機械手模型設計及制作【教學型搬運機械手】【4個自由度】【圓柱坐標】

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編號 無錫太湖學院 畢業(yè)設計（論文） 題目： 機械手模型設計及制作 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 學 號： 　　　　 學生姓名： 指導教師： 　 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013年5月25日 I 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 機械手模型設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 學 號： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院 　信 機　系 　機械工程及自動化 　專業(yè) 畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目　　 機械手模型設計及制作 2、專題　 機械手模型設計 　 二、課題來源及選題依據 題目來源于教學產品制作。在工業(yè)上，機器人是用作運輸或操作從前屬于人工作業(yè)的一種設備，越來越多的日常事務也可以在機器人的協助下完成。教學用機械手模型，雖然不像工業(yè)機器人那么復雜，但仍包含很重要的技術成分，例如它能實現空間坐標系三根軸向上的運動。這一特征使通過多種方法控制其運動成為可能，機器人還有“夾鉗”這一非常典型的機構。 設計技術參數： 1．抓重：10千克 2．自由度數：4個自由度 3．座標型式：圓柱型座標 4．最大工作半徑：1000mm 5．手臂最大中心高：1380mm 6．手臂運動參數：伸縮行程400mm；伸縮速度50mm/s；升降行程200mm；升降速度50mm/s；回轉范圍00-2400；回轉速度900/s 7．手腕運動參數：回轉范圍 00-1800；回轉速度1800/s 8．定位精度：±0. 5mm 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： ①收集相關設備資料，進行一種四自由度機械手模型的設計制作； ②它包括總體結構、機械傳動系統和伺服控制系統。該模型具有結構簡單、控制靈活、調整方便、性能穩(wěn)定等特點； ③完成機械手模型設計，繪制產品裝配圖，建議用A0標準圖幅； ④完成非標準零件設計圖紙。建議用A3標準圖幅； ⑤設計說明書一份； ⑥翻譯8000以上外文印刷字符或譯出4000漢字以上的有關技術資料或專業(yè)文獻。 四、接受任務學生： 班 　　姓名 五、開始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　〔學科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012年11月12日 摘要 科學發(fā)展觀為我國工程技術的發(fā)展開辟了廣闊道路，而機械手作為一種高科技自動化生產設備，已經廣泛應用于國民經濟的各個領域，這就對我們的教育培訓部門提出了新的要求。因此，為了適應社會發(fā)展的形勢，在現有技術基礎上設計一臺教學型機械手有著深遠的科教意義。 本課題設計的教學型搬運機械手，主要包括機械手的總體方案設計、機械手的機械結構設計以及驅動、控制系統設計等，實現了機械手手部的四自由度運動：手臂的升降、伸縮和手腕、手臂的回轉。設計中分析了教學型機械手的功能要求和現實意義，通過氣壓缸來實現手臂的升降和伸縮，采用回轉氣壓缸來實現手腕和手臂的回轉。設計的機械手結構簡單、便于操作，在單片機的控制下完成預期的動作，能給學生以直觀的印象，達到教學演示的目的。 關鍵詞: 機械手；氣動裝置；四自由度；控制系統 37 Abstract Scientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance. The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robot's overall design, robot mechanical structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumatic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching demonstration. Keywords: Manipulator； Pneumatic device； Four Degrees of Freedom； The control system 目 錄 1 緒論 1 1.1 機械手概述 1 1.2 機械手的組成和分類 1 1.2.1 機械手的組成 1 1.2.2 機械手的分類 4 1.3 國內外發(fā)展狀況 5 1.4課題研究的主要內容 6 1.5教學用機械手的功能要求及現實意義 6 1.5.1 教學用機械手的功能要求 6 1.5.2 教學用機械手的現實意義 6 2 機械手的設計方案 7 2.1 機械手的座標型式與自由度 7 2.1.1 機械手的坐標型式 7 2.1.2 機械手的自由度 8 2.2 機械手的手部結構方案設計 8 2.3 機械手的主要參數 10 2.4 機械手的技術參數列表 11 3 機械手機械系統設計 12 3.1 手部結構設計 12 3.1.1 設計時考慮的幾個問題 12 3.1.2手爪夾持裝置的機構選型 12 3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 13 3.2手腕結構設計 17 3.2.1 手腕的自由度 18 3.2.2 手腕的驅動力矩的計算 18 3.3手臂結構設計 22 3.3.1手臂伸縮與手腕回轉部分 22 3.3.2手臂升降和回轉部分 24 3.3.3手臂升降氣缸的設計 24 3.3.4手臂回轉缸體的設計 27 4 機械手氣壓系統的設計 29 4.1氣壓傳動系統工作原理圖 29 4.2氣動元件介紹 29 5 機械手控制系統設計 33 5.1 控制系統的結構分類 33 5.2 控制方式 33 5.3機械手的控制 34 6 結論與展望 36 致謝 37 參考文獻 38 機械手模型設計及制作 1 緒論 1.1 機械手概述 機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 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、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖1-1所示。 控制系統 驅動系統 被抓取工件 執(zhí)行機構 位置檢測裝置 圖1.1機械手的組成方框圖 (1)執(zhí)行機構[1] 它包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 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部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，構件制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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:手指有外夾式和內卡式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:連桿式、凸輪式、齒輪齒條式、螺旋式和繩輪式等。 吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 2)手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調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。機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。[3] 手臂可能實現的運動如下: 手臂運動 基本運動 復合運動 直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動) 兩直線運動的組合(即平面運動) 回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉運動的組合(即空間曲面運動)。 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱和四圓柱等導向型式。 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，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。[14] 5)行走機構 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，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。[1] 6)機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。[13] (2)驅動系統 驅動系統是驅動機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。 （3）控制系統 控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成?？刂葡到y一般采用電氣控制，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給于機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(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。[12] (4)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.2.2 機械手的分類 機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。 (1)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的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，經常用在如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘加工中心”批量的自動化生產的自動換刀機械手。[6] 2)通用機械手 它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調整可在不同場合使用，驅動系統和在各性能范圍內，其動作程序是可變的，控制系統是獨立的。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品種的中小批量自動化的生產。 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:伺服型具有伺服系統定位控制系統，可以點位控制，也可以實現連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。 (2)按驅動方式分 1)液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、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動系統，可實現連續(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] 2)氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。[2] 3)機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。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。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。 4)電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。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。[6] (3)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。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。[9] 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，可以實現平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。這類機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3 國內外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。[15] (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。[9] (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。 (5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統的發(fā)展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監(jiān)控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十二五”中立于世界先進行列之中。 1.4課題研究的主要內容 本課題主要研究了國內外機械手發(fā)展的現狀，闡述了教學型機械手的功能要求和現實意義，通過對機械手工作原理的學習和了解，熟悉了機械手的運動機理。在現有機械手技術基礎上，確定了教學型搬運機械手的基本系統結構，對機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手傳動部分、執(zhí)行系統、驅動系統等系統的相關設計，并對機械手的控制技術進行了一定的闡述。 1.5教學用機械手的功能要求及現實意義 1.5.1 教學用機械手的功能要求 本次設計的機械手是一臺教學用搬運機械手，實現手部四自由度運動，完成物件的搬運工作。能通過相關的演示可以給學生直觀的印象，在這種前提和背景下，這就要求所設計的機械手達到以下目標： 1.成本低廉，必要時可以降低精度要求； 2.機械結構簡單，便于學生掌握機械手結構特點； 3.性能良好，可以較好的完成演示動作； 4.各部分結構最好方便拆卸，以便于維修保養(yǎng)。 1.5.2 教學用機械手的現實意義 科學發(fā)展觀為我國工程技術的發(fā)展開辟了廣闊道路，而機械手作為一種高科技自動化生產設備，已經廣泛應用于國民經濟的各個領域，這就對我們的教育培訓部門提出了新的要求。因此，為了適應社會發(fā)展的形勢，在現有技術基礎上設計一臺教學型機械手有著深遠的科教意義。 2 機械手的設計方案 對氣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。設計氣動機械手的原則是: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，并滿足系統功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求；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，并能實現柔性轉換和編程控制。 本次設計的機械手是一臺教學用搬運機械手，通過相關的演示可以給學生深刻的印象，在這種前提和背景下，這就要求所設計的機械手成本低廉、性能優(yōu)越、結構簡單等，必要時可以降低精度要求。 2.1 機械手的座標型式與自由度 2.1.1 機械手的坐標型式 機械手的坐標型式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構和關節(jié)型結構四種。各結構型式及其相應的特點，分別介紹如表2-1： 表2-1機械手結構簡圖 結構形式方案 特點 優(yōu)缺點 結構簡圖 1直角坐標型 操作機的手臂具有三個移動關節(jié)，其關節(jié)軸線按直角坐標配置 結構剛度較好，控制系統的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低 2圓柱坐標型 操作機的手臂至少有一個移動關節(jié)和一個回轉關節(jié)，其關節(jié)軸線按圓柱坐標系配置 結構剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高 3球坐標型 操作機的手臂具有兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)，其軸線按極坐標系配置 結構緊湊，但其控制系統的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結構較為復雜 4關節(jié)型 操作機的手臂類似人的上肢關節(jié)動作，具有三個回轉關節(jié) 運動軌跡復雜，結構最為緊湊，但控制系統的設計難度大，機械手的剛度差 初步確定選用圓柱坐標型機械手 選用圓柱坐標型運動機構的原因：因本次設計的機械手是機電一體化產品，因此在進行機械結構設計時必須兼顧控制部分的要求。直角坐標型機械手的控制系統的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低；球坐標型機械手結構緊湊，但其控制系統的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足；關節(jié)型機械手的運動軌跡復雜，結構最為緊湊，但控制系統的設計難度最大，機械手臂的剛度很差。綜合看來，圓柱坐標型機械手結構剛度較好，控制難度較小，本設計是設計一臺教學用搬運機械手，因此用于本次畢業(yè)設計的選型比較合適。 2.1.2 機械手的自由度 自由度是指描述物體運動所需的獨立運動參數的數目，三維空間需要6個自由度。所謂機械手的運動自由度是指確定一個機械手操作位置時所需的獨立運動參數的數目，它表示機械手動作的靈活程度。[5] 一般固定程序的機械手，動作比較簡單，自由度數較少。工業(yè)機器人自由度數較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機器人靠近機座的3個自由度是用來實現手臂未端的空間位置的，再用幾個自由度來定出未端執(zhí)行器的方位：7個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。 自由度的選擇也與生產要求有關，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設備構成比較復雜，工件質量輕時，機械手的自由度數可少；如果要便于產品更換，增加柔性，則機械手的自由度要多一些。 計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機械手的結構和控制，應使自由度數最少。 本設計的機械手力求結構簡單，成本低廉，因此，自由度選擇為4個自由度。 圖2.1自由度結構簡圖 2.2 機械手的手部結構方案設計 (1)手部結構的設計 夾持式手部結構由手指(手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如連桿式、凸輪式、齒輪齒條式、螺旋式和繩輪式等等。 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手指式；按手指夾持工件的部位又可以分為內卡式(或內漲式)和外夾持式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可以分為一支點回轉型、二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指；同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛；移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，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。[7] 通過綜合考慮，本設計選擇最常用的外卡式兩指鉗爪，采用齒輪齒條這種結構方式。 (2)手腕結構的設計 腕部是連接手部和手臂的部件，它有獨立的自由度，本機械手要求實現手腕的回轉，可采用具有一個自由度的回轉氣缸來驅動腕部回轉。 (3)手臂結構的設計 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、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現。 (4)驅動部分的設計 在普通的機械運動中，機械的驅動一般有氣壓傳動、液壓傳動、電機傳動等。 各種驅動方式的特點見表2-2： 表2-2 常用的驅動方式 內容 驅動方式 液壓驅動 氣動驅動 電機驅動 輸出功率 很大 大 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現高速高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現高速高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統復雜 響應速度 很高 較高 很高 結構性能 結構適當，執(zhí)行機構可標準化，模擬化，易實現直接驅動 結構適當，執(zhí)行機構可標準化，模擬化，易實現直接驅動 伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪音低，電動機一般需配置減速裝置 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000KPa（10個大氣壓）時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸或火災的危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 續(xù)表2-2 對環(huán)境的影響 液壓系統易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機械手中應用的范圍 適用于重載、低速驅動，電液伺服系統適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手 適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手，如沖壓機械手本體的氣動平衡及裝配機械手氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手，點焊機械手，弧焊機械手，裝配機械手等 成本維修及使用 液壓元件成本較高 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定的要求 成本低 方便 成本高 較復雜 由于設計的是教學用機械手，綜合考慮，本次設計選擇氣壓驅動這種驅動方式。 (5)控制部分設計方案 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用單片機對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變單片機程序即可實現，非常方便快捷。[11] 2.3 機械手的主要參數 主參數機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數，定該機械手最大抓重為10千克。故該機械手主參數定為10千克。 運動速度是機械手主要的基本參數。設計的速度過低限制了它的使用范圍，速度過高對機械手的材料等有很高的要求，而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮、回轉、升降的速度及手腕的回轉速度。 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。設計該機械手手臂升降的平均速度為0.05m/s，平均回轉速度設計為/s，伸縮平均速度為0.05m/s，手腕平均回轉速度為/s。 除了運動速度以外，手臂設計的基本參數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。所以，該機械手手臂的伸縮行程定為400mm,最大工作半徑約為1000mm。手臂回轉行程范圍定為0-。手臂升降行程定為200mm。定位精度也是基本參數之一，該機械手的定位精度為±0.5mm。 2.4 機械手的技術參數列表 一．用途:教學型機械手 二．設計技術參數: 1．抓重：10千克 2．自由度數：4個自由度 3．座標型式：圓柱型座標 4．最大工作半徑：1000mm 5．手臂最大中心高：1380mm 6．手臂運動參數 伸縮行程400mm 伸縮速度50mm/s 升降行程200mm 升降速度50mm/s 回轉范圍00-2400 回轉速度900/s 7．手腕運動參數 回轉范圍 00-1800 回轉速度1800/s 8．定位精度：±0. 5mm 9.緩沖方式：液壓緩沖器 10．傳動方式：氣壓傳動 11.控制方式：點位程序控制(采用單片機) 3 機械手機械系統設計 3.1 手部結構設計 3.1.1 設計時考慮的幾個問題 (1)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生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (2)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。 (3)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。 (4)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，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。[8] (5)考慮被抓取對象的要求 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是二支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如3.1所示。 3.1.2手爪夾持裝置的機構選型 手爪夾持裝置是一種用來抓取和握持工件的末端執(zhí)行裝置，機械于用它來夾持、移動或放置工件。夾持器可分為手爪式夾持器和非手爪式夾持器。前者是用手指夾持工件，后者是無指夾持工件，其夾持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、靜電懸浮式、鏟挖式、鉤吊式、刺穿式和粘著式等。 夾持裝置的機構類型主要有5種，見表3-1。 表中l(wèi)連桿式手爪機構有精度低，效率低，不平衡且難以實現精確的軌跡的缺點；表中2凸輪式手爪機構中凸輪在使用中磨損較大，不理想；表中4螺旋式手爪機構為移動型手爪機構，這次設計所選用的是二指回轉型手爪機構，而且所使用的單螺桿或雙頭螺桿加工和裝配的要求都太高，不適合教學型機械手；表中5繩輪式手爪機構一般都是使用電機作為驅動，將電機的旋轉運動轉變成手爪的開合運動，顯然這樣的機構沒有過載保護，要實現過載保護功能，必須在手爪上安裝受力傳感器，把受力狀況轉變成數字信號傳遞給控制系統，實時調整電機轉動狀態(tài)。這種機構需要安裝傳感器，從而使控制系統的設計變得復雜，而且由于安裝電機，使夾持部分結構重量增大，使本身就是懸臂的末節(jié)運動機構剛度變差。顯然這種機構不可取。而齒輪-齒條式手爪機構具有壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高等優(yōu)點。所以最終選用齒輪-齒條式手爪機構作為夾持裝置。 表3-1手爪夾持機構選型表 夾持機構類型 主要特點 結構簡圖 1.連桿式手爪機構 由簡單桿件構成，可把活塞的直線運動變成手指的夾持動作，夾持器工作時，卡爪作平行開合，而指端運動軌跡為一圓弧。 2.凸輪式手爪機構 當活塞左右運動時，通過凸輪和連桿的組合，實現卡爪的圓弧開合，但平行運動中摩擦阻力較大。 3.齒輪-齒條式手爪機構 當活塞桿左右運動時，活塞桿末端的齒條帶動齒輪旋轉，通過齒輪旋轉，實現手指齒條的平行運動從而實現手指的開合運動。 4.螺旋式手爪機構 機構通過馬達驅動單頭或雙頭螺桿，將電機的旋轉運動轉變成手爪的開合運動。 5.繩輪式手爪機構 該機構通過牽引繩索實現手爪的開合，若將繩輪作成非圓輪或采用鏈傳動，則機構作非均勻牽引運動。 3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 (1)手部驅動力計算 本課題設計的氣動機械手的手部結構如圖3-1所示，其工件重量G=98N，“V”形手指的角度2θ =1200，b=120mm，R=24mm, 夾持力主要來自工件與手爪部分的摩擦力，為增大摩擦，選用摩擦系數較大的橡膠作為手爪與工件接觸部分的材料。假設工件材料為鋼，查手冊可知橡膠與剛的摩擦系數為。 圖3.1齒輪齒條式手部 1)手指加在物件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷(慣性力或慣性力矩)，以使物件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對物件的夾緊力可按下式計算： 式中 ——安全系數，通常取，這里取1.5； ——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦浪? 其中 ——運載物件時重力方向的最大上升加速度； ——重力加速度，； = ——運載物件時重力方向的最大上升速度； ——系統達到最高速度的時間；根據設計參數選取，一般取。 ——方位系數，根據手指與物件形狀以及手指與物件位置不同進行選定，對于水平V形手指夾持垂直放置的圓柱形物件時,如圖3.2所示，,為摩擦系數，為V形手指半角； 2.5 ——被抓取物件所受重力()。 圖3.2水平手指抓取垂直圓柱工件圖 所以： = 2)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: = =3710N 3)實際驅動力: 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，取η=0. 94。 所以： 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為3947N。 (2)氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中:F1——活塞桿上的推力，N； Ft——彈簧反作用力，N； Fz——氣缸工作時的總阻力,N； P——氣缸工作壓力，Pa。 彈簧反作用按下式計算： 式中:Cf——彈簧剛度，N/m； l——彈簧預壓縮量，m； S——活塞行程，m； d1——彈簧鋼絲直徑，m； D1——彈簧平均直徑，m； D2——彈簧外徑，m； n——彈簧有效圈數； G——彈簧材料剪切模量，一般取G=79.4109Pa。 氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關，如運動部件慣性力，背壓阻力，密封處摩擦力等，以上因素可以載荷率的形式計入公式, 計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征，若氣缸動態(tài)參數要求較高,，且工作頻率高，氣載荷率一般??；速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數要求一般，且工作頻率低，基本是均勻運動，其載荷率可取。根據要求本次設計中，取，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關數據，可得 查表3-2，得D=80mm 由d/D=0.2—0.3，可得活塞桿直徑:d=(0.2-0.3)D=16-24mm，查表3-3，取活塞桿直徑d=18 mm 表3-2缸筒內徑系列（mm） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 注：無括號的數值為優(yōu)先選用者 表3-3活塞桿直徑系列（mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 校核，按公式 =20Mpa，=3947N 則:d≥(4×3947/π×20)=15.8mm≤18mm 滿足設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中:δ——缸筒壁厚； D——氣缸內徑； Pρ——實驗壓力，取Pρ=1.5P, Pa； 材料為:HT200,[σ]=30Mpa。 代入己知數據，則壁厚為: =80×0.75×/（2×30×106） =1㎜ 常用計算出的缸筒壁厚都相當薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往往將氣缸筒壁厚作適當加厚，且盡量選用標準內徑和壁厚。表3-4所列筒壁厚值可供參考。 表3-4氣缸筒壁厚（mm） 材料 氣缸直徑 鑄鐵HT150 50 80 100 125 160 200 250 320 壁厚 7 8 10 10 12 14 16 16 鋼Q235、45、20號無縫管 5 6 7 7 8 8 10 10 鋁合金ZL3 8--12 12--14 14--17 用的是HT200材料，所以壁厚選擇8mm。 則缸筒外徑為:D=80+8×2=96mm。 3.2手腕結構設計 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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 3.2.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整工件的方位，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軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求。目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉氣缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于3600，并且要求嚴格的密封。 3.2.2 手腕的驅動力矩的計算 (1)手腕轉動時所需的驅動力矩 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.圖3-3所示為手腕示意圖。 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: M驅= M慣+M偏+M摩+M封 ㎏㎝ 式中: M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩(㎏cm)； M慣——慣性力矩(Kgcm)； M偏——參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩(㎏㎝)； 圖3.3手碗回轉示意圖 M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(㎏cm)； M封——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (㎏cm)。 下面以圖3.3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生的慣性力矩M慣 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為ω，起動過程所用的 時間為△t，則: 若手腕轉動時的角速度為ω，起動過程所轉過的角度為△φ，則: 式中：J——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 (N㎝s2); J1——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 (N㎝s2)。 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量J1為: 式中：Jc——工件對過重心軸線的轉動慣量(N·㎝·s2): G1——工件的重量((N); e1——工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), ω——手腕轉動時的角速度(弧度/s); △t——起動過程所需的時間(S); △φ——起動過程所轉過的角度(弧度)。 2)手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏 式中：G3——手腕轉動件的重量(N); e3——手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(㎝)，當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則G1e1=0。 3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩 式中：d1d2——手腕轉動軸的軸頸直徑(cm)； f——軸承摩擦系數，對于滾動軸承f=0. 01，對于滑動軸承f=0.1； RARB——軸頸處的支承反力((N)。 4)回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖3-4所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮 氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉J氣缸的壓力p和驅動力矩M的關系為: 圖3.4 回轉氣缸簡圖 式中:M——回轉氣缸的驅動力矩((N·㎝); P——回轉氣缸的工作壓力((N·㎝); R——缸體內壁半徑(cm); r——輸出軸半徑(cm); b——動片寬度(cm)。 上述驅動力矩和壓力的關系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應代以工作壓力P1與背壓P2之差。 (2)手腕回轉缸的尺寸及其校核 1)尺寸設計 氣缸長度設計為b=100mm，氣缸內徑設計為，半徑R=48mm，軸徑，半徑R=13mm，氣缸運行角速度，加速度時間，壓強P=0.4Mpa、 則力矩 =32.6（） 2)尺寸校核 測定參與手腕轉動