搬运机械手设计-四自由度圆柱坐标气动机械手 【含9张CAD图纸+文档全套资料】
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搬运机械手设计-四自由度圆柱坐标气动机械手
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- 内容简介：
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摘要科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台通用圆柱坐标机械手有着深远的科教意义。本课题设计的圆柱坐标型搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的回转。设计中分析了该机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转。设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作。关键词 机械手；气动装置；四自由度；控制系统34AbstractScientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance.The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robots overall design, robot mechanical structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumatic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching demonstration.Keywords Manipulator Teaching type Four Degrees of Freedom SCM目 录1 绪论11.1 机械手概述11.2 机械手的组成和分类11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的分类41.3 国内外发展状况51.4课题研究的主要内容71.5机械手的功能要求72 机械手的设计方案82.1 机械手的座标型式与自由度82.1.1 机械手的坐标型式82.1.2 机械手的自由度92.2 机械手的手部结构方案设计102.3 机械手的主要参数112.4 机械手的技术参数列表123 机械手机械系统设计143.1 手部结构设计143.1.1 设计时考虑的几个问题143.1.2手爪夹持装置的机构选型143.1.3 手部夹紧气缸的设计163.2手腕结构设计203.2.1 手腕的自由度203.2.2 手腕的驱动力矩的计算213.3手臂结构设计253.3.1手臂伸缩与手腕回转部分253.3.2手臂升降和回转部分273.3.3手臂升降气缸的设计273.3.4手臂回转缸体的设计30结论32致谢33参考文献341 绪论1.1 机械手概述机器人由操作机（机械本体） ，控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成一个人形操作，自动控制，可重复编程，能在自动化生产设备的三维空间机电一体化的完成各种工作。特别适合于多品种，体积可变的柔性生产。其稳定性，并提高产品质量，提高生产效率，提高起着的劳动条件和产品的快速更新换代非常重要的作用。高科技机器人技术是计算机，控制论，组织，信息和传感技术，人工智能，仿生学并形成其他学科的结合，是当代研究十分活跃，日益广泛领域的应用。机器人技术的应用，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人代替人工的劳动不是简单意义上的，而是一个人谁有意优势的机电设备机械和专业知识，无论人们对环境状况和快速反应能力，分析和判断，另一台机器很长一段时间继续工作，精确度高，抗恶劣环境，从某种意义上，它也是机器，这是一个重要的生产和工业及非工业界每一组是不可缺少的先进服务的进化过程的产物制造技术自动化设备。机器人是模仿人手的行动的一部分，根据给定的程序，跟踪和自动机械装置的自动采集，处理或操作要求。在工业机器人称为应用“工业机器人”。在生产自动化机器人应用可以提高生产水平和劳动生产率：可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，特别是在高温，高压，低温，低压，粉尘，易爆，有毒气体和放射性和其他恶劣环境下代替正常的劳动人民更是显著。因此，越来越广泛引用于机械加工，冲压，铸造，锻造，焊接，热处理，电镀，涂装，总装及轻工，交通等方面的问题。机器人开始正式结构相对简单，高度敬业的，只有一台机器装卸设备连接到本机专用机械手。随着工业技术的发展，通过程序控制制成，可实现独立的重复操作，“万能机器人控制程序”的范围很广，简称通用机械手。因为一般的机器人可以迅速改变工作方案，适应性，所以它是不断变化的品种小批量的生产积累了丰富的参考资料。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成主要由机器人执行器，驱动形成系统，控制系统和位置检测装置。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。 控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构它包括手，手腕，手臂和列的其他部分，和一些额外的行走机构。手部该部件与所述对象接触。由于不同的形式与对象接触，可以分为夹子和吸附手。片手用手指（或爪）和传力机构构成。手指与对象组件手指运动的常用形式回转型和平移型直接接触。回转型手指结构简单，易于制造的组件，所以广泛应用。少平移的应用，其原因是复杂的结构，但是平移圆形夹紧手指部分，工件直径变化不影响其轴线的位置，因此，在大径范围适于保持工件。手指结构取决于物体的表面被抓取的形状，夹件（外部轮廓或空穴）和重和该对象的尺寸。常见的有手指平，V形表面和表面：手指夹式和卡片;指数有两个手指，多指式和手，如两个手指的风格。 通过手指夹生成把对象来完成任务的动力传递机构的夹紧力。传力机构型式较常用的有:连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件，光滑的板材，通常用吸盘吸。造成消极的方式有气流和真空负压式。 为圆环的渗透性，和一个穿孔的磁盘部件，并且有网状金属板，通常电磁吸盘吸力。由直流和交流电磁铁的电磁铁产生的电磁吸盘吸力。 带吸盘和吸入电磁吸盘，其形状，数目，大小吸附力吸盘，可根据被吸附的对象的形状，大小和重量的大小。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、手臂所述支撑臂被捕获的对象，手，腕的重要组成部分。操作臂带动手指抓住一个对象，然后要求将其定运输到指定地点。通常由机器人臂部件（如气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，凸轮机构和螺杆机构等）和驱动源（例如液压的，气动的或电机等）的驱动器手臂的运动，使手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下: 手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。当伸缩臂携带或升降运动，以防止绕其轴线旋转时，都需要一个导向装置，以确保手指的运动的正确方向。此外，该指南还承担当弯矩和扭矩和摆动手臂运动开始，由制动转矩产生，使运动部件的应力状态是简单的转动惯量遭受武器。 引导装置结构的形式，常用的有：单缸，两缸和四缸型，如取向。4、立柱柱支承臂部件，列也可能是手臂的一部分，手臂和电梯（或沥青）运动的旋转运动都与列相关联。该机器人是一般的工作需要固定的列，但有时也可以横向移动，被称为便携式列。5、行走机构相比与工业机器人需要完成的操作距离，或扩大使用范围，辊可安装在基体中，轨运行的齿轮等上，以实现在整个工业机器人的运动。辊行走机构可分为2轨和无轨。运动应增设四轮驱动机械传动装置。6、机座基座是一个基本组成部分的机器人，和驱动系统组成的机器人驱动器被安装在支架上，它作为支撑和连接。(二)驱动系统机器人驱动系统驱动一个动力致动器的运动装置，通常由一动力源，所述控制装置和所述辅助调节装置的组成部分。有驱动系统液压四种常见形式，气动传动，动力传动和机械传动等。（三）控制系统控制系统由工业机器人运动控制系统的要求为主。目前机械手控制系统的一般过程控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统。控制系统一般采用电器控制，可根据规定的动作程序，哪些占主导地位的机器人，和人们的记忆中给机器人指令信息（如动作顺序，轨迹，速度和时间），而他们的信息控制系统的执行器发出一个指令，如果需要，监视机器人的运动，当发生错误或故障的报警信号的作用。(四)位置检测装置机器人的运动控制致动器位置和致动器的任何时候反馈到控制系统中的实际位置，并与所述位置集合，然后由控制系统调节，使得致动器被设置为在一定的位置精度进行比较。1.2.2 机械手的分类许多类型的机器人，在分类问题，有一个在国家分类标准不统一，在此暂按范围，驱动器和分类控制系统。(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、专用机械手它被连接到主机，与没有机械设备的独立控制系统的固定程序。特种机器人有少动，工作对象单一，结构简单，工作可靠，成本低的特点，往往在这种自动化的自动机，自动线切割机器人和“加工中心”批量生产自动换刀装置的使用。2、通用机械手它是一个独立的控制系统，该过程变量，机器人的灵活操作。可通过调节驱动系统和性能范围，其中操作方案是可变的并且是独立于控制系统的用于在不同的场合。通用机器人工作范围，定位精度高，通用性强，适合生产品种变化小批量的生产自动化。 通用机械手控制自己的方式和伺服定位可分为两种简单：简单的“开关”控制位置，控制点只有：与伺服定位系统，可以点位置控制伺服控制，也可以实现连续路径控制，通用机器人伺服数控型。(二)按驱动方式分1、液压传动液压操纵器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，传动平稳，结构紧凑，动作灵敏。然而，在密封装置，或油泄漏性能机械臂严格要求有很大的影响，并且应工作在高温和低温下。如果机器人使用电动液压伺服驱动系统，可实现连续路径控制扩大机器人的通用性，但高精度的电动液压伺服阀，流体过滤苛刻和昂贵的制造。2、气动驱动机器人是一种压缩空气的压力来驱动机器人的致动器的运动。其主要特点是：媒体源极为方便，体积小输出功率，气动快速动作，结构简单，成本低。然而，由于空气是可压缩的特性，工作速度的稳定性差，大和低气压的影响，制动器30千克的重量通常是在相同的条件下重新抓它比机器人的液压结构变大，因此，适用于高速工作，轻载，高温，多尘的环境。3、机械传动机械手也就是说，机械传动机构（如凸轮，连杆，齿条和齿轮机构等间歇地）驱动的机械手。这是工作机器人专用主机，其功率是由一个工作机器交付之附属公司。它主要特点是运动准确可靠，伟大的运动频率，但较大的结构，动作程序不能改变。它经常被用来在主机上，切割的工作。4、电力传动机械手即，感应电动机的特殊结构中，线性马达或步进马达直接驱动机器人致动器的动力运动，因为没有中间转换机构，该机械结构简单。其中线性电机的机器人的移动速度和冲程长度，维护和易于使用。这种机器人是目前不多，但有希望的。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动来移动点之间的空间，在运动控制位置只有几个点，无法控制它的轨迹。若欲多个控制点，势必增加了电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机器人都属于这一类。2、连续轨迹控制它是任何空间轨迹的连续曲线，其特点为无限集合点，整个过程是在移动的控制下，可以是光滑的和准确的移动，并使用范围很广，但电气控制系统的复杂性。这种机器人一般采用小型计算机控制。1.3 国内外发展状况近年来，机器人的海外发展领域有以下趋势：(1) 机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和维护），以及单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2) 机械结构向模块化，可重构化发展。如关节模块伺服电机，减速机，三一检测系统：关节模块，利用重组机器人机械构造链路模块;国外已经要求全市模块化装配机器人。(3) 以基于PC的易标准化，网络的开放型控制器方向机器人控制系统的开发，提高设备集成度，控制柜变得越来越紧凑，模块化结构：大大提高了系统的可靠性，易于操作和维护。(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，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用远景，力传感和其他传感器和远程控制机器人采用视觉，声觉，力，触觉等多传感器融合技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合技术已经成熟的应用程序配置在系统中的产物。(5) 虚拟现实技术中的模拟，对过程控制排演的发展，如远程控制机器人操作员，以产生暴露于远程操作环境来操纵机器人的触感机器人的作用。(6) 拥有现代化的遥控机器人开发系统是不追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人控制，遥控加局部自主系统，是监控系统的完整的远程操作之间的人机交互，使智能机器人走出实验室进入实用阶段。美国发起的“旅居者”机器人成功的这样一个系统的应用是火星上最有名的例子。(7) 机器人机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新装置已成为国际热点研究之一，已经探索扩大实际应用的领域。中国从20世纪80年代，工业机器人，“规划”科技攻关开始通过“七五”国家的支持下，“八一”技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，控制系统硬件和软件开发涂装，焊接，点焊，装配，搬运等机器人设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产一些机器人的关键部件；其中有130余台套喷漆机器人在20多家企业的应用规模，对工厂近30自动喷漆生产线（站）在汽车焊接机器人焊接生产线应用。但有一定的水平和国外比从整体来看，中国的工业机器人和工程应用，如：可靠性低于国外产品：机器人应用工程起步较晚，狭窄的应用，技术和生产线国外比有差距的制度;在应用中国国内工业机器人的规模已经安装了约200个单位，占全球安装万分之四的单位数。主要的原因是没有上述机器人产业形成，目前生产的机器人是用户的要求， “一个客户，一个重新设计” ，品种规格齐全，体积小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本不低，但质量，可靠性不稳定。目前迫切需要解决的关键技术的早期工业化，全面的计划产品，提高系列化，通用化，模块化设计，积极推进产业化进程。我们的智能机器人和特种机器人，以支持“863”计划的同时，还取得了不少成果。其中最突出的是水下机器人，结果6000米无缆水下机器人世界领先水平，而且还开发出直接遥控机器人手臂协调控制机器人，爬壁机器人，机器人模型管道：在机器人视觉，力和发展应用程序的感觉，触觉，良好的睡眠和其他基本技术，开展了大量的工作，有一定的发展基础。但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，机器人机械等的开发应用还刚刚起步，还有很大差距与国外先进水平，你需要得分的基础上，原来，有集中系统的研究，以形成一个完整的系统中可用的实用技术和产品，以“十二五” ，并跻身世界上最先进的立场。1.4课题研究的主要内容本课题主要研究了国内外机械手发展的现状，阐述了机械手的功能要求和现实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉了机械手的运动机理。在现有机械手技术基础上，确定了圆柱型搬运机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并对机械手的控制技术进行了一定的阐述。1.5机械手的功能要求本次设计的机械手是一台通用圆柱型机械手，可实现手部四自由度运动，完成物件的搬运工作。要求所设计的机械手达到以下目标：1.成本低廉，必要时可以降低精度要求；2.机械结构简单；3.性能良好；4.各部分结构最好方便拆卸，以便于维修保养。2 机械手的设计方案气动机械手的基本要求是能够快速，准确地取放和处理的对象，这就要求他们具有较高的精度，响应速度快，有的承载能力，足够的工作空间和自由度和灵活性，随时随地可自动定位的特点。设计原理气动机械手的是：一个全面的分析工作对象（工件）的操作技术要求，制定出最合理的操作流程和工艺，以满足系统功能要求和环境条件;结构形状清晰的工件和材料特性，定位精度的要求，爬行，当力操控性能，尺寸和质量参数，从而进一步界定的机器人控制要求的结构和运作;定型尝试使用标准组件，简化了设计和制造过程中，考虑到通用性和特异性，并且可以实现灵活的转换和编程控制。本次设计的机械手是一台通用圆柱型搬运机械手，要求所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求。2.1 机械手的座标型式与自由度2.1.1 机械手的坐标型式机械手的坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表2-1：表2-1结构形式方案特点优缺点结构简图1直角坐标型操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手的刚度差初步确定选用圆柱坐标型机械手选用圆柱坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，用于本次毕业设计的选型比较合适。2.1.2 机械手的自由度自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要6个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目，它表示机械手动作的灵活程度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂未端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为4个自由度。图2-12.2 机械手的手部结构方案设计1.手部结构的设计夹持式手部结构由手指(手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等等。夹持是最常见的形式，其中通常使用两个手指的风格，多指风格和手的手指式;按手指把持工件可分为存储卡（或向上型）和外部夹紧型的零件2 ，手指的动作模仿的手，手指指背过渡，可分为一，二支点和回迁的过渡类型（或直型） ，其中两个支点回转型的基本类型。当所述第二枢转回到转动支点两个手指向下到无穷小时之间的距离，就变成了点过渡的回手指;类似地，当两个支点回转型手指的手指长度变得无限长的，它们成为可移植的。旋转手指开合角度小，结构简单，易于制造，被广泛使用;较少的移动应用，大型复杂结构，当移动型手指夹持不同直径的部分不影响其轴的位置可以容纳不同直径的工件。通过综合考虑，本设计选择最常用的外卡式两指钳爪，采用齿轮齿条这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在压缩弹簧的作用下爪牙张开，在压力作用下使手指闭合。2.手腕结构的设计腕，手和臂连接构件，它具有一个独立的自由度，实现本机械腕旋转所需的，具有一定程度的自由度，可以用于驱动旋转滚筒旋转臂。3.手臂结构的设计根据机器人手臂具有三个自由度，即伸缩臂的要求，抓住工件，回身电梯（或沥青）的运动。打开和臂的向下运动是通过该柱来实现，该列是臂横动的横向移动。各种运动臂油缸来实现的。4.驱动部分的设计在普通的机械运动中，机械的驱动一般有气压传动、液压传动、电机传动等。各种驱动方式的特点见表2-2：表2-2 常用的驱动方式内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪音低，电动机一般需配置减速装置安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000KPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸或火灾的危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差表2-2对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中应用的范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手，如冲压机械手本体的气动平衡及装配机械手气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手，点焊机械手，弧焊机械手，装配机械手等成本维修及使用液压元件成本较高方便，但油液对环境温度有一定的要求成本低方便成本高较复杂综合考虑，本次设计选择气压驱动这种驱动方式。2.3 机械手的主要参数主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，定该机械手最大抓重为15千克。故该机械手主参数定为15千克。运动速度是机械手主要的基本参数。设计的速度过低限制了它的使用范围，速度过高对机械手的材料等有很高的要求，而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩、回转、升降的速度及手腕的回转速度。当启动，停止加入的过程中，减速度存在一个行程曲线来说明速度与速度特性机器人运动更全面，因为平均速度与旅游有关，因此与平均车速，所述的步伐更符合速度线特性。设计该机械手手臂升降的平均速度为2m/s，平均回转速度设计为/s，伸缩平均速度为2m/s。除了速度，本设计的基本参数以及伸缩臂行程和工作半径。大多数人造机器人设计成或坐或站和操作空间稍微走动的等价物。过度膨胀冲程和工作半径，必然带来重视，以减少扭矩增加刚性。所以，该机械手手臂的伸缩行程定为650mm；最大工作半径约为900mm。手臂回转行程范围定为0-。手臂升降行程定为300mm。定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.3mm。2.4 机械手的技术参数列表设计技术参数:1抓重：15千克2自由度数：4个自由度3座标型式：圆柱型座标4最大工作半径：900mm5手臂最大中心高：1800mm6手臂运动参数伸缩行程650mm伸缩速度2m/s升降行程300mm升降速度2m/s回转范围00-3000回转速度450/s7定位精度：0.3mm8.缓冲方式：液压缓冲器9传动方式：气压传动10.控制方式：点位程序控制(采用单片机)3 机械手机械系统设计3.1 手部结构设计3.1.1 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)当确定手指抓握，除了考虑工件的重量，而且在考虑操作或在传输过程中产生的惯性力和振动，以确保工件不会松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两个手指张开，闭合角夹在两个极端位置称为手指开合角之间。手指开闭角度应确保工件能顺利进入或脱离时，如果不同直径的工件夹紧，工件的最大直径应予以考虑。对于仅移动了开幕式和闭幕式型手指幅度要求。(三)保证工件准确定位在手指和所述工件被夹紧，以保持精确的相对位置必须根据工件的形状被抓取，选择适当的手指形状。用手指如圆柱状片用的“V”形的表面，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度工件保持由手指等外部的反作用力，也由振动所产生的运动和惯性力时的机器人，需要有足够的强度和刚度抗弯曲或断裂，这样，当该结构应尽可能简单和紧凑，重量轻重量，该中心并在手腕上旋转轴的面，使最小的手腕扭转力矩为佳。(五)考虑被抓取对象的要求工作需要的机器人，通过比较，机械手的结构是用在我们的两个二指枢轴回转型，由于大多是圆筒形工件，所以手指成V形的设计，其结构如3-1所示。3.1.2手爪夹持装置的机构选型手爪夹持装置是一种用来抓取和握持工件的末端执行装置，机械于用它来夹持、移动或放置工件。夹持器可分为手爪式夹持器和非手爪式夹持器。前者是用手指夹持工件，后者是无指夹持工件，其夹持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、静电悬浮式、铲挖式、钩吊式、刺穿式和粘着式等。夹持装置的机构类型主要有5种，见表3-1。表中l连杆式手爪机构有精度低，效率低，不平衡且难以实现精确的轨迹的缺点；表中2凸轮式手爪机构中凸轮在使用中磨损较大，不理想；表中4螺旋式手爪机构为移动型手爪机构，这次设计所选用的是二指回转型手爪机构，而且所使用的单螺杆或双头螺杆加工和装配的要求都太高，不适合本机械手；表中5绳轮式手爪机构一般都是使用电机作为驱动，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动，显然这样的机构没有过载保护，要实现过载保护功能，必须在手爪上安装受力传感器，把受力状况转变成数字信号传递给控制系统，实时调整电机转动状态。这种机构需要安装传感器，从而使控制系统的设计变得复杂，而且由于安装电机，使夹持部分结构重量增大，使本身就是悬臂的末节运动机构刚度变差。显然这种机构不可取。而齿轮-齿条式手爪机构具有寿命长，工作平稳，可靠性高等优点。所以最终选用齿轮-齿条式手爪机构作为夹持装置。表3-1手爪夹持机构选型表夹持机构类型主要特点结构简图1.连杆式手爪机构由简单杆件构成，可把活塞的直线运动变成手指的夹持动作，夹持器工作时，卡爪作平行开合，而指端运动轨迹为一圆弧。2.凸轮式手爪机构当活塞左右运动时，通过凸轮和连杆的组合，实现卡爪的圆弧开合，但平行运动中摩擦阻力较大。3.齿轮-齿条式手爪机构当活塞杆左右运动时，活塞杆末端的齿条带动齿轮旋转，通过齿轮旋转，实现手指齿条的平行运动从而实现手指的开合运动。4.螺旋式手爪机构机构通过马达驱动单头或双头螺杆，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动。5.绳轮式手爪机构该机构通过牵引绳索实现手爪的开合，若将绳轮作成非圆轮或采用链传动，则机构作非均匀牵引运动。3.1.3 手部夹紧气缸的设计1.手部驱动力计算本课题设计的气动机械手的手部结构如图3-1所示，其工件重量G=150N，“V”形手指的角度2 =1200，b=120mm，R=24mm，夹持力主要来自工件与手爪部分的摩擦力，为增大摩擦，选用摩擦系数较大的橡胶作为手爪与工件接触部分的材料。假设工件材料为钢，查手册可知橡胶与刚的摩擦系数为。图3-1齿轮齿条式手部（1）手指加在物件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使物件保持可靠的夹紧状态。手指对物件的夹紧力可按下式计算：式中 安全系数，通常取，这里取1.5； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算其中 运载物件时重力方向的最大上升加速度； 重力加速度，；= 运载物件时重力方向的最大上升速度； 系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取。 方位系数，根据手指与物件形状以及手指与物件位置不同进行选定，对于水平V形手指夹持垂直放置的圆柱形物件时,如图3-2所示，为摩擦系数，为V形手指半角；2.5 被抓取物件所受重力()。图3-2水平手指抓取垂直圆柱工件图所以：=(2)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: = =3710N(3)实际驱动力: 因为传力机构为齿轮齿条传动，取=0. 94。 所以：所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为3947N。2气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中:F1活塞杆上的推力，N； Ft弹簧反作用力，N；Fz气缸工作时的总阻力,N；P气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算： 式中:Cf弹簧刚度，N/m； l弹簧预压缩量，m；S活塞行程，m； d1弹簧钢丝直径，m； D1弹簧平均直径，m； D2弹簧外径，m； n弹簧有效圈数； G弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4109Pa。有许多因素，如运动部件的惯性力，背压阻力，密封摩擦等工作时，这些因素可以包括在负荷率计算公式的形式动态气缸总电阻，包括在我们可以保证负载气缸的速率在工作特性，如果缸动态参数要求较高，高频率，气载荷率一般取；高速取小值，以较高者为准低速。如果一般需缸动态参数，以及低工作频率，基本匀速运动，其载荷率可取。根据要求本次设计中，取，则：由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得所以：查表3-2，得D=80mm由d/D=0.20.3，可得活塞杆直径：d=(0.2-0.3)D=16-24mm，查表3-3，取活塞杆直径d=18 mm表3-2缸筒内径系列（mm）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630注：无括号的数值为优先选用者表3-3活塞杆直径系列（mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400校核，按公式 =20Mpa，=3947N则：d(43947/20)=15.8mm18mm，满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：式中：缸筒壁厚； D气缸内径；P实验压力，取P=1.5P, Pa；材料为：HT200，=30Mpa。代入己知数据，则壁厚为:=800.75/（230106）=1常用计算出的缸筒壁厚都相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸筒壁厚作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚。表3-4所列筒壁厚值可供参考。表3-4气缸筒壁厚（mm）材料气缸直径铸铁HT1505080100125160200250320壁厚78101012141616钢Q235、45、20号无缝管5677881010铝合金ZL38-1212-1414-17用的是HT200材料，所以壁厚选择8mm。则缸筒外径为：D=80+82=96mm。3.2手腕结构设计考虑到机器人的通用性，而且由于工件是水平的抓取，从而手腕必须提供能满足工作的旋转运动的要求。因此，设计，实现在腕机构的旋转运动手腕摆动的结构是一个旋转圆筒。3.2.1 手腕的自由度手的手腕和臂连接构件，这是调整工件的定向，所以，它有一个自由的独立程度，以适应复杂的，以使机器人移动请求。许多因素手腕的选择，并且所述机器人，加工要求的通用性的自由，放置工件定向和定位精度等。当工件被水平地爬行机器人，考虑到一般情况下，并因此设置，以满足工作要求对轴x手腕旋转运动。目前实现的腕机构中，最广泛使用的滚筒的旋转，旋转运动，所以我们使用的旋转滚筒。它的结构紧凑，但小于360的旋转角度，并要求密封。3.2.2 手腕的驱动力矩的计算（一）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3-3所示为手腕示意图。手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱= M惯+M偏+M摩+M封 式中: M驱驱动手腕转动的驱动力矩(cm)； M惯惯性力矩(Kgcm)； M偏参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩()；图3-3手碗回转示意图 M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(cm)； M封手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 (cm)。 下面以图3-3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惯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t，则:若手腕转动时的角速度为，起动过程所转过的角度为，则:式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 (Ns2);J1工件对手腕转动轴线的转动惯量 (Ns2)。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:式中：Jc工件对过重心轴线的转动惯量(Ns2):G1工件的重量(N);e1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);t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：G3手腕转动件的重量(N); e3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距()，当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1=0。3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩 式中：d1d2手腕转动轴的轴颈直径(cm)；f轴承摩擦系数，对于滚动轴承f=0. 01，对于滑动轴承f=0.1；RARB轴颈处的支承反力(N)。4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图3-4所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J气缸的压力p和驱动力矩M的关系为:图3-4 回转气缸简图 式中：M回转气缸的驱动力矩(N)； P回转气缸的工作压力(N)； R缸体内壁半径(cm)； r输出轴半径(cm)； b动片宽度(cm)。上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P1与背压P2之差。（二）手腕回转缸的尺寸及其校核（1）尺寸设计气缸长度设计为b=100mm，气缸内径设计为，半径R=48mm，轴径，半径R=13mm，气缸运行角速度，加速度时间，压强P=0.4Mpa、则力矩 =32.6（）（2）尺寸校核1.测定参与手腕转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r=50mm的圆盘上，那么转动惯量： =0.0125（）工件的质量为15kg，质量分布在长l=500mm的棒料上，那么转动惯量： =0.0084（）假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l=500mm的棒料来说，最大偏心距=250mm，其转动惯量为：=0.0084+10=0.0334（）=（0.0125+0.0334）=26.3（）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为，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，=0，夹持工件一端是工件重心偏离转动轴线=250mm，则 = =5（）3.手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力为，对于滚动轴承f=0.01，对于滑动轴承f=0.1，为手腕转动轴的轴颈直径，=30mm，=20mm，,为轴颈处的支承反力，粗略估计=300N，=150N。=0.05（）4.回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此估计为的3倍。=3=30.05 =0.15（） =+=26.3+5+0.05+0.15=31.5（）M所以设计尺寸符合使用要求，安全。3.3手臂结构设计根据机器人手臂具有三个自由度，即伸缩臂的要求，抓住工件，回身电梯（或沥青）的运动。打开和臂的向下运动被横向移动通过立柱来实现该列的滑动臂，各种从气缸运动来实现的臂。3.3.1手臂伸缩与手腕回转部分(一)结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。在同一时间，压力驱动的伸缩机械臂携带（或提升）运动，以防止绕轴臂的旋转的发生，以确保手指的正确方向，并在活塞杆上没有大的弯曲力矩作用，以增加在设计臂的结构的臂的刚性，必须采用适当的指导。它应该被安装在根据该臂的形式，抓住混凝土结构的重量，也可以决定其它的因素，而在结构设计和布局应尽量减少该臂的旋转中心的运动部件的重量并减少转动惯量。在使用单一的导向杆作为机器人的导向装置，它可以增加臂的刚性和导向。该机械手的手臂结构如3-5所示，现将其工作过程描述如下：手臂主要由双作用式气缸6、导向杆5等组成。双作用式气缸90的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔进入双作用式气缸6的两腔时，活塞杆4带动手腕回转缸1和手部一同往复移动。在双作用式气缸6缸体上方装置着导向杆5，用它防止活塞杆4在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确的方向运动。为了保证手臂伸缩的快速运动。在双作用式气缸6的两个接气管口出分别串联了快速排气阀.手腕回转是由回转气缸1实现。3-5手臂伸缩结构图（二）导向装置的气动伸缩式机器人臂承载（或提升）运动，以防止绕轴臂的旋转的发生，以确保手指的正确方向，并在活塞杆上没有大的弯曲力矩作用，以增加臂的刚性，在臂结构设计，它必须采用适当的指导。它应该被安装在根据该臂的形式，抓住混凝土结构的重量，也可以决定其它的因素，而在结构设计和布局应尽量减少该臂的旋转中心的运动部件的重量并减少转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。（三）手臂伸缩气缸的设计（1）活塞杆上输出力和缸径的计算活塞杆拉力为克服机械手的自重（250N）和克服抓取物的重量（150N）所用的力为当推力做功时当用上式计算时，活塞杆d可根据气缸拉力预先估定，活塞杆直径可按计算（必要时也可取）若将代入上式得=1.05=41.2mm以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值。参考表3-2得D=50mm根据，参考表3-3可估算得（2）缸筒壁厚的计算缸筒直接承受压力，需有一定的厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径只比，所以通常可以按薄壁筒公式计算常用缸筒材料有：铸铁HT150或HT200等，其 =30MPa；Q235A钢管、20钢管，其=60Mpa；铝合金ZL3，其=3Mpa；45钢，其=100Mpa。本气缸选用HT200，其=30Mpa。所以常用计算出的缸筒壁厚都相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸筒壁厚作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管。表3-4所列筒壁厚值可供参考。因加工等原因根据表3-4选。3.3.2手臂升降和回转部分实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的， 常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体15、转轴17(见图3-7)、定片14、回转定位块12、回转中间定位块13和回转用液压缓冲器等组成。当压缩空气进入两院通过管道进行回转缸，与旋转轴一起推动片的怀抱，轴驱动平键和提升油缸活塞轴，定位块耦合板，导杆，定位杆，提升油缸和同步传输筒体转动。通过旋转柱和手臂狂奔，所以手臂也为旋转运动。手臂摆动缸密封件密封的矩形，密封性能好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块12和回转中间定位块13的位置而定，见图3-8。3.3.3手臂升降气缸的设计1驱动力计算根据手臂升降的驱动力公式:其中，由于手臂运动从静止开始，所以v=v。质量计算:质量主要包括立柱、手臂伸缩气缸、手腕回转气缸、夹紧气缸、手爪及相关的固定元件组成。升降气缸是单作用气缸，当气缸上升时，手指未夹紧工件，测量设计的有关尺寸，可得质量大约为35kg。则:=3510=350（N）=350+3560010-3/0.05=770(N)3-6手臂升降结构图3-7手臂回转装置剖面图3-8考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.2则:F =7701.2=924(N)2气缸的直径根据双作用气缸的计算公式:其中:F活塞杆伸出时的推力，ND气缸内径，P气缸工作压力，Pa代入有关数据，得:当推力做功时=4924/(51050.4) =72.4 (mm)圆整后，取D=80mm3、活塞杆直径的计算d=（0.2-0.3）D=16-24mm，这里选取d=20mm，校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力Fk以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载与工作总阻力之和)小于极限力Fk。该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为:式中:L活塞杆计算长度，m；K活塞杆横截面回转半径，m；A1活塞杆横截面积, ；f材料强度实验值，对钢取f=2.1 107 Pa；a系数，对钢a=1/5000。代入有关数据，得:=6594(N)推力负载为:代入有关数据，得：Ft+ Fz=/40.4106(8010-3)2=2009 (N)Ft+ FzFk所以，安全。设计符合要求。4缸筒壁厚计算根据公式： 式中PP为实验压力，取Pp=1.5P=0.6106 Pa，材料为HT200，则=30MPa则0.8 mm常用计算出的缸筒壁厚都相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸筒壁厚作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚根据表3-4，这里选取
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