四轴简易机械手的设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计1前言1.1 设计的目的和意义机械手自问世以来，经过了40多年的发展，已广泛应用于各个领域。机械手最早应用于汽车制造工业，常用于喷漆、焊接、搬运和上下料。机械手可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作；代替人完成单调重复和繁重的劳动，不仅减少了人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了生产效率和生产自动化水平。目前机械手主要用于以下几个方面。1.恶劣的工作环境和危险的工作在核工业中，核反应堆内具有较强的放射性，为了人员的安全，经常需要机械手来完成相关的清理工作，另外在压铸、冲压、热处理、锻造、喷漆车间以及有强烈紫外线照射的电弧焊等危险领域的作业中也经常需要用到机械手。2.自动化生产领域目前研制出了搬运机械手、码垛机械手、汽车座椅装配机械手、点胶机械手等各类工业机械手，主要用于生产上实现自动化。如当末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业；当末端安装喷枪时可以进行喷涂作业；当末端安装手钳时，可以给压铸机或成型机进行上下料作业或者用来装配机械零部件。目前我国已经建成的自动生产线有很多，如沈阳水泵厂的环类深井泵轴承体加工自动线、上海动力机厂的箱体类气缸盖加工自动线、大连电机厂的轴类4号和5号电动机轴加工自动线、上海拖拉机齿轮厂的盘类齿坯加工自动线等等1。3.在特殊作业场合进行极限作业在一些极地探索、火山探险、空间探索、深海探密等领域经常要用到机器人去探索，目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测任务操作，它的身体结构接近于螃蟹，能够完成指定的指令，也可以用于海洋搜寻及石油天然气的勘测。还有用于国际空间站的机器人，可以对空间站的外表面进行检测。4.农业生产目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，这主要依赖于它的视觉系统，当发现有别于农作物的植物时，它便利用数据库提供的植物的特性与目标植物加以比较，当确定为杂草时，就会用机械手隔断杂草，同时还可以喷洒除草剂。5.军事应用在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，给机器人配备军用机枪，利用机器人完成炸弹清除工作。机械手在控制器的控制下，可以模仿人的手、腕、臂的动作，按照固定的动作流程进行工作。我国绝大多数农民工就业于劳动密集型行业，劳动密集型行业中绝大多数工作是简单的、重复性作业，这些工作没有多少技术，农民工很容易学会，但这些工作对从业者的体力反应灵敏度或操作精确度有比较高的要求，因此，青年农民工从事这些工作时劳动生产率比较高，但是非技术农民工进入中年后，体力、反应灵敏度和操作精确度下降，劳动生产率逐年降低。因此使用机械手，不但降低了人的体力劳动，减少人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了工作效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，为企业带来更大的经济效益，更有利于企业的发展。尤其是在高温、高压、重载、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的危险环境中应用更为普遍2。1.2 机械手的研究现状1.2.1 机械手国外研究现状机械手主要分为两类：工业机械手以及其它特种机械手。现代工业机械手起源于20世纪50年代，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更、具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机械手以来，机械手在工业发达国家迅速发展。根据国际工业机械手联合会(IFR)的数据显示2000年全世界工业机械手的总数已经达到82万台。其中日本拥有42万台，占全世界机械手总数的50%左右。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机械手产业发展也很快。例如，在美国，1970-1980年间的机械手台数增加20倍以上。在亚洲，韩国的机械手产业发展也很迅速，现排名世界前列；而日本、韩国和新加坡的机械手密度居世界第1-3位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机械手制造业及应用机械手的情况都有很大发展。其它特种机械手是国外近年来才迅速发展起来的，是机械手技术的一个重要发展方向，主要研究方向有：空间机械手，医用机械手，水下机械手，建筑机械手和军用排爆机械手等等。其中，排爆机械手是近期的热点，是为了排除恐怖分子放置的爆炸物等危险品。较早研制出了排爆机械手的是英国的“手推车”和“超级手推车”。其他国家也纷纷步入后尘，德国、美国、法国等国家都推出了实际应用型的机械手3。1.2.2 我国机械手发展状况机械手作为现代制造业主要的自动化设备, 已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业,进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。我国机械手起步于20世纪70年代初期，大致可分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代以后的实用化期。我国从1972年开始研制工业机械手，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机械手，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。80年代，机器人技术的发展得到了政府的重视和支持，机械手步入了跨越式发展时期。1986年，我国开展了“七五”机械手攻关计划，1987年，我国得“863”高技术计划将机械手方面的研究开发列入其中，进行了工业机械手基础技术以及应用工程的研究。20世纪90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机械手等自动化设备来改造传统产业，从而进一步走向产业化。现在，我国从事机械手研发的单位有200多家，专业从事机械手产业开发的企业有50家以上。沈阳新松机械手自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机械手主题产业化基地。大连组合机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机械手或应用工程项目活跃在当今国内工业机械手市场上。此外，一些科研院所和大学也均在进行机械手技术及应用项目方面的研发工作4。 经过30多年的发展，我国机械手在实践中迈进了一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配喷涂切割搬运包装等各种用途的机械手，并实施了一批机械手应用工程，形成了一批机械手产业化基地，为我国机械手产业的腾飞奠定了基础。另外，我国在排爆机械手的研究中也正处在发展阶段，上海交大研制的Super-D型排爆机械手，采用六自由度的机械臂，行走机构采用四轮行走驱动。我国的机械手研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的机械手技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机械手的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机械手的需求越来越大，我国的机械手产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机械手高新技术，解决产业化前期的关键技术，积极有效地推进我国的机械手产业化的进程。1.3 设计的内容本课题以机械手为研究背景，根据机械手的功能需求，设计一个小型的四轴简易机械手，使其实现两个直线运动，两个旋转运动。为实现这一目的，进行的研究如下：多自由度机械手的结构设计, 机械传动设计。1.3.1 多自由度机械手的结构设计按照设计的要求，机械结构由手部、腕部、臂和基座组成。机械手按结构形式可分为关节型机械手和非关节型机械手。关节型结构的机械手在相同体积条件下比非关节型结构机械手具有大得多的相对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积与机械手本体外壳体积之比）和绝对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积）。关节型结构的机械手也符合人类和动物都具有关节型躯体特点的自然选择规律，这种特点使得关节机械手的臂杆系统具有一定的人手臂功能。因而关节型机械手具有先天性结构优势得到重点研究5。在结构设计时拟采用应用最广泛的结构形式关节型机械手，做到结构紧凑，所占空间小，相对的工作空间大，以便使多自由度机械手更具有开放性、通用性和代表性的特点。设计应满足的要求： （1）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关。 （2）根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 （3）量减小手臂重量和相对其关节转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷，减少运转的动载荷与冲击，提高手臂的响应速度。（4）减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。1.3.2 机械传动设计（1）X坐标（水平方向）移动范围：400，竖直方向（Z轴）为：500，C轴360度旋转；（2）X、Z坐标定位精度均为0.1；（3）最大快移速度为10米/分。2机械手结构的设计2.1机械手基本形式的选择 机械手按结构形式可分为关节型机械手和非关节型机械手。关节型结构的机械手在相同体积条件下比非关节型结构机械手具有大得多的相对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积与机械手本体外壳体积之比）和绝对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积）。关节型结构的机械手也符合人类和动物都具有关节型躯体特点的自然选择规律，这种特点使得关节机械手的臂杆系统具有一定的人手臂功能。因而关节型机械手具有先天性结构优势得到重点研究5。为了保证机械手具有开放性、通用性和代表性的特点，在本课题机械手的结构设计时间，其结构设计为关节型机械手，能实现简单的抓取搬运动作。 机械手示意图2-12.2 机械部分设计机械手要实现所需功能，必须具有四个自由度，两个直线运动，两个旋转运动。按照设计的要求，机械部分由手部、腕部、臂和基座组成，如图2.1所示，各部分设计如下：2.2.1手部方案设计机械手的手部又称为末端操作器或手爪，是用来抓取、握紧、吸附物体的部件，安装于机械手手臂的前端，是重要的执行机构6。分析如下方案1 斜楔杠杆式图2-2 斜楔杠杆式机械手动作原理：如图所示，为单作用斜楔式回转型机械手的结构简图，斜楔向下运动时，客服弹簧拉力使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹住工件。当斜楔向上运动时，则在弹簧力的作用下使手指松开，从而放下工件。在手指与楔块之间装有滚子，从而减小摩擦力，提高机械效率。方案2 滑槽杠杆式图2-3 滑槽杠杆式机械手动作原理：如图所示，为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图。杠杆形手指4的一端装有V型指5，另一端则开有长槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时即可拨动两个手指各绕支点（绞销3）作相对回转运动。从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有关，因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视。此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。方案3 齿条齿轮杠杆式图2-4 齿轮齿条杠杆式机械手动作原理里：如图所示，为齿条齿轮杠杆式手部结构简图。由齿条直接传动给齿轮杠杆结构，驱动杆2末端制成双面齿条，与扇形齿轮4相啮合，而扇形齿轮4与手指5相固连在一起，可绕支点回转，驱动力推动齿条作直线往复运动，即可带动扇形齿轮回转，从而实现手指的加紧与松开7。比较上述三种方案，斜楔杠杆式的松开方式主要靠弹簧，由于楔块容易磨损和弹簧也容易失效，所以斜楔杠杆式并不够理想；对于方案三齿条齿轮杠杆式，由于结构复杂，且齿轮齿条的造价较高，故从经济上讲不够理想；方案二滑槽杠杆式机械手，结构简单，易于更换零部件，承载能力较大，经综合考虑选用方案二。2.2.2机械手腕部的设计机械手腕部需要具有回转功能，使手部可以旋转，由于腕部连同手部的静、动载荷都由臂部承担，因此设计时要求结构紧凑、重量轻，除此之外，还应该合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。用步进电动机的转动来带动腕部转动，可以实现腕部的回转功能8。2.2.3 机械手手指的设计手指夹持件是机械手上直接与工件相接触的部位，它的结构形式多种多样，但具体选用时要取决于所夹持工件的形状。最常见的有指形有平面指形、尖指或薄、长指形和V形指三种。平面指形一般用于夹持方形工件（具有两个平行平面）、板形或细小棒料等；尖指或薄、长指形一般用于夹持小型或柔性工件，薄指常用于夹持狭窄工作场合的细小工件，长指常用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构及电子元件的影响；V形指常用于夹持圆柱形工件9。 常用的机械手手指形状 图2-5因为设计通用性比较强，经过分析选用V形手指。2.2.4 机械手臂的设计机械手臂要实现的功能是带动腕部和手部运动，同时要配合实现旋转运动。升降关节要求传动效率高，传动精度高，选用目前常用的滚珠丝杠的传动来实现腕部和手部的运动，滚珠丝杠具有传动摩擦力矩小、传动效率高、刚性好、工作寿命长、结构紧凑、传动精度高等特点，滚动导轨副精度高，润滑方便，摩擦系数小，使用寿命长。滚珠丝杠两端通过轴承固定在基座上，当电机转动时，电机的输出轴通过同步齿形带的传动来带动滚珠丝杠转动，从而驱动滚珠丝杠副的螺母沿着丝杠轴线方向作直线运动，从而实现手部和腕部的升降运动10。手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间形状和大小与手臂的长度、手臂关节的移动范围密切相关。根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。同时减小手臂重量和相对其关节转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷，减少运转的动载荷与冲击，提高手臂的响应速度。为了扩大机械手移动范围，设计了X方向臂，Z方向臂。2.2.5 基座的设计基座主要起固定作用，将基座固定到工作台上，使机械手更加稳定。2.2.6 编码器的设计 编码器是一种按照给定的代码类型产生信息表达形式的器件，按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。（REP）因为实现的是旋转运动，所以选择增量型编码器 (旋转型)12。3 机械手的传动设计3.1 机械手的技术参数表2.1 机械手的技术参数结构形式平面关节型自由度数4最大负载能力（kg）5X、Z坐标定位精度（mm）0.1移动范围X方向（水平方向）400Z方向(竖直方向）500C轴（）360高度（mm）1215本体质量（kg）45最大快移速度（m/min）10安装方式水平安装安装环境湿度（%RH）：2080温度（C）：045震动（G）：0.5 避免接触易燃腐蚀性液体或气体，远离电器噪声源3.2 机械手的传动方案本文设计了两个旋转关节跟两个移动关节，实现了两个旋转运动跟两个直线运动。旋转关节自由度采用步进电动机传动，增量式光电编码器传输，精度高，传动比高，效率高，噪音小，振动小。移动关节自由度采用滚珠丝杠传动，传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高。传动方案如下：水平滚珠丝杠传动X轴水平移动竖直滚珠丝杠传动横臂竖直移动72步进电动机整个机械手360度旋转运动38步进电动机机械手部360度旋转运动4 机械手关键零部件设计计算4.1 手腕部步进电机的选择与计算 步进电动机的选择 1)物体的转动惯量 （4.1） 2) 联轴器的转动惯量 查表可得联轴器的转动惯量为 3）折算到电机轴上的总惯量 （4.2） 4)快速空载起动力矩 (4.3） 加速力矩： （4.4） 其中：加速时间，取； 折算到电机轴上的总惯量，约为 代入数据得：电机轴上的摩擦力矩： （4.5） 式中：，为摩擦系数取0.18： 长度，取0.005m； 总效率，取=0.8； 齿轮降速比，无齿轮降速，=1。代入数据得：附加摩擦力矩： （4.6） 式中：预加载荷； 传动效率取0.9。代入数据得： 所以快速空载起动力矩： 通过以上计算得出电机的最大转矩应大于0.476。设计结果 机械手腕部采用步进电动机的转动来实现腕部的旋转功能，步进电动机型号为DH42HS34-1502。基座部步进电动机的选择跟腕部步进电动机选择类似。4.2 滚珠丝杠部分步进电机的选择与计算滚珠丝杠具有传动摩擦力矩小、传动效率高、刚性好、工作寿命长、结构紧凑、传动精度高等特点，滚动导轨副精度高，润滑方便，摩擦系数小，使用寿命长。通过分析发现，采用步进电机驱动，滚珠丝杠的传动来实现腕部和手部的升降运动，可以满足设计要求13。滚珠丝杠转动部分所需电机的选择计算粗略假设丝杠轴向总负载F=25N，丝杠基本参数选择为：梯形螺纹，接触角= 45，螺距P=2mm,公称直径dm=10mm，摩擦系数f=0.1， 则螺旋升角 （4.7）当量摩擦角 （4.8）螺纹阻力矩 （4.9）螺纹摩擦力矩 （4.10）式中Q是支撑面平均直径，取螺母内径与外径的平均值，即（10+40）/2=25mm；fc=0.1是摩擦系数。丝杠所受力矩T=T1+T2=0.0678Nm，安全系数取2，则电机所需输出最小转矩为T=2T=0.136Nm。据此，步进电机选择DH42HS34-1502型，它在转速为1500r/min时扭矩为0.3Nm，合乎要求。4.3滚珠丝杠副的设计计算4.3.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型1) 计算进给牵引力，选择圆导轨。 （4.11）式中：切削力； 主轴上的扭矩；滚动导轨摩擦系数，在此取0.004； 主轴直径。代入数据得：2）计算最大动载荷 （4.12） 式中：工作寿命，以106转为一单位，丝杠转速，T为使用寿命，在此取T=15000h，则； 运转系数，在此取1.2；代入数据得：3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅表，可采用W1L2004外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为610N，精度等级选为3级。4）传动效率计算： （4.13）式中：丝杠螺旋长升角，查表知为； 摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。代入数据得： 5）稳定性校核： 滚珠丝杠两端圆锥滚子轴承，既可以承受轴向力，又可以承受径向力，不会产生失稳现象，不需要做稳定性校核。4.3.2 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验1）滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验滚珠丝杆支承方式采用预压紧结构，丝杠始终受压而不受拉。因此，不存在拉杆不稳定问题14。2)滚珠丝杆螺母副临界转速的校验根据图可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=837mm。已知弹性模量E=MPa，材料密度N/，重力加速度9.8，安全系数=0.8。由表2-44查得滚珠丝杆的最小惯性矩为 （4.14）滚珠丝杆的最小截面积为 （4.15）故可由公式得： r/min=10738r/min本工作台滚珠丝杆螺母副的最高转速为1800r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。3) 滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速。查附录A表A-3得滚珠丝杆额定动载荷N，运转条件系数，滚珠丝杆的动载荷N，滚珠丝杆螺母副转速n=r/min 即 （4.16）一般来讲，在设计数控机床时，应该保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命，姑满足要求10。4.3.3键的选择与校核 1）键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面，键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的主要尺寸为其截面尺寸和长度，查表选择平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为40mm，键的长度选为20mm。2）键的校核假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为： （4.17） 式中：传递的扭矩； 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度； 键的工作长度； 轴的直径。 键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力。 代入数据得：经查表，许用挤压应力为120150MPa。所以，满足要求。5机械传动系统的刚度计算5.1机械传动系统的刚度计算1)计算滚珠丝杆的拉压刚度。 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（a=L/2，L=1075mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，计算为： （5.1） 当a=837mm或a=237mm时（即滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度计算得： （5.2）2） 计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度Kb。 已知轴承的接触角=60，滚动体直径=15mm，滚动体个数Z=17,轴承的最大轴向工作载荷F= 5723.4N,= 42.34= 42.34 （5.3）3)计算滚珠与滚道的接触刚度K。 查表滚珠与滚道的接触刚度K=1585N/um，额定动载荷C=46500N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷F=2929.69N，得K=K（)=1585()N/um=1358.79N/um （5.4）4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K。 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 （5.5）故K=500N/m 进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为 （5.6）故K=380N/m5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 扭矩作用点之间的距离L= 945.5 mm。已知剪切模量G=M,滚珠丝杠的底径d=m，得K= 11635.35 Nm/rad （5.7） 6 结 论随着科学技术的进一步发展，机械手的应用必将越来越广泛，它可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作；也可代替人完成单调重复和繁重的劳动，不仅减少了人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了生产效率和生产自动化水平。所以多自由度机械手的设计有着十分重要的意义。本文完成了一个实现四自由度的简易机械手设计15。在机械结构方面，基本实现模块化设计，符合发展趋势；并且关节结构紧凑，充分利用空间，能同时实现两个旋转运动和两个直线运动。目前分析了机械手手部、腕部、臂的运动形式，并对其主要部件进行了选取和设计计算，完成了机械手装配图和主要零件图。该机械手的设计基本满足了所需要求，维护方便，操作简单，可以实现自动化。由于知识水平有限，设计中难免出现一些问题，作为一项融合多学科发展成果的机器人学科，本设计在完成上述工作的同时，深觉还有很多深化空间，需要进一步研究学习：机械结构设计可继续优化，以进一步提高运动时的系统稳定性，从而提高工作效率。- 21 -