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码垛 机器人 设计

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码垛机器人设计,码垛,机器人,设计

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四川大学锦江学院毕业论文（设计）工业机器人手部三指抓取的结构设计机械设计及其自动化学生 指导教师 【摘要】:随着工业的大规模的发展，越来越多工业机器人操作手应用于各个场所并逐渐受到各国开发者关注和重视。而最后执行者作为机器人于环境互相作用的机械指已经被提到了新的高度，文中简要介绍机械抓取机构的概念，机械抓取机构的组成与分类国内外的发展状况及发展前景。调研现有工业机器抓取机构工作原理和结构设计提出工业机器人三指抓取机构的结构原理，然后将任务要求和对象物体的几何物理特性以及环境信息综合起来考虑，经过分析建立于东学的模型，仿真各个手指在抓取时的运动姿态，同时完成分析在静平衡状态下手指和外界环境之间的作用力。并将抓取的姿态推理出来，同时寻找抓取物体特征平面，确定出所需要抓取的平面，再在抓取的平面上进一步规划出三个抓取点，并最终完成抓取结构设计。【关键词】 工业机器人 三指抓取机构 结构设计 Industrial robot manipulators three fingers grab the institutional structure design【Abstract】With the large-scale industrial development, more and more industrial robot manipulators used in various places, and gradually by the concern and attention of the Inter-developer. Mechanical means as robots interact with the environment the final implementation, has been referred to a new level. The paper briefly introduces the mechanical grab the concept of the composition and classification of mechanical grab institutions, the industrial robot refers to crawl the principle of the structure. And comprehensive task requirements and object geometrical physical characteristics, and environmental information into consideration to establish the kinematics of the model through the analysis, simulation of individual fingers crawl athletic stance, and finger to complete the analysis in the static equilibrium state and the external environment between the forces. Attitude reasoning and crawl out and grab objects by looking for characteristic plane, identified the need to capture the plane 3 crawl further planning, and then grab the plane, and the final completion of the crawl structure design.【Key words】 Industrial robots Three fingers grab the institutional Structure design目 录绪论.1.前言 1.1机械手概述. 1.2机械手的组成和分类. 1.2.1机械手的组成 1.2.2机械手的分类2.机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度 2.2机械手的手部结构方案设计 2.3机械手的手臂结构方案设计 2.4机械手的手臂结构方案设计 2.5机械手的驱动方案设计 2.6机械手的控制方案设计 2.7机械手的主要参数 2.8机械手的技术参数列表3.手部结构设计 3.1夹持式手部结构 3.1.1手指的形状和分类 3.1.2设计时考虑的几个问题 3.1.3动力设计4.手臂伸缩的尺寸设计与校核 4.1手臂伸缩结构的尺寸设计与校核 4.1.1手臂尺寸 4.2 尺寸校核 4.3 尺寸校核5.结论致谢参考文献专业相关的资料绪论1.前言1.1机械手概述：机械手是可以模仿人手和臂的某些动作和功能的，常常用在按固定顺序抓取、搬运物件或操作难度大的工具的自动操作装置。工业机械手是最早出现的工业使用中的也是最早出现的现代机器人，可代帮助我们做的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，而且能在有害环境下，操作避免人去操作降低危险，所以广泛应用于机械制造冶金，工业操作，电子轻工与原子能等部门。现今的生活上,在科技日新月益的进展之之下,工业机械人手与有人类的手主要区别就在于灵活度和耐力度。也就是机械手的最大优势能可以重复的做同一动作，在机械正常工作下永远也不会觉得累！机械手的使用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，机械手的工作的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手成了机器人的一个重要分支。按驱动方式来划分，机械手可分为气动式、液压式、机械式与电动式。特点就是可以通过软件编程来完成各种所需的作业，构造和性能上兼有人和工业机械手机器各自的优点.1.2机械手的组成和分类1.2.1.机械手的组成机械手主要由驱动系统、执行机构与控制系统以及位置检测装置等所组成。主要结构如图所以框图2-1所示。 图1-1机械手组成方框图:1-1执行机构：包括手臂、手部、手臂和立柱等主要部件。1手部: 三指可更换设计，其中包括了手指，手指拉杆34 手指固定套33 拉杆转接件31，运动原理是拉杆转接件与拉杆和电机分别固定，通过丝杆电机带动拉杆水平运动来到达三只手指的张合左右。图1-2对物体接触的部分不同形状的物体接触的报道，夹型吸附式的手分开这个项目，夹型结构可以用手把手的类型的手指和手和力量的传动机构构成手指对象物直接接触的部件，旋转和平移动型一般能用手指的活动而形成的旋转手指的构造简单，容易制作的，所以广泛适用的翻译很少使用，其理由是复杂，不过，翻译型圆形部分工作夹具直径的变化，其轴方向的位置，所以不影响工作夹具径范围颇适合的手指的构造把握物体的出现而被逮捕的部分，概略或重量和大小的孔和对象一般形成的v形状和表面的平面：手指夹紧支持和内部示手指，双鳍加型和双重手指手指型等为目的的任务完毕为了夹具夹紧力发生通过传动机构力传动机构的种类比一般用来：滑动杠杆，连接杆，杆式，伞齿轮齿条型等等2手肘:图1-3手肘的作用是连接手部和手臂的模块，并用来调整被抓取物件的角度即姿势的作用。3手臂:图1-4机械手支持的重要部分的物体手臂，手，手臂是最重要的之一，是物体把持的手指的驱动，把东西从一个地方搬到另一个地方”，通常缸，汽缸的手臂的可动部驱动，连接杆支架齿轮，螺丝机构、凸轮机构和油压等驱动源，空气或电动马达臂的运动的多样性，实现调整。4立柱:立柱是支承手臂的部件之一，立柱是机械手臂的一部分，手臂回转运动和上下或左右运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5机座: 机座是机械手的底部基础局部，工业机械手区执行机构的各部件域控制模块均装置于机座上故起支撑和连接的作用。二驱动系统控制系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有气压传动、液压传动与机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的工作要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由顺序电气定位和控制系统或机械挡块定位系统组成。控制系统有电气控制与射流控制两种，支配着机械手按指定的顺序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息如运动轨迹、动作顺序、运动速度及时间同时按其控制系统的信息对执行机构发出命令，必要时可对机械手的动作进行监控，当动作有发生故障与错误时即发出报警信号。1.2.2.机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类规范，此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。一、按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、 专用机械手 附属于主机的具有固定顺序而且无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有工作对象单一、动作少、结构简单、和造价低等特点使用可靠，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，自动线的上、如自动机床、下料机械手和加工中心。2、通用机械手一种具有独立控制的顺序可变的动作灵活多样的机械手。驱动系统和控制系统是独立的通用机械手的工作范围大、通用性强、定位精度高，适用于不时变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为伺服型与简易型两种:2、 按驱动方式分1液压传动机械手以液压压力去驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、动作灵敏、结构紧凑、传动平稳。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，、且低温下工作与高温不宜工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，就能实现连续轨迹控制，使工业机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造要求精度高，油液过滤要求严格。2气压传动机械手以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是: 输出力小，介质李源极为方便，结构简单气动动作迅速，但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，气压压力较低，抓重一般在30公斤以下，同样抓重条件下它相比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3机械传动机械手即由机械传动机构如连杆、凸轮、齿条齿轮和、间歇机构等驱动的机械手。一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传送的主要特点是运动准确可靠，用于工作主要用在的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作顺序一般不可变。4电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、功率步进电机或者直线电机或直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中的直线电机机械手的运动速度快与行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。三、按控制方式分 1.点位控制运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点，不能控制其运动轨迹。如果要控制的点数多，就要肯定增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2.连续轨迹控制机械手运动轨迹为空间的任意连续曲线，他的特点是设定点可以无限的整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。2. 机械手的设计方案对电动机械手的基本要求可以快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它具快速反应、有高精度、需要一定的承载能力、灵活的自由度与足够的工作空间及在任意位置都能自动定位等特性。设计电动工业机械手的原则是:充分分析作业对象工件作业技术要求，拟定最合理的作业工艺和工序，而且满足功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取或者搬运时的尺寸，受力特性、和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的规范组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是电机工业机械手，是适合于成批或中、小批生产的可以改变动作顺序的自动搬运或操作设备，劳动强度大和操作单调。2.1机械手的坐标型式与自由度按工业机械手手臂的不同运动形式和组合情况，其坐标型式可分为圆柱坐标式、直角坐标式、关节式与球坐标式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，所以，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的不足之处，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。机械手的运动示意图图2-12.2机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把工业机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件变成棒料时，就可以换成夹持式手部使用;图2-22.3.机械手的手臂结构方案设计我们考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置的关系，因此手臂必需设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手臂我们设计成回转结构，实现手臂回转运动的机构为回转的功能。图2-32.4.机械手的手臂结构方案设计依照抓取工件的要求，本工业机械手的手臂要有三个自由度，即左右回转手臂的伸缩和降或俯仰运动。手臂的回转和升降运动是通过模拟人的手臂通过3个轴的旋转来实现的图2-42.5.机械手的驱动方案设计由于电动传动系统的反应灵敏，动作迅速和泄漏较小阻力损失，简单，装置和维修简单利廉因此本机械手采用电动传动方式来传动。2.6.机械手的控制方案设计我们考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，所以我采用可编程序控制器PLC对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC顺序即可实现，非常方便快捷。2.7.机械手的主要参数1.工业机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是我们用电动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，我们查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，所以本设计设计抓取的工件质量为6公斤。2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。机械手动作停止过程的加、时有启动、减速度存在用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢关系更为符合速度特性。除了运动速度之外，手臂设计的基本参数还要考虑伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。太大的伸缩行程和工作半径，肯定会带来偏重力矩增大而刚性降低。这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩最大工作半径约为1900定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为2MM。2.8. 机械手的技术参数列表一、用途:用于自动输送线的上下料。二、设计技术参数:1、抓重:2、自由度数:5个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1800mm6、手臂运动参数: 伸缩行程900mm伸缩速度90/s升降行程900mm回转范围0到150回转速度 7、手肘运动参数: 回转范围 0到270回转速度8、底盘运动参数：回转范围 0到270 回转速度90/s9、定位方式:行程开关或可调机械挡块等 10、定位精度: 11、驱动方式:电动传动 12、控制方式:图2-53. 手部结构设计为了使机械手的通用性更强，我们把机械手的手部结构设计成了可以更换结构，当工件是棒料时，我就使用夹持式手部:如果有实际需要，我们还可以换成气压吸盘式结构，3.1机器人手部结构夹持式手部结构由手指或手爪和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式与斜楔杠杆式等图3-13.1.1手部概述1.手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。 2. 手部操作图例3. 手部组成：机身.手部.手臂（含手腕）、。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。4. 手部的设计要求：4.1具有足够的夹持力。4.2保证适当的夹持精度：手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。4.3考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度：主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。4.4.智能化手部还应配有相应的传感器：由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等。5.手指的分类夹持式是一种最常见的方式，其中常用的有多指式与两指式、和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式与内涨式和外夹式两种方式:按模仿人手手指的动作，手指可分为一是回转型，二是回转型和移动型或称直进型其中以二回转型为基本型式。当二回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一回转型手指;同理，当点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，制造容易，应用广泛结构简单，。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。如下图为会转型：如下图为平动型：如图为平移型图例6.经典结构6.1机械式手爪结构：气动驱动手爪：气缸驱动活塞平移齿条移动扇形齿轮摆动连杆机构摆动手爪平动如下图喂气动手爪图例：其它四种机械式手爪机构： 7.手部应用实例 7.1平行指手爪机构：工作原理： 回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。7.2设有检测开关的手爪装置：工作原理： 手爪装有限位开关5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的过程中，限位开关检测手爪与工件的相对位置。当工件接触限位开关时发信号，汽缸通过连杆3驱动指爪夹紧工件。3.1.2设计时考虑的几个问题一.具有足够的握力即夹紧力我确定手指的握力时，考虑工件重量外，我们还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，确保证工件不致发生松动和脱落。二.手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度我们称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入与脱开，若夹持不同直径的工件，我们要按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。三.保证工件准确定位我们为使手指和被夹持工件保持准确的位置，所以必需根据被抓取工件的形状，选择相应对应手指形状。例如圆柱形工件采用带“V形面的手指，以便自动定心。四.具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，所以要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自身重轻，并使手部的中心在手臂的回转轴线上，确保使手臂的扭转力矩最小为佳。五.考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过对比采用的机械手的手部结构是一支点三指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成凹型，其结构如附图所示。3.1.3动力设计1.手部驱动力计算本课题电机机械手的手部结构如图3-2所示图3-2其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以(3)实际驱动力: 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 所以夹持工件时所需夹紧电机驱动力要达到为。4.1手臂伸缩结构的尺寸设计与校核4.1.1手臂尺寸 手臂伸缩为900mms所用电机为 90TDY060-3A:最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为3600mN.m 自重3.2kg 转轴转动范围为270，设计思路在0到270的2边各安装一个行程开关，或者红外传感器。4.2.2 尺寸校核长度设计为=900mm, 电机功率：P=1.732UIcos电机转矩：T=9549P/n ； 电机功率 转矩=9550*输出功率/输出转速 转矩=9550*输出功率/输出转速P = T*n/9550公式推导电机功率，转矩，转速的关系功率=力*速度P=F*V-公式1转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R -公式21测定手腕质量为10kg,则重力 1， 设计加速度，则惯性力 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。4.3.2 尺寸校核1我们测定参和手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数, 总驱动力矩 设计尺寸满足使用要求。致谢通过对这次设计，让我对工业机器人有了感性的认识，同时也对国内外的工业机器人的发展有所了解了。根据国内外机器人与机械手发展的经验、现状及近几年的动态，也结合当前国内经济发展的具体情况，机器人技术重点应在开展智能机器人、机器人化及其相当技术的开发及应用。经过努力，国已研制了许多示教再现型工业机器人以及焊接、喷涂装配等机器人。而国外，工业机器人的发展更迅速，让机器人化机械已经兴起。通过这次设计，让我综合运用机械设计的理论与实际知识，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学的知识得到深化和扩展，进一步巩固、；通过设计，让我掌握机械设计的一般规律，树立了正确的设计思想，培养独立分析和解决实际问题的能力；让我学会从机器功能的要求动身，合理选择传动机构类型，制定设计方案，如何正确计算零件的工作能力，确定它形状、尺寸、结构及材料，并考虑制造工艺、维护、使用、经济与平安等问题，培养独立设计能力。当然在设计过程中，也碰到许多问题。老师的指导和一些同学的协助下，也尽自己的努力去克服困难，最后顺利地完成了整个设计。由于本人缺乏经验及水平有限，但是设计仍存在一些问题，如机器人的动力学分析以及缺少机器人的动作模拟仿真等等，希望老师给予指正。参考文献1.孙桓 等主编.机械原理第六版.高等教育出版社，20012.马香峰 主编.工业机器人的操作机设计.冶金工业出版社,19963.宗光华 张慧慧译.机器人设计与控制.科学出版社20044.郑笑级 工业机器人技术及应用M.北京：煤炭工业出版社，20045.刘庆国，刘力编著计算机绘图高等教育出版社，20036.濮良贵主编，机械设计（第八版）.高等教育出版社，20067.马香峰等编著，工业机械手的操作机设计.冶金工业出版，19958.日本机器人学会编，机器人技术手册.科学出版社，19969.付京逊、CSG李 编，机器人学.中国科学技术出版社，198910.张建民主编，工业机器人.北京理工大学出版社，198711.俄IOM索尔编，工业机器人图册.机械工业出版社，199112.RomdhanLDesignandanalysiofahybridserial-parallelmanipul199971019.熊有伦.机器人学M.北京:机械工业出版社,1993.13.JohnJCraig著.机器人学导论原书第3版M.贠超等译北京:机械工业出版社,2006.14.宋伟刚机器人机械系统原理、理论方法和算法M沈阳：东北大学出版社，2001分 类 号 密 级 宁毕业设计(论文)码垛机器人设计所在学院机械与电气工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级11机自x班姓 名学 号指导老师 2015 年 3 月 31 日摘 要机器人码垛机非常适合用于柔性包装流水线，大大缩短了包装周期时间。具有极高的精度，再加上卓越的传送带跟踪性能，不论是固定位置操作，还是运动中操作，其拾放精度均为一流。体积小、速度快，配有全套辅助设备（从集成式空气与信号系统至抓料器）。可配套使用包装软件，机械方面集成简单，编程更是十分方便。从效率上说，码垛机器人不仅能承担高负重，而且速度和质量远远高于人工。关键词：机器人，码垛27Abstract The robot palletizer is very suitable for the flexible packaging production line, greatly shorten the cycle time of packaging. With high precision, and excellent tracking performance of conveyor belt, whether fixed position operation, or movement in the operation, the pick and place precision are first-class. Small size, fast speed, equipped with a full set of auxiliary equipment (from the integrated air and signal system to catch feeder). Supporting the use of packaging machinery integration software, simple programming, it is very convenient. From the efficiency, palletizing robot can not only bear the high load, and the speed and quality is much higher than that of artificial.Key Words:palletizer目 录第一章 前言 1.1机械手概述.11.2机械手的组成和分类.21.2.1机械手的组成3 1.2.2机械手的分类4第二章 机械手的设计方案2.1机械手的坐标型式与自由度5 2.2机械手的手部结构方案设计6 2.3机械手的手腕结构方案设计7 2.4机械手的手臂结构方案设计82.5机械手的驱动方案设计92.6机械手的控制方案设计102.7机械手的主要参数112.8机械手的技术参数列表11第三章 手部结构设计3.1夹持式手部结构123.1.1手指的形状和分类133.1.2设计时考虑的几个问题143.1.3动力设计15第四章 手腕结构设计4.1手腕的自由度16 4.2手腕的驱动力矩的计算16 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩17 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算18第五章 手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核195.1.1尺寸设计205.1.2尺寸校核215 .1 .3导向装置225 .1 .4平衡装置235.2手臂升降部分尺寸设计与校核235.2.1尺寸设计235.2.2尺寸校核235.3手臂回转部分尺寸设计与校核235.3.1尺寸设计245.3.2尺寸校核25第六章 机械手的PLC控制设计256.1可编程序控制器的选择及工作过程256.1.1可编程序控制器的选择256.1.2可编程序控制器的工作过程256.2可编程序控制器的使用步骤25第七章 结论26致谢26参考文献27专业相关的资料27摘 要在设计手臂时考虑到工作要求并不高，承重也不大，所以在设计中优先考虑用同步电机驱动，其中底盘第一轴电机选择动力较大的马达， 第二轴选择力度适中的马达第三轴选择了力度比前2个较小的马达，底盘考虑用压铸模做，因为底盘一定要重才行，否则很可能会整个机器侧翻，手臂选用钣金做，一个是考虑钣金加工简单，成本低，可塑性强，在轴的位置选择用轴承来固定旋转，固定轴承的部件用车床加工。至于手指用CNC铣出来。 在设计时第一轴底盘旋转中才用3个齿轮传动减速，原打算2个可是空间不允许，所以才用4:1:1的降速，第一个和第二个配合达到4:1减速作用，第二个第三个配合起到一个一比一转速目的是为了加大空间。然后第三个齿轮上开几个螺丝孔，用来固定转盘。第二轴的旋转轴固定在底盘转盘上，选择了一对小轴承做轴心，传动上使用了第一齿轮直接固定在电机上来带到第二个固定在手臂上的齿轮,达到3:1的降速。第三轴手肘部分采用跟第二轴同样原理，只是在齿轮设计上采用的是3:2的减速配合。 。 限位方案一：才有行程开关限位，即到了极限位置后触动开关使马达断电。 限位方案二：才有传感器控制，本设计中比较适合的是光耦传感器，即红外发射信号，物体运动到极限位置时，发射器给接受器一个信号，传感器接收信号后传给控制器，使马达停止转动。限位方案三：采用的是硬性限位及挡板碰撞限位，机械手臂的运动范围手其结构的限制，在手臂的运动到达结构位置之前，必须使其自动停止。考虑到简单方便本设计中直接用该方案。第一章 前言1.1 机械手概述：机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手臂与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。也就是机械手的最大优势可以重复的做同一动作在机械正常情况下永远也不会觉得累！机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完 成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点.1.2 机械手的组成和分类1.2.1.机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。机械手组成方框图:1-1(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕:是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂:手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱:立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构:当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座:机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(二)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.2.2 .机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章 机械手的设计方案对电动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计电动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，劳动强度大和操作单调2.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度图2-1 机械手的运动示意图2.2 .机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;2.3 .机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转。2.4 .机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过模拟人的手臂通过3个轴的旋转来实现的。2.5 .机械手的驱动方案设计由于电动传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，简单，安装和维修简单成本低廉因此本机械手采用电动传动方式。2.6 .机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 .机械手的主要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩最大工作半径约为1800。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。2.8. 机械手的技术参数列表一、用途:用于自动输送线的上下料。二、设计技术参数:1、抓重:2、自由度数:5个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1800mm6、手臂运动参数: 伸缩行程900mm伸缩速度90/s升降行程900mm回转范围0到150回转速度 7、手肘运动参数: 回转范围 0到270回转速度8、底盘运动参数：回转范围 0到270 回转速度90/s9、定位方式:行程开关或可调机械挡块等10、定位精度:11、驱动方式:电动传动12、控制方式:机械手臂效果图2-6第三章 手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构， 3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.3动力设计1、手部驱动力计算本课题电机机械手的手部结构如图3-2所示， 蜗轮蜗杆参数受力分析其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以(3)实际驱动力: I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。第四章 手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为马达。4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。4. 2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转电机)对转动轴线所产生的偏重力矩().,; - 手腕回转与定片端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).第五章 手臂伸缩的尺寸设计与校核5.1手臂伸缩结构的尺寸设计与校核5.1.1手臂尺寸 手臂伸缩为900mms所用电机为 90TDY060-3A:最大功率为70W 同步转速为60R/min 最大转矩为3600mN.m 自重3.2kg 转轴转动范围为270，设计思路在0到270的2边各安装一个行程开关，或者红外传感器。5.2.2 尺寸校核长度设计为=900mm, 电机功率：P=1.732UIcos电机转矩：T=9549P/n ； 电机功率 转矩=9550*输出功率/输出转速 转矩=9550*输出功率/输出转速P = T*n/9550公式推导电机功率，转矩，转速的关系功率=力*速度P=F*V-公式1转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R -公式21测定手腕质量为10kg,则重力 1， 设计加速度，则惯性力 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （） 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数, 总驱动力矩 设计尺寸满足使用要求。第五章 机械手的PLC控制设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6. 1可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。6.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。段CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2 机械手可编程序控制器控制方案第七章 结论1、本次设计的是电动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。2、采用电动传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。同时成本低廉。3、通过对电动传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。总 结通过这次设计，使我对工业机器人有了感性的认识，同时对国内外的工业机器人的发展也有所了解。根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，机器人技术重点应在开展智能机器人、机器人化及其相当技术的开发及应用。经过努力，我国已研制了许多示教再现型工业机器人以及喷涂、焊接装配等机器人。而国外，工业机器人的发展更迅速，机器人化机械已经兴起。通过这次设计，使我综合运用机械设计的理论和实际知识，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展；通过设计，使我掌握机械设计的一般规律，树立正确的设计思想，培养独立分析和解决实际问题的能力；学会从机器功能的要求出发，合理选择传动机构类型，制定设计方案，正确计算零件的工作能力，确定它的尺寸、