平面關節(jié)型機械手設計 引 言 平面關節(jié)型機械手是應用最廣泛的機械手類型之一，既可以用于實際生產，又可以用于教學實驗和科學研究。用于實際生產，它能夠滿足裝配作業(yè)內容改變頻繁的要求；用于教學實驗，它能夠使人直觀地了解機器人結構組成、動作原理等，所以開發(fā)設計和研究平面關節(jié)型機械手具有最廣泛的實際意義和應用前景。其中比較突出的LM629是美國國家半導體公司生產的可編程全數(shù)字運動控制芯片，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，內置PID算法，其參數(shù)可以修改；支持實時讀取和設定速度、加速度以及位置等運動參數(shù)，內置的梯形圖發(fā)生器能夠自動生成速度曲線，平穩(wěn)地加速、減速；支持增量式光電碼盤的4倍頻輸入；芯片的主頻為6MHz和8MHz。 一 機械手結構 本文設計的平面關節(jié)型機械手的實物照片如圖1所示，其主要包括兩個旋轉關節(jié)（分別控制機械大臂和小臂旋轉以及手抓張合）和一個移動關節(jié)（控制手腕伸縮），圖2為機械手簡化模型。各關節(jié)均采用直流電機作為驅動裝置，在機械大臂和小臂的旋轉關節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號。直流電機的運動控制采用自行開發(fā)的基于LM629和PIC16F877構成的多關節(jié)控制卡，并編制了能滿足運動控制要求的軟件，實現(xiàn)對機械手的速度、位置以及3關節(jié)聯(lián)動控制。由于機械手3個關節(jié)電機的控制系統(tǒng)基本類似，因此在下文中，筆者將以單個關節(jié)電機為例向讀者介紹平面關節(jié)型機械手的控制系統(tǒng)設計過程。 圖1機械手實物照片 注：1—機身；2—大臂電機；3—光電編碼器；4—大臂；5— 小臂電機6—同步帶；7—光電編碼器；8—小臂；9—手腕升降 電機；10—手抓電機；11—手抓。 圖2機械手簡化模型 二 控制系統(tǒng)設計 2.1控制系統(tǒng)的工作原理 基于LM629芯片和PIC16F877單片機構成的單個關節(jié)直流電機伺服驅動系統(tǒng)如圖3所示。 圖3控制系統(tǒng)原理圖 運動芯片LM629通過8位數(shù)據(jù)線和6根控制線與單片機PIC16F877的I/O口相連。單片機通過數(shù)據(jù)線向LM629發(fā)送位置或速度命令、設定PID調節(jié)參數(shù)，并從LM629中讀取速度、加速度等數(shù)值。LM629輸出的脈寬調制幅度信號和方向信號直接驅動L298N，經過功率放大后驅動直流電機。增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(A、B、IN),梯形圖發(fā)生器計算出位置或速度模式下所需控制的運動軌跡。PIC16F877為LM629提供加速度、速度和目標位置量,在每個采樣周期用這些值來計算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測電機的實際位置,其輸出信號經過LM629四倍頻后進行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字PID校正環(huán)節(jié)的輸入。通過數(shù)字調節(jié)器PID計算，LM629輸出脈寬調制信號PWMM和方向信號PWMS用于控制功率芯片L298N,進而驅動電機運動到指定的位置。LM629在進行位置控制的同時，還對速度進行控制。LM629在接受到主機送來的位置信號后，按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線，曲線與坐標橫軸所包圍的面積就是指定的位置。PID算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時需要進行修改，因此將它們存儲在單片機的E2PROM中。單片機和PC機通過無線發(fā)射和接收模塊進行串行通信。 平面關節(jié)型機械手設計 班級 學號： 姓名： 指導教師 [摘要] 平面關節(jié)型機械手采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體截面的大小、形狀。 關鍵詞: 機械手 軸承 汽缸 [Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section . Key words: manipulator axletree cylinder 第1章 機械手總體設計 工業(yè)機械手是一種模仿人手部分動作，按照預先設定的程序，軌跡或其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀五十年代就已用于生產，是在自動上下料機構的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產線自動化，隨著應用范圍的不段擴大，現(xiàn)在用來夾持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明它可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率。 平面關節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機器人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應用廣泛。 總體設計的任務：包括進行機械手的運動設計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。 1.1 主要技術參數(shù)見表1-1 表1-1 機械手類型 平面關節(jié)型 抓取重量 2.2Kg 自由度 3個（2個回轉1個移動） 大臂 長700mm，回轉運動，回轉角240，步進電機驅動 單片機控制 小臂 長600mm，回轉運動，回轉角240，步進電機驅動 單片機控制 移動關節(jié) 氣缸驅動 行程開關控制 手指 氣缸驅動 行程開關控制 1.2 結構特點如下圖： 圖3.工作空間圖 第2章 手指設計 工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一 2.1 設計時要注意的問題： (1) 手指應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。 (2) 手指應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 (3) 應能保證工件在手指內準確定位。 (4) 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。 (5) 根據(jù)應用條件考慮通用性。 圖4.機構簡圖 2.2 零件的計算 其中g取10 取G=23（N） （環(huán)型零件圖） 2.3 手指抓緊力的計算： f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15 所以 取N=40（N） 驅動力的計算 （抓取零件圖） 為斜面傾角，，為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動， 查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85 所以 取p=55(N) 2.3.1活塞手抓重量的估算 r為桿的半徑，h為長度，g取10 2.3.2 汽缸的設計 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。 汽缸內型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復位。 汽缸的計算 氣壓缸內徑D的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 D為汽缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3圓整取32mm. 活塞桿直徑d的計算 一般，此選0.2 mm 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4 圓整取8mm 汽缸壁厚的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得 彈簧力的F的計算 第3章 移動關節(jié)的設計計算 3.1驅動方式的比較 機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅動，各種驅動的特點見表3-1。 3.2汽缸的設計 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。 汽缸類型選擇：因為活塞行程較長，往復運動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動。 初選活塞桿直徑d=12mm，估算其重量 取5N 取80N 表3-1 比較內 容 驅動方式 機械傳動 電 機 驅 動 氣壓傳動 液壓傳動 異步電機，直流電機 步進或伺服電機 輸出力 矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結構尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性 能 速度可高，速度和加速度均由機構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體 積 當自由度多時，機構復雜，體積液較大 要有減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使 用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復雜 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏影響小 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應用范 圍 適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 中小型專用通用機械手都有 中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用 成 本 結構簡單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結構簡單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復雜 氣壓缸內徑D的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 D為汽缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3圓整取40mm. 一般，此選0.3 mm 汽缸壁厚的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得 汽缸重量的計算 其中：R為汽缸外徑，r為汽缸內徑，h為汽缸長度，g取10，為汽缸材料密 度，取25N 第4章 小臂的設計 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。 4.1 設計時注意的問題 (1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。 (2) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉軸所產生的力矩。 (3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。 (4) 導向性要好。 圖5.機械手傳動原理 4.2 小臂結構的設計 把小臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經濟、輕巧。 選10號工字鋼。理論重,小臂長為600mm。 較核：（N） 取75N 其受力如下圖: F=75+105=180（N） 按《材料力學》公式5.11 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。 所以 所以選10號工字鋼合適。 4.3 軸的設計計算 大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。 受力如下圖: 驗算： F=180N 所以合適 4.4 軸承的選擇 因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3 軸承的校核 因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為： 《機械設計》13-17 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條 件。按《機械設計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5. 上軸承受純徑向載荷, 所以 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷, R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設計》表13－5查取 因為 所以 所以 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用校核 4.5 軸承摩擦力矩的計算： 如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式: 估算 其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內徑。 查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得 ，所以也可以用此公式估算 所以 查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得， ，所以也可以用此公式估算 所以 取0.1 4.6 驅動選擇 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長期積累誤差的步進電機。 步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)表查取， 選45BF005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。 精度驗證:能夠滿足精度要求， 為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取 則 齒輪寬度計算： 按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) 兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1 則 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm。 第5章 大臂的設計計算 5.1 大臂結構的設計 把大臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經濟、輕巧。 選14號工字鋼。理論重,小臂長為700mm。 較核：（N） 取140N 其受力如圖: F=75+105+140=320（N） 按《材料力學》公式5.11 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。 所以 所以選10號工字鋼合適。 5.2 軸的設計計算 軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。 其受力如下圖: 驗算： F=320N 所以合適 5.3軸承的選擇 大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3 軸承的校核 因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為： 《機械設計》13-17 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5. 上軸承受純徑向載荷, 所以 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷, R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設計》表13－5查取 因為 所以 所以 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 5.4 軸承摩擦力矩的計算 如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式: 估算 其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內徑。 查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得， ，所以也可以用此公式估算 所以 查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得， ，所以也可以用此公式估算 所以 取0.1 5.5 伺服系統(tǒng)的選擇 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長期積累誤差的步進電機。 步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)表查取， 選45BF005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。 精度驗證: 所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構 在此選用直齒圓柱齒輪 為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取 則 齒輪寬度計算： 按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) 兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1 則 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm 第6章 機身的設計 機身是支承臂部的部件，升降，回轉和俯仰運動機構等都可以裝在機身上。 6.1 設計時注意的問題 (1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 (2) 運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，否則可能產生卡死現(xiàn)象；一般要有導向裝置。 (3) 結構布置要合理，便于裝修。 6.2 三個自由度: 由于此設計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。 參考文獻 1. 《工業(yè)機器人設計》 周伯英 機械工業(yè)出版社 1995 2. 《機器人機械設計》 龔振幫 電子工業(yè)出版社 1995 3. 《機構設計》 （日）藤森洋三 機械工業(yè)出版社 1990 4. 《機械手圖冊》（日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔?1989 5. 《機械設計圖冊》（5）成大先 化學工業(yè)出版社 1999 6. 《材料力學》 劉鴻文 高等教育出版社 1991 7. 《機械設計》 濮良貴 紀名剛 高等教育出版社 1995 8. 《機械零件手冊》 周開勤 高等教育出版社 1993 9. 《機械設計課程設計手冊第二版》吳宗澤 高等教育出版 1999 10.《互換性與技術測量》廖念釗,莫雨松 中國計量出版社2000 11.《計算機工程制圖》 陳錦昌 華南理工大學出版社1999 12.《機械制造裝備設計》 馮辛安 機械工業(yè)出版社2004 鳴 謝 在這次畢業(yè)設計中，令我受益匪淺，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，使我更深一步了解了所學的專業(yè)知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。同時也遇到很多問題，如設計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。最后感謝學校、學院各位老師3年來給我的悉心教育和培養(yǎng)，特別感謝我的導師王雪芳老師給我精心的指導！ - 24 -