机械手的结构设计

编号:

湖北文理学院理工学院本科毕业论文(设计)

题目机械手的结构设计

机械系机械设计制造及其自动化专业学号 10316137 学生姓名石杰

指导教师丁文文

起讫日期 20 ~ 20

摘要

本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念,机械手硬件和软件的组成,机械手各个部件的整体尺寸设计,气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计,确定了机械手的坐标形式和自由度,确定了机械手的技术参数。同时,设计了机械手的夹持式手部结构,设计了机械手的手腕结构,计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统,绘制了机械手气压系统工作原理图,大大提高了绘图效率和图纸质量,画出了机械手的装配图图。

关键词:工业机器人机械手电动电动式关节型机器人机械手

Abstract

At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart.

KEY WORDS: Industrial robot robot electric

electric-type joints robot manipulator

目录

第一章绪论 (5)

1.1 绪言 (5)

1.2 课题工作要求 (7)

1.3 课题基本参数的确定 (8)

第二章结构的设计 (10)

2.1 手部的机构 (10)

2.1.1 手指的形状和分类 (11)

2.1.2 设计时考虑的几个问题 (11)

2.1.3 手部夹紧的设计 (12)

2.2 手腕结构设计 (13)

2.2.1 手腕的自由度 (13)

2.2.2 手腕的驱动力矩的计算 (13)

2.3 手臂伸缩,升降的尺寸设计与校核 (18)

2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 (18)

2.3.2手臂升降的尺寸设计与校核 (19)

第三章控制系统设计 (22)

总结 (43)

致谢 (44)

结参考文献 (45)

第1章绪论

1.1绪言

到目前为止,世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照予定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序(或简单可变程序)、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置,在技术上有某些相通之处,所以有时不易明确区分,就它们的技术特征来看,其大致区别如下。

“机器人机械手”(Industrail Robot):多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置(国内称作机器人机械手或通用机械手)。

“机械手”(Mechanical Hand):多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置(国内一般称作机械手或专用机械手)。如自动线、自动线的上、下料,加工中心的自动换刀的自动化装置。

“操作机”(Manipulator):一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。

机器人机械手(Industral Robot ,简称IR)是1960年由《美国金属市场》报首先使用的,但这个概念是由美国George·C·Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手,以现在的眼光来看,就是示教再现机器人。根据这一专利,Devol与美国Consolide Control Corp合作,于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。

随后,美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机,并分别取名为Unimate和Ver·satran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔,采用极坐标结构,而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。

上述两种机器人成为机器人结构的主流,美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中,采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料,收到了良好的效果。

美国的机器人机械手技术的发展,大致经历了以下几个阶段:

(1)1963~1967年为实验定型阶段。1963~1967年,万能自动公司制造的

机器人机械手供用户做工艺实验。1967年,该公司生产的机器人机械手定型为1900台。

(2)1968~1970年为实验应用阶段。这一时期,机器人机械手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台机器人机械手;1969年又自行研制出SAM型机器人机械手,并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。

(3)1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。1970~1972年,机器人机械手处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。据当时统计,美国已采用了大约200台机器人机械手,工作时间共达60万小时以上。与此同时,出现了所谓高级机器人,例如森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人机械手的系统。

在欧洲第一台机器人机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。

日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手,并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人,并获得迅速,很快研制出日本国产华的机器人机械手,技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家,目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。

我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚5~6年,但由于种种原因,机器人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外,已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人《阿依古丽》。在1986年地十六届广交会上,成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人《成蓉小姐》已经用汉语或英语向来宾问好,并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电I号》,也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外,清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统,北京钢铁学院研制的焊接机器人,均已达到了较高的水平。同时,在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究,也取得了一定的进展。

近几年来的成就表明,我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来,我们一定回赶上世界各国前进的步伐。

1.2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。

机械手的结构设计

图1.1机械手的工作程序图

1.3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.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.)

2、自由度数:4个,沿Z轴的上下移动,绕Z轴转动,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所示(见图1)

4、最大工作半径:1800mm,最小工作半径1350mm

5、手臂最高中心位置:1012mm

或伺服电机上端最高行程:1387mm(见图2)

最小行程:1237mm

机械手的结构设计

图1.2

6、手臂运动参数:

伸缩行程(X):450

伸缩速度:〈250mm/s

升降行程(Z):150mm

升降速度:〈60mm/s

回转范围(φ):0~180度

回转速度:〈70/s

7、手腕运动参数:

回转范围(ω):0~180

回转速度:90/s

8、手臂握力:由N=0.5/f*G定

这里取f=0.1G=10kg

N=0.5/f*G=50kg

即手指握力为50kg

9、定位方式:闭环伺服定位

10、重复定位精度:±0.05mm

11、驱动方式:电气(伺服电机)

12、控制方式:采用MGS-51单片微机

第2章结构的设计

2.1手部机构

手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件,它能执行人手的部分功能。目前,根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同,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、外观与功用来看,有多种形式,它们分别是:

(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,应考虑以下几个方面:

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,一般夹紧力为工件重量的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震动的影响。

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,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

2.1.1手指的形状和分类

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分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按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型(或称直进型),其中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成无穷长时,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,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。

2.1.2设计时考虑的几个问题

(一)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。

(二)手指间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称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(三)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,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弯曲变形,当应

尽量使结构简单紧凑,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)考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支

点, 两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V 型,其结构如附

图所示。

2.1.3手部夹紧的设计

1、手部驱动力计算

本课题电动机械手的手部结构如图2-1所示:

机械手的结构设计

图2-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=10公斤,

V 形手指的角度 1202=?,mm R mm b 24120=>=,摩擦系数为10.0=f

(1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力为:

R b p 2=N (2)根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式:

)(5.0?θ-=tg N

)

(25)42560(55.0'N tg =-??= 所以

R

b p 2=N )(245N = (3)实际驱动力:

η21K K p p ≥实际

1、因为传力机构为齿轮齿条传动,故取94.0=η,并取5.11=K 。若被抓取工

件的最大加速度取g a 3=时,则:412=+

=g

a K 所以)(156394.045.1245N p =??=实际 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为N 1563。

2.2 手腕结构设计

2.2.1 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。

由于本机械手抓取的工件是水平放置,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求目前实现手腕回转运动的机构,因此我

们选用。它的结构紧凑,但回转角度小于 360,并且要求严格的密封。

2.2.2 手腕的驱动力矩的计算

手腕转动时所需的驱动力矩

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

必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力

矩,动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心

与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图2-2所示为手腕受力的示意图。

机械手的结构设计

1.工件

2.手部

3.手腕

图2-2手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

封摩偏惯驱M M M M M +++=

式中: 驱M - 驱动手腕转动的驱动力矩(cm N ?);

惯M - 惯性力矩(cm N ?);

偏M - 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对转

动轴线所产生的偏重力矩(cm N ?).

封M - 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(cm N ?);

下面以图2-3所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计算:

1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M 悦

若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为ω,起动过程所用的时

间为t ?,则:

).(1cm N t

J J M ?+=ω

)(惯

式中:J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量)..(2s cm N ;

1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量)..(2s cm N 。

若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量1J 为:

g

G J J c 11+=21e 式中: c J - 工件对过重心轴线的转动惯量)..(2s cm N :

1G - 工件的重量(N );

1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm ),

ω- 手腕转动时的角速度(弧度/s);

t ?- 起动过程所需的时间(s );

??— 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M 偏

=偏M 11e G +33e G (cm N ?)

式中: 3G - 手腕转动件的重量(N);

3e - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则11e G 0=.

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M

=封M )(2

12d R d R f B A +(cm N ?) 式中:1d ,2d - 转动轴的轴颈直径(cm);

f - 摩擦系数,对于滚动轴承01.0=f ,对于滑动轴承1.0=f ;

A R ,

B R - 处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,

根据0=∑)

(F M A ,得: 33l G l R B +=l G l G 122+

B R =

l l G l G l G 332211-+

同理,根据B M ∑(F)0=,得:

l

l l G l l G l l G R A )()()(332211-++++=

式中:2G - 的重量(N)

321,,,l l l l ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封,与选用的密衬

装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。

驱动力矩计算

手腕回转的尺寸及其校核

1.尺寸设计

长度设计为mm b 100=,内径为1D =96mm,半径mm R 48=,轴径

mm D 262=2D =26mm,半径mm R 13=,运行角速度ω=s /90 ,加速度时间

t ?=0.1s, 压强MPa P 4.0=,

则力矩: 2

)(22r R pb M -= )

.(6.322

)026.0048.0(1.0104.0226m N =-??= 2.尺寸校核

(1)测定参与手腕转动的部件的质量kg m 101=,分析部件的质量分布情况,

质量密度等效分布在一个半径mm r 50=的圆盘上,那么转动惯量:

2

2

1r m J = 2

05.0102

?= 0125.0=(2.m kg )

工件的质量为5kg ,质量分布于长mm l 100=的棒料上,那么转动惯量:

)

.(0042.012

1.0512

22

2

m kg m l J c =?==

假如工件中心与转动轴线不重合,对于长mm l 100=的棒料来说,最大偏心距

mm e 501=,其转动惯量为:

)

.(0167.005.050042.0222

11m kg e m J J c =?+=+=

惯M t J J ?+=ω

)(1

)

.(3.261.090

)0167.00125.0(m N =+= (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为M 偏,考虑手

腕转动件重心

与转动轴线重合,01=e ,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm e 503=,

则:

=偏M 11e G +33e G

)

.(5.205.010501010m N =??+??= (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M ,对于滚动轴承01.0=f ,对于

滑动轴承f =0.1,

1d ,2d 为手腕转动轴的轴颈直径,mm d 301=, mm d 202=, A R ,B R 为轴颈处的支承反力,粗略估计N R A 300=,N R B 150=,

摩M =

)(2

12d R d R f B A + =)03.015002.0300(201.0?+? =).(05.0m N

4.回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封,与选用的密

衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。在此处估计封M 为摩M 的3倍,

封M =3?摩M

=05.03?

=).(15.0m N

∴ 封摩偏惯驱M M M M M +++=

=15.005.05.23.26+++

=).(29m N

M M 〈驱

∴设计尺寸符合使用要求,安全。

2.3手臂伸缩,升降,的尺寸设计与校核

2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核

手臂伸缩的尺寸设计

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,结合本设计的实际要求,尺寸系列初选内径为

φ100/63。

尺寸校核

1. 在校核尺寸时,只需校核内径1D =63mm,半径R=31.5mm 的的尺寸满足使用要

求即可,设计使用压强MPa P 4.0=,

则驱动力:

2R P F π?=

)

(12460315.014.3104.02

6N =???= 2.测定手腕质量为50kg,设计加速度)/(10s m a =,则惯性力:

ma F =1

)

(5001050N =?= 3.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数2.0=k ,

1.F k F m =

)

(1005002.0N =?= ∴ 总受力m F F F +=10

)

(600100500N =+= F F <0

所以标准CTA 的尺寸符合实际使用驱动力要求。

导向装置

气压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作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用导向装置。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

中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

平衡装置

在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓

一侧重力矩对性能的影响,故在手臂伸缩一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节,务求使两

端尽量接近平衡。

2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核

尺寸设计

运行长度设计为l =118mm,内径为1D =110mm,半径R=55mm,运行速度,加速度

时间t ?=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力:

``20.R p G π=

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