外文翻譯Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom一個(gè)具有競(jìng)爭力的低成本的四自由度機(jī)械人手臂的設(shè)計(jì)與開發(fā)院 、 部： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師：摘 要這項(xiàng)工作的主要重點(diǎn)是設(shè)計(jì)，開發(fā)和實(shí)施具有競(jìng)爭力的機(jī)器人手臂具有增強(qiáng)控制和粗短的成本。機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)采用四自由度和才華來完成精確簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將被整合到了作為一個(gè)助理為工業(yè)勞動(dòng)力的移動(dòng)平臺(tái)。機(jī)器人手臂上配有數(shù)個(gè)伺服電機(jī)的臂之間做鏈接和執(zhí)行的手臂動(dòng)作。伺服電機(jī)編碼器包括使沒有控制器實(shí)施?？刂莆覀兪褂?LabVIEW ，它執(zhí)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌?，以一個(gè)微控制器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，修改的位置，速度和加速度的能力的機(jī)器人。機(jī)器人手臂的測(cè)試和驗(yàn)證，進(jìn)行和結(jié)果表明，正常工作。關(guān)鍵詞：機(jī)器人手臂，低成本，設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，四自由度，伺服電機(jī)，Arduino 的的機(jī)器人控制， Labview 的機(jī)器人控制目 錄1 引言 ..............................................................12 機(jī)械設(shè)計(jì) ..........................................................13 機(jī)械手逆運(yùn)動(dòng) ......................................................64 最終選擇效應(yīng) ......................................................65 機(jī)械手的控制 ......................................................75.1 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制 ................................................85.2 手動(dòng) ........................................................96 測(cè)試和驗(yàn)證 .......................................................107 結(jié)果與討論 .......................................................117.1 伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍 ...........................................117.2 電流消耗 ...................................................127.3 最大負(fù)載 ...................................................127.4 最終位置 ...................................................128 結(jié)論 ............................................................13參考文獻(xiàn) ...........................................................1411 引言機(jī)器人實(shí)際上是定義為研究，設(shè)計(jì)和使用機(jī)器人系統(tǒng)的制造[1]。機(jī)器人通常用于執(zhí)行不安全的，危險(xiǎn)的，高度重復(fù)的，和單調(diào)的任務(wù)。它們具有許多不同的功能，如材料處理，組裝，電弧焊接，電阻焊接，機(jī)床的裝載和卸載功能，刷涂，噴涂等。主要有兩種不同類型的機(jī)器人：一個(gè)服務(wù)機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人，工作半或完全自主地去履行服務(wù)，有用的福祉人類和設(shè)備，但不包括生產(chǎn)操作[2] 。工業(yè)用機(jī)器人，在另一方面，被正式通過 ISO定義的自動(dòng)控制和多用途可編程操縱器在三個(gè)或更多個(gè)軸[3]。工業(yè)機(jī)器人是移動(dòng)的材料，零件，工具，或通過可變的程式動(dòng)作的專門設(shè)備來執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機(jī)器人，但也能夠執(zhí)行其任務(wù)以及測(cè)序或監(jiān)視通信接口需要對(duì)機(jī)器人的任何設(shè)備和/或傳感器。2007 年全球市場(chǎng)增長了 3％，約114,000 新安裝的工業(yè)機(jī)器人。截至 2007 年底，全國共有大約一萬個(gè)工業(yè)機(jī)器人的使用，估計(jì)有 50,000 服務(wù)機(jī)器人用于工業(yè)用途比較[3] 。由于增加使用工業(yè)機(jī)器人手臂，演變到該主題開始試圖模仿人類動(dòng)作的細(xì)節(jié)模式。例如一組學(xué)生在韓國做創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，為舞蹈的手，舉重，中國書法和顏色分類機(jī)械臂考慮[4] 。另一組工程師在美國開發(fā)八個(gè)自由度機(jī)械臂。該機(jī)器人是能夠把握多個(gè)對(duì)象與很多從筆形狀的一球，也模擬人類的手[5]。在空間上，航天飛機(jī)遙控器系統(tǒng)，被稱為 SSRMS 或 Canadarm ，其繼任者是例子多度已經(jīng)用來執(zhí)行各種使用專門部署熱潮的任務(wù)，例如航天飛機(jī)的檢查自由機(jī)械臂有攝像頭和連接在末端執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索演習(xí)從貨艙航天飛機(jī)傳感器[6] 。在墨西哥，科學(xué)家們已經(jīng)上了軌道設(shè)計(jì)和發(fā)展許多機(jī)器人的手臂，墨西哥政府估計(jì)，在墨西哥有在不同的工業(yè)應(yīng)用中使用了大約 11,000 機(jī)械臂。不過，專家認(rèn)為，機(jī)器人手臂的最高點(diǎn)，不僅質(zhì)量更高，而且準(zhǔn)確，可重復(fù)性和粗短的成本。 大多數(shù)機(jī)器人都設(shè)置了一個(gè)操作的示教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下，一個(gè)訓(xùn)練有素的操作者（編程器）通常使用的便攜式控制裝置（示教）手動(dòng)教機(jī)器人的任務(wù)。在這些編程會(huì)話機(jī)器人的速度很慢。 目前的工作是一個(gè)兩階段的項(xiàng)目，這需要一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人能夠運(yùn)送工具從存儲(chǔ)室到工業(yè)單元的一部分。在這個(gè)階段中的項(xiàng)目，該項(xiàng)目開展了在科技，墨西哥蒙特雷大學(xué)，主要的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)， 制定和實(shí)施了工業(yè)機(jī)器人手臂粗短的成本，準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。這個(gè)機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)采用四自由度和才華來完成簡單的任務(wù)，如光隊(duì)友里亞爾處理，這將被整合到移動(dòng)平臺(tái)的形式，作為一個(gè)助理為工業(yè)勞動(dòng)力。2 機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)器人手臂的機(jī)械設(shè)計(jì)是基于一個(gè)機(jī)器人操作器具有類似功能的一個(gè)人的2手臂[6-8]。這樣的操縱器的鏈接是由關(guān)節(jié)，允許旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和操縱器的鏈接被認(rèn)為形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈連接。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)鏈的業(yè)務(wù)最終被稱為末端效應(yīng)器或臂端的 - 工具，它是類似于人的手。圖 1 顯示了自由體圖的機(jī)器人手臂的機(jī)械設(shè)計(jì)。圖 1 機(jī)械手的自由體圖如圖所示，端部執(zhí)行器不包括在設(shè)計(jì)，因?yàn)槭惺鄣膴A持器被使用。這是因?yàn)槎瞬繄?zhí)行器是系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分之一，并且，反過來，這是很容易和經(jīng)濟(jì)地使用商業(yè)化生產(chǎn)它。 圖 2 示出了機(jī)器人手臂的工作區(qū)域。圖 2 機(jī)械手工作區(qū)域圖這是一個(gè)機(jī)器人臂具有四個(gè)自由度（DOF 4）的典型的工作空間。機(jī)械設(shè)計(jì)僅限于 4 自由度，主要是因?yàn)?，這樣的設(shè)計(jì)允許大部分必要的運(yùn)動(dòng)，并保持 成本和機(jī)器人競(jìng)爭的復(fù)雜性。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制，其中旋轉(zhuǎn)的肩完成圍繞兩個(gè)軸和周圍只有一個(gè)在肘和手腕上，參見圖 1。 機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)通3常是由驅(qū)動(dòng)的電氣馬達(dá)。伺服電動(dòng)機(jī)被選擇，因?yàn)樗鼈儼ň幋a器，它可以自動(dòng)提供反饋給電動(dòng)機(jī)并相應(yīng)地調(diào)整位置。但是， 這些電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)范圍小于 180?跨度，從而大大減小了臂和可能的位置到達(dá)該區(qū)域的[9]。的基礎(chǔ)上，選定了伺服電機(jī)的資格 由結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于構(gòu)造的材料是丙烯酸樹脂。 圖 3 示出用于負(fù)載計(jì)算的力的圖。的計(jì)算均只對(duì)具有最大負(fù)荷關(guān)節(jié)，由于其他關(guān)節(jié)將具有相同的電機(jī)，即電機(jī)可以移動(dòng)的鏈接沒有問題。計(jì)算考慮了權(quán)重 的電動(dòng)機(jī)，約 50 克，除電機(jī)在關(guān)節(jié) B 的重量，因?yàn)樗峭ㄟ^鏈接的 BA。圖 4 示出了力示意圖上鏈路 CB，它包含接頭（B 和C）具有最高的負(fù)載（攜帶了該書的 DC 和 ED）和計(jì)算如下進(jìn)行。圖 3 機(jī)械手負(fù)載分布圖圖 4 CB 段負(fù)載分布圖用于扭矩計(jì)算的值： WD= 0.011 千克（體重鏈接的 DE） WC= 0.030 千克（體重鏈接的 CD） WB= 0.030 千克（體重鏈路的 CB） L = 1 千克（負(fù)載） CM = Dm 為 0.050 公斤（重電機(jī)） 4LBC 為 0.14 米（公元前鏈路的長度） 液晶顯示屏為 0.14 米（鏈接的 CD 長度） 斯 α= 0.05 米（LINK DE 的長度） 執(zhí)行力之和在 Y 軸，用負(fù)載，如圖 4 中，并求解 CY 和 CB，見方程（1） - （4） 。同樣，執(zhí)行的時(shí)刻周圍的點(diǎn) C 的總和，式（5） ，和點(diǎn) B，方程 化（6） ，以獲得在 C 和 B，等式（7）和（8） ，分別在轉(zhuǎn)矩。??????0)( yMmDy gWLFNsKg1./.9)14.2)( yCysC4758./8.)7.2????)((2DECDc LLWM0)??CmEM???? 0)()( 2DELCBDEDBC()2CLEmcL??（6）0(2??BBCC（7）inozNMc /.7896.1?（8）B3543該被選擇的基礎(chǔ)上，計(jì)算在伺服馬達(dá)，是 Hextronik HX12K ，其具有 280盎司/ 英寸的扭矩。該電動(dòng)機(jī)被推薦，因?yàn)樗热魏纹渌姍C(jī)與同樣規(guī)格便宜得多。由于我們需要更大的扭矩在關(guān)節(jié) B，見公式（8） ，我們使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)在點(diǎn) B 處，以符合扭矩要求;然而，一個(gè)馬達(dá)是不夠的其它關(guān)節(jié)。采用兩臺(tái)電機(jī)的合資 B 比使用一個(gè)大電機(jī) 560 盎司/英寸便宜得多。圖 5 伺服電機(jī)5可以在圖 5 中示出，其他有關(guān)的特征是，它們可以轉(zhuǎn)動(dòng) 60 度，在 130 毫秒和它們有各自 47.9 克的重量。一旦被定義為機(jī)器人手臂和電機(jī)的初始尺寸，設(shè)計(jì)進(jìn)行了使用 SolidWorks 平臺(tái);設(shè)計(jì)應(yīng)仔細(xì)考慮丙烯酸類片材的厚度和該塊將被彼此連接的方式。用于使機(jī)器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和該薄片的選擇，因?yàn)樗菀准庸ず透p的重量以良好的抗性。在設(shè)計(jì)過程中，我們面臨著由于強(qiáng)烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。它是需要工具來燒，并加入丙烯酸零件和未提供的和球隊(duì)認(rèn)為機(jī)械結(jié)基于螺釘和螺母會(huì)比其他的替代品，如膠如多強(qiáng)。為了做到這一點(diǎn)，一個(gè)小的特征，設(shè)計(jì)這允許緊固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸層的螺絲。這個(gè)過程的結(jié)果是在圖 6 所示立體設(shè)計(jì)。圖 6 機(jī)械手 3D 模型按照設(shè)計(jì)的結(jié)束，每個(gè)部分被印在滿刻度的硬紙板，然后我們核實(shí)了所有尺寸和組件的接口。反過來，我們建立了機(jī)器人手臂的第一個(gè)原型。接著，上述機(jī)器人手臂的部件從使用圓鋸和皮膚的工具的聚丙烯酸酯片材進(jìn)行機(jī)械加工。的詳細(xì)說明在各部分被做在一個(gè)專業(yè)工場(chǎng)因?yàn)闄C(jī)器人手臂的部分太小，這并不是一件容易的實(shí)現(xiàn)這種小而準(zhǔn)確的切割。在組裝機(jī)器人部件的電機(jī)，幾個(gè)問題彈出。有報(bào)道說，沒有抵抗所述緊固，并且，反過來，可能會(huì)破裂的臨界點(diǎn);因此，在這些點(diǎn)援軍進(jìn)行了審議。機(jī)器人手臂的最終結(jié)果示于圖 7。圖 7 機(jī)械手總體裝配圖63 機(jī)械手逆運(yùn)動(dòng)為了驗(yàn)證機(jī)械臂的定位準(zhǔn)確，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算進(jìn)行。這樣的計(jì)算來獲得每個(gè)電機(jī)從通過使用直角坐標(biāo)系，圖 8 坐標(biāo)系如圖 8 所示的位置上的角度各電動(dòng)機(jī)將具有特定功能：位于 A 結(jié)合的位置的馬達(dá)，在 y 的最終元件軸，馬達(dá) B 和 C 的位置在 x 和 z 軸的最后一個(gè)元件。該問題已經(jīng)通過使用 xz 平面簡化，如圖 9 在其下面的已知值被定義在[9] ：LAB ：前臂長度。LBC ：臂長。Z：在 z 軸上的位置。X：在 x 軸的位置。Y：在 y 軸的位置。利用三角關(guān)系，如圖 9 所示， θ2和 θ1可以得到，如在方程（9）可見， （10）的馬達(dá)角度。圖 9 XZ 平面馬達(dá) B 將使用 θ1和馬達(dá) C 被打算用 θ2。的角度為馬達(dá) A 的計(jì)算公式為EEN 在等式（ 11） 。通過這些計(jì)算，伺服電機(jī)的角度得到，從而他們采取的行動(dòng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)移動(dòng)到特定位置。4 最終選擇效應(yīng)端部執(zhí)行器可能是該系統(tǒng)的最重要和最復(fù)雜的部分之一。明顯的，它是非7常容易和經(jīng)濟(jì)地使用商業(yè)人比構(gòu)建它。端部執(zhí)行器主要是根據(jù)應(yīng)用和機(jī)器人臂完成的任務(wù)而變化;它可以是氣動(dòng)，電動(dòng)或液壓。由于我們的機(jī)器人手臂是基于在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇末端效應(yīng)器的電基礎(chǔ)。此外，本系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦類型是一個(gè)夾持器，如圖 10。 圖 10 夾持器與伺服5 機(jī)械手的控制該機(jī)器人手臂能自動(dòng)或手動(dòng)控制。在手動(dòng)模式下，訓(xùn)練有素的操作人員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教一個(gè)機(jī)器人做手工任務(wù)。在機(jī)器人的速度這些編程會(huì)話是緩慢的。在目前的工作中，我們所包圍的兩種模式。一個(gè)微控制器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)臺(tái)電腦化用戶界面：三個(gè)層次的呈現(xiàn)機(jī)器人手臂的控制基本上由。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的特點(diǎn)，允許靈活的編程和控制方法，它是利用逆實(shí)施運(yùn)動(dòng)學(xué);此外它也可以在全手動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)?？刂频碾娮釉O(shè)計(jì)示于圖 11。8圖 11 控制器的電子方案用微控制器是一個(gè)的 Atmega 368 ，它有一個(gè)名為“ Arduino 的”發(fā)展規(guī)劃板，如圖 12 。圖 12 Arduino 的微控制器板 圖 13 伺服控制器驅(qū)動(dòng)器編程語言非常類似于 C ，但包括幾個(gè)庫，幫助在 I / O 端口，定時(shí)器的控制和串行通信。該微控制器被選中因?yàn)樗哂械偷膬r(jià)格，這是很容易重新編程，該編程語言是簡單的，并且中斷可用于這個(gè)特定的芯片。所使用的驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)六通道微大師伺服控制器板。它支持三種控制方式： USB 直接連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)， TTL 串口與嵌入式系統(tǒng)，如 Arduino 的微控制器和內(nèi)部腳本中使用自包含和主機(jī)無需控制器的應(yīng)用。這個(gè)控制器，如圖 13 所示，包括位置和內(nèi)置的速度和加速度控器 0.25 微秒分辨率用戶界面取決于所使用的控制方法，即，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)或全手動(dòng)模式。在下文中，每個(gè)接口描述：5.1 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制在這種控制方法中，用戶輸入的坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置，其中夾爪應(yīng)。至于后果，接口與 LabVIEW 通過一個(gè)可視化的用戶生成的，如圖 149圖 14 Labview 的用戶界面程序?qū)⒆詣?dòng)執(zhí)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，以得到每個(gè)電機(jī)應(yīng)具有的角度，然后發(fā)送一個(gè)命令要么到微控制器，或直接將機(jī)器人移動(dòng)到指定的位置的驅(qū)動(dòng)器。通信是通過 RS- 232 協(xié)議進(jìn)行。在下文中，您可能會(huì)看到 Labview 的用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW 的用戶界面輸入：X 軸位置。y 軸的位置。Z 軸位置。夾持器打開。叼紙牙攻角。串行端口。LabVIEW 的用戶界面輸出是：電機(jī) A 角。電機(jī) B1 角度。電機(jī) B2 角度。電機(jī) ? 角。攻角。姿勢(shì)角度這樣的輸出變量進(jìn)行處理，并通過適當(dāng)?shù)姆绞桨l(fā)送的，這樣的信息可以在一個(gè)正確的方式來解釋。該輸出是通過其連通于控制器串行端口發(fā)送。當(dāng)按鈕“移動(dòng)”被點(diǎn)擊時(shí)，一個(gè)過程將發(fā)生，如圖 15 圖 15 程序流程在圖 15 中，隨著這個(gè)動(dòng)作，所述機(jī)器人臂將根據(jù)所輸入的值改變其位置。此外，它有一個(gè)待機(jī)按鈕，停止該通信控制器。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，它使用移動(dòng)的有效方法，并提供進(jìn)一步的功能，可以實(shí)現(xiàn)，比如位置和順序?qū)W習(xí)。的缺點(diǎn)，另一方面，是使 具有有效的角度逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算之后可能的位置是非常有限的，因?yàn)樗欧姍C(jī)有180?一個(gè)約束。5.2 手動(dòng) 這種類型的控制是我們的系統(tǒng)，在特定的位置有用多了一種選擇。在強(qiáng)制的10情況下持倉逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模式不能計(jì)算其有效的角度，我們可以用手動(dòng)控制來代替?；旧?，手動(dòng)控制包括一系列模擬輸入，諸如電位器，一種是與這將解釋該值并發(fā)送一個(gè)命令到伺服驅(qū)動(dòng)器的微控制器相連。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)控制板，如圖 16圖 16 電位器板應(yīng)該被構(gòu)建為一個(gè)接口與用戶的工作?？赡軐?shí)現(xiàn)包括教學(xué)功能，使微控制器存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并通過鍵盤或系列交換機(jī)，我們可能還記得這些職位的職位。6 測(cè)試和驗(yàn)證若干測(cè)試是驗(yàn)證該機(jī)器人臂和它的組件。測(cè)驗(yàn)涉及的特定元件和整個(gè)系統(tǒng)的，如圖 17 所示。圖 17 機(jī)械手測(cè)試微控制器測(cè)試是由軟件發(fā)送不同的命令給單片機(jī)，檢查這是連接到開啟或11關(guān)閉取決于命令伺服電機(jī)的輸出發(fā)生變化。伺服電動(dòng)機(jī)分別通過發(fā)送不同的直接脈沖到每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)和驗(yàn)證移動(dòng)到合適的位置的響應(yīng)之后進(jìn)行測(cè)試。我們使用的標(biāo)記知道在哪里的初始位置是和最終電機(jī)的位置是通過與微控制器發(fā)送信號(hào)，并且，反過來，它是由伺服解釋和比較，由編碼器提供的信號(hào)，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置來確定。在測(cè)試過程中，伺服電動(dòng)機(jī)是因?yàn)椴徽_的極化的不一致性與機(jī)器人臂系統(tǒng)。 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用 LabVIEW 軟件發(fā)送命令到發(fā)送的特定命令其中有一臺(tái)電機(jī)連接根據(jù)稱道改變位置的驅(qū)動(dòng)微控制器也測(cè)試。要注意到，在這一點(diǎn)很重要開始一個(gè)項(xiàng)目的不同的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器被選中，但與他們和微控制器之間的通信幾個(gè)問題都存在。所以，我們選擇一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，允許數(shù)據(jù)被直接從計(jì)算機(jī)發(fā)送到它與只有一個(gè) USB 線，所以，微控制器將僅在箱子的使用實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。其他測(cè)試，以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的功能，圖 18 機(jī)器人手臂的動(dòng)作如顯示在圖 18 中通過引入在 LabVIEW 界面中的特定位置和測(cè)量，以驗(yàn)證一個(gè)參考點(diǎn)和最后點(diǎn)之間的距離發(fā)生了那些測(cè)試：該從逆正確變換到正運(yùn)動(dòng)學(xué)，指定的角度和馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)之間的關(guān)系。機(jī)器人手臂的測(cè)試和驗(yàn)證是需要細(xì)長時(shí)間，因?yàn)樾枰獛状蔚娜蝿?wù)之一。在我們的測(cè)試中，很多問題出現(xiàn)的：錯(cuò)誤的角度計(jì)算，電機(jī)的錯(cuò)誤校正，問題與物理角度和位置測(cè)量，因?yàn)檫@是沒有預(yù)料過載燒毀伺服電機(jī)之一。127 結(jié)果與討論7.1 伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍伺服電機(jī)的極限得到規(guī)范，因?yàn)檫@種類型的電機(jī)都包含有小于 180 度的跨度。實(shí)際范圍為所有電機(jī)被發(fā)現(xiàn)是在范圍 125 - 142 度，如表 1 所示的這清楚地表明，機(jī)器人手臂的實(shí)際操作是從機(jī)架的情況下不同。表 1 電機(jī)角的范圍 電動(dòng)機(jī) 角度范圍電機(jī) A 130?電機(jī) B1 135? 電機(jī) B2 140?電機(jī) ? 142? 電機(jī)攻擊角度 125?7.2 電流消耗 消耗電流取決于負(fù)載和機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)的類型。在目前的研究中，有 4 個(gè)級(jí)別的電流消耗為： ? 低（從 0 到 200 mA） 。這種消費(fèi)發(fā)生時(shí)，機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)（不運(yùn)動(dòng)的情況下） 。 正常（從 200 到 500 mA） 。這件事發(fā)生時(shí)，機(jī)器人手臂移動(dòng)與能力去目標(biāo)沒有很大的扭矩需求。 高（500 mA 到 900 毫安） 。達(dá)到按賬面負(fù)載的開頭這個(gè)范圍。通過克服的慣性載荷的初始瞬間，在正常范圍內(nèi)發(fā)生的地方。過電流（超過 900 MA） 。負(fù)荷太重，電機(jī)不能動(dòng)彈。為在此條件下被用于多于一分鐘，將馬達(dá)燒毀，也就是說，它是不可能使用的任何多7.3 最大負(fù)載這些結(jié)果是用不同的權(quán)重得到的;一袋玉米被用于與規(guī)模來決定包的體重。結(jié)果進(jìn)行了使用機(jī)器人手臂拿起袋子，并將其移動(dòng)到特定位置。表 2presents 的電流消耗袋玉米的不同權(quán)重。從表 2 中可以看出，該機(jī)器人可在負(fù)載沒有問題的移動(dòng)超過 50 克以下。在負(fù)載 60 克，機(jī)器人手臂開始有困難，并通過 80 克后發(fā)生嚴(yán)重的情況，其中憤怒可逆的損害可發(fā)生在馬達(dá)。7.4 最終位置結(jié)果表明，該機(jī)器人臂的精度移動(dòng)至不同的重量（<50 克） ，結(jié)果列于表 3 13，如圖所示，在機(jī)器人手臂能夠執(zhí)行移動(dòng)到指定的位置。然而，這種移動(dòng)不平滑，有時(shí)馬達(dá)沒有足夠的力，尤其是當(dāng)負(fù)載很重。此外，一些問題可能會(huì)由于同步兩個(gè)底部的電機(jī)。兩個(gè)電機(jī)的步驟是不重合而引起的丙烯酸部位張力，這在箱子被過多會(huì)破壞的部分。表 2 負(fù)載與電流消耗 空載 電流損耗 20 克 低40 克 正常50 克 正常60 克 高80 克 過流100 克 過流表 3 精度上的所有軸軸 精度（ + / - ）× 1 厘米 ? 2 厘米? 1 厘米8 結(jié)論本文介紹了機(jī)器人手臂，具有天賦太一，plish 簡單的任務(wù)，如光材料處理的設(shè)計(jì)，開發(fā)和實(shí)施。機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)和建造從那里伺服電機(jī)被用來進(jìn)行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行的手臂動(dòng)作亞克力材質(zhì)。伺服電機(jī)編碼器包括使沒有控制器實(shí)施;然而，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍小于 180°范圍，從而大大減小了臂和可能的位置到達(dá)該區(qū)域。機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@是有限的四個(gè)自由度設(shè)計(jì)允許大多數(shù)必要的運(yùn)動(dòng)和保持成本和機(jī)器人競(jìng)爭的復(fù)雜性。末端執(zhí)行器是不包括在設(shè)計(jì)，因?yàn)槭惺鄣膴A持器使用，因?yàn)樗歉菀缀徒?jīng)濟(jì)地使用商業(yè) 1 比生成它。在設(shè)計(jì)過程中，我們面臨著由于強(qiáng)烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。根據(jù)螺釘和螺母的機(jī)械連接點(diǎn)被使用，并且，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一個(gè)小的特征，設(shè)計(jì)這使與緊固螺母螺栓，而無需在薄亞克力層螺旋。到控制的機(jī)器人手臂，三種方法被執(zhí)行：一個(gè)微控制器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的用戶界面。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的特點(diǎn)，允許在編程和控制方法的靈活性，它利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)施;14是 - 兩側(cè)也有可能是在全手動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)。這個(gè)機(jī)器人手臂是與他人的對(duì)比作為多比現(xiàn)有機(jī)器人手臂更便宜，還可以控制所有從一臺(tái)計(jì)算機(jī)的動(dòng)作，使用Labview 的接口。數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證上述機(jī)器人手臂其中睪丸不但涉及特定元素和整個(gè)系統(tǒng);在不同的操作條件下的結(jié)果顯示信任的機(jī)器人手臂呈現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)[ 1 ]操作型工業(yè)機(jī)器人 - 詞匯，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn) 8373 ，1994 .[ 2 ]工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人的 IFR 國際聯(lián)合會(huì)， 2010. 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Groover and M.Weiss， “工業(yè)機(jī)器人,可編程的技術(shù)應(yīng)用“MC-格勞山，墨西哥 D.F.，198915下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985分 類 號(hào) 密 級(jí) 寧學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )車床工件自動(dòng)裝夾機(jī)械手設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師年 月 日下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 119709852誠 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《車床工件自動(dòng)裝夾機(jī)械手設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 日下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985摘 要隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用越來越普遍，已被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中。首先，簡要介紹了機(jī)械手的基本概念、機(jī)械手的組成和分類，以及工業(yè)機(jī)械手的簡史和發(fā)展趨勢(shì)。其次，本文通過車床機(jī)械手的動(dòng)作分析，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，確定了機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)；完成了送料機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。再次，完成了機(jī)械手的手部、臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，通過對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作行程分析，完成了機(jī)械手的氣缸設(shè)計(jì)和氣元件的選擇；設(shè)計(jì)了可滿足車床使用的機(jī)械手關(guān)鍵詞：機(jī)械手 ，工業(yè)自動(dòng)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),氣缸下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985IVAbstractWith the development of industrial automation ,the industrial manipulators are used widely. They are applied in kinds of industry. Firstly ,it introduced briefly the basic concept of the robot, the composition and classification of robot ,the development history of industrial robots and development trends of industrial robots. Secondly, to analyzing the process of automatic production line for camshaft pump feeding robot,I have determined the coordinates form，the number of freedom and drive mechanismthe of manipulator, identified the main technical parameters of mechanical hand,completed the overall design of automatic line feed pump camshaft mechanical hand. Thirdly,I have completed the structure design of hand, arm and body . Finally, through analysing the movement of mechanical hand,I have completed the design of hydraulic cylinders and the choice of hydraulic components ;I have designed schematic diagram of hydraulic system and the diagram of electrical control to meet the requirements of manipulator's loop movement.Keywords: The mechanical hand, industrial automation, structure design, cylinder下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985目 錄摘 要 .......................................................................................................................................IIIAbstract.....................................................................................................................................IV目 錄 ........................................................................................................................................V第 1 章 緒論...............................................................................................................................11.1 機(jī)械手概述 ...................................................................................................................11.2 機(jī)械手的組成和分類 ...................................................................................................21.2.1 機(jī)械手的組成 ....................................................................................................21.2.2 機(jī)械手的分類 ....................................................................................................31.3 課題的提出及主要任務(wù) ...............................................................................................31.3.1 課題的提出 ........................................................................................................31.3.2 課題的主要任務(wù) ................................................................................................4第 2 章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案.......................................................................................................42.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度和工作范圍 ...................................................................52.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ......................................................................................52.3 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ......................................................................................52.4 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) ...............................................................................................62.5 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) ..............................................................................................62.6 機(jī)械手的主要參數(shù) .......................................................................................................62.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ...............................................................................................6第 3 章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).................................................................................................................73.1 手部設(shè)計(jì) .......................................................................................................................83.1.1 手指的形狀和分類 ............................................................................................83.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 ....................................................................................83.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) ...................................................................................................9第 4 章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).............................................................................................................124.1 手臂伸縮 .....................................................................................................................124.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................................12下載后文件包含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985VI4.1.2 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ..................................................................................124.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 .........................................................................................134.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................................134.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) .........................................................................................134.4 氣壓系統(tǒng)主要參數(shù) ............................................................................................174.4.1 氣缸和氣馬達(dá)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ..............................................................................174.4.2 氣壓元件的選擇 .............................................................................................184.5 氣壓原理圖 .........................................................................................................21總結(jié)與展望...............................................................................................................................23參考文獻(xiàn)...................................................................................................................................24致 謝.........................................................................................................................................25本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1第 1 章 緒論1.1 機(jī)械手概述生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。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。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20 世紀(jì) 50 年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。機(jī)械手首先從美國開始研制，1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。在此基礎(chǔ)上美國通過不斷改進(jìn)完善，研制出一系列新的機(jī)械手，美國的研制十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。德國從 1970 年開始再制造行業(yè)應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)二種典型的機(jī)械手后，便開始大力進(jìn)行機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979 年從事機(jī)械手研究工作的大畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2專院校、研究單位多達(dá) 50 多個(gè)；1979 年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)到 443 億日元，產(chǎn)量為14535 臺(tái)。使用機(jī)械手最多的行業(yè)是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器和電子行業(yè)。到目前在日本工作的工業(yè)機(jī)械手已有 100 萬臺(tái)左右。目前隨著電子計(jì)算機(jī)和電信設(shè)備的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，正逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。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 1-1 所示。圖 1-1 機(jī)械手的組成方框圖(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部 、手腕、手臂和立柱、機(jī)座等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。(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，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。(三)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。(四)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。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:(二)按驅(qū)動(dòng)方式分機(jī)械手可分為氣傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手、電力傳動(dòng)機(jī)械手。本設(shè)計(jì)是氣傳動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。1、 氣傳動(dòng)機(jī)械手是以氣的壓力來驅(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: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。(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。1.3 課題的提出及主要任務(wù)1.3.1 課題的提出隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，車床的生產(chǎn)過程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用氣傳動(dòng)，氣傳動(dòng)存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)氣傳動(dòng)能方便地實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。(2)在相同功率情況下，氣傳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換元件的體積較小，重量較輕。(3)工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向。(4)便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，而且工作油液能使傳動(dòng)零件實(shí)現(xiàn)自潤滑，故使用壽命長。(5)操縱簡單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和電氣控制聯(lián)合使用時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。（6）氣元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。1.3.2 課題的主要任務(wù)本課題將要完成的主要任務(wù)如下:機(jī)械手為車床機(jī)械手，因此它是專用機(jī)械手.查閱相關(guān)資料,完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及相關(guān)氣缸和氣爪的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型; 利用CAD 軟件完成機(jī)械手的裝配圖和零件圖設(shè)計(jì); 翻譯相關(guān)的外文資料并撰寫一篇論文。第 2 章 機(jī)械手的設(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)確地搬運(yùn)工件，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，增強(qiáng)專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是車床專用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)。2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度和工作范圍按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(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 所示為機(jī)械手的手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖和工作范圍圖。圖 2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖和工作范圍圖2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了適應(yīng)車床，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成夾持式手部，可以準(zhǔn)確的夾取工件。2.3 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)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）62.4 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣傳動(dòng)系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向，因此選用氣傳動(dòng)系統(tǒng)。2.5 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的專用性，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。2.6 機(jī)械手的主要參數(shù)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)械手手臂的伸縮行程定為 400mm,最大工作半徑約為 1300mm，手臂安裝前后可調(diào) 200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 240(應(yīng)大于 180 否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土 0.5～±lmm2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表本部分參考常見機(jī)器的參數(shù),進(jìn)行的自設(shè)定的參數(shù).一、用途:用于車床上下料。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重10 公斤 (夾持式手部)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)72、自由度數(shù)4 個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1300mm5、手臂最大中心高1200mm6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程 400mm伸縮速度 300mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 240°7、手指夾持范圍工件: 80～150mm8、定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等9、定位精度士 0.5mm10,緩沖方式氣緩沖器11.驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)第 3 章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的專用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成夾持式手部 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）83.1 手部設(shè)計(jì)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)型手指的手指長度變成無窮長時(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)象的要求本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9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.3.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1齒輪齒條式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為?120??mRb24??10.?f(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:RbpN(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式:)(5.0????tg)(2426. '??所以 Rbp?N)(245(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10?21Kp?實(shí) 際1、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94.0??5.1?K大加速度取 時(shí)，則:ga3?12?ga所以 )(56394.0125Np?實(shí) 際所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 。N15632、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)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(shí)的總阻力，其公式為: ztFPDF??421?式中: - 活塞桿上的推力，N- 彈簧反作用力，Nt- 氣缸工作時(shí)的總阻力，Nz- 氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計(jì)算: )1(sGFft??nDdf314Gf = 3148式中: - 彈簧剛度，N/mfG- 彈簧預(yù)壓縮量， m- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑，.D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104.7??在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 的影響，則:?tFp??421?由以上分析得單向作用氣缸的直徑:本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11??pFtD)(41??代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 fGnd314843915)0(..7??)/6.mN?(sFft?).20473??所以: ?DpnFt?1(?6105.).249(??)3.65m查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 D由 ,可得活塞桿直徑:.02/??d mDd5.193).2(???圓整后，取活塞桿直徑 校核，按公式md18][)4/(21???dF有: 5.0])[/14(??F?其中，[ ] ，MPa2N701則: 5.0)/9(?d18.2??滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)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(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: ][2/??pDP?式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓力，取 , Pap Pp5.1?材料為:ZL3,[ ]=3MPa?代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: ][2/?pDP?)(5.6)103(65m??取 ，則缸筒外徑為:7 )(8025.761mD???畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12第 4 章 手臂結(jié)構(gòu)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)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。4.1 手臂伸縮4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂的伸縮是直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是氣驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時(shí) ，氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。4.1.2 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算圖 4-1 所示為活塞氣缸驅(qū)動(dòng)手臂下伸時(shí)的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動(dòng)力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油輸入工作腔時(shí)，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動(dòng)力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，手臂運(yùn)動(dòng)件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為:P 驅(qū) = P 慣 + P 摩 + P 密 + P 背 N （4-1）式中:P 慣 ——手臂在起動(dòng)過程中的慣性力(N);P 摩 ——摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N);P 密 ——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同 。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13P 背 ——?dú)飧追枪ぷ髑粔毫?即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與油箱相連時(shí)，則 P 背 =0 手臂作水平伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力:圖4-1 手嘴伸出時(shí)的受力狀態(tài)4.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。在本機(jī)械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體、轉(zhuǎn)軸、定片、回轉(zhuǎn)定位塊、回轉(zhuǎn)中間定位塊等組成。當(dāng)油液通過管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動(dòng)升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對(duì)氣缸孔的機(jī)械加工精度也易于保證。4.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)1．驅(qū)動(dòng)力計(jì)算畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力公式:F=F f + （4-2）tm??其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開始，所以△v=v, 摩攘系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為 ZL3，活塞材料為 45 鋼，查有關(guān)手冊(cè)可得 f=0.17.質(zhì)量計(jì)算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、 、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時(shí)其質(zhì)量為 70kg，放松物件后其質(zhì)量為 55kg.接觸面積:S=O.5m 2則上料時(shí)： ??NFf 350.170??F=F + ftm??= 05.1670353??=1540（N）下料時(shí)： ??Ff 2.??F=F + ftm??= 05./165273??=935(N)考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2則上料時(shí): F=1540 1.2=1850 (N)?下料時(shí): F=935 1.2=1120 (N)2、氣缸的直徑根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式: （4-3）41??DpF?（4-4）??22d?其中: F ——活塞桿伸出時(shí)的推力，N1F ——活塞桿縮入時(shí)的拉力2d——活塞直徑，mm P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa本科畢業(yè)設(shè)計(jì)15代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當(dāng)推力做功時(shí):（4-5）??pFD14?= ??2/134.0580????????=108.5(mm)當(dāng)拉力做功時(shí):D=(1.01～1.09)[4F/ ]??2/1??p=(1.01～1.09) ?2/154.04??=92.12(mm)圓整后，取 D=100mm 3、活塞桿直徑的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi)將裝有3根伸縮油管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取d=70mm, d =56mm.0校核如下:(按縱向彎曲極限力計(jì)算)氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力F 以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。k因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F 與工作總阻力F 之和)小于極限力F 。1z該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為:（4-6）21????????kLnafAK式中: L——活塞桿計(jì)算長度，mK——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，空心桿 ，m420dK??d ——空心活塞桿內(nèi)孔直徑，m0畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16A ——活塞桿橫截面面積，空心桿 ，m1 ??6401dA???2f——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=2.1 10 Pa7a——系數(shù)，對(duì)鋼a=1/5000代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:21????????kLnafAFK= ??????4/1056107/305/149 232337 ????????=573(KN)推力負(fù)載為:PDFzf 24???代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: =zf=3142(N)>編寫組編·機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)·冶金工業(yè)出版社·1979.12[4]東北工學(xué)院>編寫組編·機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)·冶金工業(yè)出版社·1979.12[5]周開勤編·機(jī)械零件手冊(cè)·高等教育出版社·1998.3.[6]龔振幫編·機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)·電子工業(yè)出版社·1995. [7]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢(shì)態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ，2001[8]王雄耀.近代氣動(dòng)機(jī)器人(氣動(dòng)機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封，1999, 5[9]嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992[10]機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986[11]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社[12]鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，198725致 謝本論文是在導(dǎo)師 XXX 的悉心指導(dǎo)下完成的，首先，我要鄭重地感謝我的指導(dǎo)老師。在設(shè)計(jì)過程種，老師耐心細(xì)致地為我檢查設(shè)計(jì)書，檢查畫的圖紙，指出需要修改的地方。我很敬佩老師的專業(yè)水平，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向趙老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。其次感謝身邊的同學(xué)朋友，他們也給了我很多幫助和關(guān)懷。再次感謝我的家人。有人說，時(shí)間如流水，一刻不停地沖刷著記憶，但是，有些記憶隨著時(shí)間的沖刷不會(huì)消逝，反而會(huì)變得越來越清晰、越來越值得回味，因?yàn)樗鼈円焉钌钽懣淘趦?nèi)心深處。四年的求學(xué)即將劃上句號(hào)，收拾行囊、開始新征途的日子悄然逼近，回頭看看走過的路，無限感慨，揮揮手，卻依然不想說再見！