨、Y轴电机三维图、限位传感器、载板连接块。 图6.15 Y轴电机 图6.16 Y轴滑轨 图6.17 Y轴固定环 图6.18 Y轴固定块 图6.19 Y轴连接器 图6.20 Y轴丝杆稳定块 图6.21 Y轴丝杠 图6.22载板 图6.23限位传感器 图6.24感应铁片 图6.25滑块 图6.26载板连接块6.4 Z轴移动机构外观设计如图6.27所示为Z轴移动机构的整体外观三维图。图6.27 Z轴结构图下列所示图为Y轴加工部件及标准件三维图，其中包括Z轴固定板、Z轴气缸、气爪、气爪固定块。 图6.28 Z轴固定板 图6.29气爪固定块 图6.30气爪 图6.