三指工業(yè)機械手

三指工業(yè)機械手,工業(yè),機械手 四川大學錦江學院畢業(yè)論文（設計） 工業(yè)機器人手部三指抓取的結(jié)構(gòu)設計 機械設計及其自動化 學生 指導教師 【摘要】:隨著工業(yè)的大規(guī)模的發(fā)展，越來越多工業(yè)機器人操作手應用于各個場所并逐漸受到各國開發(fā)者關注和重視。而最后執(zhí)行者作為機器人于環(huán)境互相作用的機械指已經(jīng)被提到了新的高度，文中簡要介紹機械抓取機構(gòu)的概念，機械抓取機構(gòu)的組成與分類國內(nèi)外的發(fā)展狀況及發(fā)展前景。調(diào)研現(xiàn)有工業(yè)機器抓取機構(gòu)工作原理和結(jié)構(gòu)設計提出工業(yè)機器人三指抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，然后將任務要求和對象物體的幾何物理特性以及環(huán)境信息綜合起來考慮，經(jīng)過分析建立于東學的模型，仿真各個手指在抓取時的運動姿態(tài)，同時完成分析在靜平衡狀態(tài)下手指和外界環(huán)境之間的作用力。并將抓取的姿態(tài)推理出來，同時尋找抓取物體特征平面，確定出所需要抓取的平面，再在抓取的平面上進一步規(guī)劃出三個抓取點，并最終完成抓取結(jié)構(gòu)設計。 【關鍵詞】 工業(yè)機器人 三指抓取機構(gòu) 結(jié)構(gòu)設計 Industrial robot manipulators three fingers grab the institutional structure design 【Abstract】With the large-scale industrial development, more and more industrial robot manipulators used in various places, and gradually by the concern and attention of the Inter-developer. Mechanical means as robots interact with the environment the final implementation, has been referred to a new level. The paper briefly introduces the mechanical grab the concept of the composition and classification of mechanical grab institutions, the industrial robot refers to crawl the principle of the structure. And comprehensive task requirements and object geometrical physical characteristics, and environmental information into consideration to establish the kinematics of the model through the analysis, simulation of individual fingers crawl athletic stance, and finger to complete the analysis in the static equilibrium state and the external environment between the forces. Attitude reasoning and crawl out and grab objects by looking for characteristic plane, identified the need to capture the plane 3 crawl further planning, and then grab the plane, and the final completion of the crawl structure design. 【Key words】 Industrial robots Three fingers grab the institutional Structure design 目 錄 緒論......................................................... 1.前言???????????????? 1.1機械手概述............................................... 1.2機械手的組成和分類....................................... 1.2.1機械手的組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2.2機械手的分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.機械手的設計方案 2.1機械手的坐標型式與自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.3機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.5機械手的驅(qū)動方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.6機械手的控制方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.7機械手的主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.8機械手的技術參數(shù)列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.手部結(jié)構(gòu)設計 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.1手指的形狀和分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.2設計時考慮的幾個問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.3動力設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.手臂伸縮的尺寸設計與校核 4.1手臂伸縮結(jié)構(gòu)的尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.1.1手臂尺寸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.3 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 專業(yè)相關的資料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 緒論 1.前言 1.1機械手概述： 機械手是可以模仿人手和臂的某些動作和功能的，常常用在按固定順序抓取、搬運物件或操作難度大的工具的自動操作裝置。工業(yè)機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)使用中的也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，可代幫助我們做的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，而且能在有害環(huán)境下，操作避免人去操作降低危險，所以廣泛應用于機械制造冶金，工業(yè)操作，電子輕工與原子能等部門。 現(xiàn)今的生活上,在科技日新月益的進展之之下,工業(yè)機械人手與有人類的手主要區(qū)別就在于靈活度和耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢能可以重復的做同一動作，在機械正常工作下永遠也不會覺得累！機械手的使用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備，機械手的工作的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手成了機器人的一個重要分支。 按驅(qū)動方式來劃分，機械手可分為氣動式、液壓式、機械式與電動式。特點就是可以通過軟件編程來完成各種所需的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人和工業(yè)機械手機器各自的優(yōu)點. 1.2機械手的組成和分類 1.2.1.機械手的組成 機械手主要由驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)與控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。主要結(jié)構(gòu)如圖所以框圖2-1所示。 圖1-1 機械手組成方框圖:1-1 執(zhí)行機構(gòu)： 包括手臂、手部、手臂和立柱等主要部件。 1手部: 三指可更換設計，其中包括了手指，手指拉桿34 手指固定套33 拉桿轉(zhuǎn)接件31，運動原理是拉桿轉(zhuǎn)接件與拉桿和電機分別固定，通過絲桿電機帶動拉桿水平運動來到達三只手指的張合左右。 圖1-2 對物體接觸的部分不同形狀的物體接觸的報道，夾型吸附式的手分開這個項目，夾型結(jié)構(gòu)可以用手把手的類型的手指和手和力量的傳動機構(gòu)構(gòu)成手指對象物直接接觸的部件，旋轉(zhuǎn)和平移動型一般能用手指的活動而形成的旋轉(zhuǎn)手指的構(gòu)造簡單，容易制作的，所以廣泛適用的翻譯很少使用，其理由是復雜，不過，翻譯型圓形部分工作夾具直徑的變化，其軸方向的位置，所以不影響工作夾具徑范圍頗適合的手指的構(gòu)造把握物體的出現(xiàn)而被逮捕的部分，概略或重量和大小的孔和對象一般形成的v形狀和表面的平面：手指夾緊支持和內(nèi)部示手指，雙鰭加型和雙重手指手指型等為目的的任務完畢為了夾具夾緊力發(fā)生通過傳動機構(gòu)力傳動機構(gòu)的種類比一般用來：滑動杠桿，連接桿，桿式，傘齒輪齒條型等等 2手肘: 圖1-3 手肘的作用是連接手部和手臂的模塊，并用來調(diào)整被抓取物件的角度即姿勢的作用。 3手臂: 圖1-4 機械手支持的重要部分的物體手臂，手，手臂是最重要的之一，是物體把持的手指的驅(qū)動，把東西從一個地方搬到另一個地方”，通常缸，汽缸的手臂的可動部驅(qū)動，連接桿支架齒輪，螺絲機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和油壓等驅(qū)動源，空氣或電動馬達臂的運動的多樣性，實現(xiàn)調(diào)整。 4立柱: 立柱是支承手臂的部件之一，立柱是機械手臂的一部分，手臂回轉(zhuǎn)運動和上下或左右運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5機座: 機座是機械手的底部基礎局部，工業(yè)機械手區(qū)執(zhí)行機構(gòu)的各部件域控制模塊均裝置于機座上故起支撐和連接的作用。二驅(qū)動系統(tǒng)控制系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有氣壓傳動、液壓傳動與機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的工作要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由順序電氣定位和控制系統(tǒng)或機械擋塊定位系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制與射流控制兩種，支配著機械手按指定的順序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息如運動軌跡、動作順序、運動速度及時間同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)控，當動作有發(fā)生故障與錯誤時即發(fā)出報警信號。 1.2.2.機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類規(guī)范，此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 一、按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、 專用機械手 附屬于主機的具有固定順序而且無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有工作對象單一、動作少、結(jié)構(gòu)簡單、和造價低等特點使用可靠，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，自動線的上、如自動機床、下料機械手和加工中心。 2、通用機械手 一種具有獨立控制的順序可變的動作靈活多樣的機械手。驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的通用機械手的工作范圍大、通用性強、定位精度高，適用于不時變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為伺服型與簡易型兩種: 2、 按驅(qū)動方式分 1液壓傳動機械手 以液壓壓力去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、動作靈敏、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，、且低溫下工作與高溫不宜工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，就能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使工業(yè)機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造要求精度高，油液過濾要求嚴格。 2氣壓傳動機械手 以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是: 輸出力小，介質(zhì)李源極為方便，結(jié)構(gòu)簡單氣動動作迅速，，但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，氣壓壓力較低，抓重一般在30公斤以下，同樣抓重條件下它相比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)如連桿、凸輪、齒條齒輪和、間歇機構(gòu)等驅(qū)動的機械手。一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳送的主要特點是運動準確可靠，用于工作主要用在的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作順序一般不可變。 4電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、功率步進電機或者直線電機或直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中的直線電機機械手的運動速度快與行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 三、按控制方式分 1.點位控制 運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點，不能控制其運動軌跡。如果要控制的點數(shù)多，就要肯定增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2.連續(xù)軌跡控制 機械手運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，他的特點是設定點可以無限的整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 2. 機械手的設計方案 對電動機械手的基本要求可以快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它具快速反應、有高精度、需要一定的承載能力、靈活的自由度與足夠的工作空間及在任意位置都能自動定位等特性。 設計電動工業(yè)機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象工件作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工藝和工序，而且滿足功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取或者搬運時的尺寸，受力特性、和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的規(guī)范組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是電機工業(yè)機械手，是適合于成批或中、小批生產(chǎn)的可以改變動作順序的自動搬運或操作設備，勞動強度大和操作單調(diào)。 2.1機械手的坐標型式與自由度 按工業(yè)機械手手臂的不同運動形式和組合情況，其坐標型式可分為圓柱坐標式、直角坐標式、關節(jié)式與球坐標式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，所以，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的不足之處，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 機械手的運動示意圖 圖2-1 2.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 為了使機械手的通用性更強，把工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件變成棒料時，就可以換成夾持式手部使用; 圖2-2 2.3.機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 我們考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置的關系，因此手臂必需設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手臂我們設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)的功能。 圖2-3 2.4.機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 依照抓取工件的要求，本工業(yè)機械手的手臂要有三個自由度，即左右回轉(zhuǎn)手臂的伸縮和降或俯仰運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過模擬人的手臂通過3個軸的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的 圖2-4 2.5.機械手的驅(qū)動方案設計 由于電動傳動系統(tǒng)的反應靈敏，動作迅速和泄漏較小阻力損失，簡單，裝置和維修簡單利廉因此本機械手采用電動傳動方式來傳動。 2.6.機械手的控制方案設計 我們考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，所以我采用可編程序控制器PLC對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC順序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7.機械手的主要參數(shù) 1.工業(yè)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是我們用電動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，我們查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，所以本設計設計抓取的工件質(zhì)量為6公斤。 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。機械手動作停止過程的加、時有啟動、減速度存在用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢關系更為符合速度特性。除了運動速度之外，手臂設計的基本參數(shù)還要考慮伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。太大的伸縮行程和工作半徑，肯定會帶來偏重力矩增大而剛性降低。這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮最大工作半徑約為1900定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為2MM。 2.8. 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重: 2、自由度數(shù):5個自由度 3、坐標型式:圓柱坐標 4、最大工作半徑:1800mm 5、手臂最大中心高:1800mm 6、手臂運動參數(shù): 伸縮行程900mm 伸縮速度90°/s 升降行程900mm 回轉(zhuǎn)范圍0到150° 回轉(zhuǎn)速度 7、手肘運動參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 0到270° 回轉(zhuǎn)速度 8、底盤運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 0到270° 回轉(zhuǎn)速度90°/s 9、定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等 10、定位精度: 11、驅(qū)動方式:電動傳動 12、控制方式: 圖2-5 3. 手部結(jié)構(gòu)設計 為了使機械手的通用性更強，我們把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成了可以更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，我就使用夾持式手部:如果有實際需要，我們還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 3.1機器人手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指或手爪和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式與斜楔杠桿式等 圖3-1 3.1.1手部概述 1.手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。 2. 手部操作圖例 3. 手部組成：機身.手部.手臂（含手腕）、。手部對整個機器人完成任務的好壞起著關鍵的作用，它直接關系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。 4. 手部的設計要求： 4.1．具有足夠的夾持力。 4.2．保證適當?shù)膴A持精度：手指應能順應被夾持工件的形狀，應對被夾持工件形成所要求的約束。 4.3．考慮手部自身的大小、形狀、機構(gòu)和運動自由度：主要是根據(jù)作業(yè)對象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量、硬度和表面質(zhì)量等來綜合考慮。 4.4.智能化手部還應配有相應的傳感器：由于感知手爪和物體之間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實際工況進行調(diào)整等。 5.手指的分類 夾持式是一種最常見的方式，其中常用的有多指式與兩指式、和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式與內(nèi)漲式和外夾式兩種方式:按模仿人手手指的動作，手指可分為一是回轉(zhuǎn)型，二是回轉(zhuǎn)型和移動型或稱直進型其中以二回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一回轉(zhuǎn)型手指;同理，當點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，制造容易，應用廣泛結(jié)構(gòu)簡單，。 移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 如下圖為會轉(zhuǎn)型： 如下圖為平動型： 如圖為平移型圖例 6.經(jīng)典結(jié)構(gòu) 6.1．機械式手爪結(jié)構(gòu)： 氣動驅(qū)動手爪：氣缸驅(qū)動活塞平移→齒條移動→扇形齒輪擺動→連桿機構(gòu)擺動→手爪平動 如下圖喂氣動手爪圖例： 其它四種機械式手爪機構(gòu)： 7.手部應用實例 7.1平行指手爪機構(gòu)： 工作原理： 回轉(zhuǎn)動力源1和6驅(qū)動構(gòu)件2和5順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，通過平行四邊形機構(gòu)帶動手指3和4作平動，夾緊或釋放工件。 7.2設有檢測開關的手爪裝置： 工作原理： 手爪裝有限位開關5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的過程中，限位開關檢測手爪與工件的相對位置。當工件接觸限位開關時發(fā)信號，汽缸通過連桿3驅(qū)動指爪夾緊工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 一.具有足夠的握力即夾緊力 我確定手指的握力時，考慮工件重量外，我們還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，確保證工件不致發(fā)生松動和脫落。 二.手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度我們稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入與脫開，若夾持不同直徑的工件，我們要按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 三.保證工件準確定位 我們?yōu)槭故种负捅粖A持工件保持準確的位置，所以必需根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應對應手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V形面的手指，以便自動定心。 四.具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，所以要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自身重輕，并使手部的中心在手臂的回轉(zhuǎn)軸線上，確保使手臂的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 五.考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過對比采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點三指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成凹型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3動力設計 1.手部驅(qū)動力計算 本課題電機機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖3-2 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以 (3)實際驅(qū)動力: 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加 速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊電機驅(qū)動力要達到為。 4.1手臂伸縮結(jié)構(gòu)的尺寸設計與校核 4.1.1手臂尺寸 手臂伸縮為900mms所用電機為 90TDY060-3A:最大功率為70W 同步轉(zhuǎn)速為60R/min 最大轉(zhuǎn)矩為3600mN.m 自重3.2kg 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動范圍為270°，設計思路在0°到270°的2邊各安裝一個行程開關，或者紅外傳感器。 4.2.2 尺寸校核 長度設計為=900mm, 電機功率：P=1.732×U×I×cosφ 電機轉(zhuǎn)矩：T=9549×P/n ； 電機功率 轉(zhuǎn)矩=9550*輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩=9550*輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速 P = T*n/9550 公式推導 電機功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的關系 功率=力*速度 P=F*V---公式1 轉(zhuǎn)矩(T)=扭力(F)*作用半徑(R) 推出F=T/R ---公式2 1．測定手腕質(zhì)量為10kg,則重力 1， 設計加速度，則慣性力 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。 4.3.2 尺寸校核 1．我們測定參和手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù), 總驅(qū)動力矩 設計尺寸滿足使用要求。 致謝 通過對這次設計，讓我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時也對國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展有所了解了。根據(jù)國內(nèi)外機器人與機械手發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，也結(jié)合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的開發(fā)及應用。經(jīng)過努力，國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人以及焊接、噴涂裝配等機器人。而國外，工業(yè)機器人的發(fā)展更迅速，讓機器人化機械已經(jīng)興起。 通過這次設計，讓我綜合運用機械設計的理論與實際知識，結(jié)合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到深化和擴展，進一步鞏固、；通過設計，讓我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立了正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；讓我學會從機器功能的要求動身，合理選擇傳動機構(gòu)類型，制定設計方案，如何正確計算零件的工作能力，確定它形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、維護、使用、經(jīng)濟與平安等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到許多問題。老師的指導和一些同學的協(xié)助下，也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，但是設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真等等，希望老師給予指正。 參考文獻 1.孫桓 等主編.機械原理第六版.高等教育出版社，2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設計.??冶金工業(yè)出版社,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機器人設計與控制.?科學出版社?2004 4.鄭笑級 工業(yè)機器人技術及應用[M].??北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 5.劉慶國，劉力??編著．計算機繪圖．高等教育出版社，2003? 6.濮良貴??主編，???機械設計（第八版）.?高等教育出版社，2006 7.馬香峰??等編著，工業(yè)機械手的操作機設計.冶金工業(yè)出版，1995 8.日本機器人學??會編，機器人技術手冊.???科學出版社，1996 9.付京遜、CSG李 編，機器人學.中國科學技術出版社，1989 10.張建民?????主編，??工業(yè)機器人.?北京理工大學出版社，1987 11.[俄]IOM索爾???編，工業(yè)機器人圖冊.?機械工業(yè)出版社，1991 12.RomdhanLDesignandanalysiofahybridserial-parallelmanipul19997[10]19.熊有倫.機器人學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993. 13.JohnJCraig著.機器人學導論原書第3版[M].贠超等譯北京:機械工業(yè)出版社,2006. 14.宋偉剛．機器人機械系統(tǒng)原理、理論方法和算法[M]．沈陽：東北大學出版社，2001． 目 錄 摘要......................................................... 第一章 前言 1.1機械手概述............................................... 1.2機械手的組成和分類....................................... 1.2.1機械手的組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2.2機械手的分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第二章 機械手的設計方案 2.1機械手的坐標型式與自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.5機械手的驅(qū)動方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.6機械手的控制方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.7機械手的主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.8機械手的技術參數(shù)列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第三章 手部結(jié)構(gòu)設計 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.1手指的形狀和分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.2設計時考慮的幾個問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.3動力設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 4.1手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2手腕的驅(qū)動力矩的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設計與校核 5.1手臂伸縮部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.1.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 .1 .3導向裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 .1 .4平衡裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2手臂升降部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第六章 機械手的PLC控制設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.1可編程序控制器的選擇及工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.1.1可編程序控制器的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.1.2可編程序控制器的工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.2可編程序控制器的使用步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第七章 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 專業(yè)相關的資料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 摘 要 在設計手臂時考慮到工作要求并不高，承重也不大，所以在設計中優(yōu)先考慮用同步電機驅(qū)動，其中底盤第一軸電機選擇動力較大的馬達， 第二軸選擇力度適中的馬達第三軸選擇了力度比前2個較小的馬達，底盤考慮用壓鑄模做，因為底盤一定要重才行，否則很可能會整個機器側(cè)翻，手臂選用鈑金做，一個是考慮鈑金加工簡單，成本低，可塑性強，在軸的位置選擇用軸承來固定旋轉(zhuǎn)，固定軸承的部件用車床加工。至于手指用CNC銑出來。 在設計時第一軸底盤旋轉(zhuǎn)中才用3個齒輪傳動減速，原打算2個可是空間不允許，所以才用4:1:1的降速，第一個和第二個配合達到4:1減速作用，第二個第三個配合起到一個一比一轉(zhuǎn)速目的是為了加大空間。然后第三個齒輪上開幾個螺絲孔，用來固定轉(zhuǎn)盤。第二軸的旋轉(zhuǎn)軸固定在底盤轉(zhuǎn)盤上，選擇了一對小軸承做軸心，傳動上使用了第一齒輪直接固定在電機上來帶到第二個固定在手臂上的齒輪,達到3:1的降速。第三軸手肘部分采用跟第二軸同樣原理，只是在齒輪設計上采用的是3:2的減速配合。 。 限位方案一：才有行程開關限位，即到了極限位置后觸動開關使馬達斷電。 限位方案二：才有傳感器控制，本設計中比較適合的是光耦傳感器，即紅外發(fā)射信號，物體運動到極限位置時，發(fā)射器給接受器一個信號，傳感器接收信號后傳給控制器，使馬達停止轉(zhuǎn)動。 限位方案三：采用的是硬性限位及擋板碰撞限位，機械手臂的運動范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運動到達結(jié)構(gòu)位置之前，必須使其自動停止?？紤]到簡單方便本設計中直接用該方案。 第一章 前言 1.1 機械手概述： 機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累！機械手臂的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備，作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手機器人的一個重要分支。 種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完 成各種預期的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人和機械手機器各自的優(yōu)點. 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1.機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。 機械手組成方框圖:1-1 (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(gòu)。 1、手部: 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕: 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱: 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構(gòu): 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座: 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.2.2 .機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 第二章 機械手的設計方案 對電動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計電動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，勞動強度大和操作單調(diào) 2.1．機械手的坐標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 圖2-1 機械手的運動示意圖 2.2 .機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部; 2.3 .機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)。 2.4 .機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過模擬人的手臂通過3個軸的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。 2.5 .機械手的驅(qū)動方案設計 由于電動傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，簡單，安裝和維修簡單成本低廉因此本機械手采用電動傳動方式。 2.6 .機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 .機械手的主要參數(shù) 1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮最大工作半徑約為1800。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。 2.8. 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重: 2、自由度數(shù):5個自由度 3、坐標型式:圓柱坐標 4、最大工作半徑:1800mm 5、手臂最大中心高:1800mm 6、手臂運動參數(shù): 伸縮行程900mm 伸縮速度90°/s 升降行程900mm 回轉(zhuǎn)范圍0到150° 回轉(zhuǎn)速度 7、手肘運動參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 0到270° 回轉(zhuǎn)速度 8、底盤運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 0到270° 回轉(zhuǎn)速度90°/s 9、定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等 10、定位精度: 11、驅(qū)動方式:電動傳動 12、控制方式: 機械手臂效果圖2-6 第三章 手部結(jié)構(gòu)設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3動力設計 1、手部驅(qū)動力計算 本課題電機機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示， 蝸輪蝸桿參數(shù) 受力分析 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以 (3)實際驅(qū)動力: I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加 速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為馬達。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: 式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)電機)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., ; - 手腕回轉(zhuǎn)與定片端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量; - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量`。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s); — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm) 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則. 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () 式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù),得: 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 第五章 手臂伸縮的尺寸設計與校核 5.1手臂伸縮結(jié)構(gòu)的尺寸設計與校核 5.1.1手臂尺寸 手臂伸縮為900mms所用電機為 90TDY060-3A:最大功率為70W 同步轉(zhuǎn)速為60R/min 最大轉(zhuǎn)矩為3600mN.m 自重3.2kg 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動范圍為270°，設計思路在0°到270°的2邊各安裝一個行程開關，或者紅外傳感器。 5.2.2 尺寸校核 長度設計為=900mm, 電機功率：P=1.732×U×I×cosφ 電機轉(zhuǎn)矩：T=9549×P/n ； 電機功率 轉(zhuǎn)矩=9550*輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩=9550*輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速 P = T*n/9550 公式推導 電機功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的關系 功率=力*速度 P=F*V---公式1 轉(zhuǎn)矩(T)=扭力(F)*作用半徑(R) 推出F=T/R ---公式2 1．測定手腕質(zhì)量為10kg,則重力 1， 設計加速度，則慣性力 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。 5.3.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù), 總驅(qū)動力矩 設計尺寸滿足使用要求。 第五章 機械手的PLC控制設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 6. 1可編程序控制器的選擇及工作過程 6.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。 6.1.2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 6.2 機械手可編程序控制器控制方案 第七章 結(jié)論 1、本次設計的是電動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、采用電動傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。同時成本低廉。 3、通過對電動傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 總 結(jié) 通過這次設計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時對國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結(jié)合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的開發(fā)及應用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人以及噴涂、焊接裝配等機器人。而國外，工業(yè)機器人的發(fā)展更迅速，機器人化機械已經(jīng)興起。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結(jié)合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構(gòu)類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。 參考文獻 1.孫桓 等主編.機械原理(第六版) .高等教育出版社，2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設計. 冶金工業(yè)出版社 ,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機器人設計與控制. 科學出版社 ， 2004 4. 鄭笑級 工業(yè)機器人技術及應用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 5.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):33～42 6.劉慶國，劉力 編著．計算機繪圖．高等教育出版社， 2003 7.濮良貴 主編， 機械設計（第八版）. 高等教育出版社， 2006 8.馬香峰 等編著， 工業(yè)機械手的操作機設計. 冶金工業(yè)出版， 1995 9.日本機器人學 會編， 機器人技術手冊. 科學出版社， 1996 10.付京遜、C·S·G李 編，機器人學. 中國科學技術出版社， 1989 11.張建民 主編， 工業(yè)機器人. 北京理工大學出版社， 1987 12.[俄]IO·M索爾 編，工業(yè)機器人圖冊. 機械工業(yè)出版社， 1991 13.Huang Z.Wang J Identification of principal screw of 3-DOF parallel manipulators by quadric degeneration 2001 14.Herve J M The lie group of rigid body displacements,a fundamental tool for mechanism design 1999 15.Cai G Q.Hu M.Guo C Development and study of a new kind of 3-DOF tripod 1999(1) 16.Hunt K H Structural kinematics of in-parallel actuated robot-arms 1983(11) 17.Siciliano B Tricept robot:inverse kinematics,manipulability analysis and closed-loop direct kinematics algorithm 1999(4) 18.Romdhane L Design and analysis of a hybrid serial-parallel manipulator 1999(7) [10] 19.熊有倫. 機器人學[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1993. 20. John J Craig 著. 機器人學導論(原書第3 版)[M]. 贠超等(譯) 北京:機械工業(yè)出版社, 2006. 21.宋偉剛．機器人機械系統(tǒng)原理、理論方法和算法[M]．沈陽：東北大學出版社，2001． 參考 選材: 1. 動力: (1):第一軸底盤馬達選 90TDY060-3A:最大功率為70W 同步轉(zhuǎn)速為60R/min 最大轉(zhuǎn)矩為3600mN.m 自重3.2kg 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動范圍為270°，設計思路在0°到270°的2邊各安裝一個行程開關，或者紅外傳感器。 （2）.第二軸馬達選 90TDY060 最大功率為70W 同步轉(zhuǎn)速為60R/min 最大轉(zhuǎn)矩為2400mN.m 自重3.2kg.。 (3).第三軸馬達選 90TDY060 最大功率為70W 同步轉(zhuǎn)速為60R/min 最大轉(zhuǎn)矩為2400mN.m 自重3.2kg.。 （已知齒輪嚙合條件為模數(shù)相同，壓力角一樣，線速度一樣，角速度之比為ω1/ ω2=Z2/Z1，ω為角速度z齒數(shù)） 2. 減速設計 (1). 馬達固定齒輪A齒輪參數(shù) 模數(shù)m為1.5 齒數(shù)Z為12 分度圓直徑為18 壓力角為20°厚度s為10。 （2）. 馬達一：電機一分鐘60轉(zhuǎn)即一秒轉(zhuǎn)動360°，任務要求底盤第一轉(zhuǎn)軸每秒轉(zhuǎn)90°，所以需要配1：4減速齒輪，齒數(shù)之比為1：4：4；所以第一軸減速齒輪設計為2次減速B1 齒輪參數(shù) 模數(shù)m為1.5 齒數(shù)Z為48 分度圓直徑為 72 壓力角為20°厚度S 為10 減速B2 齒輪參數(shù) 模數(shù)m為1.5 齒數(shù)Z為48 分度圓直徑為 72 壓力角為20°厚度S 為10 （3）. 馬達二電機一秒種一轉(zhuǎn)，任務要求一秒鐘轉(zhuǎn)120°，需要配個1：3的減速齒輪齒數(shù)之比為1:3；所以第二軸減速齒輪設計為C 齒輪參數(shù) 模數(shù)m為1.5 齒數(shù)Z為36 分度圓直徑為54 壓力角為20° 厚度S為10 （4）. 馬達三電機一秒種一轉(zhuǎn)，任務要求一秒鐘轉(zhuǎn)90°，需要配個2：3的減速齒輪齒數(shù)之比為1:3；所以第三軸減速齒輪設計為D齒輪參數(shù) 模數(shù)m為1.5 齒數(shù)Z為18 分度圓直徑為27 壓力角為20°厚度S為10。 軸承 第一軸用到的軸承有： 6907ZZ 軸承 內(nèi)徑為35 外徑為55 厚度為10 6905ZZ 軸承 內(nèi)徑為25 外徑外42 厚度為9 第二軸用到的軸承有： 6902ZZ 軸承 內(nèi)徑為15 外徑為28 厚度為7