三自由度机械手腕的设计教学提纲

1、河北理工大学毕业设计（论文）目 录PAGE PAGE 目录 TOC o 1-6 h z HYPERLINK l _Toc170549417 摘要 PAGEREF _Toc170549417 h HYPERLINK l _Toc170549419 Abstract PAGEREF _Toc170549419 h 2 HYPERLINK l _Toc170549420 1绪论 PAGEREF _Toc170549420 h 3 HYPERLINK l _Toc170549421 1.1工业机器人简介 PAGEREF _Toc170549421 h 3 HYPERLINK l _Toc1705494

2、22 1.2 工业机器手简介 PAGEREF _Toc170549422 h 3 HYPERLINK l _Toc170549423 2工业机器人手腕的总体设计 PAGEREF _Toc170549423 h 4 HYPERLINK l _Toc170549424 2.1机器人手腕总体设计概述 PAGEREF _Toc170549424 h 4 HYPERLINK l _Toc170549425 2.2腕部的结构特点 PAGEREF _Toc170549425 h 6 HYPERLINK l _Toc170549426 2.2.1 概述 PAGEREF _Toc170549426 h 6 HY

3、PERLINK l _Toc170549427 2.2.2单自由度手腕 PAGEREF _Toc170549427 h 6 HYPERLINK l _Toc170549428 2.2.3二自由度手腕 PAGEREF _Toc170549428 h 7 HYPERLINK l _Toc170549429 2.2.4三自由度手腕 PAGEREF _Toc170549429 h 7 HYPERLINK l _Toc170549430 2.2.5柔顺手腕结构 PAGEREF _Toc170549430 h 8 HYPERLINK l _Toc170549431 2.3 腕部的驱动机构 PAGEREF

4、_Toc170549431 h 9 HYPERLINK l _Toc170549432 2.4设计要求 PAGEREF _Toc170549432 h 10 HYPERLINK l _Toc170549433 3 机器人手腕的机械系统设计 PAGEREF _Toc170549433 h 11 HYPERLINK l _Toc170549434 3.1三个自由度的实现 PAGEREF _Toc170549434 h 11 HYPERLINK l _Toc170549435 3.2传动机构的设计 PAGEREF _Toc170549435 h 13 HYPERLINK l _Toc17054943

5、6 3.3手腕内部其他结构的设计 PAGEREF _Toc170549436 h 14 HYPERLINK l _Toc170549451 4三维造型的绘制 PAGEREF _Toc170549451 h 25 HYPERLINK l _Toc170549452 4.1 造型软件简介 PAGEREF _Toc170549452 h 25 HYPERLINK l _Toc170549453 4.2典型零件的绘制 PAGEREF _Toc170549453 h 28 HYPERLINK l _Toc170549454 结 论 PAGEREF _Toc170549454 h 54摘 要摘要在工业上，

6、机器人有着广泛的应用，尤其是在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染的场合。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，它的作用是调整或改变工件的方位。本设计为三自由度工业机器人手腕，可以在两个方向上旋转在一个方向上弯转。三维造型采用的造型软件为Pro/ENGINEER, Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。本文是对整个设计工作和造型过程较全面的介绍和总结。关键词：三

7、自由度，机器人手腕，工业机器人1绪论PAGE 81绪论1.1工业机器人简介工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分的代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音，以及带有放射性和污染

8、的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 1.2 工业机器手简介机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序。以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械，记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子，军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的铸造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工

9、件传送。这种机械手在国外称为Mechanical Hand，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工程程序一般是固定的，因此是专用的。机器人手腕是机械手的一部分。手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，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，为使机器人末端执行器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）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定

10、位精度等有关。2 工业机器人手腕的总体设计工业机器人手腕的总体设计2.1机器人手腕总体设计概述手腕是连接末端执行器和手臂的关键，是联接手部与臂部的部件，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，为使机器人末端执行器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）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个，2个，或比3个更多。手腕自由度的选用与机器人的通用性，加工工艺性，工件放置方位和定位精度等有关。（a）腕部坐标系 （b）手腕的俯仰（c）手腕的偏转 （d

11、） 手腕的回转图1 腕部的坐标系确定末端执行器的作业方法，一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成，组合的方式有多种多样。常用的如图1所示，腕关节配置一般由臂转、腕摆、手转三部分组成。臂转 绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。腕摆 使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。手转 使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。图2（a）所示的腕部关节配置为臂转、腕摆、手转结构，图2（b）所示的为臂转、双腕摆、手转结构。英文关键词的每一个字母均小写，每个关键词之间用半角逗号分开，最后一个关键词后不打标点符号。不用此信息时，删除此框。图2 腕部的偏转轴线手腕的设计除应满足起动和传递过程中所需的输出力矩

12、外，还要求满足以下要求：（1） 由于腕部处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求腕部结构紧凑、减少重量和体积。腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。（2） 手腕部件的自由度越多，各关节的运动范围越大，动作灵活性越高，但会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此不应盲目增加手腕的自由度。通用的机器人手腕多配置3个自由度，某些专用工业机器人的手腕，根据实际需要，可减少其自由度。（3） 为提高腕部动作的精确性，应提高传动的刚度，尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。 （4） 对手腕各回转关节轴上要设置限位开关，以防止关节超限造成事故。2.2腕部的结构特点2.2.1 概述腕部

13、结构通常只采用转动方式，但也有的腕部可作短距离平移。 根据转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为弯转（用B来标记）和滚转（用R来标记），分别如图3中（a）和（b）所示。图3 腕部的运动形式2.2.2单自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。 图4 单自由度手运动形式2.2.3二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成B

14、B关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。相邻关节的转轴具有平行或垂直关系的手腕称为简单手腕，是目前工业机器人用的最多的手腕结构。 图5 二自由度手腕运动形式2.2.4三自由度手腕有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。其中BBR型的手腕最为流行。（c） （d） （e） （f）图6 三自由度手腕运动形式2.2.5柔顺手腕结构在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，工件的定位夹具，机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难，因此就提出了装配动作的柔顺性要

15、求。柔顺性装配技术分为两种：（1）主动柔顺装配：从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。一般手爪要配有检测元件如视觉传感器、力传感器等。如图（2）被动柔顺装配（Remote Center Compliance）：从结构的角度在手腕配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。两种柔顺手腕的比较：主动柔顺手腕：（1）需要装配一定功能的传感器，价格较贵；由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。（2）可以在较大范围内进行对中校正，装配间隙可少至几个微米，通用性强。被动柔顺手腕：（1）允许的校正补偿量受到限制，轴孔间隙不能太小。（2）结构比较简单，价格便宜，装配相对速度快。2.3 腕

16、部的驱动机构腕部关节可以采用远程驱动或直接驱动。由于作业要求的不同，手腕的自由度数及其配置也会有不同，因此手腕的驱动机构大体分为两类：（1）直接驱动手腕： 驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。图7 手腕驱动机构（2）远距离传动手腕：有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。图8 手腕的传动机构2.4设计要求本课题所设计的是一个三自由度的机器人手腕，由法兰固定在机器人小臂上，分别用三个直流伺服电机对其进行驱动。手腕主要分三

17、部分：一部分是通过法兰和小臂固结在一起，可实现腕部的回转运动；一部分是围绕轴的摆动；另外一部分就是手爪的回转运动。3 机器人手腕的机械系统设计PAGE 133 机器人手腕的机械系统设计3.1三个自由度的实现第一个自由度是绕图中所示的轴线的旋转运动，该自由度的实现是由臂部带动整个腕部转动实现的。如图9图9 第一个自由度的轴线第二个自由度是手部的旋转，绕图中所示的轴线旋转。如图10第三个自由度为手腕沿图示轴线腕部的弯转实现的。如图11图10 第二个自由度的轴线 图11 第三个自由度的实现3.2传动机构的设计初步设计拟定如下图的设计方案。本手腕可以实现两个方向上的旋转和一个方向上的弯转。第一个自由度

18、是由电机M1带动齿型带带动空心轴5，实现整个腕部的旋转。第二个自由度是由电机M2带动齿型带带动空心轴6，通过斜齿轮8和18的啮合传动，再通过谐波减速器10带动机体旋转实现的。第三个自由度是由电机M3带动齿型带带动芯轴7，通过斜齿轮16，17的啮合传动，再通过14，15之间的带传动，再经由12，13啮合，通过谐波减速器11实现的。图12 传动机构平面图图13 传动机构三维图3.3手腕内部其他结构的设计腕部的弯转关结内部轴承采用两个圆锥滚子轴承背靠背布置得结构，这种布局主要是因为此部分将承受较大的轴向力，当手腕旋转到此部分朝下的方向时，整个手腕包括手部的轴向负载都将作用在此对轴承上。所以本手腕采用

19、了两个圆锥滚子轴承背靠背布置的结构如图14。图14 腕部垂直剖面图当手腕处于垂直位置时，腕部与手联结的部分也将承受较大的轴向力，故采用了相似的结构。图15 腕部水平剖面图传动过程中采用的是圆弧形齿形带传动，它具有很多优点：传动比准确；传动效率高达98%；传动平稳，能吸收振动，噪声小；结构紧凑，速度可达50m/s。传动功率可达300kw；维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐蚀截至的恶劣环境中工作，不需润滑。该腕部结构具有以下特点：（1）传动比分配采取先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少了传动零件的尺寸和重量；（2）对大质量零件均采用铝材，从而大大减轻了腕部的自重。为解决铝件和钢螺纹连接问

20、题，设计采用了压入钢螺母法。因此，该手腕设计结构简单，紧凑轻巧，避免干涉，传动灵活，多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上，使外形整齐，设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去，运动传入腕部后再分别实现各个动作。它具有传动精度高、结构紧凑、运动轻便、灵活、平稳、速度快、起动时间短、质量轻等优点，组装成整机后可用于点焊、弧焊、搬运等工作。4三维造型的绘制PAGE 42 4 三维造型的绘制4.1 造型软件简介本设计采用的造型软件是Pro/ENGINEER野火版2.0，Pro/ENGINEER Wildfire野火版2.0以其易学易用、功能强大和互连互通的特点，推动了整个产品开发机构中

21、个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，又能提高产品质量。Pro/ENGINEER野火版2.0构建于Pro/ENGINEER野火版的成熟技术之上，包括了400多个增强功能，它使CAD系统的互连互通性能又上了一个新的台阶。 第一 满足“3D制图”需求 如最近发布的ASME Y14.41标准和制订中的ISO 16792标准所描述的那样，越来越多的制造商希望从3D模型中获取制造、监测和采购所需的信息。造成这一需求的主要原因是绘制2D制图成本较高，且经常会因误解图纸而带来诸多问题。Pro/ENGINEER野火版 2.0通过提供注解功能（Annotation Features）来满足这种需求，它

22、能让用户在3D模型中获取和管理传统2D制图的信息。这样就确保了尺寸、公差、曲面光洁度、GD&T以及其它关键设计信息的交换更加准确。 第二 处理其它CAD数据的能力更强 作为PTC全面致力于CAD系统间数据公开交换的又一证据，Pro/ENGINEER野火版2.0新增了与三套应用系统之间的CAD数据交换。现在，Unigraphics Release 18、Unigraphics NX和CATIA V5可以通过PTC的相关拓扑总线（Associative Topology Bus）专利技术与其进行数据交换，这进一步扩大了Pro/ENGINEER与非原生工具之间的连通范围。另外，Pro/ENGINEE

23、R野火版2.0还支持从SDRC I-DEAS中导入数据。这些改进再加上原有对许多直接转换工具和通用建模核心的支持，使Pro/ENGINEER野火版2.0成为目前最开放的CAD系统。 第三 常用用户界面工具更加普及 Pro/ENGINEER野火版2.0 提供了许多用户一直期望的常用桌面工具。 现在，所有对特征、组件和制图的操作都具有多级撤销/重复（Undo/Redo）功能。这意味着，如果用户错误地删除、重定义或修改了某些内容，只需一个简单的“撤销”操作就能恢复原状。另外，像其它桌面应用一样，Pro/ENGINEER野火版2.0 还提供了复制和粘贴（Copy and Paste）功能。用户可以使用

24、非常熟悉的复制 (CTRL+C) 和粘贴 (CTRL+V)命令和组合键来方便快捷地把特征和几何体复制到模型的其它区域。Pro/ENGINEER野火版2.0还为特征的建立提供了更优秀的基准曲线。当使用基准曲线来建立一个或多个特征时，如果用户不有意打破关联，则这些特征仍然与原曲线关联。这一功能改进了模型中的自顶向下设计方法。 第四 Pro/ENGINEER 应用系统界面的持续新颖 PTC对Pro/ENGINEER野火版软件中最常用的一些用户界面进行了大幅的改进。Pro/ENGINEER野火版2.0与时俱进。例如，大多数常用的详细设计操作都已摒弃了传统的菜单管理器（Menu Manager）。所有的

25、制图新建和编辑操作现在都可以通过一个直观、统一的图形界面来完成。另外，绝大多数的钣金设计命令都已全面更新，它们充分利用了Pro/ENGINEER野火版中的仪表板概念和图形化预览技术。所有结构和热仿真命令都从菜单管理器移植到顶层菜单栏上，从而使用户更方便更快捷地找到命令。其它方面的改进包括：全新的测量和分析工具、增强的搜索工具、制造和仿真功能区的HTML报告功能。 第五 更轻松地建立更高质量的设计 使用Pro/ENGINEER野火版2.0，用户比以往任何时候都更容易建立更高质量的设计。首先，它提供了一个全新的故障检修工具，使用它，可以更清楚地了解特征失败的原因。它能让用户快速诊断故障发生的原因和

26、区域，并提供了可能的故障处理方案。另外，这一故障检修工具还能把故障信息作为模型注释记录在文档中，或者作为以后故障处理的参考资料。 ModelCHECK是Pro/ENGINEER中一套独特的系统，它不仅能大大提高产品设计速度，还能确保模型质量和一致性。但到目前为止，却有许多企业回避使用ModelCHECK，因为它的最初配置比较繁琐。Pro/ENGINEER野火版2.0提供了一个全新的图形界面来配置ModelCHECK，从而使用户能够轻而易举地建立、查找和编辑配置，以达到企业标准和最佳方法。另外，这一新的用户界面还提供了在线帮助的直接链接，从而使这一操作更加简单。 第六 更强大的高级设计工具 Pr

27、o/ENGINEER野火版2.0包含了许多提高复杂设计开发速度的新功能和新工具。例如，新的模板（Pattern）功能可以让用户围绕任意轴或在任何方向上摹制特征，而不用考虑原特征是怎样建立的，也不必局限于原特征的任何尺寸。以前，要集成带角模型，必须首先“准备轴模型的资料”。另外，圆特征也更加强大，可以更好地处理较小的边缘。此外，该系统现在能够自动把模型的所有凸面或所有凹下去的边缘变得圆滑。Pro/ENGINEER野火版2.0还提供了许多处理翘曲（Warp）特征的强大功能，并增强了对裁剪（Trim）、延伸（Extend）、镜像（Mirror）、和移动（Move）等各种操作过程的控制。 第七 方便灵

28、活的管理 Pro/ENGINEER野火版2.0提供了一个令人振奋的新功能，它能让用户从许可服务器中“借”用Pro/ENGINEER许可，并在断开服务器后继续使用这些许可。用户比以前任何时候都能更轻松地在客户那里或在家里使用Pro/ENGINEER。PTC重新设计了PTC.Setup ，合并并删除了一些不必要的屏幕，从而使用户更容易安装和设置Pro/ENGINEER野火版2.0。流行的用户界面简化了安装步骤。从PTC许可管理器（PTC License Manager）到PTC帮助（PTC Help），PTC.Setup新的工作过程都使安装变得非常简单。 第八 整个设计过程中都有了更好的反馈 Pr

29、o/ENGINEER野火版提供了更新更简单的设计属性分析工具。全新的曲线和曲面（Curve and Surface）分析用户界面降低了该过程的复杂性，单击鼠标即可变换一种分析方法。由此而产生的易用性提高了评估和改进设计的灵活性，从而最终提高了效率和产品质量。另外，Pro/ENGINEER野火版2.0还提供了一种被称为偏移分析（Offset Analysis）的新工具，它可以实时查看Pro/ENGINEER中曲线和曲面上的补偿效果。这使得用户能够及时准确地发现与外形和复杂操作相关的问题并及早解决。Pro/ENGINEER野火版2.0还提供了新的动态反射分析（Reflection Analysis

30、）（或条形码处理）工具，这对核查曲面和连接质量非常有用。最后，经改进的实时渲染工具可以反映出环境对模型的感观影响，让空间外观在模型内得到反射。环境映射不仅确保了真实性，而且能让用户在进行高质量的静态渲染之前快速设置适当的反射参数。 第九 高效的NC过程 Pro/ENGINEER野火版2.0是供制造业使用的最高版本。从模具制造到生产加工，所有人都会从新的制造过程（Manufacturing Process）管理器中受益。这一全新的图形用户界面使使用者能轻而易举地获得NC过程信息以及所有制造信息。在这个可定制的先进界面中，可以执行许多操作。可以根据草图或XML模板建立NC路径（刀路轨迹）、可以逐个

31、或者一起修改路径、可以使用简单的“拖放”操作来重新调整路径、可以合并以优化路径、可以复制和粘贴路径，可以计算路径时间、可以归档和仿真路径。全新的图形用户界面、起始制造零件定义功能以及可以直接操作制造模型树上的功能等特点，可以提高NC编程人员的效率，使他们能把精力集中在优化零件制造过程上。 其它许多与制造相关的新功能可以帮助用户计划生产过程。使用Pro/ENGINEER野火版2.0，制造部门的用户可以充分利用先进的绘图功能，该功能通过移去标准工具和整体工具的线路，提供了遮挡加工仿真。Pro/ENGINEER野火版2.0提供了模具制造者的专用功能，它能直接处理STL数据和新的抛光刀路轨迹，它能一次

32、快速完成深浅不同的加工。另外，该系统还提供了独特的生产加工新功能，它支持多端工具以及直角顶端等特殊配件。 第十 互连互通 Pro/ENGINEER野火版2.0 进一步增强了过程参与者之间的互连互通。例如，在用户将模型检入到产品数据库时，ModelCHECK可以帮助他们去除那些没有达到企业标准或非最优的模型。 PTC对系统的点到点设计会议功能进行了许多改进，从而使设计协作比以前任何时候都更容易，例如，用户能够很方便地使用电子邮件，把会议邀请从会议中心（Conference Center）发出、能直接访问储存在Windchill ProjectLink 和 Winchill PDMLink中的数据

33、。另外，系统还提供了一个新的设计与会者管理（Design Conferencing Participant）软件包，它甚至能让那些不拥有或无权使用Pro/ENGINEER的人加入现场设计会话。一旦连通，参加设计会议的人员就可以操作所有关键功能，比如：与他们的小组成员共同控制设计会话，而无论这些成员身在何处。4.2典型零件的绘制本部分将叙述如下零件的绘制过程。图16 屏幕截图首先打开Pro/ENGINEER野火版2.0主界面点选 文件-新建，输入文件名，其余保持缺省设置，单击确定，进入绘制零件界面图17 屏幕截图图18 屏幕截图点击 编辑-旋转 命令，选取如图所示草绘平面图19 屏幕截图单击 草绘 按钮进入草绘界面，绘制如下草图图20 屏幕截图完成草绘形成如下模型图21 屏幕截图点选 拉伸 按钮，选取如图草绘平面图17 屏幕截图草绘如下草绘截面图22 屏幕截图设置拉伸深度