毕业论文-四自由度溶液自动配制机械手设计.doc

Abstract毕业设计(论文)工业机械手的设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2016年 6 月2摘要工业机械手在如今的生活生产中起到了举足轻重的作用。在这样的背景下，本课题致力于设计一个溶液自动配置机械手。该机械手能够在有毒有害的环境下对溶液进行自动配制。本课题的主要内容是机械手的整体机构设计，包括驱动系统的设计和传动系统的设计以及控制系统的简单设计。此次设计的机械手包含五个运动：手爪抓取、腕部回转、悬臂水平伸缩、立臂竖直移动、腰部转动。在第一章中，对工业机械手进行了概述；在第二章中，对机械手进行了总体设计；在第三章中，通过具体计算选择电机和丝杠；在第四章中，通过尺寸计算和AutoCAD二维绘制相结合的方式对每个关节的结构进行了具体设计；在第五章中，运用solidworks三维软件对机械手进行了三维仿真。通过这几章的介绍、分析以及计算得到了溶液自动配制机械手的整体结构设计，达到了预期目的，实现了机械手的自动抓取、移动、倾斜和回正运动。关键词： 溶液配制 机械手 四自由度 驱动系统 传动系统 The design of four freedom degrees solution automatic preparation machine handAbstractIndustrial robot has played a pivotal role in the production in todays life. In this context, this topic is committed to design a manipulator to automatically configure solution. The robot can automatic preparation of the solution under the toxic and harmful environment.The main contents of this issue is the overall design of the machine hand body, including the design of the drive system and transmission system design and simple design of the control system. The design of the machine hand consists of five sports: Gripper crawl, wrist rotation, boom horizontal telescopic, vertical arm vertically moving, waist rotation. In the first chapter, to describe the industrial machine hand; In the second chapter, to carry out the overall design of the robot; In the third chapter, by specific calculation to select the motor and lead screw; In the fourth chapter, by combination of the size calculation and the two-dimensional drawing software AutoCAD to design structures for each joint specifically; In the fifth chapter, to use the three-dimensional software solidworks to carry out dimensional simulation for machine hand. Through the introduction, analysis and calculation of these chapters, we have get the overall structure design of the solution automatically preparation machine hand. This design has achieved the desired purpose, and the machine hand has achieved automatic crawling, move, tilt, and back to the previous location.Key words: Solution preparation Four degrees of freedom Manipulator Drive system Transmission system1摘 要Abstract第一章 绪论11.1 引言11.2 课题背景和研究内容11.2.1课题背景11.2.2 研究内容21.3工业机器人概述31.3.1机器人的定义31.3.2 机器人的分类31.3.3 机器人的主要基本参数和性能指标51.3.4 工业机械手的组成61.3.5 工业机器人的发展趋势8第二章 总体方案设计92.1设计原则92.2 设计目标及要求102.3 工况分析102.4 机械手结构的总体设计112.4.1 坐标形式和自由度的选择112.4.2溶液自动配制机械手驱动系统的选择122.4.3 溶液自动配制机械手传动系统选择132.5 溶液配制概况142.5.1 溶液配制流程142.5.2 溶液自动配制布局142.5.3 溶液自动配制机械手的技术指标162.5.4 溶液自动配制机械手简图17第三章 步进电机以及丝杠的选择183.1 步进电机的选择183.1.1 步进电机的特点183.1.2 步进电机型号的选择计算193.2 滚珠丝杠的选择223.2.1确定滚珠丝杠副的导程223.2.2 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量22第四章 机械部分设计264.1 手部结构设计264.1.1 手爪分类264.1.2 手部结构设计要求274.2 腕部的结构设计284.2.1 手腕的分类284.2.2 腕部设计结构要求294.3 臂部的结构设计294.3.1 臂部常见运动方式304.3.2 臂部结构设计要求304.4 腰部及机座的结构设计324.4.1 腰部结构设计要求324.4.2 底座的结构设计要求33第五章 机械手三维效果图34总结37致 谢38参考文献39第一章 绪论1.1 引言 机器人学是近半个世纪来发展最快的综合性学科之一，它综合了机械学、电子学、计算机学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。工业机器人是机器人行业中的重要一员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。工业机器人并非是人们所想象的那样，其外形并不是与人的外貌一致。国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人给出定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。”世界各国对工业机器人的定义不尽相同，但其内涵基本一致。根据国家标准，工业机器人定义为“其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对3个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式。在工业自动化应用中应用。”所以对工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置；它可以把任一物件或工具按空间位置或姿态的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。基于以上论述，工业机器人有时也可简单叫做工业机器手。经过近几十年的发展，工业机械手已成为一种高科技自动化生产设备，可通过编程来完成各种预期的作业任务。因此，工业机械手被广泛地运用到各行各业。如夹持焊钳或焊枪，对汽车或摩托车体进行点焊或弧焊；搬运压铸或冲压成型的零件或构件；进行激光切割；喷涂；装配机械零件、部件等。从国内生产总值来看，自动化生产占到了足够大的比例，从长远考虑，工业机械手将会在更多的领域发挥更大的价值。1.2 课题背景和研究内容1.2.1课题背景中国工业机器人的发展主要还停留在小规模式的发展，并没有形成产业化的运营模式。高端领域的机械手机器人还普遍用于进口，国产工业机械手机器人主要集中在中低档水平。存在的主要问题是基础零部件制造能力差、精度不高、制造技术落后、缺乏核心技术等。但随着国内生产的不断扩大，机械手机器人需求量逐渐增加，近两年的市场容量增幅平均高达50%，工业机械手机器人可谓是开拓市场的最大功臣。汽车制造业将逐步进行以机器人代替人力操作的改革，甚至富士康集团也提出要在其工厂大规模应用机器人。工业领域与机械手机器人的高度结合已然是世界趋势，而我国人力素质日渐下滑，扩大机械手机器人应用也是我国未来发展中的必由之路。在工业机械手广泛运用于各行各业的背景下，溶液自动配制机械手也得到了发展。通常在一些化工厂、废弃物处理厂、溶液配制实验室等地方，看到一些烟雾，听到一些爆炸声，问道一些刺激性气味等。有些溶液的配制会产生有害气体，甚至会发生爆炸。这些溶液本身就具有强腐蚀性、有毒性等，同时产生的废弃、废渣、废液同时具有强腐蚀性和有毒性。这对工作人员和生活环境都构成了威胁。传统的有毒有害溶液的配制由配制人员穿上防护服到工作间进行配制，同时用大量的纯净水对废弃的有害溶液和产生的固体进行稀释，以降低对配制人员的伤害。由于以上原因，工作人员常常因此患上职业病。同时，在一些高校或研究所里，常常需要进行有毒有害溶液的配制。基于以上现象，可设计一个自动配制溶液的机械手，在密闭的环境下进行具有不同物理化学性质、不同浓度的溶液配制。确保配制人员安全的同时即可对溶液精确的配制，又可减少对环境的污染。通过查阅相关文献，溶液自动配制在一些自动生产流水线上得到了运用，同时在医疗、化工等领域也相继出现了溶液的自动配制。随着科技地不断进步，溶液的自动配制将在可靠性和精确性方面得到更大的进步，同时也将运用到更多的领域。1.2.2 研究内容本课题主要包括以下几个方面的研究：通过对溶液配制工艺流程的分析，明确溶液自动配制机械手所需完成的功能，提出总体设计方案，完成溶液的自动配制；机械手的传动与驱动结构设计；机械手控制系统总体设计；在完成上诉目的的前提下，尽量使整体结构简单紧凑，工作范围适中，制造成本适中，能与上、下游设备协调运作，同时控制简单可靠，运行稳定安全。1.3工业机器人概述1.3.1机器人的定义机器人这个名词在当今的世界被广泛引用，但这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同国家、不同领域的学者给出的定义也不尽相同。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现，同时，由于机器人涉及了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务；美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置；日本工业机器人协会（JIRA）的定义：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的、能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。11.3.2 机器人的分类 机器人的分类方法很多，也相当复杂，几乎没有一种分类可以满意地将各类机器人均包括在内，其中常用按机器人的结构形式和运动形态分类。 机器人依据坐标形式和运动状态的不同可以分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、SCARA型、关节坐标型、并联型等。如图1所示：直角坐标型 圆柱坐标型球坐标型 SCARA型 关节型 并联型图1.1 机器人类型各类型机器人的优缺点如下： 直角坐标型机器人 该形式的机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，避障性好等特点，但是结构庞大，动作范围小，灵活性差，难于其他机器恩协调且移动轴的结构较复杂，占地面积较大； 圆柱坐标型机器人 该形式的机器人的位置精度仅次于直角坐标型，其控制简单，避障性好，但是结构也较庞大，难于其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较为复杂； 球坐标型机器人 该形式机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其它机器人协调工作，但是避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关； SCARA型机器人 该形式机器人具有垂直方向的刚性高、水平面内刚性低的特征。但是在实际操作中主要不是由于它的所具有这种特殊的柔顺性质，而是因为它更能简单地实现二维平面上的动作，因而在装配作业中普遍采用； 关节坐标型机器人 该形式的机器人对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的，对于各式各样的作业都具有良好的适应性，但其坐标计算和控制比较复杂，且难以达到高精度； 并联机构机器人 该形式的机器人是一新型结构的机器人，它通过各种连杆的复合运动，给出末端的运动轨迹，以完成不同类型的作业。它可以完成复杂曲面的加工,但其不足之处是控制复杂，工作范围比较小，精度也比数控机床低一些。2 1.3.3 机器人的主要基本参数和性能指标机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间 工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。 (2)自由度 自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。日前工业机器人通常具有46个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活型，但也使控制变得更加复杂。工业机器人在运动方式上，总可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用简记符号P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示机器人操作机具有四个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转-直线-旋转-旋转。此外，工业机器人的运动自由度还有运动范围的限制。(3)有效负载 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。(4)运动精度 机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度、重复位姿精度、轨迹精度、重复轨迹精度等。位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时各实到位资中心之间的偏差。重复位姿精度是指对同指令位姿从同一方向重复响应n次后实到位姿的不一致程度。轨迹精度是指机器人机械接口从同一方向n次跟随指令轨迹的接近程度。轨迹重复精度是指对一给定轨迹在同方向跟随n次后实到轨迹之间的不一致程度。(5)运动特性 速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。在机器人说明书中，通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的，还应注意其最大允许加速度。最大加速度则要受到驱动功率和系统剐度的限制。(6)动态特性结构动态参数主要包括质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、同有频率和振动模态。31.3.4 工业机械手的组成常见的工业机械手通常由执行机构、驱动传动系统、控制系统和智能系统四部分组成，如图1.2所示:图1.2 工业机械手的组成执行机构(也称操作机)是机械手的末端执行机构，是机械手直接接触目标物体的部位，也是机械手最灵活的部位，是开环控制系统的末端机构；驱动传动装置包括驱动机构和传动机构两个部分，他们通常与执行机构连成一体，其目的是为末端执行机构的实行提供动力源，并把动力源的动力经传动装置传递到末端执行机构。驱动机构通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置。传动机构常用的有滚珠丝杠、谐波减速器、链、带以及各种齿轮轮系；控制系统一般由计算机和伺服控制器组成，控制系统让机械手在没有人为干扰的情况下，自动按照程序完成工作。计算机主要用于发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时要完成编程和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作，伺服控制器主要控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动；智能系统是目前机械手研究最热的一个领域，目的是使机械手在没有人为干预的情况下更加灵活的完成各种任务。1.3.5 工业机器人的发展趋势目前世界各个国家都在加大力度发展工业机器人，进行机器人共性技术的研究。工业机器人发展的主要趋势为：4工业机器人性能不断提高而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展。采用模块化设计，使机械手的设计更加方便容易；工业机器人控制系统在基于PC机的开放型控制器方向发展的同时，更加注重标准化和网络化。由于标准化的利用大大提高了系统的易操作性和可维修性；多传感器的同时使用。多传感器的使用可以使机械手应用于更加复杂的环境下。由于多传感器的同时使用，提高了机械人的智能性和及时处理问题的能力，因而更加具有适应性。但多传感器的同时使用也带来了诸多的问题，例如：多传感融合算法，特别是非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感融合算法；虚拟显示技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于程控，如使遥控机器人操作者产生置身于远程作业环境中的感觉来操纵机器人；微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向；致力于系统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。第二章 总体方案设计机械手是主要的机电一体化产品，需采用系统全面的观点，站在一个系统的角度，合理分配机械结构、电子元件、硬件、软件各部分所承担的任务和起到的功能。采用系统全面的观点设计机械手对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用。设计一种五自由度搬运机器手，包括机器手的总体设计，移动方式设计，动作规划设计，三维造型设计等。而一个完整的工业机械手可以分为三部分:传感部分、控制部分和机械部分，其中传感部分包括感知系统和机器人与环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构成，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。由于作者处于本科阶段，在控制方面的基础还很薄弱，因此作者的主要任务是机械手的结构设计，即如何在综合考虑机器人的功能和特性要求后，能够完整的设计出合理而优化的机器手。本课题以溶液的自动配制为对象，研究机械手在系统中的应用，确定机械手的任务要求和基本技术参数，进行机械手的总体方案设计。2.1设计原则 机械手，作为特殊机械设计结构，其设计原则与一般机械设计相近，需满足以下设计原则5： 1）刚度原则:先对机械手的工作环境进行工况分析，通过计算合理选择零部件形状和尺寸，并通过优化设计，合理分配力； 2)最小运动惯量原则:为提高机械手的运动平稳性和动力学特征，需要在满足强度和刚度的前提下，尽量小型、轻量化，运动部件对转轴的质心位置应尽量满足整个机构的动、静平衡要求； 3)尺寸优化原则:整个机械手机构应该紧凑，使占用的空间范围小，不仅使整体结构刚度提高，而且机械手更加活动灵活； 4)工艺性原则:机械手在设计时，还应考虑其加工和装配工艺性。良好的工艺性可以提高机械手性能的降低并降低生产成本； 5)材料选用原则:机械手的手部、腕部、臂部、腰部是依次作为负载起作用的，因此，为了降低各个部件的负载，同时具有较高的刚度，在选用材料时，尽量选择轻型、高强度型材料； 6)可靠性原则:零件按照使用寿命设计。综上所述，在机械手设计过程中，在完成预期目的的同时，在满足负荷、精度、速度等要求下，更应该不断优化结构设计，使整体性能不断提高，降低成本。2.2 设计目标及要求 目的：在医疗、化工、科研等众多行业中常常会进行溶液的配制，但其中往往会遇到有毒有害溶剂的配制。配制人员为保护自身安全，常常穿戴防护服或防腐蚀手套等，由于穿戴这些措施往往会妨碍配制者的操作，影响配制结果甚至得到错误的结果。基于保护配制人员的安全以及对溶液的精确配制，设计一个溶液自动配制机械手可达到此目的。基于以上要求，设计此机构的目的如下：1) 确保配制人员的安全；2) 能对溶剂瓶准确地进行抓取、倾斜和放回；3) 能精确地进行不同浓度溶液的配制。要求：1）在完成上诉目的的前提下，尽量使整体结构简单紧凑，工作范围适中； 2）制造成本适中； 3）能与上、下游设备协调运作； 4) 控制简单可靠，运行稳定安全。2.3 工况分析在溶液配制过程中，最常见的工作对象就是装满溶液的试管。配制人员左手用手指夹住试管，右手对溶液进行配制。设计溶液自动配制机械手，可模拟人的配制过程，将机械手部设计成夹钳式结构。以下表中为实验室和化工实验室常用的试管及外形表2.1：常见玻璃试管型号 名称 规格 直径/mm 长度/mm 重量/g 优质玻璃试管 127512755 优质玻璃试管 10100101006 优质玻璃试管 151001510010 优质玻璃试管 151501515013 优质玻璃试管 181801818020 优质玻璃试管 202002020024 优质玻璃试管 252002520035 优质玻璃试管 302003020053图2.1 常用玻璃试管外形本次设计以抓取20200玻璃试管进行溶液配制为例。同时工作环境为实验室里的密闭环境。2.4 机械手结构的总体设计 2.4.1 坐标形式和自由度的选择 (1) 坐标形式在第一章中关于机械手的坐标形式已经介绍。按坐标形式分类，机器人主要有直角坐标形、圆柱坐标形、球坐标形及关节形几大类。根据实验室的实际布局和机器人的允许工作范围，我们采用了圆柱坐标形机器人。该形式的机器人的位置精度仅次于直角坐标型，其控制简单，避障性好。同时相对与其它几种机器人，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。圆柱坐标机器人主要由手部、腕部、悬臂、立臂、腰部组成。(2) 自由度自由度在第一章中也有相关的介绍，自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，一般以沿轴线的移动和绕轴线转动的独立运动数来表示(末端执行器的动作不包括在内)。自由度越多越灵活，但同时结构就越复杂，控制也越复杂。通常情况下机器人的自由度在3一6个之间。本课题设计的机械手为四自由度的机械手，包括腰部回转、立臂竖直移动、悬臂水平移动和腕部转动，同时还有手部的抓取。2.4.2溶液自动配制机械手驱动系统的选择驱动部分是机械手系统的重要组成部分，机械手的驱动方式常分为以下几种方式6:(1)气压驱动 气压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，控制方便。可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。气动驱动的缺点是功率小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高，适用于易燃、易爆和灰尘大的场合；(2)液压驱动 液压驱动装置的体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有平率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用液压驱动和缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力比较大，运动速度比较低的场合；(3)电气驱动 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。电气驱动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。由于溶液自动配制机械手机驱动负载较小，要求结构简单、定位精度高、运动灵活、成本低等。因此选择电气驱动。机械手的腰部回转、立臂竖直移动、悬臂水平移动、腕部回转、手部抓取的驱动装置以步进电机为主。它通过电机轴与减速器的配合，使电机的旋转运动传递到各个关节，直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉不需要回馈就能对位置和速度进行控制。而且采用电气控制所占空间小，机械手体积小，驱动平稳。2.4.3 溶液自动配制机械手传动系统选择 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机械手相应的执行部件，以实现各种预定的运动。工业机械手的传动系统要求结构紧凑、质量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。 目前常用的传送动力方式有:带传动、链条传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、谐波减速传动及螺旋传动等7： 皮带传动结构简单，传动平稳无噪声，可以实现过载保护，但不能保证准确的传动比，传动效率低，外形尺寸大，张紧力大，因此，常用于传动精度要求不高的中小功率传动； 链条传动传动比准确，传动效率高，传递功率较大，张紧力小，但铰链磨损后，链条易脱落，安装和维护要求较高。适合远距离传动，能在低速重载和高温条件等环境中工作； 齿轮传动结构紧凑，传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高，寿命长，但制造成本高，安装要求高，噪音大，需要经常润滑； 蜗轮蜗杆传动结构紧凑，传动比大，传动平稳、安全性能高，但制造成本较高，传动效率较低。常用于要求传动比大且要求机构自锁的场合； 谐波减速传动结构紧凑，传动比大，承载能力高，效率高，传动精度高但制造复杂，成本较高，扭转刚度较低，要求传动比不能太小； 螺旋传动传动比大，传动效率高，传动平稳，定位精度高，但摩擦损耗大，制造成本较高。滚珠丝杠传动广泛应用于要求较高的数控传动系统中。由2.4.2节可知，本课题设计的机构采用电气驱动。传动系统需要将电机的旋转运动转化为腰部的回转运动，立臂在竖直方向的运动，悬臂在水平方向上的运动，腕部的回转运动以及手部的抓取运动。一般通过齿轮传动，可传递回转运动；通过滚珠丝杠传动，可传递直线运动。因此，本课题设计的机械手主要采用齿轮和滚珠丝杠传动力和力矩。2.5 溶液配制概况 2.5.1 溶液配制流程溶液配制主要包括以下四个部分：试管抓取，试管移动，试管倾斜，试管返回。人工操作工艺流程如下图所示：图2.2 人工溶液配制流程图2.5.2 溶液自动配制布局 通过对溶液配制过程的了解，我们可得出溶液配制布局示意图，如图2.3所示：图2.3 溶液自动配制布局示意图图2.4 溶液自动配制三维布局示意图溶液自动配制机械手配制溶液具体流程：首先试管架a逆时针旋转到1工作位置，并在工作位置1停，同时试管架b顺时针旋转到1工作位置。接着机械手腰部由常态位置顺时针旋转30，然后悬臂伸长至试管架a的1工作位置处。然后手部夹取试管1，同时机械手立臂向上移动一定距离，接着机械手腰部逆时针旋转55到试管架2工作位置附近。然后机械手立臂下降一定距离，接着机械腕部倾斜一个角度，使试管1中的溶液A倒入试管2中。试管1腕部回正，立臂并回到之前的高度，然后腰部快速旋转到试管架a的1工作位置上空，接着机械手立臂下降一定高度，然后手部松开手指，悬臂收缩至原来位置，接着腰部逆时针旋转30，回到常态位置。然后，试管架a和试管架b同时旋转至2工作位置，接着再按照上述流程执行。2.5.3 溶液自动配制机械手的技术指标根据溶液自动配制机械手的实际布局以及机械手外观尺寸，对溶液自动配制机械手的主要技术指标提出以下要求，如表2.2所示: 表2.2 溶液自动配制机械手的主要技术指标项目要求分辨率0.1 mm定位要求1 mm机械手工作周期10s工作范围800mmx800mmx250mm结合布局示意图和溶液配制的具体流程以及机械手的主要技术指标，给出各个关节的基本参数，如表2.3所示：表2.2溶液自动配制机械手各关节基本参数表项目最大速度最小速度定位精度运动范围腰部回转15/s5/s士0.10- 60立臂升降50mm/s10mm/s士0.5mm200mm悬臂伸缩50mm/s10mm/s士0.5mm200mm腕部回转15/s5/s士0.1-90一 90手部抓取10/s2/s士0.l0- 1202.5.4 溶液自动配制机械手简图 经过上述分析，溶液自动配制机械手的机构（包括驱动、传动和外形）大体已经明了。由此可得出溶液自动配制机械手简图，如图2.4所示：图2.4 溶液自动配制机械手结构简图1-基座 2-腰部 3-立臂 4-悬臂 5-试管 6-手部 7-腕部第三章 步进电机以及丝杠的选择3.1 步进电机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。3.1.1 步进电机的特点步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有:1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；2） 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统；3） 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价；4） 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常；5） 控制性能好。起动、停车、反转及其它运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步；6） 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降；7） 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 3.1.2 步进电机型号的选择计算但随着伺服电机的出现，步进电机有逐渐被伺服电机代替的趋势，因为伺服电机在低频特性、控制精度、矩频特性、过载能力、运行性能、速度响应性等都比步进电机好。不过伺服电机成本高，控制复杂，在一些简单驱动，开环控制中仍采用步进电机。以下为如何为溶液自动配制机械手的各部位选取步进电机。以装有溶液的试管为平衡对象，由平衡条件可得：,（试管与手指有四处接触） 即 则有 式中：G为玻璃试管和溶剂的重力 F为试管与手指接触处的摩擦力；N为试管与手指接触处的正压力；f为试管与手指接触处的摩擦系数，f取0.25；N1为第一种状态单个手指应具有的计算握力；为手指的抓取半角，取30度；在实际应用中，由于各机构并非达到100%的机械效率。因此需要的实际工作握力，其中取0.85。由于在实际工作中为确保工程顺利进行，常引入一个安全系数K1和工况系数K2。即需要的实际工作握力N3：K为安全系数，取1.2；K2为工况系数，取2.3。即 假定传动力只分别作用在两个手指上，每个手指上所得到的传动力为P1/2，由力矩平衡条件，即 ，可得 ： 即 式中：L为试管中心到手指回转中心的距离，取L=70mm； l为试管中心岛手指间的距离，l=10mm则有 根据传动力P1计算所需要的电机转矩蜗杆传动效率，啮合效率，；轴承效率；搅油效率一般取蜗杆传动的总效率，由于为闭式传动，蜗杆头数,取图3.1 蜗杆蜗轮受力图Fr-径向力 Fa-轴向力 Ft-圆周力由力矩平衡条件可得：， 即又由于，即通过查阅标准可知蜗杆蜗轮的基本配对参数，如表3.1所示表3.1 蜗杆蜗轮基本参数蜗杆头数z11234导程角3- 88- 1616- 3028- 33.5传动比i29-8314.5-31.57.25-15.754.83-5.17蜗杆齿数z229-8329-6329-6329-31其中选用，则有：因，则有：即综上所述，通过查阅相关标准，可选用两相混合式42BYG250A-0151步进电动机。同理可选用腕部、悬臂、立臂、腰部电动机，各部位选择的步进电机型号如表3.2所示：表3.2 各部位选用的步进电机型号部位规格型号相数步距角相电流/A保持转矩/Nm外形尺寸/mm/手爪42BYG250A-015120.9/1.81.50.23424234手腕42BYG250B-015220.9/1.91.50.43424240悬臂56BYG250C-024120.9/1.102.41.04565654立臂56BYG250D-024120.9/1.112.41.72565654腕部86BYG250AN-036120.9/1.123.62.48383633.2 滚珠丝杠的选择3.2.1确定滚珠丝杠副的导程根据电机额定转速和X向滑板最大速度，计算丝杠导程。X向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V，电机最高转速为4500rpm。电机与滚珠丝杆直连，传动比为1。X向最大运动速度25mm/s，即1500mm/min。则丝杠导程为实际取，可满足速度要求。3.2.2 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量一般情况下，影响死区间隙的主要因素主要有:滚珠丝杠本身的拉压刚度，支撑轴承的轴向刚度， 滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度，折合道滚珠丝杠副上的伺服系统的刚度，联轴节的刚度，滚珠丝杠副的扭转刚度，螺母座，轴承座的刚度。所以滚珠丝杠副传动系统的刚度K可按下式计算:由于滚珠丝杠本身的拉压刚度，支撑轴承的轴向刚度， 滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度是影响死区间隙最主要的三个因素，而又占总量的( 1/3-1/2 )。所以一般情况下可按下式进行计算:已知重复定位精度为0.1 mm，所以=0.025mm（1）滚珠丝杠副的载荷及转速计算滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为0.004，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则导轨静摩擦力：式中：工件及工作台质量，经计算约为1000kg；导轨滑块密封阻力，按4个滑块，每个滑块密封阻力5N。由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有：rpm滚珠丝杠副的当量载荷：=78.8N滚珠丝杠副的当量转速：rpm（2） 滚珠丝杠副预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期工作时间计算：式中：当量转速， pm 预期工作时间，测试机床选择15000小时负荷系数，平稳无冲击选择=1精度系数，2级精度选择=1可靠性系数，一般选择=1 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算：式中：预期运行距离，一般选择 按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算：式中：预加负荷系数，轻预载时，选择=6.7丝杠副最大载荷（3）估算滚珠丝杠副的底径，滚珠丝杠副的安装方式为一段固定，一端游动，=0.078 式中:为杨式弹性模量 ,；为估算的滚珠丝杠副最大允许轴向变形（）；为导轨静摩擦力(N)，； 为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离(mm )综上所述： 根据X向运动行程为800mm，可计算出两个固定支承的最大距离：按丝杠安装方式为轴向两端固定，则有丝杠螺纹底d2m：式中：F0导轨静摩擦力，F0=78.8NL滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，L=1100mm 则有： 综上，悬臂丝杠螺纹底的直径为13.17mm。同理也可计算立臂丝杠螺纹底径。 第四章 机械部分设计工业机械手的结构形式有多种多样，各组成部分的驱动方式、传动原理和机械结构也有各种不同的类型。工业机械手的传动装置与一般机械传动装置的选用和计算大致相同。但工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。本课题设计的机械手由机座、腰部、立臂、悬臂、手腕、末端执行器、驱动装置、传动装置组成，共有四个自由度，依次为腰部回转、立臂竖直方向移动、悬臂水平方向移动、手腕转动还包括手爪张合，能够根据接收的指令，按要求进行目标试管的抓取及溶液配制工作。4.1 手部结构设计 4.1.1 手爪分类 末端执行器俗称手爪，手爪是可以实现类似人手功能的机器人部件。手爪是由手指、传动机构、驱动装置等组成，是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能。手爪具有多样式、多结构，可根据其结构和尺寸根据不同作业任务要求来设计的，一般可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类： 机械式夹持器 机械式夹持器，又称为机械夹钳，包括2指、3指和变形指。机械式夹持器是工业机器人最常用的一种末端执行器，在装配生产线上应用的最多，一般由手指、驱动机构、传动机构、连接和支撑元件组成。 吸附式手爪 吸附式手爪靠吸附力工作，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种，吸附式适合于大平面、光滑、易碎、易滑、微小的物体。 专用工具 根据所夹取得物件不同，可设计出专用工具。以便机械手在不同的工作环境下操作各种复杂的作业。 4.1.2 手部结构设计要求 对于手部的结构设计要考虑以下几点： 要求有自锁功能，以防止在抓取工件或搬运工件时，突然断电而引发事故； 具有满足作业要求的足够的夹持(吸附)力和所需的夹持位置精度； 手部两端和两侧手指动作都要同步； 手部指端与工件接触部可更换； 结构简单，操作灵活； 从本课题工况和设计要求考虑，手爪开合结构设计为回转型机构，是通过手指在一定范围内绕固定点做平面回转来实现开合运动，从而抓取并夹持物体。考虑到机械手要求具有自锁功能，同时又采用的是电机驱动，也就是动力源为回转运动，那么传力机构装置则采用蜗杆蜗轮传动，以保证断电时使手部保持原有状态不变，以免工件因失去动力源而脱落。采用蜗杆蜗轮式，即电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，同时蜗轮与手指焊接在一个轴上，从而使手指绕固定点转动。手指选用夹钳式二指结构，两端手指分别与蜗轮焊接在同一轴上，即一个蜗杆带动两个蜗轮转动，同时轴固定在手部箱体上，蜗杆通过联轴器与电动机联接，进而保证手指两端能够同时抓取和放置工件。手部结构图如3.11所示：图4.1 手部结构图1-电动机 2-联接板 3-联轴器 4-轴承 5-蜗杆轴 6-手部基座 7-手部箱体 8-蜗轮 9-手指4.2 腕部的结构设计腕部又称手腕，机械手腕部是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。机械手腕部有独立的自由度，功能是在手臂和腰部实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由腕部来实现末端执行器在作业空间的姿态坐标，即可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。4.2.1 手腕的分类为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll