机械手课程设计报告书

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1、 . . . 机电系统课程设计说明书课程设计任务书 班级 学号设计题目简易型机械手的设计 设计任务：1方案论证；在其基础上进行机械手的总体设计,并绘制总体布局图。2驱动系统设计：根据机械手的特点,选用舍党的驱动方式,根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。3控制系统设计：确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。4传感与测试系统设计：进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。5机械本体设计：进行机械本体零部件设计,绘制总体和零件图。设计工作量:1设计说明书一份2CAD图纸 53文档整理排版指导教师设计时间

2、 20XX1月3日20XX1月 21日目 录第1章 绪论11.1机械手概述11.2机械手的设计目的 31.3机械手的设计容41.4机械手的分类及其在生产中的应用 51.5机械手的应用意义81.6机械手的技术发展方向9第2章 设计方案的论证102.1机械手的总体设计102.2机械手腰座结构的设计122.3机械手手臂结构的设计142.4工业机器人腕部的结构162.5机械手末端执行器手爪的结构设计182.6机械手的机械传动机构的设计212.7机械手驱动系统的设计262.8机器人手臂的平衡机构设计33第3章 理论分析和设计计算343.1液压传动系统设计计算343.2电机选型有关参数计算43第4章 控制

3、系统的设计474.1可编程控制器PLC474.2 PLC的选型514.3机械手的工艺流程534.4 机械手的PLC控制系统程序57第5章 机械手本体设计595.1 机械手零部件设计.595.2 机械手总成和零件图.61致62参考文献63第1章 绪论1.1机械手的概述机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件或工具的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结 构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动摆动、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的 升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度

4、。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制,来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息,形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成,通过对其编程实现所要功能。机械手通常常机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中

5、的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术,位置控制技术、检测技术等,是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、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。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。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业

6、中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。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。专用机械手经过几十

7、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 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。目前国外对发展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术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 也在不断地扩大。早在40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。5060年代即制成了传送和装卸工件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。如

8、尤尼曼特机械手即属于这种类型。6070年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上,亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之,目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式,没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控

9、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,把接收到的信息反馈,使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。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系统FMS和柔性制造单元FMC中重要一环。1.2机械手的设计目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节,是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力,掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：1通过设计,把握有关课程机构分析与综合、机械原理、机械设计、

10、液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用,是这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切的结合起来。因此,工业机械手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。2工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化的整机设计。通过设计,培养学生独立的机械整机设计能力,树立正确的设计思路,掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤,为自动化机械设计打下良好的基础。3通过设计,使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册及规,熟悉有关国家标准和部分标准,

11、以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必须具备的基本技能训练。4由于机械手设计工作量比较大,为使学生在短时间得到完整训练,同学以小组为单位,分工合作共同完成此次机械手设计任务,这样既节省了时间,有解决了量大,时间紧的矛盾,同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。1.3机械手的设计容1.3.1机械手的方案论证根据国外同类产品现状,设计课题方案。1.3.2机械手的总体设计在方案论证的基础上进行机械手的总体设计,并绘制总体布局图。1.3.3驱动系统的设计根据机械手的特点,选用舍党的驱动方式,根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系

12、统布局图。1.3.4控制系统的设计确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。1.3.5传感与测试系统的设计进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。1.3.6机械本体设计进行机械本体零部件设计,绘制总体和零件图。1.4机械手的分类及其在生产中的应用1.4.1机械手的分类1油田钻柱操作机械手本产品由科技大学研发而成,主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个,一个坐落在一层台井口旁边2米左右处, 简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上,简称为上手。下手的腰部回转角度120,最大伸缩距离为5.7米,有5个运动关节,在手臂做伸缩运动时,手部保持水平平动

13、。 上手的腰部回转角度为310 ,最大伸缩距离2800mm,上手有9个运动关节,手臂做伸缩运动时,手部保持水平平动。 机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。 机械手可以完成的操作对象参数为：钻柱高30 m；钻杆重量为：40 Kg/m,总重1200 Kg；钻铤七英寸直径重量为：180 Kg /m,总重5400 Kg。2硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程漂浮功能,区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手, 而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点,或是工件需要翻转或倾斜情况下,必须选用硬臂式助力机械手,还有在厂房

14、高度有限情况下,可以选 用硬臂式助力机械手。 硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件,半径最大可以达到3000mm,提升高度 最大2500mm。根据起吊工件重量不同,应选择符合最大工件重量的最小型号的机器,如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件,那么操 作性能肯定不好,感觉很笨重。 配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者,在气压下降到一定程度,启动自锁功能,防止工件下降。并设有安全系统,在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时,操作者不能释放工件。 永乾制造的助力机械手含硬臂式、软索式还可以在用户现场气压不足的情况下,增加增压泵,可以使

15、设备运行更加平稳。 配合各种非标夹具,硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。3软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似,具有全行程的漂浮功能,但是提升位移比气动平衡吊要小,最大只有3000mm,而且最大负载只有450Kg。 配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者。 配合各种非标夹具,软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用,不能使用导轨式。4T型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂,它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂,

16、因而它比硬臂式显得小巧,更适合于操作空间狭小的场合。 T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小,只有200Kg,但提升高度可以根据客户要求设计,而且搬运围要比硬臂式大的多。 配有储气罐,可在断气情况下继续使用一个循环,同时会报警,提醒操作者,在气压下降到一定程度,启动自锁功能,防止工件下降。并设有安全系统,在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时,操作者不能释放工件。 配合各种非标夹具,硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。1.4.2机械手在生产中的应用在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。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

17、自动化的有效办法,程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效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。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； 金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的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。机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。国外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的

18、应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要现自动化。为了提高工作效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面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于段。3.拆修装方面拆修装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。目前国铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动 缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石

19、棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车喷漆通用机械手,可用以对客车部进行连续喷漆,以 改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用,例如：机床加工工件的装卸,特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。在装配作业中应用广泛,在电子行业中它可以用来装配印制电路板,在机械行业中它可以用来

20、组装零部件。可在劳动条件差,单调重复易子疲劳的工作环境工作,以代替人的劳动。可在危险场合下工作,如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。宇宙及海洋的开发。军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.5机械手的应用意义在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、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,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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

21、危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手 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,便于有节奏地生产应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生产线上,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。1.6机械手的技术发展方向目前国工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要

22、。因此,国主要是逐步扩大机械手应用围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典 型部件,即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的围。同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的 作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐

23、步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规 定的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,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械手本身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势是大 力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究 视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪即距离传感器以及卫星计算机。工作时,电视照相机将物体形

24、象变成视频信号,然后传送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件,通过装在手指的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年,全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。第2章 设计方案的论证2.1机械手的总体设计2.1.1

25、机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构,圆柱坐标结构,球坐标结构,关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下。1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度m级。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式

26、,龙门式,天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的,如图2-1.b。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3. 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的,如图2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4. 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图2-1。关节型机器人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛,如

27、焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。图2-1 四种机器人坐标形式2.1.2 设计具体采用方案图2-2具体到本设计,因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG,且长度达500MM,同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求,考虑在满足系统工艺要求的前提下,尽量简化结构,以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑,机械手自由度数目取为3,坐标形式选择圆柱坐标形式,即一个转动自由度两个移动自由度,其特点是:结构比较简单,手臂运动围大,且

28、有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。2.2 机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后,就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。2.2.1 机械手腰座结构的设计要求工业机器人腰座,就是圆柱坐标机器人,球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节,机器人的运动部分全部安装在腰座上,它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时,要注意以下设计原则：1.腰座要有足够大的安装基面,以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷,因此,机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度,以保证其承载能力

29、。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节,它对机器人末端的运动精度影响最大,因此,在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置,它包括驱动器电动、液压及气动及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器,以及制动器。5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面,以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构,用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6.为了减轻机器人运动部分的惯量,提高机器人的控制精度,一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成,而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.2.2 设计具体采用方案腰

30、座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现,要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现,目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高,而且结构紧凑,不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节,对机械手的最终精度影响大,故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动,考虑到转速以及扭矩的具体要求,采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙,影响传动精度,故采用一级齿轮传动,采用大的传动比大于100,同时为了减小机械手的整体结构,齿轮采用高强度、高硬度的材料,高精度加工制造,尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-

31、3所示：图2-3 腰座结构图2.3 机械手手臂的结构设计2.3.1 机械手手臂的设计要求 机器人手臂的作用,是在一定的载荷和一定的速度下,实现在机器人所要求的工作空间的运动。在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则；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.机器人手臂的结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

32、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,应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下,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,通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。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,抗振性好,比重小其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3,但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故还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

33、能小,以减小机械间隙所造成的运动误差。因此,各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应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,应尽可能利用在机器人上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重量,必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。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。2.3.2 设计具体采用方案机械手的垂直手臂大臂升降和水平手臂小臂的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动,液压

34、传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大,考虑加工工件的质量达30KG,属中型重量,同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑,两手臂的驱动均选择液压驱动方式,通过液压缸的直接驱动,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件,不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动,控制简单,易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力,因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的,关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点在整体结构允许的情况下,再进行强度的较核。同时,因为控制和具体工作的要求,机械手的

35、手臂的结构不能太大,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的。因此,在设计时另外增设了导杆机构,小臂增设了两个导杆,与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式,尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆,成正四边形布置,为减小质量,各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆,能显著提高机械手的运动刚度和稳定性,比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4 机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动包括腰座的回转运动,给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置,而安装在机器人手臂末端的手腕,则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端,它与机器人手臂配合运动,实

36、现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态,完成所需要的作业动作。2.4.1 机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数,应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多,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。因此,手腕的自由度数,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数为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,仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此,要具体问题具体分析,

37、考虑机器人的多种布局,运动方案,选择满足要求的最简单的方案。2.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。3.机器人手腕要与末端执行器相联,因此,要有标准的联接法兰,结构上要便于装卸末端执行器。4.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。5.要设有可靠的传动间隙调整机构,以减小空回间隙,提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关,并设置硬限位,以防止超限造成机械损坏。2.4.2设计具体采用方案

38、通过对数控机床上下料作业的具体分析,考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求,在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性,为使机械手的结构尽量简单,降低控制的难度,本设计手腕不增加自由度,实践证明这是完全能满足作业要求的,3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕手臂手爪联结梁结构见图2-4。图2-4手爪联结结构2.5机械手末端执行器手爪的结构设计2.5.1机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多,以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器

39、是指各种夹持装置,用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置,用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置,用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时,应注意以下问题；1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现,就可以增加一种机器人新的应用场所。因此,根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器,将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此,要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人

40、末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现,例如,仿人的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。目前,能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发,应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器,加之以末端执行器的快速更换装置,以实现机器人多种作业功能,而不主用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念,万能性是指一机多能,而通用性是指有限的末端执行器,可适用于不同的机器人,这就要求末端执行器要有标准的机械接口如法兰,使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行

41、器要便于安装和维修,易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此,工业机器人执行机构的主流是电气式,其次是液压式和气压式在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节。2.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪,多为双指手爪。按手指的运动方式,可分为回转型和移动型,按夹持方式来分,有外夹式和撑式两种。机器人夹持器手爪的驱动方式主要有三种1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向,用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低,所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外,由于气体的可压缩性,使气动手爪的抓取运动具有一定

42、的柔顺性,这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪,一般采用直流伺服电机或步进电机,并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是,这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下,因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大,可实现连续位置控制。2.5.3 机器人夹持器的典型结构1.楔块杠杆式手爪：利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开,来实现抓取工件。2.滑槽式手爪：当活塞向前运动时,滑槽通过销子推动手爪合并,产生夹紧动作和夹紧力,当活塞向后运动时,手爪松开。这种手爪开合行程较大,适应抓取大小不同的物体

43、。3.连杆杠杆式手爪：这种手爪在活塞的推力下,连杆和杠杆使手爪产生夹紧放松运动,由于杠杆的力放大作用,这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪：这种手爪通过活塞推动齿条,齿条带动齿轮旋转,产生手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪：采用平行四边形机构,因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动,比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.5.4设计具体采用方案 结合具体的工作情况,本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动,通过活塞杆端部齿条,中间齿条及扇形齿条使手指开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。

44、手爪的具体结构形式如图2-5所示：图2-5机械手末端执行手爪结构图2.6机械手的机械传动机构的设计2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外,机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力,因此,应设计和选择满足传动间隙小,精度高,低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它

45、环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：1.为了提高机器人的运动速度及控制精度,要求机器人各运动部件的重量要轻,惯量要小。因此,机器人的传动机构要力求结构紧凑,重量轻,体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构,以减小反向空回所造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小,动摩擦力应是尽可能小的正斜率,若为负斜率则易产生爬行,精度降低,寿命减小。因此,要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件,如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。4.缩短传动链,提高传动与支承刚度,如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交

46、流伺服电机直接与丝杠螺母副连接,以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。5.选用最佳传动比,以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量,尽可能提高加速能力。6.缩小反向死区误差,如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7.适当的阻尼比,机械零件产生共振时,系统的阻尼越大,最大振幅就越小,且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大,稳态误差增大,精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适。2.6.2工业机器人常用的传动机构形式1.齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮,圆锥齿轮,谐波齿轮,摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系

47、统中齿轮传动设计的一些问题1齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求,其输入电动机为高转速,低转矩,而输出则为低转速,高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度,还要求其转动惯量尽量小,以便在获得同一加速度时所需的转矩小,即在同一驱动功率时,其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区失动量,若该死区是闭环系统中,则可能造成系统不稳定,常使系统产生低频振荡,因此要尽量采用齿侧间隙小,精度高的齿轮；为尽量降低制造成本,要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙

48、,从而提高传动精度和系统的稳定性。2各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后,为使减速系统结构紧凑,满足动态性能和提高传动精度的要求,要对各级传动比进行合理的分配,原则如下：a输出轴转角误差最小原则为了提高齿轮传动系统的运动精度,各级传动比应按先小后大的原则分配,以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为,则 2-1式中：-第个齿轮所具有的转角误差；-第个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差、.、换算到末级输出轴上的总转角误差为 2-2由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的

49、转角误差和传动比的大小。因此,在设计中最末两级的传动比应取大一些,并尽量提高其加工精度。b等效转动惯量最小原则利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小,各级传动比也是按照先小后大的次序分配,以使其结构紧凑。具体而言有几点：1对要求运动平稳,起停频繁和动态性能好的伺服系统,按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。2对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数,避免同期啮合以降低噪音和振动。3对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统,按总转角误差最小原则；对于增速传动,由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性,应在开始几级就增速,并且要求每级增速比

50、最好大于1:3,以有利于增加轮系的刚度,减小传动误差。4对以比较大传动比传动的齿轮系,往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高,传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。2.谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻,传动比大几十到几百,传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳,承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似,它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的,故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。3.螺旋传动螺旋传动

51、及丝杠螺母,它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的,如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的,如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠滑动摩擦和滚珠丝杠滚动摩擦,前者结构简单、加工方便、制造成本低,具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低30%40%。后者虽然结构复杂、制造成本高,但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高92%98%,其运动平稳性好,灵活度高。通过预紧,能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好,使用可靠、润滑简单,因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因

52、此在用于垂直方向传动时,须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标：1滚珠丝杠的精度等级；2滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值；3载荷条件静、动载荷以及载荷允许值；4滚珠丝杠的工作寿命；5滚珠丝杠的临界转速；6滚珠丝杠的刚度；减小滚珠丝杠空回行程的方法,多是采用双螺母结构,使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙,提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降,所以,预加载荷不应超过工作载荷的1/3。4.同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动,它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿,通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带

53、和带轮作无滑动的同步传动,齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料,无弹性滑动,以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高可达98%、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳,能高速传动可达40m/s、传动比可达10,结构紧凑、维护方便等优点,故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格,同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5.钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大,是无间隙传动、摩擦阻力大,无滑动,结构简单紧凑、运行可靠、噪声低,驱动力矩大、寿命长,钢带无蠕变、传动效率高。6.链传动在机器人中链传动多用于腕传动上,为了减轻机器人

54、末端的重量,一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远,故采用精密套筒滚子链来传动。7.钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软,成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。2.6.3 设计具体采用方案 具体到本设计,因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂,由于液压缸实现直接驱动,它既是关节机构,又是动力元件。故不需要中间传动机构,这既简化了结构,同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动,必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较,选择圆柱齿轮传动,为了保证比较高的精度,尽量减小因齿轮传动造成的

55、误差；同时大大增大扭矩,同时较大的降低电机转速,以使机械手的运动平稳,动态性能好。这里只采用一级齿轮传动,采用大的传动比大于100,齿轮采用高强度、高硬度的材料,高精度加工制造。2.7机械手驱动系统的设计2.7.1机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统,按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大、力或力矩与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大,惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是,液压系统需要进行能量转换电能转换

56、成液压能,速度控制多数情况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低,液压系统的液体泄露会对环境产生污染,工作噪音也较高。2.气动驱动系统具有速度快,系统结构简单,维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制,多用于程序控制的机器人中,如在上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器交流变频器、直流脉冲宽度调制器的广泛采用,这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换,使用方便,噪声较低,控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中,成本上也较其

57、他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出,因此在机器人中被广泛的使用。2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则 设计机器人时,驱动系统的选择,要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：1.物料搬运包括上下料使用的有限点位控制的程序控制机器人,重负荷的选择液压驱动系统,中等负荷的可选电机驱动系统,轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人,要求

58、具有点位和轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.7.3机器人液压驱动系统 液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在,已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前,虽然在中等负荷以下的工业机器人量采用电机驱动系统,但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。 液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大,对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制,进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力

59、机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达,连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中,中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多,大功率的用容积调速系统。节流调速系统,动态特性好,但是效率低。容积调速系统,动态特性不如前者,但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人的液压系统 这类机器人属非伺服控制的机器人,在只有简单搬运作业功能的机器人中,常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：1液压缸设计：在确封性的前提下,尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件,以减小摩擦阻力,提高液压缸的寿命。2定位点的缓冲与制

60、动：因为机器人手臂的运动惯量比较大,在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。3对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路,防止因碰撞过载而损坏机械结构。4液压源应该加蓄能器,以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。2.伺服控制机器人的液压系统具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人,需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀,电-液比例阀,电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达,电-液伺服液压缸,电-液步进马达,电-液步进液压缸,液压回转伺服执行器RSA-Rotory Serve Actuator等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要,电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式,也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式,要尽量缩短连接管路,这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积,以增大液压固有频率。 在机器人的驱动系统中,常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达,也可以用电-液步进马达。液压