【JX15-74】【4自由度机械手设计】（CAD+SW+论文）
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JX15-74
4自由度机械手设计
【JX15-74】【4自由度机械手设计】CAD+SW+论文
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上海第二工业大学成人与继续教育学院本科毕业设计（论文）四自由度机械手设计摘要：工业机械手由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产机械手的结构形式比较简单，通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。本课题将设计一个四自由度机械手，其中，三个移动自由度，需完成X、Y、Z三维空间内的移动要求，另外一个旋转自由度，完成手部的旋转运动要求。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。关键字： 机械手；机电一体化；自由度12The design of four degrees freedom mechanical handAbstract: Industrial manipulator is composed of machine body, controller, servo drive system and detection sensor device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, to complete the electromechanical integration automatic production equipment of various operations in three-dimensional space. Especially suitable for the production of a variety of flexible, variable volume. Its stability, improve product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improve working conditions and the rapid upgrading of products. Production of mechanical hand can improve the automation level of production, can reduce labor intensity, to ensure product quality, realize the structure safety of the manipulator is relatively simple, general machinery hand can quickly change the working procedure, strong adaptability, widely cited small batch production so it is in changing varieties in production.This paper will design a four DOF Manipulator, wherein, three degrees of freedom of movement, to complete the X, Y, mobile Z in the three-dimensional space, another rotational degree of freedom, rotational movement of the hand requirements. It can achieve planar motion, with the flexibility, the arm in the vertical stiffness, flexibility in the horizontal direction of the large, widely used in assembly operations.Keywords：Manipulator; mechatronics; degree of freedom目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论51.1引言51.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势51.3机器人发展趋势6第二章 机械手总体设计方案72.1机械手基本形式选择72.1.1直角坐标系机器人72.1.2圆柱坐标系机器人72.1.3极坐标系机器人82.1.4多关节机器人82.2驱动装置选择92.2.1液压驱动92.2.2气压驱动102.2.3电机驱动102.3 移动自由度设计112.4 滚珠丝杠选型设计与计算13第三章 升降关节总体结构分析173.1滚珠丝杠部分173.2线性滑轨部分19第四章 机械手控制系统简述214.1机器人控制系统的特点和要求214.2机器人控制的分类224.3运动控制系统的硬件部分234.3.1步进电机控制方案234.3.2电机驱动器的选型23总结25参考文献26致谢28第一章绪论1.1引言机器人技术是一种高新技术综合了计算机，控制理论，机制，技术，人工智能信息和传感器，多个学科和仿生学的学科。其实质是全面感知，决策，行动和互动四技术，是广泛应用于当代研究中。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要指标。工业机器人不仅具有机械本体，控制器，伺服驱动系统和检测传感装置，可在三维空间内实现仿人操作，可自动控制，重复编程，可完成自动生产设备的各种操作。机器人的应用领域主要集中在汽车行业，占现有机器人总数的2.89%。二是家电制造业，约占16.4%，而化学工业占11.7%。此外，工业机器人在食品，医药，家电更多的应用，航空航天、金属加工等。随着工业机器人的迅速发展，其应用领域开始扩大从制造业向非制造业发展，在原有的制造业的同时也在不断深入，加工领域深化，扩大。在一般情况下，机器人系统可以分为以下四个部分：l）机械本体、执行机构：包括机身，动力机制，运行机制，框架，机械连接的内部支撑结构。2）动力部分：包括电源，电机及其驱动电路。3）检测传感装置：包括传感器及相应的信号检测电路。4）控制及信息处理装置：由机器人控制系统的硬件，软件。1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势（1）工业机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，操作和维修方便），和制造的成本不断下降，从91年的103000美元到2005年的50000美元的平均制造价格。（2）机械结构向模块化，可重构的发展。例如，伺服电机，减速器，检测系统的关节模块中的三个关节模块，集成连接模块；利用工程机器人重组形式；国外有一个模块化的装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统在基于CP机，开放式控制系统方向发展，易于标准化，网络设备的集成度提高，控制柜变得更加紧凑，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性，可操作性和可维护性。（4）传感器在机器人成为越来越重要的作用，除了使用的位置，速度，加速度传感器的传统，装配，焊接机器人也用于视觉，触觉传感器，同时使用视觉，听觉的远程控制机器人，融合技术力量，环境建模和决策控制的触觉和其他多传感器；多传感器融合技术已在生产系统中的一个成熟的应用配置。（5）虚拟现实技术在机器人的角色也从仿真，开发预览的过程控制，如在远程工作环境的感觉产生的远程控制机器人操作机器人。（6）的远程控制机器人的现代系统发展的特点是不充分的自主控制系统人机交互的追求，而是致力于操作者和机器人，即远程监控远程操作系统和地方自治制度形成一个完整的，使机器人走出实验室进入实用阶段。最著名的例子是美国旅居者”机器人在火星”是成功应用的发射系统。（7）机器人化机械开始兴起。自1994以来，美国开发的“虚拟轴机床，“这一新装置已成为国际研究的热点，研究探讨其应用领域。1.3机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。第二章 机械手总体设计方案2.1机械手基本形式选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种，如图2所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.1.1直角坐标系机器人直角坐标型机器人，它在x，y，z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.1.2圆柱坐标系机器人圆柱坐标型机器人，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.1.3极坐标系机器人极坐标型机器人又称为球坐标机器人，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.1.4多关节机器人多关节机器人，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。(2关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图2 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型。2.2驱动装置选择机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。2.2.1液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有几个优点：（1）容易实现高水压（水压一般为2.56.3MPa的），体积小，可能会更好推力或扭矩；（2）介质的液压系统的压缩性小，平滑和可靠，并能获得更高的位置精度；（3）液压传动，功率，速度和方向是比较容易实现自动控制；（4）液压系统采用油作为介质，具有防锈性和自润滑性能，能提高机械效率，使用寿命长。不足的液压系统有：（1）油品粘度随温度变化，影响工作性能，高温燃烧爆炸可能造成的危险；（2）液体难以克服的，液压元件的泄漏，需要更高的精度和质量，成本较高；（3）需要相应的供应体系，特别是电液伺服系统需要严格过滤的设备，否则故障。液压驱动模式下的输出功率和更大的权力，可以构成一个伺服机构，大型机器人关节驱动器常用。2.2.2气压驱动与液压传动相比，气压传动的特点是：（1）压缩空气粘度小，容易实现高速；（2）利用压缩空气工厂集中的加油站没有加电设备；（3）空气介质对环境的污染，使用安全，可直接应用到高温作业；（4）气动元件的工作压力低，它也比液压元件的制造要求低。它的缺点是：（1）空气压力用0.40.6MPa的，以获得一个较大的力，就必须相对地增加的结构；（2）压缩空气大，表面光滑，可怜的速度控制很难实现精确的位置控制难度大；（3）压缩空气是一个非常重要的问题，处理不当级钢铁机件会生锈，造成机是人类的失败。此外，排气也能引起噪声污染。用于位置控制，采集，开关控制和顺序控制机器人气动驱动器。2.2.3电机驱动电机驱动，可分为普通交流和直流马达
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