机械手毕业设计方案开题报告.doc

简易小型直角坐标机械手1 机械手1.1 机械手定义机械手是模仿着人手动作，按给定程序、轨迹和规定实现自动抓取、搬运或操作机械装置。在工业生产中应用机械手被称为“工业机械手”。1.2 机械手作用生产中应用机械手可以提高生产自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，它代替人进行正常工作，意义更为重大。因而，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热解决、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运送业等方面得到越来越广泛应用。机械手构造形式开始比较简朴，专用性较强，仅为某台机床上下料装置，是附属于该机床专用机械手。随着工业技术发展，制成了可以独立按程序控制实现重复操作，使用范畴比较广“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能不久地变化工作程序，合用性较强，因此它在不断变换生产品种中小批量生产中获得广泛应用。1.3 机械手分类及特点工业机械手种类诸多，关于分类问题，当前在国内尚无统一分类原则，在此暂按使用范畴、驱动方式和控制系统等进行分类。机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:（1）专用机械手它是附属于主机、具备固定程序而无独立控制系统机械装置。专用机械手具备动作少、工作对象单一、构造简朴、使用可靠和造价低等特点，合用于大批量自动化生产自动换刀机械手，如自动机床、自动线上、下料机械手和加工中心。（2）通用机械手它是一种具备独立控制系统、程序可变、动作灵活多样机械手。在性能范畴内，其动作程序是可变，通过调节可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立。通用机械手工作范畴大、定位精度高、通用性强，合用于不断变换生产品种中小批量自动化生产。通用机械手按其控制定位方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位，也可以实现持续控制，伺服型具备伺服系统定位控制系统，普通伺服型通用机械手属于数控类型。（1）液压传动机械手是以液压压力来驱动执行机构运动机械手。其重要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作敏捷。但对密封装置规定严格，否则油泄漏对机械手工作性能有很大影响，且不适当在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现持续轨迹控制，使机械手通用性扩大，但是电液伺服阀制造精度高，油液过滤规定严格，成本高。（2）气压传动机械手是以压缩空气压力来驱动执行机构运动机械手。其重要特点是:介质李源极为以便，输出力小，气动动作迅速，构造简朴，成本低。但是，由于空气具备可压缩特性，工作速度稳定性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重普通在30公斤如下，在同样抓重条件下它比液压机械手构造大，因此合用于高速、轻载、高温和粉尘大环境中进行工作。（3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动机械手。它是一种附属于工作主机专用机械手，其动力是由工作机械传递。它重要特点是运动精确可靠，用于工作主机上、下料。动作频率大，但构造大，动作程序不可变。（4）电力传动机械手即有特殊构造感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动械手，由于不需要中间转换机构，故机械构造简朴。其中直线电机机械手运动速度快和行程长，维护和使用以便。此类机械手当前还不多，但有发展前程。1.4 机械手自由度自由度是机械手设计重要参数，每一种构件相对于固定坐标系所具备独立运动称为自由度。每一种构件相对于固定坐标系最多可以有六个自由度即沿X,Y,Z三个方向独立往复运动和绕X,Y,Z轴三个独立回转运动。按机械手所具备主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱运动称为主运动。由于它能变化被抓取工件空间位置。手腕和手指运动称为辅助运动。由于手腕运动只能变化被抓取工件方位（即姿势），而手指夹放动作不能变化工件位置和方位，故它不计为自由度数，其她运动均计为自由度数。手指可作开合（即夹紧和放松）运动；手腕可作回转、上下和左右摆动等运动；手臂可做先后伸缩、升降（或上下摆动即仰俯）和回转运动；立柱横向移动。也有机械手整机具备行走机构。上述各种运动可依照机械手需求来选取，设计机械手时一方面要拟定被抓取工件所在空间位置，及将工件搬运到规定位置时所需运动（不涉及手指开闭动作），在大多数状况下是少于六个自由度，专用机械手只有2-4个自由度，而通用机械手是3-6个自由度。自由度数越多，可以完毕动作越复杂，通用性越强，应用范畴也越广，但是相应地带来了技术难度大，控制系统和机械构造复杂，成本高和维修困难。自由度数少，通用性差，但技术上容易达到，构造简朴，使用和维修均以便。1.5 坐标形式1.5.1 直角坐标式其手臂运动系有由三个直线运动所构成。它特点是构造简朴，定位精度高，合用于主机位置成行排列场合。但是由于占地面积大而工作范畴小以及灵活性差，限制了它使用范畴。图1.1 直角坐标式1.5.2 圆柱坐标式其手臂运动系由两个直线运动和一种回转运动所构成（沿X轴伸缩，沿Z轴升降，和绕Z轴回转），占地面积小而活动范畴大，构造较简朴，并能达到较高定位精度，因而应用较广泛。但沿Z轴方向运动最低位置受到限制，故不能抓取地面上物件。图1.2 圆柱坐标式1.5.3 球坐标式其手臂运动系由一种直线运动和两个转动所构成（即沿X轴伸缩，绕Y轴仰俯和绕Z轴回转），这种手臂仰俯去抓取地面上物件，且经常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其她状态。这种形式机械手具备动作灵活，占地面积小而工作范畴大等特点，它适合于沿伸缩方向向外作业传动形式。但手臂摆角误差会将手部中心误差放大。图1.3 球坐标式1.5.4 关节式其手臂运动类似人手臂可以作几种方向转动。它由大小两臂和立柱等构成，大小两臂之间联接为肘关节，大臂与立柱之间联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂运动系由三个回转运动所构成，即大臂仰俯，小臂仰俯和大臂回转。它特点是工作范畴大，动作灵活，能抓取接近机座物件，并能绕过机体和工作主机之间障碍物去抓取物体，此为其他形式机械手不可比拟长处。图1.4 关节坐标式1.6 驱动方式机械手驱动方式是驱动执行机构运动传动装置。惯用有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。本设计手臂某些用步进电机驱动，步进电机驱动运营规定足够功率电脉冲信号按一定顺序分派到各相绕组。为了实现这种驱动，规定有脉冲分派和功率放大功能专门驱动电源，驱动电源和步进电机是一种有机整体，步进电机运营性能是电动机及其驱动电源两者配合所反映综合效果。环形分派器功能是将控制脉冲按规定方式分派给步进电机；功率放大器功能是将环形分派器输出信号进行放大，以驱动步进电机。手腕驱动有液压马达、驱动电动机、交流伺服电动机、齿轮传动等。手部驱动有活塞杆驱动液压缸、气压缸，手指驱动电磁铁，真空吸附式手部真空泵，真空发生器等。液压与气压型驱动装置形式普通有双向作用与单相作用活塞杆式两种。 (a)双向作用缸(b)单作用缸常开式 (c)单作用缸常闭式图1.5 驱动装置1.7 控制方式有分散式顺序控制器、用继电器构成步进式顺序控制器、惯用逻辑部件及电路有计数器、译码器与步进器、集成脉冲电路、显示装置、步进电机控制脉冲分派器。2 机械手设计2.1 手臂设计（1）滚珠丝杠在机械手臂中采用滚珠丝杠，这是由于滚珠丝杠得摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受是滚动摩擦力。摩擦力较小，因而传动效率高，同步可消除低速运动时爬行现象；在装配时施加一定预紧力，可消除回差。如图所示，滚珠丝杠里滚珠从钢套管中出来，进入通过研磨导槽，转动2-3圈后来，返回钢套管。滚珠丝杠传动效率可以达到90%，因此只需要用极小驱动力，并采用较小驱动连接件，就能传递运动。普通使用两个背靠背双螺母对滚珠丝杠进行预加载，以消除丝杆和螺母之间间隙、提高运动精度。(2) 同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链传动长处一种新型传动。它在带工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑差同步传动，其带采用了承载后无弹性变形高强力材料，以保证带节距不变。它具备传动比精确、传动效率高、能吸振、噪声低、传动平稳、能高速传动、维修保养以便等长处，使用范畴较广。缺陷是安装精度规定高、中心距规定严格，具备一定蠕变性。（3）齿轮齿条传动普通齿条是固定不动。当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮旋转运动就转换成拖板直线运动。拖板是由导杆或导轨支撑。该装置回差较大。2.1.2 臂部设计规定工业机器人臂部由大臂、小臂（或多臂）所构成，普通具备2-3个自由度，即伸缩、回转、仰俯或升降。臂部总质量较大，受力普通较复杂。在运动时，直接承受腕部、手部和工件静、动载荷，特别高速运动时将产生较大惯性力（力矩），引起冲击，影响定位精确性。作用是支撑手部和腕部，变化手部空间位置，某些零件重量直接影响着臂部构造刚度和强度。依照运动形式，抓取自由度，运动精度要满足下列规定。1手臂应具备足够承载能力和刚度 2 导向性好 3 重量和转动惯量要小 4 运动要平稳、定位精度要高。2.2 手腕设计2.2.1 手腕执行方式工业机器人腕部是连接手部与臂部部件，起支撑手部作用。机器人普通具备6个自由度才干使手部达到目的位置和盼望姿态。为使手部能处在空间任何方向，规定手腕能实现对空间3个坐标轴X,Y,Z转动，既具备回转、仰俯、偏转。（1）单自由度手腕有回转、仰俯、偏转、平移四种执行方式。（一） 双自由度手腕执行（三）三自由度手腕执行图六 手腕执行方式2.3 手部设计图2.2.1 手腕自由度(2) 两、三自由度手腕两自由度手腕和三自由度手腕重要是用单自由度手腕这四种执行方式进行排列与组合得到。形式各种各样。2.3 手指执行方式( a ) 内撑式( b ) 外夹式( c ) 平移外夹式( d ) 勾托式( e ) 弹簧式( f ) 气吸式( g ) 磁吸式2.3.2 手掌执行方式几种典型手部构造（1）回转型滑槽杠杆式手部构造（2）筒夹内涨式手部构造（3）移动型齿轮齿条式手部构造（4）移动型双连杆式手部构造2.4 手臂设计基本方案2.4.1 执行方式拟定 滚珠丝杠副2.4.2 拟定传动形式滚珠丝杠有螺母固定、丝杠转动并移动，丝杆转动、螺母移动，螺母转动、丝杠移动，丝杠固定、螺母转动并移动这四种方式。本设计重要考虑用丝杆转动、螺母移动。3 单轴驱动器单轴驱动器种类重要涉及丝杠导程，直径，和最大有效行程。表3.1 单轴驱动器基本参数TYPE 导程(mm) 丝杠直径(mm) 最大有效行程(mm)LX20 1/5 6 136LX26 2/5 8 217LX30 5/10 10 529LX45 10/20 15 497每一种类中有三种形式 原则型 盖板型 无支架型LX系列四大特性 1 滑块上设有定位孔，提高了组装性能（仅限盖板型） 2 采用精密磨削滚珠丝杠，施加预压实现静音和高精度。3 采用连体式滑块构造减少了滑台高度，最适合省空间设计。4 底座上设有2个定位孔，提高了重复定位性能。LX系列依照润滑分为 原则润滑脂 低尘润滑脂 带润滑装置MX（原则润滑脂）依照精密度分为 高精密级 紧密级命名方式是 TYPE 导程 精密级 润滑方式 如LX2602PG单轴驱动器构成零件 底座（滑轨） 滑块 马达支架 支撑侧轴承座 挡块 精密滚珠丝杠（磨削）(均有材质 表面解决 硬度规定规格表重要描述滑块数 马达附件 有效行程 安装孔尺寸有效行程对相似底座总长不同润滑方式单轴驱动器是不同。安装孔尺寸有A、P、B。有效行程L=A+P*(等分数-1)+B.(3.1)其中马达附件有步进马达T型、伺服马达A型，E型、无支架型F型、无附件型N型，A型每一型均有自己不同法兰规格，每一型可选用两三种不同功率马达型号，T型每一型均有自己不同法兰规格，每一型可选用2相，5相，任意角步进马达型号。其中F型没有附件。其中前两型有表面解决与附件安装螺丝原则规定。尚有传感器发讯块与附件安装夹具，它们构成零件与传感器滑轨均有合用原则。对于单轴驱动器尚有精度基准供参照。单轴驱动器对不同滑块数容许静负载、静力矩，相似底座总长单轴驱动器在不同润滑方式滑块有不同重量，相似底座总长单轴驱动器相应不同润滑方式滑块有不同惯性矩，尚有相似LX系列不同类型对有相似底座总长单轴驱动器最高转速。在设计选型过程中都规定校核，不能超标。4 步进电机开环和闭环控制4.1 步进电机特点重要特点是能实现精准定位、精准位移，且无积累误差。这是由于步进电机运动受输入脉冲控制，其位移量是断续，总位移量严格等于输入指令脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲频率。4.2 开环控制如果能精确控制输入指令脉冲数量或频率，就可以完毕精准位置与速度控制，不必系统反馈，形成所谓开环系统。开环控制系统，由控制器、脉冲分派器、驱动电路及步进电机四某些构成。图4.1 步进电机开环控制控制器重要分单片机控制，微机控制，单片机与微机联合控制。 微机控制重要分串行控制与并行控制。开环控制重要特点是速度控制，由于它精度重要取决于步距角精度和负载状况。因此开环控制经常采用加减速定位控制方式，由于步进电机启动频率要比持续运营频率小，因此开环系统脉冲指令频率，只有不大于电动机极限频率电动机才干成功启动。如果电机工作频率总是低于极限启动频率，固然不会失步。但没有充分发挥电机潜力，工作速度太低。4.3 闭环控制4.3.1 采用闭环控制目对于不同电机或者同一种电机不同负载，很难找到通用加减速规律，控制系统是无法预测和监视。在某些运营速度范畴宽、负载大小变化频繁场合，步进电机很容易失步，使整个系统趋于失控。因而使提高步进电机性能指标受到限制。此外，对于高精度控制系统，采用开环控制往往满足不了精度规定。因而，必要在控制回路中增长反馈环节，构成闭环控制系统。图4.2 步进电机闭环控制4.3.2 闭环控制原理与长处闭环控制是直接或间接地检测转子位置和速度，然后通过反馈和恰当解决，自动给出驱动脉冲串。采用闭环控制，不但可以获得更加精准位置控制和高得多、平稳得多转速，并且可以在步进电机许多其她领域内获得更大通用性。它与开环系统相比多了一种由位置传感器构成反馈环节4.3.3 闭环控制分类重要用PLC来控制。有核步法、延迟时间法、带位置传感器闭环控制系统等。4.3.4 PLC控制特点为适应工业环境使用，与普通控制装置相比较，PLC机有如下特点：可靠性高，抗干扰能力强。工业生产对控制设备可靠性规定：平均故障间隔时间长 故障修复时间（平均修复时间）。任何电子设备产生故障，普通为两种 1 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起故障。2 永久性故障。由于元器件不可恢复破坏而引起故障。如果能限制偶发性故障发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响后果限制在最小范畴，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间。硬件办法：重要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点电子存储器完毕，I/O系统设计有完善通道保护和信号调理电路。屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等重要部件，采用导电、导磁良好材料进行屏蔽，以防外界干扰。 滤波对供电系统及输入线路采用各种形式滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间互相影响。 电源调节与保护对微解决器这个核心部件所需+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调节器进行调节，以适应交流电网波动和过电压、欠电压影响。 隔离在微解决器与I/O电路之间，采用光电隔离办法，有效地隔离I/O接口与CPU之间电联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。 采用模块式构造这种构造有助于在故障状况下短时修复。一旦查出某一模块浮现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同步也有助于加快查找故障因素。软件办法：有极强自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行解决。 信息保护与恢复当偶发性故障条件浮现时，不破坏PLC内部信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续本来程序工作。因此，PLC在检测到故障条件时，及时把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器任何操作，以防存储信息被冲掉。设立警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了WDT规定期间，预示了程序进入死循环，及时报警。加强对程序检查和校验一旦程序有错，及时报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后，运用后备电池供电，关于状态及信息就不会丢失。通用性强，控制程序可变，使用以便。 PLC品种齐全各种硬件装置，可以构成能满足各种规定控制系统，顾客不必自己再设计和制作硬件装置。顾客在硬件拟定后来，在生产工艺流程变化或生产设备更新状况下，不必变化PLC硬设备，只需改编程序就可以满足规定。因而，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。功能强，适应面广，当代PLC不但有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具备数字和模仿量输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一种生产过程。编程简朴，容易掌握。当前，大多数PLC仍采用继电控制形式“梯形图编程方式”。既继承了老式控制线路清晰直观，又考虑到大多数工厂公司电气技术人员读图习惯及编程水平，因此非常容易接受和掌握。梯形图语言编程元件符号和表达方式与继电器控制电路原理图相称接近。通过阅读PLC顾客手册或短期培训，电气技术人员和技术工不久就能学会用梯形图编制控制程序。同步还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增长理解释程序）。与直接执行汇编语言编写顾客程序相比，执行梯形图程序时间要长某些，但对于大多数机电控制设备来说，是微局限性道，完全可以满足控制规定。减少了控制系统设计及施工工作量。由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜设计安装接线工作量大为减少。同步，PLC顾客程序可以在实验室模仿调试，更减少了现场调试工作量。并且，由于PLC低故障率及很强监视功能，模块化等等，使维修也极为以便。体积小、重量轻、功耗低、维护以便。PLC是将微电子技术应用于工业设备产品，其构造紧凑，结实，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化抱负控制设备。以三菱公司F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗不大于25VA；并且具备较好抗振、适应环境温、湿度变化能力。当前三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统配备上既固定又灵活，输入输出可达24128点。5 手部握力计算手指握紧工件时所需要力称为握力（夹紧力）。握力大小与被夹紧工件重量、重心位置以及夹持工件方位关于，咱们把握力假想为作用与工件接触面对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以N表达。钳爪式手部握力计算，必要依照手指和工件形状、手指夹持工件时不同方位进行分析。图5.1 手指握力式中N代表握力，G代表工件重力，f代表摩擦系数，b代表手指与手掌关节到被抓取物件重心距离，代表手指张开角度，代表手指与工件之间摩擦角。图中均已水平与垂直两种方式作比较。图5.2 手指握力当工件重量、手指指形、工件形状和加持方位拟定后，即可借助上表查出握力计算办法，可求出驱动力大小。为了考虑工件在传送过程中产生惯性力、振动以及传力机构效率影响，其实际驱动力P实应按照下式计算：P实=P*K1*K2/ .(5.1)-手部机械效率，普通取（0.85-0.95）K1-安全系数，普通取（1.2-2）K2-工作状况系数，重要考虑惯性力影响，K2可按下式计算；K2=1+a/g .(5.2)a-被抓取工件运动时最大加速度，g为重力加速度。6 手部驱动力计算 图6.1 手部驱动力P*h=N*b.(6.1) h=a/cos.(6.2) P=2b*cos*N/a.(6.3)a-手指回转支点到对称中心距离。为工件被夹紧时手指滑槽方向与两回转支点连线夹角。7 初步方案拟定初步决定X,Y,Z轴都用LX3010系列单轴驱动器，导程选10mm,丝杠直径选10mm。手掌驱动用直线电机，手指用抓取式连杆机构，或者电磁铁直接吸附。步进电机用东方电机系列T3060系列。考参文献1李允文.工业机械手设计M.北京：机械工业出版社，1996.2张健民.工业机器人M.北京：北京理工大学出版社，1988.3施海锋，吴江柳. 机械自动化系统设计指引书M.北京：清华大学出版社，. 4郑洪生.气压传动及控制M.北京：机械工业出版社，.5周伯英. 工业机器人设计M.北京：机械工业出版社，1995.6周开勤. 机械设计手册(第五版)M. 北京：高等教诲出版社，.7华大年. 机械原理(第二版)M. 北京：高等教诲出版社，1994.8王永华，宋寅卯，陈玉国，郑安平. 当代电气控制及PLC应用技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，.9许福玲，陈晓明. 液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，.10纪名刚. 机械设计 M. 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