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