地铁隧道清洁机械手设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文）第I页共I页目录1引言11.1机械手的分类21.2机械手的应用31.3机械手的未来32课题背景及要求42.1课题背景42.2隧道清洁机械手课题的设计任务62.3隧道清洁机械手课题的设计思路63清洁机械手总体方案设计83.1清洁机械手的组成83.2清洁机械手末端执行器轨迹的规划93.3机械手手腕回转中心104清洁机械手的运动及自由度134.1地铁隧道清洁机械手的类型134.2铰链四杆机构的选取154.3机械手自由度的校核195其它部件的设计与选型205.1电机的应用选择205.2吸尘器的设计245.3手臂伸缩长度设计25结束语27致谢28参考文献29本科毕业设计说明书（论文）第1页共29页1引言很早以来，人类就幻想有一种拟人的机械，能实现如人的手、脚一样灵活自由的运动，能代替人从事各种复杂的劳动。随着人类认识的不断深入和科学技术的进步，这种梦想正逐步变成现实。在我国，习惯于把工业机器人称为机械手或操作臂。操作一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上，另一端自由安装手爪、工具等，实现各种操作。关节的作用是使它连接的两连杆产生相对运动。操作臂式多环节开环机械装置：它有完成旋转和往复运动的关节，其自由度数目是210个。这个机械装置的最后一个环节（即工作机构）是手爪，或其它任何专门的生产器械，如真空吸附盘、喷雾器、自动搬手等。为了能够在各环节位移最小的情况下保持执行机构有平滑的移动轨迹，必须正确的分配操作臂传动链的运动自由度。为此，操作臂必须满足如下基本要求：(1)可随意改变手爪位置和方向；(2)在保持手爪位置和方向的条件下，可随意改变操作臂运动链在空间的形状；(3)用于改变手爪方向的运动自由度不能对手爪终端位置有明显的影响。要按照操作臂在工作范围内的工作要求，即服务质量，来选择各环节的有效长度，工作系数可作为一个工作标准。根据所要求的工作系数的大小确定各环节的工作长度和确定各环节的操作臂传动链中的位置。在确定手爪的结构时，通常要考虑某些定型工序。有的手爪做成勺罐形，有的有两个或三个手指等等。工作机构可同时带有信息传感器。这种信息传感器能确定出操作对象的各种、参数，并能发出故障警报等。传动装置主要有三类：电动、液压和气动的传动。由于空气压缩性大和制造良好的气动系统相当复杂，所以气动传动的灵敏性很差。液压传动除专门的维护外，还由于漏油会引起环境污染。电传动可以采用各种伺服电机和离合器。传动装置可直接安装在固定机械手的基座上。分散装配传动系统的优点是：由电动机到关节之间力的传递简单，因而机械手的机构紧凑。集中配置传动装置可以简化机械手的结构，并且可以比较自由地选择传动的形式和结构，但是有传动装置向关节传递力需要齿轮、链条等等13。电动机械手的主要特点是机械手的每个活动度都相应的配有一台电动机以及有关变速传动结构。与液压或气动机械手相比，驱动源和系统较简单，电动机又是配通本科毕业设计说明书（论文）第2页共29页用产品规格齐全，容易得到，不需要另行设计制造。在位置精度要求不高的情况下，控制也较方便。但普通电动机均为回转运动，且转速较高，一般都配有变回转运动为直线运动的机构和减速机构。因此，在驱动功率要求较大的情况下，整个装置也较大。故电动机械手一般适用于提取重量不大，位置精度一般，活动自由度较少的机械手。若采用特殊设计的专用电动机或特种电动机，如功率伺服电机、功率步进电机等，也可以改善电动机械手的性能，因此电动机械手很具有推广使用的价值4,5。1.1机械手的分类(1)直线型这种运动型式的机械手，其臂部只具有沿直角坐标轴线作直线移动的活动度，即臂部只是做伸缩、升降和平移等运动，它的运动范围的图形可以是一条直线、一个矩形平面或一个长方体。(2)回转型这种运动型式的机械手，其臂部均具有水平回转这个活动度外，与臂部的伸缩和升降两个活动度组合成一个完整的回转型机械手。它的运动范围图形视其活动度的不同可以是一圆弧曲线、一扇形平面、一圆柱面和一空心圆柱体范围。其特征轮廓为圆，其特征运动为回转，为方便起见称为回转型。(3)俯仰型这种运动型式的机械手，其臂部除了具备水平回转这个活动度外，都具备臂部俯仰这一活动度，与臂部伸缩活动度组合成一个完整的俯仰型机械手。它的运动范围图形为一空心圆球。这种型式的特征运动为俯仰，为方便起见称为俯仰型。通常将只具有臂部俯仰而无臂部回转这一活动的机械手，因结构上和俯仰型接近，亦称作俯仰型。(4)屈伸型这种运动型式的机械手，臂部有大臂和小臂两部分，除了大臂具有水平回转和俯仰活动度外，小臂相对大臂还有一俯仰运动，从形态上看小臂相对大臂做屈伸运动。根据此一特征称它为屈伸型。它的运动范围图形为球体。当然机械手的运动型式，除了上述四种基本型式外，还可以有某些运动组合而成的复合型式6。本科毕业设计说明书（论文）第3页共29页1.2机械手的应用工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。1.3机械手的未来机械手又称工业机器人，最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。国内对工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(19861990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC-PWM等等。