机械课程设计（论文）-装配工业机器人的小臂及手腕设计.doc

15沈阳理工大学课程设计专用纸目 录1.前言22.装配机器人夹持手方案设计4 2.1夹持手设计的基本要求 4 2.2夹持手结构设计43.装配机器人手腕设计8 3.1装配机器人手腕设计8 3.2手腕的载荷分析104.结束语145.参考文献151.前言本次课程设计题目为装配工业机器人的小臂及手腕设计。装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编辑；末端执行期为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间互相作用的信息。常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手 (Programmable Universal Manipula-tor for Assembly)即 PUMA 机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA机器人两种类型。与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。 常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手 (Programmable Universal Manipula-tor for Assembly）即 PUMA 机器人和平面双关节型机器人 (Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA 机器人两种类型。 PUMA机器人美国 Unimation 公司1977年研制的PUMA是一种计算机控制的多关节装配机器人。一般有 5或6个自由度,即腰、肩、肘的回转以及手腕的弯曲、旋转和扭转等功能。其控制系统由微型计算机、伺服系统、输入输出系统和外部设备组成。采用VAL作为编程语言,例如语句“APPRO PART，50”表示手部运动到PART上方50mm处。PART的位置可以键入也可示教。VAL具有连续轨迹运动和矩阵变换的功能。 SCARA机器人大量的装配作业是垂直向下的,它要求手爪的水平(X，Y)移动有较大的柔顺性，以补偿位置误差。而垂直 (Z)移动以及绕水平轴转动则有较大的刚性,以便准确有力地装配。另外还要求绕Z 轴转动有较大的柔顺性，以便于键或花键配合。日本山梨大学研制出SCARA机器人,它的结构特点满足了上述要求。其控制系统也比较简单,如SR-3000机器人采用微处理机对1,2,Z 三轴（直流伺服电机）实现半闭环控制，对s 轴（步进电机）进行开环控制。编程语言采用与 BASIC相近的SERF。最新版本Level4具有坐标变换、直线和圆弧插补、任意速度设定、以文字命名的子程序以及检错等功能。SCARA机器人是目前应用较多的类型之一。PHTM-01型机器人用于仪器制造业的板材冲压和机械装配生产工艺过程自动化中。这种机器人操作机有三种结构形式，它们之间的区别在于手臂数量、自由度数和有无横移机构。该装配机器人以PHTM-01型装配机器人为基础进行改型设计，该型机器人在生产中广泛应用，各种性能经过实践检验，因此以其为基础额改型设计具有较大可行性，且能够满足课题要求。2.装配机器人夹持手方案设计2.1夹持手设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）工件的材质为5kg，材质为45钢；（3）夹持器有足够的夹持力；2.2夹持手结构设计2.2.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算,被抓取工件的重量求得夹紧力 ，取整为177N。2.2.2驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取2.2.3手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图1-2，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中,型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为X=56mm。动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即。如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。楔块驱动行程与手指开闭范围当楔块从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。 由给定条件可知最大为55-60mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，可知：轴下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：与的确定轴传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即轴等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。确定由前式得：，取。确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程 3. 装配机器人手腕设计机器人手腕（robot wrist） 在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。3.1 装配机器人手腕设计手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。本次课程设计的机器人手腕为带有回转与俯仰运动的手腕。设手腕自重30kg，采用铰接方式在腕部铰接小臂，连接轴用螺栓与腕部进行连接。铰接部位为减小运动时的摩擦力使用滚动轴承连接。3.2 手腕的载荷分析3.2.1 手腕静载荷分析手腕自重30kg，机器人满载，即手部夹取50kg重物，手腕质心可认为位于腕部连接轴的轴线上，且手腕质量分布均匀，重物距腕部轴线100mm，取g=9.8m/s2。1. 水平位置载荷分析手腕位于水平的时候，手腕被简化为杆，左端受到重物的拉力F1，右端受到腕部连接轴对其的反力F2，与手腕同轴的链轮上的扭矩M，及手腕的自重G。其受力如图1所示。MF1F2AGB图1图中各载荷：F1=490N，G=294N，F2，M，待求解；AB=100mm。由于小臂处于静止状态，故各分力合力为零，由此可列出方程组：解方程组可得：F2=784N，M=49Nm。2. 竖直位置载荷分析手腕位于竖直的时候，手腕被简化为杆，下端受到重物的拉力F1，上端受到腕部连接轴对其的反力F2，及手腕的自重G。F1=490N，G=294N，F2待求解。由于小臂处于静止状态，所以各分力合力为零，由此可知可得：F2=784N。3.2.2 手腕动载荷分析手腕自重30kg，机器人满载，即手部夹取50kg重物，手腕质心可认为位于腕部连接轴的轴线上，且手腕质量分布均匀，重物距腕部轴线100mm，。按照设计要求，手腕摆动速度90/s，加速时间0.5s，取g=9.8m/s2。1. 竖直状态载荷分析手腕位于竖直的时候，手腕被简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到同轴链轮的扭矩M，受到腕部水平方向拉力F2，竖直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂惯性力G惯，由于视手腕质量分布均匀，故手腕离心力G离=0。由此可知在手腕加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，所以选此刻作动载荷分析，手腕此刻摆动速度可近似为90/s，设手腕此刻处于竖直位置。F1,F离F1=490N，G=294N，AB=100mm，则腕部及夹取重物运动速度v=0.63m/s。，N，手腕被视为匀质直杆，所以手腕上每一点的运动速度，R为该点距肘部距离。G惯对腕部的矩T惯为：mF2，F3，M，待求解。列出手腕受力平衡方程组：；。解方程组可得：F2=64N，F3=833.61N，M=8.41Nm。2、水平状态载荷分析手腕位于水平的时候，手腕被简化为杆，由静止进行加速至摆动速度时，受到腕部及夹取重物重力F1，惯性力F惯，离心力F离，受到同轴链轮的扭矩M，受到腕部水平方向拉力F2，竖直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂惯性力G惯，由于视手腕质量分布均匀，故手腕离心力G离=0。由此可知在手腕加速至额定摆动速度前一刻，其负载达到最大，所以选此刻作动载荷分析，手腕此刻摆动速度可近似为90/s，设手腕此刻处于水平位置。F1=490N，G=294N，AB=100mm，所以腕部及夹取重物运动速度v=0.63m/s。，N，手腕被视为匀质直杆，所以手腕上每一点的运动速度，R为该点距肘部距离。G惯对腕部的矩T惯为