（机械工程专业论文）真空环境下专用操作机械手的设计研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 机器人技术是一种多学科交叉融合的综合性高新技术 是与社会经济发展情况相适 应的 随着我国对真空下高温等离子体物理诊断实验的深入 诊断设备能否适用于多种 类型的高真空实验平台已经成为真空物理诊断实验的关键技术 由于高温等离子体的危 害性 具有独立真空环境的专用操作机械手便成为辅助实验人员完成诊断实验的最佳手 段 同时 专用操作机械手对在高真空环境下进行的其它物理实验也有广泛的应用前景 本文以高真空物理实验环境为平台 设计了一台能在高真空环境下作业的专用操作 机械手 机械手的主要任务是在不破坏真空度为3 0 x 1 0 3 p a 的高真空球形实验室环境的 情况下 将应用于高温等离子体物理诊断实验的小型诊断设备 如透射式光栅谱仪 五 通道晶体谱仪等 按照设计要求精确安全的送入和收回 并便于诊断设备的清洗 维护 和保养 本文主要从机械手的功能和技术使用要求出发 对机械手进行了流程分析和功 能分析 得出了机械手的结构组成 在此基础之上对机械手各子系统进行了设计分析 为了满足诊断设各的使用要求和功能要求 本文对机械手进行以下几方面的研究 本文根据诊断设备的使用要求对机械手进行全流程分析 研究机械手所需要具备的 主要功能 并对功能进行分析归纳整合 得出机械手的结构组成 同时分析了机械手的 视觉瞄准系统 控制系统 搭载小车组件等各分系统的实现方式以及驱动方式和传动机 构 完成了机械手的结构设计 对真空相关技术进行了简要介绍 同时利用真空技术对机械手的真空系统进行了详 细设计 选定了真空系统各组成部分硬件的型号 并对真空系统参数进行了分析计算 运用三维设计软件p r o e n g i n e e r 5 0 对机械手进行三维实体建模 以操作机械手的 真空室为研究对象 运用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h1 2 0 建立了真空室组件 的有限元模型 根据机械手真空室的实际情况对其施加约束及载荷 对真空室进行结构 静力分析和预应力模态分析 得出了其结构的等效最大应力 最大变形量 前1 0 阶模 态以及相应振型 得出的分析数据可作为优化设计依据 最后 简要介绍了机器手三自由度混联调节机构工作空间的定义和影响因素 对机 械手的三自由度混联调节机构进行了位置分析 并根据其结果运用m a t l a b 软件编程 仿真得到了机械手混联机构的工作空间 关键字 流程分析 功能分析 真空技术 有限元分析 工作空间 a b s t r a c t r o b o t i ct e c h n o l o g yi sak i n do fi n t e r d i s c i p l i n ei n t e g r a t e dh i g ha n dn e wt e c h n o l o g y w h i c hi su s e dt ob ea d a p t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y a l o n g w i t ht h er e s e a r c h o ft h ed i a g n o s i sp h y s i c a le x p e r i m e n to nv a c u u mh i g ht e m p e r a t u r ep l a s m ai n o u rc o u n t r y w h e t h e rt h ed i a g n o s t i ce q u i p m e n t sc a na p p l yt om u l t i p t et y p e so fv a c u u me x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo rn o th a sb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g yo fv a c u u mp h y s i c a ld i a g n o s i se x p e r i m e n t d u et oh a r m f u l n e s so fh i g ht e m p e r a t u r ep l a s m a t h ei n d e p e n d e n tv a c u u me n v i r o n m e n to f s p e c i a lo p e r a t i o nm a n i p u l a t o rb e c a m ea s s i s t e de x p e r i m e n t a lp e r s o n n e l t oc o m p l e t ed i a g n o s i s e x p e r i m e n ti st h eb e s tm e a n s a tt h es a m et i m e s p e c i a lo p e r a t i o nm a n i p u l a t o r a l s oh a v eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c ti no t h e rp h y s i c a le x p e r i m e n to f h i g hv a c u u me n v i r o n m e n t w i t hh i g hv a c u u mp h y s i c a le x p e r i m e n te n v i r o n m e n ta st h ep l a t f o r m t h i sp a p e rd e s i g n a s d e c i a lo p e r a t i o nm a n i p u l a t o rt h a tc a nw o r ki nh i g hv a c u u me n v i r o n m e n t i n t h ec o n d i t i o no f n o td e s t r o vh i g hv a c u u ms p h e r i c a ll a b o r a t o r yw h i c hh a s t h ev a c u u mf o r3 0 x10 p a t h em a i n t a s ko ft h em a n i p u l a t o ri st og e tt h es m a l ld i a g n o s t i ce q u i p m e n t s u c ha sp l a n ec r y s t a l s d e c 打o m e t e ri sb e n t c r y s t a ls p e c t r u mt e s t e r i n t oo rb a c ki ta c c u r a t e l ya n ds a f e l yt of a c i l i t a t e d i a g n o s i se q u i p m e n tc l e a n i n ga n dm a i n t e n a n c e a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o na n dt e c h n i c a l r e a u i r e l i l e n t so ft h em a n i p u l a t o r t h i sa r t i c l em a i n l yd ot h em a n i p u l a t o rw i t hp r o c e s sa n a l y s i s a 1 1 d 劬c t i o n a la n a l y s i s o nt h e b a s i so ft h e s e w e c o n c l u d e dt h a tt h es t r u c t u r eo ft h e m 趾i p u l a t o r d e s i g n e da n da n a l y z e dt h ee a c hp a r to f i t i no r d e rt om e e tt h eu s er e q u i r e m e n t s a n df u n c t i o nr e q u i r e m e n t so fd i a g n o s t i ce q u i p m e n t w er e s e a r c h e dt h ef o l l o w i n gs e v e r a l a s p e c t so f t h em a n i p u l a t o r f i r s t i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o t h eu s er e q u i r e m e n t so fd i a g n o s t i ce q u i p m e n tw e a n a l y z e dt h ew h o l ep r o c e s so fm a n i p u l a t o r r e s e a r c h e dt h ef u n c t i o nw h i c h s h o u l dh a v e t h e n w es t u d i e dt h em a i nf u n c t i o n st og e ti n t e g r a t i o na n a l y s i sc o n c l u d e s a n dc o n c l u d e dt h a tt h e s t m c t l l o ft h em a n i p u l a t o r t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff u n c t i o n t h ep o i n ta n d r a d i a lc o n t r o l 缸1 c t i o no ft h et h r e ed e g r e e so ff r e e d o mp a r a l l e l s e r i e sm e c h a n i s mi s t h ek e yt ot h ep r e c i s e l o c a t i o no fe q u i p m e n t a tt h es a m et i m e w ea n a l y z e dt h em a n i p u l a t o r sv i s u a lt a m i n gs y s t 锄 c o n t i 0 ls y s t e m c a r tc o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h e nw ea n a l y z e dt h ed r i v i n gw a y a n dd r i v i n g m e c h a n i s m a n dc o m p l e t e dt h es t r u c t u r ed e s i g no fm a n i p u l a t o r s e c o n d i n t r o d u c i n gb r i e f l yt h ev a c u u mt e c h n o l o g y a t t h es a m et i m e u s i n gt h ev a c u u m t ec h n 0 1 0 9 yt od e s i g nt h ev a c u u ms y s t e mo fm a n i p u l a t o r c h o o s i n gt h em o d e l o ft h e c o m p o n e n to fv a c u u ms y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc o n t e n t a n dr e q u i r e m e n t sw ea n a y z e d i i a n dc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r so fv a c u u ms y s t e m a g a i n u s e dt h ed e s i g n i n gs o f t w a r ep r o e n g i n e e r 5 0t og e t t h e3dm o d e lo f m a n i p u l a t o r 而d 御f 坊e 硼删u 脚c h a m b e ro fa st h er e s e a r c ho b j e c t b yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o 胁a r eo fa n s y sw o r k b e n c h12 0 e s t a b l i s h e dt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep a r t0 士 瑚c u 姗 翻拍戗a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h em a n i p u l a t o rv a c u u mc h a m b e r t a k i n gt h ec o n s t r a i n ta j l dl o a do nt h em o d e l a n dt h e nm a k i n gt h es t a t i c sa n a l y s i sa n d m o d a l a n a l y s i s w ec a ng e tt h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s sa n dm a x i m u m d e f o r m a t i o nv a l u e a sw e u a sm ef i r s t10m o d e sa n dc o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e lo ft h em o d e l t h ec o n c l u d e da n a l y s i s o fd a t ac a nb eu s e da st h eb a s i sf o ro p t i m i z i n gd e s i g n f i n a l l y t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sw o r k s p a c ed e f i n i t i o na n dt h ef a c t o r so fw o r k s p a c e a b o u tt h em a n i p u l a t o r c a r r i e do nt h ea n a l y s i so ft h ep o s i t i o nt o t h r e ed e g r e e so ff r e e d o m 1 a r a l l e l s e r i e si n s t i t u t i o n a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ep o s i t i o na n a l y s i s p r o g r a m m m g a n ds i m u l a t i n gb ym a t l a bs o r w a r et og e tt h e o r yw o r k s p a c e o ft h em a n i p u l a t o r k e yw o r d s p r o c e s sa n a l y s i s f u n c t i o na n a l y s i s v a c u u mt e c h n o l o g y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w o r k s p a c e i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 机器人作为2 0 世纪以来的一项伟大的发明 从上个世纪6 0 年代问世以来 得到了 不断的快速发展 它为人类生产和生活着的诸多领域不断的创造着社会效益和经济效 益 对人类社会的进步和发展起到了极大的推动作用 并对人类文明的进步产生了深远 而广泛的影响 目前 关于机器人的定义还没有一个统一的描述 美国国家标准局 n b s 认为机器 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 但是 日本和其它国家则认为机器人应该是一种能感知外界环境 并且具有情感 学习能力和 思维判断的智能机器 国际标准化组织 i s o 把机器人定义为一种可自动定位的 可灵活 控制的 可重复编程的 多自由度的功能机械装置 它可用来操作搬运材料 零件和工 具 完成各种任务 l 从机器人的整个应用环境和发展历程上来看 通常将机器人分为工业机器人和特种 机器人两大类 在工业领域中 工业机器人通常被描述为一种多自由度或者多关节的机 械手 早期的机械手主要局限于工业制造领域 经过几十年的发展逐渐成为现代制造生 产系统中的一个重要组成部分 并形成了一门新的学科 机械手工程学 2 近年来 随着人类活动领域的扩大 以及微电子技术 计算机技术 通信信息技术 材料技术的迅猛发展和它们相互之间的整合 机械手技术也得到了飞速发展 机械手已 经不仅仅只是局限于早期应用在生产制造领域中的工业机械手 而是随着人类活动领域 的扩大 逐渐转向到非制造领域 如农林领域的采摘机器人 能源领域的喷浆机器人 军用领域的空间机器人等 的在特殊环境中使用的具有特殊用途的 多驱动方式的 高 精度和高智能的方向发展 3 机械手的快速发展是因为他对人类自身乃至生产生活起到的积极作用被人们所广 泛认识 机械手通常分为通用机械手 操作机和专用机械手三类 通用机械手是一种独 立的不附属的 不需要人工操作的 能够根据任务需要通过编程来完成规定操作的机械 装置 它不仅具备普通机械装置的物理性能 还具有记忆智能和通用机械的三元机械 操作机则主要是起源于原子和军事工业 通过人工操作来完成特定作业任务的机械装 置 专用机械手是附属于自动生产线或自动机床上的 用来解决工件传输和机床下料的 装置 其工作程序固定 它由主机驱动并且来为主机服务 本课题所研究的机械手是一种在高真空环境下应用的专用机械手 主要针对高真空 下对高温等离子体诊断设备进行精确调整和定位的一种专用操作机械手 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 国内外机械手的发展及现状 1 2 1 机械手的国内外发展与研究现状 机械手是一种典型的机电一体化装置 它不仅运用了微电子与计算机技术 精密机 械技术 自动控制技术和传感器技术 还运用了信息处理技术及人工智能等综合了多学 科的研究成果 随着社会各行业领域对自动化程度要求的提高 也促进了机械手向各个 方向的多元化发展 机械手最早起源于美国 1 9 5 8 年美国联合控股公司研制出了第一台在手臂端部具有 抓取和释放功能的示教型机械手 四年后该公司又在原方案的基础上研制出了一台由液 压驱动并能够实现回转伸缩及俯仰运动功能的球坐标示教再现型机械手 同年 美国机 械铸造公司也研制出了一台与美国联合控股公司具有相同功能的v e r s a t r a n 机械手 1 9 7 8 年美国斯坦福大学 麻省理工学院和u n i m a t e 公司一起研制开发出了一种定位误差小于 士1 毫米的 运行由小型计算机控制的 用于装配作业的u n i m a t i o n v i c a r m 型工业机械 手 美国作为在机械手领域中的领跑者 十分注意机械手使用可靠性的提高 不断地通 过建立各种机械手实验平台进行性能实验 来改进机械手的结构并降低成本 4 1 9 7 0 年 德国机器制造业开始在起重运输 焊接和机床上下料等作业领域使用机械手 德国k n k a 公司生产了一种采用关节结构和程序控制的点焊机械手 日本在1 9 6 9 年也从美国引进 了两种典型的机械手 之后开始大力从事机械手技术方面的研究 该国在机械手技术上 的发展最为迅速 已经成为世界上机械手产量最多的国家 苏联从上世纪六十年代开始 发展机械手 主要应用在机械化自动化程度较低的对人类有害的辅助性工作的领域 我 国对机械手的研究开始于上世纪7 0 年代 目前我国已经开发了具有喷漆 点焊 弧焊 装配和搬运等功能的机械手 但是与国外的机械手相比 可靠性还有待提高 近年来 随着人类活动领域向社会服务 地下采矿 军事作战 宇宙太空 深海开 发和原子物理等领域的蔓延和诸如微电子技术 传感器技术等高新技术的交叉融合 具 有高精度高智能的专用机械手开始不断的被开发出来 在社会服务领域中的食品医药行业 机械手被广泛用来帮助人类进行抓取分拣包装 等重复性操作 来降低工人劳动强度 如1 9 8 5 年c l a v e l 博士开发的具有外转动副驱动 和平行四边形支链结构的d e l t a 4 机械手 见图1 1 能实现末端执行器的高速三维平 动和三自由度转动 5 8 之后 瑞士的s i g 9 公司和d e m a u r e x 公司又在先前机械手的基 础之上 开发了采用外加移动副驱动的c 2 3 c 3 3 和c e 3 3 见图1 2 型机械手 有效 解决了重力平衡问题 适用于不同的工作空间 这种高速的并联机械手很好的帮助人类 完成了大强度的重复性工作 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1d e l t a 机构图 f i g 1 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fd e l t a 图1 2 c e 3 3 机械手 f i 9 1 2t h em a n i p u l a t o ro f c e 3 3 在核工业原子物理领域 在核电站进行大修的过程中 需要对位于高辐射区域的核 装置中的蒸汽发生器进行检修 因此为了避免遭到辐射并保证检修工作人员的人身安 全 对核装置的维护和修理 就需要专用的机械手来完成 在1 9 8 9 年美国的先进核工 业公司就研制了一台专用于蒸汽发生器检修的c o b r a 机械手 1 0 见图1 3 图1 3c o b r a 机械手 f i g1 3t h em a n i p u l a t o ro fc o b r a 法国的f r a m a t o m e 公司也研制了一台a r m i sr o b o t 蒸汽发生器检修机械手 其具有 可视主从模式 步进模式等多种控制模式 其安装示意图和工作状态图见图1 4 和图1 5 美国的z e t c e 公司研制了一台z r 1 蒸汽发生器检修机械手 其机械部分由导轨 桅杆 和手臂三部分组成 可实现较高的重复定位精度 1 1 根据我国核电站的特点 我国也研 制了一台核反应堆蒸汽发生器的检测维修作业机械手 1 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 溺 l 氧掣逶登篓 囊l 一 溉豢瓣 图1 4a r m i sr o b o t 机械手安装示意图 f i g 1 4t h ei n s t a l l a t i o nd i a g r a mo f a r m i sr o b o t 图1 5a r m i sr o b o t 机械手工作图 f i 9 1 5t h ew o r k i n gd i a g r a mo f a r m i sr o b o t 我国在进入9 0 年代后 也开始了对非制造领域下机械手的研究 如在农业领域 西北农林大学对苹果采摘机械手进行了研究 l3 东北林业大学研制了一台采摘林木球果 的机械手 1 4 在反恐领域 中国科学院沈阳自动化研究所研制了一台排爆机械手 15 在 深海领域 中国船舶工业总公司研制开发的8 a 4 水下机器人也配备了多功能锚定机械手 和6 功能作业机械手 1 6 1 在洁净精密装校领域 重庆大学的谢志江教授也研制出了一套 在百级环境下具有光学模块精密装校功能的机械手 1 1 8 近年来 随着我国超强计算机 技术 传感器技术 航空航天技术等高技术的发展 我国在太空领域也取得了飞跃 在 航空航天领域所需要的专用操作机械手也得到了发展 综合国内外对专用操作机械手的研究情况 目前对机械手的设计研究主要集中在以 下几个方面 第一 机械手的机构设计 在机构方面 结合机械手具体的应用领域 根据机械手 的流程分析和功能分析 对机械手机构进行创新性的结构设计和硬件选型 使其具有较 强的适应能力和较高的工作效率 第二 工作空间分析和轨迹规划 研究机械手的工作空间来分析机械手的工作能力 能否满足工作要求 从全局路径规划技术和局部规划技术出发 为机械手寻找最佳的工 作路径 第三 机械手的运动控制 能够对机械手的每个自由度进行稳定的控制 使其完成 规定的动作 并能根据运动学模型和动力学模型建立反馈控制 第四 多传感器技术和信息融合 采用多个传感器可以为机械手控制提供统一环境 的特征冗余信息 实现互补 更好的实现对周围环境的识别 第五 机器视觉 根据涉及到的视觉信息的实时采集 处理分析 特征提取以及模 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式识别来决定机械手整体性能 1 2 2 真空专用机械手的国内外发展和研究状况 随着对机械手研究的深入 在特定高真空环境领域中使用的操作机械手的研究也得 到了进一步发展 在国外 r o c h e s t e r 大学l l e 球形实验室 l9 研制出了一种能用于o m e g a 装置的定位机械手 该机械手可实现3 个精密小行程平动 1 个自由转动运动和1 个大范围平动运动 同时还有两个可选的转动自由度模块 美国的l i v e r m o r e 球形实验 宰 l l n l 0 e 2 0 设计了一种用于国家点火装置的靶定位机械手装置 其具有3 个平动自由 度和2 个回转自由度 这些靶支撑定位机械手装置一般有5 到7 个自由度 结构大多采 用了串联式结构 这会造成运动过程中的误差积累 在2 0 0 1 年 美国的国家点火装置 相关的实验室也研制了一套长度在1 0 米左右的搭载平台用来搭载各种诊断设备 见图1 6 其搭载小车长达3 米 具有指向调节功能和径向调节功能 能实现高精度的定位和 复位功能 2 1 1 图1 6 n i f 搭载平台 f i 9 1 6t h ep r o t o t y p ed i mo f n i f 目前 国内应用于高真空领域中的专用机械手还处于起步阶段 阮丽江 2 2 等人设计 了一台在真空环境下使用的具有4 个精密小行程平动自由度和1 个转动自由度的五自由 度模拟靶定位工件台 哈尔滨工业大学的孙立宁 刘彦武 2 3 设计了一套高真空环境下的 新型多自由度靶支撑定位装置 将并联结构引入靶支撑定位 用6 自由度并联机器人实 现靶的6 维精密定位 结构见图1 7 华中科技大学 2 4 的汪威 史铁林等人设计了一个 在水平方向使用的用于惯性约束核聚变诊断设备定位与对准的搭载平台 同济大学的刘 海江 刘云州 2 5 j 等人也对诊断设备搭载平台的调整机构做了研究 中国工程物理研究院 的杨正华研制了一台应用于某主机装置的诊断搭载平台 26 结构见图1 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 7 六自由度支撑定位机械手 f i 9 1 76d o fp r e c i s i o np a r a l l e lm a n i p u l a t o r 图1 8 通用诊断搭载平台 f i 9 1 8g e n e r a ld i a g n o s t i ci n s t r u m e n tm a n i p u l a t o r 1 3 课题背景及研究意义 在进行高温等离子体物理诊断实验时 需要通过利用c c d 相机记录物理试验过程 从而进行认真分析研究 对等离子体高分辨 高灵敏 大波段的精确测量与图谱学分析 将对新能源的研究具有重要意义 目前 用于诊断高温等离子体的设备主要有五通道晶 体谱仪 光栅谱仪 椭圆晶体谱仪等 随着对等离子体精密物理诊断实验研究的深入 诊断设备在形状尺寸方面已经不能满足新的实验平台的需要 这就要求相应的物理诊断 系统也要不断的被研制以满足新的实验平台 为了满足这些诊断设备的使用条件 需要 在不破坏实验室高真空环境的前提下 对诊断设备进行更换 保养与维护 这就需要一 种通用的 具有精密调节和精确定位功能的机械手装置来实现对诊断设备的操作 本课题来源于某工程装置实际应用中的一种专用操作机械手 机械手应用在直径为 6 米的高真空球形实验室倾斜位置的法兰上 诊断设备工作面到球形实验室中心的距离 在几十毫米到几百毫米 而法兰安装面到球形实验室中心的距离为3 米左右 同时需对 球形实验室中心进行高精度瞄准 此时诊断设备已经不具备直接安装在法兰上对等离子 体进行诊断 这就需要一种机械手装置可以将诊断设备安全的送入到球形实验室内所须 位置 并能被收回 而且能保证诊断设备与处于实验室中心位置的实际目标点之间的精 确定位 由于球形实验室真空机组要经过较长时间才能使球形实验室达到高真空的实验 要求 为了满足诊断设备在工作时不浪费过多时间 需要机械手具备独立的产生和释放 真空的功能 考虑到球形实验室所处空间 机械手只能完全通过自身结构来支撑 这就对机械手 整体外形尺寸重量有必要的约束条件 由于诊断设备种类繁多 且结构外形尺寸重量千 差万别 需要对诊断设备与机械手的接口进行归一化设计 这样可减少诊断设备夹具的 种类和数量 通过对机械手混联调节机构的设计和理论分析 证明了调节机构实际应用 的可行性 本论文的研究为机械手下一阶段的结构优化 控制系统的实施和实际加工制 造装配提供了技术基础 通过对机械手的设计研究 对高温等离子体诊断的进一步研究 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 具有非常重要的现实意义 1 4 论文研究内容 本文以机械手为研究对象 对其机械手工作系统进行了全面的流程分析 功能分析 和关键技术分析后 运用机械设计知识和机器人理论从机构学角度对其进行了总体结构 设计 重点对影响机械手使用环境的真空系统的关键技术进行设计分析和计算校核 由 于机械手工作时 外管内部为高真空 其在大气环境下将承受巨大的大气压力 故对定 位精度影响的关键部分进行结构静力分析和结构模态分析以保证机械手的定位精度 并 就机械手的混联调节机构进行了工作空间分析 具体工作如下 首先说明了课题的背景以及课题研究的目的和意义 分析了国内外在特殊领域使用 的专用操作机械手的研究现状 概述了本论文的研究内容和主要工作 介绍了机械手的工作环境 运用系统化设计方法对机械手进行了全面的流程分析 功能分析 功能分解 归纳总结出了机械手应具有的功能 通过对机械手功能的细化 分类和组合 确定了机械手结构的组成 针对机械手的结构组成对机械手的各子系统进 行了详细设计 简要概述了机械手所涉及的真空技术基础 对机械手真空系统进行了整体详细设 计 根据真空室的设计 一真空密封的设计 真空泵组系统的设计对真空系统参数抽气时 间以及漏气率进行理论上的计算分析 对有限元分析法和a n s y sw o r k b e n c h l 2 0 软件做了简要介绍 运用p r o e 5 0 和a n s y s w o r k b e n c h l 2 0 软件联合建立真空室组件的有限元模型 通过施加实际载荷约束对真空 室组件进行结构静力分析 并对得到的应力应变结果进行分析 对真空室组件进行了预 应力模态分析 获得了真空室组件的前1 0 阶模态及振型图 然后对每阶的振型和固有 频率数据进行分析 对机械手混联机构的工作空间定义和影响因素进行了描述和分析 工作空间作为机 械手混联机构性能的体现 为了能使机械手适应不同安装位置的工作能力并且不与其它 同时在线使用的设备相干涉 对机械手混联机构进行了位置分析并通过计算机仿真 求 出了其工作空间 最后 对本论文的研究内容进行总结 并对以后的研究方向进行展望 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 2 机械手机械结构的设计研究 本论文中的机械手主要应用于真空物理环境下物理实验装置中对等离子体诊断设 备的搭载调节定位 为了便于描述 将机械手的运动坐标系定义如下 z 轴方向是球形实验室从法兰中 心指向球心方向 y 轴方向竖直向上的方向 x 轴方向符合右手法则 垂直于y 轴和z 轴 a 是绕x 轴的转角方向 b 是绕y 轴的转角方向 0 是绕z 轴的转角方向 2 1 系统概述 在对高温等离子体的诊断实验中 为了便于球形实验室内的诊断设备的维修和保 养 这就需要一种装置来实现将诊断设备送进实验室 并能收回的功能 机械手是一种 能满足多种不同诊断设备安装和调节需要的机械操作手 能精确的将诊断设备送到球形 靶室的指定位置 并完成诊断设备的姿态调整 能在不破坏球形实验室高真空的条件下 方便可靠的更换诊断设备 以满足精密物理诊断实验的需要 操作机械手是一种可安装在球形实验室各个方位的具有相同尺寸接口和距离实验 室中心不同距离的圆形法兰上的混联调节机构 诊断设备可通过搭载小车从真空室后门 安装到机械手的第二级伸缩机构上 通过机械手的两级伸缩机构 来将诊断设备送入到 球形实验室的理想位置 并通过指向调节机构来调节诊断设备的位置和姿态 机械手为 诊断设备提供一套标准的公用设施 包括电源 冷却管 光纤和电缆等 这些公用设 施被柔性的连接在搭载小车的后部 来满足诊断设备在真空环境下的运行 诊断设备操作机械手是一个将移动和转动结合起来的精密可调的三维混联运动系 统 其中一维是两个精密移动副串联组成的两级伸缩机构 二维是由空间两自由度并联 机构组成的指向调节机构 两级伸缩机构为搭载小车在伸缩筒内的直线运动和伸缩筒在 真空外管组件内的直线运动 两者分别在真空步进电机和伺服电机的驱动下来实现径向 的精确位置控制 指向调节由万向节和两电动推杆的行程配合来实现指向的精确位置控 制 2 2 机械手机械结构组成 2 2 1 机械手工作流程分析 本课题中所涉及的诊断设备种类繁多 外形 尺寸 重量各不相同 特别是各诊断 设备功能使用要求和在球形实验室上的位置也各不相同 使用环境相当复杂 因此要准 确无误地完成所有诊断设备的安装调节过程 需要一个完善的机械手 根据诊断设备的 使用要求 将机械手系统的工作流程分为离线标定和在线复位两部分 机械手系统的工 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 作流程图如图2 1 所示 准备洞实验问 图2 1 系统的工作流程图 f i 9 2 1t h ef l o wd i a g r a mo ft h es y s t e m 从机械手系统的工作流程图可以看出其工作流程主要分为两个阶段 第一阶段在准备间内的离线标定 需要将瞄准系统安装于诊断设备前端 根据诊断 设备与模拟目标点的相对位置 由双目成像原理手动调节瞄准系统以确保瞄准系统精确 指向模拟目标点并锁定瞄准系统调节机构 然后将标定好的诊断设备通过转运小车转运 到球形实验室所在实验间内 第二阶段在实验间内 关闭机械手真空系统中的闸板阀 并通过手动放气阀使真空 室内气压与外界大气压平衡 打开后门 取出诊断小车 将离线标定好的诊断设备安装 固定在搭载小车上 然后随小车一起安装在第二级伸缩机构上 连接好诊断设备正常工 作时所需要的各种线缆和管道 关闭机械手的后门 检查密封状况 完毕后用真空管道 将机械手抽气口与真空机组相连 启动真空机组 对机械手的真空室进行抽真空 真空 机组的真空计实时显示真空室内的真空度 待显示屏显示达到5 1 0 3 p a 后 开启闸板阀 在线复位 通过两级径向伸缩机构和光栅尺来实现诊断设备的z 向移动 将诊断设备精 确定位于径向指定位置 同时 利用指向调节机构和瞄准系统实现诊断设备绕万向节两 转轴的转动 使模拟目标点和真实目标点重合 诊断设备达到工作要求后进行诊断实验 若需更换球形实验室内的诊断设备或对诊断设备进行维护 则收回诊断设备和伸缩 内管到真空室内 关闭闸板阀 释放真空 打开后门 进行维护或更换 完成后 重复 9 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 以上所描述步骤即可 2 2 2 机械手功能分析 在明确机械手系统设计任务的基础上 根据机械手系统的设计要求和设计原则 采 用系统化设计分析方法 对机械手系统的功能进行细化 分类和组合 并对其组合进行 优化 再根据优化后的不同的组合将机械手系统分成不同的功能组件 对整个系统的精 密调节使用流程进行全面分析 分解得到各基本功能组件 不同组件实现机械手系统的 不同功能要求 从而使机械手系统能够满足诊断设备的使用要求 通过分析得到机械手 系统的功能分解如图2 2 所示 匝巨巫巨巫 j 世童 r 醚i 圣芷重 1 磕 儡舯 1 勰 t c 措飘 l 睾班什 一大视场褪瞧系统 一 一离线标定h 横织目标定位一 l i m 毒2 l 尘叁趟 崔 二去 l m 些厶幽兰啦 j 岁址 7 j 伍明佣雕承矾i 仉弛硼 莓鬲孤 操 一豳像处理系统 一 作 l 真空室一机 一狻 齄 l 真空泵组系统 一空泵 系统一 真空系统 械 手 1z 乃网运动 1 砼网碉币季 嗣一 一在线复位h 姿态调整 一矗方淘运动 一湿联机构 一蠡方向运动一i 指湖节祝h 盔i 翻 融黹j 叁出i i 董综 一 镊i q 珊i 拦剜撩现 j3 薯口 t b i f l 如 一j i 蛙 p r b 管 6 噎 控制系统 地1 熏 x i l 0 i 嗣l q 髑l 描l l 历孤一 七一毒d 二1 囊r 壬n 二一线剜玎导掣k 一 图系统功能分解图 f i 2 2 3 机械手总体结构组成 根据机器人的组成和对机械手的功能分析分解 得出了机械手系统主要是由混联调 节机构 视觉瞄准系统 真空系统 控制系统 搭载小车组件五大部分组成 机械手的 总体结构组成图 如图2 3 所示 1 0 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 图2 3 机械手主体结构组成图 f i 薛 3t h es t r u c t u r eo ft h em a n i p u l a t o r 从图中可看出 外管 指向调节机构 两级伸缩机构 搭载小车 后门和瞄准系统 等部件是构成机械手的主体结构的重要部分 主要实现诊断设备在离线调整和在线复位 时的定位和位姿调整 2 2 4 设计要求和技术指标 x 向定位精度 士2 5 1 x m y 向定位精度 2 5 1 x m z 向定位精度 2 5 0 i t m 指向角度调节范围 士2 0 整体漏率 1x 1 0 p a m 3 s 2 3 混联调节机构的设计 用于诊断等离子体的小型诊断设备的重量一般小于等于3 0 千克 横截面直径小于等 于2 0 0 毫米 长度小于等于1 米 为了满足机械手在不破坏球形实验室真空环境的条件 下完成诊断设备的维护和更换及总体尺寸的要求 机械手需要具备径向调节和指向调节 的功能 考虑到球形实验室所处复杂环境 采用将移动副和转动副相结合的空间三自由 度混联机构来实现诊断设备的径向伸缩调节和指向调节功能 混联机构是将一个操作机 构的任务分为定位和定向两个部分 每个部分承担相应的任务 因此将操作机械手的调 节部分的任务分为径向定位调整和指向定向调整两个部分 径向定位调整由两级伸缩机 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 构串联的精密移动副完成 指向定向调整由空间二自由度精密并联机构完成 2 3 1 两级伸缩机构 为了满足机械手在不破坏球形实验室真空环境的条件下完成诊断设备的维护和更 换 机械手径向递送诊断设备的动作由两级伸缩机构实现 两级伸缩机构可大大降低机 械手的总体重量和总体长度 并能使诊断设备的拆卸方便 第一级伸缩机构主要由外管 伸缩管 传动部分等组成 传动部分主要由伺服电机 同步带传动机构 磁力联轴器 精密滚珠螺纹副 导轨副组成 通过伺服电机驱动同步 带传动机构的转动 进而驱动精密滚珠丝杠来实现伸缩内管相对于外管沿z 向的移动 结构见图2 4 图2 4 第一级伸缩机构结构组成图 f i 9 2 4t h es t r u c t u r eo ft h ef i r s tl e v e lt e l e s c o p i ci n s t i t u t i o n s 安装在外管内腔底面的高精度导轨和安装在内管外壁滑块配合形成导轨副 确定第 一级伸缩机构的导向精度 安装在外管内腔底面的丝杠和安装在伸缩内管上的滚珠螺母 构成了精密螺旋副 确定了第一级伸缩机构z 向的移动 当伺服电机工作时 伺服电机 带动小带轮转动 通过同步带将动力传递给大带轮 大带轮带动磁力联轴器旋转 进而 驱动滚珠丝杠旋转 通过与伸缩内管相连的螺母来将旋转运动转变为轴向移动来实现伸 缩内管的移动 丝杠螺母安装架上装有光栅读数头 可实现一级伸缩的闭环检测 外管 为诊断设备进出球形实验室的腔体 同时为整个机械手主体机构提供支撑 外管前端与 万向节相连 后端为诊断设备进出的后门 其上有观察窗 外管两侧四个侧窗便于安装 检测诊断设备 诊断设备所需的水电气管由外管底部引入 外管由外上管 外下管先进 1 2 重庆大学硕士学位论文2 机械手机械结构的设计研究 行粗加工 采用满焊后经时效处理后再精加工 不仅提高了外管的密封性 还可提高导 轨 丝杠安装面的精度 避免了前后分体装配时装调费时费工 第一级伸缩机构采用伺 服电机输出扭矩 经过同步带减速增扭 磁力联轴器 精密滚珠丝杠传动 直线导轨导 向 光栅尺闭环控制 带动内伸缩管作径向运动 第一级行程为1 9 0 0 m m 精密滚珠丝 杠导程为6 m m 同步带减速比为2 0 1 6 1 2 5 何服电机采用1 7 位编码器控制 每个脉 冲当量一级伸缩机构z 向理论移动量为 6 x 1 6 2 0 1 3 1 0 7 2 0 0 3 6 6 z m 式2 1 研磨级滚珠丝杠精度为8 9 m 3 0 0 m m 直线导轨的精密级行走精度为8 5 9 m 满足精度要 求 第二级伸缩机构由伸缩内管 搭载小车 真空电机 减速器 齿轮齿条副 光栅尺 等组成 安装于搭载小车上的真空电机旋转 经齿轮箱的涡轮蜗杆增扭转向 将动力传 至齿轮 它与安装于伸缩内管上的齿条啮合 从而实现搭载小车相对于伸缩内管的二级 径向 z 向 移动 结构见图2 5 图2 5 第二级伸缩结构组成图 f i 9 2 5t h es t r u c t u r eo ft h es e c o n