关节型工业机械手毕业设计说明书.doc
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1、 毕 业 论 文毕 业 论 文 题题 目目 关节型工业机械手的结构设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0917 班 学学 生生 廉开发 学学 号号 指导教师指导教师 苏东宁 二一 三 年 六 月 三 日 摘 要 关于该关节型工业机械手的具体研究方法。本次设计工作一方面对实体安川机器人进行了细致的研究,了解了其内部的具体结构,安川机器人的结构可分为六个轴系,然后根据六个轴系对其内部结构进行分解,以便了解各个零件之间的配合,这样就对安川机器人有了大体的了解。下面就进行尺寸的测量,尺寸的测量只需要测量一下大体的外观尺寸,而内部尺寸可根据零件的配合进行合理的
2、设计。然后,进行计算(涉及电机功率的计算,轴的设计,齿轮的参数计算),接着可依据相关资料,选取恰当的电机。最后,可根据实体与之前所掌握的知识对机械手的结构进行设计分析。关键词:伺服电机、机械手抓、移动旋转。ABSTRACT Here is about the research method of the industrial manipulator joints.The design work on the real first AnChuan robot has carried on the detailed research,understand the internal structur
3、e of concrete,AnChuan robot structure can be divided into six axis,and then according to the six axis of its internal structure decomposition,in order to understand the cooperation between the various parts of the,thus for AnChuan robot have roughly understanding.Below is the size of the measurement
4、,the size of the measurement only need to measure the general appearance of the size,and the internal dimension can be reasonable according to the parts of the design.Then,computing(including motor power calculation,the design of the shaft,the gear parameter calculation),then can according to releva
5、nt data,select the appropriate machine.Finally,according to the entity and prior knowledge on the structure of the manipulator design analysis.Keywords:servo motor rotate,manipulator grabbing and moving.目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 前言.1 1.1 机械手国内外发展现状.1 1.2 多关节型工业机械手概述.3 1.3 机械手组成与分类.4 1.3.1 机械手组成.4 1.3.
6、2 机械手分类.5 2 机械手的设计方案.7 2.1 设计任务的提出.7 2.2 机械手设计方案.7 2.2 方案特点.9 3.1 电机的选型.9 3.1.1 初步估算机械手的质量.10 3.1.2 计算各个轴的转速及转矩.12 3.1.3 计算电机功率.13 3.2 锥齿轮设计.14 3.2.1 齿轮精度、材料.14 3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计.14 3.2.3 按齿根弯曲强度设计.15 3.2.4 锥齿轮参数计算.16 3.3 同步带轮的设计.17 3.3.1 同步齿形带传动计算.17 3.3.2 带轮几何尺寸的计算.19 3.4 减速器的设计.21 3.4.1 减速器减速比的计算
7、.21 3.4.2 减速器输出轴径的计算.21 4 机械手各结构设计.22 4.1 手爪结构的设计.22 4.1.1 手爪的设计规定.22 4.1.2 手爪的分类.23 4.1.3 手部结构形式的拟定.23 4.2 手腕结构的设计.23 4.2.1 手腕的设计规定.24 4.2.2 手腕结构形式的拟定.24 4.3 手臂结构的设计.24 4.3.1 手臂的设计规定.25 4.3.2 手臂结构.25 4.3.3 小臂结构形式的拟定.25 4.4 小臂后箱体的结构设计.26 4.5 连接杆件的设计.26 5 关键轴的校核.27 5.1 腕部输入轴的结构.27 5.2 轴的校核.28 6 结 论.3
8、1 参考文献.32 致 谢.33 1 1 前言 1.11.1 机械手国内外发展现状 1962 年,美国机械铸造公司试制成一台数控试教机械手。商名为 Unimate。运动系统仿造坦克炮塔,可以实现臂回转、俯仰功能,用液压驱动;控制系统用磁鼓存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种多关节机械手,它可实现灵活搬运,该机械手的中央立柱在本来的基础上其功能又可以实现臂的回转、升降、伸缩。虽然这两种机械手都是出现在 60 年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国斯坦福大学、麻省理工学院联合研制多关节型型工业机械手,装有小型电子计
9、算机进行控制,用于装配流水线作业,定位误差可小于 1 毫米,这使机械手的发展达成新的高度。美国还进一步通过改善结构提高机械手的可靠性与稳定性,从而减少成本。如惠普曼公司建立了机械手实验台,进行各种性能的实验。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营时间),由 400 小时提高到 1500 小时,精度可提高到 0.1 毫米。德国从 1970 年开始应用机械手,重要用于起重运送、焊接和准备的上下料等作业。德国西门子公司采用关节式结构和程序控制,从而使机械手实现焊接功能。近现代日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。从美国引进二种典型机械
10、手后,日本在此基础上继续创新,做到使机器人更加简便化与实用化。据相关报道,1979 年从事机械手的研究工作的研究单位多达 80 多个。1976 年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用为42%。1979年日本机械手的产值达443亿元,产量为14535台。其中固定程序和可变程序约为一半,达 222 亿日元,是 1978 年的 2 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
11、手最多的是汽车工业,另一方面是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。进入到 20 世纪 80 年代以后,各国的机械手又取得更进一步的发展。总的来说为了满足现代高速发展的工业的需求,机械手的发展更多的趋向于满足以下特点:活动范围广,工作灵活性强,便于操作控制,可满足不同的工业需求。比如说日本的安川机械手,就是基于实现不同的工作目的而设计的一种多关节型工业机械手,通过改变机械手的结构可以实现诸如搬运、喷漆、焊接、检测、探伤等任务。国外机械手发展的局限性。在国外机械制造业中,多关节型工业机械手应用最多,发展最快,目前重要应用于重物的搬运,精密金属的探测,机床、模锻压力机的上下料
12、,以及点焊、喷漆等作业的实现,它可按照事先制定的规定程序完毕规定的作业,但还不具有任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生一些偏离或误差时,就将引起零部件甚至机械手自身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势正是大力研制智能机械手,假如在碰到一些偏离或误差时,能反馈外界条件的变化,从而作相应的变更。在机械手上安装电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。其工作原理具体如下工作时机械手先伸出手指寻找工作,通过装在手指内的压力传感器产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力感敏元件来控制,达成自动调整握力的大小。总之,随着技术的发展,机械手的流水装配作业的能力将进一步提高
13、。将机械手和柔性控制制造系统及柔性制造单元相结合将是重要的发展趋势,使目前机械制造系统的人工操作状态得到进一步的改善。相对于国外机械手的高速发展,国内机械手的发展则比较滞缓。目前国内机械手的应用重要应用在铸锻、热解决方面,这样可以减轻劳动强度,改善作业条件。为进一步促进国内机械手的发展。我们在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,有条件的还要研制试教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手甚至是智能型机械手。在不同类型的机构中可以应用机械手的伸缩、俯仰、升降、旋转等功能,此外可根据不同的作业规定,选用不同的典型部件,设计不同的典型机构,即可组成各种不同用途的机械手,相应的实现重物搬运,金
14、属检测,金属焊接等功能。假如有条件的话还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元,从而进一步缩小与德日等国外机器人发展较快的国家之间的差距。简朴说一下多关节型工业机械手的应用意义。第一:应用多关节型工业机械手可以是实现生产过程中的自动化进程。概括地说,在工厂或车间中,应用关节型机械手可以实现工件的搬运与装卸,机器的装配。第二:应用多关节型机械手可以减少人力,从而减少成本。在自动化生产线上,假如更广泛的应用了机械手,在减少人力的同时,还可以大大提高效率。1.21.2 多关节型工业机械手概述 工业机器人的组成可分为
15、操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置,是一种仿人操作,自动控制、可反复编程、能在三维空间完毕各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简朴意义上代替人工的劳动,而是综合了人的专长和机器专长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反映和分析判断能力,
16、又有机器可长时间连续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和规定实现自动抓取、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”。生产中应用机械手可以提高生产的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的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热解决、电镀、喷漆、装配以及轻工
17、业、交通运送业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简朴,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展,制成了可以独立的按程序控制实现反复操作,合用范围比较广的“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的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.3 机械手组成与分类 1.3.1 机械手组成 机器人的组成一般可提成三大部分,即机械系统、驱动系统和控制系统。而本体结构是具有和人手臂相似的动作功能。可在空间抓放物体或进行其他操作,由机械结构、驱动装置及传动装置组成。机械手涉及末端执行器
18、,臂部、腕部、机座和行走机构的设计。下面来一次介绍这几部分结构。(1)末端执行器俗称手爪。是机器人直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或夹持专用工具(如喷枪、扳手、焊接工具)进行操作的部件,它能模仿人手的动作。手爪安装于手臂的前端,它的结构与尺寸可根据不同的作业规定来设计。机械手爪一般可分为三类分别为机械式夹持器、吸附式末端式末端执行器和专用工具。需要强调的是我所设计的机械手需要完毕重物搬运功能,在一定条件下可以焊接。(2)腕部又称手腕。是连接手臂与末端执行器的部件。由于腕部结构的设计可以更灵活的,更广泛的实现重物的搬运。(3)臂部又称手臂。臂部是用来支撑手腕与末端执行器的部件。它涉及驱动装置、传
19、动装置、定位装置和检测原件等。(4)机座是机器人的基础部分,有固定式与移动式两种,其支撑作用。由于所研究的机器人为流水线机器人,所以,选用固定式机座。其直接支撑手臂部件,从而实现臂部回转。1.3.2 机械手分类 关于工业机械手的分类,可按应用用途、驱动方式和控制系统分类。1.按用途分 机械手可分为通用机械手与专业机械手两大类。(1)通用机械手 通用机械手最大的特点是其驱动系统与控制系统独立,此外,通用机械手的工作范大、定位精度高、通用性强。因此,可以通过调整其动作程序,在不同的场合应用机械手。目前,通用机械手更多的应用在中小批量的自动化生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型
20、两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制,伺服型可以是点位的,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)专用机械手 相对于通用机械手,专用机械手具有工作动作少,工作对象单一,定位精度低等特点。它可应用于大批量的自动化生产,如自动机床,加工中心,自动的上下。2.按驱动方式分(1)液压传动机械手 用液压压力来驱动执行机构的机械手。其特点为:传动平稳,结构紧凑,动敏。由于油的泄露对机械手的工作性能影响较大。所以这种机械手对密封性规定比较严格。此外,不能在较高或较低的温度下工作。(2)气压传动机械手 用压缩空气的压力来驱动执行机构的机械手。
21、其特点为:输出力小,气动动作迅速,结构简朴,成本低。由于空气可压缩的特性,该机械手工作冲击大,速度稳定性差,相对于液压机械手,气压机械手更合用于工作在高温、轻载的环境中。(3)电机传动机械手 用直流电机,步进电机或伺服电机驱动的机械手 因不需要中间转换机构,故机构简朴。此外,该机械手运动速度快,行程长。虽然应用不多,但很有发展前程。3.按控制方式分(1)点位控制 实现点与点之间的移动,但只能控制过程中几个点,不能控制运动轨迹。(2)连续位控制 它的运动轨迹为空间的连续曲线,空间设计点为无限点,可以实现准确与平稳的运动。电气控制范围广,控制系统复杂。这类机械手一般采用小型计算机进行控制。2 机械
22、手的设计方案 2.12.1 设计任务的提出 设计一种较为灵活的重物搬运机械手,实现流水线上零件的搬运与放置。所涉及的多关节型工业机械手用能抓取生产线上的零件,转过一定角度后,将零件放下。规定抓取零件的重量可达 7 公斤,手爪的开合限度可达 110 毫米。另,并通过设计不同形式的手爪结构能适应不同零件的尺寸规定。通过结构的扩展,机械手能实现其它的作业规定,比如焊接等。所涉及的多关节机械手结构应力求简朴。2.22.2 机械手设计方案 图 2.2 关节型工业机械手的结构图 该关节型机械手由五部分组成。分别为底座、大臂、小臂、腕部、机械手爪。各部分的驱动方式如下:1)底座回转的腰关节:由安装在底座内的
23、电机带动整个机械手作 360 度的旋转运动。2)大臂回转的肩关节:由伺服交流电机带动齿轮减速器运动,从而带动大臂以上的结构绕肩关节作旋转运动,即产生俯仰运动。3)小臂与腕部的回转:由交流伺服电机带动齿轮减速器运动,从而带动大臂以上的的整体作旋转运动,即产生俯仰运动。4)小臂腕部的回转:由交流伺服电机带动齿轮减速器运动,从而带动大臂以上的整体作回转运动。5)手腕的旋转运动:由腕内部的伺服电机带动机械手作旋转运动,即回转运动。6)手腕的上下运动:由腕内部的交流伺服电机带动腕整体作旋转运动,即俯仰运动。该关节型工业机械手的自由度,分别为:底座绕 S 轴作 360 度的旋转运动;大臂 绕 L 轴的旋转
24、运动(左右运动);小臂绕 U 轴的旋转运动(上下运动);小臂绕 R 轴的 回转运动;手腕的回转运动;手腕的上下运动。2.22.2 方案特点 此多关节型工业机械手应能实现抓取流水线上的重物的功能。并且它的最大抓取重量达成 7 公斤。所以该机械手在满足上述功能的基础上应力求结构简朴,经济实用。3 3 动力参数的计算 3.13.1 电机的选型 对于机器人这种属于机电一体化产品来说,伺服系统相称重要的。规定私服系统具有快速性,精确性和稳定性,即输出量准确而迅速的响应指令输入变化。按其控制原理可分为开、闭环两大类。开环伺服系统的执行元件大多采用步进电机,闭环伺服系统的大多元件采用直流伺服电机和交流伺服电
25、机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。一方面,控制精度不同。交流伺服电机的控制精度是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655,控制精度更高;另一方面,低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会出现振动现象;第三,矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为 2023RPM 或 3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出;第四,过载能
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