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編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 門架式專用工業(yè)機械手設(shè)計 The designing of a machinery manipulator on a doorframe 學 生 姓 名 專 業(yè) 機械電子工程 學 號 指 導 教 師 分 院 機電工程分院 2012 年 6 月 摘 要 本文以“門架式專用工業(yè)機械手設(shè)計”為題目，設(shè)計了一個多自由度固定 機械手，使其具有水平旋轉(zhuǎn)、上下擺動、并抓取一組物體等功能。 在先期工作中，對機械手進行功能原理分解。設(shè)計可行性方案并進行對比， 選出最優(yōu)方案。本文的重點有二個方面： 文中設(shè)計了機械手的機械結(jié)構(gòu)部分，使用 CAD 和 CATIA 完成機械手的總 體裝配圖和非標零件的設(shè)計，并結(jié)合力學知識對各非標零件進行校核計算。其 中包括外觀改進和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 結(jié)合設(shè)計參數(shù)和實踐需要，對機械手的傳動方案——液壓傳動進行設(shè)計， 運用 CAD 繪制原理圖。結(jié)合機械實體結(jié)構(gòu)布置液壓系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：微型件 機械手 門架式 ABTRACT This paper takes the project “The designing of a machinery manipulator for auto polishing of miniature parts” as the study background, designs a fixed manipulator which it has freedom 11.The manipulator has some functions, that it can turn in horizontal plane, swing in vertical plane and capture many miniature parts. In the authors prior work, the manipulator of function is decomposed. Some of reasonable plans are designed. They are contrasted and the best plan is took. The focus of the paper is on three aspects: At first, this paper designs the manipulator of machinery structure, use CAD and CATIA to finishes its Auto CAD and non-standard parts in mechanics. This part of the paper is consist of outward appearance and machinery construction, that they are improved and optimized. The second, the paper designs a plan of manipulator’s transmission----hydraulic pressure transmission by parameters of design and practice of demand and finishes the schematic diagram in CAD. The system of hydraulic pressure is designed according the machinery structure. At last, the paper finally puts forward the electric control strategy of the manipulator, and use the CAD and CATIA to finish the schematic diagram of electric control. Keywords: Miniature parts Manipulator Polishing 目錄 緒 論 ............................................................................................................................1 1 機械手發(fā)展狀況 ..................................................1 2 課題背景及研究意義 ..............................................1 第一章 設(shè)計任務及方案評價 ......................................................................................3 1.1 設(shè)計目標與功能原理分析 ........................................3 1.2 機械手的配置和工作原理 ........................................3 1.3 解決原理 ......................................................4 1.4 方案的分析和決策 ..............................................5 第二章 結(jié)構(gòu)評價設(shè)計 ..................................................................................................7 2.1 門架式專用工業(yè)機械手總體方案 ..................................7 2.2 機械手的部件設(shè)計 ..............................................8 2.2.1 機械手的機架設(shè)計 ........................................................................................8 2.2.2 小車的設(shè)計 ..................................................................................................10 2.2.3 機械手臂 ......................................................................................................12 2.2.4 夾持器設(shè)計 ..................................................................................................13 第三章 部件計算與校核 ............................................................................................15 3.1 橫梁的計算 ...................................................15 3.2 小車計算 .....................................................17 3.2.1 小車速度計算 .............................................................................................17 3.2.2 小車精度計算 .............................................................................................17 3.2.3 小車電機功率計算 .....................................................................................18 3.2.4 小車零件計算 .............................................................................................18 3.3 手臂計算 .....................................................21 3.3.1 手臂汽缸計算 .............................................................................................21 3.3.2 手手腕處擺動減速電機計算 .....................................................................21 3.4 夾持器計算 ...................................................24 第四章 氣動原理設(shè)計 ................................................................................................28 4.1 驅(qū)動方式 .....................................................28 4.2 工作原理 .....................................................28 4.2.1 手臂升降汽缸 ..............................................................................................28 4.2.2 手臂回轉(zhuǎn)汽缸 ..............................................................................................29 4.2.3 夾緊缸 ..........................................................................................................30 4.2.4 氣源處理 ......................................................................................................30 第五章 機械手的控制設(shè)計 ........................................................................................32 I 5.1 基本設(shè)計思路 .................................................32 5.2 單片機的選擇 .................................................32 5.3 驅(qū)動芯片的選擇 ...............................................34 5.4 流程圖 .......................................................36 5.5 匯編程序 .....................................................37 總結(jié) ..............................................................................................................................40 參考文獻 ......................................................................................................................41 致 謝 ..........................................................................................................................42 0 緒 論 1 機械手發(fā)展狀況 機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。機械手又稱為自動手，auto hand。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。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。 1948 年諾伯特·維納出版《控制論》 ，闡述了機器人中的通信和控制機能與人的神 經(jīng)，感覺機能的共同規(guī)律，率先提出從計算機為核心的自動化工廠。1954 年，美國科 學家 George Devol 取得了附有重放記憶裝置的第一臺機械手的專利權(quán)，該設(shè)備能執(zhí)行 從一點到另一點的受控運動(即點一點運動)，這被認為是“機器人時代”的開始。五 年后，George Devol 與美國發(fā)明家約瑟夫 ·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器。 [1]隨 后，成立世界上第一家機器人制造工廠—vnimqtion 公司，由于英格伯格對工業(yè)機器 人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“機器人之父” 。1970 年，機器人學界早期的改革家之 一，Victor Schenman 在斯坦福大學演示了一種計算機控制的工業(yè)機械手，這就是非常 著名的斯坦福機械手。它非常先進，技術(shù)很復雜，迄今還被很多研究中心使用。70 年 代以后，機械手和以機械手為核心的自動化設(shè)備在工業(yè)發(fā)達國家，尤其在日本，有了 廣泛的應用。由工業(yè)機械手與其它設(shè)備組成的生產(chǎn)線極大的提高了企業(yè)的勞動生產(chǎn)率， 提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。這些應用在很大程度上激 發(fā)了人們對機械手的研究和開發(fā)，它的技術(shù)也因此取得了長足的進步。到了 80 年代， 人們?yōu)榱俗寵C器人技術(shù)向各行各業(yè)擴展、應用，于是有了用于社會服務、海洋開發(fā)、 宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、救災搶險等領(lǐng)域的機器人。應用于這些領(lǐng)域的機器 人，絕大多數(shù)都是由機械手和與之對應的安裝平臺組成的。上世紀 90 年代，隨著計 算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等的快速發(fā)展和它們之間的相互整合，機械手技術(shù) 得到了飛速發(fā)展。再到一直到 2006 年 6 月，微軟公司推出 microsoft robotics studio，機器人模塊化，平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人 很快將席卷全球。經(jīng)過了 40 年的發(fā)展，現(xiàn)在全世界已裝備了 90 余萬臺工業(yè)機器人， 種類達數(shù)十種，他們有許多領(lǐng)域為人類的生產(chǎn)和人活服務。 2 課題背景及研究意義 機械手的發(fā)展已有近 400 年的歷史了?，F(xiàn)在全世界已有近 100 萬臺機械手在運行， 機械手對國民經(jīng)濟和人民生活的各個方面，已產(chǎn)生重要的影響 5 機械手技術(shù)已成為當 1 今主導技術(shù)之一。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展，機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動 化的各個行業(yè)。 工業(yè)機械手人又稱通用自動機械手， 是一種“獨立”的可變程序的自動機械手 [2]。 它是在五十年代末期出現(xiàn)， 近年來才迅速發(fā)展起來的重要自動化裝置， 現(xiàn)已成為實 現(xiàn)工業(yè)自動化的一種重要手段。拋光作業(yè)是一種非常艱苦的勞動。操作者總是處于噪 音大，粉塵多的環(huán)境中。操作者總是技術(shù)熟練的老工人，也是必存在老齡化的問題。 也給企業(yè)帶來人手不足的問題。另外，隨著技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)標準越來越高，零件 越來越小，精度越來越高，手工藝不能滿足其要求，此時 工業(yè)機械手開始發(fā)揮其潛能，并占有越來越重要的地位。 本課題設(shè)計的是機加自動線機械手，主要用于機床的上料卸料動作，例如在六角 車床上。 手臂要求承載能力 20KG，手臂數(shù)量 2，自由度 9，小車左右行程 3500mm，手臂 最大垂直行程 630mm，手臂擺動范圍 30°。手腕轉(zhuǎn)角 90°。線位移最高速度：小車 1.2m/s，手臂 0.5m/s，最大角位移速度：手腕轉(zhuǎn)動 90°/S，手腕擺動 90°/S，夾持器轉(zhuǎn) 動 90°/S。驅(qū)動方式：機電，氣壓。 本課題研究不僅能大幅降低加工成本，還能顯著提高微型件的表面質(zhì)量。因此將 機器人應用于微型件加工替代手工操作前景廣闊，不僅能大幅度提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn) 品質(zhì)量，而且還能解決熟練勞動力的短缺問題。 2 第一章 設(shè)計任務及方案評價 1.1 設(shè)計目標與功能原理分析 由于原理方案設(shè)計是機械手產(chǎn)品設(shè)計的第一步，是對產(chǎn)品成敗、好壞起決定性的 作用的工作，所以必須慎重。 可以從以下方面來考慮 能量方面、安全方面、人機工程方面、運動方面、創(chuàng)造方面、檢查方面、作用方 面、裝配方面、運輸方面、使用方面、材料方面、維修及回收方面、幾何關(guān)系方面、 費用方面、驅(qū)動方面、執(zhí)行方面、設(shè)計期限方面 1.功能分析 (1) 明確功能目標 對所要求功能抽象化后，將系統(tǒng)功能合理的分成幾組，以便設(shè)計需要。 (2) 功能組合 功能分解為功能組合提供了組合元素，功能組和的目的是形成多種形成以達到設(shè) 計功能目標的集合化，即功能結(jié)構(gòu)。顯然功能結(jié)構(gòu)形成的多樣性與功能分解的合理與 否有很大的聯(lián)系 [6]。 2.尋找解決方案原理 解決原理在機械設(shè)計及方法中又叫原理作用，所謂作用原理基本上就是把物理學 中的物理效應體現(xiàn)在機械原理中的機構(gòu)上，達到完成設(shè)計任務的目的。尋找作用原理 目的，就是要找到一種物理效應，并將其與合理的機構(gòu)最終形成解決問題的方案。 改變物理效應，改變幾何特征都能獲得實現(xiàn)某一功能的解決原理，大多數(shù)的設(shè)計 中，參考已有資料，從物理效應著手尋找解決原理，利用表格和機械原理簡圖表達出 來。 3.原理組合 根據(jù)功能結(jié)構(gòu)把尋找到的作用原理。組合在一起，形成實現(xiàn)總功能的各種功能原 理方案。 4.方案評價 在所中介的各個方案中，通過各方面要求進行評價，選擇出最佳。 1.2 機械手的配置和工作原理 門架機械手的配置，如圖 1-1 所示。門架機械手設(shè)置在機床上方，機床主要為臥 室機床，也可以為加工中心，取料和上料主要靠從機床上方空間完成動作 [7]。機械手 需要滿足功能列舉如下： 3 圖 1-1 機械手圖示 1、在機床加工前后，需要門架機械手搬運毛坯和成品，輸送線或者是料倉一半 在機床旁，因此機械手需要有橫向大范圍的移動功能。能滿足上料時毛坯庫范圍，下 料后成品庫范圍。 2、每臺機械手還需要具有升降功能，安裝，取下產(chǎn)品都需要從機床上方經(jīng)過， 因此升降功能需要行程只要滿足物料能夠順利通過。 3、在取料，上料過程中，為了提高節(jié)拍，需要馬上取料后再裝料，因此需要兩 只手同時操作。 4、安裝，取料，根據(jù)不同工件毛坯的形態(tài)，需要機械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動，擺動 功能，以便于滿足安裝姿態(tài)的需要。 5、根據(jù)工件的尺寸大小，夾持需要滿足多種尺寸的工件，因此范圍夾持也是機 械手的必須功能。 1.3 解決原理 根據(jù)機械手各部分的工作原理及要求，列出原理模塊圖標如下表 1-1 表 1-1 機械手工作原理 功 能 A B C 1.機 械 臂 平 移 齒 輪 齒 條 移 動 絲 桿 螺 母 驅(qū) 動 2.機 械 臂 升 降 氣 動 絲 桿 螺 母 驅(qū) 動 齒 輪 齒 條 4 功 能 A B C 3.手 臂 俯 仰 電 機 ＋ 齒 輪 氣 動 液 壓 4.手 臂 回 轉(zhuǎn) 電 機 氣 動 液 壓 5.運 動 控 制 機 電 ＋ 氣 動 機 電 ＋ 液 壓 氣 動 ＋ 液 壓 1.4 方案的分析和決策 1 評價準則 評價準則是進行評價的依據(jù)。通常都使用多個評價準則，有的評價準則可用定量 的參量表征，有的則不能。 評價準則來源于設(shè)計所要達到的目標，具體的說，就是從要求明細表里包含的各 項要求和愿望中提取 [8]。 2 衡量尺度 采用“價值”或“有效價值”作為方案評價的衡量尺度。 所謂價值，是基于實際的測量結(jié)果或估計結(jié)果相對評價準則進行比較得到的主觀 認識，具有很大的主觀成分，故又可說這一工作是“主觀步驟” 。 3 評價方法 本文涉及采用排除法來解決方案選擇問題，排除法是指針對多種方案，首先去掉 不能滿足功能的方案，再次去掉復雜繁冗方案最后所得的方案經(jīng)過探討而決定選用滿 足功能價格低廉的方案： 相比機電，氣動，液壓三種動力和控制方案， 液壓驅(qū)動的特點有： 液壓傳動目前用得最多的一種傳動方式，壓力可在 1~30Mpa， 。液壓驅(qū)動機械手 多用于要求臂力較大而運動速度較低的工作場合。 1) 驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達 100 公斤； 2) 速度反應性較好。因為被驅(qū)動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當 不考慮油液的溫度變化時，被驅(qū)動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機構(gòu)的適量輕、 慣性小，因此它的速度反應性較好； 3) 調(diào)速范圍較大，而且可以無級調(diào)速，易于適應不同的工作要求； 4) 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向； 5) 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小、重量輕、慣 5 性小。 液壓驅(qū)動的缺點： 1) 液壓體積龐大，需要液壓站，不利于在局促空間下布置。 2) 液壓系統(tǒng)噪音大，漏油現(xiàn)象常有，對現(xiàn)場環(huán)境影響惡劣。 3) 液壓系統(tǒng)造價高，一般用于重載。 4) 油液中如果混入氣體，將降低傳動機構(gòu)的剛性，影響定位精度(產(chǎn)生爬行) 。 5) 油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。 因為液壓一般應用于重載，在輕載方面，完全可以通過氣壓傳動替代，因此，本 方案排除液壓。 相對于液壓傳動與氣壓傳動又各有以下特點： 氣動驅(qū)動的特點有： 氣壓傳動的壓力一般在 40～60N/cm 2，個別達到 80～100N/cm 2，一般臂力在 300N 以下。氣壓驅(qū)動的機械手，常用于臂力小于 30 公斤、運動速度較快以及高溫、 低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。 1) 通過調(diào)節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速； 2) 由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動的機械手動作速度快； 3) 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣直接排放 在大氣中； 4) 由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到 油液在油路中損失的千分之一；故壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送； 氣動驅(qū)動的缺點 1) 壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低， 2) 壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大 3) 另外還須考慮潤滑和防銹等 4) 耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機械手結(jié)構(gòu)較大。 通過考慮方案的經(jīng)濟性，安全性，耗能的合理性等等，過多的液壓缸、凸輪等非 標零件會造成生產(chǎn)和維修的困難；像凸輪等零件、多級機械傳動又會造成定位準確性 差；完全的電子控制會造成耗能量大的缺點；還要考慮生產(chǎn)時的機械穩(wěn)定性和零件的 壽命；同時對周圍生產(chǎn)環(huán)境的影響…各因素都要加入到各方案中。 綜上所訴，對各個部分進行組合，可得出最合理的方案： 方案：1A—2B+C—3A—4B—5A 6 第二章 結(jié)構(gòu)評價設(shè)計 2.1 門架式專用工業(yè)機械手總體方案 圖 2-1 門架式專用工業(yè)機械手 1 、門架式機身 2、 移動式小車 3、機械臂 4、夾持器 門架機械手主要由 4 個部分組成，分別是 1 、門架式機身， 2 、移動式小車， 3、機械臂， 4、夾持器。 其中門架式機身是整個機械手的“身軀”，負責機械手的空間支撐和橫向滑移提 供軌道。門架式機身上安裝有鋼軌，齒條，和死檔。鋼軌用于小車移動和導向，齒條 用于小車移動精確定位，死檔作為安全裝置，保證小車不移出機身。 小車由步進電機帶動減速機，在齒條上行走，步進電機可以精確到一個弧度，再 加上減速機的誤差縮小，可以使得小車定位精度非常高。通過估計，小車定位精度在 0.1mm。 機械手臂升降依靠汽缸升降，行程位置可以靠汽缸的極限位置或者死檔限制。因 為起吊高度沒必要精確定位，只需要汽缸到達固定位置就行。所以省略了依靠電機驅(qū) 動升降。 7 手腕固定在機械臂上，因為工件本身重量較輕，所以手腕依靠氣壓機型旋轉(zhuǎn)，夾 持作用。即可滿足功能。 2.2 機械手的部件設(shè)計 2.2.1 機械手的機架設(shè)計 機架是機械手的關(guān)鍵部件，其強度關(guān)系到生產(chǎn)的安全，其剛度關(guān)系到設(shè)備運行精 度和順暢度。 機架的設(shè)計準則為： 1）工況要求 機架的設(shè)計首先必須保證工況的要求，例如保證機架上安裝的零件能夠順利運轉(zhuǎn)， 機架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運動件通過的突起，設(shè)置執(zhí)行某一工況所必須的平 臺，保證上下料的要求。 2）鋼度要求 保證特定外形條件下，對機架的主要要求是剛度，例如機床上的零部件中，床身 決定了機床的生產(chǎn)率和加工精度。 3）強度要求 對于一般的機架，剛度達到要求了強度也滿足要求了，但對于重載設(shè)備的強度要 求也必須引起重視。其設(shè)計準則是機器運轉(zhuǎn)中可能發(fā)生最大載荷的情況下，機架上的 任何一點應力不能大于機床的許用應力。 4）穩(wěn)定性要求 對于細長的或者薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎-壓結(jié)構(gòu)，存在失穩(wěn)的可能，某些板殼結(jié)構(gòu) 也存在失穩(wěn)問題。失穩(wěn)會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的破壞，所以必須校核。 5）美觀 對于機器的要求不僅要滿足要求，還應美觀大方。 6）其他 如散熱要求，防腐蝕要求等等。 機架設(shè)計如圖 2-2、圖 2-3 所示： 8 圖 2-2 機身組件 圖 2-3 CATIA 畫的機身的三維圖 機身組件主要由立柱、 橫梁構(gòu)成 [9]，立柱和橫梁都是結(jié)構(gòu)焊件，在設(shè)計過程中， 本身兩個立柱更靠近一些，對橫梁的受力更好，但是考慮橫梁中間是機床，因此兩根 立柱跨距較大。橫梁用矩形鋼管作為骨架，上下面焊接有鋼板，增強抗彎強度。 9 2.2.2 小車的設(shè)計 圖 2-4 小車組件 1 小車車身 2 驅(qū)動減速部分 本設(shè)計課題中涉及到小車左右移動需要精確定位，而且要快速移動，滾珠絲杠可 以精確定位，但是速度較慢，因此采用齒輪齒條移動定位 [10]。從圖 2-4 可以看出，小 車上下兩排滾輪，固定在上下鋼軌上，驅(qū)動減速部分固定在車身上。 10 1 輸出軸 2 步進電機 3 減速箱 4 安全制動器 圖 2-5 驅(qū)動減速部分 從圖 2-5 為驅(qū)動減速部分。其大概由 1、輸出軸， 2、步進電機， 3、安全制動 器， 4、減速箱四個主要部分構(gòu)成。 其中 2 步進電機是整個箱體的動力源，步進角 0.72°，經(jīng)過減速機減速比 3，輸出 步距角在 0.24°，經(jīng)計算小車精度在 0.1mm，完全滿足使用要求。 3 減速箱為 2 級減速，箱體為鑄件，前后箱體之間用密封紙墊密封。減速箱注液 壓油，用于潤滑和冷卻箱體。箱體內(nèi)還有甩油盤，對箱體內(nèi)零件甩油潤滑。 4 安全制動器 [11]設(shè)計為在檢修時，或者在某些緊急情況下實現(xiàn)緊急制動，安全制 動器可以由電磁控制離合，也可以由手柄來手動控制離合。其中一旦手動制動后，必 須要手動解制動制動器才能工作。制動器為摩擦片制動器，通過摩擦片制動，有效緩 解制動沖擊。 11 2.2.3 機械手臂 1 機械手臂安裝座 2 汽缸 3 升降臂 4 步進電機 5 擺動手腕座 6 擺動手腕 7 減速電機。 圖 2-6 機械臂 機械臂的升降動力源是汽缸，由于升降行程是 630，汽缸長度過長，導致手臂部 分尺寸過大，因此采用了機械上典型的倍速結(jié)構(gòu) [12]。 倍速原理是通過圓在平面滾動，頂端的速度是圓心的速度的兩倍，在此結(jié)構(gòu)中， 圓心速度和行程為頂端速度和行程的一半，一次，要滿足升降的行程，只需要汽缸行 程為升降高度一半即可。 手腕的轉(zhuǎn)動通過步進機驅(qū)動，升降臂內(nèi)部一根心軸傳動到手腕的。步進電機的精 度可以保證手腕旋轉(zhuǎn)?？吭谌我饨嵌?。極限位置通過設(shè)置接近傳感器控制，另外還設(shè) 置有死檔，保證在極端情況下手腕的轉(zhuǎn)角不能過大造成安全隱患。 手腕的擺動通過減速電機帶動齒輪，驅(qū)動手腕擺動。其中減速電機是指減速機和 電機( 馬達 )的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的 減速機生產(chǎn)廠進行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè) 等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設(shè)計、節(jié)省空間。 12 2.2.4 夾持器設(shè)計 夾持器是用來抓取工件的部分。夾持器抓取工件要滿足迅速，靈活，準確和可靠 的要求，所以機械手的夾持器是機械手的關(guān)鍵部位之一。設(shè)計夾緊機構(gòu)時，首先應從 機械手的坐標形式，運動速度和加速度的情況來考慮，其夾緊力的大小則應根據(jù)物體 的重量，慣性和沖擊力的大小來確定，同時要考慮到有足夠的開口尺寸，以適應工件 的尺寸變化，為了防止夾壞工件，夾緊力應在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片，彈性 襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。夾緊結(jié)構(gòu)本身則應結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，動作靈活和工 作可靠 [13]。 夾緊機構(gòu)的分類： 夾緊機構(gòu)形式多樣，有機械式；吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構(gòu)還帶有傳感裝 置和攜帶工具進行操作的裝置。本設(shè)計的夾緊機構(gòu)采用機械式，下面對機械式夾緊機 構(gòu)介紹如下： 機械式夾緊機構(gòu)是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。如按手指運動方式和模 仿人手動作可分為回轉(zhuǎn)型、直進型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式，外撐式和自鎖式；按 手指數(shù)目可分為三指式，二指式；按動力源則分為彈簧式、氣動式、液壓式等。 機械夾緊機構(gòu)是由驅(qū)動元件，手爪支持部件，傳動機構(gòu)，手指及各種墊片，附件 等組成。 （1）驅(qū)動元件：主要有油缸，彈簧等。 （2）手爪支持部件：一般固定在手腕和手臂上，而驅(qū)動件，傳動 機構(gòu)和手指安裝在手爪的支持部件上； （3）傳動機構(gòu)：是把活塞桿的運動變成手指開閉運動的機構(gòu)，有 齒條，齒輪機構(gòu)杠桿滑槽機構(gòu)，及鉸鏈連桿機構(gòu)等。它不僅把活塞桿的運動傳遞給手 指，而且又將這個機構(gòu)設(shè)計成為力的倍增機構(gòu)。 13 1 回轉(zhuǎn)汽缸 2 夾緊汽缸 3 夾緊手指 圖 2-7 夾 持 器 見圖 2-7，夾持器主要由 1 回轉(zhuǎn)汽缸實現(xiàn)夾持器的回轉(zhuǎn)動作，2 夾緊汽缸通過推 動活塞，推動楔形塊前后運動驅(qū)動 3 手指夾緊動作。當夾緊缸放松，彈簧回位，手臂 松開。 14 第三章 部件計算與校核 3.1 橫梁的計算 橫梁的受力較為簡單，受力簡圖如圖 3-1、圖 3-2 所示?，F(xiàn)對橫梁進行強度校核。 圖 3-1 門架受力簡圖 圖 3-2 門架受力圖化簡 1 求支反力 (3-1)NFFCYBDYA150??? 2 繪制剪切力圖 15 圖 3-3 剪切力圖 3 繪制彎矩圖 經(jīng)計算，最大彎矩段為 BC 段，取 BC 中點計算 (3-2)m105.7321506?????NLFMY中 圖 3-4 彎矩圖 根據(jù)截面計算 圖 3-5 截面圖 (3-3)36cm102.??ZW 16 于是有 (3-4)a.1301.3)0(12.753626max MPWMZAX ?????? 材料 Q235 的屈服應力是 235MPa，因此計算得出 (3-5)][a.bax??P 強度大有富裕，考慮到剛度影響，此結(jié)果較為合理。 3.2 小車計算 3.2.1 小車速度計算 本 課 題 中 小 車 要 求 速 度 在 =1.2m/s，fV 步 進 電 機 最 高 轉(zhuǎn) 速 在 =6000r/minin 減 速 比 為 i=9 則 經(jīng) 過 減 速 機 ， 輸 出 轉(zhuǎn) 速 = /i=3000r/min=16r/s (3-6)OVn 輸 出 齒 輪 節(jié) 圓 直 徑 d=38mm 那 么 小 車 移 動 速 度 =πd =1989mm/s=1.98m/s (3-7)FVO 因 為 步 進 電 機 速 度 可 調(diào) ， 那 么 速 度 滿 足 1.2m/s 3.2.2 小車精度計算 步進電機步 進 角 r=0.72°， 經(jīng) 過 減 速 機 減 速 比 i=9， 那 么 減 速 機 輸 出 軸 輸 出 步 距 角 =0.08°，OR 輸出齒輪節(jié)圓直徑 d=38mm 那么每一步距，小車的移動距離，就是指小車的精度 17 S= ×πd/360=0.026mmOR 小 車 精 度 在 0.026mm， 完 全 滿 足 使 用 要 求 。 3.2.3 小車電機功率計算 1.總傳動效率計算 由已知條件計算小車移動需要功率 =F×VwP 其中 F——摩擦力 V——小車移動速度 取鋼與鋼之間的滾動摩擦系數(shù) μ=0.05 正壓力 N=3000N 其中 N 是小車，手臂， 和夾持器及工件的重量。 則摩擦力 F=μ×N=0.05×3000=150N (3-8) 那么輸出功率 =F×V=150N×1.2m/s=180W (3-9)wP 取減速機效率 η=0.7 系數(shù) 3 那么輸入功率，也就是電機功率 (3-10)Wi 80.???? 3.2.4 小車零件計算 根據(jù)小車的特性，由電機帶動減速機齒輪箱減速，在輸入軸齒輪中，載荷不大， 但轉(zhuǎn)速不高，因此可以不用對其計算并校核。而齒輪齒條為開式傳動，齒輪齒條也是 典型的零件形式，在機械臂中應用非常廣泛，對其計算是有必要的 [14]。 如圖 3-6，在設(shè)計時主要考慮輸出軸外齒輪齒條的齒輪計算。因為其開式齒輪 1. 選擇齒輪材料和熱處理、精度等級、齒輪齒數(shù) 考慮到是開式傳動，一般，要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長。選擇小齒輪材料為 45 號鋼，調(diào)質(zhì)硬度 HB230～250。齒條材料選擇 45#，正火表面硬度 HB180～210。 開式齒輪傳動，對齒輪精度要求不大，選齒輪為 7 級精度。 選擇小齒輪齒數(shù)。Z1=19 Z2=∞ 2. 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 開式齒輪主要形式是齒面磨損，由于對磨損尚無成熟的計算方法，故只按照彎曲 強度準則計算，用增大模數(shù)來考慮磨損的影響。 18 由式（3-11 ）有 (3-11)??132fasdF YKTmz?????????? 因載荷有中等沖擊，故初選載荷系數(shù) =2t 減速器輸出軸功率 (3-12)OP??? ——電動機到減速器之間的傳動效率。查機械設(shè)計手冊，聯(lián)軸器效率o? =0.99，減速器總效率 =0.71。 = × =0.7。1 2?o12 則輸出軸功率 =0.8×0.86=0.56KW (3-13)OP??? ——減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速 =3000/9=333r/monon 減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩 =22942N·mm619.50oPTn?? 由端面重合度 =1.72 (3-14)12.83COSZ?????????????????? 得 0.75.2.69Y???? 選取齒寬系數(shù) .d? 查機械設(shè)計手冊選擇齒形系數(shù)得 =2.8 =1.551FaY1Sa =2.2 =1.8222 齒輪工作應力循環(huán)次數(shù)計算 ＝60×126.5×1×(16×300×20)＝ (3-15)160hNnjL? 87.210? (3-16)32.71i? 查表得 =0.85， =0.881NY2N 取 min.5FS? 19 查齒面許用應力 (3-17)??11min240.85163.2FLNYMPS????? (3-18)22in.74.FL (3-19)??1.850.263FaSY???? (3-20)2..744FaS? 取 ，設(shè)計齒輪模數(shù)：??2.180.746FaSY???? 將確定的各項數(shù)值代入設(shè)計公式，求得： =1.9mm (3-21)??132fasdF YKTmz?????????? 修正 ：tm m/s1.260tznv??? 查表求得齒廓系數(shù) 1.50.312.5AvK????? 則 =1.9 (3-22)39..47ttKm? 選取第一系列標準模數(shù) m=2mm 3.齒輪主要幾何尺寸： =38mm120dmz? =2，取 =20mm， =15mmb?1B?125 4.結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖紙。 20 圖 3-6 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.3 手臂計算 3.3.1 手臂汽缸計算 手臂升降由汽缸推動，汽缸的缸徑關(guān)系到手臂的升降。手臂自重估算為 100 kg， 夾持器估算 30kg，工件重 20kg。那么汽缸推力需要 150kg。 那么缸面積公式為 (3-23)2m30a5.1A??MPNF 則缸徑為 (3-24)42πd 那么缸徑需要大于 43mm，手臂升降功能能夠?qū)崿F(xiàn) 3.3.2 手手腕處擺動減速電機計算 手腕處因為空間有限，因此選用合成一體的減速電機，查《機械設(shè)計手冊》 ，從 中選用 YCJ 系列齒輪減速三相異步電動機。其外形如圖 3-7 21 圖 3-7 YCJ 系列齒輪減速三相異步電動機 由圖 3-8 所示： 1 手臂擺動 30°角度時候，計算擺動轉(zhuǎn)矩： 22 圖 3-8 手臂擺動尺寸 假設(shè)工件重量 30KG，估計夾持器重量 45KG。m1432950135721?????NLFMN 因此減速電機需要轉(zhuǎn)矩 143Nm 2 功率計算 在機械手使用過程中，要對工件進行平穩(wěn)拿起，放下，因此手臂擺動速度不能過 大。按照本課題的要求，手臂擺動速度為： ω=90°/S 但按照實際情況，轉(zhuǎn)動速度最好為 ω=30°/S 則轉(zhuǎn)速 n=80r/m 由公式 699.510.310PTNmn??? 可得 =1KW6105.9P 23 表 3-1 YCJ 減速電機技術(shù)數(shù)據(jù) 由《機械設(shè)計手冊》上的表可以選用 YCJ130 型號作為本課題的機械手電機 [15]。 3.4 夾持器計算 圖 3-9 夾 持 器 1.夾緊缸力的計算： 24 如上圖所示：設(shè)活塞桿作用于楔體的作用力為 P2，指端的作用力為 P1，夾緊力 N=100 牛，則 P2、N，P 1，γ 的關(guān)系如下： (3-25) 12.tgcb?? 根據(jù)力的合成： 1? 本設(shè)計的機械手各參數(shù)如下： 圖 3-10 夾持器工作原理 B=88，c=25 ， γ=30°，N=100N 將參數(shù)及關(guān)系代入上式： 10.23.582???tgP =575N 設(shè)夾緊缸作用于活塞的力為 F，彈簧作用于活塞桿的力為 F′，楔體作用于活塞桿 的反作用力為 P2′，則其簡圖如圖 3-11 圖 3-11 作用力簡圖 它們之間的關(guān)系為： '2FP?? 25 彈簧力選用壓緊狀態(tài)最大彈力為 100N，那么汽缸作用力需要 =675N'2FP?? 那么缸面積公式為 2m1350a.067A??MPNF 則缸徑為 2πd 那么缸徑需要大于 30mm，手臂升夾緊能能夠?qū)崿F(xiàn) 圖 3-12 手臂夾緊缸 從圖 3-12 看出，設(shè)計缸徑在 65，滿足使用要求，計算中使用的氣壓是 0.5MPa， 要想調(diào)節(jié)夾緊力，只需要調(diào)節(jié)氣壓壓力即可。在機械設(shè)計手冊中，了解到工業(yè)用的氣 壓壓力一般在 0.1~0.7MPa[16]。 2.彈簧的彈力計算如下： (3-26)32 4'max8ndGF?? 其中，G 為材料的切變摸量：鋼為 8×104MPa d 為彈簧簧絲直徑：d=4 n 為彈簧的有效圈數(shù)：n=6 26 λ 為彈簧的最大變形量：λ max=30 d2 為彈簧的直徑：D 2=50 將各參數(shù)代入公式： Fmax′= =102N3 4450681? 27 第四章 氣動原理設(shè)計 4.1 驅(qū)動方式 目前機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動等多種方式，各種 驅(qū)動方式有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓和氣壓驅(qū)動應用很廣泛，有些機器人 則同時采用多種驅(qū)動方式，這都視不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅(qū)動方式 的特點，從中選出適合移動機械手的驅(qū)動方式。 由第二章所述，工件重量較輕。采用氣壓傳動，不僅節(jié)省空間，而且氣體直接從 大氣獲取，使用完畢直接排放入大氣，安全無污染。壓縮空氣可以遠距離傳輸，一個 工廠只需要一到兩處設(shè)置空氣壓縮機，即可保證設(shè)備的運行。 4.2 工作原理 門架式機械手總共有 3 個汽缸，其一為手臂升降汽缸，其二為手腕旋轉(zhuǎn)汽缸，其 三為手臂夾緊汽缸。現(xiàn)對各個汽缸的使用要求進行分析： 4.2.1 手臂升降汽缸 升降汽缸在升降過程中，要實現(xiàn)緩慢平穩(wěn)下降，避免沖擊，因此只需安裝調(diào)速閥 進行流量控制。手臂升降不允許在斷氣或者管路出現(xiàn)損壞情況下，手臂突然下降，因 此在設(shè)計過程中，活塞桿側(cè)需要加入先導單向閥。在斷電或者管路出現(xiàn)故障時，回轉(zhuǎn) 汽缸最好停在原位，因此電磁閥需要選用中封的三位五通電磁閥。 28 圖 4-1 升降缸氣路圖 4.2.2 手臂回轉(zhuǎn)汽缸 因為不受重力影響而運動，所以只需要加入調(diào)速閥即可。在斷電或者管路出現(xiàn)故 障時，回轉(zhuǎn)汽缸最好停在原位，因此電磁閥需要選用中封的三位五通電磁閥。 圖 4-2 擺缸氣路圖 29 4.2.3 夾緊缸 加緊缸用于控制工件夾緊狀態(tài)，在設(shè)計時候，考慮到夾緊力可調(diào)，因此需要增加 調(diào)壓閥?？紤]到夾抓沖擊可能碰撞工件，夾緊速度需要可調(diào)，需要增加調(diào)速閥。同理， 夾緊缸需要三位五通電磁閥，因為在斷電時候，可以保證汽缸不動作。同時夾緊缸也 需要先導式單向閥，以免出現(xiàn)突然斷氣或者氣管破裂造成的夾爪松開。 圖 4-3 夾緊缸氣路圖 從圖 4-1 和圖 4-3 發(fā)現(xiàn)，先導式單向閥安裝位置不同，主要是前者安置在活塞桿 側(cè)，后者安置在無活塞桿側(cè)。這主要是由其使用原理不同而不同的。因為升降臂的汽 缸是用于防止落下，即活塞桿側(cè)突然失壓，夾緊缸是用于夾爪突然松開，即無活塞桿 側(cè)失壓。 4.2.4 氣源處理 氣源經(jīng)過空氣壓縮機加熱，然后到管路經(jīng)過冷卻過程，因此在過程中容易出現(xiàn)水 分凝結(jié)?？諝獾碾s質(zhì)如果不清理，也會對汽缸，電磁閥等閥類產(chǎn)生有害影響 [17]。導致 汽缸漏氣，閥類失去功能。因此氣源處理比較重要。在本課題中，起源處理直接使用 了空氣過濾減壓閥。如圖 4-4。 30 圖 4-4 空氣過濾減壓閥 空氣過濾減壓閥設(shè)計輕小，安裝方便，因此，它與氣動變送器，氣動調(diào)節(jié)器等 產(chǎn)品安裝在一起配套使用。若將空氣過濾器的減壓閥設(shè)計成一個整體，成為二聯(lián)件。 氣源處理三聯(lián)件包括空氣減壓閥、過濾器、油霧器三大件，減壓閥可對氣源進行穩(wěn)壓， 使氣源處于恒定狀態(tài)，可減小因氣源氣壓突變時對閥門或執(zhí)行器等硬件的損傷。過濾 器用于對氣源的清潔，可過濾壓縮空氣中的水份，避免水份隨氣體進入裝置。油霧器 可對機體運動部件進行潤滑，可以對不方便加潤滑油的部件進行潤滑，大大延長機體 的使用壽命。 31 第五章 機械手的控制設(shè)計 5.1 基本設(shè)計思路 總體設(shè)計框圖如下： 總體設(shè)計框圖 控制系統(tǒng)用來控制機械手按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制 系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機械手采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級，策略級和執(zhí)行 級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將工作任務分解為基本動作序列；策 略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給 出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 5.2 單片機的選擇 單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常在芯 片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng) 時鐘及系統(tǒng)總線等。 5.2．1單片機硬件結(jié)構(gòu) 1) 微處理器 該單片機中有一個8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括 了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還 可以進行位變量的處理。 2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為128 個字節(jié)，片外最多可外擴至64k 字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變 量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。 3) 程序存儲器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器 的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k 字節(jié)。 32 4) 中斷系統(tǒng) 具有5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 5) 定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有2 個16 位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。 6) 串行口 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 7) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口 為4 個并行8 位I/O 口。 8) 特殊功能寄存器 共有21 個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制 寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM 區(qū)。 5.2．2 引腳及其功能 1) 電源及時鐘引腳 VCC：接+5V 電源正端； VSS：接+5V 電源地端； X1：接外部晶體振蕩器的一端； X2：接外部晶體振蕩器的另一端。 2) 控制引腳 RESET：單片機上電復位端。 ALE：當訪問外部存儲器時，ALE 一每機器周期兩次的信號輸出，用于 鎖存出現(xiàn)在P0 口的低8 位地址。 PSEN：為片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 EA ：為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。 3) 輸入/輸出引腳 P3 口的第二功能： P3.0：RXD，串行輸入通道； P3.1：TXD，串行輸出通道； P3.2： INT0，外部中斷0； P3.3： INT1，外部中斷1； P3.4：T0，計數(shù)器0 外部輸入； P3.5：T1，計數(shù)器1 外部輸入； P3.6： WR ，外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通； P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 33 89C51引腳圖 5.3 驅(qū)動芯片的選擇 驅(qū)動芯片概念 在微機控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開關(guān)信號、脈沖信號。 它們是以二進制的邏輯“1”和“0” ，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸電 的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達的啟 動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉等，我們稱為開關(guān)量。開關(guān) 量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的 是直流驅(qū)動，有的是交流驅(qū)動，必須根據(jù)具體對象采用適當?shù)慕涌?。開關(guān)量 的輸出接口實質(zhì)上是利用計算機做“弱電”控制“強電” 。它需要解決兩個 重要問題：隔離和驅(qū)動。 用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電 器、燈泡等時，不能用單片機的I/O 線來直接驅(qū)動。P0、P1、P2、P3 四個口都可以 做輸出口，但其驅(qū)動能力不同。P0 口的驅(qū)動能力較大，當其輸出高電平時，可提供 400 m A的電流；當其輸出低電平（0.45V）時，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平 允許提高，灌電流會相應加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動四個LSTTL，即可提 34 供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動能 力。目前，一些MCS-51 系列單片機的引腳驅(qū)動能力有所提高，如89C2051，一些引腳 可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場合，單片機I/O 口的驅(qū)動能力是不夠的，必須 通過各種驅(qū)動電路的開關(guān)電路來提高驅(qū)動能力。 L298芯片原理 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual