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搬运机器人设计说明书



青岛科技大学本科毕业设计(论文)

1 绪论
1.1 研究背景与意义
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械 制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新 兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动 控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手 也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的 作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应 性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛 的发展空间[1-3]。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分 的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和 位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配, 从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物 力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的 场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果, 受到机械工业的重视。

图 1-1 生产线上的机械手 Fig.1-1 The manipulator on the production line

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物料搬运机械手结构设计

进入 21 世纪,随着我国人口老龄化的提前到来,近来在东南沿海还出现大 量的缺工现象,迫切要求我们提高劳动生产率,提高我国工业自动化水平势在 必行。工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能, 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生 产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用,因而具有强大的生命力 受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动, 显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。工 业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作,采用机械手是 有效的。此外,它能在高温、低温、深水、放射性和其他有毒、污染环境条件 下进行操作以保护人身安全,更显示其优越性,有着阔的发展前途。

1.2 工业机械手的简史
用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分 动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械 制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新 兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动 控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手 也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的 作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应 性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛 的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分 的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和 位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配, 从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物 力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的 场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,

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受到机械工业的重视。 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初,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。 机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台 机械手。他的结构是:机体上安装回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构, 控制系统是示教型的。 1962 年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教 再现型机械手。 商名为 Unimate(即万能自动)。 运动系统仿造坦克炮塔, 臂回转、 俯仰,用液压驱动;控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就 是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 (Unimaton),专门生产工业机械手。

图 1-2 世界上第一台工业机械手 Fig.1-2 The world's first industrial robots

1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手, 原意是灵活 搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱 动,控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是 国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vic-arm 型工业机械手, 装有小型电子计算机进行控制, 用于装配作业, 定位误差可小于±1 毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。如 Unimate

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公司建立了 8 年机械手试验台,进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间 (注:故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障 前的平均运行时间) ,由 400 小时提高到 1500 小时,精度可提高到±0.1 毫米。

图 1-3 六自由度机械手 Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator

德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和 设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构 和程序控制。 瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种 典型机械手后,大力研究机械手的研究。据报道,1979 年从事机械手的研究工 作的大专院校、 研究单位多达 50 多个。 1976 年个大学和国家研究部门用在机械 手的研究费用 42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元,产量为 14535 台。 其中固定程序和可变程序约占一半,达 222 亿日元,是 1978 年的二倍。具有记 忆功能的机械手产值约为 67 亿日元,比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元,为 1978 年的 6 倍。截止 1979 年,机械手累计产量达 56900 台。在数 量上已占世界首位,约占 70%,并以每年 50%~60%的速度增长。使用机械手最 多的是汽车工业,其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。 1978 年,日本山梨大学牧野洋发明 SCARA,该机器人具有四个轴和四个运 动自由度,(包括绕 X,Y,Z 方向的旋转自由度和沿 Z 轴的平移自由度)。该系列 的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度,而在剩下的其余两个方向上 具有无限大刚度。 如今 SCARA 机器人[4]还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药

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品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第一个 轴和第二个轴具有转动特性,第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同,制 造成相应多种不同的形态,并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。 由于其具有特定的形状,决定了其工作范围类似于一个扇形区域。

图 1-4 日本的 SCARA 机器人 Fig.1-4 Japan's SCARA robot

第二代机械手正在加紧研制。 它设有微型电子计算机控制系统, 具有视觉、 触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈, 使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计 算 机 和 电 视 设 备 保 持 联 系 。 并 逐 步 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重 要一环。

1.3 国内外机械手研究现状与发展趋势
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 维修) , 而单机价格不断下降, 平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 6.5 万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减 速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整 机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标

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准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大 提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度 等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器。 (5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、 预演发展到用于过程控制, 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操 作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操 作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 (7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来, 这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.4 我国工业机器人的发展
我国工业机器人起步于 20 世纪 70 年代初期,经过 30 多年的发展,大致经 历了 3 个阶段:70 年代的萌芽期,80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。 20 世纪 70 年代是世界科技发展的一个里程碑: 人类登上了月球, 实现了金 星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀 起了一个高潮,尤其在日本发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这 种背景下,我国于 1972 年开始研制自己的工业机器人。 进入 20 世纪 80 年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的冲击 下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。 “七五”期间,国 家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器 人成套技术的开发,研制出了喷涂、电焊、弧焊和搬运机器人。1986 年,国家 高技术研究发展计划开始实施,经过几年的研究,取得了一大批科研成果,成 功地研制出了一批特种机器人。 从 20 世纪 90 年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期, 掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。我国的工业机器人又在实践中 迈进了一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、 码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机 器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是在多传感器信息 融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化

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机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩 的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以 期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

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2 物料搬运机械手总体设计
设计一台工业机器人是一项复杂而又艰巨的任务,由于本人实践经验的缺 乏和认识上的不足,因此在设计上不可能面面俱到。本次设计仅仅只设计机器 人的总体机械结构,而对于控制系统以及细节部分如机械手设计等等不作详细 的探讨。

2.1 机械手的功能要求
能够快速、平稳、准确的夹起物料并完成搬运工作时物料搬运机械手的最 基本的功能要求,这要求具备一定的精度,具有一定的承载能力,同时还有一 定的工作空间。当然灵活的自由度和完成一定动作的平稳性也是必不可少的。 在对于物料搬运机械手进行设计是,必须要根据机械手所要进行的动作,选择 合适的机械手的结构,确定工作时序。应明确机械手搬运物料的重量和要满足 的精度。进而确定机械手运动控制的要求,并且还要兼顾通用性和专用性的同 时,尽量选用已经定型的标准组件,以实现机械手的模块化[5-7]。 本设计所要设计的机械手主要用生产线上某袋装化工产品的搬运动作。搬 运物料的结构尺寸为 400 mm ? 400 mm ? 300 mm ,重量为 20kg。因此机械手的主 要设计参数如下。 表 2-1 机械手主要设计要求 Tab.2-1 The mainly design requirements of Manipulator 项目 自由度 最大回转角度 最小回转角度 最大工作半径 最大载荷 额定载荷 手爪最大行程 参数 3 240 度 90 度 960mm 30kg 20kg 410mm

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2.2 确定机器人类型
根据机器人的运动参数确定其运动形式,然后才能确定其结构。根据机器 人坐标建立的形式可以分为以下几个类型。 (1)直角坐标型:主体结构的关节都是移动关节。 特点是:结构简单,刚度高。关节之间运动相互独立,没有耦合作用。占 地面积大,导轨面防护比较困难。 (2)圆柱坐标型:圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度:腰转、升降 和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。 特点:通用性较强;结构紧凑;机器人腰转时将手臂缩回,减少了转动惯 量。受结构限制,手臂不能抵达底部,减少了工作范围。 (3)球面坐标式(极坐标) : 机器人主体结构具有三个自由度,两个旋转运 动和一个直线运动。特点:工作范围较大;占地面积小;控制系统复杂 (4)关节式机器人:关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关 节、肘关节全部是转动关节。 特点:动作灵活,工作空间大;关节运动部位密封性好;运动学复杂,不 便于控制。 综合比较以上几种方案的不同优缺点及对设计要求的全面认识,本次设计 采用圆柱坐标型结构。此结构有以下优点:通用性较强;结构紧凑;机器人腰 转时将手臂缩回,减少了转动惯量。同时这类机械手也存在一些结构上的缺点, 例如手臂不能抵达底部,这样就减少了工作范围。

2.3 工业机器人的组成及各部分关系
末端执行器(手爪) 执 行 机 构 机 械 系 统 工 业 机 器 人 控 制 系 统

手臂机构

腰部机构

基座 驱 动 机 构

电液气驱动

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图 2-1 工业机器人组成图 Fig.2-1 The composition of industrial robot

2.4 机械手总体设计及传动形式说明
作为机械手的最终的执行机构,机械机构的布局和类型直接影响到机械手 的驱动系统和传动方式,乃至影响整个机械手的工作性能。针对本论文中提到 的物料搬运机械手,机械手在做物料搬运时,手臂具有上升、下降、伸出和收 缩的功能。并且机械手的腰部应能够进行回转。为了满足功能要求,本论文的 物料搬运机械手设计分为三个自由度。并且机械手的运动形式分为方向移动和 工作执行两个部分。其中方向移动部分占两个自由度,包括了伸出和缩回激动 机构和平面摆动机构。由于这两个自由度之间没有耦合,所以可以有效的简化 机械手的运算和控制。工作执行部分只有一个自由度,包括了上升和下降两个 运动形式。对于具体机械手的结构图见图 2-2。

图 2-2 机械手的总体图 Fig.2-2 Overall figure of the manipulator

2.4.1 机械手的传动形式说明 由于本机器人主要实现了三个自由度的运动,所以其传动形式也相对比较 简单,下面对其传动形式予以说明。 (1) 腰部回转运动。 由于本机械手要实现物料的搬运, 要具有一定的精度。 并且考虑到机械手的通用性,在其他场合下也能很快的进行工作转换,对于腰 部的回转运动采用了步进电机提供动力源。因为步进电机的转速相对于我们要 求的腰部回转运动的速度较快,而且还应该提供较大的力矩,因此此处应选择

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带有减速器的步进电机,减速器应为行星轮减速器。 (2)手臂部位的伸出和收缩。手臂部位的伸缩运动同样需要一定的精度, 同时为了节省空间和减轻手臂的重量, 此处也是选择了步进电机来作为动力源, 同时运动的传递使用了丝杠与丝杠螺母的形式。 (3)手爪的上下运动。手爪的上下运动对于搬运机械手来说要求的精度相 对较低,而且此处需要的上下运动的力比较大,大约 300N,因此此处我们选择 使用气缸来实现这个方向的运动。 (4)手爪的夹持运动。一般情况下,我们不会讲手爪的夹持运动当做机器 人的自由度,但是在这里涉及到运动形式的介绍,因此在此处对于手爪的夹持 运动一并进行说明。此处物体的重量比较大,为了提供足够的加持力,我们选 用气缸来作为手爪的动力源,此处进行了手爪的结构设计。 2.4.2 滚珠丝杠 滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的 理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化 成直线运动,这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将 轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应 用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠轴承为适应各种用途,提供了标准化种类繁多的产品。广泛应用 与机床,滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。

图 2-3 滚珠丝杠图 Fig.2-3 The ball screw

预压方式有定位预压(双螺母方式、位预压方式) 、定压预压。可根据用途 选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠(精度分为从 CO-C7 的 6 个等级)和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承(精度分为从 C7-C10 的 3 个等级) 。另外,为应付用户急需交货的情况,还有已对轴端部进行了加工

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的成品,可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴 承的周边零部件,在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已 被标准化了,可供用户选择使用。 滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础,从材料、热外理、制造、 检查至出货,都是以严谨的品保制度来加以管理,因此具有高信赖性。 2.4.3 直线导轨 直线导轨可分为:滚轮直线导轨和滚珠直线导轨两种,前者速度快精度稍 低,后者速度慢精度较高。 直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合, 拥有比直线轴承更高的额定负载, 同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情 况下实现高精度的直线运动. 分为方形滚珠直线导轨,双轴芯滚轮直线导轨,单轴芯直线导轨。 在大陆称直线导轨,台湾一般称线性导轨,线性滑轨。 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件,按给定的方向做往复直 线运动。依摩擦性质而定,直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导 轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线轴承主要用在自动化机械上比 较多,像德国进口的机床,折弯机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套 用的。像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上, 滑块 -使运动由曲线转变为直线。新的导轨系统使机床可获得快速进给速 度,在主轴转速相同的情况下,快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面 导轨一样,有两个基本元件;一个作为导向的为固定元件,另一个是移动元件。 由于直线导轨是标准部件,对机床制造厂来说.唯一要做的只是加工一个安装 导轨的平面和调整导轨的平行度。

图 2-4 直线导轨

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Fig.2-4 the linear guide-way

作为导向的导轨为淬硬钢,经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较, 直线导轨横截面的几何形状,比平面导轨复杂,复杂的原因是因为导轨上需要 加工出沟槽,以利于滑动元件的移动,沟槽的形状和数量,取决于机床要完成 的功能。例如:一个既承受直线作用力,又承受颠覆力矩的导轨系统,与仅承 受直线作用力的导轨相比.设计上有很大的不同。 2.4.4 步进电机与气缸 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机 件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和 脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以 固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达 到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速 度,从而达到调速的目的。

图 2-5 步进电机 Fig.2-5 The stepping motor

步进电机的特点: (1)一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。 (2)步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁 性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应 取决于不同电机磁性材料的退磁点; 一般来讲, 磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上,有的甚至高达摄氏 200 度以上,所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 (3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各

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相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作 用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。 (4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有 啸叫声。 步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随 着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更 多的领域得到应用。 气缸,是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发 动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能;气体在压缩机气缸中接受活塞压缩 而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸有作 往复直线运动的和作往复摆动的两类。 作往复直线运动的气缸又可分为单作用、 双作用、膜片式和冲击气缸 4 种。 根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时 应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了,输出力不够,气缸不能正常工作; 但缸径过大,不仅使设备笨重、成本高,同时耗气量增大,造成能源浪费。在 夹具设计时,应尽量采用增力机构,以减少气缸的尺寸。 2.4.5 行星齿轮减速器 行星齿轮减速机主要传动结构为:行星轮,太阳轮,内齿圈。 行星减速机因为结构原因,单级减速最小为 3,最大一般不超过 10,常见 减速比为:3.4.5.6.8.10,减速机级数一般不超过 3,但有部分大减速比定制减速 机有 4 级减速。相对其他减速机,行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到 1 分以内)、高传动效率(单级在 97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特 点。因为这些特点,行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上,用来降 低转速,提升扭矩,匹配惯量[8]。 行星减速机额定输入转速最高可达到 18000rpm(与减速机本身大小有关, 减 速机外形越大,额定输入转速越小)以上,工业级行星减速机输出扭矩一般不超 过 2000Nm,特制超大扭矩行星减速机可做到 10000Nm 以上。工作温度一般在 -25℃到 100℃左右,通过改变润滑脂可改变其工作温度。

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图 2-6 行星齿轮减速器 Fig.2-6 The planetary reducer

2.5 本章小结
本章主要对搬运机械手的主要结构形式和传动形式进行了介绍和说明,并 且对于设计中可能要选择的一些标准间或者外购件进行了简要的说明和介绍, 主要是为后面的设计提供理论和技术的上支持,说明了整个设计的可行性。

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3 机械手末端执行器及第三臂设计
3.1 机械手末端执行器设计方案
3.1.1 末端执行器设计要求和设计参数 设计要求: (1)要有足够的夹持力和所需的夹持精度; (2)末端执行器要连接在手腕上,应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小, 以减轻手臂的负荷。 设计参数: (1)所需要夹紧的物料尺寸为 400 mm ? 400 mm ? 300 mm 。放松动作时两个 手爪间的最大距离为 320mm~420mm。抓持速度为 10m/s,夹持器从运输车上抓取 待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。 (2)工件重量 20kg,简化为 400 mm ? 400 mm ? 300 mm 的长方体材料。 (3)夹紧动作平稳,起动和终止无刚性冲击,由运动分析及所需夹持力得 到机构各部分尺寸。 3.1.2 手爪结构的总体设计 末端执行器采用两个气缸来完成,总体结构如下图所示。

图 3-1 末端执行器 Fig.3-1 The end effector

手爪采用来个气缸来完成抓取动作, 对于手爪采用了可以替换的模块化设计

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方式以便于物料的形状发生变化时可以更换手爪。 3.1.3 对于手爪气缸的选型计算 用于手爪开合的两个气缸对于力的要求不是很高,因此对于此部分我们只 做简要的计算,并进行大体选型。 对于手爪闭合式所需要的力为 200N,具体的行程应控制在 30~50mm。因 为气缸在市场中有现成的可以选择,因此我们只需要完成选型工作,购买合适 的气缸即可。

图 3-2 CQ2 标准型气缸 Fig.3-2 CQ2 standard cylinders

本设计中手爪气缸选用 SMC 公司 CQ2 标准型气缸,该气缸的具体参数如 下表所示。根据设计参数和 CQ2 薄型气缸选型手册选择气缸。 表 3-1 气缸的主要选型参数 Tab.3-1 Main parameter selection of air cylinder

项目 公司 系列 型号 缸径 行程

参数 SMC CQ2 系列 CQ2B100-50D 100mm 50mm

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最高使用压力

1MPa

根据气缸的以上参数,我们可以计算气缸的推拉力为:

F ? PS ? 1?106 Pa ? 3.14? ((100/ 1000/ 2)m)2 ? 785N
而对于我们的设计要求最大载荷为 200N 来说,最大 785N 的夹持力足够使 用了。其安全系数为: F n? ? 785 / 200 ? 3.925 F' 因此设计符合设计要求和安全准则。 3.1.4 对于手爪直线导轨的选择 本处的直线导轨,实际为手爪的主要承重位置,因此在结构上我们采用了 双导轨结构设计,同时导轨采用双滑块模式,导轨的材料选用的碳素钢。本设 计中选购了 Misumi 公司的 SEL2B13-310 型号的直线导轨,该类型导轨为通用 的轻型导轨。

图 3-3 直线导轨的布置 Fig.3-3 Linear guide arrangement

3.1.5 手爪及其连接件设计 对于手爪的设计我们只是参考了对于物料搬运的手爪形状的基本结构,应 为为了增强物料搬运机械手的通用性, 我们将手爪利用法兰的形式与导轨连接, 下午为手爪的效果图。

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图 3-4 手爪效果图 Fig.3-4 Gripper rendering

由于整个手爪结构的特殊性,我们特别设计了手爪、导轨以及气缸这三个 零件的连接件,效果图如图 3-5。

图 3-5 连接件效果图 Fig.3-5 Fitting effect

3.2 机械手第三臂设计
第三臂要承受的负载力额定负载为 20kg,最大负载为 30kg。同时我们要求 在 z 轴方向上的最大位移为 350mm。 最大负载 F ' ? 300 N 同样我们选择 SMC 的气缸,通过查阅 SMC 气缸的选型手册,我们暂选标 准型气缸 MB 系列,具体的参数见下表。 表 3-2 气缸的主要选型参数 Tab.3-2 Main parameter selection of air cylinder

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物料搬运机械手结构设计

项目 公司 系列 型号 缸径 行程 最高使用压力

参数 SMC MB 系列 MDB100-350 100mm 350mm 1MPa

根据气缸的以上参数,我们可以计算气缸的推拉力为:

F ? PS ? 1?106 Pa ? 3.14? ((100/ 1000/ 2)m)2 ? 785N
而对于我们的设计要求最大载荷为 300N 来说,最大 785N 的夹持力足够使 用了。其安全系数为: F n? ? 785 / 300 ? 2.62 F' 因此此设计符合设计要求和安全准则。 第三臂的气缸外形图如下图所示。

图 3-6 第三臂气缸及其底座 Fig.3-6 The third arm cylinder and its base

3.3 小结
本章主要完成了物料搬运机械手的末端执行器和第三臂上下移动的设计工 作。对于用的气缸进行了选型,对主要的零件进行了设计。通过校核,所选择 的气缸和设计均符合设计要求和安全准则。

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4 物料搬运机械手小臂设计
4.1 机械手小臂的主要机械传动部件
4.1.1 机械传动部件及其功能要求 机械传动部件在本产品中主要有丝杠螺母传动,联轴器,导轨等。其主要 功能是传递转矩和转速,机械传动部件主要是转矩和转速变换器。其目的是使 执行元件与转速方面得到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很 大的影响,特别是其传动类型,传动方式,传动刚度以及传动可靠性对机电一 体化系统的精度,稳定性和快速响应性有重大影响。因此,应设计和选择传动 间隙小,精度高,体积小,重量轻,运动平稳,传递转矩较大的传动部件[9]。 传动机构主要是对运动的变换,主要是其形式,行程,方向,速度。动力 的变换主要是其大小和方向。还要克服惯性力(力矩)及摩擦阻力。 4.1.2 滚轴丝杠的选用 本设计使用的滚珠丝杠导程是 10mm,丝杠直径是 16mm, 丝杠螺母机构有 滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、 制造成本低、具有自锁功能,但其摩擦阻力矩大、传动效率低(30%~40%) 。滚 动丝杆螺母机构虽然结构复杂、制造成本高,但其最大优点是摩擦阻力矩小、 传动效率高(92%~40%) ,因此在机电一体化系统中得到广泛应用。 本设计使用丝杆转动、螺母移动的传动方式。 丝杆转动、螺母移动,该传动形式需要限制螺母的转动,故需导向装置, 其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好,适用于工作行程较大的场合。 表 4-1 丝杠螺母基本参数 Tab.4-1 Basic parameters of the lead screw nut 螺帽种 精 类 单螺帽 度 C10 直径(mm) 长度(mm) 额定载荷(动) 额定载荷(静) 16 1172 8.2KN 17.8KN

(1)滚珠丝杠的工作原理 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构,其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装

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有中间传动原件——滚珠,它由丝杠,螺母,滚珠,反向器组成。丝杠转动时, 带动滚珠沿螺纹轨道滚动,在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚 珠的返回通道,从而形成滚珠流动的闭合回路。 (2)滚珠丝杠传动的优点 具有轴向刚度高 (通过预紧可消除丝杠与滚珠之间的轴向间隙) , 运动平稳, 传动精度高,不易磨损,使用寿命长。 但不能自锁,具有传动的可逆性,在升降传动时,需要采取制动措施。 4.1.3 导轨的选用 (1)导轨的作用 导轨的作用是使运动部件能沿一定的轨迹运动(导向) ,并承受运动部件及 工件的重量和切削力(承载) 。在导轨副中,运动的一方叫运动导轨;不运动的 一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动,通常是直线运动或回转运 动。 (2)导轨的设计要求 导向精度高 影响导轨精度的主要原因除制造精度外,还有导轨的结构形式,装配量。 导轨及其支撑部件的刚度和热变形,对静压导轨还有油膜的刚度等。 耐磨性能好 主要是指使用过程中能否保持一定的导向精度,应该力求减少磨损量,并 在磨损后能自动补偿或便于调整。因此可选用合适的耐磨涂料,润滑方法和保 护装置,使导轨具有良好的工作条件,以减少摩擦和磨损。 足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置,因此要求导轨有足 够的刚度。 运动轻便和低速平稳性 要使导轨的阻力小,运动轻便,低速运行时无爬行现象。 结构工艺性好 要加工和装配方便,使用时便于调整和维修,成本低。 (3)本设计的导轨特性 矩形导轨的特点是结构简单,制造,检验和修理方便,导轨面较宽,承载 能力大,刚度高,但磨损后不能自动补偿,须有调整间隙的装置,但一个方向

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上的调整不会影响到另一个方向上的位移,因此安装调整比较方便,在相同情 况下,摩擦阻力与接触变性都比较小。

图 4-1 矩形导轨 Fig.4-1 The rectangular guideway

4.1.4 步进电机的选用 (1)步进电机的原理 步进电机是一种利用电磁感应原理,将电脉冲型号转换成直线或角位移的 执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与 输入脉冲数成正比例,相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机的运动是由一系列电脉冲控制, 脉冲发生器所产生的电脉冲型号, 通过环行分配器按一定的顺序加到电动机的各个绕组上。为了使电动机能够输 出足够的功率,通过环行分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环行分 配器,功率放大器以及其它辅助电路统称为步进电动机的驱动电源。 (2)步进电机的特点 主要特点是能实现精确定位、精确位移,且无积累误差。这是因为步进电 机运动受输入脉冲控制,其位移量是断续的,总的位移量严格等于输入的指令 脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲的频率[10]。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速 控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。 广泛应用于机电一体化产品中,如:数控机床、包装机械、计算机外围设 备、复印机、传真机等。 (3)步进电机的选用原则 选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。

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而在选用功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性 能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中,各种频 率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 Mjmax 大 的电机,负载力矩大。 选择步进电机时,应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到机床所需的 脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量,一是可以改变丝杆 的导程,二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率, 不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时,应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频 率,使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量,使之最高速连续 工作频率能满足机床快速移动的需要。 (4)本设计的选用 本设计选用东方电机 PK26 系列的 2 相步进电机, 2 相 PK 系列为高转矩·低 振动型步进电动机。除了每转 200 分割(1.8?/step)的标准型外,另外还备有每 转 400 分割的高分辨率型以及高转矩、高分辨率的减速机型产品。驱动本系列 时需另购驱动器。 本系列产品备有高转矩·高效率型、高转矩型、标准型、标准型保护等级 IP65 规格、高分辨率型、SH 减速机型等产品种类。 本设计用 T3060 型式的高转矩型 60mm 的步进电机。

图 4-2 T3060 步进电机 Fig.4-2 T3060 stepping motor

表 4-2 本设计选用电机的基本参数

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Tab.4-2 The design chooses the basic parameters of motor 名称 2 相步进电 机 类型 高转 矩 安装尺 寸 60mm 轴 型 单 轴 步距 角 1.8 度 最大静止转 矩 1.7 Nm 额定电 流 2A/相 保持转 矩 2.2 Nm

4.1.5 联轴器的选用 十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙 的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动,故可补偿安装及运转时两轴间的相对 位移。 这种联轴器零件的材料可用 45 钢,工作表面需要进行热处理,以提高其硬 度;要求较低时也可用 Q275 钢,不进行热处理。为了减少摩擦及磨损,使用时 应从中间盘的油孔中注油进行润滑。 因为半联轴器与中间盘组成移动副,不能发生相对转动,故主动轴与从动 轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时,中间盘就会产生 很大的离心力,从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大 于规定值。 本设计参考选用十字滑块联轴器,主要因为它具有以下优点: (1)结构简单的高扭矩刚性、高灵敏度联轴器。 (2)主体中间用十字滑块联接,安装方便,免维护。 (3)零回转间隙。 (4)主体轴套采用铝合金,体积轻巧。 (5)安装方便、免维护、可抗油污抗腐蚀和电气绝缘。 (6)容许大的径向和轴向,角向偏差。 (7)吸收较的的传动扭力。 (8)寿命长,性能安全可靠。 (9)制作工艺:精车件,表面处理:本色阳极氧化处理。

4.2 手臂部分运动计算
4.2.1 速度的计算

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(1)电动机转速:
n ? ?b ? f / 360? 60 ? 1.8 ?1000/ 360? 60r / min ? 300r / min

其中 ?b ? 1.8 为步进电机的步距角(度) , f ? 1000为脉冲频率(脉冲/秒) (2)每转脉冲数

S ? 360/ ?b ? 360/ 1.8 ? 200脉冲/ 转
其中 S 为每转脉冲数, TSP 为导程取 10mm。 (3)工作台运动速度
V ? n ? TSP ? 300 r / min? 10 mm / r ? 3000 mm / min ? 50 mm / s

4.2.2 手臂的结构形式

图 4-3 手臂传动结构图 Fig.4-3 Arm drive structure

图 4-4 手臂底座结构图 Fig.4-4 The arm base structure

4.3 小结
本章主要针对物料搬运机械手的第二个关节, 也就是小臂进行了结构设计, 对其使用的电机、滚珠丝杠等主要的外购部件进行了选型,并且进行了简要计 算,说明了设计的可行性和合理性。

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5 底座及第一关节设计
5.1 总体设计
第一关节是整个机械手设计部分承载重量最大的部分,因此这个设计的合 理性决定了整个机械手的稳定性。图 5-1 所示为机械手底座部分的截图。

图 5-1 底座部分 Fig.5-1 The base part

5.2 交叉滚子轴承
对于本设计中底座处因为小臂为悬臂形式,并且要用电机产生回转运动, 因此在此处应使用特殊的轴承,本设计中选用交叉滚子轴承。 它们的滚子在内轮与外轮间,间隔交叉地彼此成直角方式排列。它们能同 时承受来自各方向荷重 ( 如轴向、 推力或动量荷重等 ) 。 因滚子与轨道表面成 线状接触,

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图 5-2 交叉滚子轴承 Fig.5-2 The crossed roller bearing

因此,轴承受荷重而弹性变形之可能性很小。此型轴承广泛运用在如工业 自动机械人、工作机械及医疗设施等,需要刚性高、紧密及高转速下仍能确保 精确之场合下。 在交叉滚子轴承中,因圆柱滚子在呈 90 ° 的 V 形沟槽滚动面上通过间隔 保持器被相互垂直地排列,所以 1 个交叉滚子轴承就可承受径向负荷、轴向负 荷及力矩负荷等所有方向的负荷。内外圈的尺寸被最小限度地小型化,特别极 薄型式是接近于极限的小型尺寸,并且具有高刚性,所以最适合于工业用机器 人的关节部或旋转部、机械加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转 工作台、医疗机器、计量器、 IC 制造装置等的用途。 交叉滚子轴承,因被分割的内环或外环,在装入滚柱和间隔保持器后,与 交叉滚柱轴环固定在一起,以防止互相分离,故安装交叉滚柱轴环时操作简单。 由于滚柱为交叉排列,因此只用 1 套交叉滚柱轴环就可承受各个方向的负荷, 与传统型号相比,刚性提高 3~4 倍。同时,因交叉滚子轴承内圈或外圈是两分 割的构造,轴承间隙可调整,即使被施加预载,也能获得高精度地旋转运动。 (1)具有出色的旋转精度 交叉滚子轴承内部结构采用滚子呈 90° 相互垂直交叉排列, 滚子之间装有间隔保持器或者隔离块,可以防止滚子的倾斜所滚子之间相 互磨察,有效防止了旋转扭矩的增加。另外,不会发生滚子的一方接触现象或 者锁死现象;同时因为内外环是分割的结构,间隙可以调整,即使被世家预压, 也能获得高精度的旋转运动。 (2)操作安装简化 被分割成 2 部分的外环或者内环,在装入滚子和保持器后,被固定在一起,

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所以安装时操作非常简单。 (3)承受较大的轴向和径向负荷 因为滚子在呈 90° 的 V 型沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直排列, 这种设计使交叉滚子轴承就可以承受较大的径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等 所有方向的负荷。 (4)大幅节省安装空间 交叉滚子轴承的内外环尺寸被最小限度的小型化,特别是超薄结构是接近 极限的小型尺寸,并且具有高刚性,所以最适合于工业机器人的关节部位或者 旋转部位、机械加工中心的旋转工作台、机械手旋转部、精密旋转工作台、医 疗仪器、计量器具、IC 制造装置等广泛用途。

5.3 减速步进电机
本设计中选用减速步进电机,主要原因是步进电机控制容易,而且减速步 进电机可以减少设计的工作量,下图为减速步进电机的模型图。

图 5-3 减速步进电机 Fig.5-3 Deceleration stepper motor

本设计中选用的减速步进电机是东方马达的 PN 减速步进电机,其最大转 矩为 60NM,本设计中所选择的减速步进电机的具体参数见下表。 表 5-1 减速步进电机参数 Tab.5-1 Slow step motor parameters 型号 ARL98-N36 保持转矩 减速比 37Nm 50 分辨率 0.0072 度 容许转矩 最大转矩 37Nm 60Nm 容许速度 0-60r /min

5.4 小结

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本章主要物料搬运机械手的底座及第一关节部分进行了设计和说明。对于 底座传动形式进行了设计,对要进行外购的减速步进电机进行了选型。初步说 明了设计的合理性和结构的创新性。

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6 总结
本设计是物料搬运机械手的设计,通过半年时间的努力,设计终于完成。 这次设计给了我们一个很好的机会,使我们了解了设计工作的基本流程和设计 的方法以及理念。 在此次的毕业设计中,我遇到了许多以前从未遇到过的问题,但通过指导 教师的指导和我的努力,这些问题都得到了较好的解决。 虽然我设计的只是个简单的搬运机械手,但需要完成伸缩、回转、摆动等 功能,对应分别要对这些机构进行设计和计算,以及对油路及其部件的选择。 通过这些机设计,使理论知识与实际相结合,巩固和深化了所学过的专业理论 知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。自学了许多相关学科的 内容,求教了多位专业老师,上网和在图书馆查阅大量相关资料。 课题已经接近尾声,一切似乎已将要结束,而我却感觉这一切似乎才刚刚 开始。通过这次毕业设计,对知识结构、设计方法、设计思维我有了一个重新 的认识。在本次设计中,前前后后遇到了不少困难,例如对丝杠轴传动、Z 轴传 动的自行设计,丝杠轴的如何摆放等等问题。由于实践经验的不足,尽管最后 的方案不是太完美,但是我们都庆幸从中所获甚丰。 由于时间问题,对于本次机械手的设计还存在许多问题,许多地方都还有 待改进和提高,希望各位专家评审多多指教。

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