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常州工学院毕业设计(论文)任务书系:机电工程系 专业:数控技术 班级:2005级 学生姓名周星指导教师戴芳职称讲师课题名称机械手设计课题工作内容主要是对凸轮机械手的简单原理和结构的设计指标目标要求对凸轮机械手进行结构分析,拟订工艺路线,计算各工序内容,绘制出图纸(不少于两张A0纸),完成设计说明书。进程安排2月28日到3月7日了解设计目的,对所加工的零件进行工艺分析3月8日到3月12日拟定工艺路线及确定工序内容3月13日到4月9日完成说明书和图纸4月10日给老师检查,修改4月25日把所有的设计交给老师4月29日答辩主要参与文献1.机械设计手册第三版第14卷 化学工业出版社2.机械设计标准应用手册第2卷 机械工业出版社3.画法几何及机械制图第四版 高等教育出版社4.液气压传动 机械工业出版社5.可编程控制器应用技术 高等教育出版社地点无锡技师学院起止日期2007年2月28日至2007年4月25日系主任: 指导教师:年 月 日 年 月 日常州工学院毕 业 设 计(论文)题 目 凸 轮 机 械 手 的 设 计 副标题 性 质: 毕业设计 毕业论文学生姓名 周 星 年 级 2005级 教 学 点 无锡技师学院 专 业 数控技术 指导教师 戴 芳 评定成绩 优 良 中 及格 不及格凸轮机械手的设计摘 要随着社会的进步,经济的发展,数控技术已经越来越重要了,而且数控技术是先进制造技术的核心,是人类进步的一个很重要的阶梯。机械手是模仿人手的动作,生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率,可以减轻劳动强度,保证产品质量,实现安全生产,尤其在恶劣的劳动条件下,它代替人作业的意义更加重大。因此,在机械加工中得到越来越广泛的应用。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制,且能用于教学演示。关键词:机械手,加工工艺,液压系统目 录第一章 前 言51.1 机械手的用途说明51.2 机械手的目的、意义51.3 设计的指导思想,应达到的技术性能要求5第二章 设计方案论证72.1 机械手设计的原始数据72.1.1 组成结构72.1.2 执行机构72.1.3 驱动机构72.1.4 控制系统72.1.5 位置检测装置82.2 机械手的运动方案论证82.2.1 机械手的运动形式(坐标形式)确定8第三章 机械手各组成部件设计计算103.1 抓取机械设计103.1.1 抓取机械机构的基本要求103.1.2 手爪夹紧力的计算123.1.3 手爪的驱动装置的选择与驱动力计算133.2 手腕机构133.2.1 手腕的作用和动作133.3 手臂设计143.3.1 机械手手臂应满足的基本要求:143.3.2 为满足基本要求而采取的机构、工艺性措施143.3.3 手臂伸缩运动的结构设计153.3.4 手臂升降运动的结构设计173.3.5 手臂回转运动的结构设计193.4 缓冲装置设计203.4.1 缓冲方式的确定203.5 定位机构设计213.5.1 定位方式的选择确定213.6 机械手驱动系统选择223.6.1 驱动方式的选择223.6.2 下面是液动与气动方式特点的比较22第四章 机械手控制系统设计234.1 机械手的控制方式的选择234.2 本控制方式的特点23设计总结24第一章 前 言1.1 机械手的用途说明机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计,是指机械手臂在一定范围内的摆动,手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置,或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制,且能用于教学演示。1.2 机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作,生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率,可以减轻劳动强度,保证产品质量,实现安全生产,尤其在恶劣的劳动条件下,它代替人作业的意义更加重大。因此,在机械加工中得到越来越广泛的应用。 目的是,我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解;也能基本掌握机械设计的方法;综合运用学过的理论知识;全面复习绘图技巧,并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计,使我了解到,自动控制的对象主要是单机或某个生产过程,智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程;自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下,尽量消除环境对系统的影响,智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此,要充分考虑环境的影响;自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈,所以智能控制需要一个庞大的数据库;自动控制理论着重描述对象的数学模型,然后,通过各种控制算法进行控制,以达到目的,智能控制着重直接控制经验。1.3 设计的指导思想,应达到的技术性能要求 结构简单:设计为三自由度的机械手臂,运动形式简单,可以把手臂设计成为沿导向装置运动,直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪,无须另行设计。 外观不要有手臂堵塞外形:设计尽量要求安装方便,各非标准件加工方便。因此,不必设计成套形式,管道也不必安排在手臂内部,可以采用软管直接连接。 本次设计的手臂不要光用于工业生产,因此,对各部件的加工精度及安装要求不高,可以在通用机床上加工完成。第二章 设计方案论证2.1 机械手设计的原始数据2.1.1 组成结构机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测等装置组成。各系统的关系如图:控制系统 驱动系统 执行系统 抓取工件 位置检测 2.1.2 执行机构包括手臂、手腕、手部和立柱等部件,有的还增设行走机构。手部:即与物体接触的部件,由物体接触的形式又可分为夹持式和吸附式手部。手腕:是连接手腕和手臂的比肩,起改变工件的空间位置的作用。手臂:支撑手腕和手臂的部件以改变工件的空间位置。立柱:支撑手臂的部件,手臂的各部分运动均与立柱有密切的关系。行走机构:为完成远距离的操作和扩大使用范围,可增设滚轮行走机构。机座:它是机械手的基础部件,机械手执行机构的各部分和驱动系统均安装在机座上,起支撑和联结作用。2.1.3 驱动机构机械手臂的驱动系统是驱动执行机构运动的出动装置,常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。2.1.4 控制系统有电力控制和射流控制两种,一般常见的为电力控制,这是机械手的重要组成部分,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息,同时按其控制系统的信息,对执行机构发出指令,必要时,对机械手的动作进行控制,当动作有错误时,发出警报信号。2.1.5 位置检测装置控制机械手执行机械的运动位置并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置比较,然后控制系统进行调整,从而使执行机构一定的精度达到预定位置。2.2 机械手的运动方案论证2.2.1 机械手的运动形式(坐标形式)确定按机械手的运动坐标型可分:直角坐标系式机械手、圆柱坐标系式机械手、极坐标式机械手、关节式机械手。直角坐标式机械手:臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动,亦臂部可以前后伸缩,左右移动,上下升降。采用此种坐标形工作范围小,占地空间大,定位精度好,应用较多,适用于空间布置或与自动线配合。极坐标式机械手:手臂可以沿直角坐标轴的X方向运动,还可以绕Y轴和Z轴转动,亦手臂可前后伸缩,上下摆动,左右移动。采用此种坐标形式工作范围大,占地空间小,定位精度差,应用少。关节式机械手:这种机械手的臂部可分为大臂和小臂,其中大臂和小臂的连接以及大臂和机体的连接均为关节式连接,亦小臂对大臂可绕肘部上下摆动一定角度,大臂可绕肩部摆动一定角度,手臂可以左右转动一定角度。采用此种坐标形式工作范围大,占地空间小,定位精度差,应用较小。圆柱坐标戏式机械手:这种机械手的运动由两个直线运动和一个回转运动组合而成,手臂沿X、Z方向的移动,还有手臂的水平回转。此种机械手工作范围教大,灵活程度教高,占地面积小,结构比较简单,定位进度高,应用比较广泛,多为通用型。因此本次设计我选用直角坐标系机械手。机械手方案简图如下:运动符号:第三章 机械手各组成部件设计计算3.1 抓取机械设计3.1.1 抓取机械机构的基本要求要有足够的夹紧力,在确定手指的握力时,除考虑工件的重量外还应考虑在传送或操作中所产生的惯性和震动,以保证工件不致产生松动或脱落;要有足够的开合度,手指的开合度应保证工件能顺利的进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑;要保证工件在手爪中的准确位置,为使手指和被夹持的工件的反作用力外,还受到机械手在运动中所产生的惯性力和振动的影响要求是有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,但尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的重心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为佳。保证结构紧凑,重量要轻,便于更换;应考虑手指的多用性,为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求可制成组合式手指。手爪的类型可分成指爪式和吸盘式;手爪式又分外夹式和内胀式。手爪:即与物体接触的部分,由于与物体接触的形式分为夹持式和吸附式手部。钳式手部结构由手指传力。机构所组成其传力形式比较多,如滑槽杠杆式、连杠杆式、斜契杠杆式、弹簧杠杆式等结构形式;按手指夹持工件的部分又可以分为内卡式和外卡式;模仿人手指的动作,手指可以分为一支点回转型、二支点回转型和移动型,其中以二支点回转型为例,而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,就变为移动型。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,但移动型手指夹持变化的零件时不影响其轴心的位置,其使用于不同直径的工件。手爪的定位误差分析如图所示:为偏转角,当满足上式角时,误差最小。3.1.2 手爪夹紧力的计算本次设计中采用外夹式手爪,如下图所示:手爪夹紧力的计算:作用在单个手指上的作用力1.732G/F根据抓重大小来安排装配手指的方法。计算式: G抓重 Kg夹紧方位系数惯性力影响系数安全系数取1.52a加速度(工件随手爪运动时产生)g重力加速度 取10m/s2平钳口 水平位置放,水平位置夹时V钳口 水平位置放,水平位置夹时平钳口 垂直放,水平夹时 水平放,垂直位置夹时V钳口 水平放,垂直位置夹时平钳口 垂直夹,垂直放时 水平位置夹悬臂工件3.1.3 手爪的驱动装置的选择与驱动力计算目前机械手常用的驱动方式如前所述,也有其他特殊的驱动方式,如:步进电机驱动、直线电机驱动,但应用不多。所有方式中,最常用的为液压、气动驱动方式,下面仅对这两种方式进行比较选择。液压驱动:液压驱动的主要优点是功率大,结构简单,可省去减速装置,能直接与被动的杆件相连,响应快,伺服驱动具有较高的精度,目前多用于机器人系统。气压驱动:气压驱动的能源、结构都比较简单,但与液压驱动相比,同体积条件下,功率较小(固压底),且速度不易控制。 由于该装置的实验模型,环境要求无污染,材料经费相对短缺,精度和稳定性要求不是很高,启动力矩小,惯性小,尺寸小,只许点位控制且功率小,终上所述,所以选用液压驱动。3.2 手腕机构3.2.1 手腕的作用和动作 手腕是连接手部和手臂的部件,手腕的作用是:控制手爪的抓紧方向,以便能从任意角度抓取工件。因而它具有独立的自由度以便机械手适应复杂的动作要求,手腕运动有力轴转动称为回转运动。绕Y轴转动称为上下摆动,绕Z轴转动它称为左右摆动。 手腕的基本运动是回转运动和直线运动。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,回转角度小于36度并且要求严格的密封。设计时除应满足启动和传递过程中所需的传动力矩外,还要求手腕的结构简单、紧凑、轻巧。另外,通过手腕气缸的管道尽量从手臂的内部通过,以便手腕转动时管道不扭转、不外露、使外型整齐。而考虑到本次设计对手腕的外观要求不高,回转角度比较小的实际情况下,可以把气缸管道安排在外部。 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: (Kgcm)驱动手腕转动的驱动力矩惯性力矩手腕转动轴与支撑孔处的摩擦阻力矩参与转动的部件的重量对轴线产生的偏重力矩 (1)手腕加速度运动时所产生的惯性力矩M惯,手腕转动时的角度W,启动过程的时间t。 手爪、手腕的转动惯量工件对转轴中心的转动惯量手腕回转角速度变动量(可取最大值)变动时间15s (2)手腕转动工件时工件的偏重对转动轴线的偏重力矩M偏 G手腕抓重的重量 E工件中心到手腕回转中心的偏心矩 (3)手腕转动在轴颈处的摩擦阻力矩 (Kgcm)轴承处的约束反力轴承直径,滑动轴承为轴颈直径,滚动轴承为滚子中心直径本次设计没有采用手腕部分,此举仅供参考。3.3 手臂设计3.3.1 机械手手臂应满足的基本要求:力学方面要有足够的刚度,重量要轻,运动要稳定,结构要美观,使用安全,维护方便,造价经济。3.3.2 为满足基本要求而采取的机构、工艺性措施手臂是机械手执行机构中的重要部件,它的作用是将被抓取的工件传送到给定的位置和方位上,因而一般机械手臂有三个自由度,即手指伸缩、手臂的左右回转和上下运动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。因此它不仅要承受被抓取工件的重量,而且要承受手指和手臂自身的重量,手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。所以必须根据机械手的抓取重量,运动形式,运动速度及定位精度的要求来设计手臂的机构形式。3.3.3 手臂伸缩运动的结构设计(1)伸缩运动驱动机构设计按手臂的结构形式分:单臂、双臂及悬挂式。按手臂的运动分:手臂有直线运动的,如:手臂的左右回转,上下摆动;有复合运动,如:直线运动和回转运动组合,两直线运动组合,两回转运动组合。a.驱动机构的结构形式如下图:b.驱动机构的运动学计算f摩擦系数 Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3Ph有效密封宽度(密封件接触长度之和)d活塞杆直径D活塞直径p工作压力(N/mm)MapV速度变化值(选最大值)t变化时间0.10.5(2)伸缩运动导向机构设计导向机构的形式与结构:液压驱动的机械手臂在进行伸缩时,为了防止手臂绕轴线发生转动,以保证手指的正确方向并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,一增加手臂的刚性,在设计手臂的结构时,必须采用适当的导向装置,它根据手臂的安装形式,具体的结构和抓取等重要因素加以确定;同时在结构设计和布局上,应尽量减少运动部件上的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。单导向杆:采用单导向杆的结构通常比较简单,另外增加手臂的刚性和导向性,但由于要考虑结构的对称性,否则手臂会在运动是发生转动,造成手臂的转位误差,由于本次设计对手臂周向回转有一定的要求,因此单导向的导向装置不宜采用。双导向杆:为了手臂受力均衡,往往采用双导向杆,它可以配置在手臂伸缩的液压缸两侧,并兼顾手部和油路的管道外形比较整齐,对伸缩行程大的手臂,为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形,可在导向杆尾部增设辅助支撑架,以提高导向杆的刚性。在本次结构设计中,对机械手的外形要求比较低。因此,采用双导向结构。为了加工方便且不影响机械手的使用要求,把导向杆设置为外置式。四导向杆:对抓取较大的手臂采用四导向杆,以加强刚性,在本次设计中,由于机械手臂的质量中心不于几何中心重合,易发生翻转变形,影响机械手的正常工作,考虑到传动的平稳性,但由于为实验装置且四导向杆质量太大,所以不宜采用。其他形式的导向装置:除上述几种的导向装置外,还有的机械手根据工作条件和实际可能,选用燕尾型的滑枕进行导向,导向性好,工作平稳。此外,也采用花键轴,导向套大直径套筒加导向键导向,以及带“V”型槽的框形导向结构等形式的导向方式。在此设计中,由于要求结构简单,安装方便,故均不予考虑。(3)导向杆机构动力管路设计a.管路的类型管路的类型可分为活动软管、伸缩油管等。b.管路类型的特点及说明活动软管的特点是:装拆方便、维修方便、抗震性好。使用上要用管夹,占据空间尺寸大,外观差,不安全。伸缩油管的特点是:安全性好、外观整齐、但工艺性差。(4)手臂伸缩驱动力的计算f摩擦系数 Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3Ph有效密封宽度(密封件接触长度之和)d活塞杆直径D活塞直径p工作压力(N/mm)MapV速度变化值(选最大值)t变化时间0.10.5(5)伸缩机构主要构件结构强度计算3.3.4 手臂升降运动的结构设计(1)升降机构的结构形式机械手手臂的升降运动属于直线运动,而实现手臂的往复直线运动的机构形式比较多,常用的有活塞油缸或气缸,活塞缸和齿轮齿条机构,丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。a.液压缸(油缸)实现直线往复运动可采用液压式或气压式驱动的活塞油缸,由于活塞油缸的体积小,重量轻,因而在机械手的手臂结构中应用较多。本次设计采用活塞气缸推动一块能沿导向杆移动,此结构简单,受力也简单,结构紧凑,传动平稳。b.活塞缸和齿轮齿条机构在手臂的升降运动中,为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加,可以采用齿轮齿条传动的倍增机构,在要求工作行程大,运动速度快的冲压机械手上常用此机械手作为手臂升降运动机构。在本设计中不予考虑。c.丝杆螺母机构丝杆螺母传动其位移具有较高的准确性,由于丝杆螺母机构是连续的面接触,传动中不会产生冲击,传动平稳,无噪声,并能自锁,因为丝杆螺母螺旋升角较小,所以用较小的驱动力矩,可以获得较大的牵引力。此外,丝杆螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦,故传动效率低,如果采用滚珠丝杆可提高效率,而且传动精度和定位精度均提高,在传动时灵敏读和平稳性也很好,由于磨损小,使用寿命较长,但丝杆螺母的材料、热处理和加工工艺要求很高,故成本很高。在本设计中不予考虑。d.活塞杆和连杆机构由活塞杆驱动连杆机构,使手臂实现升降运动,并可以获得较大的行程。综上所述,本设计中选取液压缸。液压缸的选用:要考虑到压力、流量、活塞的运动速度,活塞的最大允许行程和液压缸的总效率。油液作用在单位面积上的压强p=P/A最高允许压力,也是动态实验压力,是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为1.5PN MPa液压缸的压力等级分为:低压,压力范围02.5MPa中压,压力范围2.58MPa中高压,压力范围816MPa高压,压力范围1632MPa液压缸的流量为Q=V/t L/min液压缸的活塞运动速度v=Q/A m/min液压缸的重要部件就是缸筒,它的要求如下:1.有足够的强度,能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久变形。2.有足够的刚度,能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。3.内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下,能长期工作而磨损小,尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。液压缸的密封元件材料一般选用氟碳橡胶。液压缸的工作介质在常温下一般采用石油型液压油。在高温下采用难燃液及特殊结构液压缸。(2)升降运动驱动力的计算f摩擦系数 Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3Ph有效密封宽度(密封件接触长度之和)d活塞杆直径D活塞直径p工作压力(N/mm)MapV速度变化值(选最大值)t变化时间0.10.5(3)手臂机构主要构件结构强度计算W手臂重力,下降为主动力用“-”上升为阻力用“+”3.3.5 手臂回转运动的结构设计(1)回转运动驱动机构结构形式回转运动的结构形式分为:叶片式摆缸直接驱动、摆缸与行星齿轮的驱动方式、齿轮齿条的驱动方式和直缸直接推动的驱动方式。它们的优点是:叶片式摆缸直接驱动优点是机构紧凑、速度调整方便;缺点是回转角度小于360,内泄漏大。摆缸和行星齿轮驱动的优点是传动平稳,齿轮齿条驱动的优点是回转角度大、驱动力大;缺点是结构尺寸大。(2)回转运动驱动力矩及其回转机构主要零部件力学计算a. (NM)G手臂回转运动件的总重量Kgg重力加速度10m/sp回转半径(重心到回转轴的距离)w起动后手臂回转最大角速度t=0.10.5s手臂回转件的转动惯量为:Jcmd/4M质量D回转直径b. f=0.1(滑动)N两支点上反力总和摩擦点到回转中心的距离Gp=NH6.手臂设计的综合评价从手臂的结构形式、动力装置、外形尺寸、工艺性、经济性、标准化等诸方面分析,突出重点。从手臂的结构形式来分可分为:手爪、手臂、手腕、立柱、行走机构等。手臂的动力装置为液压驱动,它的外形尺寸不大,占地空间小,工作范围也小。工艺性好,材料便宜,经济合理,零件加工方便。3.4 缓冲装置设计3.4.1 缓冲方式的确定了解弹性元件缓冲;缸体内部结构缓冲;节流回路缓冲、油压缓冲器缓冲等。a.弹性元件缓冲:元件:弹簧、橡胶垫、波纹管基本原理:通过吸收动能实现缓冲回转物件:移动物件:弹性能:弹性最大工作载荷:最大变形特点:结构简单,但缓冲行程小,定位不准,职能用于辅助装置。b.油缸端部节流缓冲它的原理图如下:它的设计要求:缓冲腔内油液要能吸收运动部件的全部能量;缓冲腔内冲击压力小于油缸的压力;缓冲腔内减加速度要符合机械手对运动的要求。设计步骤确定减加速度:高速轻负荷小于0.9m/s 低速重负荷小于0.2m/s计算缓冲时间:应满足于生产节拍的要求。缓冲行程:确定缓冲柱塞面积 :回游腔压力作用在活塞上的液压能。 :活塞有效作用面积G(Kg) g=9.8m/s2V(m/s) 缓冲前进速度(NM) 向上负,向下正求缓冲油腔内的备件:小于PP=2/D:为体臂厚=s/5s:屈服极限5:安全系数节流口面积F=V103/u2gc.油缸端部节流缓冲d.气动节流缓冲类的液压e.缓冲回路缓冲f.使用液压缓冲器3.5 定位机构设计3.5.1 定位方式的选择确定定位机构分机械挡块定位、行程开关定位、伺服装置定位等。定位精度要求:要有足够的刚度,可调节定位,定位前实施缓冲,使速度趋于零,实现无冲击定位。定位的精度为:定位精度最高为0.02mm,一般可为0.5mm。3.6 机械手驱动系统选择3.6.1 驱动方式的选择驱动方式可分为:电动、液动、气动、机械联动等。3.6.2 下面是液动与气动方式特点的比较液压驱动:液压驱动的主要优点是功率大,结构简单,可省去减速装置,能直接与被动的杆件相连,响应快,伺服驱动具有较高的精度,缺点是结构不紧凑,出力小,噪音大。适用于冲压加工,单机自动化机械。气动驱动:气压驱动的能源、结构都比较简单,但与液压驱动驱动相比,同体积条件下,功率较小(固压底),且速度不易控制。第四章 机械手控制系统设计4.1 机械手的控制方式的选择机械手的控制方法分:数控、程控、电控、液控等。4.2 本控制方式的特点简易工业机械手选用的控制方式为电控,它的特点是运动速度快,稳定性好,成本底,便于维修。设计总结经过半年多的毕业设计工作,设计期间,指导老师教会了我该如何设计图纸,当中包括元件的选用,图纸的设计步骤。机械手中的各结构的用处和选用此结构的优、缺点,使我受益匪浅。设计中,我查阅了许多资料,从中查出了许多数据,为我的图纸设计打下了基础,通过资料,让我发现设计图纸不可以随心所欲,必须根据国家、国际标准,否则设计的图纸就会有错误。通过这次设计,使我了解到,自动控制的对象主要是单机或某个生产过程;自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下,尽量消除环境对系统的影响,职能控制关心的是最终状态或现行状态是否合乎要求。此次设计中的优点是手臂可以沿直角坐标的X、Z方向移动,有可以绕Z轴转动,亦手臂可以前后伸缩,上下升降和左右移动。采用此种坐标形式工作方位较小,占地空间较小,定位精度好,应用广泛。在力学方面讲它有足够的刚度,重量要轻。运动要稳定,结构要美观,使用安全,维修方便,造价经济。本次设计的机械手是模仿人手的动作,生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率,可以减轻劳动强度,保证生产质量,实现安全生产,尤其在恶劣的劳动条件下,它代替人作业的意义更加重大,因此,将在机械加工中得到越来越广泛的应用。 参考文献1.机械设计手册第三版第14卷 化学工业出版社2.机械设计标准应用手册第2卷 机械工业出版社3.画法几何及机械制图第四版 高等教育出版社4.液气压传动 机械工业出版社5.可编程控制器应用技术 高等教育出版社23南昌航空大学科技学院毕业设计外文翻译 机械手的机械和控制系统1. 引言 2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究,是为了开发在正常环境(如厨房或客厅)下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下(如身处多物之中),帮我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时,它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得,即所谓的多指机械手或机器人手。上文提到的研究项目,就是要制造一个人形机器人,此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将由两个机构合作制造,它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR(过程控制和机器人技术研究院)和c(计算机应用科学研究院)。这两个组织都有制造此种系统的相关经验,但是稍有不同的观点。IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手(如图1所示),是一个四指相互独立的手爪,我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手(如图17所示)是作为残疾人的假肢。 图1.IPR的卡尔斯鲁厄灵巧手 图2. IAI开发的流体手2. 机器人手的一般结构一个机器人手可以分成两大主要子系统:机械系统和控制系统。机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统,我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍,然后用卡尔斯鲁厄灵巧手演示一下。3. 机械系统机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外,还确定驱动器(如电动机)、传感器(如位置编码器)的位置。3.1 结构设计 结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用,即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候,必须确定三个基本要素:手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。 为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件,至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得6个自由度(3个平移和3个旋转自由度),每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是,为了能够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话,至少需要4根手指。 要确定手指的尺寸和安置位置,可以采用两种方法:拟人化和非拟人化。然后将取决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用,并且是其控制系统变得更加复杂,因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置,常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”,因此可减少加工费用,同时也可是控制系统简化。3.2 驱动系统 指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响,因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑:运动来源和运动方向。在这方面,文献里描述了有几种不同的方法,如文献3中说可由液压缸或气压缸产生运动,或者,正如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下,运动驱动器(如电机)太大而不能直接与相应的指关节结合在一起,因此,这个运动必须由驱动器(一般位于机器臂最后的连接点处)转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式,如使用键、传动带以及活动轴。使用这种间接驱动指关节的方法,或多或少地降低了整个系统的强度和精度,同时也使控制系统复杂化,因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起,但是在控制系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点,因此小型化的运动驱动器与指关节的直接融合就显得相当必要。3.3 传感系统机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环控制是很必要的。在机器手中使用了3种类型的传感器: 1. 手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外,知道手指作用在被抓物体上的力,就可以抓取易碎物件而不会打破它。 2. 抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点,同时也可避免不正确的抓取,如抓到物体的边缘和尖端。另外还能察觉到已抓物体是否滑落,从而避免物体因跌落而损坏。3. 物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前并不清楚这些信息的情况下,这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用于已抓物体上的话,它也能控制物体的姿态(位置和方向),从而监测是否滑落。根据不同的驱动系统,有关指关节位置的几何信息可以在运动驱动器或直接在关节处出测量。例如,如在电动机和指关节之间有一刚性联轴器,那么就可以用电机轴上的一个角度编码器(在齿轮前或齿轮后)来测量关节的位置。但是如果此联轴器刚度不够或着要获得很高的精度的话,就不能用这种方法。3.4卡尔斯鲁厄灵巧手的机械系统为了能够获得如重抓等更加复杂的操作,卡尔斯鲁厄灵巧手(KDH)由4根手指组成,且每根手指由3个相互独立的关节组成。设计该手是为了能够在工业环境中应用(图3所示)和操纵箱、缸及螺钉螺帽等物体。因此,我们选用四个相同手指,将它们作对称、非拟人化配置,且每个手指都能旋转90(图4所示)。鉴于从第一代卡尔斯鲁厄灵巧手设计中得到的经验,比如因传动带而导致的机械问题以及较大摩擦因数导致的控制问题,卡尔斯鲁厄灵巧手采用了一些不同的设计决策。每根手指的关节2和关节3之间的直流电机被整合到手指前部肢体中(图5所示)。这种布置可使用很硬的球轴齿轮将运动传递到手指的关节处。处在电机轴上的角度编码器(在齿轮前)此时可作为一个精度很高的位置状态传感器。 图3.工业机器人上的KDH 为了感知作用在物体上的手指力量,我们发明了一个六维力扭矩传感器(图6所示)。这个传感器可当作手指末端肢体使用,且配有一个球形指尖。它可以抓取较轻的物体,同时也能抓取3-5kg相近的较重物体。此传感器能测量X、Y和Z方向的力及绕相关轴的力矩。另外,3个共线的激光三角测量传感器被安置在KDH的手掌上(图5所示)。因为有3个这样的传感器,因此不仅可以测量3单点之间的距离,如果知道物体的形状,还能测出被抓物体表面之间的距离和方向。物体状态传感器的工作频率为1kHz,它能检测和避免物体的滑落。 图5. KDH的侧视图 图6. 带应变计量传感器的六自由度扭转传感器4. 控制系统机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用,这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述,控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。控制系统必须满足以下几个的条件:1. 必须要有足够的输入输出端口。例如,一具有9个自由度的低级手,其驱动器至少需要9路模拟输出端口,且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话,则端口数量将增加号几倍。2. 需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如,当检测到物体滑落时,能立即采取相应的措施。3. 需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。4. 控制系统的体积要小,以便能够将其直接集成到操作系统当中。5. 在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说,若没有的话,很多的干扰信号将会干扰传感器信号。4.1 控制硬件为了应对系统的要求,控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口(马达和传感器),因此控制器尺寸很小,能轻易地集成到操纵系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力,且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC机轻易地解决。因此,控制硬件常由一个非均匀的分布式计算机系统组成,它的一端是微控制器,而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来,比如总线系统。4.2 控制软件机器人手的控制软件是相当复杂的。必须对要对手指进行实时及平行控制,同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此,为了减少问题的复杂性,就有必要将此问题分成几个子问题来处理。另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目,它的编程环境如用户界面,编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪,以满足机械手的特殊控制要求。4.3卡尔斯鲁厄灵巧手的控制系统如在4.1节中所说,对于卡尔斯鲁厄灵巧手的控制硬件,采用了一种分布式方法(图7所示)。一个微控制器分别控制一个手指的驱动器和传感器,另外一个微控制器用于控制物体状态传感器(激光三角传感器)。这些微控制器(图7左侧和右侧的外箱)直接安装在手上,所以可以保证和驱动器及传感器之间较短的电气连接。这些微控制器都是使用串行总线系统和主控计算机连在一起的。这个主控计算机(图7、图8中的灰色方块)是由六台工业计算机组成的一个并行计算机。这些电脑都被排列在一个二维平面。相邻电脑模块(一台电脑最多有8个相邻模块)使用双端口RAM进行快速通信(图7中暗灰色方块所示)。一台电脑用于控制一个手指。另一台用于控制物体状态传感器及计算物体之间的位置。其余的电脑被安在前面提到的电脑的周围。这些电脑用于协调整个控制系统。控制软件的结构反映了控制硬件的架构。如图9所示。 图7. KDH II的控制硬件构架 图8.控制KDH II的平行主计算机 一个关于此手控制系统的三个最高层次的网上计划正在规划。理想的物体位移命令可由优越的机器人控制系统得到,并可用作物体路径的精确规划。根据已产生的目标路径就可规划可行的抓取行为(手指作用在物体上的可行抓取位置点)。现在知道了物体的运动计划,就可以由手指路径规划得出每个手指的运动轨迹,并传递给系统的实时能力部分。如果一个物体被抓取了,那么其手指的运动路径就传递给了物体的状态控制器。这个控制器控制物体的姿态,它由手指和物体状态传感器所决定,用以获得所需的物体姿态。如果一个手指没有跟物体接触,那么它的移动路径将会直接传递给手控制器。这个手控制器将相关的预期手指位置传递给所有的手指控制器,以协调所有手指的运动。这些在手指传感器的帮助下又反过来驱动手指驱动器。图9. KDH的手部控制系统5. 实验结果为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手的能力,我们选择了两个要求操作问题。一个问题是在网上对处于外部影响下的被抓物体姿态(位置和方向)的控制。另一个问题是被抓物体必须能够绕任意角度旋转,这只能通过重抓才能实现。这可以反映卡尔斯鲁厄灵巧手对复杂任务的操作能力。5.1 物体姿态控制这个物体姿态控制器的目的是为了确定好被抓物体的位置和方向以适合给定的轨迹。此任务必须在实时条件通过在线获得,尽管有内部变化及外部干扰的存在。内部变化比如在物体移动过程中,球形指尖在被抓物体上的滚动。这种状况如图10、图11所示。这将导致物体的不必要的额外移动和倾斜。这些错误的物体姿势很难预先估计。因此,物体状态传感器的输入必须要修改这些错误。对于卡尔斯鲁厄灵巧手来说,其上的三个激光三角传感器就是用来纠正此种错误的。图12定量地说明了图9中物体在没有姿态控制情况下的倾斜情况。下图显示了在X方向上随时间推移的预期轨迹,而上图显示了物体实际的旋转(倾斜)结果情况。因为启用了物体状态控制,图13中的物体倾斜得到了很大的减少。上图物体的旋转保持基本恒定,这和期望的一样。 图10.因滚动产生的额外位移 图12.没有状态控制的物体倾斜图11.因球形指尖在物体上的滚动而产生 图13.物体状态控制下减少的物体 额外的不期望倾斜情况 倾斜情况物体状态控制器对补偿外界干扰也是十分必要的。比如,机器人(手臂、手或手指)或被抓物体与外界的碰撞可能导致物体的滑落。这更有可能导致被抓物体的损耗,这是不能出现的情况。为了能够避免物体在这种情况下的损失,就必须检测出物体的滑落并迅速采取行动以稳定物体的状态。为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手控制系统对这种干扰情况的处理能力,我们做了以下的实验:物件被抓后,将手指的接触力恒定减少直至物体开始滑落。在激光三角传感器检测滑落后,物体状态控制器采取措施将物体重新调控到所期望的位置。图14和图15展示了此种实验的一个例子。尤其是图14,它显示出物体滑落启动的相当突然且相当快。但是物体状态控制器也能够足够快地检测和补偿滑落,这样物体的位置(这里:特别是X方向,就是滑落的方向)和物体的方向能够与最开始的期望值很快地相符。 图14.滑落实验:X方向的实际物体 图15.滑落实验:关于Z轴的实际 位置 物体方向5.2 重抓虽然卡尔斯鲁厄灵巧手非常的灵活,但是它不能在第一次操作中就能得到每一个理想的对象操纵。这源于这样一个事实:手指相对于正常的工业机器人来说是十分小的,因此所具备的工作范围也是很有限的。如果物体被手指抓住,那么它第一次只能在所有手指的剩余空间内被操纵。可行操作的条件是所有的接触点必须长期地处在相联手指的工作范围内。这很大地限制了操作的可行性。为了能够克服此种限制,一个叫做重抓的操作就必须执行。即当一个接触点到达了相联手指的限制区域时,这个手指就必须从物体上脱离,并移到一个新的接触位置。这必须是多于3个手指的手才能使操作可靠。周期性的移动这些手指,就能使任意的操作变得可行。关于此种操作有一个例子,就是在大角度旋转被抓物体时,此时重抓动作很有必要。图16显示了卡尔斯鲁厄灵巧手在旋转一个螺帽状物体时的一系列图片。这个物体是绕它的垂直轴旋转的。在a到c图中所有的手指都跟物体接触,并且四个手指相互协调运动才使物体旋转。图d到图f显示了一个手指的的重抓动作。在d图中这个手指已经运动到其工作范围的极限位置,这时所有手指的协调运动也被终止。左前方的手指脱离物体并单独移动到另一个接触点。在图f中这个手指重新跟物体接触,另一个手指此时可以重新定位(没有显示)。所有的手指重新定位之后,协调旋转运动继续进行。视具体情况而定,卡尔斯鲁厄灵巧手也可以同时进行几个手指的重抓动作。这可以加速重抓过程,但是只能是被抓物体与外界接触的条件下才有可能。比如说螺丝钉上的螺帽或孔里的一挂钩。图17显示了卡尔斯鲁厄灵巧手将一个木柱从一个平方的基座孔内拉出来的一系列图片。图a到图b显示木柱被拉出一半,然后左手指和右手指在同一时刻脱离物体并重新定位(图c到图e)。那之后,前面与后面的手指也重新定位(图f)。那之后,整个木柱被拉出,从而可进行进一步的操作(没有显示)。 图16.利用重抓旋转螺帽状物体 图17.利用重抓从孔中拉出木柱6.结论为了使机械手能够完成灵活精确的操作,一合适的机械系统和控制系统是必需的。这些介绍的标准是必需加以考虑的,正如文中所说。卡尔斯鲁厄灵巧手表现的非常成功。这种机械手能够抓取很大范围的不同形状、尺寸和重量的物体。被抓物体的姿态也能可靠地加以控制,即使在外部干扰的情况下。此外,由于此系统,复杂的精细操作(如重抓)也能实现。在人行机器人的特殊研究领域,基于一个不同的概念叫做流体化(图2所示)的基础上,小型机械手也具有拟人化和机械化。这概念是由卡尔斯鲁厄研究中心的IAI所提出的。但是,这个控制软件的主要结构可经过相应修改而为此种小型机械手所用。10
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