[排版]數(shù)控機床上下料機械手設計

[排版]數(shù)控機床上下料機械手設計,排版,數(shù)控機床,上下,機械手,設計 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 數(shù)控機床上下料機械手設計 CNC machine loading and unloading manipulator design 學院名稱： （四號宋體） 專業(yè)班級： （四號宋體） 學生姓名： （四號宋體） 指導教師姓名： （四號宋體） 指導教師職稱： （四號宋體） 年 月 江蘇大學本科畢業(yè)設計 I 數(shù)控機床上下料機械手設計 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 職稱： 摘要 通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，對工業(yè)機 械手各部分機械結構和功能的論述和分析，設計了一種圓柱坐標形式的數(shù)控機床上下料 機械手。重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各部分機械結構以及機械手控制系統(tǒng)進 行了詳細的設計。具體進行了機械手的總體設計，腰座結構的設計，機械手手臂結構的 設計，機械手腕部的結構設計，末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計，機械手的機械傳動機 構的設計，機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計。同時對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算。 基于 PLC 對機械手的控制系統(tǒng)進行了深入細致的設計，通過對機械手作業(yè)的工藝過程和 控制要求的分析，設計了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時編制了機械手的控制程序。設計達 到了設計的預期目標。 關鍵詞：機械手 PLC 液壓伺服定位 電液系統(tǒng) 江蘇大學本科畢業(yè)設計 II CNC machine loading and unloading manipulator design Abstract Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulators control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. Keyways: Manipulator PLC Hydraulic servo control Electrohydraulic system 江蘇大學本科畢業(yè)設計 III 目 錄 第 1 章 緒論 ......................................................1 1.1 選題背景 ...........................................................................................................................1 1.2 設計目的 ...........................................................................................................................1 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 ...................................................................................................2 1.4 設計原則 ...........................................................................................................................3 第 2 章 設計方案的論證 ............................................4 2.1 機械手的總體設計 ...........................................................................................................4 2.1.1 機械手總體結構的類型 ...............................................................................................4 2.1.2 設計具體采用方案 .......................................................................................................5 2.2 機械手腰座結構的設計 ...................................................................................................6 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 .......................................................................................6 2.2.2 設計具體采用方案 .......................................................................................................6 2.3 機械手手臂的結構設計 ...................................................................................................7 2.3.1 機械手手臂的設計要求 ...............................................................................................7 2.3.2 設計具體采用方案 .......................................................................................................8 2.4 機械手腕部的結構設計 ...................................................................................................9 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 .......................................................................................9 2.4.2 設計具體采用方案 .....................................................................................................10 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 .....................................................................10 2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 .................................................................................10 2.5.2 機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 .............................................................................11 2.5.3 機器人夾持器的典型結構 .........................................................................................12 2.5.4 設計具體采用方案 .....................................................................................................12 2.6 機械手的機械傳動機構的設計 .....................................................................................13 江蘇大學本科畢業(yè)設計 IV 2.6.1 工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題 .................................................................13 2.6.2 工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 .............................................................................14 2.6.3 設計具體采用方案 .....................................................................................................18 2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 .................................................................................................18 2.7.1 機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 .....................................................................................18 2.7.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 .............................................................................19 2.7.3 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) .................................................................................................19 2.7.4 機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) .................................................................................................21 2.7.5 機器人電動驅(qū)動系統(tǒng) .................................................................................................22 2.7.6 設計具體采用方案 .....................................................................................................25 2.8 機器人手臂的平衡機構設計 .........................................................................................25 2.8.1 機器人平衡機構的形式 .............................................................................................26 2.8.2 設計具體采用的方案 .................................................................................................26 第 3 章 理論分析和設計計算 .......................................27 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設計計算 .................................................................................................27 3.1.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 .............................................................................................27 3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 .............................................................................28 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設計 .....................................................................................................28 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 .........................................................................................................29 3.1.5 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) .........................................................................................29 3.1.6 計算和選擇液壓元件 .................................................................................................34 3.1.7 液壓系統(tǒng)性能的驗算 .................................................................................................36 3.2 電機選型有關參數(shù)計算 .................................................................................................36 3.2.1 有關參數(shù)的計算 .........................................................................................................36 3.2.2 電機型號的選擇 .........................................................................................................39 第 4 章 機械手控制系統(tǒng)的設計 .....................................40 4.1 機械手控制系統(tǒng)硬件設計 .............................................................................................40 江蘇大學本科畢業(yè)設計 V 4.1.1 機械手工藝過程與控制要求 .....................................................................................40 4.1.2 機械手的作業(yè)流程 .....................................................................................................40 4.1.3 機械手操作面板布置 .................................................................................................42 4.1.4 控制器的選型 .............................................................................................................42 4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析 .....................................................................................................43 4.1.6 PLC 外部接線設計 ......................................................................................................44 4.1.7 I/O 地址分配 ................................................................................................................44 4.2 機械手控制系統(tǒng)軟件設計 .............................................................................................46 4.2.1 機械手控制主程序流程圖 .........................................................................................46 4.2.2 機械手控制程序設計 .................................................................................................46 第 5 章 技術經(jīng)濟性分析 ...........................................48 結 論 ..........................................................49 致 謝 ..........................................................50 參考文獻: .......................................................51 江蘇大學本科畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒論 1.1 選題背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置， 它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特 別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的 一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動 化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提 高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ， 加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機 械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。把機床 設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產(chǎn)， 可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn) 系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應市 場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的 距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平 的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常 有意義的。 1.2 設計目的 本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完 成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設 計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具 有較強的針對性和明確的實施目標，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結合。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、 生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替 江蘇大學本科畢業(yè)設計 2 人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加 工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展， 越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工 廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕 工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體 趨勢如下： A機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測 系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 B工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡 化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、 易操作性和可維修性。 C機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外， 裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力 覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機 器人的關鍵技術。 D關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系 列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研 究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、 系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進 的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的 工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、 簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 3 1.4 設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要 求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元 配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，同時 也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、 液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC） 、電子技術、自動控制、 機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知 識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性， 腳踏實地，實事求是的做好本次設計。 第 2 章 設計方案的論證 2.1 機械手的總體設計 2.1.1 機械手總體結構的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型 結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1.直角坐標機器人結構 直角坐標機器人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 a2-1.。由 于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置 江蘇大學本科畢業(yè)設計 4 精度（m 級） 。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是 比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型 的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及 搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 2.圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人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 2- 1.b。這種機器人構造比較簡單，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.球坐標機器人結構 球坐標機器人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 2-1.c。 這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是 一個類球形的空間。 4.關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖 2-1.d。關節(jié)型機器人動作 靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人 在工業(yè)中應用十分廣泛，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。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 圖 2-1 四種機器人坐標形式 江蘇大學本科畢業(yè)設計 5 2.1.2 設計具體采用方案 圖 2-2 機械手工作布局圖 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達 30KG，且長度達 500MM， 同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求 的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要 3 種運動, 其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮，機械手 自由度數(shù)目取為 3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其 特點是:結構比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖 2- 2 所示。 2.2 機械手腰座結構的設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等 各個部分進行詳細設計。 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。 它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人 的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 6 2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結 構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大， 因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減 速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 5.腰部結構要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面， 以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調(diào)整機構，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳 動間隙。 6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部 分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.2.2 設計具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液 壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊 湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)， 對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能 直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和 扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采 用大的傳動比（大于 100） ，同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度 的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖 2-3 所示： 江蘇大學本科畢業(yè)設計 7 圖 2-3 腰座結構圖 2.3 機械手手臂的結構設計 2.3.1 機械手手臂的設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作 空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這 樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機 器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒 有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手 臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的 條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料， 通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制 造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?1/4，相當于鋁合金的 2/3） ，但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的 工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元 江蘇大學本科畢業(yè)設計 8 法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂 的重量。 4.機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此， 各關節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構。 5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高 機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機 器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設 計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊， 以及驅(qū)動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 2.3.2 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直 線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運 工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達 30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài) 性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動 均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件， 不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的 控制。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn) 的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑 取得大一點（在整體結構允許的情況下） ，再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增 大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了 導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加 其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導桿均采用空心結 構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn) 定性的問題。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 9 2.4 機械手腕部的結構設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動） ，給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間 中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作 空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動， 實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各 關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。 但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增 加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下， 應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個，有的需要更多的 自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的 任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求 的最簡單的方案。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和 體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅(qū)動器采用分離傳動。 腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸 末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調(diào)整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2 設計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手 上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械 手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能 江蘇大學本科畢業(yè)設計 10 滿足作業(yè)要求的，3 個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結 梁）結構見圖 2-4。 水 平 液 壓 缸 支 承 板 手 臂 手爪 聯(lián) 結梁執(zhí) 行 手 爪 圖 2-4 手爪聯(lián)結結構 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機 器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為 搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置， 用來進行相應的加工作業(yè)。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)， 就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的 新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。 因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 11 3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜， 甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn) 的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重 開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以 實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這 種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行 器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭） ，使末 端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。 5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便 的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣 壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)） 。 2.5.2 機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動 方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種 1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來 調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。 另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取 動作十分需要的。 2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機 或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的 力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn) 生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 12 2.5.3 機器人夾持器的典型結構 1.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 2.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾 緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物 體。 3.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松） 運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使 用。 4.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾 緊與松開動作。 5.平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指 保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4 設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復移動，通過活 塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的 直徑來調(diào)定。本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。手爪的具體結構形式如圖 2-5 所示： 江蘇大學本科畢業(yè)設計 13 圖 2-5 機械手末端執(zhí)行手爪結構圖 2.6 機械手的機械傳動機構的設計 2.6.1 工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題 機器人是由多級聯(lián)桿和關節(jié)組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅(qū)動型機器人 以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構進行驅(qū)動的。 機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主要有螺 旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精 度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、 體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機 等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題： 1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量 要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。 3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜 率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支 承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副 的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接， 以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。 5.選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn) 動慣量，盡可能提高加速能力。 6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。 7.適當?shù)淖枘岜龋瑱C械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減 越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在 設計時要使傳動機構的阻尼合適。 江蘇大學本科畢業(yè)設計 14 2.6.2 工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 1.齒輪傳動機構 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸 輪蝸桿傳動等。機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題： （1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應滿足驅(qū)動部件與 負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則 為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便 在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應最大。齒輪的 嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量） ，若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定， 常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造 成本，要采用調(diào)整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。 （2）各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結構緊湊，滿 足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下： a輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應按 “先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角 精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 ，則 max （2-1）)(1max/knnii 式中： -----第 個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；k -----第 個齒輪的轉(zhuǎn)軸至 n 級輸出軸的傳動比。)(kni 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（ 、 、...、 ）換算到末級輸128 出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 江蘇大學本科畢業(yè)設計 15 （2-2）84764354321max iiii 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小。因此，在 設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。 b等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等 效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結構緊湊。 具體而言有幾點： （1）對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和 總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 （2）對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙 合以降低噪音和振動。 （3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原 則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增 速，并且要求每級增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。 （4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結合為混合 輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重 量輕時。可選用新型的諧波齒輪傳動。 2.諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百） ，傳動精度高、 回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人 系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性 齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一 般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。 3.螺旋傳動 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換 為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為 主的，如機床工作臺的進給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦） ，前者結構簡單、 江蘇大學本科畢業(yè)設計 16 加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%40%） 。 后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高 （92%98%） ，其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進 給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾 珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向 傳動時，須附加自鎖機構或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標： （1）滾珠絲杠的精度等級； （2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值； （3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值； （4）滾珠絲杠的工作壽命； （5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速； （6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結構，使螺母與絲杠之間有一定的 預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預加載荷會使?jié)L珠絲杠 壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的 1/3。 4.同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工 作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒