機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1工業(yè)機械手設(shè)計的意義</p><p>　　1、熟悉機械手的應用場合及有關(guān)機械手設(shè)計的步驟；</p><p>　　2、機械手可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度，減輕人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)；</p><p>　　3、結(jié)合機械手設(shè)計這方面的知識，在設(shè)計過程中

2、學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題。</p><p>　　1.2國外的機械情況</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電

3、磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。</p><p>　　1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Uni-mate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。</p>&

4、lt;p>　　1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。</p><p>　　1978年美國Uni-mate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Uni-mate型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于

5、裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。</p><p>　　美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Uni-mate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。</p><p>　　德國機器

6、制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國Kn-Ka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p><p>　　瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。</p><p>　　瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。</p><p>　　日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969

7、年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械

8、手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。</p><p>　　第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。</p>

9、<p>　　第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。</p><p>　　隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動

10、開展很多。</p><p>　　1.3國內(nèi)形勢[1]：</p><p>　　經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)方面已具有相當?shù)膶嵙?，已有一支了解企業(yè)的需求，能開發(fā)出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務(wù)及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業(yè)機器人應用工程的開發(fā)，并圍繞應用工程的需要進行工業(yè)機器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進我國企業(yè)的技術(shù)進步和

11、提高競爭力，同時工業(yè)機器人的應用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　如果說20 世紀90 年代機床創(chuàng)新的最大成就是發(fā)明并聯(lián)機床的話，那么當今工業(yè)機器人在機床上的應用已成為發(fā)展的一大趨向。機器人與機床相結(jié)合，以往主要是解決工件自動上下料搬運問題，致使機床得以無人化24 小時連續(xù)運轉(zhuǎn)。如擅長專機制作的意大利COMAU 公司，他們比較成熟地將缸體及缸蓋生產(chǎn)線中的零件搬運，設(shè)計成由機器人完成。當然，對工件的

12、拋光打磨、清洗及其它臟、累活也是機器人表現(xiàn)的舞臺。去年9 月在漢諾威EMO2005 展覽會上，工業(yè)機器人的應用非常搶眼，而且它應用的領(lǐng)域也在擴大。然而在這次CCMT2006 展覽會上，值得一機器人應用是當今機床發(fā)展的一大趨向提的是1 號館W 1 - 9 1 6 意大利意沃樂EVOLUT 公司，這個歐洲最大的機器人應用與集成公司，他們的一臺DC-5 機器人修邊、倒角裝置特別引人注目。該機器人可以裝夾工具對主軸上零件修邊去毛刺，甚至機器人可

13、以加裝動力源用刀具對零件進行加工，因此它已將機械人傳統(tǒng)的搬運、噴漆、焊接工作范圍擴展到了金屬切削及拋光領(lǐng)域。</p><p>　　工作單元還可以配備各種上料方式：如帶視頻裝置可抓取隨機擺放的工件，或以旋轉(zhuǎn)臺擺放，或以傳送帶擺放等等。DC-5 工作單元可以處理的最大負荷為120/150kg。適宜加工的金屬材料為鋁鎂合金、銅、鉛、鑄鐵等?？梢源嬷辽偎膫€工人的工作量。3 D 編程軟件將以往8 小時編程時間縮減為15

14、分鐘，為小批量多品種的工件提供最好的解決方案。意沃樂公司除此以外最常涉足的領(lǐng)域還有用于壓鑄單元、車、銑中心單元、復合機床單元、零件拋光單元上的各種機械人應用等等。隨著社會的不斷發(fā)展和進步，勢必勞動力的成本將越來越高，對環(huán)保及安全的要求將越來越嚴，所以工業(yè)機器人的應用必將與時俱進。而且，由機器人干出的工件，譬如說打磨，其零件的一致性肯定比人工來得好，因此歐洲有些名牌汽車制造商甚至對某些零件的某些工步，規(guī)定必須由機器人來操作。由此看來，工業(yè)

15、機器人在機床上的應用會將越來越廣。</p><p>　　國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：</p><p>　　1.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和維修)，而單機不斷下降，平均單機價格從1991年的10.3萬美元降至2002年的6.5萬美元。</p><p>　?、?機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機

16、檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問世。</p><p>　?、?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(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維</p><p><b>　　2 總體分析</b></p><

17、p><b>　　2.1自由度分析</b></p><p>　　該機械手臂用于物流生產(chǎn)線上物品的抓取和易位。整個機械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360°；肩關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),回轉(zhuǎn)角度范圍為360°；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60°-120°；小臂末端的手腕也可以擺動，水平和垂直擺動范圍為-60°到+60°；手腕的末

18、端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取。</p><p>　　系統(tǒng)共有5個自由度，分別是基座的回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、肩部俯仰、肘部左右俯仰、腕部轉(zhuǎn)動及俯仰。</p><p><b>　　2.2功能分析</b></p><p>　　該機構(gòu)是一個五自由度的工業(yè)機械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作，可用于工業(yè)流水線上的操

19、作。我們主要針對設(shè)計的是在流水線上對已加工成品的夾取放置（范圍為邊長為1000mm），機構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度大，可調(diào)角度大，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰機構(gòu)都是-60°到60°。機構(gòu)所用零件便于加工，標準件較多，便于機構(gòu)的組裝，相應的成本也不高</p><p>　　2.3機械手的機構(gòu)形式</p><p>　　基座的回轉(zhuǎn)可以進行360°的

20、回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人本體除基座以外機構(gòu)的轉(zhuǎn)動（腰部）；與基座相連的轉(zhuǎn)動肩關(guān)節(jié)，可以帶動大臂，小臂，手腕及工件的上下轉(zhuǎn)動，幅度較大，可以滿足60°-120°的俯仰要求（肩部）；與此相連部分為左右搖擺機構(gòu)，能夠完成-60°~60°度的左右來回擺動，可滿足機器人工作空間上高度的要求（肘部）；接著下去手腕的是俯仰機構(gòu)和擺動機構(gòu)，也可實現(xiàn)上下俯仰動作，也可完成左右擺動，分別實現(xiàn)手爪的俯仰和擺動，角度范圍為-60

21、°~60°。機構(gòu)采用齒輪傳動控制各自由度的動作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。</p><p>　　2.4各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)原理及分析</p><p>　　根據(jù)功能要求，在設(shè)計研究時將其分為肩部機構(gòu)，上臂機構(gòu)，肘部傳動機構(gòu)，前臂機構(gòu)，手爪夾持機構(gòu)。</p><p>　　肩部機構(gòu)實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動動作，電機轉(zhuǎn)動，帶動減速此輪

22、傳動機構(gòu)，從而實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動。</p><p>　　肘部傳動機構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)屈|伸動作。由上臂外層，上臂內(nèi)層，定位螺釘，電機，齒輪組成。電機驅(qū)動小齒輪，通過小齒輪帶動大齒輪，大齒輪與前臂機構(gòu)固定連接，從而實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈|伸動作。</p><p>　　前臂機構(gòu)實現(xiàn)前臂的內(nèi)轉(zhuǎn)|外轉(zhuǎn)和腕關(guān)節(jié)的外展|內(nèi)收兩個動作。有腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，前臂機構(gòu)的外壁與腕關(guān)節(jié)的內(nèi)壁的過渡套圈，腕關(guān)節(jié)內(nèi)壁，前臂機構(gòu)的外

23、壁，前臂機構(gòu)的外壁，前臂驅(qū)動電機，傳動齒輪等組成。腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)動作比較簡單，因此可以直接用小電機帶動腕關(guān)節(jié)實現(xiàn)。前臂的內(nèi)轉(zhuǎn)|外轉(zhuǎn)動作是通過前臂的電機驅(qū)動小齒輪，帶動大齒輪實現(xiàn)的。腕關(guān)節(jié)俯仰用電機驅(qū)動齒輪傳動實現(xiàn)。 </p><p><b>　　2.5電機布局分析</b></p><p>　　機器人的結(jié)構(gòu)布局，對其綜合性能有很大影響。首先看一下機器人本體主要部件的布局。

24、按照腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的電機1就安裝在機座上；但是對于驅(qū)動肩關(guān)節(jié)的電機2則應該放置到底座部件上邊。如果把電機2也同樣安裝在機座上，那么它的傳動則是一個問題，因為電機1和電機2均在機座上，并且都要傳動到腰部和肩關(guān)節(jié)，無疑會增加基座和腰部的體積，而且在絲桿的傳動中可以到達很高的速度，故把電機2安裝在機器人的頂部直接驅(qū)動齒輪。機器人的肘關(guān)節(jié)是通過同步帶傳動，對于腕部的轉(zhuǎn)動，則因為其需要的扭矩較小，故電機3的體積小，質(zhì)量小，按照就近原則,將其安裝在小

25、臂上，腕部的擺動依靠電機4傳動齒輪實現(xiàn)，電機4安裝把其放在手腕的末端。</p><p>　　3機械手方案的創(chuàng)成和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1機械手機械設(shè)計的特點</p><p>　　串聯(lián)型機械手設(shè)計與一般的機械設(shè)計相比，有很多不同之處。首先，從機械結(jié)構(gòu)學的角度來看，機械手的結(jié)構(gòu)是有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機械

26、手的運動分析和靜力分析復雜，兩相鄰桿件坐標系之間的位置關(guān)系，末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般分析機構(gòu)方法能解決的了的，需要建立一套針對空間的開鏈機構(gòu)的運動學，靜力學方法。末端執(zhí)行器是運動學分析的主要內(nèi)容。</p><p>　　其次，由于開鏈機構(gòu)相當于一系列懸掛臂桿件串聯(lián)在一起，機械誤差和彈性變形的累積使機器人的剛度和精度大受影響。因此在進行機

27、械手機械設(shè)計時要特別注意剛度和精度的設(shè)計。</p><p>　　再次，機械手是典型的機電一體化產(chǎn)品，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到驅(qū)動和控制等方面的問題，這和一般的機械設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計不同。</p><p>　　另外，與一般機械產(chǎn)品相比，機械手的設(shè)計在結(jié)構(gòu)的緊湊性，靈巧性方面有更高的要求。</p><p>　　3.2與機械手有關(guān)的概念[7]</p><

28、p>　　自由度：機械手一般都為多關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，其運動副通常有很多移動副和轉(zhuǎn)動副。相應的，與轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)成為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)中，單獨驅(qū)動的關(guān)節(jié)為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目成為機械手的自由度。</p><p>　　機械手由于用途廣泛[2]，種類繁多，機構(gòu)也多種多樣，根據(jù)本體結(jié)構(gòu)坐標系的特點，大體上可分為：</p><p>　?。?）直角坐標型 這種機械

29、手具有三個互相垂直的移動軸線，它們通過手臂的上下，左右移動和前后伸縮構(gòu)成一個直角坐標系。其手腕能擺動和旋轉(zhuǎn)。這種機械手的機械結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡單，精度較高，但操作范圍小，運動速度低，而且其適應性比較差。</p><p>　?。?）圓柱坐標型 該機械手前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以θ，r，z為坐標，位置函數(shù)為P=f（θ，r，z），其中，r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。

30、這種形式的機器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。</p><p>　?。?）球坐標型 具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以θ，Ø，y為坐標，位置函數(shù)為P=f（θ，Ø，y），該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占用面積小，但剛度，精度較差。</p><p>　?。?）關(guān)節(jié)坐標型 有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型機械手，前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大，占用面積小，缺點是剛度和精

31、度較差。</p><p><b>　　3.3方案設(shè)計</b></p><p><b>　　3.3.1需求分析</b></p><p>　　該機械手是針對流水作業(yè)上成品的夾取及轉(zhuǎn)移的，根據(jù)現(xiàn)場的實際需要，設(shè)計的具體要求為：</p><p>　?。?）抓取物件為直徑為50mm的立方形產(chǎn)品，長度為150m

32、m。</p><p>　?。?）抓取和放下的時間盡可能的短。</p><p>　?。?）從機身中心500mm的邊長為1000mm，距離地面高度為500mm的正方形平臺上抓取成品，裝在成品箱內(nèi)，即可。</p><p>　　3.3.2機械手的自由度的分配</p><p>　　本課題要求機械手臂能達到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時考慮到產(chǎn)品的長度為

33、150mm，采用單臂機械手進行夾持和堆放，其中手爪的橫向尺寸為200mm，綜合考慮后該機械手的五個自由度，其均為轉(zhuǎn)動自由度，其中機身腰部一個自由度，大臂小臂各一個自由度，手腕處兩個自由度。</p><p>　　前三個關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后兩個關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的狀態(tài)。</p><p>　　3.3.3方案的描述</p><p>　　機械手本體由機

34、座，大臂，小臂，手腕，末端執(zhí)行器，和驅(qū)動裝置組成。參考同類機械手的性能參數(shù)，進行主尺寸和運動范圍的確定，考慮到機構(gòu)可行前提下有盡可能大的作業(yè)范圍。根據(jù)設(shè)計的要求及使用的范圍，定出該型機械手的主要性能參數(shù)如表2-1所示，其中θ1代表腰部轉(zhuǎn)動角度，θ2代表大臂俯仰角度，θ3代表小臂俯仰角度，θ4代表手腕起落角度，θ5代表手腕轉(zhuǎn)動角度。</p><p>　　表2-1機械手主要性能參數(shù)</p><p&

35、gt;　　根據(jù)其用途和特點提出如下技術(shù)參數(shù)：</p><p><b>　　自由度數(shù)目：5 個</b></p><p>　　坐標形式：垂直關(guān)節(jié)型</p><p>　　額定負荷質(zhì)量（含末端執(zhí)行器）：48kg</p><p>　　最大活動半徑：1280mm</p><p>　　本體重量：≤200kg&l

36、t;/p><p>　　各關(guān)節(jié)最大工作轉(zhuǎn)速見下表2-2。</p><p>　　表2-2 各關(guān)節(jié)最大工作轉(zhuǎn)速</p><p>　　3.3.4該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析</p><p>　　該機械手的本體結(jié)構(gòu)組成如圖2-3</p><p>　　圖2-3成品裝夾機械手本體組成</p><p>　　各部件組成和功能

37、描述如下：</p><p><b>　　底座部件：</b></p><p>　　底座部件包括底座、齒輪傳動部件、軸承，步進電機等。機座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動大臂部件,承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定運行。</p><p>　　工業(yè)機械手的手臂通

38、常由驅(qū)動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等）與驅(qū)動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動</p><p>　　手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅(qū)動電機。小臂部件：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶等，在小臂一端固定驅(qū)動手腕運動的步進電機。手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。末端執(zhí)行器：因為抓取的坯料形狀為長方體，載面積為，長

39、度為，所以末端執(zhí)行器設(shè)計得開合范圍?？紤]在指尖的平面上貼傳感器片，進行力的控制。</p><p>　　4 機械手結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動方案的選擇</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計的要求，參考國內(nèi)外工業(yè)機器人的典型結(jié)構(gòu)[8]，初步對各個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方案單獨分析。</p><p>　　4.1 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)</p><p>　　腰部外安放一驅(qū)動電機1

40、，驅(qū)動內(nèi)部渦輪2渦桿3傳動裝置，實現(xiàn)豎直主軸4的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)大臂5，小臂6等工作部分的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖3-1腰部設(shè)計,內(nèi)部傳動，如圖3-3腰部內(nèi)部傳動設(shè)計。</p><p><b>　　圖3-1腰部設(shè)計</b></p><p>　　1-電機1 5-大臂</p><p>　　圖3-3腰部內(nèi)部傳動設(shè)計</p><p>　　

41、2-蝸桿 3-渦輪 4-主軸</p><p>　　4.2 大臂和小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)</p><p>　　在大臂與肩部連接關(guān)節(jié)處安裝一驅(qū)動電機7，帶動與之相連的小齒輪8旋轉(zhuǎn)，進而帶動與小齒輪8嚙合的大齒輪9旋轉(zhuǎn)，大齒輪旋轉(zhuǎn)使得與之相連的軸10旋轉(zhuǎn)，這樣最終轉(zhuǎn)動大臂5，機構(gòu)設(shè)計如圖3-3大臂傳動設(shè)計。而小臂與大臂之間用一同步帶11（黑色）連接，當大臂5上軸旋轉(zhuǎn)，便經(jīng)由同步帶使得小臂6的軸旋轉(zhuǎn)，最終使

42、得小臂6旋轉(zhuǎn)起來，設(shè)計如圖3-4小臂傳動設(shè)計。</p><p>　　圖3-3大臂傳動設(shè)計</p><p>　　7-電機 8-小齒輪 9-大齒輪 10- 傳動軸 11-同步帶</p><p>　　圖3-4小臂傳動設(shè)計</p><p><b>　　5-大臂 6-小臂</b></p><p>　　4.2

43、.1機械手手臂的設(shè)計要求</p><p>　　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(shè)計時，要遵循下述原則[6]；</p><p>　　1.應盡可能使機器人手臂各關(guān)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。</p><p>　　2.機器人手臂的

44、結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)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。</p><p>　　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(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。

45、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?/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法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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。</p>

46、<p>　　4.機器人各關(guān)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(guān)節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。</p><p>　　5.機器人的手臂相對其關(guān)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(shè)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。 </p>

47、<p>　　6.機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)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(gòu)及其它元件的安裝。</p><p>　　4.3 腕部活動關(guān)節(jié)</p><p>　　步進電機12的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動圓柱型裝置13內(nèi)部直齒輪傳動裝置的傳動，從而帶動軸14的轉(zhuǎn)動，便可實現(xiàn)手腕部分的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖3-5腕部轉(zhuǎn)動設(shè)計。而用馬達15驅(qū)動小齒輪16轉(zhuǎn)動，進而帶動與之嚙合的大

48、齒輪17轉(zhuǎn)動，大齒輪的轉(zhuǎn)動帶動手腕部分的上下俯仰擺動，如圖3-6腕部俯仰設(shè)計。該方案的結(jié)構(gòu)相對復雜，整體重量也相對更重，但緊湊性更好，可以自由選擇電機類型，因此運用范圍也更廣。</p><p>　　圖3-5腕部轉(zhuǎn)動設(shè)計</p><p>　　12-傳動電機 13-齒輪傳動裝置 14-傳動軸</p><p>　　圖3-6腕部俯仰設(shè)計</p><p&g

49、t;　　15-傳動電機 16-小齒輪 17-大齒輪</p><p>　　4.3.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求</p><p>　　1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計[3]。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)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(jié)構(gòu)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

50、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(wù)。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。</p><p>　　2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設(shè)計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減

51、輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)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。</p><p>　　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(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。</p><p>　　4.機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。</p><p>　　5.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整

52、機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。</p><p>　　6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。</p><p>　　4.4 機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇</p><p>　　通常，機器人驅(qū)動方式有以下四種[4]：</p><p>　?。?）步進電機 可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低

53、廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制；位置誤差不會積累；步進電機具有自鎖能力（變磁阻式）和保持轉(zhuǎn)矩（永磁式）的能力，有利于控制系統(tǒng)的定位。但步進電機基本上不具有過載能力，功率偏大者，體積較大，并且其空間分辨率較低；功率較小者，只適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人。</p><p>　?。?）直流伺服電機 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復

54、雜，體積偏大，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。</p><p>　?。?）交流伺服電機 交流伺服電機結(jié)構(gòu)較簡單，體積較小，運行可靠，使用維修方便，價格比直流伺服電機便宜，但高于步進電機。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場效應管 MOSFET 等電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與

55、直流電機媲美。采用 16 位CPU+32 位 DSP 三環(huán)（位置、速度、電流）全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應速度。</p><p>　?。?）液壓伺服馬達 液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，

56、其費用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便。</p><p>　　由于本設(shè)計研究的機械手的額定負載一般，體積和重量均要求小，綜合分析后，決定采用混合式步進電機和交流伺服電機混合驅(qū)動。腰部、大臂和小臂要求動態(tài)特性好、傳動功率較大，采用交流伺服電機驅(qū)動；腕部所需傳動功率較小，采用混合式步進電機驅(qū)動。</p><p>　　4.5驅(qū)動電機的選擇</p><p>

57、　　機器人采用電動機驅(qū)動。這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機械手應用最多的驅(qū)動方式。</p><p>　　為實現(xiàn)機械手靈活自由地移動，驅(qū)動系統(tǒng)使用了交流電源供電。電動機可以選擇步進電機或直流伺服電機。使用直流伺服電機能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價格較高，而步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點，確定該機械手的3個關(guān)節(jié)和腰部旋轉(zhuǎn)都采用步進電機驅(qū)動，開環(huán)控制

58、。</p><p>　　在現(xiàn)代機械手結(jié)構(gòu)中廣泛使用這各種軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。</p><p>　　這幾種機械手專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高，剛度大，承載能力強（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點。單考慮到這些軸承價格昂貴，而是用普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以再該機械手的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。</p><p>　

59、　在電機的布置上，考慮盡量將電機放置在相應的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時也可以起到重力平衡的作用，但同時盡量避免過長的傳動鏈，以簡化結(jié)構(gòu)，減少誘導運動。</p><p>　　4.5.1電機選型有關(guān)參數(shù)計算</p><p>　　由于傳動負載作回轉(zhuǎn)運動</p><p>　　負載額定功率： （3-1）</p&

60、gt;<p>　　負載加速功率： （3-2）</p><p>　　負載力矩（折算到電機軸）： </p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　負載GD（折算到電機軸）： </p><p><b>　?。?-4）</b

61、></p><p>　　起動時間： </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　制動時間： </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中，-----為額定功率，KW；</p>

62、<p>　　-----為加速功率，KW；</p><p>　　-----為負載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；</p><p>　　-----為電機軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；</p><p>　　-----為負載的速度，m/min；</p><p>　　-----為減速機效率；</p><p>　　-----為摩擦系數(shù)

63、；</p><p>　　-----為負載轉(zhuǎn)矩（負載軸），；</p><p>　　-----為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，；</p><p>　　-----為負載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），；</p><p>　　-----為負載的，；</p><p>　　-----為負載（折算到電機軸上），；</p><p>

64、;　　-----為電機的，；</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為步進電機是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。</p><p>　　因為腰部回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中,--

65、---為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；</p><p>　　-----為機械手本身與負載的重量之和，取100；</p><p>　　-----為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12；</p><p>　　同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；</p

66、><p>　　且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。</p><p>　　將其帶入上（3-1）~（3-7）式，得：</p><p>　　啟動時間 ； </p><p>　　制動時間 ；</p><p>　　折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為：。</p><p>　　4

67、.5.2電機型號的選擇</p><p>　　根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時電機技術(shù)有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301,</p><p>　　該步進電機高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。下圖為110BYG5

68、50B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。</p><p>　　驅(qū)動方式：升頻升壓； 步距角：0.36°；</p><p>　　其中步距角0.36，同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是

69、很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。</p><p><b>　　4.6傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　傳動裝置的作用主要是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機械手相應的執(zhí)行部件，以實現(xiàn)各種預訂的運動。目前常見的傳動方式有：皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪齒條傳動、渦輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、諧波減速傳動以及螺旋傳動等。波齒輪傳動具有體積小、結(jié)構(gòu)

70、緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭動剛度較低且傳動比不能太小的缺點。行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點是用語中等減速比傳動，單存在齒輪間隙，難以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程中精確位置要求，因此限制了它的廣泛應用，渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)機構(gòu)常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機構(gòu)自鎖的場合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側(cè)間隙，而且效率較低。皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護，可是存在彈性滑動，和鏈傳動一樣使用一段時間過易松弛，傳動運轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動

71、載荷，因此，二者常用于傳動精度要求不高的場合。滾珠絲杠傳動具有傳動效率高、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)且能夠有效消除傳動間隙，無傳動“爬行”現(xiàn)象和不自鎖等優(yōu)點，但是價格較高。因此滾珠絲杠螺母被廣泛應用于要求較高的數(shù)控傳動系統(tǒng)中。另外，在數(shù)控傳動系統(tǒng)中，同步齒形帶傳動由于具有穩(wěn)定的工作性能也得到了廣泛的應用。</p><p>　　在本設(shè)計中，采用齒輪機構(gòu)來傳遞驅(qū)動電機輸出的扭矩，通過齒輪傳動系統(tǒng)將扭矩傳遞到關(guān)節(jié)1，用同步帶

72、傳動來實現(xiàn)由步進電機輸出的扭矩到關(guān)節(jié)2</p><p><b>　　4.7本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對機械手的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，包括自由度的分配，連桿基本的特性參數(shù)，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能描述，系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)都做了簡要的概述。</p><p>　　4.8機械手設(shè)計總圖</p><p><b>

73、;　　圖3-7設(shè)計總圖</b></p><p><b>　　圖3-8設(shè)計總圖</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　此次我做的畢業(yè)設(shè)計是工業(yè)機械手的設(shè)計，通過1個多月努力，設(shè)計終于完成。這次設(shè)計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設(shè)計工作的基本流程和設(shè)計的方法以及理念。</

74、p><p>　　在此次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過指導教師的指導和我的努力，這些問題都得到了較好的解決。</p><p>　　雖然我們設(shè)計的只是個簡單的上料機械手，但需要完成伸縮、升降、回轉(zhuǎn)等功能，對應分別要對這些機構(gòu)進行設(shè)計和計算，控制回路和電機控制的設(shè)計。通過這些機構(gòu)設(shè)計，使理論知識與實際相結(jié)合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識。在設(shè)計的過程中我不斷探索、不斷學

75、習和修改。自學了許多相關(guān)學科的內(nèi)容，求教了多位專業(yè)老師，上網(wǎng)和在圖書館查閱大量相關(guān)資料。</p><p>　　由于時間問題，對于本次機械手的設(shè)計還存在許多問題，許多地方都還有待改進和提高，希望各位專家評審多多指教。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學出版社，2

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