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缝纫机针摆动机械手设计
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2666 缝纫机针摆动机械手设计,2666,缝纫机针摆动机械手设计,缝纫机,摆动,机械手,设计
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缝纫机针摆动机械手设计绪 论 工业机械手是一种新型的自动化操作装置。它可以根据作业的要求，按照预先确定的程序搬运物体、装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具去完成一定的作业。因此它可在繁重、高温和多粉尘等劳动条件较差的作业中，部分地代替人工操作。 工业机械手首先在机床上应用是作为设备的一个附属装置，用以上下料。随着电子技术的发展已逐步成为一个独立的自动化装置，并扩大应用到铸造、加工、焊接、组装和喷漆等作业中。机械制造工业中笨重的体力劳动作业较多，迫切需要进行技术改造。而机械手的研制和应用将是改善生产劳动条件，提高产品质量和效率的有效手段之一。也是新技术革命的主要内容。 这次的设计便是为了更快速的作业。而在缝纫机针抛光自动线上，用机械手来代替手工抛光的操作，缝纫机针在各摆动机械手指间，根据抛光工艺过程，依次调头、传递并进行抛光作业。通过摆动机械手在抛光自动线上的摆动，手臂回转、手腕回转与夹持运动来完成缝纫机针的上下料运动，以达到抛光作业的目的。1 工业机械手的简介1.1 什么是工业机械手工业机械手是一种能按给定的程序或要求,自动地完成物件(如材料，工件，零件或工具等)传送或操作作业的机械装置,它能部分地代替人的手工劳动.较高级型式的机械手,还能模拟人的手臂动作,完成较复杂的作业.在工业生产中出现的矛盾促使采用新的技术设备，即操作机（操作工具）。机器，特别是机床的装卸，操作过程之间工件的传送，工件的储存和取出，焊接，锻造，压制，喷漆和其它许多工艺操作过程等，这些表面看来程序不复杂，通常不需要有特别技能的工人，但却要由人的手和手臂结合运动过程操作。工业机械手是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的组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。从以济方面看，工业机械手能够提高生产率，保证产品质量，降低废品率，提高基本装置的载荷能力。从技术方面看，操作机的使用与小批量生产中增长的产品质量及自动化生产有关。在大批生产者中自动化程度最高，在成批或小批量生产中自动化程度次之，例如数控机床，在辅助操作时自动化程度最差。1.2 工业机械手的发展简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立了万能自动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatrar机械手，愿意为灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转；臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimateion-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型的机械手后，大力从事机械手的研究。目前，日本的机械手产量占世界首位。在日本使用机械手最多的是汽车行业，其次是电机、电器。工业机械手分为三代。第一代为：主要依靠人工控制，控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听，想的能力；研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立地完成工作过程的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。随着工业机械手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机械手会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机械手的发展和应用问题。现在专用机械手以过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代.由于通用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制.智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械,液压,气动等基础知识,而且还应用一些电子技术,电视技术,通讯技术,计算技术,无线电控制,仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术.目前国内外对发展这一技术革新都有很重视。几十年来， 这项技术革新的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域在不断地扩大。早在四十年代， 随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。五十六十年代即制成了传送和装卸工伯的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。一九六八一九七0年，又相继把通用机械手用于汽车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。七十年机械手可以说是处于技术发展阶段。根据部分统计，机械手的大致情况如下：目前圆柱坐标式的较多；插销板或凸轮程序的较多；机械式手指抓取方式的较多；存贮步数为1049的较多；液压驱动的较多；臂力小于30公斤的较多；手臂4个自由度的较多；作业空间为110米立方的较多；线速度小于1000毫米/秒的较多 ；角速度小于180度/秒的较多；定位精度小于3毫米的较多。从控制方式来看，点位控制占90%左右，而连续轨迹控制占10%左右。国外自一九七0年以来， 已召开过几次国际机械手会议（几乎每年召开一次）。有的国家（如日本）还成立了机器人协会。机械工业中，应用机械手的主要目的，一是解决生产过程自动化，二是改善劳动条件，降低劳动强度，提高劳动生产率和降低产品成本。因此要求机械手成本低，品种多样化，零件，部件系列化，通用化，标准化，性能稳定可靠。(1) 降低机械手的成本为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。如六十年代有的机械手其电控装置的成本占全部成本的75%，现在已下降到35%。(2) 品种多样化为了适应不同工作的需要，就使机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。特别是那些工作比较单一，重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种（如热加工），更就注意设计和使用各种类型的机械手。(3) 零件，部件系列化，通用化，标准化，为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造的周期。这样， 就要求机械手的某种零件（如手指的指型等），部件（如手部，臂间等），系列化，通用化，标准化。然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件，部件（或再相应地增加一些其它零件，部件）进行组合，组成所需要的机械手。当然，这样的机械手还应保证组合 方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利地生新组合。(4) 产品性能应准确可靠机械手重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。可此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。目前，在国外广泛应用的“再现式”通用机械手，虽然一般也都具有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或在其工作之前由人，领动一次，而后机械手即可按领动的工作内容自行正确地完成再现协作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机器人就是第三代了。1.3 工业机械手的应用简况及应用的意义在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但是还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产的批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工时间仅占零件生产时间的5%。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。从一些资料上可见：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所变化。下面是在国内机械工业应用机械手的简况，以及国外机械工业发展和应用简况。一：热加工方面的应用，机械手在铸造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造生产的面貌。国外对电炉炼钢过程中采用机械手进行大量的研究。二：冷加工方面，冷加工机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具的安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要手段。国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。如在轴类、螺栓、气阀等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要设备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。三：拆装修方面，拆装修是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。现今随着科学技术的发展,机械手也越来越多地被应用.在机械工业中,铸,锻,焊,铆,冲压,热处理,机械加工,装配,检验,喷漆,电镀等工和都有应用于的实例.其它部门,如轻工业,建筑业,国防工业等工作中也均有所应用.在机械工业中,应用机械手的意义可以概括如下:（1）可以提高生产过程的自动化程度.应用机械手,有利于实现材料的传送,装卸,刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本.（2）可以改善劳动条件,避免人身事故.在高温,高压,低温,低压,有灰尘,噪声,臭味,有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的.而应用机械手即可部分或全部人替人安全地完成作业,使劳动条件得以改善.在一些简单,重复,特别是较笨重的操作中,以机械手人代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故.（3）可以减少人力,并便于有节奏地生产就用机械手代替人手进行工作, 这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面.因此,在自动化机床和综合加工自动线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产.综上所述,有效地应用机械手, 是发展机械工业的必然趋势.2 机械手的组成、分类2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构、控制系统三大部分组成。2.1.1 执行机构执行机构包括手部，腕部，臂部，立柱，和基体等构件组成:(1) 手部（或称抓取机构）手部是夹持工件的构件。它由手爪和夹紧装置两部分组成。手爪有夹紧和松开动作。夹持式手爪的形式与人的手指相仿。主要起抓取和放置物件的作用。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。(2) 腕部是联接手部和臂部的构件，起支撑手部的作用。它可以有俯仰，左右摆动和回转三个运动。特殊情况可以增加一个横向移动。有的机械手没有手腕动作。(3) 臂部是支撑手部，腕部的构件。机械手的臂部是为取代人的手臂而研究设计的，但它却达不到象人臂的灵巧和适应功能。因此，只有把结构简化，把运动轨迹分为沿三坐标轴线方向往复移动和绕三坐标轴线进行回转。(4) 立柱是支撑手臂等构件的。一般机械手的立柱为固定不动的，也有的因工作需要立柱作横向移动，此种称可移动式立柱。2.1.2 驱动部分 驱动部分是驱动臂部，腕部，手部的动力源，常用的有液压，气压，电力和机械式等四种形式。（1） 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸，油马达加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便并能在中间位置停止。缺点是需配置压力源，系统复杂，成本较高。（2） 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压达、气阀等，一般采用46个大气压，个别的达到810个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。（3） 电气驱动采用的不多，电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。（4） 机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，缺点是不易于调整。2.1.3 控制部分 控制部分是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序），位置和时间（甚至速度与加速度）等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制的占98%以上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。2.2 机械手的分类2.2.1 按用途分类1. 专用机械手：专用机械手是专一为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业。如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适用多种作业的需要。2. 通用机械手：通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同的物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统。通用机械手又分简易型、示教型、示教再现型和智能机械手、操作式机械手等几种。工业机械手便属于通用机械手。2.2.2 按控制型式分类1. 点位控制型机械手：点位控制型机械手的运动轨迹是空间两个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。2. 连续轨迹控制型机械手：这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它在三维空间中作极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂。控制方式分开关式和伺服式两种。2.3 机械手的参数机械手的参数有规格参数和基本参数以及其他参数。规格参数有：1. 主参数：抓重（臂力）额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤。2. 自由度数目和坐标型式：整机、手臂及腕部共有几个自由度。3. 定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；各自由度设定的位置数目或位置信息用量（多少点）；点位控制或连续轨迹控制。4. 驱动方式：液压、气压、电动和机械基本参数有行程；速度；定位精度；程序编制方法和程序容量；受信、发信数目；控制系统动力。其他参数有驱动源；手抓部分；轮廓尺寸；重量。3 设计方案的拟定3.1工业机械手总体设计的原则总体设计的任务，包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整机结构设计，最后绘出方案草图，总体设计之后要进行各部件的强度，刚度，驱动力的计算。运动设计及确定主要参数：运动设计是结构设计的基础，它包括选用机械手的运动形式和确定自由度数。通用机械手是为了满足不同的生产上的要求，通常是56个自由度，采用作业范围较大的园柱坐标和求坐标的运动形式。专用机械手一般运动简单只要23个自由度就能满足特定的工艺要求。专用机械手的运动设计应根据生产条件满足条件的与动形式，力求合理。最少的自由度数，达到机械手机构最简单。机械手的运动取决于生产工艺，主机和料道的空间位置和工件在料道上的方位。专用机械手的运动设计要求采用多种方案进行比较的方法，对自由度数，运动路程的长短，定位点数目等全面分析。自由度数少，运动路程短，定位点少可使用的机械手结构简单。运动速度低，机械手的运动易稳定，定位准确。设计的具体步骤如下：（1） 按生产条件和要求选定工艺操作路线。（2） 根据工艺操作路线选择最合适的臂部运动形式。（3） 将机械手的运动分解为各个独立的自由度。（4） 画出机械手运动简图，进行方案比较。确定主要参数：抓取重量是机械手设计的重要措施，在用机械手抓取重量就是工件的重量。通用机械手的抓取重量是在规定的运动速度下，能抓取的工件重量的最大值，它是根据通用机械手使用范围来确定的。必要时除规定出标准运动速度的抓取重量之外，可给出。3.2工业机械手总体设计的目的机械手总体设计的目的是根据生产的具体要求进行总体方案设计，以选择和确定其型式，基本参数，控制方式，驱动方式和结构形式。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本。第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，能把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。现在，都在加紧研制智能机器人也就是第三代机械手。 3.3 工艺要求机械手是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的一种有力工具。若要使用权一个生产过程自动化，需要对各种机械化，自动化装置进行综合的动手术和经济分析，确定使用机械手是否合适。设计人员要熟悉工艺要求，深入实际调查研究，吸取工人的合理化建议，参加具体工艺实践。 一般的工艺要求有:(1) 生产工艺和各种机械设备由于 生产特点不同，对机械手提出的要求也不同。如全切机床和自动线，加热泪盈眶炉，压力机，铸造生产线，装焊生产线等机械设备对机械手的运动形式和范围，机型，安装位置，运动速度等提出的要求。此外，对于热加工工艺本身的特点，例如高温，粉尘，有害气体及高速频繁工作等，对机械手的设计提出了一些特殊的要求。又如在热处理和锻造时，机械手要深入炉内或直接抓取高温的工件，因此认真考虑防热及冷却问题是很重要的。(2) 输送料装置和储料装置决定了工件在上料前和下料后在空间所处的位置和状态。而这种位置和状态对机械手的结构形式的确定有直接的影响。帮在制定设计方案时，必须对这些要求给予充分的注意。(3) 工作现场的善对机械手的机型有直接的具体要求。若机械手用于机床上下料，而且场地许可，可选择地面固定式；若受场地面积限制，而且是固定程序的专用机械手，可把机械手放置在机械设备上；若需要扩大机械手运动范围或利用一台机械手进行多机床管理，则可选择地面轨道式或悬挂式。(4) 对机械手通用性的要求不同的生产特点对机械手通用性所提出的要求是不同的。在大量生产时，例如在组合机床自动线上，往往只需将机械手固定在一定位置进行一种工件的上下料，这时只需专用机械手便函可满足要求。在成批生产时，需要在某些设备上加工几种类似零件，因而需要对工作顺序，位置及抓取机构有一定的可适应能力，这时需设计简易通用机械手来满足这种要求；在中小批生产时，机械手要在一定的范围内适应不同的工作要求，需要迅速而方便地变更工作程序和运动轨迹，有时甚至要进行电视遥控或者需要机械手本身具有相适应症的能力，这些就需要用通用机械手来满足这些要求。3.4 机械手的管路布置 管路布置是结构设计的重要问题，机械手常用的管路为油路，气管，水管及电气线路，管路布置的基本要求是：牢固，整齐，便于维修。常用的管路布置方法为机械手常采用内部走管，多用缸壁和活塞杆钻孔通油，通气。在导向杆中装伸缩管通油，在立柱中钻孔安装回转配油盘等。机械手的机构形式不同内部走路的形式各异3.5 电控系统的选择及定位方法机械手电控系统有各种内型，除专用机械手外，多数要专门进行电控系统的设计，本次设计是专用机械手，采用的是电子程序控制。定位方法是确定机械手各个运动机构的起始位置和最终停止位置的方法，称为机械手的定位方法。机械手的定位方法分为以下几种：1 机械定位方式：这种方式是用固定挡扳与限位开关配给或机制动器定位。这种定位方式结构比叫简单，定位精度（重复定位精度）较高，用途较广。但机械磨损较快，因此使用寿命短。2 数控定位方式：它是以数字代表行程，即一定的数字代表一定的行程位置。当达到规定的数值时，便达到规定的位置，其定位精度不太高。3 用电位计设定位置和检测：采用这种定位方式，既可在固定的位置上进行定位，又可通过在需要的位置上增设电位计的方法增加定位点数，可实现多点定位。而本次设计的定位方式为：手臂回转的两端点位置（即0180度）用死挡铁定位；手臂俯仰的两面三刀端点位置用活塞与端盖相碰定位。手腕回转的两端点位置用动片和定片相碰定位。4 缝纫机针摆动机械手的概况4.1 缝纫机针摆动机械手的用途 缝纫机针摆动机械手的用途是在缝纫机针的抛光自动线上，用四台机械手代替手工抛光的操作。4.2 规格参数抓针数量： 7080只自由度数： 3个座标型式： 类似球座标手臂回转范围： 0180度手臂回转速度： 90度/秒手臂俯仰范围： 030度手腕回转范围： 0180度定位方式： 手臂回转的两端点位置（即0180度）用死挡铁定位；手臂俯仰的两面三刀端点位置用活塞与端盖相碰定位。手腕回转的两端点位置用动片和定片相碰定位。缓冲方式： 手臂回转用单向可调节流缓冲阀和油缸端部缓冲；手臂信仰和手腕回转用油缸端部节流缓冲。驱动方式： 液压，它是在机械手中液压驱动是用的最多的方式。控制方式： 电子程序控制4.3 缝纫机针摆动机械手的配置及工作原理摆动机械手在抛光自动线上的配置是由震动式顺针机，上料工作台 ，机械手，抛光轮（四台）和装针斗（四台）组成。每台机械手分别由电子程序控制器根据机械手动作要求所编制的程序，依次控制液压系统的电磁换向阀，从而使机械手进行各种动作。自动线操作过程如下：机械手1在上料位置，工人将要抛光的针整齐后送到待夹料位置，发讯启动，手1的手指将针夹住，然后手臂顺时针回转90度到抛光轮位置（此时抛光轮旋转并左右移动），手臂上下摆动一次，手腕 回转180度，手臂再上下摆动一次，手臂顺时针再回转90度，手1和手2同到换夹针位置，手2先将缝纫机针夹住再发讯号，手1手指才松开，并开始时复原动作，即手臂反时针回转180度，同时手腕反向回转180度，到达上料位置等待下个工作循环，手2重复着上述动作。缝纫机针就在各机械手间依次调头，传递，抛光，当手4抛光完了其手臂转到下料位置 时手指松开，将抛光好的针卸到装针斗中。至此，第一组抛光工序结束。如图4.1所示 图4.1 全自动线工作原理图4.4 缝纫机针摆动机械手的组成部分该摆动机械手由手臂上下摆动部分，手臂回转部分，手腕回转及夹持式手部，单向可调节流缓冲阀，机械手运动方向控制阀和电气控制装置等组成。手臂上下摆动（即俯仰）系采用一只双作用油缸来实现。活塞杆上端连接在手臂上，连接点到手臂摆动点之间有一定距离，因此，当活塞杆上下运动时，手臂就形成个杠杆而上下摆动。手臂左右回转系采用回转油缸来实现。手臂回转有三个停止位置，即上料点，（起点），工作点，下料点（终点）。三个停止位置的检测是通过永久磁铁和干黄管来达到的手腕回转是由回转油缸实现的。手指的夹紧动作是由一个单作用油缸通过活塞杆外夹式手部带动手指而夹紧缝纫机针的。手指夹紧程度可以调节。单向可调节流缓冲阀，能实现手臂回转运动的缓冲。由油路分配板、二位四通电磁阀、二位三通电磁阀和三位四通电磁阀，组成机械手运动方向的控制装置。机械手的动作程序由电子程序控制器进行控制。5 机械手手臂俯仰部分的设计5.1 手臂的组成手臂是机械手的主要部分，它是支承手腕、手指和工件并使它们运动的机构。臂部一般有下列几部分组成：（1） 动作元件：如直线缸，回转缸，齿条齿轮，连杆凸轮等，它是驱动手臂运动的元件。动作元件与驱动相配合，就能实现手臂的各种运动。（2） 导向装置：手臂在静止状态，要承受由夹持工件重量所产生的弯曲力，以及由于载荷不平衡而产生的扭转力矩，在运动时又有一个惯性力。为保证手爪的正确位置和动作元件不受较大的弯曲力，手臂必须设置导向装置。（3） 臂：手臂上的动作元件，导向装置和其他装置都要安装在臂上，起支承，连接和承受外力的作用。所以要求手臂具有足够的刚性，以免承重后发生变形产生颤动。（4） 其他装置：如管路，冷嘲热讽却装置，位置检测机构等。5.2手臂的设计要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为了实现这些运动，需要满足下列几项基本要求。（1） 臂部应承载能力大，刚性好，自重轻 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和的定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚性，各支承、连接杆的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力根据上述要求，地设计手臂时，要对其进行挠度计算，其变形量应小于许可变形量。我们知道悬臂梁的挠度计算公式为：Y=QL3/3EJ5.1式中： Y挠度；E弹性模数；Q载荷；J惯性矩；L悬臂长。从上式可知，挠度与载荷，悬臂长成正比，而与弹性模数，惯性矩成反比。在Q与L值已确定的情况下，只有增大EJ值，才能减少梁的弯曲变形，所以，为了提高刚度，从材质上考虑意义不大，主要应选用惯性矩大的梁。在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管，工字钢和槽钢的惯性矩要比无缝钢大得多，所以，机械手中常用无缝钢管作导向杆，用工字钢或槽钢作支撑板。这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重。（2） 手臂的运动速度要高，惯性要小机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定的，但不宜盲目地追求高速度。手臂由静止状态达到正常的运动速度启动，以及由常减速到停止不动制动，速度的变化过程为速度特性曲线。手臂自重轻，其启动停止的平稳性就好。（3） 手臂动作要灵活要使手臂运动轻快灵活，手臂的结构必须紧凑小巧，或运动臂上加滚动轴承或采用滚珠导轨。对于悬臂式的机械手手臂上零部件的布置要合理，以减少回转升降支承中心的偏重力矩。不然，会引起手臂振动，严重时会使手臂与立柱卡住别坏。（4）位置精度要高机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在结构上还要注意以下几点：1手臂的刚性好，偏重小，惯性力小，则位置精度就容易控制，所以设计手臂时要周密考虑和计算；2还要合理的选择机械手的坐标形式，一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；3在手臂上加设定位装置和自动检测机构，来控制手臂运动的位置精度；还要减少或消除各传动，啮合件的间隙。（5）机械手的通用性要好，以适应多种作业的要求；工艺性要好。手臂要便于加工和安装；用于热加工机械手，还要考虑热辐射的影响，手臂要长些，使用权驱动部分远离热源，并装上冷却装置；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。上面这些要求，往往是互相影响和互相制约的，设计时应全面分析各方面因素，综合考虑。5.3 手臂摆动结构5.3.1手臂上下摆动机构简介球坐标式的机械手臂部在垂直面内作上下摆动运动；圆柱坐标式的机械手臂部在垂直面内做上下升降运动。在机械手相同高度的情况下，球坐标式臂部的作业范围要大的多。所以，坐标形式为球坐标式。球坐标式的机械手，其臂部上下摆动机构，通常是用双作用油缸的活塞杆端部与联接圈用铰链连接，并通过连接圈与手臂固定联接油缸下端盖与油缸支座铰链联接。当压力油分别进到双作用油缸的上下两油腔时，使活塞上下运动，通过联接圈使手臂绕摆动支点做上下摆动。活塞上下运动到两端时，靠活塞两端的三角形节流槽和缸盖相碰而定位。确定油缸工作压力及工作面积。油缸的工作压力p1，阻力P和油缸的内径D有以下关系：D= 5.2 式中：D油缸的直径P油缸阻力p1油缸工作压力d活塞杆直径由上式可看出，D和p1 均为未知数，一个方程式不能求出两个未知数。此时，可根据人作压力与阻力的关系表初步定出油缸工作压力p1。 当阻力小于500公斤时，油缸工作压力小于8-5公斤/平方厘米。当阻力在小于500-1000时，油缸工作压力在15-25公斤/平方厘米范围，阻力在小于1000-2000公斤时，油缸工作压力在小于25-35公斤/平方厘米范围。当阻力小于2000-3000公斤时，油缸工作压力在小于35-45公斤/平方厘米。当阻力小于3000-5000公斤时，油缸工作压力在小于45-55公斤/平方厘米。当阻力小于5000-10000公斤时，油缸的工作压力在小于55-100公斤/平方厘米。表5.1 油缸工作压力与活塞杆直径的关系油缸工作压力p1（公斤/平方厘米）205050 p170推荐活塞杆直径d(0.30.4)D(0.50.55)D(0.620.7)D0.7D本课题是上下推动机械手臂，油缸所需最大推力约500公斤，油缸工作压力在1525公斤/平方厘米范围，设本系统油缸最大工作压力为23公斤/平方厘米， 由式样 D= =60 mm 即油缸直径为60mm由上表5.1可知，活塞直径d=0.5D=30 mm5.3.2 手臂上下摆动机构及缓冲双作用油缸的活塞杆端部与联接圈用销钉连接，并通过联接圈与手臂固定联接，油缸下端盖与油缸支座销钉联接。图5.1 手臂上下摆动机构当压力油分别进到双作用油缸的上下两油腔时，使活塞上下运动，通过联接圈使手臂绕摆支点作上下摆动。活塞上下运动到两端时，靠活塞环两端的三角形节流槽和缸盖凹孔形成节流缓冲，并由活塞与缸盖相碰而定位。专用机械手及简易型通用机械手常用的缓冲方法，可大致分内缓冲和外缓冲两种。内缓冲是在驱动系统内设置缓冲环节，例如在油路中设置缓冲回路，缓冲元件，在油缸设置缓冲机构。大多数液压驱动的机械手采用内缓冲的方法。外缓冲是在驱动系统之外设置缓冲机构。固定行程的机械手多数采用油缸端部节流缓冲装置。其原理是在活塞的两端加工一定长度的凸台（即缓冲柱塞）；在油缸两端盖上，相应地加工两凹槽，其间隙很小，有的还在凸台上做出锥形的三角槽或在端盖上钻一小孔节流。当活塞运动到凸台进入凹槽时，在油塞端部便形成一近乎封闭的缓冲油腔。活塞继续前进时，缓冲油腔中的压力升高，阻止活塞运动。这时油便从凸部间隙和三角节流槽或小孔挤出，达到活塞减速的目的。最后由于阻力增加，速度减慢，机械手在停止前的速度接近于零。这种缓冲装置结构简单，效果较好。但只能用于行程固定的情况下，在专业机械手中被广泛采用。端部缓冲的缺点是缓冲室小，节流间隙不能调整；由于缓冲室截面较小，用于缓冲的油量就小，所能吸收的冲击能量就小；由于节流间隙不可调，就不能控制适当的减速度；用端部缓冲，活塞的起动力变小，起动时间延长。6 机械手手臂回转部分的设计6.1 手臂回转结构在这里表示了手臂回转单向可调节流缓冲阀和死挡铁定位等结构。手臂回转结构如下图所示。图6.1 手臂回转结构在底板上固定连接着立柱，立柱上装有支撑座，油缸分配柱和回转套，三者彼此分别与回转套，转柱用螺钉连接，回转缸壳体与动片亦用螺钉连接。在转柱上支承着配油盘和连接圈，转柱和配油盘间油孔对应情况如下，连接圈可绕o点摆回转油缸的定片与回转缸轴（两者用螺钉连接）通过十字联轴器与立柱连接。当压力油经立柱内的油路，油路分配器，经管路而进入回转油缸内，使回转缸壳体回转，并带动联接圈使手臂回转。6.2 手臂驱动力矩的计算根据手臂运动的不同，驱动力可分为两种情况来计算。1 水平伸缩运动时，主要是克服摩擦阻力和惯性力 P驱=F摩+F惯6.1式中 F摩摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力、活塞与密封装置处的摩擦阻力 F惯手臂在启动过程中的惯性力。其大小可按下式计算； 6.2其中 G手臂移动部件的重量（公斤） g重力加速度9.8（米/秒2） 启动或制动前后的速度差（米/秒） 起动或制动所需的时间（秒）2手臂回转时产生的驱动力矩为：M=J=J/t=(J1+J2) /t6.3式中： 角加速度；起动或制动前后的角速度差；J臂部回转件对回转中心的转动力惯量；J1臂部零件对其重心的转动惯量；J2臂部零件作为其重心位置的质点对臂部回转中心的转动惯量。式中：J2=G/g26.4回转半径；计算J1时，可把形状复杂的零件划分为几个简单的几何形状来计算。在有关书中可分别查出其J1的计算公式。现列几种几何体J1的计算公式：圆柱体 J1=m(L2+3R2)/126.5圆盘 J1=m R2/2 6.6长方体 J1=m(a2+b2) 6.7根据实际要求 ，将臂部简化为直径为100毫米的圆柱体。=0.785 rad/st=1 sJ1=m(L2+3R2)/12=0.2219X60(602+3X102)/12=4327.05 cm4J2= G/g2=0.221960502/9.8=3396.43 cm4J= J1 +J2=7723.48 cm4所以 M=J=J/t=(J1+J2) /t=7723.48X0.785/1=6062.93 KN.cm=M/W式中：M手臂回转时产生的惯性力矩W抗扭截面系数其上W=3.14D3/16=3.14103/16=196.25= M/W=6062.93/196.25=30.89 MPa=35 MPa可知 手臂在回转时符合设计的要求从上述公式可知，减少惯性力矩，可采取下列措施：1 减少手臂运动件的重量，如采用铝合金等轻质材料；2 减少手臂运动件的轮廓尺寸，使手臂结构紧凑小巧；3 减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，一般是先缩回再回转或尽可能在较小前伸位置下进行回转动作。4 驱动系统中加设缓冲装置。6.3 回转油缸缸盖固定螺栓直径校核 回转油缸缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应力和扭应力，其螺栓直径可下式校核d6.8F为油缸负载约 F200NZ为固定螺栓个数 Z8k为螺纹拧紧系数k=1.12-1.5 取K1.3 =s/(1.2-2.5),s为材料的屈服点 640/1.3=492.3 Mpa 所以 d=0.33cm=3.3mm 设计中采用的螺栓直径d=6mm3.3mm 满足强度要求 。 活塞杆稳定性校核 对受压的活塞杆来说，一般其直径d应不小于长度l的1/15. 即此处d=20mm l=80mm 即d/D=20/80=0.25 不小于1/15 稳定性符合要求。7 机械手手腕回转与夹持手部的设计7.1 手腕的定义及作用手腕是连接手指和手臂的结构，它使手指能从不同的角度夹紧和松开工件，以增加机械手的灵活性，手腕的运动和特点是手腕可作回转、上下弯曲（摆动）和左右摆动三个动作，即三个自由度。用得较多的就是通过手腕的回转运动，而上下摆动可以通过手臂来实现，这就简化了手腕的结构。手腕的三个自由度是用来调整该工件（或工具）的方向用的。由于手腕是装在手臂的前端，所以手腕动作精度是综合的定位精度，它直接受手臂的定位精度和刚度的影响。手腕和手臂的动作关系是：手臂的三个自由度是用来使工件（或工具）做上下、左右或前后往复移动和定位用的，而手腕的三个自由度是用来调整工件的方向用的。手腕的动作虽不多，但是它要求结构极其紧凑。在具有足够力量的情况下，重量尽可能要轻，手指的夹紧机构往往要与手腕机构同时考虑。手腕回转90度，可采用摆动油缸，该油缸的转轴又可兼做手指夹紧油缸之用，这种复合结构布置紧凑，重量轻。在设计手腕部件时，要求结构简单、紧凑、小巧。手腕动作的动力源要从手臂内部通过，使手腕在摆动时，油缸不至于扭转。并要求能随时根据工件需要更换手爪，以扩大机械手的应用范围。7.2 手腕回转和夹持式手部的结构如下图所示为手腕回转和夹持式手部的结构。手臂支承着手腕回转油缸和手部。手腕回转半径缸的壳体通过端盖与手臂用螺钉联接，回转缸动片与转轴因定联接，通过转轴右端的牙嵌式联轴器把运动传给夹紧油缸和夹紧缸顶盖，致使手部和手指及橡皮垫子共同回转。当压力油经油管经过二位四通（手腕回转用）与二位三通（手指夹紧用）两个电磁换向阀和油管流到转柱和配油盘，其中油孔用油管接到手臂上油孔，将压力油通到手腕回转油缸内，使手腕回转180度。该油缸采用端部单向节流缓冲，定片和动片相碰定位。配油盘上的油孔，用油管接到手臂上的油孔处，将压力油通到手部的夹紧油缸的左腔，推动带圆锥的活塞杆 ，使钳口板座绕可调座上轴销摆动，使手指边同橡皮垫夹紧缝纫机针。夹紧缸活塞杆靠弹簧复位，并和弹簧共同作用下使手指松开图7.1手腕回转和夹持式手部的结构7.3 夹紧力的计算为了把工件夹牢，两个摆动的手指对工件的夹紧力的可按下式计算：N=K1K2K3G 7.1 式中：K1安全系数一般取1.22;K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。它可以近似按下式估算，其中g是重力加速度；K3方位系数；G被抓取工件的重量 又：Pdy=2Nbd7.2所以：N=(P/2b)dy/d 当该手爪水平夹紧重量为G的工件时，根据工件的力平衡条件R2=R1+G, 可以看出了上下两面手爪，对工件的夹紧力并不相等，而且随夹紧缸的驱动力P增加而增大，但R1 和R2的差值永远为工件的重量。使R1=0,R2=G是夹紧缸驱动力最小的情况，这时最小驱动力P可以由下述方法求出。根据虚位移原理有：Pdy=R1d+R2d7.3将 R1=0,R2=G代入，求得： P=Gbd/dy 代入上式求得： N=Pdy/2b=1/2G.。7.4腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服以下几种阻力。腕部回转支承处的磨擦阻力矩M1克服由于工件重心偏置，所需的力矩M2；克服起动惯性，所需要的力矩M3手腕回转所需力矩应当等于上述三项之和：M=M1+M2+M37.4如果当手腕回转部分的转动惯量不是很大时，手腕起动过程所产生的惯性力矩也不大，为了简化计算可以将计算的M1,M2适当放大，而省略掉M3，这时手腕回转所需的力矩可近似写为：M=1.1(M1+M2) 7.5根据实际，手爪，手爪驱动油缸及回转油缸转动件等为一个等效为圆柱体，高为500mm,直径为45mm,其重量为G=20N摩擦阻力矩 M1=0.1M起动过程所转过的角度 =180等速转动角速度 =150/秒M3=0.0175(J+J1)2/2J=GR2/2g=200.02252/(29.8)=0.00052 Kgm27.6工件近似看成长方体J1=m(a2+b2)=（0.032+0.152）=0.0225+0.0009=0.0234 Kgm27.7M3=0.0175(0.0234+0.00052)1502/360=0.026 NmM=M1+M2+M3因为：M2=0 ; M1=0.1MM=0.1M+0.026M=0.0289 Nm可知满足要求7.5对手部的要求7.5.1 手指的抓取机能是由被抓取物件和手指决定的被子抓紧取物件的大小，形状，重量，材质和受外力的约束程度及运动（抓紧取运动的物件）情况，决定了手指的大小，形状，个数，种类，配置和动作，而这些又决定了手指头的抓取机能（即该手指能抓紧取的极限尺寸；手指对物件的约束和握紧程度；抓取精度定位精度等）。7.5.2 手指握力的大小要适宜握力过大， 则需要较大的动力源和结构，不经济，并可能损坏物件；握力过小，由于物件的自生以及传送过程中的惯性力和振动等而抓不住物件。在通常情况下，所需要的握力是物件重量的23倍。机械手的手指握力应当是可调的。但由于专用机械手常用于 批量较大，物件比较单一的场合，因此，只要有适宜的握力，虽不可调，也还是可以的。7.5.3要有足够的夹紧距离无论哪种类型的手部，抓取物件时，要使用权物件能够顺利地进入手指；而放置物件时，物件又应易于摆脱手指的约束。因此要有足够的夹紧和脱开距离。夹紧后，物件的重心就应尽量接近手腕的对称轴线，以保证物件对手腕的偏生力矩最小。各构件要有足够的刚度和强度，而自重要轻；结构简单，修理方便；动作迅速，灵活，准确。8 液压系统工作原理8.1 液压控制液压是机械手的一种主要控制形式。机械手的运动速度和操作是根据油的流量与压力来确定，因而只要控制油的流量与压力，就可以控制手的运动速度和操作力，油压力一般在5-140公斤/厘米2范围内，最大臂力可达160公斤以上。液压元件主要有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。1 方向控制阀能引导或阻止液流通过某选定的通道，它只起开关作用，而不能调节流量和压力。它通常是两通、三通和四通型，可以采用手工或机械传动、气动和电动进行操作。2 压力控制阀用于调节油路压力，可分为溢流阀和减压阀两类，可以是单级（直接作用式）也可以是两级（复合式）。溢流阀是常闭的，达到最大压力时才开启，将多余流量从旁路流掉，以保持调定的压力。减压阀常开的，它的关闭是为了对管道中液流进行节制，以保持某一最低压力。此外，与减压阀结构近似的压力控制阀，还有安全阀或过载溢流阀，背压阀，卸荷阀，分载阀，降压阀以及冲击抑止阀等。3 流量控制阀用来调节油路中的流量，其结构形式也很多。从简单的两通针阀、球阀、闸门阀直至固定式和可调节式带压力补偿的流量控制阀等。分流阀减速阀也是流量控制阀的一种特殊形式。而此次由于抛光自动线有四只机械手，故液压系统由四个完全相同的分支系统组成。每个分支系统以SY1,SY2,SY3,SY4表示，如图所示。图8.1 液压系统工作图表8.1 机械手的动作程序和电磁铁的动作顺序序号动作名称 电 磁 铁1DT2DT3DT4DT5DT6DT 1手指夹紧 + - - - - - 2手臂右转90度 + + - - - - 3手臂向下 + - + - - - 4 手臂向上 + - - - - - 5手腕翻转180度 + - - + - - 6手臂向下 + - + + - - 7手臂向上 + - - + - - 8手臂右转90度，加抛光膏 + + - + - + 9手指松开 - - + - - 10手臂左转90度 - - - + + - 11手臂左转90度，手腕反转180度 - - - - + -具体工作情况如下：1. 压力油从油箱出来进入滤油器，通过定量泵，再流过单向阀，此时二位四通电磁换向阀的电磁铁1得电使手指夹紧；2. 随后，三位四通电磁换向阀的电磁铁2得电，手臂右转90度；3. 此时，二位四通电磁换向阀的电磁铁3得电，手臂向下摆动；4. 在电磁铁失电后手臂就向上摆动；5. 在当二位四通电磁换向阀的电磁铁4得电时，手腕就回转180度；6. 再交重复动作，使二位四通电磁换向阀的电磁铁3得电，手臂向下摆动；7. 在电磁铁失电后手臂就向上摆动；8. 三位四通电磁换向阀的电磁铁2得电，使手臂再右转90度，并且二位四通电磁换向阀的电磁铁6得电，是为了加抛光膏；9 . 在此以上，二位四通电磁换向阀的电磁铁1一直得电，在这时失电手指松开；10. 三位四通电磁换向阀的电磁铁5得电，手臂左转90度；11. 二位四通电磁换向阀的电磁铁4，此时失电手腕反转180度；三位四通电磁换向阀的电磁铁5得电，手臂再左转90度。9 什么是自动线9.1自动线的定义及特征自动线是：在一个自动机床的系统中，使毛坯或半成品以一定的节拍，按工艺顺序自动地经过各个工位，完成预定的工艺过程，最后成为工艺要求的制成品。则这种用运输设备联合起来的自动机床系统与其他各种设备的有机组合体。也称为自动生产线。自动生产线的特征为：除了在工艺上具有流水生产的一般特征以外，它具有自己的特点。如在自动线中，各工序的基本工艺操作和辅助操作以及工件在工序间的运输，都是不需要工人运输而是自动进行的；全线具有统一的自动操纵系统；它比流水线具有更严格的生产节奏等等。9.2自动线的类型自动线可以按不同的特征进行分类。1 根据组成自动线的机床类型可分为：通用机床自动线，专用机床自动线，组合机床自动线等。2 根据工作性质可分为：切削加工自动线，装配自动线，热处理自动线等。3 按照工件分：旋转体零件（轴类，盘类，环类零件）自动线，一般都有采用机械手在机床之间传送工件；加式箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有个别地采用了机械手。9.3自动生产线中机械手在自动生产线中除机床和控制系统外，将工件从一个工位传到下一个工位的工作的自动运输设备是自动线中最重要的机构；它从外部结构上把自动线中的各台自动机床联系成为一个整体。自动运输设备的形式与零件的结构特性，工艺过程的特性以及自动线工艺装备的类型和布局有关，因而其结构形式是多种多样的。根据现有自动线在工序间传送零件的方法和所用运送机构，可以将自动运输设备归纳为列三类:1输料槽，提升机构；2步进式运料机；3机械手。机械手作为自动运输设备的一种相比于其他两种而言可以用在多数类型的机床上自动装卸及运输各种零件，例如轴类，盘形，块状，板状及其他形状复杂的零件等。并且由于机械手可以实现自动线中一般运输器难以实现的动作，所以它在自动线中亦广泛地作为运输设备。自动线对机械手的一般要求是:1能准确可靠地完成预定的各项动作；2要求具有一定的握力及工作速度；3要有准确地定位精度，能将零件可靠地装上夹具；4有较大的通用性，同一自动线上的机械手无论在结构上或尺寸上应力争通用，万能性要好，只要作小量的调整或只用极少的附加设备，便能满足各机床或各工序所提出的求；5在保证上述要求的前提下，结构应力求简单，制造容易，调整方便。10 机械手的可靠性及经济效果我们在研究此次毕业设计的摆动机械手时，还应注意到机械手的可靠性问题以及有着多大的经济效果。10.1 机械手的可靠性标志机械手的可靠性有两个慨念，一个为故障间平均运行时间（Mean Time Between Failure）简称MTBF，以小时计算。另一个是停机时间（Downtime）。故障平均运行时间越长，说明其可靠性越高。反之，时间间隔越短，则说明使用中的机械手故障较多，修理频繁。停机时间，即机械手发生损坏以至停机，直至修复重新投入使用的时间。停机时间的长短和损坏程度及维修时间长短有关。故障平均时间与停机时间相互有关，由于它还要加上修理平均时间这一个因素，因而故障间隔平均时间与停机时间之间是非线性的关系美国Unimate公司是创建机械手的一家公司，对机械手的可靠性的研究也是最深入的。他们认为：当故障间平均运行时间保持在500小时左右时，在机械手的元件设计、系统设计，机械手制造和质量控制中，不需要特殊的要求无需付出过高的代价。当然机械手的可靠性是很复杂的，目前只用估计、统计的方法来加以预测。10.2 经济效果为了在工业生产中有效地应用机械手，必须进行技术经济效果的综合分析，并采取必要的技术组织措施以更好地发挥工业机械手的效用。评定和分析工业机械手技术经济效果的主要对象是购置机械手的费用和投资的回收。但还需考虑到工业机械手的特性和整个设备装置的可靠性。影响机械手经济效果的因素很多，主要有二个方面：一方面为支付方面；二为节约、回收方面。通过一些分析资料可知：工业机械手主要适用于成批和小批量生产的领域。对计划稳定，专业范围狭窄的大批量及大量生产中采用机械手来代替自动后半自动化作业就不一定合算。据资料介绍，设置工业机械手的费用一年左右就能回收，可提高劳动生产率35%，降低废品率3%。只要选择机型适当，作业场地分布合理，生产有节奏地进行，采用工业机械手可以获得较大的技术经济效果。因此，设计机械手时也得充分考虑可靠性与经济效果的因素。致谢此次设计在陆老师的悉心指导下得以顺利完成，通过这次毕业设计将以往所学的机械设计，机械制图，气压与液压传动，互换性与测试技术等多门学科加以综合应用，有所谓“温故而知心”通过这两个多月来的设计，使自己对以往所学的知识又有了很深程度的理解与掌握。对马上就要工作的我们来说，毕业设计是一个很好的体验方式。可以说通过这次毕业设计，对我的工作也有着很大的帮助。毕业设计马上就临近了结束了，对于我们这些机械设计专业的学生来说，这段时间里是一个很不错的学习机会，指导教师给予了我们大力的帮助，也使我们充实了本专业的知识，为即将走向工作岗位打下坚实的基础。在这段时间，对软件的实际应用有了进一步的撑握，比如有CAD, 文本的处理等。这是个机会，也是个体验；这不是大学学业的结束而是向着更高层次的开始。无论最后成败，只要努力，只要付出过，总会有回报的。老师，世界上最最伟大的人。在此次毕业设计中，陆老师及其他指导老师对我的帮助将使我终生难忘，大学四年，是人生很美好的一段时期，而在最后的时刻，大家又是有多少的话语想说啊，惜惜离别，对老师的感激之情不是用语言就能表达的，在这四年里，老师们对我们的教诲将是我们最大的财富。在此特向指导教师陆伟光老师，和其他教师对我们的帮助表示衷心的感谢。参考文献1 巩云鹏 田万禄 张祖立 黄秋波 主编 机械设计课程设计 东北大学出版社 2000年出版2 陆祥生 扬秀莲编著机械手理论及应用 中国铁道出版社 1985年出版3 七.二一大学编著 工业机械手 辽宁人民出版 1978年出版 4 广州业大学编著 液压传动 广东科技出版社 1979年出版 5 大连理工大学工程画教研室 编 机械制图 高等教育出版社 1999年出版6 孙志礼 冷兴聚 曾海泉 魏延刚 主编 机械设计 东北大学出版社 2000年出版7 上海市电动工具研究所编译 国外工业机械手及其应用 上海科学技术情报研究所 1977年出版 8 王承义 主编 机械手及其应用 机械工业出版社 1981年出版A Rapidly Deployable Manipulator SystemChristiaan J.J. Paredis, H. Benjamin Brown, Pradeep K. KhoslaAbstract: A rapidly deployable manipulator system combines the flexibility of reconfigurable modular hardware with modular programming tools, allowing the user to rapidly create a manipulator which is custom-tailored for a given task. This article describes two main aspects of such a system, namely, the Reconfigurable Modular Manipulator System (RMMS)hardware and the corresponding control software.1 IntroductionRobot manipulators can be easily reprogrammed to perform different tasks, yet the range of tasks that can be performed by a manipulator is limited by mechanicalstructure.Forexample, a manipulator well-suited for precise movement across the top of a table would probably no be capable of lifting heavy objects in the vertical direction. Therefore, to perform a given task,one needs to choose a manipulator with an appropriate mechanical structure. We propose the concept of a rapidly deployable manipulator system to address the above mentioned shortcomings of fixed configuration manipulators. As is illustrated in Figure 1, a rapidly deployable manipulator system consists of software and hardware that allow the user to rapidly build and program a manipulator which is customtailored for a given task. The central building block of a rapidly deployable system is a Reconfigurable Modular Manipulator System (RMMS). The RMMS utilizes a stock of interchangeable link and joint modules of various sizes and performance specifications. One such module is shown in Figure 2. By combining these general purpose modules, a wide range of special purpose manipulators can be assembled. Recently, there has been considerable interest in the idea of modular manipulators 2, 4, 5, 7, 9, 10, 14, for research applications as well as for industrial applications. However, most of these systems lack the property of reconfigurability, which is key to the concept of rapidly deployable systems. The RMMS is particularly easy to reconfigure thanks to its integrated quick-coupling connectors described in Section 3.Effective use of the RMMS requires, Task Based Design software. This software takes as input descriptions of the task and of the available manipulator modules; it generates as output a modular assembly configuration optimally suited to perform the given task. Several different approaches have been used successfully to solve simpli-fied instances of this complicated problem. A third important building block of a rapidly deployable manipulator system is a framework for the generation of control software. To reduce the complexity of softwaregeneration for real-time sensor-based control systems, a software paradigm called software assembly has been proposed in the Advanced Manipulators Laboratory at CMU.This paradigm combines the concept of reusable and reconfigurable software components, as is supported by the Chimera real-time operating system 15, with a graphical user interface and a visual programming language, implemented in OnikaAlthough the software assembly paradigm provides thesoftware infrastructure for rapidly programming manipulator systems, it does not solve the programming problem itself. Explicit programming of sensor-based manipulator systems is cumbersome due to the extensive amount of detail which must be specified for the robot to perform the task. The software synthesis problem for sensor-based robots can be simplified dramatically, by providing robust robotic skills, that is, encapsulated strategies for accomplishing common tasks in the robots task domain 11. Such robotic skills can then be used at the task level planning stage without having to consider any of the low-level detailsAs an example of the use of a rapidly deployable system,consider a manipulator in a nuclear environment where it must inspect material and space for radioactive contamination, or assemble and repair equipment. In such an environment, widely varied kinematic (e.g., workspace) and dynamic (e.g., speed, payload) performance is required, and these requirements may not be known a priori. Instead of preparing a large set of different manipulators to accomplish these tasksan expensive solutionone can use a rapidly deployable manipulator system. Consider the following scenario: as soon as a specific task is identified, the task based design software determinesthe task. This optimal configuration is thenassembled from the RMMS modules by a human or, in the future, possibly by another manipulator. The resulting manipulator is rapidly programmed by using the software assembly paradigm and our library of robotic skills. Finally,the manipulator is deployed to perform its task.Although such a scenario is still futuristic, the development of the reconfigurable modular manipulator system, described in this paper, is a major step forward towards our goal of a rapidly deployable manipulator system.Our approach could form the basis for the next generation of autonomous manipulators, in which the traditional notion of sensor-based autonomy is extended to configuration-based autonomy. Indeed, although a deployed system can have all the sensory and planning information it needs, it may still not be able to accomplish its task because the task is beyond the systems physical capabilities. A rapidly deployable system, on the other hand, could adapt its physical capabilities based on task specifications and, with advanced sensing, control, and planning strategies, accomplish the task autonomously.2 Design of self-contained hardware modulesIn most industrial manipulators, the controller is a separate unit housing the sensor interfaces, power amplifiers, and control processors for all the joints of the manipulator.A large number of wires is necessary to connect this control unit with the sensors, actuators and brakes located in each of the joints of the manipulator. The large number of electrical connections and the non-extensible nature of such a system layout make it infeasible for modular manipulators. The solution we propose is to distribute the control hardware to each individual module of the manipulator. These modules then become self-contained units which include sensors, an actuator, a brake, a transmission, a sensor interface, a motor amplifier, and a communication interface, as is illustrated in Figure 3. As a result, only six wires are required for power distribution and data communication.2.1 Mechanical designThe goal of the RMMS project is to have a wide variety of hardware modules available. So far, we have built four kinds of modules: the manipulator base, a link module, three pivot joint modules (one of which is shown in Figure 2), and one rotate joint module. The base module and the link module have no degrees-of-freedom; the joint modules have one degree-of-freedom each. The mechanical design of the joint modules compactly fits a DC-motor, a fail-safe brake, a tachometer, a harmonic drive and a resolver.The pivot and rotate joint modules use different outside housings to provide the right-angle or in-line configuration respectively, but are identical internally. Figure 4 shows in cross-section the internal structure of a pivot joint. Each joint module includes a DC torque motor and 100:1 harmonic-drive speed reducer, and is rated at a maximum speed of 1.5rad/s and maximum torque of 270Nm. Each module has a mass of approximately 10.7kg. A single, compact, X-type bearing connects the two joint halves and provides the needed overturning rigidity. A hollow motor shaft passes through all the rotary components, and provides a channel for passage of cabling with minimal flexing.2.2 Electronic designThe custom-designed on-board electronics are also designed according to the principle of modularity. Each RMMS module contains a motherboard which provides the basic functionality and onto which daughtercards can be stacked to add module specific functionality.The motherboard consists of a Siemens 80C166 microcontroller, 64K of ROM, 64K of RAM, an SMC COM20020 universal local area network controller with an RS-485 driver, and an RS-232 driver. The function of the motherboard is to establish communication with the host interface via an RS-485 bus and to perform the lowlevel control of the module, as is explained in more detail in Section 4. The RS-232 serial bus driver allows for simple diagnostics and software prototyping.A stacking connector permits the addition of an indefinite number of daughtercards with various functions, such as sensor interfaces, motor controllers, RAM expansion etc. In our current implementation, only modules with actuators include a daughtercard. This card contains a 16 bit resolver to digital converter, a 12 bit A/D converter to interface with the tachometer, and a 12 bit D/A converter to control the motor amplifier; we have used an ofthe-shelf motor amplifier (Galil Motion Control model SSA-8/80) to drive the DC-motor. For modules with more than one degree-of-freedom, for instance a wrist module, more than one such daughtercard can be stacked onto the same motherboard.3 Integrated quick-coupling connectorsTo make a modular manipulator be reconfigurable, it is necessary that the modules can be easily connected with each other. We have developed a quick-coupling mechanism with which a secure mechanical connection between modules can be achieved by simply turning a ring handtight; no tools are required. As shown in Figure 5, keyed flanges provide precise registration of the two modules. Turning of the locking collar on the male end produces two distinct motions: first the fingers of the locking ring rotate (with the collar) about 22.5 degrees and capture the fingers on the flanges; second, the collar rotates relative to the locking ring, while a cam mechanism forces the fingers inward to securely grip the mating flanges. A ball- transfer mechanism between the collar and locking ring automatically produces this sequence of motions.At the same time the mechanical connection is made,pneumatic and electronic connections are also established. Inside the locking ring is a modular connector that has 30 male electrical pins plus a pneumatic coupler in the middle. These correspond to matching female components on the mating connector. Sets of pins are wired in parallel to carry the 72V-25A power for motors and brakes, and 48V6A power for the electronics. Additional pins carry signals for two RS-485 serial communication busses and four video busses. A plastic guide collar plus six alignment pins prevent damage to the connector pins and assure proper alignment. The plastic block holding the female pins can rotate in the housing to accommodate the eight different possible connection orientations (845 degrees). The relative orientation is automatically registered by means of an infrared LED in the female connector and eight photodetectors in the male connector.4 ARMbus communication systemEach of the modules of the RMMS communicates with a VME-based host interface over a local area network called the ARMbus; each module is a node of the network. The communication is done in a serial fashion over an RS-485 bus which runs through the length of the manipulator. We use the ARCNET protocol 1 implemented on a dedicated IC (SMC COM20020). ARCNET is a deterministic token-passing network scheme which avoids network collisions and guarantees each node its time to access the network. Blocks of information called packets may be sent from any node on the network to any one of the other nodes, or to all nodes simultaneously (broadcast). Each node may send one packet each time it gets the token. The maximum network throughput is 5Mb/s.The first node of the network resides on the host interface card, as is depicted in Figure 6. In addition to a VME address decoder, this card contains essentially the same hardware one can find on a module motherboard. The communication between the VME side of the card and the ARCNET side occurs through dual-port RAM.There are two kinds of data passed over the local area network. During the manipulator initialization phase, the modules connect to the network one by one, starting at the base and ending at the end-effector. On joining the network, each module sends a data-packet to the host interface containing its serial number and its relative orientation with respect to the previous module. This information allows us to automatically determine the current manipulator configuration.During the operation phase, the host interface communicates with each of the nodes at 400Hz. The data that is exchanged depends on the control modecentralized or distributed. In centralized control mode, the torques for all the joints are computed on the VME-based real-time processing unit (RTPU), assembled into a data-packet by the microcontroller on the host interface card and broadcast over the ARMbus to all the nodes of the network. Each node extracts its torque value from the packet and replies by sending a data-packet containing the resolver and tachometer readings. In distributed control mode, on the other hand, the host computer broadcasts the desired joint values and feed-forward torques. Locally, in each module, the control loop can then be closed at a frequency much higher than 400Hz. The modules still send sensor readings back to the host interface to be used in the computation of the subsequent feed-forward torque.5 Modular and reconfigurable control softwareThe control software for the RMMS has been developed using the Chimera real-time operating system, which supports reconfigurable and reusable software components 15. The software components used to control the RMMS are listed in Table 1. The trjjline, dls, and grav_comp components require the knowledge of certain configuration dependent parameters of the RMMS, such as the number of degrees-of-freedom, the Denavit-Hartenberg parameters etc. During the initialization phase, the RMMS interface establishes contact with each of the hardware modules to determine automatically which modules are being used and in which order and orientation they have been assembled. For each module, a data file with a parametric model is read. By combining this information for all the modules, kinematic and dynamic models of the entire manipulator are built.After the initialization, the rmms software component operates in a distributed control mode in which the microcontrollers of each of the RMMS modules perform PID control locally at 1900Hz. The communication between the modules and the host interface is at 400Hz, which can differ from the cycle frequency of the rmms software component. Since we use a triple buffer mechanism 16 for the communication through the dual-port RAM on the ARMbus host interface, no synchronization or handshaking is necessary.Because closed form inverse kinematics do not exist for all possible RMMS configurations, we use a damped least-squares kinematic controller to do the inverse kinematics computation numerically.6 Seamless integration of simulationTo assist the user in evaluating whether an RMMS con- figuration can successfully complete a given task, we have built a simulator. The simulator is based on the TeleGrip robot simulation software from Deneb Inc., and runs on an SGI Crimson which is connected with the real-time processing unit through a Bit3 VME-to-VME adaptor, as is shown in Figure 6. A graphical user interface allows the user to assemble simulated RMMS configurations very much like assembling the real hardware. Completed configurations can be tested and programmed using the TeleGrip functions for robot devices. The configurations can also be interfaced with the Chimera real-time softwarerunning on the same RTPUs used to control the actual hardware. As a result, it is possible to evaluate not only the movements of the manipulator but also the realtime CPU usage and load balancing. Figure 7 shows an RMMS simulation compared with the actual task execution.7 SummaryWe have developed a Reconfigurable Modular Manipulator System which currently consists of six hardware modules, with a total of four degrees-of-freedom. These modules can be assembled in a large number of different configurations to tailor the kinematic and dynamic properties of the manipulator to the task at hand. The control software for the RMMS automatically adapts to the assembly configuration by building kinematic and dynamic models of the manipulator; this is totally transparent to the user. To assist the user in evaluating whether a manipulator configuration is well suited for a given task, we have also built a simulator.AcknowledgmentThis research was funded in part by DOE under grant DE-F902-89ER14042, by Sandia National Laboratories under contract AL-3020, by the Department of Electrical and Computer Engineering, and by The Robotics Institute, Carnegie Mellon University.The authors would also like to thank Randy Casciola, Mark DeLouis, Eric Hoffman, and Jim Moody for their valuable contributions to the design of the RMMS system.可迅速布置的机械手系统作者：Christiaan J.J. Paredis, H. Benjamin Brown, Pradeep K. Khosla摘 要： 一个迅速可部署的机械手系统，可以使再组合的标准化的硬件的灵活性用标准化的编程工具结合，允许用户迅速建立为一项规定的任务来通常地控制机械手。这篇文章描述这样的一个系统的两个主要方面，即，再组合的标准化的机械手系统(RMMS)硬件和相应控制软件。1 介绍机器人操纵装置可能容易被程序重调执行不同的任务， 然而一个机械手可以执行的任务的范围已经被它的机械结构限制。例如，一个很适合准确的运动的机械手在一张桌子上部或许将不能朝着垂直的方向举起重物。因此，执行规定的任务，需要有一个合适的机械结构来选择机械手。我们提议一个迅速可部署的机械手系统的概念来处理固定构造的机械手的上述的缺点。一迅速可部署机械手系统由迅速建造的软件和硬件组成，是适合一规定任务的一个机械手。一个迅速可部署的系统的中心的组成部分是一个再组合的标准化的机械手系统(RMMS)。 RMMS利用一可交换的连接的和各种尺寸和性能的共同模件。通过结合这些多功能的模件，大范围专用机械手可以被收集。 最近，有相当多的对机械手标准化的想法的兴趣。但是
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