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汽车工业用装装卸机械手结构设计【用于发动机曲轴搬运】【CAD高清图纸文档可编辑】

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哈尔滨理工大学毕业设计(论文)任务书学生姓名: 廉天雪 学号:1030060135学 院: 荣成学院 专业:机械设计制造及其自动化任务起止时间: 2014 年 2 月 24 日至 2014 年6 月 20 日毕业设计(论文)题目:汽车工业用装装卸机械手结构设计毕业设计工作内容:1、 完成选题,下达毕业设计任务书 (第1-2周)2、 查阅、收集、资料,了解曲轴搬运机械手及其发展的现状,完成开题报告(第3-4周)3、 基本设计出发动机曲轴搬运机械手的主要功能的总体框架,对整个系统的实现过程有初步、系统地认识,总体思路基本明确 (第5-8周)4、 完成系统设计,撰写毕业设计论文,完成图纸绘制 (第9-11周)5、 上交所有毕业设计材料,做答辩准备 (第1-2周)资料:孟庆鑫.机器人技术基础M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2012.9指导教师意见:签名:年 月 日系主任意见:签名:年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学荣成学院毕业设计(论文)开 题 报 告学生姓名 廉天雪 学 号 1030060135 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 机械10-1 指导教师 王春义 2014 年 3 月 5 日课题题目及来源: 题目:汽车工业用装装卸机械手结构设计 来源:“机械结构设计”企业合作项目(指导教师制定题目)课题研究的意义和国内外研究现状: 课题研究意义工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。在生产实践中,常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排,组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时,搬运工作由人工完成,不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题,严重影响了生产质量、生产效率和单位的经济效益。当生产效率很高时,为了减少工人数量,改善工人的劳动条件,提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线,并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度,减少自动线上的工人数目,同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。国内研究现状我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用,弧焊机器人以应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,品种规模多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量可靠性也不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。国外研究现状国外在机器人领域发展较快,近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从2001年的10.3万美元降至2007年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。课题研究的主要内容和方法,预期目标及研究过程中研究步骤、方法及措施:研究内容研究内容:根据给定的工况条件和基本要求,从机械原理和机械结构对搬运机械手进行具体的分析和设计。对机械手的传动、驱动等主要部件进行选型和校核,并结合原理图等对整个系统的工作方法和原理进行描述。应该机械手有两个自由度,均为移动自由度,综合机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求,手臂运动均为直线运动,液压部分采用采用单活塞杆液压缸来实现直线往复运动。设计大纲第一引言机械手的概念;机械手的简史;机械手的组成;机械手的生产应用简述第二机械手的设计机械手的总体设计;机械手的手部设计;机械手的手臂设计;机械手的驱动系统设计第三液压系统设计与计算确定液压系统基本方案;拟定液压执行元件运动控制回路;液压源系统的设计;绘制液压系统图;确定液压系统的主要参数;选择液压元件;液压系统性能的验算第四机械手控制系统的设计机械手控制系统硬件设计;机械手的作业流程;机械手操作面板布置;控制器的选型;控制系统原理分析;PLC外部接线设计第五总结与展望,最后结束。解决的问题机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓住工件或工具的部件,根据被抓住工件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。机械手配件运动机构,使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。本文应解决该曲轴搬运机械手的结构部件,液压部分以及电路控制部件设计。预期目标对汽车曲轴的生产常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排,组成一条自动流水加工线。设计中采用液压机构驱动机械手具有结具有结构简单,尺寸紧凑,重量轻,控制方便,驱动力大等特点。设计中拟用的PLC电气控制与液压系统结合,技术成熟,易于实现,且保证了工件搬运过程中的快、准、稳,达到了预期设计目标。研究步骤、方法及措施第一阶段:准备阶段:了解工业机器人的现状和发展,查阅课题相关的国内外文献,拟订设计思路。第二阶段:设计阶段:确定总体设计方案,根据课题给定的工况条件和基本要求进行设计计算,确定主要参数,对所得数据结果进行分析、处理,对机械手系统的传动、驱动等主要部件进行选型和校核。第三阶段:制图阶段:整理各类资料和数据,利用CAD制图,分别做出系统的总装图及各部件的装配图和零件图。 第四阶段:总结阶段:撰写设计说明书,检查图纸,准备答辩。课题研究所需的参考文献: 1孙桓,陈作模,葛文杰机械原理北京:高等教育出版社,20062濮良贵,纪名刚机械设计北京:高等教育出版社,20063徐福玲,陈尧明液压与气压传动北京:机械工业出版社,20074刘鸿文材料力学北京:高等教育出版社,20045张世昌,李旦,高航机械制造技术基础北京:高等教育出版社,20076毛平淮互换性与测试技术北京:机械工业出版社,20067杜志俊工业机器人的应用与发展趋势北京:机械工业出版社,20028朱世强,王宣银机器人技术及其应用杭州:浙江大学出版社,20069原魁工业机器人发展现状与趋势中国科学院自动化研究所,200710萩原方彦(日)机械实用手册科学出版社,2007年第2版11周恩涛,周士昌液压驱动机械手的神经网络控制中国机械工程第12卷第4期,2001412张新聚,曹慧琴,杨雪程控通用机器人的设计液压与气动2007年第2期,200713陈爱珍日本工业机器人的发展历史及现状机械工程师2008年第7期,200814工业机器人发展现状浅谈自动化博览2007年4月刊,2007415赵臣,王刚我国工业机器人产业发展的现状调研报告机器人技术与应用,2009.316Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-1317D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation, Inc 2000.7指导教师审查意见:指导教师签字: 2013 年 3 月 6 日指导委员会意见审核意见:组长签字: 2013年 3 月 8 日哈尔滨理工大学学士学位论文哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目:汽车工业用装装卸机械手结构设计 院 、 系: 荣成学院机械系 姓 名: 廉天雪 指导教师: 王春义 系 主 任: 陶福春 年 月 日汽车工业用装装卸机械手结构设计摘 要本设计如今,随着工业技术几十年的发展,机械手在工业生产中得到了广泛的应用,它可以代替工人来进行各种循环单调,危险,以及高疲劳强度的工作,从而提高生产效率和质量,降低了生产作业中的安全隐患。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓住工件或工具的部件,根据被抓住工件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。机械手配件运动机构,使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。本文介绍了过对曲轴搬运机械手的结构设计,详细讨论了机械手的手抓、手臂、机身等主要部件的设计与选择,并给出了所需要的参数和计算。最后通过本次设计,将大学所学的知识进行了巩固和应用,提高了动手和动脑的能力。关键词 机械手;液压驱动;液压缸;PLCAuto loading and unloading manipulator structure designAbstract Now, with industrial technology develops several decades, robots industrial production is in a wide range of applications, it can replace workers for doing various acyclic monotonically, risk, and high fatigue strength work, so as to improve the work efficiency and quality and to reduce the production operation of security lapses. Manipulator is mainly consisted of hand and movement mechanism. The hand is used to catch work-piece or tool parts, according to the shape of the workpiece is caught, size, weight, materials and operational requirement a variety of structure. Manipulator accessories movement mechanism, make hand finish all kinds of rotating, mobile or composite motion to achieve the specified action, change the position of the object caught with gesture. This paper introduces the structure of the crankshaft carrying manipulator, and discusses the design of the manipulator hand grasp, arm, airframe etc., the main components of the design and selection, and gives the necessary parameters and calculation. Finally through this design, we consolidate and application the knowledge of university, and improve the ability about ion of the hand and the brain coordination.Key words: manipulator; the hydraulic pressure drive; hydraulic cylinder;PLC目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 机械手的概念11.2 机械手的简史11.3 机械手的组成21.3.1 执行机构21.3.2 驱动机构21.3.3 控制机构21.4 机械手的生产应用简述2第2章机械手的设计42.1 机械手的总体设计42.1.1 机械手的总体结构类型42.1.2 机械手的总体设计52.2 机械手的手部设计52.2.1 手部概述52.2.2 手部的设计方案62.3 机械手的手臂设计72.3.1 手臂概述72.3.2 手臂的设计82.4 机械手的驱动系统设计92.4.1 驱动系统概述92.4.2 驱动系统的选择原则92.4.3 机器人液压驱动系统102.4.4 驱动系统的设计方案10第3章液压系统设计与计算113.1 确定液压系统基本方案113.2 拟定液压执行元件运动控制回路123.3 液压源系统的设计123.4 绘制液压系统图123.5 确定液压系统的主要参数133.6 选择液压元件173.7 液压系统性能的验算18第4章机械手控制系统的设计194.1 机械手控制系统硬件设计194.2 机械手的作业流程194.3 机械手操作面板布置204.4 控制器的选型204.5 控制系统原理分析214.6 PLC外部接线设计22结论23致谢24参考文献25第1章 绪论1.1 机械手的概念机械手是指用于再现人手功能的技术装置。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。 随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于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。1.2 机械手的简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton),专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于1毫米。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。1.3 机械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.3.1 执行机构执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端,可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作,手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之,机械手的运动离不开直线移动和转动二种,因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。本设计采用二指的构造,直线液压缸。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制机构在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。1.4 机械手的生产应用简述机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬运、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。工业机械手是为实现这些工序而产生的。目前机械手常用于工业中快速抓取工件并将工件转移到下一个生产工序。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为设计对象。第2章 机械手的设计2.1 机械手的总体设计2.1.1 机械手的总体结构类型工业机械手有很多种分类方法,目前还没有统一的分类标准,比如可以按机械手的结构坐标系提点分类,或者按机械手的驱动方式分类,也可以按机械手的用途分类。在这里我们按工业机器人的结构坐标系特点来进行分类。工业机械手按结构坐标系特点可以分为直角坐标型,圆柱坐标型,球坐标型,关节型四种。如图2.1所示。图2.1 工业机械手按结构坐标分类1直角坐标型直角坐标型也称为笛卡尔坐标型或台架型。这种机器人有三个线性关节组成,这三个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的旋转关节用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在X,Y,Z轴上的运动式独立的,运动方程可独立处理,且方程是线性的,因此进行计算机操作控制简单;他可以两端支撑,对于给定的结构长度,刚性最大;他的进度和位置分辨率不随工作场合而变化,容易达到高精度。2 圆柱坐标型圆柱坐标机器人有两个滑动关节有两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置,在附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角,工作范围可以扩大且计算简单;直线部分可以采用液压驱动,可以输出较大的动力。3 球坐标型球坐标机器人采用球坐标系,它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置,再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转,在中心支架附近的工作范围很大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。4 关节型关节型机器人的关节全部可以旋转,类似于人的手臂,他是工业机器人中最常见的结构,工作范围较复杂。2.1.2 机械手的总体设计图2.2 机械手工作布局图在本设计中,因为设计要求搬运的工件的质量要求为20KG,且搬运直线距离为1000MM,考虑在满足系统工艺要求的前提下,尽量简化结构,以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中只需要做直线运动,其中手臂的升降和梁的平移为两个直线运动,机械手自由度数目取为2,坐标形式选择直角坐标形式,即X轴Y轴两个移动自由度,其特点是:结构比较简单,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2.2所示。2.2 机械手的手部设计2.2.1 手部概述工业机器人的手部称为末端操作器,是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具进行操作的部件,他能够模仿人手的动作,是最重要的执行机构,安装于机器人手臂的前端。工业机器人发展到现在,应用范围越来越广泛,被操作的工件的形状、尺寸、重量、材料以及表面状态各不相同,所以工业机器人末端操作器是多种多样的,大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的,常用的有以下几种:1, 夹钳式取料手。2, 吸附式取料手。3, 专用操作器及转换器。4, 仿生多指灵巧手。2.2.2 手部的设计方案由于本设计所搬运的是发动机曲轴,所以选用夹钳式取料手。夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式,在装配流水线上用的较为广泛。它一般由手指(手抓)、驱动机构、连接与支撑元件组成,工作机理类似于常用的手钳。 手指的设计方案手指是夹钳式取料手直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件是通过手指的张开与闭合实现的。机器人的手部一般有两个手指,个别有三个或多个手指,它们的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。指端的形状有V型指,平面指、尖指等。由于本设计被夹持的工件形状为圆柱体,所以选用V型指,其特点是加持平稳可靠,加持误差小。如图2.3所示。 传动机构设计传动机构是向手指传递运动和动力,以实现加紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点,分为回转型和移动型。本设计采用回转型传动结构,如图2.4所示。驱动杆与连杆由销连接,当驱动杆做直线往复运动时,则通过两岸推动两杆手指各绕其支点做回转运动,从而使手指松开或闭合。该机构的活动环节较多,所以定位精度会差一些。图2.3 机械手手指图2.4 机械手传动结构2.3 机械手的手臂设计2.3.1 手臂概述 手臂是机器人执行机构中重要的部件,它的作用是将被抓取的工件运送到指定的位置上,因而一般机器人手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现的,所以,它不仅仅承受被抓工件的重量,而且承受末端执行器和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度都直接影响机器人的工作性能。在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则;1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度,应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高,抗振性好,比重小(其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3),但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下,减轻机器人手臂的重量。4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小,以减小机械间隙所造成的运动误差。因此,各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时,应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量,必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装。2.3.2 手臂的设计机械手的垂直手臂(小臂)升降和水平手臂(大臂)的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动,液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大,考虑加工工件的质量达20KG,属中型重量,同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑,两手臂的驱动均选择液压驱动方式,通过液压缸的直接驱动,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件,不用再设计另外的执行件了;而且液压缸实现直线运动,控制简单,易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力,因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的,关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点(在整体结构允许的情况下),再进行强度的较核。同时,因为控制和具体工作的要求,机械手的手臂的结构不能太大,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的。因此,在设计时另外增设了导杆机构,小臂增设了两个导杆,尽量增加其刚度。通过增设导杆,能显著提高机械手的运动刚度和稳定性,比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4 机械手的驱动系统设计2.4.1 驱动系统概述工业机器人的驱动系统,按动力源可以分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可以将这三种基本类型组合成一个复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大,惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是,液压系统需要进行能量转换(电能转换成液压能),速度控制多数情况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低,液压系统的液体泄露会对环境产生污染,工作噪音也较高。2.气动驱动系统具有速度快,系统结构简单,维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制,多用于程序控制的机器人中,如在上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用,这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换,使用方便,噪声较低,控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中,成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出,因此在机器人中被广泛的使用。2.4.2 驱动系统的选择原则 设计机器人时,驱动系统的选择,要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下: 1.物料搬运(包括上下料)使用的有限点位控制的程序控制机器人,重负荷的选择液压驱动系统,中等负荷的可选电机驱动系统,轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人,要求具有点位和轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.4.3 机器人液压驱动系统 液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在,已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前,虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统,但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。 液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大,对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制,进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达,连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中,中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多,大功率的用容积调速系统。节流调速系统,动态特性好,但是效率低。容积调速系统,动态特性不如前者,但效率高。2.4.4 驱动系统的设计方案 具体到本设计,在分析了具体工作要求后,综合考虑各个因素。机械手的手臂驱动系统全部采用液压缸;而手爪通过液压柱塞缸活塞与中间驱动杆配合来实现控制,即手爪在柱塞缸推力作用下推动驱动杆,通过端部销连接到手指进行松开和夹紧。第3章 液压系统设计与计算3.1 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达,前者实现直线运动,后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1:表3-1 液压缸与液压马达的特点与适用场合名 称特 点适 用 场 合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动,差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作,靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动;小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低,结构复杂,输出转矩大低速大转矩回转运动本设计因为机械手的形式为直角坐标形式,具有两个自由度,均为移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求,以及计算机的控制的因素,手臂运动均为直线运动。因此,机械手的手臂都采用单活塞杆液压缸,来实现直线往复运动。3.2 拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后,其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统,通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统,多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现,而速度的控制主要采用节流调速,主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。3.3 液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供,液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油,在无其他辅助油源的情况下,液压泵的供油量要大于系统的需油量,多余的油经溢流阀流回油箱,溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油,用安全阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器,进入系统的油液根据要求,通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱,可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求,还要考虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油,由溢流阀V1来确定系统压力。为了保证液压油的洁净,避免液压油带入污染物,故在油泵的入口安装粗过滤器,而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。3.4 绘制液压系统图 本机械手的液压系统图如图3.1所示,它拥有垂直手臂的上升、下降,水平伸缩缸/的前伸、后缩,以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中,液压泵是由三相交流异步电动机M拖动;系统压力由溢流阀V1调定;1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。 考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开,系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时,工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸,实现手爪的轻缓抓紧;当6DT失电时,工作液体进入柱塞缸中,实现手爪的迅速松开。另外,由于机械手垂直升降液压缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致,下降时有使运动速度加快的趋势,为使运动过程的平稳,同时尽量减小冲击、振动,保证系统的安全性,采用V2构成的平衡回路向升降油缸下腔提供一定的排油背压,以平衡重力负载。图3.1 机械手的液压系统原理图3.5 确定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量,他们是设计液压系统,选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷,流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。1.计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为 (3-1)式中, -为外加的载荷,因为水平方向无外载荷,故为0;-为活塞上所受的惯性力;-为密封阻力;-为导向装置的摩擦阻力;-为回油被压形成的阻力;(1)的计算 (3-2)式中, -为液压缸所要移动的总重量,取为100KG;-为重力加速度, ;-为速度变化量;-启动或制动时间,一般为0.010.5,取0.2s将各值带入上式,得:=1.02(2)的计算 (3-3)式中,-克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力,如该液压缸工作压力16 ,查相关手册取=0.2 ;-为进油工作腔有效面积; 启动时: 565N运动时: =283N(3)的计算机械手水平方向上有两个导杆,内导杆和外导套之间的摩擦力为 (3-4)式中,-为机械手和所操作工件的总重量,取为100KG;-为摩擦系数,取f=0.1;带入数据计算得: =98(4)的计算回油背压形成的阻力按下式计算 (3-5)式中,-为回油背压,一般为0.30.5 ,取=0.3 -为有杆腔活塞面积,考虑两边差动比为2;将各值带入上式有,分析液压缸各工作阶段受力情况,作用在活塞上的总机械载荷为。2.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足: (3-6)式中,-为所需夹持力;-安全系数,通常取1.22;-为动载系数,主要考虑惯性力的影响可按估算,为机械手在搬运工件过程的加速度,为重力加速度;-方位系数,查表选取;-被抓持工件的重量 20;带入数据,计算得: ;计算驱动力计算公式为: (3-7)式中,-为计算驱动力;-安全系数,此处选1.2;-工作条件系数,此处选1.1;其他同上。带入数据,计算得: 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的,故有 (3-8)式中,-为柱塞缸工作油压;-为柱塞截面积;经计算,所需的油压约为: 3.液压缸主要参数的确定针对本设计是一个机械手的特点考虑,机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此,先从刚度角度进行液压缸缸径的选择,以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度,放在液压系统设计阶段,通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析,综合考虑各方面的因素,初步确定各液压缸的基本参数如下;表3-2 手爪执行液压缸参数内径壁厚直径行程工作压力205201136注:手爪液压缸工作压力由系统压力阀调定。表3-3 水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力60102011001因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式,在轴向上并不承受显性的工作载荷(因为手爪夹持的工件,受力方向为垂直方向),轴向主要是克服摩擦力矩,其所受的载荷主要是径向载荷,载荷性质为弯矩,使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性,水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程,这对液压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。表3-4 垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001 因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷,又存在着比较大的倾覆力矩(由加工工件的重力引起的)。作为液压执行元件,满足此处的驱动力要求是轻而易举的,要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构,围绕垂直升降液压缸设置两根导杆,较好的解决了这一问题。4.液压缸强度的较核(1)缸筒壁厚的较核 当 D/时,液压缸壁厚的较核公式如下: (3-10)式中,-为缸筒内径;-为缸筒试验压力,当液压缸的额定压力时,取为;-为缸筒材料的许用应力,为材料抗拉强度,经查相关资料取为650,为安全系数,此处取; 带入数据计算,上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。(2)活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为 (3-11)式中, -为活塞杆上作用力;-为活塞杆材料的许用应力,此处;带入数据,进行计算需要上式成立,因此活塞杆的强度能满足工作要求。3.6 选择液压元件1.液压缸的选择。 通过计算和分析,最后决定选择:LB轴向地脚型液压缸。如图3.2所示。图3.2 LB轴向地脚型液压缸2.控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量,在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细,这里暂从略。3.油管及其他辅助装置的选择(1)查阅设计手册,选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计,选取;液压泵吸油管稍微粗些,选择;其余都选为;(2)确定油箱的容量一般取泵流量的35倍,这里取为5倍,有效容积为 (3-17)3.7 液压系统性能的验算绘制液压系统图后,进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单,该项验算从略。本系统采用液压回路简单,效率比较高,功率小,发热少,油箱容量取得较大,因此,不再进行温升验算。第4章 机械手控制系统的设计4.1 机械手控制系统硬件设计机械手的动作有水平手臂的伸缩,垂直手臂的升降,以及执行手爪的加紧与松开。其中,垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中,升降分别由双线圈的两位电磁阀控制,例如,当下降电磁阀通电时,机械手下降;当下降电磁阀断电时,机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时,机械手才上升;而当上升电磁阀断电时,机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。 而执行手爪的加紧与放松,通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞液压缸由单线圈的电磁阀(夹紧电磁阀)来控制,当线圈不通电时,柱塞液压缸不工作,当线圈通电时,柱塞液压缸工作冲程,手爪闭合,柱塞液压缸工作回程,手爪张开。4.2 机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图4-1所示:图4-1 发动机曲轴搬运机械手工作流程图从原点开始,按下启动键,水平液压缸开始前伸并进行伺服定位,前伸到位后,停止前伸; 下降电磁阀通电,同时手爪柱塞缸电磁阀也通电,机械手下降,同时张开手爪,下降到位后碰到下限行程开关,下降电磁阀断电,下降停止,同时手爪夹紧,抓住工件; 上升电磁阀通电,机械手开始上升,上升到位后,碰到上限位开关,上升电磁阀断电,上升停止;水平液压缸开始前伸并进行伺服定位,前伸到位后,停止前伸; 接着下降电磁阀通电,机械手下降,下降到位后,碰到下限行程开关,下降电磁阀断电,下降停止;机械手松开手爪,准备离开; 接着上升电磁阀通电,机械手开始上升,上升到位后,碰到上限位开关,上升电磁阀断电,上升停止; 机械手开始水平定位后缩;机械手回到原点待命。 机械手的每次循环都从原点位置开始动作。4.3 机械手操作面板布置 操作面板布置如图4-2所示。 机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选择。1.手动操作:就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。例如,当按上/下按钮时,机械手上升或下降,按一下,动一下,长时间按住,机械手就会连续移动;前/后按钮同理;当按紧/松按钮时,按下按紧按钮钮,手爪夹紧,而按下松按钮时,手爪松开。图4-2 操作面板示意图2.自动操作:机械手从原点开始,按下启动按钮,机械手的动作将自动的、连续的周期性循环,直到程序结束。在工作中若按下急停按钮,则机械手无论运行到什么地方,都会瞬间停止。4.4 控制器的选型机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性,控制器选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器-PLC,选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。图4-3 SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC该机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块,最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器,2 路独立的20kHz 高速脉冲输出,具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口,具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。4.5 控制系统原理分析因为机械手作业时,取工件、放工件,安装工件、卸下工件都有定位精度的要求,所以在机械手控制中,除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外,还要水平手臂进行闭环伺服控制。为了减少PLC的I/O点数,以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端,给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后,驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号,输出至伺服放大器,由伺服放大器作为闭环比较点,组成模拟控制系统,如图4-4所示。这种方案使得PLC控制量少(尤其是模拟量),节省了系统资源,而且编程简单,不必过多考虑控制算法等优点,也是完全能满足工作要求的。图4-4 水平手臂伺服定位控制原理图4.6 PLC外部接线设计为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制要求,利用西门子SIMATIC S7-200 (CPU224)PLC,考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量,故增加一个模拟量输出模块EM232,鉴于伺服放大器和位移传感器的输入要求,PLC的模拟量采用-10V +10V输入输出,各输入输出点及其接线如图4-5所示。图4-5 PLC硬件接线图结论通过这次毕业设计,对大学本科四年机械工程及自动化专业所学知识进行了整合,完成了一个特定功能、满足特殊要求的发动机曲轴搬运机械手的设计,比较好地体现了机械工程及自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度,具有较强的针对性和明确的实施目标,实现了理论和实践的有机结合。经过近四个月的毕业设计,资料的收集、方案的选择比较和论证,到分析计算,再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节,我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解,同时对工程的理解更加深刻和准确。因此,通过毕业设计实现了预期目标。致谢终于完成了大学四年最后的一堂课-毕业设计,回忆在这四个月里的一点一滴,我由衷的感谢指导我的缪群华老师,是您对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点,使我在完成论文的同时也深受启发和教育。然后,我想感谢下周围的同学们,谢谢你们对我的帮助与支持。虽然我的设计存在很多不足的地方,但在这段时间里,我学到了很多有用的知识,也积累了一定的设计经验,这些对于我即将要走向社会工作岗位,将起到非常关键的作用。参考文献1 郭洪红. 工业机器人运用技术M. 北京:科学出版社,2008.72 (日)日本机器人学会. 新版机器人技术手册M. 北京:科学出版社,2007.103 刘新德. 袖珍液压气动手册M. 第二版,北京:机械工业出版社,19954 孟庆鑫.机器人技术基础M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.95 左健民等.液压与气压传动M. 北京:机械工业出版社,2005.76 王守城,段俊勇等.液压元件及选用M.,北京:化学工业出版社,2007.47 周恩涛,徐学新等.液压系统设计元器件选型手册M.,北京:机械工业出版社,2007.98 刘明保 ,吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报,2004.19 李超,气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学,200310 陆祥生 ,杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.111 张建民.工业机械人.北京:北京理工大学出版社,199212 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.113 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.414 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.415 周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999.416 金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机械人发展的态势分析.机械人技术与应用,2001.217 王雄耀.近代气动机械人(机械手)的发展及应用.液压气动与密封,1999.518 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床,2004.6 19 张军, 封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.420 濮良贵,纪名刚.机械设计,第七版.北京:高等教育出版社,2001.324附录AMCB Industrial Robot Feature ArticleThe BarrettHand grasper programmable flexible part handling and assemblyAbstract This paper details the design and operation of the BarrettHand BH8-250, an intelligent, highly flexible eight-axis gripper that reconfigures itself in real time to conform securely to a wide variety of part shapes without tool-change interruptions. The grasper brings enormous value to factory automation because it: reduces the required number and size of robotic work cells (which average US$90,000 each not including the high cost of footprint) while boosting factory throughput; consolidates the hodgepodge proliferation of customized gripper-jaw shapes onto a common programmable platform; and enables incremental process improvement and accommodates frequent new-product introductions, capabilities deployed instantly via software across international networks of factories.IntroductionThis paper introduces a new approach to material handling, part sorting, and component assembly called “grasping”, in which a single reconfigurable grasper with embedded intelligence replaces an entire bank of unique, fixed-shape grippers and tool changers. To appreciate the motivations that guided the design of Barretts grasper, we must explore what is wrong with robotics today, the enormous potential for robotics in the future, and the dead-end legacy of gripper solutions.For the benefits of a robotic solution to be realized, programmable flexibility is required along the entire length of the robot, from its base, all the way to the target work piece. A robot arm enables programmable flexibility from the base only up to the tool plate, a few centimeters short of the target work piece. But these last few centimeters of a robot must adapt to the complexities of securing a new object on each robot cycle, capabilities where embedded intelligence and software excel. Like the weakest link in a serial chain, an inflexible gripper limits the productivity of the entire robot work cell.Grippers have individually-customized, but fixed jaw shapes. The trial-and-error customization process is design intensive, generally drives cost and schedule, and is difficult to scope in advance. In general, each anticipated variation in shape, orientation, and robot approach angle requires another custom-but-fixed gripper, a place to store the additional gripper, and a mechanism to exchange grippers. An unanticipated variation or incremental improvement is simply not allowable.By contrast, the mechanical structure of Barretts patented grasper, illustrated in Figure 1, is automatically reconfigurable and highly programmable, matching the functionality of virtually any gripper shape or fixture function in less than a second without pausing the work cell throughput to exchange grippers.For tasks requiring a high degree of flexibility such as handling variably shaped payloads presented in multiple orientations, a grasper is more secure, quicker to install, and more cost effective than an entire bank of custom-machined grippers with tool changers and storage racks. For uninterrupted operation, just one or two spare graspers can serve as emergency backups for several work cells, whereas one or two spare grippers are required for each gripper variation potentially dozens per work cell. And, its catastrophic if both gripper backups fail in a gripper system, since it may be days before replacements can be identified, custom shaped from scratch, shipped, and physically replaced to bring the affected line back into operation. By contrast, since graspers are physically identical, they are always available in unlimited quantity, with all customization provided instantly in software. Gripper legacy Most of todays robotic part handling and assembling is done with grippers. If surface conditions allow, vacuum suction and electromagnets can also be used, for example in handling automobile windshields and body panels. As part sizes begin to exceed the order of 100gms, a grippers jaws are custom shaped to ensure a secure hold. As the durable mainstay of handling and assembly, these tools have changed little since the beginning of robotics three decades ago.Grippers, which act as simple pincers, have two or three unarticulated fingers, called “jaws”, which either pivot or remain parallel during open/close motions as illustrated in Figure 2. Well organized catalogs are available from manufacturers that guide the integrator or customer in matching various gripper components (except naturally for the custom jaw shape) to the task and part parameters.Payload sizes range from grams for tiny pneumatic grippers to 100+ kilograms for massive hydraulic grippers. The power source is typically pneumatic or hydraulic with simple on/off valve control switching between full-open and full-close states. The jaws typically move 1cm from full-open to full-close. These hands have two or three fingers, called “jaws”. The part of the jaw that contacts the target part is made of a removable and machine ably soft steel or aluminum, called a “soft jaw”.Based on the unique circumstances, an expert tool designer determines the custom shapes to be machined into the rectangular soft-jaw pieces. Once machined to shape, the soft-jaw sets are attached to their respective gripper bodies and tested. This process can take any number of iterations and adjustments until the system works properly. Tool designers repeat the entire process each time a new shape is introduced.As consumers demand a wider variety of product choices and ever more frequent product introductions, the need for flexible automation has never been greater. However, rather than make grippers more versatile, the robotics industry over the past few years has followed the example of the automatic tool exchange technique used to exchange CNC-mill cutting tools.But applying the tool-changer model to serial-link robots is proving expensive and ineffective. Unlike the standardized off-the-shelf cutting tools used by milling machines, a robot tool designer must customize the shape of every set of gripper jaws a time-consuming, expensive, and difficult-to-scope task. Although grippers may seem cheap at only US$500 each, the labor-intensive effort to shape the soft jaws may cost several times that. If you multiply that cost times a dozen grippers as in the example above and throw in a tool changer and tool-storage rack for an additional US$10,000, the real cost of the “few-hundred-dollar” gripper solution balloons to US$20,000 to US$60,000.To aggravate matters, unknowns in the customization process confound accurate cost projections. So the customer must commit a purchase order to the initial installation fee on a time and materials basis without guarantee of success or a cost ceiling. While priced at US$30,000, intelligent graspers are not cheap. However, one can “customize” and validate the process in software in a matter of hours at the factory in a single day. If the system does not meet performance targets, then only a days labor is wasted. If the system succeeds, then there are not any hidden expenses following the original purchase order.Beyond cost, the physical weight of tool changer mechanisms, located at the extreme outer end of a serial-link robotic arm, limits the useful payload and dynamic response of the entire system. The additional length of the tool changer increases the critical distance between the wrist center and payload center, degrading kinematic flexibility, dynamic response, and safety.Description of the BarrettHand Flexibility and durability in a compact package The flexibility of the BarrettHand is based on the articulation of the eight joint axes identified in Figure 3. Only four brushless DC servomotors, shown in Figure 4, are needed to control all eight joints, augmented by intelligent mechanical coupling. The resulting 1.18kg grasper is completely self-contained with only an 8mm diameter umbilical cable supplying DC power and establishing a two-way serial communication link to the main robot controller of the work cell. The graspers communications electronics, five microprocessors, sensors, signal processing electronics, electronic commutation, current amplifiers, and brushless servomotors are all packed neatly inside the palm body of the grasper.The BarrettHand has three articulated fingers and a palm as illustrated in Figure 5 which act in concert to trap the target object firmly and securely within a grasp consisting of seven coordinated contact vectors one from the palm plate and one from each link of each finger.Each of the BarrettHands three fingers is independently controlled by one of three servomotors as shown in Figure 6. Except for the spread action of fingers Fl and F2, which is driven by the fourth and last servomotor, the three fingers, Fl, F2, and F3, have inner and outer articulated links with identical mechanical structure.Each of the three finger motors must drive two joint axes. The torque is channeled to these joints through a patented, TorqueSwitch mechanism (Figure 7), whose function is optimized for maximum grasp security. When a fingertip, not the inner link, makes first contact with an object as illustrated in Figure 8, it simply reaches its required torque, locks both joints, switches off motor currents, and awaits further instructions from the microprocessors inside the hand or a command arriving across the communications link.But when the inner link, as illustrated in Figure 9, makes first contact with an object for a secure grasp, the TorqueSwitch, reaches a preset threshold torque, locks that joint against the object with a shallow-pitch worm, and redirects all torque to the fingertip to make a second, enclosing contact against the object within milliseconds of the first contact. The sequence of contacts is so rapid that you cannot visualize the process without the aid of high-speed photography. After the grasper releases the object, it sets the TorqueSwitch threshold torque for each finger in anticipation of the next grasp by opening each finger against its mechanical stop with a controlled torque. The higher the opening torque, the higher the subsequent threshold torque. In this way, the grasper can accommodate a wide range of objects from delicate, to compliant, to heavy.The finger articulations, not available on conventional grippers, allow each digit to conform uniquely and securely to the shape of the object surface with two independent contact points per finger. The position, velocity, acceleration, and even torque can all be processor controlled over the full range of 17,500 encoder positions. At maximum velocity and acceleration settings, each finger can travel full range in either direction in less than one second. The maximum force that can be actively produced is 2kg, measured at the tip of each finger. Once the grasp is secure, the links automatically lock in place allowing the motor currents to be switched off to conserve power until commanded to readjust or release their grasp.While the inner and outer finger-link motions curl anthropomorphically, the spread motion of Figure 10 is distinctly non-anthropomorphic. The spread motion is closest in function to a primates opposable (thumb) finger, but instead of one opposable finger, the BarrettHand has twin, symmetrically opposable fingers centered on parallel joint axes rotating 180 degrees around the entire palm to form a limitless variety of gripper-shapes and fixture functions. The spread can be controlled to any of 3,000 positions over its full range in either direction within 1/2 second. Unlike the mechanically lockable finger-curl motions, the spread motion is fully back drivable, allowing its servos to provide active stiffness control in addition to control over position, velocity, acceleration, and torque. By allowing the spread motion to be compliant while the fingers close around an object, the grasper seeks maximum grasp stability as the spread accommodates its position, permitting the fingers to find their lowest energy states in the most concave surface features. Electronic and mechanical optimization Intelligent, dexterous control is key to the success of any programmable robot, whether it is an arm, automatically guided vehicle, or dexterous hand. While robotic intelligence is usually associated with processor-driven motor control, many biological systems, including human hands, integrate some degree of specialized reflex control independent of explicit motor-control signals from the brain. In fact, the BarrettHand combines reflexive mechanical intelligence and programmable microprocessor intelligence for a high degree of practical dexterity in real-world applications.By strict mathematical definition, dexterity requires independent, intelligent motor control over each and every articulated joint axis. For a robot to be dexterous, at least n independent servomotors, and sometimes as many as n + 1 or 2n, are required to drive n joint axes. Unfortunately, servomotors constitute the bulkiest, costliest, and most complex components of any dexterous robotic hand. So, while the strict definition of dexterity may be mathematically elegant, it leads to impractical designs for any real application.According to the definition, neither your hand nor the BarrettHand is dexterous. Naturally, their superior versatility challenges the definition itself. If the BarrettHand followed the strict definition for dexterity, it would require between eight and 16 motors, making it far too bulky, complex, and unreliable for any practical application outside the mathematical analysis of hand dexterity. But, by exploiting four intelligent, joint-coupling mechanisms, the almost-dexterous BarrettHand requires only four servomotors. In some instances reflex control is even better than deliberate control. Two examples based on your own body illustrate this point. Suppose your hand accidentally touches a dangerously hot surface. It begins retracting itself instantly, relying on local reflex to override any ongoing cognitive commands. Without this reflex behavior, your hand would burn while waiting for the sensations of pain to travel from your hand to your brain via relatively slow nerve fibers and then for your brain, through the same slow nerve fibers, to command your arm, wrist, and finger muscles to retract.As the second example, try to move the outer joint of your index finger without moving the adjacent joint on the same finger. If you are like most people, you cannot move these joints independently because the design of your hand is optimized for grasping. Your muscles and tendons are as streamlined and lightweight as possible without forfeiting functionality.The design of the BarrettHand recognizes that intelligent control of functional dexterity requires the integration of microprocessor and mechanical intelligence.Control electronics Inside its compact palm, the BarrettHand contains its central supervisory microprocessor that coordinates four dedicated motion-control microprocessors and controls I/O via the RS232 line. The control electronics, partially visible in Figure 4 are built on a parallel 70-pin backplane bus. Associated with each motion-control microprocessor are the related sensor electronics, motor commutation electronics, and motor-power current-amplifier electronics for that finger or spread action.The supervisory microprocessor directs I/O communication via a high-speed, industry-standard RS232 serial communications link to the work cell PC or controller. RS232 allows compatibility with any robot controller while limiting umbilical cable diameter for all power and communications to only 8mm. The openly published grasper communications language (GSL) optimizes communications speed, exploiting the difference between bandwidth and time-of-flight latency for the special case of graspers. It is important to recognize that graspers generally remain inactive during most of the work cell cycle, while the arm is performing its gross motions, and are only active for short bursts at the ends of an arms trajectories.While the robotic arm requires high control bandwidth during the entire cycle, the grasper has plenty of time to receive a large amount of setup information as it approaches its target. Then, with precision timing, the work cell controller releases a “trigger”command, such as the ASCII character “C” for close, which begins grasp execution within a couple milliseconds.Grasper control language (GCL) The grasper can communicate and accept commands from any robot-work cell controller, PC, Mac, UNIX box, or even a Palm pilot via standard ASCII RS232-C serial communication the common denominator of communications protocols. Though robust, RS232 has a reputation for slow bandwidth compared to USB or FireWire standards, but its simplicity leads to small latencies for short bursts of data. By streamlining the GCL, we have achieved time of flight to execute and acknowledge a command (from the work cell controller to the grasper and then back again to the work cell controller) of the order of milliseconds. The initial effort to develop a highly optimized grasper language based on such a standard protocol means that the GCL is upwardly compliant with any future industry-standard protocol.The grasper has two control modes: supervisory and real time. Supervisory is the normal mode used to control the grasper. It is made up of a simple command structure, designed for optimal performance and minimized learning curve.Supervisory mode has the following grammatical structure: Object (prefix) Verb (command) Subject (parameters) Qualifiers (values) The prefix refers to motors 1 through 4 with the ASCII values for 1, 2, 3, and 4 corresponding to the fingers Fl, F2, F3, and the spread motion. Any number of prefixes may be used in any order. If the prefix is omitted, then the grasper applies the command to all available axes.As an example, the ASCII character “C” represents the command which drives the associated motor (s) at its individual default (or user defined) velocity and acceleration profile(s) until the motor(s) stops for the default (or user defined) number of milliseconds. As each motor reaches this state its position is locked mechanically in place. 1C closes finger Fl. 2C closes finger F2. 12C closes fingers Fl and F2. C is equivalent to 1234C and closes all three fingers and the spread motion. We also have defined “S” (derived from “spread”) as a shortcut for “4” and “G” (from “grasp”) as a short cut for “123”, so that: GC is equivalent to 123C SC is equivalent to 4CThere are similar commands for opening fingers, moving any combination of the four axes to an array of positions, incremental opening and closing by default or user-defined distances, reading and setting user-defined parameter values, and reading the (optional) strain gages on the three fingers. The latest version of the BH8-250 firmware has 21 commands and 28 parameter settings, giving it almost unlimited flexibility. The real time mode is reserved for advanced uses such as real time teleportation control and is frequently accessed through Barretts user-friendly GUI for PCs running Windows95/98/NT. In real time mode, the user specifies a tailored packet-structure in supervisory mode. Barretts PC software gives the user a histogram of 20 successive time-of-flight tests so that the user can refine the packet structure by quantitatively balancing information content with latency. The GUI accelerates the prototyping of tasks and includes a pictorial of the grasper with sliders for position and rate control. The GUI also has a novel “Generate C+ Code” button which enables anyone to save and later recall successful algorithms without any knowledge of C or C+ programming. But, with C+ programming familiarity, you can also edit the code as desired. Once real time mode is initiated, packets are exchanged in full duplex until an ASCII control character is issued to break out of real time mode and return to supervisory mode. The system has proven effective and robust in a variety of customer applications.Conclusion Although the BarrettHand BH8-250 was only introduced commercially in 1999, 30 units have been put into service around the globe at a price of US$30,000 each. The largest concentration of graspers is among automotive manufacturers and suppliers in Japan, including Honda, Yamaha Motorcycles, and NGK (ceramic substrates for catalytic converters). At this time, these manufacturers are only beginning to explore the capabilities of this versatile device, while some customers, such as Fanuc Robotics and the US and Japanese space programs have become repeat customers.Figure 1 Figure 2Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7Figure 8 Figure 9 Figure 10 MCB 工业的机械手论文巴雷特机械手爪可编程式可弯曲部分的搬运和组装摘要本文详细介绍了巴雷特机械手爪BH8 250型的设计和运行,一个智能的,灵活的八轴夹具, 一个可以随时进行自我完善,改变或者中断各种危险行为的工具。机械手爪带来巨大的价值-工厂自动化,因为它:降低所需机器人工作单元的数量和尺寸 (平均每项90,000美元不包括高成本的占地面积),从而提高了工厂的生产能力,通过一个可编程平台控制整合了各种各样的机械手抓;渐渐的改进和推出新产品介绍,通过工厂里的软件进行国际联网。介绍本文介绍了一种新的方法来进行材料处理,零件分类和构件组装,我们称它为“抓”,即一个单一的嵌入式智能可重构机械手爪,取代了独特的,固定形状的夹子和整个换刀库。指导的目的是为了感谢巴雷特机械手爪的设计,今天我们必须探讨什么是错误的机器人技术,机器人在未来的巨大潜力,以及以前遗留下来的行不通的手爪的解决方案。为了实现机器人的优秀解决方案,可编程的灵活性,需要沿着整个机器人的设计史,从它的诞生,到现在。机器人手臂能够从基础的编程升级到灵活性的钣金,让机器人的外壳越来越薄。但即使要让这些机器人的外壳变薄,也必须嵌入智能软件Excel,以确保每个机器人能正常运转和适应新的复杂的功能。就像在串行链中最薄弱环节,不灵活的爪子限制了整个工作单元机器人的生产力。机械爪子已经进行了独特的设计,但是固定颚板的形状还没有确定。在设计的过程中,一般难以预计硬盘成本和进度的范围。一般来说,机器人的每个形状、方向和接近角的预期的变化,需要其他自定义,但是爪子固定的位置,存放爪子的地方和更换爪子的器械,是不容许擅自改变和增加的。相比之下,巴雷特的专利机械手爪如图1所示,机械结构,自动重新配置和高度可编程性,不到一秒钟匹配,地工作单元不停顿的数据交换量,交换手爪的几乎任意形状的变换功能。对于需要处理的可变等多种有效载荷的方向,提出了高度灵活性的任务,一个能让机械手爪更安全,更快捷的安装,以及比定做加工夹具更低的成本和大容量的存储机架。不间断运行时,工作单元只有一个或两个备用机械手爪可以作为应急备份,而一个或两个备用的手抓,是要求每个手爪都能变化 - 可能每个工作单元需要几十人。而且,悲剧的是如果两个手爪都系统备份,如果失败,因为它会存储前几天的可以识别的数据,很多自定义形状,装运和自身装配,所以会影响后面的操作。与此相反,由于机械手爪是数据相同,他们总是可以通过特定的软件及时提供无限量的数据。传统夹具今天的机器人,装配零件的处理大部分是通过夹具。如果表面的条件允许,真空吸力和电磁铁也可以应用,例如:处理汽车挡风玻璃和车身。作为部分尺寸开始超过100gms,颚板的自定义形状,以确保安全运行。由于处理和装配耐用的主体,这些工具没有什么变化,因为机器人是从三十年以前才开始的。夹具,可以看做简单的类似钳子的动作,有两个或三个非铰链手指,被称为“钳口”,保持平行或者进行打开或者观关上
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