敏捷制造的輕型作業(yè)單元設(shè)計機(jī)械應(yīng)用
羅杰D ·奎因，格雷格三考西
機(jī)械系和航空航天工程
弗蘭克，戴維M ·薩金特，尼古拉答B(yǎng)arendt
紐曼，維爾吉利奧Velasco
電機(jī)工程學(xué)系與應(yīng)用物理系
安迪Podgurski，菊妍喬
Leon S. Sterling, Yoohwan Kim
計算機(jī)系工程與科學(xué)
凱斯西儲大學(xué)（CWRU）
美國俄亥俄州克利夫蘭，44106
摘要：本文介紹了一種靈活的設(shè)計用于制造工作單元光機(jī)電從類似的產(chǎn)品的裝配部件（即作出部分零件）。我們定義了敏捷制造能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從裝配一個產(chǎn)品到另一個產(chǎn)品的裝配?？焖儆布D(zhuǎn)換成為可能，通過使用機(jī)器人，靈活的裝配部分，模塊化夾子機(jī)模塊化裝配硬件。依靠靈活的饋線上料皮帶和二進(jìn)制計算機(jī)視覺構(gòu)成估計。這明顯的優(yōu)勢超過nonflexible如碗飼養(yǎng)的飼養(yǎng)計劃需要大量的調(diào)整從一個轉(zhuǎn)換另一部分。正在快速轉(zhuǎn)換軟件促進(jìn)了一個真正的一次性使用的，面向?qū)ο筌浖h(huán)境，模塊化的軟件，圖形為離線模擬軟件的開發(fā)，以及創(chuàng)新的雙控制器結(jié)構(gòu)VME總線。這些靈活的功能允許將引進(jìn)新產(chǎn)品最小的停機(jī)時間和系統(tǒng)重構(gòu)。
1．簡介
1.1什么是敏捷制造？
敏捷制造是一個長期見過增加了過去幾年中，工業(yè)使用。該“敏捷“的定義，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一個制造商的措施突然的反應(yīng)能力，不可預(yù)測的變化客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)，使一利潤“1。 “今天工廠正在陸續(xù)被在裁縫敏捷貨物交給客戶的要求不停產(chǎn)..
2．敏捷制造
同化物的柔性生產(chǎn)全系列技術(shù)，以吸取的教訓(xùn)以及總質(zhì)量管理，'只是在時間的生產(chǎn)和'精益'生產(chǎn)“3。唯一的共同點(diǎn)之一各種定義是能夠制造出多種對什么可迅速為基礎(chǔ)的類似產(chǎn)品不斷變化的客戶需求。在過去，生產(chǎn)專門針對大批量單一生產(chǎn)產(chǎn)品。在今天的市場，然而，重點(diǎn)是對小批量移動從不斷變化的，客戶驅(qū)動的產(chǎn)品線。
圖1：敏捷作業(yè)單元
一個“敏捷“制造的定義已通過適用于光機(jī)電裝配產(chǎn)品：敏捷制造是有能力完成快速轉(zhuǎn)換之間的不同制造利用基本相同的組件工作單元?？焖俎D(zhuǎn)換（以小時為單位），此外，被定義為移動能力的一個產(chǎn)品，從大會
另一種產(chǎn)品裝配與最低的變化工具和軟件?？焖俎D(zhuǎn)換使生產(chǎn)小批量，讓'只是在時間'生產(chǎn)。我們的“敏捷“的定義的中心主題制造業(yè)是能夠迅速推出（按星期計算）為新的組件和部件系統(tǒng)。
在這個系統(tǒng)中，快速完成轉(zhuǎn)換通過可重復(fù)使用的軟件的使用，快速變化該機(jī)械手夾持器，模塊化工作表和部分饋線其中有足夠的彈性處理，而無需機(jī)械零件的幾種類型調(diào)整。這些饋線使用視覺，在硬地夾具，以確定位置和方向部分。通用，可重復(fù)使用的例程允許新的部分視力被添加到具有最低系統(tǒng)的努力。
一個實(shí)施一個靈活的測試平臺已開發(fā)生產(chǎn)工作單元（圖1）。這包括機(jī)械機(jī)器人，靈活的部分進(jìn)料器，視覺系統(tǒng)（攝像機(jī)，圖像采集，并庫中的圖像處理程序），以及有限傳感器和執(zhí)行器專用所需人數(shù)完成一個給定的程序集。這樣一個核心特征工作單元是一個控制器控制每一個有能力的上述組件。
該工作單元是中央輸送系統(tǒng)，這是博世實(shí)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的硬件。這是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移部分完成組裝機(jī)器人之間進(jìn)行成品和單位一卸貨機(jī)器人的機(jī)器人安裝在基座附近輸送帶系統(tǒng)。托盤與專業(yè)部件固定裝置是用來在整個集會進(jìn)行系統(tǒng)完成后，該組件將被刪除從托盤的裝卸機(jī)械。最后，安全籠包圍整個工作單元，服務(wù)保障
運(yùn)營商以及提供用于安裝的結(jié)構(gòu)開銷相機(jī)。
2.1輸送系統(tǒng)
輸送機(jī)系統(tǒng)在CWRU使用工作單元是一個模型T2的博世制造。托盤在兩個主要傳閱，輸送線。這些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盤轉(zhuǎn)移這兩者之間部分由電梯傳熱單元（LTU的）的手段。這些允許各地輸送托盤流通系統(tǒng)和重新排序能力的托盤。在系統(tǒng)托盤的每個都有一個獨(dú)特的識別號碼，使系統(tǒng)跟蹤和直接的進(jìn)展。止損是安裝在關(guān)鍵輸送機(jī)上的點(diǎn)來控制托盤的流量。這方面的一個創(chuàng)新的輸送系統(tǒng)使用的是使用短“骨刺線“。一種鞭策（圖2）是一個單純的延長輸送機(jī)，垂直為主線（類似于鐵路支線）。這允許流主輸送線，而要維持一個機(jī)器人執(zhí)行組裝在鞭策。托盤進(jìn)入一個刺激注冊在機(jī)器人的世界由一個坐標(biāo)系
臂安裝攝像頭，允許地方或機(jī)器人消除對托盤零件，避免犧牲機(jī)械登記
2.2裝配站
大會的幾個車站的布局進(jìn)行了分析在選擇最終布局。在評估了幾個每一個布局功能，包括：展示位置相對于機(jī)器人輸送機(jī)，給料機(jī)的影響相對于機(jī)器人的位置工作信封，并機(jī)器人動作一個通用大會的必要，這是確定，在圖2最適合的布局需要的工作單元。每一個裝配機(jī)器人是由兩個包圍模塊化，可移動工作臺和兩個固定喂養(yǎng)表（圖2）。模塊化表很容易交換，允許專門組裝硬件放置在機(jī)器人的工作信封。表中包含的模塊化和氣動執(zhí)行器可連接快速電傳感器，允許任何專門工具迅速變化需要一個給定的程序集。通過設(shè)計這些表是模塊化和易于交換，不同的裝配硬件可以快速入住。為了實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，模塊化工作登記表在機(jī)器人的世界坐標(biāo)在同一系統(tǒng)由于托盤的方式（即使用臂安裝攝像頭）。進(jìn)料表是固定的，與水平，partsfeeding輸送機(jī)安裝到他們。
圖2：工作站布局
輸送機(jī)的一個缺點(diǎn)/刺激系統(tǒng)，如上所述，必須充分交流的時間托盤為一個空的。在這段時間（約15秒）的機(jī)器人將可以想象無效。一簡單的解決這個問題是一個迷你倉：一夾具是位于交換部分的工作表來保存一些完成組裝。在一個托盤互換，裝配機(jī)器人可以繼續(xù)運(yùn)作而傳入的工作托盤到達(dá)時，放置在迷你倉完成組裝。后來電轉(zhuǎn)移到托盤的刺激，視覺系統(tǒng)寄存器的托盤。該機(jī)器人將當(dāng)前的大會（在其爪仍）托盤上，然后所得款項將完成從組件迷你倉的托盤。
2.3喂料機(jī)柔性件
每個支線組成（圖三傳送帶3）。第一輸送機(jī)傾斜，從電梯部件散裝料斗。第二輸送機(jī)是水平的，具有半透明帶。它傳輸?shù)綑C(jī)器人零部件，呈現(xiàn)在附近的機(jī)器人underlit節(jié)。該第三輸送機(jī)返回未使用的或不利的導(dǎo)向到大型料斗部分。
正確地運(yùn)作取決于饋線部分被取消的散裝料斗中quasisingulated方式。許多因素影響效益傾斜輸送機(jī)：對角輸送到水平方面，皮帶特性（如摩擦系數(shù)），對帶式（防滑，磁力，真空），以及線速度帶，例如。
圖3：靈活澆注系統(tǒng)示意圖
當(dāng)不同的零件，應(yīng)美聯(lián)儲，散裝料斗清空，并與新的部件填補(bǔ)。如果部分是類似的幾何形狀，進(jìn)料沒有變化系統(tǒng)通常是必要的。一些地區(qū)，如圓形或圓柱的（即那些將回滾下來傾斜）可能需要不同的腰帶，如表面，防滑一個或一個不同的角度傾斜。架空相機(jī)用于定位部件對水平輸送機(jī)。一種緊湊型熒光燈陣列燈是安裝在每個輸送機(jī)的水平。用半透明的這些燈一起輸送帶提供underlit領(lǐng)域，部分可向視覺系統(tǒng)。使用二進(jìn)制視覺工具（目前上料機(jī)由一個熟練的視覺系統(tǒng)提供）部分皮帶進(jìn)行檢查。首先，視覺系統(tǒng)會查看是否一部分是抓握（即部分承認(rèn)的是，穩(wěn)定姿態(tài)（位置和方向）和足夠的間隙之間存在的一部分，它的鄰國抓住了它爪）。第二，造成了部分在機(jī)器人的世界坐標(biāo)確定。這個姿勢，和動作與收購相關(guān)的部分，是檢查，以確保他們在機(jī)器人的工作信封。
2.4視覺系統(tǒng)
視覺系統(tǒng)的一個基本功能是確定靈活的組件構(gòu)成部分喂養(yǎng)。姿態(tài)估計是使用內(nèi)置該AdeptVision軟件功能，而且必須要快夠不干預(yù)裝配周期時間。一對視覺系統(tǒng)的第二功能是登記托盤和模塊化的工作表到機(jī)器人的世界坐標(biāo)系統(tǒng)，避免了調(diào)整的需要硬件。還有另一種可能是使用錯誤恢復(fù)，其中，該相機(jī)可以用來檢查臨界點(diǎn)在系統(tǒng)中，或在進(jìn)程內(nèi)組件。
該視覺系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CCD相機(jī)，裝配件或以上的靈活饋線或在機(jī)器人手臂。由于數(shù)字相機(jī)到AdeptVision系統(tǒng)的投入是有限的四個，一個低成本，自定義視頻多路復(fù)用器的開發(fā)，利用一單片式視頻切換器集成電路。這使得多達(dá)四臺攝像機(jī)被連接到每個視頻輸入法視頻硬件。
在與快速轉(zhuǎn)換保持理念，視覺程序設(shè)可重復(fù)使用，這是一個給定的常規(guī)，可用于定位幾個不同但相似的部分（即類似計為不對稱性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等）。這種方法有很多優(yōu)勢，包括盡量減少軟件的數(shù)量例程。此外，該軟件允許重復(fù)使用模塊化和“敏捷?！袄?，通過參數(shù)化特征例行搜查因?yàn)?，它可以適用于部分有一個類似的個人資料但屬于不同的大小。這意味著，部分與在這些類似的幾何形狀零件庫，可添加到系統(tǒng)中，只需修改檢查程序調(diào)用這些低層次的，可重復(fù)使用的例程，
2.5引進(jìn)的新零件
添加一個新的一部分，該系統(tǒng)涉及數(shù)明確任務(wù)。愿景例行這就決定了構(gòu)成的一部分，開發(fā)，利用圖書館可重復(fù)使用的視覺例程。如果新的部分似乎沒有別的地方特色，在零件圖書館，新的程序可能需要添加到軟件庫。此外，如果部分沒有被設(shè)計為使用通用零部件饋線（例如它沒有穩(wěn)定的姿勢像，缸），可能需要的饋線變更或腰帶改變傾斜角度。引人入勝還必須旨在操縱新的一部分。為了盡量減少避免了專門的硬件和工具的變化大會，手爪設(shè)計應(yīng)進(jìn)行與其他部件的設(shè)計，同時為抓手聚集在一個給定的機(jī)器人。舉例來說，如果給定操作既需要一個一個小部件和組件是一個B在第一個機(jī)器人組裝，設(shè)計人員應(yīng)手爪考慮到這一點(diǎn)
在一般情況下，最好是設(shè)計的部件和相關(guān)的硬件同時進(jìn)行。這將使最大程度地重用的軟件，以最小的變化靈活的體制和喂養(yǎng)一個強(qiáng)有力的裝配設(shè)計序列，將加強(qiáng)無人操作。這方法稱為設(shè)計制造及Assembly7，或者干脆DFMA。
3 計算機(jī)硬件/控制器設(shè)計
目前的軟件已被完全開發(fā)在V8編程語言和操作系統(tǒng)，在嫻熟的MV控制器。對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，這將是編程環(huán)境足夠的，但它缺乏動力和靈活性需要支持快速的軟件開發(fā)和轉(zhuǎn)換。這主要是因?yàn)閂+缺乏特色這是標(biāo)準(zhǔn)的其他語言和操作系統(tǒng)系統(tǒng)，如用戶定義函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和shell腳本的執(zhí)行。To circumvent these limitations, a more廣泛的控制器接口的設(shè)計工作已發(fā)展。這將允許系統(tǒng)來支持C和的C ++，并提供一個更友好，更靈活的用戶接口。此外，它將允許實(shí)時使用操作系統(tǒng)，從而簡化軟件開發(fā)和提高性能。
圖4：系統(tǒng)架構(gòu)
在這個設(shè)計中，系統(tǒng)的能力擴(kuò)大了使用除第二VME總線VME總線控制器壓（圖4）。這第二個VME總線房子的I / O板和專用??單板計算機(jī)（SBC的），對其中一個實(shí)時操作系統(tǒng)執(zhí)行C和C++程序?qū)BC的運(yùn)行的。負(fù)責(zé)所有高層次的控制和機(jī)器人運(yùn)動（例如：輸送機(jī)控制，氣動操作，指定機(jī)器人目的地），而采用壓控制器專為低級別的機(jī)器人運(yùn)動（如伺服控制和軌跡生成）和一些機(jī)視覺例程。在以后的實(shí)現(xiàn)，這是視覺處理板，也可以用在第二VME總線，從而充實(shí)了AdeptVision系統(tǒng)。兩個總線連接電纜或光纖連接。內(nèi)存所做的更改由一個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。這包括兩個內(nèi)存卡，各有一個總線，它可以由連接的
一板會自動反映，另一方面，從而允許指令和數(shù)據(jù)傳送之間兩個buses9。巴塞爾公約秘書處的地點(diǎn)可以使機(jī)器人對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想命令。這些都是宣讀了命令組服務(wù)器上運(yùn)行MV的控制器。這些服務(wù)器執(zhí)行命令并在適用時，返回相同的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)。
4 作業(yè)單元軟件
另一個軟件是一個靈活性的關(guān)鍵敏捷制造工作單元，但是，這種靈活性不來而精心設(shè)計。盡管軟件本質(zhì)上是比硬件更容易改變，結(jié)構(gòu)一個軟件系統(tǒng)可以降低，經(jīng)過反復(fù)修改，導(dǎo)致可靠性差，并增加維修費(fèi)用。在設(shè)計工作單元控制軟件方面，我們聘請軟件工程方法和工具支持的設(shè)計原則改變。特別是，我們最新的設(shè)計是面向?qū)ο螅∣O）的，也就是說，它是根據(jù)物體的識別該系統(tǒng)，這是這些實(shí)體有一個國家和一個行為。物理設(shè)備，抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)整個子系統(tǒng)建模為對象，提供，明確設(shè)定服務(wù)時，其執(zhí)行封裝和隱藏。強(qiáng)調(diào)面向?qū)ο筌浖O(shè)計減少了工作量需要引入進(jìn)入新的工作單元產(chǎn)品通過可重用的代碼。
能夠迅速引入新產(chǎn)品工作單元是至關(guān)重要的一個靈活的系統(tǒng)。對象類型或類類構(gòu)造，其中服務(wù)對應(yīng)memberfunction的定義使用C + +電話。新的類派生自現(xiàn)有通過增加的服務(wù)或通過覆蓋實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有服務(wù)。面向?qū)ο蟊阌诰S護(hù)，因?yàn)橐粋€實(shí)施類是可以改變的，而不會影響客戶端代碼，使用類的服務(wù)，因?yàn)榕缮惪梢钥捎糜谌魏涡枰母割惣纯伞３藵M足我們的要求特別是制造業(yè)中的應(yīng)用，我們希望指定軟件設(shè)計的組件，可能證明有用敏捷制造各種應(yīng)用。因此，我們試圖確定敏捷設(shè)計模式制造業(yè)。設(shè)計模式是一組溝通的對象或類，兩者代表一個可重復(fù)使用的設(shè)計元素，是適用的，經(jīng)過一番專業(yè)化，一systems10品種。到目前為止，我們已經(jīng)確定用于這種活動的設(shè)計模式整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)之間的通信元器件，零部件和組件的規(guī)定，調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)和錯誤處理。
4.1作業(yè)系統(tǒng)
該工作單元控制的最初版本軟件實(shí)施了與V+操作系統(tǒng)和編程語言提供了善于壓控制器。雖然為V +提供了足夠的設(shè)施許多機(jī)器人應(yīng)用，我們確定一個更先進(jìn)的操作系統(tǒng)和編程語言將更好地支持我們的軟件設(shè)計理念和敏捷制造的目標(biāo)。一般來說，工作單元控制涉及的號碼管理實(shí)時限制并發(fā)任務(wù)。因此，一實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）的足夠和任務(wù)調(diào)度，通信和可靠的設(shè)施同步是可取的。
4.2軟件體系結(jié)構(gòu)
該工作單元控制軟件被設(shè)計成一個層次結(jié)構(gòu)的服務(wù)器。在最高水平，工作單元控制器的服務(wù)請求人的經(jīng)營人包裝箱成品組件。在這樣做時，到托盤服務(wù)器沿著托盤輸送機(jī)馬刺之間。托盤服務(wù)器跟蹤運(yùn)動每個托盤，但工作單元控制器負(fù)責(zé)知道托盤內(nèi)容。該工作單元控制器大會的服務(wù)器，這都與要求機(jī)器人，以填補(bǔ)部分或全部組件托盤。為了滿足這些要求，大會的服務(wù)器必須部分下屬與服務(wù)器進(jìn)行通信以及與機(jī)器人和專用硬件。的部分反過來服務(wù)器必須與零件饋線和通信與視覺系統(tǒng)。一般來說，服務(wù)器的設(shè)計作為對整體工作單元一些假設(shè)如可能的結(jié)構(gòu)，使他們不敏感該結(jié)構(gòu)的變化。在適當(dāng)情況下，服務(wù)器同時運(yùn)行，例如，同時增加了一個機(jī)器人部分集會，該部分服務(wù)器嘗試設(shè)在機(jī)器人的未來預(yù)期另一部分
錯誤的處理，也是分層的。如果一臺服務(wù)器遇到一個錯誤，它首先試圖解決這個問題在當(dāng)?shù)?，例如，通過使更多的要求下屬服務(wù)器。如果失敗，服務(wù)器表明它的客戶端它無法提供所要求的服務(wù)?？蛻舳巳缓笤噲D解決這個錯誤條件。作為一個具體例如，考慮一個部分服務(wù)器無法找到一部分在其遠(yuǎn)景窗口。它會一再提前給料機(jī)和拍照。如果沒有部分是內(nèi)發(fā)現(xiàn)一一定數(shù)量的重復(fù)，將報告的部分支線大會未能服務(wù)器。如果沒有多余饋線部分，它可以調(diào)用，服務(wù)器將在大會信號發(fā)生故障的工作單元控制器。在缺乏冗余服務(wù)器的組裝問題，釷控制器將問題通知，要求經(jīng)營者人為干預(yù)。魯棒，容錯軟件必要的無人值守，操作的工作單元。4.3作業(yè)單元模擬隨著軟件開發(fā)進(jìn)展同時隨著硬件建設(shè)系統(tǒng)，可以明顯看出一個仿真硬件系統(tǒng)預(yù)計將是極為有益的。該決定是為了開始發(fā)展全面的仿真，將允許工作單元控制代碼被開發(fā)和測試，而不使用實(shí)際硬件。這允許控制軟件來編寫和調(diào)試沒有制止生產(chǎn)功能工作單元。它也非常有用，以顯示圖形硬件的響應(yīng)（圖5）特別是研究各種工作單元布局。，
圖5：TELEGRIP模擬
輸送系統(tǒng)已完全模擬。詳細(xì)的仿真機(jī)器人和遠(yuǎn)見系統(tǒng)正在開發(fā)中。仿真代碼模仿的工作單元的輸入和輸出，使為模擬透明地使用。換句話說，在代碼是用來模擬控制的工作單元是相同的代碼運(yùn)行在同一處理器板用于控制物理設(shè)備。這是一個功能強(qiáng)大的工具軟件設(shè)計中不存在任何矛盾控制與仿真代碼和實(shí)際控制代碼。這消除了移動可能移植問題從模擬到實(shí)際控制平臺
5．結(jié)論
本研究成功驗(yàn)證的關(guān)鍵問題對于一個敏捷制造工作單元的設(shè)計。柔性件饋線，機(jī)器視覺，模塊化硬件，廣泛的控制器接口，在線糾錯，圖形模擬和模塊化的軟件都一個廣泛實(shí)施的重要因素。在繼續(xù)工作，該系統(tǒng)正在擴(kuò)大模塊化的程序，包括視覺，一個實(shí)時的使用操作系統(tǒng)，面向?qū)ο缶幊?，廣泛的錯誤檢測和恢復(fù)。產(chǎn)品設(shè)計制造和裝配也將發(fā)揮關(guān)鍵作用在促進(jìn)攝食，裝配，并造成估計。
參考文獻(xiàn)
[1].P.M.Noaker。敏捷制造的搜索。制造工程，30:28-42，1993。
[2].河科默福德。靈活的工廠：個案研究。電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993..
[3].史蒂芬屬高盛和羅杰全納格爾。管理，技術(shù)和敏捷性：一個新時代的出現(xiàn)制造業(yè)。國際科技雜志管理，8（1/ 2），1993
[4].河斯特羅貝爾和A.約翰遜。靈活的工廠：案例研究。電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993。
[5].T.E.貝爾。靈活的工廠：個案研究。電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會頻譜，30:28-42，1993。
[6].大衛(wèi)邁克爾薩金特。一個計算機(jī)框架視力敏捷制造。碩士論文，案例西儲大學(xué)，1996。
[7].?布思羅伊德杜赫斯特公司產(chǎn)品裝配設(shè)計，1991年3月
[8].擅長技術(shù)公司，五+語言參考指南，11.0版，1993年6月787-9。五月。
[9].使用反射內(nèi)存來構(gòu)建高度交互式實(shí)時多處理器系統(tǒng)。 VME總線系統(tǒng)，9（3），1992。
[10].五伽馬，河頭盔，河約翰遜和J. Vlissides。設(shè)計模式，可復(fù)用面向?qū)ο筌浖?。艾迪生韋斯利，讀，碩士，1994。
致謝
這項工作得到了克利夫蘭先進(jìn)制造項目（營地）通過中心自動化和智能系統(tǒng)研究（CAISR）和學(xué)校的工程案例
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 4-DOF SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動模擬
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 078105226
學(xué) 生 姓 名 饒新龍
指 導(dǎo) 教 師 許 瑛
填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日
分 類 號
密 級
寧
畢業(yè)設(shè)計(論文)
碼垛機(jī)器人設(shè)計
所在學(xué)院
機(jī)械與電氣工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級
11機(jī)自x班
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
2015 年 3 月 31 日
摘 要
機(jī)器人碼垛機(jī)非常適合用于柔性包裝流水線，大大縮短了包裝周期時間。體積小、速度快，配有全套輔助設(shè)備（從集成式空氣與信號系統(tǒng)至抓料器）。可配套使用包裝軟件，機(jī)械方面集成簡單，編程更是十分方便。從效率上說，碼垛機(jī)器人不僅能承擔(dān)高負(fù)重，而且速度和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，碼垛
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Abstract
The robot palletizer is very suitable for the flexible packaging production line, greatly shorten the cycle time of packaging. With high precision, and excellent tracking performance of conveyor belt, whether fixed position operation, or movement in the operation, the pick and place precision are first-class. Small size, fast speed, equipped with a full set of auxiliary equipment (from the integrated air and signal system to catch feeder). Supporting the use of packaging machinery integration software, simple programming, it is very convenient. From the efficiency, palletizing robot can not only bear the high load, and the speed and quality is much higher than that of artificial.
Key Words:palletizer
目 錄
第一章 前言
1.1機(jī)械手概述...............................................1
1.2機(jī)械手組成和分類.......................................2
1.2.1機(jī)械手組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.2.2機(jī)械手分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章 機(jī)械手設(shè)計方案
2.1機(jī)械手坐標(biāo)型式與自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
2.5機(jī)械手驅(qū)動方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.6機(jī)械手控制方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
2.7機(jī)械手主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
2.8機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
3.1.1手指的形狀和分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.1.3動力設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1手腕自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
4.2手腕驅(qū)動力矩的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核
5.1手臂伸縮部分尺寸設(shè)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
5.1.1尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
5 .1 .3導(dǎo)向裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
5 .1 .4平衡裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.2手臂升降部分尺寸設(shè)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.2.1尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.3手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
5.3.1尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
第六章 機(jī)械手PLC控制設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
6.1可編程序控制器的選擇及工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
6.1.1可編程序控制器的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
6.1.2可編程序控制器的工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
6.2可編程序控制器的使用步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
第七章 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
專業(yè)相關(guān)的資料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
摘 要
設(shè)計的手臂考慮到工作要求不高，負(fù)荷量也少，所以在設(shè)計中最優(yōu)先的同步電機(jī)驅(qū)動軸電動機(jī)選擇第二，那個底盤動力大馬達(dá)，第二軸力的最初的選擇的馬達(dá)選擇的第3軸力比前兩個比較小馬達(dá)，壓鑄底盤，想模し底盤一定沉重，否則可能會翻車，整個機(jī)器臂板金，一是考慮的鈑金加工簡單，成本低，可塑性強(qiáng)，軸的位置固定旋轉(zhuǎn)，選擇用軸承固定軸承的部件用車床加工。關(guān)于用手指數(shù)控銑床。設(shè)計時第1軸底盤旋轉(zhuǎn)才3個齒輪減速，兩個但是空間和想不允許，4 : 1：降速，最初和第2共計4 : 1減速作用，第二第三的配合從1對1轉(zhuǎn)空間為目的的。然后第三個齒輪一些螺絲洞，固定電話。第二軸旋轉(zhuǎn)軸固定底盤轉(zhuǎn)盤上，選擇了，小軸承為軸，驅(qū)動被使用了的最初的齒輪固定電機(jī)直接上升第二的手臂固定齒輪，達(dá)到3：降速。第三部分和第二軸肘軸和同樣的原理只有齒輪設(shè)計上，采用的是3 : 2的減速配合。極限方案1：正是距離極限開關(guān)，即極限位置觸發(fā)馬達(dá)電源開關(guān)后。極限方案2：終于傳感器控制，本設(shè)計中比較適合的是光耦傳感器，即紅外線發(fā)射信號，物體的運(yùn)動到極限位置發(fā)射極接收機(jī)的信號傳感器接收后傳控制器、電動機(jī)的停止轉(zhuǎn)動。極限方案三：采用的是硬性限制和擋板沖突限制，機(jī)器臂運(yùn)動距離手其構(gòu)造限制，手臂的運(yùn)動服結(jié)構(gòu)位置前，其自動停止，必須讓。簡單方便考慮本設(shè)計直接那個方案。
第一章 前言
1.1 機(jī)械手概述：
機(jī)械手和手腕能模仿的幾個動作機(jī)能，有一定的程序，搬運(yùn)抓取物件和操作工具的自動操縱裝置。機(jī)械手最早工業(yè)機(jī)器人，最早是現(xiàn)代機(jī)器人，它可以代替人的繁重的勞動生產(chǎn)機(jī)械化，自動化，有害環(huán)境下的操作是保護(hù)人身安全，廣泛的機(jī)械制造、冶金、電力的孩子，輕工和原子力等部門。
現(xiàn)在的生活，科學(xué)技術(shù)日新月益的進(jìn)展，機(jī)器人和人的手臂的最大的不同是溫柔與堅強(qiáng)。也就是說機(jī)械手的最大優(yōu)點(diǎn)重復(fù)同樣的動作機(jī)器的正常情況下永遠(yuǎn)也不累！機(jī)械手臂也越來越廣泛應(yīng)用，機(jī)械手這幾十年的發(fā)展的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，工作環(huán)境的精度和工作能力。工業(yè)機(jī)械手機(jī)器人的重要轉(zhuǎn)折。
根據(jù)種類的不同，驅(qū)動方式可分為液壓式，氣動式，電動式，機(jī)械式。特征是通過編程結(jié)束了各種各樣的預(yù)期的作業(yè)，結(jié)構(gòu)和功能兼?zhèn)涞娜撕蜋C(jī)械的各自的長處手機(jī)器。
1.2 機(jī)械手組成和分類
1.2.1.機(jī)械手組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)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(guān)系如方框圖2-1所示。
機(jī)械手組成方框圖:1-1
(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
1，手：
即物件的接觸的零件。物件的形狀不同而接觸，可分為支持式和吸附式手本課題采用支持式手部構(gòu)造。支持式手部（手手指或指甲）和傳力機(jī)關(guān)構(gòu)成。手指和直接接觸部件的物件，是常用的手指的運(yùn)動形式旋轉(zhuǎn)型和移動型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，所以廣泛應(yīng)用。平移型應(yīng)用少，其原因是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但移動型手指支持圓形零部件的時候，工作直徑變化其軸的位置，為了不影響，適當(dāng)?shù)闹С种睆阶兓嚯x大的工作。手指的構(gòu)造來抓住物件的表面形狀，被逮捕的部位（外形和內(nèi)孔）和物件的重量和尺寸。常用的手指形狀的平面，V方面和曲面的：手指有外夾式和內(nèi)支持式；指數(shù)和雙式，多指式和雙手雙和式等。然后傳力機(jī)構(gòu)，手指發(fā)生夾緊力夾物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時常用的：射門杠桿式，連桿杠桿式，斜面杠桿式、齒條和amp；小齒輪式、螺絲螺母彈簧式和重力式等。
2，手腕：
連接部是手和手腕零件可以使用調(diào)整抓住物件的方位（即姿勢）
3，手臂：
支承臂被抓的物件，手和手腕重要部件。手臂的作用是手指抓取物件預(yù)定要求搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手手腕是通常的驅(qū)動手臂運(yùn)動的零件（例如缸，汽缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，鏈接機(jī)構(gòu)，螺旋的機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）和驅(qū)動源（例如液壓，氣壓和電機(jī)等）合起，手腕動作，實(shí)現(xiàn)。
4，柱：
柱子支承臂零件，柱子也手臂的一部分，手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降（或間距）運(yùn)動柱有著密切的關(guān)系。機(jī)械手立I的工作需要，有時也橫移動，也就是被稱為移動式柱。
5，行車裝置：
本工業(yè)機(jī)械手完成的應(yīng)該是遠(yuǎn)程操作，或使用距離擴(kuò)大，機(jī)械基礎(chǔ)不安走盤式機(jī)關(guān)裝運(yùn)車輪鐵軌等裝置，行駛實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手機(jī)械運(yùn)動。盤式布路面和無軌的2種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動又增設(shè)機(jī)械傳動裝置。
6，皮帶驅(qū)動：
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
常用的驅(qū)動系統(tǒng)液壓傳動，空氣傳動，機(jī)械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手規(guī)定要求的運(yùn)動的系統(tǒng)?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)和電定位（或機(jī)械塊定位）系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)，電氣控制和流體控制兩種，它的支配著機(jī)械手規(guī)定的程序運(yùn)動，
（2）的控制系統(tǒng)
現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)和電定位（或機(jī)械塊定位）系統(tǒng)構(gòu)成。
1.2.2 .機(jī)械手分類
（1）用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手與手的2種類通用機(jī)械：
1，專用機(jī)械手
那是附屬實(shí)體，一定的程序獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。
2，通用機(jī)械手
它是一種獨(dú)立控制系統(tǒng)的程序的動作，變數(shù)，靈活多樣的機(jī)械手。性能的距離內(nèi)，其變量的行動程序，不同的場合使用調(diào)整，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是一個獨(dú)立的。
（二）驅(qū)動方式分
1，液壓傳動手
液壓驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)關(guān)的壓力的運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：幾百公里以上重，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動作機(jī)敏。
2，氣壓傳動手
壓縮空氣的壓力驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)關(guān)的運(yùn)動的機(jī)械手。
3，機(jī)械傳動手
即機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)（例如，凸輪，連桿、齒輪機(jī)架或間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬的專用機(jī)械手工的主機(jī)，機(jī)床，其動力傳輸?shù)摹Ｋ闹饕攸c(diǎn)是正確的信賴的工作中使用的運(yùn)動，主機(jī)上，材料。工作頻率很大，但結(jié)構(gòu)較大，行動程序不可變。
4，電力傳動手
即特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)，線性馬達(dá)和電力步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)關(guān)從手中的運(yùn)動機(jī)械，中間的轉(zhuǎn)換器，所以不必，機(jī)械的構(gòu)造簡單。其中的線性馬達(dá)機(jī)器人的運(yùn)動速度快和距離長，維護(hù)和方便。這個機(jī)器的手還不多，但是有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
1，時候控制它的運(yùn)動空間點(diǎn)時間之間的移動，只控制運(yùn)動過程中一些位置控制不了時，其運(yùn)動軌跡。若欲望控制的點(diǎn)，必然的增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手。
2，連續(xù)軌跡控制其運(yùn)動軌跡空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定時無限的移動，整個過程控制下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和正確的運(yùn)動，并且使用距離廣，電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜。這一種工業(yè)機(jī)械手一般小型計算機(jī)控制。
第二章 機(jī)械手設(shè)計方案
機(jī)械手基本要求是快速、準(zhǔn)確地拾-搬運(yùn)和公寓，在這種情況下，它們的高精度，快速反應(yīng)，有一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及任何位置也自動定位等特性。電器機(jī)械設(shè)計手的原則是：充分分析作業(yè)對象（工作）的工作的技術(shù)要求籌劃最合理的作業(yè)工程和技術(shù)，并滿足系統(tǒng)功能的要求和環(huán)境條件構(gòu)造的形狀和材料的特性，定位精度要求，自由泳，搬運(yùn)時的力量接受，尺寸和質(zhì)量特性參數(shù)等，并且被確定，機(jī)械手構(gòu)造及運(yùn)行控制的要求。盡量使用定型的標(biāo)準(zhǔn)模塊，簡化的設(shè)計，制造過程，兼顧通用性和專用性實(shí)現(xiàn)的柔性轉(zhuǎn)換程序控制。此次的設(shè)計的機(jī)械手通用氣壓準(zhǔn)備機(jī)械手，是一種適合批及中，少量生產(chǎn)的，不改變能行動程序自動運(yùn)送和操作設(shè)備，勞動強(qiáng)度和操作單調(diào)
2.1．機(jī)械手坐標(biāo)型式與自由度
手手臂的不同的機(jī)械運(yùn)動形式的組合的情況，那個坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式圓柱座標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。這個機(jī)器的手，訓(xùn)練的時候手臂升降，收縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動采用，因此，圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手3個的自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動距離小規(guī)模的缺點(diǎn)，手臂增加增加揮桿機(jī)構(gòu)的胳膊的擺動的自由度
2.2 .機(jī)械手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
為了獲得機(jī)械通用性強(qiáng)，機(jī)械手部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以變更構(gòu)造，工作是棒時使用支持式手，
2.3 .機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
手考慮機(jī)械通用性，又抓住工作水平放置，所以我們必須手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動工作要求的。所以，手腕轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。
2.4 .機(jī)械手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
自由泳要求工作，本機(jī)器手腕是3個的自由度，即手臂的伸縮，左右的旋轉(zhuǎn)和降（或間距）運(yùn)動。手臂的旋轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動通過人的手臂模擬3軸旋轉(zhuǎn)的通過實(shí)現(xiàn)的。
2.5 .機(jī)械手驅(qū)動方案設(shè)計
電力驅(qū)動系統(tǒng)的動作而迅速，敏感反應(yīng)，抵抗的損失和泄漏小，簡單，簡單的安裝與維護(hù)成本低，所以手電力驅(qū)動方式機(jī)械。
2.6 .機(jī)械手控制方案設(shè)計
機(jī)械通用性考慮著你的手，同時使用時位控制采用，所以可編程控制器（PLC）機(jī)械控制。機(jī)械手的動作流動變化的時候，PLC程序只改變實(shí)現(xiàn)，非常方便。
2.7 .機(jī)械手的主要參數(shù)
一手抓機(jī)器最大重是其規(guī)格的主要參數(shù)，氣壓驅(qū)動方式，所以思考抓取物體太重了，調(diào)查相關(guān)機(jī)器手參數(shù)，結(jié)合的工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計工作的質(zhì)量爬泳5公里
基本參數(shù)運(yùn)動速度機(jī)械手主要基本參數(shù)。操作手的節(jié)奏機(jī)械設(shè)計速度速度要求，限制其使用距離低。然后影響機(jī)械手動作速度的主要原因是手臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)速度。手機(jī)械的動作時啟動，停止過程的加減速存在，速度距離曲線說明速度特性比較全面的，所以平均速度和日程，已故的平均速度顯示速度的速度更適合速度特性。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)也伸縮日程和工作半徑。大部分的機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐或站著一點(diǎn)點(diǎn)操作的空間里走。大的伸縮日程和工作半徑，必然偏重增大剛性力矩。在這種情況下宜自動傳輸裝置好。統(tǒng)計相比，這個機(jī)器的手腕伸縮最大工作半徑約1800。定位精度也基本參數(shù)的一個。這臺機(jī)械手定位精度。
2.8. 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于自動輸送線的上下料。
二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):
1、抓重:
2、自由度數(shù):5個自由度
3、坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo)
4、最大工作半徑:1800mm
5、手臂最大中心高:1800mm
6、手臂運(yùn)動參數(shù): 伸縮距離900mm
伸縮速度90°/s
升降距離900mm
回轉(zhuǎn)距離0到150°
回轉(zhuǎn)速度
7、手肘運(yùn)動參數(shù): 回轉(zhuǎn)距離 0到270°
回轉(zhuǎn)速度
8、底盤運(yùn)動參數(shù)：回轉(zhuǎn)距離 0到270°
回轉(zhuǎn)速度90°/s
9、定位方式:距離開關(guān)或可調(diào)機(jī)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(jī)械手臂效果圖2-6
第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)
支持式是最常見的一種，其中常用的2，式，多指式和雙手雙和式：手指支持工作的部位可分為內(nèi)卡帶（或內(nèi)膨脹式）和外別針式的2種：模仿人手上，手指的活動手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型（或是直線型），其中兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型基本型式。
3.1.1手指的形狀和分類
支持式是最常見的一種，其中常用的2，式，多指式和雙手雙和式：手指支持工作的部位可分為內(nèi)卡帶（或內(nèi)膨脹式）和外別針式的2種：模仿人手上，手指的活動手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型（或是直線型），其中兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型基本型式。
3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題
（一）具有腳夠的握力（即夾緊力）
在確定手指握力，除考慮重量外，還考慮傳送過程中產(chǎn)生性力和振動，保證工件不產(chǎn)生松動。
（二）手指間應(yīng)具有一定的開閉角
應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度度的要求。
（三）保證工件準(zhǔn)確定位
翻譯圓柱形工件采用帶“V”形方面的手指，以航班自動定心。
（四）
根據(jù)桌子桌子機(jī)械手工作需求，通過比較，我們采用的桌子桌子機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)是一次轉(zhuǎn)型支點(diǎn)兩指，由于工件多為圓柱形狀，已故的手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
3.1.3動力設(shè)計
1、手部驅(qū)動力計算
本課題電機(jī)機(jī)械手手部結(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(shí)際驅(qū)動力:
I,因?yàn)閭髁C(jī)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(shè)計
4.1 手腕自由度
手臂手和手腕連接部件，其作用的調(diào)整和工作的方向改變的，因此它是獨(dú)立的自由度的機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作求。手臂的自由度的選擇和機(jī)械手通用性，加工技術(shù)要求放下工作方位和定位精度等很多因素有關(guān)。這個機(jī)器的手抓住工作水平，同時考慮放在通用性，所以轉(zhuǎn)動手臂設(shè)置x軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動工作要求的現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的是旋轉(zhuǎn)油（氣）缸，因此我們使用旋轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，旋轉(zhuǎn)角度，并且嚴(yán)格的貼紙。
4. 2手腕驅(qū)動力矩的計算
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
手臂的旋轉(zhuǎn)，上下左右擺動的同時旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳動扭矩必須克服時的手腕啟動時產(chǎn)生的慣性力矩，手腕上的旋轉(zhuǎn)軸與支持加的摩擦阻力力矩，動片內(nèi)徑，定片帽等密封裝置摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)力矩件中心旋轉(zhuǎn)軸重疊的偏重力矩.圖4—1顯示的是手腕應(yīng)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(jī))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(yùn)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(yùn)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(dāng)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(shè)計與校核
5.1手臂伸縮結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計與校核
5.1.1手臂尺寸
手臂伸縮為900mms所用電機(jī)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)動距離為270°，設(shè)計思路在0°到270°的2邊各安裝一個距離開關(guān)，或者紅外傳感器。
5.2.2 尺寸校核
長度設(shè)計為=900mm,
電機(jī)功率：P=1.732×U×I×cosφ
電機(jī)轉(zhuǎn)矩：T=9549×P/n ；
電機(jī)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(dǎo)
電機(jī)功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的關(guān)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(shè)計加速度，則慣性力
總受力
所以設(shè)計尺寸符合實(shí)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(shè)定摩擦系數(shù),
總驅(qū)動力矩
設(shè)計尺寸滿足使用要求。
第五章 機(jī)械手PLC控制設(shè)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
考慮到機(jī)械手通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
6.1.2 可編程序控制器的工作過程
可編程控制器實(shí)施，通過各種各樣的用戶程序控制完成任務(wù)。因此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程4個階段，可分為。
第一階段是初始化處理。
可編程控制器的輸入端子直接與主機(jī)CPU相連，輸入輸出狀態(tài)的詢問，輸入輸出模式寄存器來說。輸入輸出模式寄存器別名I / 0狀態(tài)表。這個表的專業(yè)保管輸入輸出狀態(tài)信息的記憶領(lǐng)域。那個保存輸入狀態(tài)信息的內(nèi)存和輸入狀態(tài)寄存器；保管輸出狀態(tài)信息的內(nèi)存和輸出模式寄存器。開機(jī)CPU，首先I / 0狀態(tài)表復(fù)位，自我診斷。工作確認(rèn)其硬件正常后，進(jìn)入下一個階段。
第二階段，輸入信號處理階段。
輸入信號處理階段，CPU對輸入狀態(tài)掃描，各自的輸入端子獲得的狀態(tài)信息送到I / 0狀態(tài)表保管。同樣的掃描周期，各自的輸入時的狀態(tài)I / 0狀態(tài)表來維持，各自的輸入端子不接受信號的變化的影響所造成的混亂，因此不能運(yùn)算結(jié)果，這個周期用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段程序處理階段。
輸入狀態(tài)信息全部的I / 0狀態(tài)表后，CPU工作第三階段進(jìn)入。在這一階段，可編程控制器用戶程序順次掃描，各I / 0狀態(tài)和關(guān)系運(yùn)算處理指令進(jìn)行最后的結(jié)果寫入的I / 0狀態(tài)表狀態(tài)輸出寄存器。
第四階段是輸出處理階段。
段CPU對用戶程序是掃描處理完成，運(yùn)算結(jié)果寫入的I / 0狀態(tài)表狀態(tài)寄存器。這個時候的輸入信號輸出模式寄存器中取出，送到輸出閂鎖電路，驅(qū)動功率繼電器線圈的罪，控制設(shè)備的各種各樣的相應(yīng)的動作。然后，CPU執(zhí)行下面循環(huán)的掃描周期。
6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案
第七章 結(jié)論
1，本次設(shè)計的電通用機(jī)械手，對專用機(jī)械手，通用機(jī)械手自由次可變，控制程序可以調(diào)節(jié)，所以更廣泛適用面。
2，電力驅(qū)動采用，快，敏感，能實(shí)現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)，容易自動控制。作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性好，環(huán)境的變化的影響是不傳動和控制性能。同時成本低廉。
3，電力驅(qū)動系統(tǒng)通過工作原理圖的參數(shù)化描繪，大大地描畫速度，節(jié)省了大量的時間和為了避免不必要的重復(fù)勞動，同時做到了圖紙統(tǒng)一。
4，機(jī)械手PLC控制，采用信賴性高，靈活改變程序等的長處也進(jìn)行時間控制的距離都控制和混合動力控制，PLC程序設(shè)定。根據(jù)機(jī)械手動作順序程序修改，機(jī)械手通用性強(qiáng)。
總 結(jié)
畢業(yè)設(shè)計也接近尾聲了，也意味我在大學(xué)的生活就要劃上一個句號?；剡^頭來看看自己做設(shè)計的過程，也有很多體會。助推器的助推方案不斷推倒，不斷重建。也讓我對專業(yè)技能有了更深的了解。
首先，誠摯感謝我的指導(dǎo)老師。每當(dāng)我有不懂的問題的時候，老師總是耐心為我解答，而且解答地很詳細(xì)，讓我對下一步的工作有了清晰的認(rèn)識。在我沒有頭緒的時候，老師總是適時地提出自己的建議，循循善誘，給我思考的空間，鍛煉了我的專業(yè)思維。老師總是抽出自己的時間來督促我論文的進(jìn)度，這是很無私的。在此，向老師表示崇高的謝意！
感謝四年來同學(xué)、老師的陪伴，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴暮蛯氋F的建議，有了他們的支持和鼓勵，才讓我度過了四年充實(shí)的大學(xué)生活。
參考文獻(xiàn)
1.孫桓 等主編.機(jī)械原理(第六版) .高等教育出版社，2001
2.馬香峰 主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計. 冶金工業(yè)出版社 ,1996
3.宗光華 張慧慧譯.機(jī)器人設(shè)計與控制. 科學(xué)出版社 ， 2004
4. 鄭笑級 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)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(jī)繪圖．高等教育出版社， 2003
7.濮良貴 主編， 機(jī)械設(shè)計（第八版）. 高等教育出版社， 2006
8.馬香峰 等編著， 工業(yè)機(jī)械手操作機(jī)設(shè)計. 冶金工業(yè)出版， 1995
9.日本機(jī)器人學(xué) 會編， 機(jī)器人技術(shù)手冊. 科學(xué)出版社， 1996
10.付京遜、C·S·G李 編，機(jī)器人學(xué). 中國科學(xué)技術(shù)出版社， 1989
11.張建民 主編， 工業(yè)機(jī)器人. 北京理工大學(xué)出版社， 1987
12.[俄]IO·M索爾 編，工業(yè)機(jī)器人圖冊. 機(jī)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(jī)器人學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.
20. John J Craig 著. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論(原書第3 版)[M]. 贠超等(譯) 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.
21.宋偉剛．機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理、理論方法和算法[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，2001．
參考
選材:
1. 動力:
(1):第一軸底盤馬達(dá)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)動距離為270°，設(shè)計思路在0°到270°的2邊各安裝一個距離開關(guān)，或者紅外傳感器。
（2）.第二軸馬達(dá)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(dá)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(shè)計
(1). 馬達(dá)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(dá)一：電機(jī)一分鐘60轉(zhuǎn)即一秒轉(zhuǎn)動360°，任務(wù)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(shè)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(dá)二電機(jī)一秒種一轉(zhuǎn)，任務(wù)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(shè)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(dá)三電機(jī)一秒種一轉(zhuǎn)，任務(wù)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(shè)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。