1、目录1 绪论 .11.1 机器人概述 .11.2 机器人的历史、现状 31.3 机器人发展趋势 .42 设计内容及方案的拟定 .52.1 课题工作要求 .52.2 课题基本参数的确定 .52.3 总体方案的确定 .73 结构设计 .83.1 手部结构设计 .83.1.1 手指的形状和分类 93.1.2 设计时应考虑的几个问题 93.1.3 手部夹紧的设计 93.1.4 手爪的夹持误差及分析 113.2 手腕结构设计 .143.2.1 手腕的自由度 143.2.2 手腕驱动力的计算 153.3 手臂结构设计 .193.3.1 设计参数 203.3.2 手臂伸缩的尺寸设计与校核 203.3.3 手
2、臂升降的尺寸设计及校核 213.3.4 手臂的尺寸设计与校核 223.4 腰部结构设计 .233.4.1 设计采用具体方案 243.4.2 腰部升降驱动力的计算 244 驱动系统设计 .284.1 驱动方式的选择 .284.1.1 驱动方案的确定 294.1.2 臂部驱动电机的选择 304.1.3 手腕手爪驱动电机的选择 324.2 传动方式的选择 .334.2.1 工业机器人常用的传动机构形式 334.3 制动器 .355 控制系统硬件设计 .365.1 控制系统模式的选择 .365.2 控制系统的搭建 365.2.1 工控机 365.2.2 数据采集卡 375.2.3 伺服放大器 375.
3、2.4 端子板 385.2.5 电位器及其标定 385.2.6 电源 416 控制系统软件设计 .426.1 预期的功能 .426.2 实现方法 .426.2.1 实时显示各个关节角及运动范围控制 426.2.2 直流电机的私服控制 426.2.3 电机的自锁 43参考文献 .46翻译 .48外文原文: .48中文译文: .52致谢 .55中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 机器人概述在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法
4、;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外,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。机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。全套图纸加 153893706“工业机器人” (Industrial Robot):多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业机器人或通用机器人) 。机器人是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人,而把工业
5、机械人称为通用机器人。简而言之,机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除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(Manipulator) 。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器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属
6、于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand” ,它是为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 2 页点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机
7、构;像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成,如图 1-1 所示。图 1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ,使它能识别物体和躲避障碍物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能,机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如
8、图 1-2 所示。图 1-2 机器人各组成部分之间的关系中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 3 页机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator),相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状机器人首先
9、是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点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。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。目前工业机器人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和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它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,把感觉到的信息进行反馈,使机器人具有感觉机能。第三代机器人(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务
10、。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(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大,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。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议,讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前,工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的,主要是在危险作业(广义的)
11、、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中,工业机器人应用较多,发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作,但还不具备传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起
12、。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 4 页器的能力。然而,目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器,一般采用专用计算机作为上层主控计算机,使用专用机器人语言作为离线编程工具,采用专用微处理器,并将控制算法固化在 EPROM 中,这种专用系统很难(或不可能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的,如果不进行重新设计,多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展,大致经历了以下几个阶段:(1)1963-1967
13、年为试验定型阶段。1963-1966 年, 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年,该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。(2)1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期,工业机器人在美国进入应用阶段,例如,美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人;1969 年该公司又自行研制出SAM 新工业机器人,并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如,美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。(3)1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年,工业机器人处于技术发展阶段。1970
14、年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计,美国大约 200 台工业机器人,工作时间共达 60 万小时以上,与此同时,出现了所谓了高级机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如,万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家,如日本、苏联、西欧,大多是从 1967,1968 年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说,1967 年,日本丰田织机公司 引进美国的“Ve
15、rsatran ”,川崎重工公司引进“Unimate” ,并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人,技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后,从 1980 年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年,但是由于种种原因,工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术,通过引进、仿制、改造、创新,工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变目前机械制造
16、的人工操作状态,提高了生产效率。就目前来看,总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势:a)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准化和模块化,将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人;b)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合;c)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 5 页用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进
17、行问题求解、动作规划,同时,越来越多的系统采用微机进行控制。2 设计内容及方案的拟定2.1 课题工作要求为了保证机器人在抓取工件时的精确度,我们在机器人的手部安装了力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。整个抓取动作的流程见图。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 6 页图 2-1 机械手的工作程序图2.2 课题基本参数的确定1手部负重:10kg(抓取物体的形状为圆柱体,圆柱体半径、高度自定,密度.37.8/gcm2.自由度数:4 个,沿 Z 轴的上下移动,绕 Z 轴的转动,沿 X 轴的伸缩,绕 X 轴的转动。3坐标型式:圆柱坐标,其圆柱坐标型式的运动简图如图
18、所示中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 7 页图2-2 圆柱坐标机械手运动简图最大工作半径:1520mm,最小工作半径 1055mm手臂最高中心位置:1012mm伺服电机上端最大行程:1387mm 最小行程:1237mm手臂运动参数:伸缩行程(X):450mm伸缩速度( ):1v250/ms升降行程(Z):150mm升降速度( ):26/回转范围( ):08回转速度( ): 7/s手腕运动参数:回转范围( ): 01回转速度( ): 9/s手臂握力:由 确定,其中取 则2GNf0.1fGkg502Nkgf即手指握力为 50kg定位方式:闭环伺服定位重复定位精度: .5m驱动方式:电动
19、中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 8 页控制方式:MGS-51 单片微机2.3 总体方案的确定机械手的材料为高强度铝合金材料,机械手的运动由五部分构成:腰部转动、大臂升降、小臂传动、腕转动、手爪张合。小臂通过旋转轴固定在大臂末端,其驱动电机固定在大臂的一端,通过同步带传动带动小臂传动,其旋转角度为 。03小臂内部装有两部步进电机,一部通过同步带传动带动直齿圆锥齿轮传动,从而驱动手腕的旋转运动;一部通过软轴传动,驱动螺旋传动,经过扇形齿轮齿条转化实现手爪的张合。大臂的升降机构装在腰部伤,此结构为步进电机带动蜗杆使涡轮旋转,靠涡轮内孔的螺纹带动丝杆升降运动。为了防止丝杆转动,采用了由丝
20、杠上端的花键与固定箱体上的花键套组成导向结构装置。腰部传动通过连队传动齿轮副。安装在底座的步进电机的输出经减速器减速后,通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转,其旋转角度为 ,大臂固定在腰部从动齿轮伤,027并随腰部一起转动,从而实现手臂的整体旋转。3 结构设计3.1 手部结构设计手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件,它能之行人手的部分功能。目前,根据被抓取工件的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不通,在工业生产中使用着多种形式的手部机构,最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式,也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三
21、个或多个,其中两个的最多。抓取工件的方式有两种:外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功能来看,有多中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 9 页种形式,他们分别是:(1) 拨杆杠杆式钳爪(2) 平行连杆式钳爪(3) 齿轮齿条移动式钳爪(4) 重力式钳爪(5) 自锁式钳爪(6) 自动定心钳爪(7) 抓取不同直径工件的钳爪(8) 具有压力接触销的钳爪(9) 抓勾与定位销十钳爪(10) 复杂形状工件用的自动调整式钳爪(11) 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪(12) 特殊式手指钳爪同时对钳爪的选用也非常重要,应考虑一下几个方面:1 应具有足够的夹紧力,这样才能防止工件在移动过程中脱落
22、,一般夹紧力为工件的 2 到 3 倍。2 应具有足够的张开角,来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围,而且夹持工件中心位置变化要小(即定位误差小) 。3 应具有足够的强度和刚度,以免承受在运动过程中产生的惯性力和振动的影响。4 应能保证工件的可靠定位。5 应适应被抓取对象的要求。6 尽可能具有一定的通用性。夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1 手指的形状和分类本机械手所选用的夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可以分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按
23、模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动性(或称直进型) ,其中中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 10页以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指:同理,当二支点回转型手指的手指长度变为无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持的零件直径变化时不影响其他轴心的位置,能适应不同直径的工件。3.1.2 设计时应考虑的几个问题(一)具有足够的握力,即足够的夹紧力在确定的手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作
24、过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动和脱落。(二)手指应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度成为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入和脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件的准确定位为了使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓去工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面得手指,以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在于运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或者弯曲变形,当应尽量使结构
25、简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。五)考虑被抓去对象的要求根据机械手的工作要求,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点,两回转型,由于工件为圆柱形,故手指形状设计成 V 型,其结构如图 3-1 所示。3.1.3 手部夹紧的设计本课题机械手手部的结构如图 3-1 所示中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 11页图 3-1 机械手手部图本课题机械手手部结构如上图所示其工件质量 G=10kg,V 形手指的角度 2 = , ,摩擦系数1024bmR0.1f(1) 根据手部结构的传动示意图,其驱动力为:(3.1)2bpNR(2) 根据手指加持工
26、件的方位,可得握力计算公式:(3.2)0.5tan()6422()N所以 245()bpR(3) 实际驱动力:中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 12页(3.3)12sKp因为传力机构为齿轮齿条传动,故 取 0.94,并取 为 1.51若被抓去工件的最大加速度为 时3ag则: 214aKg所以, .5163()09spN所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为 1563N。3.1.4 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定) ,而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定
27、范围内变化,避免产生手指夹持的定位误差,需要注意选用合理的手部结构参数,见图 3-2,从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中,通常情况使手爪的夹持误差不超过 。手部的最终误差取决于手部装置1m加工精度和控制系统补偿能力。图 3-2 夹持不同工件时的夹持误差图 3-2 中, 为工件直径, ;1R212C工件直径为 60mm,尺寸偏差 .5m则; max4.5; in37。0epR本设计为扇形齿条回转型夹持器,属于两点回转型手指夹持,如图 3-3 所示。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 13页图 3-3 扇形齿条回转式钳爪若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD
28、以 X 表示,根据几何关系有:(3.4)22cossininABABRXlla简化为: 2221iiiABABll该方程为双曲线方程,如图 2-4:图 3-4 工件半径与夹持误差 的关系曲线中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 14页由上图得,当工件半径为 时,X 取最小值 ,又从上式可以求出:0RminX(3.5)scoABl通常取 021minsiABXl若工件的半径 变化到 时,X 值得最大变化量,即为夹持误差,用 表示。maxRin 在设计中,希望给定的 和 来确定手爪各部分尺寸,为了减少夹持误差,一方axmiR面可加长手指长度,但手指过长,使其结构增大,另一方面可选取合适的偏
29、转角 ,使夹持误差最小,这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 取为 时,夹epR0持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪(尤其当 值较大时) ,偏转a角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定,主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时,两手爪的 和 边平行,抓不着工件。为避免上述情况,通常按手爪抓取工件的平均BE半径 ,以 为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ,即下式:epR09CD (3.6)11cosingpABRal其中 , 。V 型钳的夹角290am86ABl 02代入得出: 181cos456.7in60 则 (3.7)0sic8si.1.02ABRl m则 ,此时
30、定位误差为 和 中的最大值。min0axR122222maxmin1()cossinsiABABABRllla2222inin() isABABABlll分别代入得: 10.56m20.148所以, ,夹持误差满足设计要求。0.1482m由以上各值可得: 222(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 15页取值为 。56Xm3.2 手腕结构设计手腕部件设置在手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变得更灵巧,适应性更强。手腕部件具有独立的自由度,此设计中
31、要求有绕中轴的回转运动。机器人手腕自由度数,应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数愈多,各关节的运动角度愈大,则机器人腕部的灵活性愈高,机器人对作业的适应能力也愈强。但是,自由度的增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加。因此手腕的自由度,应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下,应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度为 2 至 3 个,有的需要更多的自由度,而有的机器人手腕不需要自由度,仅凭手臂和腰部的于东就能实现作业要求的任务。因此,要具体问题具体分析,考虑机器人的多种布局,运动方案,选
32、择满足要求的最简单的方案。机器人腕部安装在机器人手臂的末端,在设计机器人手腕时,应力求减少其重量和体积,结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量,腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上,而不采用直接驱动,并选用高强度的铝合金制造。机器人手腕要求与末端执行器相联,因此,要有标准的联接法兰,结构上要便于装卸末端执行器。机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度,以保证力与运动的传递。要设有可靠的间隙调整机构,以减少空回间隙,提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关,并设计硬限位,以防止超限造成机械损坏。因此,应基本满足一下要求:(1)力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端,它连同手部
33、的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。(2)结构考虑,合理布局腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。(3)必须考虑工作条件对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.2.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件,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,以使
34、机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓去的工件是水平放置,同时考虑到通用性,因此给手腕设一绕 X 轴转动回转运动才可满足工作的要中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 16页求。目前实现手腕回转运动的机构,应用最多的是回转气缸。它的结构紧凑,但回转角度小于 ,并且要求严格的密封。3603.2.2 手腕驱动力的计算(1)手腕转动时所需的驱动力手腕的回转、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启动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支撑处得摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封
35、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产生的偏重力矩,如图 4-1 所示。图 3-5 手腕驱动力计算手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:= + + + (3.8)驱 惯 偏 摩 封式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩( );驱 Ncm- 惯性力矩 ( );惯 Nc- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对偏转动轴线所产生的偏重力矩( );c- 手腕转动轴与支承处的摩擦阻力矩( );摩 Nm- 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(封)Ncm中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 17页下面以图 4.1 所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的
36、计算:1、 手腕加速运动时产生的惯性力矩 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,则:t= ( + ) (3.9)惯 J1t若手腕转动时的角速度为 ,起动过程所转过的角度为 ,则:= ( )(3.10)惯 12式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量( )J 2Ncms- 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ( )1 2s若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量 为:1J= + (3.11)1c2Geg式中:- 工件对过重心轴线的转动惯量( );cJ 2Ncms- 工件的重量(N);1G- 工件的中心到转动轴线的偏心距( );e- 手腕转动时的角速度(弧度/
37、 );s- 起动过程所需要的时间( );t- 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 偏= ( ) (3.12)偏 13GeNcm式中:- 手腕转动件的重量( )3GN- 手腕转动件的中心到转动轴心的偏心距( ) 当工件的重心与手腕转动e c轴线重合时,则 = 01Ge3、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 摩= ( ) ( ) (3.13)摩 2f2AbRdNcm中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 18页式中:- 手腕转动轴的轴颈直径 ( );1d2 cm- 轴承摩擦系数,对于滚动轴承 ,对于滑动轴承 ;f 0.1f0.1f- 轴颈处得支
38、承反力( ) ,可按手腕转动轴的受力分析求解,根据ARB N( )= 0 得:MF321BRGL( ) (3.14) 213同理,根据 ( )= 0 得:BF( ) (3.15)213()()()ALLRN式中:- 手部的重量( )2GN- 如图 4-1 所示的长度尺寸( )L13 cm4、 转动片与径、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封类型有关,应根据具体情况加以分析。(2)手腕回转的尺寸及其校核1.尺寸设计长度设计为 ,内径为 ,半径为 ,轴颈为 ,10bm96Dm48Rm2Dm半径为 ,运行角速度为 ,加速度时间为 ,压强r 0/s 0.1ts0.4PMa则,力矩
39、:(3.16)2()pbrM6220.41.(048.1)3.)Nm2 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10kg等效分布在一个半径 的圆盘上,那么转动惯量:25r中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 19页2120.5.3()mrJkg工件的质量为 ,质量分布于 的棒料上,那么转动惯量:10kg1lm220.1.83()cJkg假如工件中心与转动轴线不重合,对于长 的棒料来说,最大偏心距0lm,其转动惯量为:150em 2120.83.05()cJekgm= (3.17)惯 1Jt= 90(0.325.).= 7(N(2)手腕转动件和工件的
40、偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 ,考虑手腕转动件偏重心与转动轴线重合, ,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 ,则:10e 350em= 偏 13Ge= 00.5= 5()Nm(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ,对于滚动轴承 ,对于滑动轴承摩 0.1f, , 为手腕转动轴的轴颈直径, , , , 为轴颈处0.1fd2 130d2dmARB的支承反力,粗略估计 ,30ARB= (3.18)摩 21()ABfR= .0.5.032= ()Nm(4)回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力 ,与选用的密封装置封中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 20页的类型有关,应根据具体
41、情况加以分析。在此估计 为 的 3 倍封 摩= 封 3摩= 0.5= 1()Nm所以= + + + (3.19)驱 惯 偏 摩 封32.750.19()Nm驱 M所以设计尺寸符合使用要求,安全。3.3 手臂结构设计设计机械手伸缩臂,底板固定在大臂上,前端法兰安装机械手,完成直线伸缩动作,机械手臂性能要求:(1) 功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上,前端安装夹持器,按控制系统的指令,完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活,动作快捷,定位准确,工作协调。(2) 适应性的要求为便于调整,适应工件大小不同的要求,起止位置要方便调整,要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力,减少运动冲击,动力的大小
42、要能与负载大小相适应,如步进电机通过程序设计改变运动速度,力矩电机通过调整工作电压,改变堵力矩的大小,达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。(3) 可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下,在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作,广泛应用在自动化生产线上,因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。(4) 寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施,如:选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命,所中国矿业大学 2011 届本科生
43、毕业设计 第 21页以易磨损的零件要便于更换。(5) 经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重,设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。(6) 人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学,包括操作方便宜人,调节省力有效,照明适度,显示清晰,造型美观,色彩和谐,维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计,各调整环节的设计要方便人体接近,方便工具的使用。(7) 安全保护和自动报警的要求按规范要求,采取适当的防护措施,确保操作人员的人身安全,这是任何设计都必须考虑的,是必不可少的。在程序设计中
44、要考虑因故障造成的突然工作中断,如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况,要设置报警装置。机械手臂的结构要求:(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制。(2) 机器人手臂的机构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度,应保证机器人手臂有足够的强
45、度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度的铝合金制造机器人的手臂。目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高,抗震性好,比重小(其比重相当于刚的 1/4,相当于铝合金的 2/3) ,但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及其制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需要强度与刚度的情况下,减轻机器人手臂的重量。(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小,以减少机械间隙所造成的运动误差。因此各关节都应有工作可靠、便于调整
46、的轴承间隙调整机构。(5) 机器人的手臂相对其关节回转轴尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时,应尽可能利用机器人在安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡,必要时还要涉及平衡机构来平衡手臂参与的不平衡重量(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装。中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 22页3.3.1 设计参数(1) 伸缩长度:450mm(2) 单方向伸缩时间:1.52.5S;(3) 定位误差:要有定位措施,定位误差小于 ;2.5m(4
47、) 前端安装机械手,伸缩终点无刚性冲击;3.3.2 手臂伸缩的尺寸设计与校核手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准,参看此公司生产的各种型号的结构特点,尺寸参数,综合本设计的实际要求,尺寸系列初选内径为 。10/63尺寸校核1.在校核尺寸时,只需校核内径 =63mm,半径 R=31.5mm 的尺寸满足使用要求即1D可,设计使用压强 P=0.4MPa。则驱动力:(3.20)2620.413.015FPR2.测定手腕质量为 50kg,设计加速度 /ams则惯性力为: 150FN3.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 k=0.2, 10.25mFk所以,总受力 0156mN由于 ,所以标准 CTA 的尺寸符合实际使用驱动力要求。0F导向装置电动机驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。平衡装置中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计