【上下料机械人工作站设计（论文）】

上下料机械人工作站设计TOC\o"1-3"\h\u216011绪论 摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动刚健功能的自动化装置,它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。这个课题区别于传统的上下料机械手技术的装备，它不再使用工人的手动操作能力，它主要是以机械手这个技术为重点，其中就是要靠不同的机械等设备来进行运作，然后在运作的时候会涉及到控制这个方面主要是通过可控编程来进行运作以此来达到目的。而上下料机械手部分将会涉及机械手，它主要是通过手臂、移动机构以及控制系统来构成的。手臂的作用就是用来抓取零部件以及工件，它会随着被抓取的零部件不同的特征包括大小重量以及不同的须求来变换自己的不同结构形式。而机械手中的移动机构会控制着手臂并让它通过指令以达到不同的控制需求，改变被抓取零部件的各种形式。通过本文的研究与分析，为上下料机械手的实物制造提供了充分的理论依据，为后续的动力学分析及控制系统的进一步研究奠定了理论基础。关键词：结构设计；机械手设计；工业机器人1绪论1.1研究背景随着当代社会生产力发展趋势，对生产方面的要求也越来越高，它需要我们革新工作模式，以此来提高我们的效率。而同时老旧的人工生产模式越来越不能满足今后的生产模式，所以要进行发展就要从机械入手，而机械中，机械手的发展至关重要，它达到了社会发展所需求的提高效率方式，它也把人类从高风险以及高强度的工作中解放出来。而在特定的机械这个行业，机械手的作用更加被放大化，它在搬运、改装、重组零部件以及自动化的生产上面有着举足轻重的作用。当今社会生产，机械手的应用范围也越来越广，在高端制造以及生产技术中发挥着重大作用，比如：FMS。但目前我们国家在这方面的发展还处在初始阶段，与主要靠机械手生产的国家之间还存在着较大的差异，规模以及水平都还达不到正常需求水平，所以机械手的发展是符合当前社会需求的，它影响着我们国家的行业发展水平，所以发展机械手迫在眉睫。而且目前还存在着大量高危职业以及工作环境，这些都需要机械来渐渐替代，不但可以减少意外发生，还能带来高产能，比如在一些中型生产企业以及以人工为主的企业，它们的发展已经渐渐达不到社会需求，在部分生产方式上依然采用人力，这对未来的发展是不利的，比如在冲压成型这一块还在坚持用人力进行上下料。所以我将研究上下料机械手。[1]1.2研究意义为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。[2]目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下:机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。工业机器人控制系统正在向基于PC机的开放式控制器发展，便于标准化和网络化，模块化结构提高了整机的集成度，使控制柜更小，大大提高了系统的可靠性、可操作性和可维护性。此外，焊接机器人的装配采用了传统的位置、速度、加速度等传感器，而遥控机器人则采用了视觉、力等传感器，视觉、声音、力、，传感器融合配置是智能机器人的关键技术，结合上述相关技术，对该技术的设计与开发具有重要意义。[3]2数控车床上下料机器人的机械结构设计2.1机器人设计的基本要求本文主要是针对两台数控车床(组)的上下料，来设计一台机器人来替代人工完成车床的上下料，从而提高生产效率和产品质量。[4]如图2.1所示，为机器人实际工作中的布局图，机器人在两台数控车床的中间位置，物料箱与料盘分别在机器人的上下侧，其中心位置距离机器人的中心位置都为1200mm。更换末端执行器也可完成齿轮上下料工艺流程如图2.2齿轮上下料如图2.3所示，为机器人实际工作中的布局图，机器人在两台机械的中间位置。图2.1数控车床(组)的上下料图2.2齿轮上下料工艺流程图2.3齿轮倒角机和去毛刺机2.2机器人的基本组成机器人系统主要由机器人机械手、驱动装置、控制装置和传感器组成的。机器人的机械手部分主要包括底座、腰身、手臂、腕部、末端执行器和行走机构，它们共同形成一个彼此依赖的运动机构，也就是我们常说的机械系统。[5]每个部分都有一个或多个自由度，从而形成一个多自由度的复杂机构，驱动装置是机器人的重要组成部分。为了达到预期目的，最终驱动装置必须具有电源，即为机械系统提供电源的装置。[6]目前，机器人的驱动方式很多，不同驱动方式的机器人适用于不同的场合，而在目前的机器人驱动方式中，电驱动是应用最广泛的一种。另外，响应速度快，更重要的是驱动力大，可以精确控制机器人的轨迹。目前，常用的是步进电机或伺服电机。目前，大多数工业机器人使用谐波减速器、摆线针轮减速器或齿条减速器。控制装置通常由计算机控制。根据机器人发出的指令，即机器人的状态和环境条件，通过接收传感器的信号对数据进行处理，形状控制信号驱动每个关节完成机器人本体的特定运动结构和功能。[7]如果机器人能够接收到来自传感器的反馈信号，则说明该控制系统为闭环控制系统，反之则为开环控制系统。控制系统又分为两种控制，只控制机器人末端执行器的起始位置，而不关心其中间位置的运动轨迹，称之为点位控制，这种控制可以完成没有障碍物条件下的上下料、搬运等工作；而要求机器人以高精度到达目标点，则称之为连续路径控制，它适用于机器人喷漆、弧焊等工作。[8]2.3机器人类型的选择机器人根据坐标的形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式，而并联类型的机器人也是非常重要的一类。关节坐标式又分为水平关节坐标和垂直关节坐标。如图2.4所示。图2.4机器人的坐标类型直角坐标机器人有三个移动的关节，驱动手臂能沿直角坐标系的三个坐标轴X、Y、Z作直线运动，所以我们又称之单轴机器人，它是所有类型机器人中最简单的。它具有三个自由度，通过机构在三个相互垂直的坐标系中的相对运动，驱动末端执行器到达目标点，这种机器人刚度大，关节运动独立，易于实现高精度定位，但操作灵活性差，空间大。[9]圆柱坐标机器人由一个带旋转关节的机器人组成，其他关节为活动关节，在相同的工作条件下，机器人的位置精度略低于笛卡尔坐标系，运动轴的设计比较复杂，但控制简单，体积小，占用空间小，通常用于移动机器人。机器人的球面坐标系采用球面坐标系。球面坐标系的自由度与笛卡尔坐标系的自由度相同，但使用两个旋转关节代替移动关节。部件的位置由三个接头确定。机器人占地面积小，结构紧凑，但由于平衡性差，仓位误差大，在市场上很少使用。机器人关节类似于人工关节。腕关节可以有三个自由度，包括俯仰、旋转和摆动腕关节。机器人可以有六个自由度，适用于自动送料、喷漆、搬运等场合。关节机器人具有结构紧凑、空间小、工作空间大的优点，并且可以应用于几乎任何路径或角度的工作。[10]并联机器人是一种新型的机器人结构。通过组合各部件的运动，可以实现不同类型的动作，并给出末端执行器的运动轨迹。这种结构机器人具有良好的刚度，可以完成数控机床的功能，因此称为并联机器人。这种机器人可以完成复杂曲面的加工，特别是纳米加工，它是机器人功能的扩展。[11]由于本次设计的机械手在上下料时手臂具有升降，回转运动和夹持，所以相应的机械手具有三个自由度。而支撑整体机械手装置的机身由燕尾槽导轨带动，实现整体机械手装置的左右移动或行走，不在本设计考虑之内。因此，机械手的坐标型式采用圆柱坐标，相应的机械手共有三个自由度。2.4上下料机器人工作流程设计及技术要求2.4.1机器人的工作流程上下料单元是由两台机床，一台机器人，一个料盘和一个物料箱构成的，如图2.5所示。图2.5实际布局本次设计的机械手是普通车床上下料的机械手，此机械手为双手臂结构，双臂成90°分布在同一平面。其用途功能：机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作90°回转动作，其中一个手臂用于上料，另一个手臂用于下料；装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。[12]机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。此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，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。[13]2.4.2数控车床机器人的主要技术要求机械手的主要参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括两部分：(1)主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，而此次设计的该机械手的抓重30kg,升降行程300mm，最大回转角度90º。(2)基本参数运动速度是机械手的基本参数，运行节奏要求机械手的速度，低速设计限制了机械手的应用范围，影响机械手速度的主要因素是机械手的速度，除了运动速度外，手臂设计的基本参数还包括旋转行程，提升冲程和精确定位。大多数机械手设计为客厅或站立行走。过大的回转行程，必然带来偏转距增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的回转行程范围定为600mm。3气爪的结构设计采用夹持形式的手部他的构成是包括了手指和具有传力效应的元件。它的具有传力效应的元件的形式繁杂，像滑槽、斜楔和弹簧等等杠杆式的以及齿轮的齿条形式的。[14]气爪的夹持形式是最为普遍的，它包含了两个手指、三个手指以及多个手指的形式，再细分它可以根据夹持时候的部位不同分为了内外卡的形式，还可以根据它与人的手指动作进行仿真，把它分为一个支点、两个支点的具有回转效果的形式以及可以移动的形式，而其中的两个支点形式最为基本。它们三者之间可以切换，主要是通过支点之间的距离变化来实现，从二支点出发，当支点距离变小到无穷的时候，就变成了一支点，大到无穷就成了移动的形式。[15]具有回转效果的手指开关与闭合的角度小，而且其构造也很简易，运用的范围也广。具有移动形式的运用范围会比较小，而且构造也很繁杂，但当它在夹持不同直径的零部件的时候不会影响其自身的轴心的位置，那么它就能加工各种各样的工件。如下图所示：图3-1气爪设计这个设计的特点就是它运用了两个手指的形式以及内卡的形式，它的上下气爪是通过过盈方式来配合的，并且还通过销来结合的，如图3-1所示。在设计它的时候有下面这几个顾虑：a.应该具备足够握力(即夹紧力)在对手指的握力这方面进行判断时，顾虑到所需加工的工件自身的质量以及在实际过程中产生的影响，包括惯性的影响和振动的影响，以此来确定在实际运作过程中不会有过松情况导致的掉落等影响。b.手指之间必须有一个打开和关闭的角度。当不同的手指进行配合的时候，它们之间的开合角度达到极限状况所形成的角称为开闭角。此角用来使工件运作的时候能够成功地进入或者是脱落，如果在加工不同尺寸直径的工件，理应是选择最大的尺寸。而只具有移动形式的手指就没有这个顾虑。[16]c.保证工件定位精度为了能让手指与需要加工的工件之间的位置保持精确，要根据两者的外部条件以及特性来选择合适的搭配。例如圆柱形工作台接收V形指纹进行自动测量。d.应具备充足的强度和刚度手指在加工过程中会受到不同部位的影响，其中包括被加工的工件以及机械手的运作时候会产生惯性的影响，所以对手指的要求就是需要它的强度、刚度能足够高，为了避免发生损坏等影响，而且应当具有简易轻便的特点，能够让手部的正中心在工作的时候始终保持在一条围绕着手腕的具有回转特性的轴线上，以此达到最小力矩的效果。e.考虑被抓取对象的要求在机械手工作的时候，会有很多需求其中通过对比发现，我们要记得就是它的手部具有一个支点两手指具有回转效应的特点，但很多工件在加工的时候都呈现的是圆柱的形状，所以我们还要把它的手指设计为具有V型的特点。3.1手部夹紧气缸设计计算A．手部驱动力计算本课题冲床气压机械手的手部结构如图3-2所示，其工件重量G=10公斤，a=37.5mm,b=70mm,根据[1]摩擦系数为f=0.10。图3-2手部结构分析图a)观察它的手部特征的图示可以得出关于驱动力的结论：（3-2）b)观察手指在加工时对需要加工工件的大体方位把控，可得握力计算公式:（3-3）代入公式（3-2）得：c)参照[17]实际驱动力:（3-4）因为传力机构为齿轮齿条传动，根据[1]故取，并取若被抓取工件的最大加速度取a=g时，参照[17]则：（3-5）代入公式（3-4）得：因此在加工工件的时候，对它采取夹紧保持时所采用具有夹紧效应的气缸的驱动力为1191N.3.2回转设计计算能达到机械手的手臂具有回转效应的运动的要求的机构的形式是数量庞杂的，其中最为熟知的是具有叶片式的回转效应的缸体，还有具有齿轮的传动、具有链轮的传动以及连杆等等机构。在这个机械手的组成中，手臂部位具有回转效应的装置用到的是具有回转效应的缸体、转轴、定片以及具有回转效应的定位块、中间定位块和需要用液压来进行缓冲的缓冲器（它的位置可见附图）。它在工作的时候把空气压缩进来通过管道进入了缸体的两腔的时候，它会推动着里面的部件一起回转，包括了动片和转轴，而其中后者通过了平键使整个缸体内部进行运转。手胃也会作出类似的运动，因为转柱通过螺栓和手臂部位连结在了一起。[17]手臂部位具有回转效应的气缸的密封性很好，因为它应用的是靠密封圈的工艺，这对后期机械运作时它的精密度方面有了保障。手臂部分具有回转效应运作应用的是多个确定点位的具有缓冲效应的装置，它的工作的原理详见具有回转效应的用液压来缓冲的缓冲器部分。要确定手臂部分具有回转效应的角度的具体大小，是要靠调整两块具有回转效应的块件决定，是两个具有定位功能的块件。机械手工作的时候它的手腕部分具有回转效应的运作是运用的具有回转效应的只有单片叶的缸体，它工作的时候原理图如2-11所示，1与2相连，3与5相连。4把腔体割分为两部分。把压缩过的空气作为动力源从a注入，使得输出的轴作出与顺时针相反的运动，最后气体会从b被排出来。反之，运动情况相反。（其中1是定片，2是缸体，3是动片，4是动片封圈，5是回转轴）。图3-3回转气缸示意图3.3活塞杆材料活塞杆的加工要求：活塞杆表面需渡硬铬，防腐要求特别高的则要求先渡一层软铬，渡后在渡硬铬抛光。在恶劣的，腐蚀性较强的工作环境中，活塞杆应喷涂一种陶瓷涂层。[18]活塞杆外径公差直线度、表面粗糙度为活塞杆外径的圆柱度公差值，应该按8级精度选取。3.4安装导向环的作用安装在活塞外圆的导向环，具有精确的导向作用，并可以吸收活塞杆运动时随时产生的侧向力。带导向环的活塞，在缸筒内运动时非金属接触，因此，摩擦系数小，启动时无爬行。安装导向环后可以改善活塞与缸筒的同轴度，使间隙均匀，减少泄露。导向环采用耐磨材料，适用寿命长，磨损后便于更换。本次设计中依靠螺钉导向。3.5缓冲装置本实用新型涉及一种液压缸行程站缓冲装置，当活塞到达行程站时，可将活塞的负载降至零，其目的是消除活塞惯性力和液体压力对活塞和端盖的机械冲击，当改变运动方向时，还能减少液体发出的噪音。缓冲装置的工作原理是，当活塞杆到达行程末端，然后试图关闭部分或全部排油室时，通过节流孔排出，从而达到密封油对活塞惯性力产生适当的缓冲压力，达到减速制动的目的。[19]缓冲装置的结构可根据孔口的流动面积进行分类。如果可以在缓冲过程中自动更改，则通常可以分为固定节流和可变节流。由于本次设计的电动机座卸料机械手采用的是液压系统，还可以依靠单向阀来实现缓冲的目的。安装了缓冲装置可以预防产生严重的冲击，这样可以起到保护工件的目的。4机械手的手腕结构方案设计机械手臂的运动（包括要做的回转运动），本论文设计提供了一种操作器末端执行器在工作空间中的位置和运动以及安装在操作器臂末端的腕部。操作器腕部是操作器中最大的操作器。它与机械手一起移动，以实现空间运动轨迹和末端执行器在手腕上的位置，并完成所需的工作。在机械手腕部的设计过程中主要考虑到如下几点要求：机械手腕的自由度数，应根据作业需求来设计。机械手腕自由度数目多，各关节的运动角度越大，机械手腕关节的柔性越高，对工作的适应性越强，但自由度的增加必然会使腕关节结构更加复杂，机械手的控制更加困难，成本也会增加，因此，手腕的自由度应根据实际操作要求确定。在满足工作要求的基础上，自由度应尽可能小，一般机械手腕的自由度为2-3。有些需要更多的自由度，而有些机械手腕不需要自由度。只有手臂和腰部的运动才能实现所需的任务。为此，分析了具体问题，考虑了机械手的各种布置和运动方案，选择了最简单的方案满足要求。机械腕部安装在机械臂的末端。在机械手腕的设计中，应尽量减少重量和体积，结构应紧凑。为了减轻机械手腕的重量，控制手腕机构采用分离式传动，控制手腕通常安装在手臂上，不采用直接驱动力和高强度铝合金。机械手腕必须连接到末端执行器。因此，有一个标准的连接结构，以方便加载和卸载端部致动器。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液压缸。[20]4.1驱动方式的选择驱动装置主要是指带动臂部到达预定位置的动力源。动力通常通过电缆传递到臂上，目前有多种传动方式，包括电传动、液压传动、气动传动。表2-10不同驱动方式的比较在整个设计中，各自由度均采用液压驱动，之所以用液压驱动，是因为液压驱动具有以下优点：(1)调速范围较大，而且还可以无级调速，易于适应不同工作要求；(2)液压技术容易达到较高的单位面积压力，即驱动力或驱动力矩大；(3)由于液压机构一般重量比较轻，因而具有惯性小的特点，故而它的速度反应性比较好；(4)传动平稳，能吸收冲击力可以较平稳地实现频繁转向；(5)定位精度高；(6)液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑作用，可以提高机械效率，增加所有寿命；但液压系统也有一些不利因素：(1)液压泄露难以克服要求液压元件有较高的精度要求，这样将提高生产成本；(2)油液中如果混有气体，将降低传动机构刚度，影响定位精度，产生爬行；(3)油液的黏度会因温度的变化而变化，影响工作性能和传动性能，高温时会引起燃烧和爆炸。正因为液压传动有以上优点，故本次设计的机械手采用液压驱动。4.2机械人选型优点：全新的紧凑型设计：使机器人的最高荷重可达20kg，并使其在物料搬运、上下料以及弧焊应用中的工作范围得到最优化。IRB2600具有同类产品中最高的精确度及加速度，可确保高产量及低废品率从而提高生产率。灵活的安装方式：包括落地安装、斜置安装,壁挂安装,倒置安装以及支架安装，有助于减少占地面积以及增加设备的有效应用。壁挂式安装的表现尤为显著。这些特点使工作站的设计更具创意，并且优化了各种工业领域及应用中的机器人占地面积。所以选择IRB2600机械人。

结论这次的设计相较于传统的专一的上下料机械人，它是可控可调、应用范围更加宽泛的以工作站为基础的机械手。本次设计侧重于对如何控制数控车床上下料的工作流程完成最终的任务，如何替代人工进行物料工件的转运，还介绍了该系统的具体设计的方案以及最终成型并能工作的内容，这部分内容包含的方法对加强巩固机械手的拓展和移植起到了积极作用，并且还提升了课题机械手和对其自身的控制方面的效率，最终为更复杂的机械手的设计提供了更多的经验和思路。本次设计采用的是具有高可靠性和高灵活性的上下料的机械手来进行掌控，这还可以实现对时间的控制以及对路程的掌控。最终通过改变了程序的手段达到让机械手更加具有实用性，让机电实现共体化的最终目的。作为对机械手起到指挥命令作用的系统，此次设计的控制系统主要是通过掌控以驱动为主体的系统，达到执行器依照最初的要求运行，还能对其准确性能进行检查。本次设计主要是