搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)秀設(shè)計(jì) 4-DOF搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名: 班級(jí): 指導(dǎo)老師: 摘要:在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中,企業(yè)為提高生產(chǎn)效率,保障產(chǎn)品質(zhì)量,工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員,逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前,工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作。 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀,通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理,熟悉了搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,確定了四自由度搬運(yùn)機(jī)器

2、人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的強(qiáng)度計(jì)算,完成了搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)(包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分)和簡單的三維實(shí)體造型工作。本設(shè)計(jì)為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人,其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向、一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向和一個(gè)氣爪運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括由三個(gè)電磁閥控制的氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升下降運(yùn)動(dòng)及夾緊工件的動(dòng)作,一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的正反轉(zhuǎn)。 在控制器的作用下,搬運(yùn)機(jī)器人執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動(dòng)作。設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng),同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總

3、結(jié)。 關(guān)鍵詞:搬運(yùn)機(jī)器人,強(qiáng)度計(jì)算,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師簽名: Structure designing of 4-DOF handling robot Student name: Class: Supervisor: Abstract:In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality,

4、 as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked

5、 with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. This paper studies the current situation of the development of mechanical hand, by studying the working principle of the robot, familiar with handling robot locomotion mechanismOn this basis, identified

6、 4-DOF of handling robot s basic system architecture , simple strength calculation was made on handling robot structure , finish handling robot mechanical design including transmission part, operative, driving part and simple 3D solid modeling work.This scheme introduced a cylindrical robot for fo

7、ur degree of freedom. It is composed of two linear axes ,one rotary axis and a pneumatic claw movement.The manipulator mechanical structure includes three solenoid valves controlled by air cylinder to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action, a stepper motor control mani

8、pulator positive inversion Controller only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. Designed of the handling robot used in automatic production line, realizing the automatic production, reduce industrial workers much repeti

9、tive work, also can improve labor productivity. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Keywords:Transfer robot, Strength calculation, Structure design Signature of Supervisor: 目 錄 摘 要 1 Abstract 2 目 錄 3 1 緒論 4 1.1搬運(yùn)機(jī)器人概述 4 1.2搬運(yùn)機(jī)械

10、人的應(yīng)用簡況 6 1.3搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義 7 1.4機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì) 7 1.5本論文的主要工作 9 2 搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 10 2.1自由度和坐標(biāo)系的選擇 10 2.2搬運(yùn)機(jī)器人的組成 11 2.3搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 13 2.4搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 14 3 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 15 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 15 3.2臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 16 3.3步進(jìn)電機(jī)的選型 21 3.4聯(lián)軸器的選擇設(shè)計(jì) 22 3.5 機(jī)座設(shè)計(jì)及電磁閥的選擇 24 4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、尺寸設(shè)計(jì)與校核 28 4.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 28 4.2手臂升

11、降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 29 4.3步進(jìn)電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)與校核 30 4.4總體結(jié)構(gòu)圖、實(shí)體圖的繪制 32 5 控制系統(tǒng) 34 5.1 PLC的主要特點(diǎn) 34 5.2 PLC的發(fā)展階段 35 5.3 PLC的選擇 35 5.4機(jī)械手的循環(huán)工作說明 36 6 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 39 致謝 41 附錄A4-DOF 搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論1.1 搬運(yùn)機(jī)器人概述 搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手,機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí):其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求,遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和

12、裝卸;其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配,從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件,顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而,受到很多國家的重視,投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合,應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展,并且取得一定的效果,受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單,專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作,適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”,簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序,適應(yīng)性較強(qiáng),所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用

13、。 機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手,把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人,也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置,可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序,以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外,還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的,稱為操作機(jī)(Manipulator)。它起源于原子、軍事工業(yè),先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè),后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人,主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線

14、上,用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”,它是為主機(jī)服務(wù)的,由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外,工作程序一般是固定的,因此是專用的。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型,其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊,所占空間體積小,相對(duì)工作空間最大,甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn),成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式,世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)??執(zhí)行機(jī)構(gòu);像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng);像大腦那樣

15、指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言,機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成,如圖1-1所示。 圖1-1機(jī)器人的一般組成 對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言,還具有智能系統(tǒng),主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”,使它能識(shí)別物體和躲避障礙物,以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的,或者說并不是簡單的疊加在一起,從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能,機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。 圖1-

16、2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體,通常由連桿和關(guān)節(jié)組成,由驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力,按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。 1.2搬運(yùn)機(jī)械人的應(yīng)用簡況 在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法,程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。 但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè),有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小

17、批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體,動(dòng)作靈活多樣,適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn),廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面: 1)熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng),很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率,和確保工人的人身安全,尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 2)冷加工方面的應(yīng)用

18、 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用,成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用,成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3)拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一,促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門,已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手,可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆,以改善勞動(dòng)條件,提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年

19、,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用,工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。 1.3搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義 在機(jī)械工業(yè)中,搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義可以概括如下: 1)可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手,有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度,從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 2)可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中,用人手直

20、接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè),大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中,以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作,可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3)可以減少人力,便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械人代替人手進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面,同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此,在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上,目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手,以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 綜上所述,有效地應(yīng)用機(jī)器人是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.4機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨

21、勢(shì) 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容,不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí),而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等,因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視,幾十年來,這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍,設(shè)計(jì)在不斷地修改,品種在不斷地增加,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。 1.4.1機(jī)器手發(fā)展概況 早在40年代,隨著原子能工業(yè)的發(fā)展,已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。 50~60年代即制成了傳

22、送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特Unimate機(jī)械手即屬于這種類型。 60~70年代,又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上,亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。 80-90年代,裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期,尤其是日本。 90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展,除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外,農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90年代以后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展,機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之,目前機(jī)械手的主要

23、經(jīng)歷分為三代: 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制,控制方式為開環(huán)式,沒有識(shí)別能力;改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度;第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺能力,甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把接收到的信息反饋,使機(jī)械手具有感覺機(jī)能;第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系,并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMSFlexible Manufacturing System和柔性制造單元FMCFlexible Manufacturing Cell中重要一環(huán)。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研

24、究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境,適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平,要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。 1.4.2機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面,數(shù)量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 因此,國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍,重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手,以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí),相應(yīng)

25、地發(fā)展通用機(jī)械手,有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。 將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件,如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu),以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu),以便根據(jù)不同的作業(yè)要求,選用不用的典型部件,即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造,又便于改換工作,擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度,減少?zèng)_擊,定位精確,以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型,以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手,并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用,逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國外機(jī)械制造業(yè)中,工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多,發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛

26、壓力機(jī)的上下料,以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中,它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作,但是還不具備任何傳感反饋能力,不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí),就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此,國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手,使其擁有一定的傳感能力,能反饋外界條件的變化,做出 相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí),即能更正,并自行檢測(cè),重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀(即距離傳感器)以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí),電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào),然后傳送給計(jì)算機(jī),以便分析物體的種類、大小、顏色和方位,并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作

27、。 觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件,通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用,然后伸向前方,抓住工件。 手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制,達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?隨著傳感技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年,全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配。 現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合,從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.5 本論文的主要工作 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀,通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理,熟悉了搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理

28、。在此基礎(chǔ)上,確定了四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的強(qiáng)度計(jì)算,完成了搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)(包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分)和簡單的三維實(shí)體造型工作。 本課題將要完成的主要工作如下: 選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度; 確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型; 確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案; 設(shè)計(jì)出機(jī)械人的各執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng),手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu); 零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與校核; 6繪制機(jī)器人的各零部件圖,并完成搬運(yùn)機(jī)器人裝配圖,最后運(yùn)用三維軟件畫出實(shí)體圖; 7)控制方案的設(shè)計(jì)

29、。 2 搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運(yùn)物件,這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象工件的作業(yè)技術(shù)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等,從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件,簡化設(shè)計(jì)制造過程,兼顧通用性和專用性,并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是氣動(dòng)上下料機(jī)械手

30、,是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備,它可用于操作環(huán)境惡劣,勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。 2.1 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù),對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來說,它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的,因?yàn)槿说氖种浮⒄?、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成,共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)(不包括手部)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人為4自由度即:手爪張合;臂部伸縮;臂部升降;臂部

31、回轉(zhuǎn)。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn),分別介紹如下: 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1a所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制,所以,直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度(μm級(jí))。但是,這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講,是比較小的。因此,為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間,直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè),直

32、角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。 2圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(b)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單,精度還可以,常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 3球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(c)。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占

33、地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸,其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè),都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu),有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途,本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。 圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.2搬運(yùn)機(jī)器人的組成 搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1)手部 手部既直接與工件接觸的部分,一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型(多為回轉(zhuǎn)型,因其結(jié)構(gòu)簡單)。手部多為兩指(也有多指);根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種;也可以用負(fù)壓式或真空式

34、的空氣吸盤(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式較多,常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇氣動(dòng)手爪手部結(jié)構(gòu)。 本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。 圖2-2 搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖 如圖2-2的機(jī)構(gòu)簡圖,手部執(zhí)行依靠氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)緊湊,產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力也必將大。 2)腕部 腕部是連接手部和臂部的部件,并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位,以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍,并使機(jī)械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

35、、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求,有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手,為了簡化結(jié)構(gòu),可以不設(shè)腕部,而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 3)臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工作或夾具),并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位),則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此,一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求,即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如液壓缸或者氣缸)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),從臂部的受力情況

36、分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷,而且自身運(yùn)動(dòng)較為多,受力復(fù)雜。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程:100mm;伸縮速度:200mm/s;升降行程:200mm;升降速度:250mm/s;回轉(zhuǎn)范圍:。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化,在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中,手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。 4)機(jī)座 機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分,起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人,直接聯(lián)接在地面上

37、,對(duì)可移動(dòng)式機(jī)器人,則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且,臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多,機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu);臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置,其驅(qū)動(dòng)源來自步進(jìn)電機(jī)。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同,工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。 液壓驅(qū)動(dòng)壓力高,可獲得大的輸出力,反應(yīng)靈敏,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制,維修方便,但是,液壓元件成本高

38、,油路比較復(fù)雜。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力低,輸出力較小如需要輸出力大時(shí),其結(jié)構(gòu)尺寸過大,阻尼效果差低速不易控制,但結(jié)構(gòu)簡單,能源方便,成本低。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有:異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,電動(dòng)機(jī)使用簡單,且隨著材料性能的提高,電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合驅(qū)動(dòng)的方式。 2.2.3 控制機(jī)構(gòu) 考慮到機(jī)械手的通用性,同時(shí)使用點(diǎn)位控制,因此我們采用可編程序控制器PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí),只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn),非常方便快捷。 2.3搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 1用途:用于車間搬運(yùn) 2設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): a 抓重:

39、1Kg平行氣爪; b 自由度數(shù):4個(gè)自由度(手爪張合;臂部伸縮;臂部回轉(zhuǎn);臂 部升降4個(gè)運(yùn)動(dòng)); c 坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo)系; d 最大工作半徑:300mm; e 手臂最大中心高:591mm; f 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù): 伸縮行程:100mm; 伸縮速度:200mm/s 升降行程:200mm 升降速度:250mm/s 回轉(zhuǎn)范圍:0~180 回轉(zhuǎn)速度:45/s 2.4 搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2-3 圖 2-3 四自由度搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖 1-步進(jìn)電機(jī) 2-標(biāo)準(zhǔn)氣缸 3-標(biāo)準(zhǔn)氣缸 4-平行

40、氣爪 3 零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一,從其功能和形態(tài)上看,分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多,也較成熟,后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器(亦稱抓取機(jī)構(gòu))是用來握持工件或工具的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的,大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的,按握持原理的不同,常用的手部夾持器分為如下兩類: 1)夾持式:包括內(nèi)撐式與外夾式,常用的還有勾托式和彈簧式等。 2)吸附式:包括氣吸式與磁吸式等。 3.1.1手指的

41、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(dòng)作,手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型,二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型或稱直進(jìn)型,其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí),就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理,當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí),就成為移動(dòng)型。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 1具有足夠的握力即夾緊力 在確定手指的握力時(shí),除考慮工件重量外,還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng),以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 2手指間

42、應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開,若夾持不同直徑的工件,應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 3保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置,必須根據(jù)被抓取工件的形狀,選擇相應(yīng)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(dòng)定心。 4具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形,當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊,自重輕。 5考慮被

43、抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要,通過比較,我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是平行氣動(dòng)手爪。搬運(yùn)工件是小于一千克的物體,所以我們選擇MHZ2-40C型氣動(dòng)手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合,這種型號(hào)的氣爪夾持力范圍在300-800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動(dòng)手爪其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖 3-1 平行氣動(dòng)手爪結(jié)構(gòu)圖 3.2 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件或工具),并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng):伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng),手臂的回轉(zhuǎn)和升

44、降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處,將在下一節(jié)詳述。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位),則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此,一般來說臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求,既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷,而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 3.2.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng),為此,需要滿足下列各項(xiàng)基本要求: 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 對(duì)于

45、機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力,通常取決于其剛度。以臂部為例,一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式(水平或垂直懸伸)。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大,則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度,除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外,尚應(yīng)注意以下幾方面: a根據(jù)受力情況,合理選擇截面形狀和輪廓尺寸; b提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離; c合理布置作用力的位置和方向; d注意簡化結(jié)構(gòu); e提高配合精度。 2 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高,慣性要小 機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一,它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平

46、。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手,其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在250mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi),大部分平均移動(dòng)速度為200mm/s,平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下,減小自身重量是減小慣性的最有效,最直接的辦法,因此,機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個(gè)途徑: a減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量,采用鋁合金材料; b減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸; c減少回轉(zhuǎn)半徑ρ,再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí),先縮后回轉(zhuǎn)(或先回轉(zhuǎn)后伸縮), 盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作; d在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。 3 手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力,盡可能

47、用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手,其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理,使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡,以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死(自鎖現(xiàn)象)。為此,必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 位置精度要求高 一般來說,直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高;關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制,故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu),能較好地控制位置精度,檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。 設(shè)計(jì)合理 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位,臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力,而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。 總結(jié):除

48、此之外,要求機(jī)械手的通用性要好,能適合多種作業(yè)的要求;工藝性好,便于加工和安裝;用于熱加工的機(jī)械手,還要考慮隔熱、冷卻;用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的,應(yīng)該綜合考慮這些問題,只有這樣,才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。 3.2.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇 1手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種: a雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu); b手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有:直線運(yùn)動(dòng),如手臂的伸縮,升降和橫向移動(dòng);回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如手臂的左右擺動(dòng),上下擺動(dòng);符合運(yùn)動(dòng),如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合,兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu); c

49、雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu); d活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 2手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 通過以上,綜合考慮,本次設(shè)計(jì)選擇氣缸伸縮機(jī)構(gòu),使用氣壓驅(qū)動(dòng),水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。 3.2.3伸縮手臂氣缸直徑選擇 本設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理,單向作用氣缸2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(shí)的總阻力,其公式為: (3-1) 上式中: - 活塞桿上的推力,N - 彈簧反作用力,N - 氣缸工作時(shí)的總阻力,N - 氣缸工作壓力,Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: (3-2) 上式中:

50、- 彈簧剛度,N/m - 彈簧預(yù)壓縮量,m - 活塞行程,m - 彈簧鋼絲直徑,m - 彈簧平均直徑,. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量,一般取 在設(shè)計(jì)中,必須考慮負(fù)載率的影響,則: (3-3) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 3-4 代入有關(guān)數(shù)據(jù),可得 所以: 查有關(guān)手冊(cè)圓整,得 3.2.4升降手臂氣缸直徑選擇 設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理,單向作用氣缸1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(shí)的總阻力,其公式為: 3-5

51、 上式中: - 活塞桿上的推力,N - 彈簧反作用力,N - 氣缸工作時(shí)的總阻力,N - 氣缸工作壓力,Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: 3-6 上式中:- 彈簧剛度,N/m - 彈簧預(yù)壓縮量,m - 活塞行程,m - 彈簧鋼絲直徑,m - 彈簧平均直徑,. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量,一般取 在設(shè)計(jì)中,必須考慮負(fù)載率的影響,則: (3-7) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3-8) 代入有關(guān)數(shù)據(jù),可得 所以:

52、 查有關(guān)手冊(cè)圓整,得 3.3步進(jìn)電機(jī)選型 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代, 70年代中期以后多用寬調(diào)速直流伺服電機(jī), 進(jìn)入80年代以來,交流伺服電機(jī)調(diào)速技

53、術(shù)取得了突破性進(jìn)展, 并大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域, 占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是, 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、容易控制、維修方便, 而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 其驅(qū)動(dòng)控制除功率放大電路外, 都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。因此, 本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)氣缸的回轉(zhuǎn)。 3.3.1 工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī),它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制電流,用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作,驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制器 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功

54、率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與選用 步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn) 1一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。 2)步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來講,磁性材料的退磁

55、點(diǎn)都在攝氏130度以上,有的甚至高達(dá)攝氏200度以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。 4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 本設(shè)計(jì)是一個(gè)小型的氣動(dòng)機(jī)械手,需要的轉(zhuǎn)矩不大,查閱相關(guān)資料,同時(shí)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)我們選用二相混合式步進(jìn)電機(jī),初步定為拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為TDA332-S。 3.4聯(lián)軸器的選擇設(shè)計(jì) 3.4.1 聯(lián)軸器的類型

56、 根據(jù)聯(lián)軸器有無彈性元件、對(duì)各種相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力,即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接功能以及聯(lián)軸器的用途等,聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器,撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的主要類型、特點(diǎn)及其在作用,詳見表3-1。 表3-1 聯(lián)軸器類型 類別 在傳動(dòng)系統(tǒng)中的作用 備注 剛性聯(lián)軸器 只能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,不具備其他功能 包括凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等 撓性聯(lián)軸器 無彈性元件的撓性聯(lián)軸器,不僅能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,而且具有不同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能 包括齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、鏈條聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器等 有彈性元件的撓性聯(lián)軸器,能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩;具有不同程

57、度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能;還具有不同程度的減振、緩沖作用,改善傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能 包括各種非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器和金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器,各種彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)不同,差異較大,在傳動(dòng)系統(tǒng)中的作用亦不盡相同 安全聯(lián)軸器 傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,過載安全保護(hù)。撓性安全聯(lián)軸器還具有不同程度的補(bǔ)償性能 包括銷釘式、摩擦式、磁粉式、離心式、液壓式等安全聯(lián)軸器 3.4.2 聯(lián)軸器類型的選擇 選擇聯(lián)軸器類型時(shí),應(yīng)考慮: 1所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、對(duì)緩沖、減振功能的要求以及時(shí)否可能發(fā)生共振等。 2由制造和裝配誤差、軸受載和熱膨脹變形以及部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等引起兩軸軸線

58、的相對(duì)位移程度。 3許用的外形尺寸和安裝方法,為了便于裝配、調(diào)整和維修所必需的操作空間。對(duì)于大型的聯(lián)軸器,應(yīng)能在軸不需作軸向移動(dòng)的條件下實(shí)現(xiàn)裝拆。 此外,還應(yīng)考慮工作環(huán)境、使用壽命以及潤滑和密封和經(jīng)濟(jì)性等條件,再參考各類聯(lián)軸器特性,選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。 3.4.3 聯(lián)軸器的選擇與繪制 由于設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩很小,我采用的是自己設(shè)計(jì)的安全聯(lián)軸器,外形尺寸有利于安裝、調(diào)整和維修,而且聯(lián)軸器不容易松動(dòng)。CAD繪制聯(lián)軸器如圖3-2所示 圖3-2 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 3.5機(jī)座設(shè)計(jì)及電磁閥的選擇 機(jī)座是直接支撐手臂的部件。臂部的運(yùn)動(dòng)越多,機(jī)座的受力情況就

59、越復(fù)雜,負(fù)載也越大。機(jī)座是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的是小型氣動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)比較簡易,重量也很小,所以機(jī)座的設(shè)計(jì)也很簡單。 3.5.1機(jī)座的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求,機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),就要綜合考慮分析。機(jī)座承載著手臂,做回轉(zhuǎn),升降運(yùn)動(dòng),是機(jī)械手的重要組成部分。經(jīng)過綜合考慮,本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)。手臂部件與步進(jìn)電機(jī)的軸聯(lián)接。機(jī)座具體結(jié)構(gòu)見圖3-3。 圖3-3 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 3.5.2電磁閥的選擇 電磁閥是用來控制流體方向的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件,屬

60、于執(zhí)行器;通常用在機(jī)械控制和工業(yè)閥門上面,通過一個(gè)電磁線圈來控制閥芯位置,切斷或接通氣源以達(dá)到改變流體流動(dòng)方向的目的,來對(duì)介質(zhì)方向進(jìn)行控制,從而達(dá)到對(duì)閥門開關(guān)的控制。當(dāng)有電流通過線圈時(shí),固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯,改變滑閥芯的位置,發(fā)生勵(lì)磁作用,動(dòng)鐵芯帶動(dòng)滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當(dāng)線圈失電時(shí),依靠彈簧的彈力推動(dòng)滑閥芯,頂回動(dòng)鐵芯,使流體按原來的方向流動(dòng)。 電磁閥從原理上分為三大類: 1)直動(dòng)式電磁閥。 它分常開、常閉兩種。圖為直動(dòng)常閉電磁閥,在斷電時(shí), 電磁閥呈關(guān)閉狀態(tài), 當(dāng)電磁閥線圈通電后, 產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合, 直接開啟閥口, 介質(zhì)從進(jìn)口流向出口

61、, 當(dāng)線圈斷電后,動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位, 直接關(guān)閉閥口, 而切斷了介質(zhì)的流通。常開式則斷電時(shí)閥門開啟, 通電時(shí),閥門關(guān)閉。 特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠,在零壓差或真空下能正常工作,可任意方向安裝, 但一般適用于通徑在25mm以下。 2)分步直動(dòng)式電磁閥。 它由主閥與導(dǎo)閥組成, 動(dòng)作分步實(shí)現(xiàn), 而電磁力直接吸合動(dòng)鐵芯到主閥芯。如圖3-4為常閉式, 當(dāng)電磁線圈通電后, 產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合, 導(dǎo)閥口開啟而導(dǎo)閥口設(shè)在主閥芯上, 動(dòng)鐵芯與閥芯通過機(jī)械方式直接連續(xù)一起。此時(shí), 主閥上腔的壓力通過導(dǎo)閥口卸荷, 由于壓力差和電磁力的聯(lián)合作用, 使主閥芯向上運(yùn)動(dòng),開啟主閥介質(zhì)流通。當(dāng)線圈斷電時(shí), 電磁力消失, 動(dòng)鐵芯因自重脫離靜鐵芯, 并關(guān)閉了導(dǎo)閥孔, 此時(shí)介質(zhì)從平衡孔進(jìn)入主閥芯上腔, 使上腔壓力升高, 在主閥芯自重的