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关节 物料 搬运 机械手 设计 11 CAD

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关节式物料搬运机械手设计摘要根据现代工业自动化的要求，本课题设计了针对在物料搬运过程中的关节式物料搬运机械手。主要进行了机械手的整体的结构设计，手臂部分的强度校核，驱动电机的选型，手部抓取结构的设计。本次设计的机械手结构简单，动作灵活。在各处关节均使用交流伺服电机和谐波减速器组合的形式进行驱动，材料选择铝合金，铝合金质量较轻的同时还拥有较好的强度刚度。结构简单容易维修且降低了成本，同时有较好的负载能力。底座设计采用圆柱形设计，减少机械臂的占地。抓持部分采用技术已经成熟的气动机械爪，保证对物料进行有效地抓持。此次设计控制系统选择使用PLC和交流伺服驱动混合控制的形式。关键词：机械手；运输物料；伺服；PLIABSTRACTAccording to the requirements of modern industrial automation, this paper designs a jointed manipulator for material handling in the process of material handling. It mainly includes the structure design of the mechanical arm, the selection design of driving motor and the design of grasping manipulator.The manipulator designed in this study is easy to operate, covers an area of small, flexible movement. The material for handling the mechanical arm is aluminum alloy, which is light and has good strength and rigidity. The joint is connected with harmonic reducer and ac servo motor to drive the design of the next part directly. The structure is simple and the cost is reduced. At the same time, it has better load capacity. The base design adopts a cylindrical design to reduce the floor space of the mechanical arm. The grasping part adopts the pneumatic mechanical claw with mature technology to ensure the effective grasping of materials. The control part is controlled by mitsubishi PLC, easy to control by programming.KEY WORDS:Manipulator；Conveying work piece；Servo ；PLIIIXXX目录摘要IABSTRACTII第1章 引言1.1研究目的及意义1.2机械手的历史、现状1.3研究的主要内容第二章 搬运机械手的总体方案设计2.1 搬运机械手的设计要求2.2机械手设计的思路分析2.3总体设计框图2.4基本设计参数2.5机械手组成和结构设计2.6驱动方式选择2.7控制系统的选择2.8机械手的选择第三章 结构设计与计算3.1驱动和传动系统的总体结构设计3.2气动手爪的选型计算3.3手爪气缸设计计算3.4驱动电机的选型计算3.4.1手爪旋转电机的选型计算3.4.2小臂驱动电机的相关计算3.4.3大臂驱动电机的相关计算3.4.4肩部回转电机3.5手臂强度校核3.6制动器第四章 控制系统的选择4.1 控制系统分类4.2 控制系统方案分析4.3 系统控制方案确定4.4PLC及控制单元选型第五章 结论与展望5.1 结论5.2 展望致谢第1章 引言 1.1研究目的及意义伴随着人类对物质世界的探索，各个学科都在不停的取得新成就，由此，在制造业上的新技术也在层出不穷。机器人技术成为了近年来飞速发展的一项新技术，世界上的大多数国家都在这项技术上投入了大量的资源。机器人技术是近几十年才出现的一种新兴的高科技技术。机器人技术涉及机械、传感器技术、电子、计算机等范畴参考文献 黄浩乾.采摘机械手的设计及其控制研究：硕士学位论文.南京：南京农业大学，2010。在这之中，最为常见的就是机械手，在现代化的工厂中，机械手正在越来越多的作为减轻人类劳动提高生产力的工具被使用。除了在制造业中，在其他甚至像农业的等领域，都能看到机械手在其中逐步发挥自己的作用。为了提高生产的效率，降低工人的劳动强度和成本，人们发明了机械手。随着它的的出现，就立刻减轻了人类的工作强度，解放了人类的生产力，能够在糟糕的环境中代替人类完成各种工作。所以，机械手的出现也是为了满足社会的需求和发展而出现的。很多国家都在对机器人技术进行积极的研究和探索，研制出很多新型且使用性能良好的机械手。实现自动化是现代工业生产中一定要完成的事情。但是相对于已经基本实现连续性自动化过程的化工来说，在机械加工领域，加工、装配等工序是无法连续生产的，所以自动化问题仍然亟待解决。对于大批量自动化生产，能够使用专用机床解决自动化这个问题，对于品种多产量少的生产，大多是使用加工中心等自动化机械解决机械加工等部分的自动化问题。但是机械加工中除了切削之外，还有很多其他的工作，例如装卸、搬运等。这些部分的工作阻拦的机械领域自动化的进程。机器人则可以有效地处理这个问题。“工业机器人”：一般是指可以进行编程控制，然后独立完成自动抓起、搬运工件等工作的一种装置机器人是能够模仿一部分的人类的上肢的功能，工作程序则可以进行不同的设定的一种自动化装置。专用机器人功能单一，但是同时也代表着结构不复杂，成本较低，维修容易，只能固定完成一种工作。相对的工业机器人被称为通用机器人，因为适应性较高，可以完成不同的工作。工业机器人的研制是制造业的大势所趋。机器人技术的发展对于实现工业自动化来说，是必不可少的部分，它的应用能够大幅度提高制造效率，降低人的劳动强度，减低制造成本，不断的提高机械制造领域自动化的程度。1.2机械手的历史、现状美国于上世纪五十年代最先开始这方面的研究。然而，现如今，机器人技术发展的最快最好的国家却是日本，同时也是应用最多的国家，而日本是在1969年开始借鉴美国的技术研制机械手。与日本相比，我国虽然是差不多的时候开始研究机械手，但是却在诸多困难下导致机器人技术发展缓慢。在日本和我国刚开始进行工业机器人的研究时，德国就已经有公司研制出专门用于点焊的机械手了。目前，我国已经加快这方面的研究，通过借鉴国外的先进技术，开发出真正属于我们自己的工业机器人。第一代机器人，因为需要人工控制，故以开环的程序控制，并不具备识别的能力，第一代机器人发展方向主要为提高精度降低成本。第二代的机器人尚在研制之中，还未成功，在上面有微型计算机控制系统并使用了各种传感器，使其拥有感觉机能，能完成第一代机器人不能完成的事情。第三代机器人能够自己完成工作中的各种任务。并借此逐步发展成了为柔性制造单元和柔性制造系统。工业机械手最初是被设计用来帮助进行人进行一些繁重危险的动作的，但是随着机械手的发展，机械手已经从传统的代替手工的操作、组装等领域进一步发展到质量控制、自动加工等领域 聂文杰.教学用数控铣床与机械手模型的设计与控制：硕士学位论文.哈尔冰：哈尔滨工业大学，2011。当前，机械手已经在多方面开始运用，但是国内的机器人无论是性能上还是品种上都还暂且不能满足在工业生产发展上的需要。而使用工业机器人操作的又大多是在不适合人工作业的环境中，对机械手的性能等要求较高。目前，相较于国内制造业，国外制造业中，许多工作已经被机器人进行操作。这些机器人能够依照事先已经设定好的程序运行，但不能对外界环境的变动进行反应，一旦发生某些偏差，就会造成零部件的损毁甚至机器人整体的损坏。伴随着科技的不断发展，我们对于不同领域的机械手不断提出了更高更细致的要求。柔性化成为工业机械手发展的主要方向之一，可以用来适应不同的生产过程中的不同的要求，所以相对于现在封闭式的系统，具开放结构的机器人系统是更好的发展方向。1.3研究的主要内容本次设计目的是设计一个小型的，能够进行物料搬运的多关节机械手，拟使用伺服电机进行驱动，使用PLC控制。对其结构进行了设计，关节式的设计使其不用占用很大的空间，扩大了其使用范围，提高的其抓取的灵活度，提高了通用度 杨春杰.多关节机械手设计与运动学研究：硕士学位论文.武汉：武汉理工大学，2001。 第2章 搬运机械手的总体方案设计2.1 搬运机械手的设计要求要求机械手可以将一个方向所来的物料转移到另一个方向的传送带上。当打开1传送带之后，1传送带开始运输物料，1上的光电传感器检测到物料时，将信号反馈给机械手，机械手进行一系列动作加紧物料，将物料从传送带带离，移动到2传送带上方，通过手臂的伸展手爪的放松，将物料放在2传送带上。2.2机械手设计的思路分析机械手是被设计用来满足自动化需求，提高生产效率的一种机械装置，这就需要综合分析，从而选择合适的机械手。所以要先做以下准备工作：(1) 确定机械手在何种场所应用，明确机械手应当完成的工作。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 剖析机械手的工作需求，确定机械手的结构方案、控制程序和能够实现的功能等，比如自由度数，动作的速度等，再进一步利用被搬运物体的形状、尺寸、重量等，确定机械爪的握力大小和应当采取什么形式的机械爪 姚福来.自动化设备和工程的设计、安装、调试、故障诊断.北京：机械工业出版社.2013，95。对此，我进行了如下分析：本次设计为物料运送机器手的设计，通过机械手完成对两个不同地方的物料进行运送，由于机械手在多种场合都能发挥作用，其中涉及流水线环境物料的形状，状态等因素。考虑我所掌握的知识和我的能力，我选择小批量生产流水线上的物料运送机械手。因为是小批量生产流水线上的物料运送机械手，所以工作环境应当是在工厂之中，需要机械手具备较高的精确度和速度。物体假定为小型的圆柱体，对力量没有太高的要求。2.3总体设计框图图2-1 总体设计框图图2-1说明如下：(1) 控制系统：记忆输入的指令，发出指令，控制机构按照要求运动(2) 驱动系统：起着放大指令信号，驱动传动机构。(3) 机械系统：可在空间中抓放物体或是执行其他的操作。(4) 感知系统：对于传感器等的选择和应用 陈明.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2012,216。2.4基本设计参数本次设计主要要求以及参数：（1）抓取的重物：4kg；（2）自由度数：5个；（3）运动参数： 大臂俯仰：角速度：90/s； 小臂俯仰：角速度：90/s； 手腕俯仰：角速度：90/s； 腰部旋转：角速度：90/s；运动行程：大臂旋转：小臂旋转：腰部旋转：手腕俯仰：2.5机械手组成和结构设计机械手的组成： 1. 抓取机构：有手爪和其他进行传力的机构等，负责实现机械手的抓取动作和放置动作。2. 传送机构：有手腕和手臂等或其他进行传送的结构，负责实现转移物体。3. 驱动部分：负责提供动力给传动机构。4. 控制部分：负责控制抓取部分，传送机构，驱动部分的动作。5. 其它部分：组成机械手的其余必要或不必要的装置，例如传感装置等。将机械手从臂力、运动坐标形式方面分类： 按运动坐标型式分类： (1) 直角坐标式:手臂能够前后伸缩，左右移动，上下升降同时可沿着之直角坐标轴运动。 (2) 圆柱坐标式:机械手可上下移动左右摆动和前后伸缩。(3) 球坐标式 :手臂可以前后伸缩上下摆动和左右转动。 (4) 多关节式机械手:手臂通常可分为大臂和小臂两部分，除手爪部分外其余部分多采用铰链式链接。肩部可以摆动多角肘部可以上下摆动。 按机械手的臂力大小分类： (1) 微型机械手 臂力在一千克下的； (2) 小型机械手 臂力为一到十千克； (3) 中型机械手 臂力为十到三十千克； (4) 大型机械手 臂力大于三十千克。伴随着各领域的机器人的使用，人们在机械手的综合性能上提出了越来越多的要求，专业化要求更强，实用性要求更高，成本也要求降低，所以一些功能单一的机械手的需求量越来越大 李桂莉.物料抓取机械手与控制系统研究：硕士学位论文.济南：山东科技大学.2005。同一种运动模式可以使用不同的设计方案，具体选择哪一种需要根据现场情况，生产要求等具体选择。图2-2常见的运动方式关节式设计可以使动作较为灵敏，结构相对其他结构更为紧凑，可活动范围大。关节式机械手一般是由2个肩关节来控制机械手的旋转与俯仰，一个肘关节一般是由两个肩关节配合进行定位，再使用两到三个腕关节进行定向。2.6驱动方式选择机械手有三种主要驱动方式，分别是液压，气压，电机。液压驱动需要液压源，所以泄漏现象时有发生，但是也同时具有结构较为简单，功率相对大，不使用减速装置的优点。气压驱能量来源和机械结构都较为简单，但相对来说功率比较小，速度也不易控制，所以精度相对较低。电机驱动具有能量来源简单，使用方便，控制灵活的优点 成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2016，560。综合以上所述，我选择采用电机驱动。但是电机驱动电机输出轴转速快，无法直接应用，所以采用电机加谐波减速器组合的方式。电机则有步进电机和伺服电机两种，伺服电机和步进电机想比在低频时不会振动；伺服电机在额定转速内都能固定输出额定转矩；而且伺服电机相比步进电机具备过载的能力，且没有力矩浪费现象 杨润贤.工业机器人技术基础.北京：化学工业出版社，2018，156。综上所述，本设计拟采用伺服电机作为驱动方式。2.7控制系统的选择本次设计采用PLC和伺服驱动进行组合一起进行控制的控制系统。2.8机械手的选择因为物料重量不大，所以选择技术成熟的常用的气缸配合连杆式的气动机械手。第3章 结构设计与计算3.1驱动和传动系统的总体结构设计 底座如图所示，电机和减速器是用联轴套筒连接的，然后连轴套筒和肩部绕Z轴旋转的关节轴相联。采用角接触轴承作为关节处的轴承，手臂的径向力主要由关节轴部分承担，采用角接触轴承可以较好地承受径向力。伺服电机和减速器的安装可以通过壳体的结构设计来解决。传动装置传动部分为了将电机的转速降至合适的转速，选择采用交流伺服电机和谐波减速器进行组合的方式进行控制。同时肩部绕Z轴旋转的部分使用角接触轴承来保护电机和减速器，防止因为承受附加载荷容易损坏。肩部与大臂联接和大臂与小臂联接进行俯仰的部分同样采用电机加减速器的方式直接驱动大臂小臂进行旋转。图 3-1 机器人的结构设计方案图1小臂 2大臂 3肩部 4谐波减速器 5交流伺服电机 6气动机械手 （3）旋转机构:机械手部分与步进电机使用键连接，方便调整机械手的姿势抓取工件。3.2气动手爪的选型计算图3-2手抓结构机械手爪受力分析 单辉祖.工程力学.北京：高等教育出版社，2004，168：（如图3-3）P：在夹持过程中轴向施加的作用力；e：夹活塞中心到手指的长度； R：支点销轴的半径； ：中间连杆对手指的压力角； ：摩擦角； ：构件之间的摩擦系数； 角度条件： 尺寸条件：；如图3-3所示，若力P与中间连杆的夹角为，作用在中间连杆上的分力FP/2=Fcos+sin （3-1）则连杆上的分力F： （3-2）设中间连杆与手指之间的夹角，即压力角为，假设手指支点处的反力为R，假设手指支点轴处的半径为r，手指支点与连接销之间的距离为。指尖到手指部分的支点之间的长度为.由此则可以根据绕手指支点的矩的平衡关系可得到下式：（3-3）其中R可求： (3-4)将（3.2）（3.3）代入（3.4）中则： （3-5）很小，所以可以忽略。设手部中线和手指之他们之间的夹角为，并且因为（）+=，可改写为,则（3.5）公式可以简化为这样的形式：（3-6）图3-3 手爪受力分析则活塞杆的输出力P与夹紧力Q之间的关系可以用下面的公式表示：P= （3-7）手指上负责夹紧的部分的摩擦系数=0.5，则，因为已知工件重4kg， 可以得出=40N。由此时手爪的位置可得到：则（3-7）式可以由此进行简化： （3-8）测得，因为，则tg()=带入（3-8）式：3.3手爪气缸设计计算假设驱动手指部分的理论上的驱动力的大小为P，又由于回转轴处的机械效率是比较低的，回转轴和手指之间存在的摩擦以及汽缸壁和活塞间存在的摩擦，所以从手爪工作的安全性和可靠性上分析，使手指部分的驱动力大N=5P=1156N。气缸的输出力计算公式 左建民.液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2016,62 ：N= （3-9）F：气缸的理论输出力（kgf）D：气缸的缸径（mm）P：工作压力（kgf/cm）气缸的效率一般多为85%，则可以由（3-9）公式得到气缸径为：=58.86mm查气缸选型表可知应选择63mm的气缸内径。查气缸选型手册可知可选LG系列气缸。选择FB后法兰盘结构。表3-1气缸重要技术参数表气缸内径气缸杆行程工作压力范围耐压力缓冲行程63mm800mm0.0490.98MPa1.47MPa20mm验证所选的气缸在0.5MPa气压下的实际输出力：=1323N结果满足要求。3.4驱动电机的选型计算3.4.1手爪旋转电机的选型计算由惯性匹配公式，将所有折算到电机上的转动惯量设为。由公式（3-10）可知：kg（3-10）其中：各旋转件的转动惯量（）；：各旋转件的角速度；：伺服电机的角速度；（1） 为了方便计算，可以将工件看成是一个绕轴线旋转的圆柱，则转动惯量：手部对于电机轴的转动惯量为：=20.1=0.01kg气缸手爪的连接套筒对电机轴的转动惯量：=20.2=0.04kg气缸对于电机轴的转动惯量：=40.05=0.005kg总转动惯量为：=+=0.005+0.01+0.04+0.005=0.06kg因为有连杆和减速器的存在，所以使=0.07 kg由折算公式（3-10）：kg由：=3.1则：in=310减速器的减速比：=100则：=0.07=0.07 kg由电机系列是MINAS型号表，确定转动惯量为=0.20 kg那么由以上可以折算出的附加在电动机转轴上的转动惯量为：= +=0.20+0.07=0.27 kg2）伺服电机的转矩计算：快速空载起动转矩可以用来的计算电机启动转矩：空载起动时的加速转矩；电机轴上的摩擦转矩；电机输出的最大转矩；又通过公式：=以最大的角速度进行移动时伺服电机的转速；系统时间常数；=0.71N由轴承运动产生的摩擦力矩：=0. 2N。（交流伺服电机的）：就是电机的过载系数所以即 所以根据以上数据可以把选择的电机的型号确定为MINAS系列，最大静转矩是1.92N大于=0.51，额定转矩是0.64N，额定功率是0.2KW。由转子量匹配原则：粗选电机转动惯量=2.84 kg（带制动器）。则以上折算到电动机的转轴上的总转动惯量为：=（1.17+2.84）=可以用快速空载启动时的转矩来计算电机所需要的转矩，由此得到：=4.19N（加速度时间为0.05s）（取阻尼系数）（交流伺服电机）故，所以 经过上述计算，所选伺服电动机的各种数据如下：表3-2手爪伺服电机选型表额定功率电动机惯量（带制动器）额定转矩最大转矩额定转速最高转速重量输出轴直径1.5KW2.84 kg4.77N14.3 N300050006.5kg19mm3.4.2小臂驱动电机的相关计算1） 对小臂的负载进行估算：工件40N，手爪20 N，旋转电机重15 N，气缸手爪连接套筒20 N，谐波减速器5 N，支架40 N，弯曲旋转电机65 N，小臂30 N。由转动惯量平行移轴定理：各部分转动惯量 转动惯量为=16.7 kg（带制动器）。折算到电机轴上的总转动惯量为：=（16.7+6.78）=2）小臂伺服电机的转矩计算：可以使用快速空载启动转矩计算电机所需转矩，得=3.69N（加速度时间0.2s）由轴承运动产生的摩擦力矩=0.2N。（交流伺服电机），即 根据以上计算,可以确定电动机的：表3-3 小臂电机选型表极大转矩额定功率额定转速电机惯量（带制动器）最高转速重量电机输出轴直径28.5 N2KW200016.7 kg300012.5kg22mm 小臂谐波减速器选择型号为XBW321078的减速器。3-4 小臂谐波减速器数据输出转矩输入转速传动比质量6N30001070.5kg3.4.3大臂驱动电机的相关计算：，。小臂驱动电机对大臂驱动轴的转动惯量=12.50.075+12.50.3=1.16kg同理小臂减速器对大臂驱动轴的转动惯量：0.50.03+0.50.3=0.045kg小臂上的负载对大臂部分的驱动轴的转动惯量：6.67+31.50.3=9.51kg大臂关节轴的转动惯量：100.08=0.032kg总的转动惯量为由：kg可以计算得出电动机轴上的负载通过惯量匹配原则：，粗略选择出电机的转动惯量是=21.1 kg（加上制动器）电机轴上的总的转动惯量（带折算）：=（21.1+5.57）=大臂伺服电机的转矩计算：使用快速空载启动的转矩来计算电动机所需的转矩是=1.67N（加速度时间0.5s）由轴承产生的摩擦力矩：=0.5N（交流伺服电机）所以即 由此，可以确定电机的选择：表3-5 大臂电机数据额定转矩额定功率最大转矩电机惯量（带制动器）额定转速最高转速重量输出轴直径14.4N3KW43 N21.1 kg2000300014.7kg24mm 大臂的谐波减速器选型为XBW80134120。表3-6 大臂谐波减速器数据传动比输入转速输出转矩质量1343000120N10kg3.4.4肩部回转电机带动机身回转的电机：初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分选择 Y90L6型笼型异步电动机：表3-5 异步电动机数据额定电压额定功率转速效率额定转矩380V1.1KW910r/min73.5%200Nm3.5手臂强度校核经分析，大臂小臂主要是承载自身重量以及其上的其他负载的重量。分析后得到结论，最大弯矩发生在最左端由重力产生弯矩： 突加载荷产生的弯矩： 左端最大的弯矩 单辉祖.材料力学.北京：高等教育出版社，2010，198 ： 为了简化计算，将大臂小臂看做长方体，则大臂小臂应当满足的强度条件为：矩形截面积：铝合金材料拉压强度=材料拉压强度=(1) 大臂强度校核，。大臂受力情况, 大臂强度满足要求（2） 小臂强度校核工件40N，手爪20 N，旋转电机重15 N，气缸手爪连接套筒20 N，谐波减速器5 N，支架40 N，小臂弯曲谐波减速器5 N，弯曲电机65 N，小臂30 N。小臂受力情况, 所以小臂强度合格。3.6制动器制动器是通过将机械运动的能量变为热能的行形式来将机械速度降低或者停止的一种装置，大体可以分为通过机械和电力两种方式制动。在机器人中，当因为某些不可预知的情况而瞬间停止或者需要采用安全措施和防止突然停电机械臂下落造成其他的装置损坏时需要有制动装置，来保证机械手不会损坏。机械制动器一般有盘式制动器、电磁制动器等几种。本次设计中因为采用伺服电机，所以拟采用电磁制动器作为保护机械手的制动器。电磁制动器的工作原理是在有励磁电流通过时，制动盘才会打开，不进行制动，但是当没有励磁电流通过时，制动盘就会关闭，进行制动，保护机械手。 第4章 控制系统的选择4.1 控制系统分类主要分为三种，分别是程序控制系统，自适应控制系统，人工智能系统。程序控制系统：通过控制每一个自由度，从而完成预定的运动轨迹。自适应系统：系统可以自动根据积累的经验或者为保证所要求的品质，在外界的环境变化时自行改善控制品质。人工智能系统：在运动前不进行编程，而是在运动不停地收集周围环境的信息，根据周围环境的变化确定控制作用。4.2 控制系统方案分析控制系统顾名思义就是对机械的运动进行控制，实现位置控制，速度控制等。目前的控制系统大多数是采用可以进行编程的点位控制。在各种控制方式中，PLC通用性高，编程方便，成本低，通用性好被广泛使用。这种编程方法相比其他的方法结构更为简单，具有更好的抗干扰能力，更小的体积，安装更为方便的特点。4.3 系统控制方案确定综合多方面考虑，本次设计确定采用PLC和交流伺服系统共同进行控制的方案。相比之前，如今交流伺服控制技术的应用越来越普遍，这也与这项技术近年来的快速发展有关系，目前的交流伺服控制激技术不仅保留了交流伺服电动机稳定可靠，经济耐用的优点，还克服了直流电动机维护电刷困难，价格昂贵等缺点。对于一个完整的伺服驱动系统来说，伺服驱动器、伺服控制器、伺服电机和检测元件都是必不可少的，并且这些都在一个闭环控制系统中运行。图4-1交流伺服系统控制框图控制器发出指令，驱动器提供动力给电机，电动机带动负载，输入控制器比较实际位置值和指令信息值是否一致，