機械手-工業(yè)機器人1,機械手,工業(yè),機器人 第一章 緒論 1.1工業(yè)機器人研究的目的和意義 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動化工廠( FA) 、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣,工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 20世紀80年代以來，工業(yè)機器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個方面的技術(shù)進步起著非常重要的作用。 1. 驅(qū)動方式的改變 20世紀70年代后期，日本安川電動機公司研制開發(fā)出了第一臺全電動的工業(yè)機器人，而此前的工業(yè)機器人基本上采用液壓驅(qū)動方式。與采用液壓驅(qū)動的機器人相比，采用伺服電動機驅(qū)動的機器人在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅(qū)動的機器人，成為工業(yè)機器人驅(qū)動方式的主流。在此過程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機構(gòu)的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅(qū)動已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動方式，直線電動機等新型驅(qū)動方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長足發(fā)展。 2. 信息處理速度的提高 機器人的動作通常是通過機器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機的運動而實現(xiàn)的。為了使機器人完成各種復(fù)雜動作，機器人控制器需要進行大量計算，并在此基礎(chǔ)上向機器人的各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，C P U的計算能力有了很大提高，機器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機器人控制器甚至可以同時控制20多個關(guān)節(jié)。機器人控制器性能的提高也進一步促進了工業(yè)機器人本身性能的提高，并擴大了工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍。近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺機器人通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢。 夾持的特殊要求，采取了多種形式的機械結(jié)構(gòu)來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施。在針對同樣的目標任務(wù)，采取多種運動方式相結(jié)合的方式來達到預(yù)定的目的。驅(qū)動方面采用了一臺工業(yè)機器人多種驅(qū)動方式的情況，有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，步進電機驅(qū)動，伺服電機驅(qū)動等等。愈來愈多的搬運機器人是采用混合驅(qū)動系統(tǒng)的，這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動方式的優(yōu)點，避免缺點。并且在它的控制精度方面和搬運效率方面有了很大的提高。在搬運機械手的控制方面，出現(xiàn)了多種控制方式。如：由原始的電控的機械手，較先進的基于工控機控制的，基于PC控制的，進一步的嵌入式PC控制技術(shù)，還有采用PLC可編程控制的。 ??！所有下載了本文的注意：本論文附有CAD圖紙和完整版說明書，凡下載了本文的讀者請留下你的聯(lián)系方式（QQ郵箱），或加我百度用戶名QQ，我把圖紙發(fā)給你。最后，希望此文能夠幫到你！ 在物料搬運方面近年來呈現(xiàn)出的趨勢就是系統(tǒng)化。無論是我國還是國外，物料搬運的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備，由單機走向系統(tǒng)。在制造業(yè)方面，隨著JIT, FMS, CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對物料搬運系統(tǒng)也提出了新的要求。其特點是力求減少庫存、壓縮等待和輔助時間，使多品種、少批量的物料準時到達要求的地點。這一趨勢在機械工業(yè)方面得到了很大的應(yīng)用。其中采用了機器人等先進的物料搬運技術(shù)，促進了機械工業(yè)的技術(shù)進步和生產(chǎn)水平提高。 當(dāng)代工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展一方面表現(xiàn)在工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)城的擴大和機器人種類的增多。另一方面表現(xiàn)在機器人機械系統(tǒng)性能的提高和控制系統(tǒng)的智能化。前者是指應(yīng)用領(lǐng)域的橫向拓寬，后者是在性能及水平上的縱向提高。機器人應(yīng)用領(lǐng)城的拓寬和性能水平的提高二者相輔相承、相互促進。應(yīng)用領(lǐng)城的擴大對機器人不斷提出斷的要求，推動機器人技術(shù)水平的提高.反過來，機器人性能與智能水乎的提高，又使擴大機器人應(yīng)用領(lǐng)域成為可能。 1．工業(yè)機器人機械系統(tǒng)性能的提高。 進一步提高業(yè)機器人的運動精度。機器人是一種多關(guān)節(jié)開鏈式結(jié)構(gòu)，因此，機器人手臂的剛度一般都不高。另外由于構(gòu)件的尺寸誤差和傳動間隙的存在，以及機器人手臂末端誤差的放大作用，使當(dāng)前機器人的定位與運動還不能達到很高的精度。度大.精度高的數(shù)控機床相比，機器人在工作精度上大為遜色。因此，至今工業(yè)機器人在精密裝配及其它精密作業(yè)中的應(yīng)用仍受到了很大的限制。除了精密作業(yè)要求高精度機器人以外.采用離線編程的工業(yè)機器人系統(tǒng)也要求該機器人要具有足夠高的定位精度和運動精度。 進一步提高機器人工作精度的主要辦法是：提高機器人的加工精度與裝配精度，采用無隙傳動的減速機構(gòu)，采用直接驅(qū)動電機，通過標定進行機器人的 2．誤差補償，通過實時檢側(cè)對機器人運動誤差進行實時修正。提高機器人手的靈活度和避障能力:當(dāng)前常用的機器人手肴的靈活度的都不夠高，即手臂末端達到某一工作點時。手臂可能采取的姿態(tài)是有限的，有時要有很大的靈活度和很強的避障能力.例如。當(dāng)用噴涂機器人噴涂車身內(nèi)表面時，要求機器人能將車身內(nèi)表面的各個角落都噴上漆，必須要有高靈活度機器人手有才行。另外，在有限空間及有障礙的復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機器人，例如在核電站工作的機器人，也要求其具有高靈活度的機器人手臂。為了提工業(yè)機器人手臂的靈活度，主要是采用具有冗余自由度的機器人手臂和在機器人手臂機構(gòu)上采用膨鉸關(guān)節(jié)及可雙向彎曲的手臂。 3．提高機器人的運動速度和響應(yīng)頻率：為了提高機器人作業(yè)效率，以及提高具有感知功能機器人的反應(yīng)速度，就必須提高機器人運動速度和響應(yīng)頻率，這一點，對裝配機器人來說尤為重要。為此，一方面可以通過采用高強度材料或輕質(zhì)材料(如碳纖維復(fù)合材料)制造機器人手臂，以達到減輕手臂重量和提高手臂動態(tài)特性的目的，另一方面，也可以通過采用直接驅(qū)動電機或其它高性能驅(qū)動電機，從控制和驅(qū)動方面提高機器人系統(tǒng)的運動速度與響應(yīng)頻率。 4．提高機器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應(yīng)能力:為了使機器人能像人一樣進行各種復(fù)雜作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)及設(shè)備操作，機器人就必須有一個運動靈活和動作靈敏的手腕和手爪。這一點對裝配作業(yè)機器人、核工業(yè)機器人和在空間站上作業(yè)的空間機器人來說是特別重要的。 5．采用模塊化組合式機器人結(jié)構(gòu)，提高機器人快速維修性能:根據(jù)優(yōu)化設(shè)計，制造出多種不同尺寸和規(guī)格的手臂和連接器模塊。用少量的模塊可組合成多種機器人配置。這種機器人能進行快速維修，可以實現(xiàn)自動修復(fù)。所以，這種機器人結(jié)構(gòu)最適用于空間機器人、核工業(yè)機器人等。如這種積木結(jié)構(gòu)能推廣用于一般工業(yè)機器人，將使工業(yè)機器人的成本下降、生產(chǎn)周期及維修周期縮短。 1.3工業(yè)機器人的分類 （3）對搬運機器人的手爪，，小臂，大臂，的結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制各部分的結(jié)構(gòu)草圖； （4）由第2步所給定的條件和第3步的結(jié)構(gòu)特點，選取驅(qū)動系統(tǒng)并確定驅(qū)動電機的驅(qū)動方式和傳動方式； （5）對各結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進行粗估，完成對手爪的夾緊氣缸，小臂、大臂絲杠的驅(qū)動電機，以及腰部、腕部的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的計算選型； （6）根據(jù)電機的外形尺寸及輸出軸軸徑，以及電機的重量完善結(jié)構(gòu)草圖。 （7）通過以確定的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分析，驗算重要零件的受力情況，繪制最終裝配圖。 第二章 總體設(shè)計方案確定 2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計概述 一個機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由下列互相作用的部分組成：機械手、環(huán)境、任務(wù)。 機械手是由具有傳動執(zhí)行裝置的機械，它由臂，關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成，組合為一個互相連接，互相依賴的運動機構(gòu)。機械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器是安裝在腕端的附加裝置。 機器人的手部可分為夾持式和吸附式兩大類。夾持式的是指型手，夾持方式有外夾式和內(nèi)撐式之分，吸附式的分為空氣負壓式和電磁式兩種， 任務(wù)是指機器人要完成的工作。機器人的類型是隨著工作任務(wù)的特點而決定的。例如：SCARA機器人就非常適合平面上的工件的抓取。 環(huán)境是指機器人所處的周圍環(huán)境。環(huán)境不僅由幾何條件(可達空間)所決定，而且由環(huán)境和它所包含的每一個事物的全部自然特性所決定。 2.2基本設(shè)計參數(shù) 根據(jù)次機械手的應(yīng)用場合和實地的應(yīng)用要求，其主要的設(shè)計參數(shù)要求如下： （1）抓取的重物：2kg； （2）機械手的自由度數(shù)：4個； （3）運動參數(shù)： 大臂升降： 線速度：； 小臂伸縮： 線速度： ； 手腕俯仰： 角速度：； 腰部旋轉(zhuǎn)： 角速度：； （4）運動行程： 大臂升降：300mm 小臂伸縮:300mm 腰部旋轉(zhuǎn): 手腕俯仰: 2.3工作空間分析 2.4傳動方案的確定： 2.4.1傳動方案分析 <1>方案1： 圖2-2 傳動方案一 第一、二、自由度均采用伺服電機加減速器的結(jié)構(gòu)形式。大臂的驅(qū)動電機和大臂的回轉(zhuǎn)軸共線。小臂的傳動方案與大臂的傳動方案相同，這樣雖然結(jié)構(gòu)上較為簡單，但對大臂產(chǎn)生了一定的附加彎矩，對工件的抓取精度產(chǎn)生了一定的不利影響，并且對轉(zhuǎn)矩的計算也會較為麻煩。第三個自由度，即就是升降機構(gòu)采用電機步進電機加同步齒形帶的傳動方案。同步齒形帶具有傳動精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定等特點。但對安裝的精度要求較高，負載能力也很有限，并且不能實現(xiàn)反向自鎖，需要另加斷電保護裝置。手爪的結(jié)構(gòu)采用較為簡單的氣動控制直線運動的手爪。 <2>方案二： 圖 2-3 傳動方案二 第一、二自由度均采用交流伺服電機加減速器的驅(qū)動模式，故此結(jié)構(gòu)可以較為簡單。電機軸和小臂的關(guān)節(jié)軸是同一方向的。這是在充分考慮到小臂的驅(qū)動電機對大臂所產(chǎn)生的附加彎矩的條件下，對大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計特別做了加強處理。第三個自由度為絲杠螺母的升降運動，采用的傳動方式是電機軸經(jīng)過一級齒輪減速，再驅(qū)動滑動絲杠，利用滑動絲杠的大減速比的特點，達到控制上升的速度不至于過快。同時，選擇單頭的滑動絲杠具有很好的自鎖性能，從而在系統(tǒng)突然斷電的情況下，不致使此自由度方向上發(fā)生運動，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全。第四自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)也是采用電機加諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式。手爪采用目前廣泛采用的，而且技術(shù)成熟的連桿導(dǎo)桿式氣動機械手，這一機械手的造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單，針對此處所抓取的工件的特點是不易變形的金屬工件，所以對夾緊力的要求不是太高，故采用氣動機械手爪完全可以達到設(shè)計要求。 <3>方案三： 圖2-4 傳動方案三 如圖2-4所示，第一自由度采用步進電機加減速裝置的傳動模式。大臂與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間采用諧波減速器傳遞動力。小臂的驅(qū)動電機考慮到它的重量會對大臂造成較大的附加彎矩，則把小臂的驅(qū)動電機安裝在大臂的回轉(zhuǎn)軸的軸線方向，電機輸出軸與小臂的回轉(zhuǎn)軸之間通過同步齒形帶相連接，保證了小臂回轉(zhuǎn)的精度。但這樣就使得小臂的傳動機構(gòu)很復(fù)雜，有多段承受彎矩的軸，并且電機軸也承受了一定的彎矩。第三個自由度采用滾珠絲杠并配以電機加減速器驅(qū)動的傳動方案，這是利用了滾珠絲杠的傳動精度高，并且是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，而不需要中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)簡單。但滾珠絲杠必須附加自鎖裝置以確保能夠做到斷電保護。滾珠絲杠的造價較高，重量也較重，因此在滾珠絲杠的材料選擇方面要求加工材料要較輕。并且滾珠絲杠需要電機的輸出轉(zhuǎn)矩也較大，自身的減速比較小。機器人的手爪部分仍然采用較為常用的氣缸配合連桿式氣動機械手的結(jié)構(gòu)，其作用與方案一所述的相同。 2.4.2 伺服驅(qū)動與步進驅(qū)動的比較 1）低頻特性不同 歨進電機在低速時容易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，振動的頻率與負載情況以及與驅(qū)動器的性能有關(guān)。當(dāng)步進電機工作在低速的時候一般還應(yīng)采取阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 2）矩頻特性不同 不進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，而且在較高的轉(zhuǎn)速時會急劇下降所以其最高的工作轉(zhuǎn)速在。交流伺服電機為恒力矩輸出即使在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)都能輸出額定的轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 3）過載能力不同 不僅電機一般不具有過載能力，交流伺服電機具有較強的過載能力比進電機因為沒有這種過載能力，為了克服啟動時較大的慣性力矩，往往要選取具有較大靜轉(zhuǎn)矩的電機，而機器人正常工作時又不需要這么大的轉(zhuǎn)矩，所以便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。 4）運行性能不同 步進電機的控制一般為開環(huán)控制，速度過快或負載過大都會出現(xiàn)失轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。交流伺服電機為驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可以直接對電動機編碼器反饋信號進行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，能避免失步或過沖現(xiàn)象。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電動機，所以在一些對位置和速度要求較高的場合，采用交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。此次的搬運機器人隊工件的抓取，對其驅(qū)動系統(tǒng)的要求就是要能夠較為準確的完成對位置和速度的控制，這樣選取交流伺服電機就能夠很好的滿足這一點。 通過對上面的方案的比較，綜合分析后我認為方案二有更多的優(yōu)勢，而且結(jié)構(gòu)合理，能夠比較好的完成本次的輸送線出貨臺的物料搬運工作。故此次方案二作為本次設(shè)計的最終設(shè)計方案。 第三章　搬運機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1驅(qū)動和傳動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）底座 如圖所示：電機和諧波減速器通過連軸套筒相連，諧波減速器的輸出軸和大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸直接相連。外殼的材料采用45鋼底座的軸承采用角接觸軸承，使利用了它既能承受軸向力也能承受一定的徑向里的特點。電機和減速器通過外殼內(nèi)部的凸臺進行安裝，這樣使得結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便。里面部件的材料采用鋁合金,位于底部的電機通過諧波減速器的減速對頂端軸進行驅(qū)動，從而帶動了大臂回轉(zhuǎn)軸和大臂一起轉(zhuǎn)動，需要注意的是臂回轉(zhuǎn)軸是做成一體的。 圖 3-1 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案圖 （2）傳動裝置 傳動的主要方式是采用交流伺服電機加減速器的傳動模式，大臂的軸承選擇的是角接觸軸承，用此來承受較大的負載產(chǎn)生的彎矩，避免了減速器的輸出軸，以及電機軸承受附加載荷，從而保護了減速器和電機。大臂的長度盡可能的做的短一些，這樣會在整體結(jié)構(gòu)簡單的情況下將小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電機自身重量和減速器的重量極可能多得通過殼體傳遞到地面，另外對大臂的設(shè)計也采用了增加強度的處理，從而盡可能電機和減速器所產(chǎn)生的附加彎矩對機構(gòu)的影響。小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了電機減速后直接驅(qū)動小臂關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動小臂旋轉(zhuǎn)，這里大、小臂的運動具有獨立性的特點。 （3）升降機構(gòu) 此處機械手的升降機構(gòu)是采用電機加一級齒輪減速，傳遞動力給滑動絲杠，利用滑動絲杠的大的降速比來完成夾持工件的機械手上下移動，這樣可以把電機輸出的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成絲杠螺母的上下移動，并且整體結(jié)構(gòu)較為簡單。同時考慮滑動絲杠的原因也是利用了滑動絲杠的反向自鎖的特性，從而實現(xiàn)了斷電保護。在滑動絲杠的外螺母上連接導(dǎo)向桿，這樣可以對螺母起到導(dǎo)向的作用，同時可以減少負載產(chǎn)生的附加彎矩對滑動絲杠的影響，進一步挺高了機械手抓取時的抓取精度。 （4）旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 如圖所示，此處的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要是利用步進電機利用鍵連接來驅(qū)動機械手進行旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)抓取工件位姿的調(diào)整，這里是考慮到機械手在抓取工件時所需要的位姿來進行設(shè)計的，使得機械手的手爪更方便有效的完成工件的抓取。 3.2氣動手爪的選型計算 機械手爪受力分析：（如圖3-3） P：機械夾持器軸向施加的作用力； e：夾持器活塞中心至手指支點的距離； R：支點銷軸的半徑； ：中間連桿對手指的壓力角； ：摩擦角； ：構(gòu)件間的摩擦系數(shù)； 角度條件：；　　　　　　 尺寸條件：；； 如圖3-2所示，設(shè)力P的方向與中間連桿之間的夾角為，作用在中間連桿上的分力為F， P/2=Fcos+sin （3.1） 圖3-2 則作用在連趕上的分力F可以用下面的式子來表示： F= （3.2） 設(shè)中間連桿與手指之間的夾角，即壓力角 圖 3-2 手爪結(jié)構(gòu) 為，手指支點的反力為R，手指支點軸的半徑為r，連接銷與手指支點的距離為。手指支點到指尖的距離為.則根據(jù)繞手指支點的力矩平衡關(guān)系可得到下式： （3.3） 其中R可根據(jù)下式求得： (3.4) 則將（3.2）（3.3）代入（3.4）中可得如下式子： 　　　　　　　　　　 （3.5） 由于很小，可以忽略。設(shè)手指與手部中心線夾角為，并且注意到（）+=，可由此改寫為,則（3.5）式子最終可以改寫成： 　　　　　　　　　　 （3.6） 圖3-3 手爪受力分析 則最終得到活塞桿的輸出力P與夾緊力之間的關(guān)系為： 　　　　　　　　　　P= （3.7） 由于工件夾緊時手指所處的位置，設(shè)手指夾緊部分的摩擦系數(shù)為=0.5。則可得到，由已知得到工件重4kg 則可推得=40N。 由此時手爪所處的位置可得到：由此（3.7）式子可以簡化為： 　　　　　　　　　　 （3.8） 測得，又知道，則tg()= 帶入（3.8）式則得到：P==231.2N。 3.3手爪驅(qū)動氣缸設(shè)計計算 手指的理論驅(qū)動力為P，選用驅(qū)動氣缸時應(yīng)考慮手指與回轉(zhuǎn)軸之間的摩擦以及氣缸的活塞與缸壁之間的摩擦。因為回轉(zhuǎn)軸處的效率較低，從工作的安全和動作的可靠性考慮，所取手指的驅(qū)動力為N=5P=1156N。 由氣缸的輸出力計算公式：N= （3.9） 其中：F：氣缸的理論輸出力（?kgf） D：氣缸的缸徑（mm） P：工作壓力（kgf/cm） 氣缸的效率一般為85%，則由（3.9）公式可得到氣缸的缸徑為： ==58.86mm。 根據(jù)氣缸的選型表可以選擇的氣缸內(nèi)徑為63mm。由氣缸氣的選型手冊可選LG系列氣缸。主要的技術(shù)參數(shù)為：氣缸內(nèi)徑63mm，最大行程800mm，工作壓力范圍0.049—0.98MPa，耐壓力1.47MPa，不需要給油。緩沖行程20mm，選擇FB后法蘭盤結(jié)構(gòu)。 根據(jù)所選擇的氣缸，并計算出在0.5 MPa下的實際輸出力是否滿足手指的驅(qū)動力的要求。在P=0.5MPa的壓力下實際輸出力==1323N。 故此結(jié)果滿足要求。 3.4進給絲杠的設(shè)計計算： 當(dāng)機械手爪抓起工件時，絲杠的負載就由以下幾個部分組成：工件，手爪，驅(qū)動氣缸，手爪與氣缸的連接套筒，俯仰電機，減速器，絲杠套杯與L型支架等組成。 它們的重量可以做以下粗估：工件40N，手爪20 N，驅(qū)動氣缸20N，手爪與氣缸的連接套筒20N，俯仰電機55N，減速器5N， 絲杠套杯與L型支架40N等組成?？紤]到實際的影響因素，可以估計出絲杠的真實負載約為F=230N。 考慮到先前方案分析是提到的絲杠要求反向自鎖的特點，先根據(jù)其負載情況粗選滑動絲杠的類型為單頭梯形絲杠。大徑=39mm，中徑?=27mm，小徑=23mm,螺距P=6mm。螺桿材料為45鋼，螺母的材料為ZCuSn5Pb5Zn5，高度H=600mm。 對所選的絲杠進行驗算： (1)絲杠螺桿的耐磨性驗算：因為工作壓強P=F/(dHn),式子當(dāng)中，，而n=H/P=600/6。帶入上式得:P==0.0063N/㎜,并且考慮到螺桿升降速度0.04m/s,并且不是連續(xù)工作P=10N/㎜?？梢奝< P。滿足耐磨性要求。 （2）螺紋強度校核：根據(jù)螺母材料查表，取=35 N/㎜， =50 N/㎜。 由螺紋剪切強度公式=檢驗。式子中：b=0.65P=0.65×6=3.9㎜。 D=d+2ad=40㎜.所以==0.00327 N/㎜。 螺紋的彎曲應(yīng)力===0.0075 N/㎜。 則滿足：P< P，<，<。螺紋的強度足夠。 （3）自鎖性驗證：因為是單頭螺紋，故導(dǎo)程S=P=6㎜,所以螺紋升角=arctg=arctg=4.05。 由表面的鋼對青銅的摩擦系數(shù)f=0.08～0.10,此處可以針對此范圍取到f=0.10，得==arctg = 所以<,故可自鎖。 3.5驅(qū)動電機的選型計算 3.5.1手爪旋轉(zhuǎn)電機的選型計算 根據(jù)慣性匹配公式，折算到伺服電機上的全部負載轉(zhuǎn)動慣量為。由公式可知：kg其中： ：各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量（）； ：各旋轉(zhuǎn)件的角速度； ：伺服電機的角速度； 各直線運動件的質(zhì)量(kg)； 各直線運動件的速度(m/s)； 1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的特點，可以把工件看成是一個繞電機軸的軸線旋轉(zhuǎn)的圓柱體模型，轉(zhuǎn)動慣量：=40.05=0.005kg。 手爪關(guān)于電機軸的轉(zhuǎn)動慣量同理得=20.1=0.01kg。 氣缸手爪連接套筒關(guān)于電機軸的轉(zhuǎn)動慣量=20.2=0.04kg。 氣缸關(guān)于電機軸的轉(zhuǎn)動慣量=40.05=0.005kg。 則總轉(zhuǎn)動慣量為：=+++=0.005+0.01+0.04+0.005=0.06kg。并考慮到連桿和減速器的轉(zhuǎn)動慣量，則可擴大使=0.07 kg。 又由折算公式：kg來計算。根據(jù)初始的條件：=3.1，所具有的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為310。從而可以確定所用到的諧波減速器的減速比為=100。由機構(gòu)本身的特點可知：=0，=0。帶入折算公式，則得=0.07=0.07 kg。又根據(jù)，由此可以從MINAS 系列電機的型號表中選出電機的轉(zhuǎn)動慣量=0.20 kg。由此得總的折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量= +=0.20+0.07=0.27 kg。 2）伺服電機的轉(zhuǎn)矩計算： 電機所需轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動轉(zhuǎn)矩計算 式中，—空載起動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩； —折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩； —由于絲杠預(yù)緊引起的附加轉(zhuǎn)矩； —伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩的最大值； 由此又由公式= 其中，—最大快速移動時伺服電機的轉(zhuǎn)速； —系統(tǒng)的時間常數(shù)； 可得到===0.71N。 摩擦力矩主要是由軸承的運動所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記=0. 2N。 此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 又（交流伺服電機），：為電機的過載系數(shù)。 所以，即 。 至此我們可以選出的電機型號為MINAS系列的電機，其額定功率為0.2KW，額定轉(zhuǎn)矩為0.64N，最大靜轉(zhuǎn)矩為1.91N>=0.51。轉(zhuǎn)子 量匹配原則：可以粗選電機的轉(zhuǎn)動慣量為=2.84 kg（帶制動器）。則總的折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：=（1.17+2.84）=。 2）伺服電機的轉(zhuǎn)矩計算： 電機所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動轉(zhuǎn)矩來計算，由此得到。 其中===4.19N（取加速度時間為0.05s）。 （此處取阻尼系數(shù)） 此處沒有涉及到絲杠預(yù)緊，所以 又（交流伺服電機）所以，即就是 。 至此所選擇的電機的額定功率為1.5KW，額定轉(zhuǎn)矩為4.77N，最大轉(zhuǎn)矩為14.3 N，電機慣量為2.84 kg（帶制動器），額定轉(zhuǎn)速為3000，最高轉(zhuǎn)速為5000，重量為6.5kg，電機輸出軸直徑為19mm。 3.5.3小臂驅(qū)動電機的選型計算 1）對小臂的負載進行估算：工件40N，手爪20 N，旋轉(zhuǎn)電機重15 N，氣缸手爪連接套筒20 N，諧波減速器5 N，支架40 N，絲杠25 N，減速齒輪5 N，絲杠驅(qū)動電機65 N，箱體30 N，小臂30 N。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量的平行移軸定理，對各個部分的轉(zhuǎn)動慣量分別進行分析。 轉(zhuǎn)動慣量為=16.7 kg（帶制動器）。則總的折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：=（16.7+6.78）=。 2）小臂伺服電機的轉(zhuǎn)矩計算： 電機所需轉(zhuǎn)矩用快速空載起動轉(zhuǎn)矩計算，得。其中===3.69N（加速度時間0.2s）。 摩擦力矩主要是由軸承的運動所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記為=0.2N。 此處沒有涉及到預(yù)緊，所以 又由（交流伺服電機） 所以，即 。 至此所選擇的電機的額定功率為2KW，額定轉(zhuǎn)矩9.54N，最大轉(zhuǎn)矩為28.5 N，電機慣量為16.7 kg（帶制動器），額定轉(zhuǎn)速為2000，最高轉(zhuǎn)速為3000，重量為12..5kg，電機輸出軸直徑為22mm。 小臂的諧波減速器的生產(chǎn)廠家是陜西蔡家坡渭河工具廠生產(chǎn)。型號選擇為XBW—32—107—8。輸入轉(zhuǎn)速3000，輸出轉(zhuǎn)矩6N，傳動比為107。質(zhì)量為0.5kg。 3.5.4大臂驅(qū)動電機的選型計算： 1）：，，，。 小臂驅(qū)動電機關(guān)于大臂驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動慣量 =12.50.075+12.50.3=1.16kg。 同理可得小臂減速器關(guān)于大臂驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動慣量： 0.50.03+0.50.3=0.045kg 小臂負載關(guān)于大臂驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動慣量： 6.67+31.50.3=9.51kg 大臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： 100.08=0.032kg 由此可得到總的轉(zhuǎn)動慣量為 由折算公式：kg可得折算到電機軸上的各個負載的轉(zhuǎn)動慣量為。根據(jù)伺服電機的慣量匹配原則：，可以粗選電機的轉(zhuǎn)動慣量為=21.1 kg（帶制動器）。則總的折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：=（21.1+5.57）=。 2）大臂伺服電機的轉(zhuǎn)矩計算： 電機所需要的轉(zhuǎn)矩可以用快速空載起動轉(zhuǎn)矩來計算，由此得到。 其中===1.67N（加速度時間為0.5s） 摩擦力矩主要是由軸承的運動所產(chǎn)生的摩擦力所形成，記=0.5N。 此處由于沒有涉及到預(yù)緊，所以。 又（交流伺服電機）所以，即就是 。 至此所選擇的電機的額定功率為3KW，額定轉(zhuǎn)矩14.3N，最大轉(zhuǎn)矩為42.9 N，電機慣量為21.1 kg（帶制動器），額定轉(zhuǎn)速為2000，最高轉(zhuǎn)速為3000，重量為14.7kg，電機輸出軸直徑為24mm。 大臂的諧波減速器選型為XBW—80—134—120，傳動比為134，輸入轉(zhuǎn)速3000。輸出轉(zhuǎn)矩120N，質(zhì)量為10kg，效率為70%—80%。 3.6手臂強度校核 大小臂主要承受來自臂體自身及臂端部件重量載荷，即臂體要承受均勻載荷和突加載荷。 由材料力學(xué)知識知道彎矩最大處發(fā)生在左端截面處， 由重力產(chǎn)生彎矩 突加載荷產(chǎn)生的彎矩 故左端最大彎矩 為計算簡便將兩臂近似看作等截面長方體。則大小臂必須滿足彎曲正應(yīng)力的強度條件： 矩形截面積： 鋁合金材料拉壓強度= 材料拉壓強度= 大小臂膠合過程如下： (1) 大臂強度校核 ，，，。 大臂受力情況，,,,則 所以大臂滿足強度要求。 （2）小臂強度校核工件40N，手爪20 N，旋轉(zhuǎn)電機重15 N，氣缸手爪連接套筒20 N，諧波減速器5 N，支架40 N，絲杠25 N，減速齒輪5 N，絲杠驅(qū)動電機65 N，箱體30 N，小臂30 N。 小臂受力情況，,,, 第四章 搬運機器人的控制系統(tǒng) 4.1機器人控制系統(tǒng)分類 1.程序控制系統(tǒng)：給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。 2.自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 3.人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。 4．機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為兩類： 1）集中控制方式：用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，其構(gòu)成框圖如圖所示。 圖4-1集中控制方式 2）主從控制方式：采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。 圖4-2 主從控制方式 主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖如圖3所示。主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。 4.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計 4.2.1控制系統(tǒng)方案分析 控制系統(tǒng)通常是指在復(fù)雜的條件下，將預(yù)定的控制目標轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C械運動。控制系統(tǒng)使被控機械實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機械量的精確綜合控制。 搬運機器人的手部、小臂、大臂的動作都是通過控制系統(tǒng)來控制的，所以控制系統(tǒng)是搬運機器人的重要組成部分，控制系統(tǒng)的設(shè)計對于機器人的總體設(shè)計而言至關(guān)重要。目前，搬運機器人的控制方式大多采用可編程序的點位控制(PTP)方式，而在各種控制方式中，可編程序控制器(PLC)因其通用性好、編程方便、成本較低、易于設(shè)計和維護等優(yōu)點而被廣為使用，它完全可以取代繼電器控制柜，而且可以實現(xiàn)比繼電器功能強得多的控制功能。 4.2.2控制系統(tǒng)特點 1. 編程方法簡單 可編程控制器的梯形圖語言程序一般采用順序控制設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖語言程序和調(diào)試程序比設(shè)計和調(diào)試繼電器控制系統(tǒng)所花的時間要少得多。 2．控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強 盡管現(xiàn)在世界各個生產(chǎn)可編程控制器的廠家和公司，有著多種品牌和種類，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。配以各種組件就可以靈活的組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。 3．抗干擾能力強 可編程控制器采用了一系列硬件和軟件的抗干擾干擾能力措施，如濾波、隔離、屏蔽、自診斷、自恢復(fù)等，使之具有很淺的抗干擾能力。一般無故障的時間數(shù)已經(jīng)達到數(shù)萬小時以上，可以應(yīng)用于有強干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場?，F(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)被公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 4．可靠性高 繼電接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸電，連線復(fù)雜，各觸點在吸合和斷開時容易受到電弧的損傷，所以壽命多，工作可靠性差。而可編程控制器以軟件代替硬件，許多繼電器的觸點和繁雜的連線可以用程序來實現(xiàn)，大量的開關(guān)動作可以用無觸電的電子電路來完成，因此壽命長，可靠性大大的提高。 5．體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維護方便 可編程控制器體積小、質(zhì)量小，便于安裝。通常可編程控制器都有自診斷、故障報警、故障顯示的功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易的通過更換模塊插件來迅速排出故障。它的結(jié)構(gòu)精湊，與硬件連方式簡單，接線少，易于維護。 4.3機器人的控制系統(tǒng)方案確定 本次控制系統(tǒng)采用的方案是PLC+交流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動機和伺服電動機驅(qū)動器組成，它已經(jīng)成為無刷直流伺服系統(tǒng)的代替品。近年來交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它不僅能克服了直流伺服電動機在結(jié)構(gòu)上存在的電刷維護困難、造價高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等缺點，同時又發(fā)揮了交流伺服電動機堅固耐用、經(jīng)濟可靠及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。 一個伺服驅(qū)動系統(tǒng)并不僅僅是驅(qū)動器與電動機的組合，而是一個完整復(fù)雜的控制系統(tǒng)。完整的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括：伺服控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機以及至少一個檢測元件，所有這些部件都在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中運行：驅(qū)動器接受控制控制器的指令信息，然后將電流送給電動機，通過電動機轉(zhuǎn)換成扭矩，然后帶動負載；檢測元件測量負載的位置（角度、直線位移）、速度、加速度等參數(shù)，輸入控制器實現(xiàn)指令信息值與實際位置值的比較，然后通過閉環(huán)控制使實際位置值和指令信息值保持一致。 4-1 交流伺服系統(tǒng)控制框圖 機器人各關(guān)節(jié)由電機輸出動力，通過各種傳動方案，帶動各關(guān)節(jié)運動，傳感器、編碼器將檢測記錄到的運動部件的運動狀況并以開關(guān)量形式傳遞給I/O，PLC接收到這些信號并經(jīng)過處理后，發(fā)出指令，傳遞給I/O，系統(tǒng)進入下一道命令執(zhí)行中。 PLC是要對搬運機器人的執(zhí)行機構(gòu)進行控制，控制機器人對工件的抓取。對搬運機器人的控制包括PLC通過I/O接口向機器人發(fā)出控制指令，以及獲取機器人的工作狀態(tài)信息等內(nèi)容。PLC接收機器人的各種工作狀態(tài)信 號、指令及傳感系統(tǒng)，包括各指令開關(guān)、工件識別傳感信號和執(zhí)行機構(gòu)的 4-3 機器人控制系統(tǒng)框圖 位置信號等，實現(xiàn)PLC對搬運機器人的狀態(tài)信息的獲取。 在機器人控制系統(tǒng)中，提供了搬運工作模式(運行、示教等)設(shè)置。機器人伺服系統(tǒng)開啟停止、重啟、繼續(xù)和回零等輸入控制端口。通過這些控制端口PLC可以對焊接機器人進行上述的控制,同時也提供了搬運機器人所處的運行模式。伺服系統(tǒng)的開、停、就緒和急停等狀態(tài)輸出端口通過讀取這些端口的狀態(tài)。PLC就能獲知機器人的搬運基本狀態(tài)。 4.4 PLC及運動控制單元的選型 針對本次控制系統(tǒng)的方案，選擇SYSMAC的CS1系列的PLC ，與之配套的MC單元為MC421，此處注意到MC421能夠?qū)崿F(xiàn)四軸的伺服驅(qū)動，分別對應(yīng)本次SCARA機器人的四個伺服電機的伺服驅(qū)動。系統(tǒng)的配置圖如4-4所示： MC的控制面板主要有LED指示器、單元號設(shè)置開關(guān)，X/Y軸和Z/U軸連接器、I/O連接器、示教盒連接器、MPG連接器等組成。各個部分的分布如圖4-5所示。 1、 單元號設(shè)置開關(guān) 單元號的設(shè)置確定了CPU單元專用I/O單元區(qū)的那些字分給MC單元。CS1-MC421占用了50個字。 2、 連接器 圖4-4 控制系統(tǒng)配置圖 圖4-5 MC單元控制面板 1) I/O連接器 用于外部輸入輸出的連接器，包括各軸的限值輸入、急停輸入、圓點接近輸入、外部輸入、常規(guī)輸入。 2）示教盒連接器 用于連接示教盒。 3) MPG連接器 用于MPG（手動脈沖發(fā)生器）或同步譯碼器的連接器。 第五章 結(jié)論與展望 搬運機器人在工業(yè)機器人的領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色，本次設(shè)計的主要目的是圍繞實驗室的建設(shè)，設(shè)計與實地環(huán)境相符的搬運機器人來實現(xiàn)輸送線出貨臺上的工件到AGV小車上的搬運，從而實現(xiàn)工件的傳送和運輸這一環(huán)節(jié)的自動化操作。論文工作總結(jié)如下： （1）根據(jù)各種傳動方式之間的聯(lián)系及特點，通過取長補短，主要考慮了結(jié)構(gòu)緊湊簡單等原則，確定了機器人的整體設(shè)計方案； （2）各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式均采用電機加減速器的方式的傳動設(shè)計，大臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和大臂做成一體，大臂的截面形狀采用等強度處理； （3）在各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分考慮到附加載荷對電機軸的影響，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸的載荷通過固定在其兩端的軸承把負載的附加載荷傳遞到軸承上，從而保護了電機和減速器； （4）在進給機構(gòu)的設(shè)計中，滑動絲杠自鎖性可以很好的保護工件不會在斷電的情況下落，造成意想不到的事故； 由于時間有限，本次設(shè)計還存在一定的不足，還有待進一步提高，展望如下： 在傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊型和盡量簡單的特點，故把小臂驅(qū)動電機安裝在小臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，但這樣會造成大臂附加載荷過大，引起一定的不穩(wěn)定因素，在今后的中可以盡可能選擇質(zhì)量較小在電機的選擇和減速器的選擇，或盡量減少電機在懸臂梁上的結(jié)構(gòu)。 在手爪的設(shè)計中可以把手爪設(shè)計成可以替換的具有通用性的手爪，這樣可以在搬運不同類型的工件時只需要更換機械手的手指，從而拓展了機器人的應(yīng)用范圍。