【文章內(nèi)容簡介】 因此，迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國的智能機器人和特種機 器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 本課題 研究的主要內(nèi)容 本課題主要 闡述 了 機械手的基本組成及 國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀， 研究 了 裝配 機械手的功能要求和現(xiàn)實意義 。 通過對機械手工作原理的學(xué)習(xí)和了解，熟悉了機械手的運動機理。在現(xiàn)有機械手技術(shù)基礎(chǔ)上，確定了 小型零件裝配 機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對機械手的運動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手傳動部分、執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等系統(tǒng)的相關(guān)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 設(shè)計，并對機械手的控制技術(shù)進(jìn)行了一定的 設(shè)計 。 小型零件裝配 機械手的功能要求及現(xiàn)實意義 小型零件裝配 機械手的功能要求 本設(shè)計的機械手是一臺 小型零件裝配 機械手，實現(xiàn) 三 自由度運動，完成物件的搬運 裝配 工作。 小型零件裝配 機械手的現(xiàn)實意義 科學(xué)發(fā)展觀為我國工程技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊道路，而機械手作為一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域 。應(yīng)用裝配機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度、保證質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中裝配機械手替代人進(jìn)行正常的工作意義更大。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 2 機械手總體設(shè)計方案 對于 裝配 類機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾取 — 搬運 — 放置物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及自動定位等特性。設(shè)計機械手的原則是：充分分析作業(yè)對象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 本次設(shè)計的機械手是一臺 小型零件裝配 機械手，通過 X 軸、 Y 軸的移動及 X 軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)零件的 拾取 — 搬運 — 裝配。 機械手的坐標(biāo)型式與自由度 機械手的坐標(biāo)型式 機械手的坐標(biāo)型式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)型式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下： 1．直角坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 21(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以直角坐標(biāo)機械手有可能達(dá)到很高的位置精度 ( m? 級 )。但是，這種直角坐標(biāo)機械手的運動空間相對機械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講 是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型機械手結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，一般有懸臂式、龍門式和天車式三種結(jié)構(gòu)。 2．圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 21(b)所示。這種機械手構(gòu)造比較簡單、成本低廉，精度還可以，常用于搬運作業(yè)，其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3．球坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 21(c)所示。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不是很高，主要應(yīng)用于搬運作業(yè)，其工作空間是一個類球形的空間。 4．關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 21(d)所示。關(guān)節(jié)型機械手動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。一般有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 圖 21 四種機械手坐標(biāo)型式 本設(shè)計是設(shè)計一臺 小型零件裝配 機械手，要求實現(xiàn) 三 自由度運動。為滿足設(shè)計要求，綜合考慮上述四種坐標(biāo)型式機械手的不同特點，最終選用 直角坐標(biāo) 型機械手結(jié)構(gòu)。 機械手的自由度 結(jié)合 直角 坐標(biāo)型機械手的特點，所設(shè)計的 小型零件裝配 機械手具有相應(yīng)的 三 個自由度： X軸的移動 、 Y軸的移動及 X軸 的回轉(zhuǎn) 。 總體設(shè)計方案 三自由度裝配機械手的傳動機構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計主要是針對傳動行走機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制方式的設(shè)計。 傳動行走機構(gòu) 直角坐標(biāo)型機械手的傳動主要是直線傳動，直線傳動的方式主要有齒輪齒條傳動、鏈傳動、絲杠傳動、直線電機傳動等。 其中齒輪齒條傳動主要適用于重載荷、長行 程的傳動機構(gòu)，且齒輪齒條傳動工作噪聲大，普通的齒輪齒條傳動很難達(dá)到高精度的定位。而機械手在裝配的過程中行程不是很大，在運行中需要有很高的定位精度，因此選擇齒輪齒條并不合適。鏈傳動的優(yōu)點是沒有滑動，工況相同時傳動尺寸比較緊湊，不需要很大的張力，作用在軸上的載荷小，效率較高，可達(dá)到 98%。但是它只能用于平行軸之間的傳動，瞬間速度不均勻，高速運轉(zhuǎn)時不平穩(wěn)，不宜在載荷變化的傳動中應(yīng)用，工作時有噪聲。絲杠傳動剛性較好，可以傳動較大的扭力，位置準(zhǔn)確。絲杠傳動方式主要有梯形絲杠傳動、滾珠絲杠傳動、滑動絲杠傳動等。其中梯形 絲杠的傳動效率不高，軸向間隙不容易去除。滑動絲杠絲杠傳動效率低，摩擦損失大，壽命沒有滾珠絲杠長。工業(yè)應(yīng)用中重要的是采用可靠的機械機構(gòu)、簡單的控制結(jié)構(gòu)和算法，并易于維護(hù)、經(jīng)濟性好。在這方面，滾珠絲杠具有其他絲杠傳動方式不可比擬的優(yōu)勢。直線電機傳動中直線電機的優(yōu)點是直線驅(qū)動，無傳動鏈、無磨損、無反向間隙，所以能達(dá)到最佳的定位精度。直線電機具有較高的動態(tài)性，加速度可超過 2g。采用直線電機還具有可靠性高、免維護(hù)等特點。進(jìn)給速度寬?？蓮?1m/s 到 20m/min 以上，目前加工中心的速度已達(dá)到 208m/min。但是，直線 電機直接驅(qū)動也存在一些缺點：如效率低，功耗大，結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對較大，工作過程溫度升高，要強冷卻造價很高。雖然直線電機具有很多優(yōu)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 點，但是就本設(shè)計而言，三維傳動距離不大，速度要求也不高，因此如果應(yīng)用直線電機，則性價比不高，經(jīng)濟性也不高。綜合以上的對比選擇滾珠絲杠是最合適的。 滾珠絲杠是絲杠和螺母間以滾珠為滾動體的螺旋傳動副，它可以將旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或相反。對于本設(shè)計是實現(xiàn)二維傳動，即 X、 Y軸的直線傳動。如圖所示 圖 22 X 軸視圖 圖 23 俯視圖 驅(qū)動行走機構(gòu) 機械手的驅(qū)動方式有液壓 式、氣動式和電動式。 液壓容易達(dá)到較高的壓力，體積較小可以獲得較大的推力或扭矩；工作平穩(wěn)可靠。但是它的不足之處是油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，液體的泄露難以克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，造價高。液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點是壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速，氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。它的不足之處是壓縮空氣常用壓力為，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大，空氣壓縮性大， 工作穩(wěn)定差。多用于開關(guān)控制和順序控制的機器人?？紤]到三維傳動的穩(wěn)定性，本設(shè)計不選用氣動方式驅(qū)動。 電動機驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機和步進(jìn)電機驅(qū)動。普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。伺服電機和步進(jìn)電機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 伺服電機和步進(jìn)電機雖然在控制方式上相似，但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著差異。現(xiàn)就二者的使用性能做一比較： 運行性能：步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高 或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)得現(xiàn)象，停止時 轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服電機系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能更為可靠。但實際工作中負(fù)載較小，若避免啟動頻率過高，選擇合理的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機將會降低丟步和堵轉(zhuǎn)的頻率。 速度響應(yīng)性能：步進(jìn)電機從加速到工作轉(zhuǎn)速需要 200400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，加速時間更短。但實際工作中 200400 毫秒是很快的速度，因此步進(jìn) 電機與伺服電機相比更加經(jīng)濟。 步進(jìn)電機一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，有時也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種 D/A 轉(zhuǎn)換裝置。它具有以下優(yōu)點：輸出角度精度高，無累積誤差，慣性?。惠斎胼敵龀蕠?yán)格的線性關(guān)系；容易實現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反控制方便；輸出信號為數(shù)字信號，可以與計算直接接口。綜上所述，初步選擇步進(jìn)電機驅(qū)動。 機械手的設(shè)計參數(shù) 機械手的最大抓取重量是其規(guī)格的主參數(shù)，該機械手主參數(shù)定為 5kg。 （ 1)抓重： 5kg (2)自 由度： 3 個 (3)坐標(biāo)型式 ：直角坐標(biāo)型 (4)運 動參數(shù)： X 軸：最大行程 1000mm，最大移動速度 5m/min Y 軸：最大行程 720mm，最大移動速度 5m/min 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 （ 5） 定位精度： ? （ 6） 重復(fù)定位精度： ? （ 7） 驅(qū)動方式：步進(jìn)電機驅(qū)動 （ 8） 希望壽命： 15000h 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 3 機械手機 械系統(tǒng)設(shè)計 X 軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計與選擇 軸 滾珠絲桿副尺寸選擇計算 初算導(dǎo)程 hp （ mm） 導(dǎo)程應(yīng)該按承載能力、傳動精度及傳動速度選取，導(dǎo)程值大承載能力也大，導(dǎo)程值小傳動精度高。所以綜上所述， X 軸的滾珠絲桿的導(dǎo)程先選擇為 8mm。對應(yīng)的公稱直徑可取32mm。 hp =8mm 0d =32mm 當(dāng)量載荷 mF （ N） 當(dāng)載荷在 minF 和 maxF 之間周期變化時，載荷按下式計算 ? ?m inm ax23/1 FFF ?? 估算 minF =500N maxF =2021N ? ? ? ? N1500500202123/123/1 m i nm a x ?????? FFF 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mn （ r/min） 當(dāng)轉(zhuǎn)速在 maxn 和 minn 之間變化時， ? ?m inm ax2/1 nnnm ?? 已知 ?maxV 5m/min ?0d 32mm 估算 ?minV 2m/min 則由 vDn ?? 得 ???? 5m a x DVn ? 50r/min ???? 2m in DVn ? 20r/min 所以 ? ? ? ? ????? 2050212/1 m inm a x nnn m 35r/min 額定動載荷計算 amC （ N） ? ? cahmmwam ffLnFfC 100/60 31?? 式（ ) 當(dāng)有預(yù)加載荷時還要計算 maxFfC eam ??? 式（ ) 式中 af —— 精度系數(shù) cf —— 可靠性系數(shù) wf —— 載荷性質(zhì)系數(shù) hL —— 預(yù)期工作壽命 cf —— 預(yù)加載荷系數(shù) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 maxF —— 最大軸向載荷 查表得 ??wf ?af 1?cf h15000?hL ?cf ? ? ? ? ?????????? cahmmwam ffLnFfC KN92 0 0 a x ?????? FfC eam 選擇 amC? 與 amC? 中較大者為預(yù)期值 amC ，所以 KN9?amC 估算滾珠絲桿允許最大軸向變形 ? ?mm?? 已知定位精度為 ，重復(fù)定位精度為 )41~31(??m? 重復(fù)定位精度 ??? )51~41(???m? 定位精度 ??? 取 m?? 和 m?? 中較小值為 m? 值，即 mm ?? 2 . ?? 估算滾珠絲杠底徑 )mm(2md 根據(jù)公稱直徑的選擇，滾