物料搬运机器人手部系统的设计

1、天津大学毕业设计中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计英文题目：Material han dli ng system desig n robotHand departme nt学生姓名 系另廿 机电专业班级2_指导教成绩评定 2010年6月1 引言 11.1 机器人概述 11.2机器人的研究历史及现状 11.3机器人的发展趋势 22手部的设计与计算 32.1 手部的设计 32.2驱动方式 32.3手部夹紧力的计算 52.4弹簧的计算 52.5手部电机选择原则 【7】 错误！未定义书签。2.5.1 一般执行电机的选择原则 错误！未定义书签。2.5.2 电机的选用 错误！未定义书签。2.6手部电机

2、参数计算 错误！未定义书签。2.7电机转速与夹紧力速度几何关系的确定 错误！未定义书签。3手臂的设计与计算 错误！未定义书签。3.1手臂结构设计 错误！未定义书签。3.2手部质量计算 错误！未定义书签。3.2.1 爪子的质量计算 错误！未定义书签。3.2.2 手部外壳质量计算 错误！未定义书签。3.2.3 手部主轴的质量计算 错误！未定义书签。3.2.4其它部件的质量估算 错误！未定义书签。3.3手臂计算及电机选择 错误！未定义书签。4 结论 错误！未定义书签。【参 考 文 献】 错误！未定义书签。致谢 错误！未定义书签。附录1:英文文献 错误！未定义书签。附录2 :英文文献翻译 错误！未定义

3、书签。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视 生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被 企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一 个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以 及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，一般采取示教再现的工作方式。针对用于给冲压设备运送物料的物料搬运机器人的手部系统进行设计。通 过对机器人的大臂、小臂和机械手的结构的设计，选择合适的传动方式、驱动 方式包括伺服电机、步进电机和传动方式的选择，以实现关节的伺服控制和制 动问题，以及搬运时的抓紧力、抓紧方式，从而实现

4、物料的准确搬运。关键词：机器人；机械手；伺服；制动ABSTRACTIn the moder n large-scale manu facturi ng in dustry, en terprises paymore attentionon the automation degree of the productionprocess in orderto enhance the productionefficiency,and guarantee the product quality.As an importa ntpart of the automati on product ion lin

5、e,in dustrialrobotsare gradually approved and adopted by en terprises. The tech nique level and the applicati on degree of in dustrial robots reflect the n ati onallevel of the in dustrialautomatio n to some exte nt,curre ntly,in dustrialrobots mainly un dertake the jops of weldi ng, spray ing, tran

6、 sport ing andstowi ng etc. , which are usually done repeatedly and take highworkstre ngth, and most of these robots work in playback way.To stamp out the equipment used to transportmaterial materialhan dli ng the robot's hand to desig n the system. the robot's arm, pudgy forearms and robot

7、structuredesigned to choose a suitabletransmission,including the servo motor drive mode and step into the motors and drive the way to achieve the capsules of the server to control and brake problems, and handling of no force, no way to achieve the accuracy of this material.KEY WORDS:robot; servoco n

8、trol; brake1引言 1.1 机器人概述“工业机器人” (In dustrial Robot )多数是指程序可变(编)的独立的自 动抓取、搬运工件、操作工具的装置，国内称作工业机器人或通用机器人。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人具有结构简单、成本低廉、维修 容易的优点，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人 称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人【要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等

9、部分组成的抓取和移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动 的驱动一传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。一般而言，机器人通 常就是由这三部分组成，这些系统的性能就决定了机器人的性能。如图1所示图1 机器人的一般组成1.2机器人的研究历史及现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出世界上第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一个回转长臂，端部装有电磁铁的 工件抓放机构，控制系统是示教型的【2】。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力开展机器人的研究【3】。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无

10、论是数量、品种，还是性能方面都还不能完全满足工业生产发展的需要。使用 工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作 空间狭小等不适于人工作业的工作环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于 机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作 业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如 发生某些偏离时，就会导致零部件甚至机器人本身的损坏。我国虽然开始研制工业机器人的时间仅比日本晚56年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢【4】。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、

11、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发 展。1.3 机器人的发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人的设计生产能力进一步得到加强，尤 其当机器人的生产与柔性化制造系统相结合，从而改变目前机械制造的人工操 作状态，提高了生产效率。就目前来看，现代工业机器人有以下几个发展趋势【5】：(!)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部 件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结 构不同的机器人；(2) 开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精 度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的 场合；(3) 研制各类传感

12、器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测 距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信 息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同 时，越来越多的系统采用微机进行控制。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置 和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。2手部的设计与计算 2.1 手部的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧(吸 附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。它具有模仿 人手动作的功能，并安装于机器

13、人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、 重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大 致可分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设 计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开 与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2所示。图2 机械手手指形状2.2驱动方式机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表1。机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：(

14、1) 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；(2) 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频 繁地起、制动，正、反转切换；(3) 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；(4) 安全可靠；对环境无污染，噪声要小；(5) 操作和维护方便；(6) 经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。表1三种驱动方式的特点对照内容液压驱动驱动方式气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为大，压力范围为 48较大50140Pa60Pa利用液体的不可压缩性，气体压缩性大，精度控制精度

15、咼，功率较大，控制控制精度较高，输出功率低，阻尼效果差，低能精确定位，反应灵敏，性能大，可无级调速， 反应灵速不易控制，难以实可实现高速、高精度的敏，可实现连续轨迹控现高速、高精度的连连续轨迹控制，伺服特制。续轨迹控制。性好，控制系统复杂。响应速度很高较咼很高结构适当，执行机构伺服电动机易于标准结构适当，执行机构可标结构可标准化、模拟化，化，结构性能好，噪声准化、模拟化，易实现直性能易实现直接驱动。功低，电动机一般需配置接驱动。功率/质量比大，及率/质量比大，体积减速装置，除DD电动机体积小，结构紧凑，密封体积问题较大小，结构紧凑，密封夕卜，难以直接驱动，结问题较人。问题较小。构紧凑，无密封问

16、题。设备自身无爆炸和火灾防爆性能较好，用液压油防爆性能好，高于危险，直流有刷电动机安全性作传动介质，在一定条件lOOOkPa时应注意设换向时有火花，对环境下有火灾危险。备的抗压性。的防爆性能较差。对环境液压系统易漏油，对环境排气时有噪声无的影响有污染。适用于中小负载驱适用于中小负载、要求动、精度要求较低的具有较咼的位置控制精适用于重载、低速驱动，在工业机有限点位程序控制度和轨迹控制精度、速电液伺服系统适用于喷械手中应机器人，如冲压机器度较咼的机器人，如AC涂机器人、点焊机器人和用范围人本体的气动平衡伺服喷涂机器人、点焊托运机器人。及装配机器人气动机器人、弧焊机器人、成本夹具。装配机器人等。液压

17、兀件成本较咼成本低成本咼维修及方便，但油液对环境温度方便较复杂使用有一定要求2.3 手部夹紧力的计算拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为8kg，其夹角为31度。根据工作位置和工作环境的需要，最终采用如图3所示结构。图3 手部结构简图a = 62.4mm, b = 66mm手部机架采用铸钢铸造，其摩擦系数J = 0.2，重力加速度取g=9.8N/kg夹紧时由力学关系可以得到公式：22 -mg，从而得到夹紧力Fnmg8kg 9.8kg/s22 0.2-196N由公式知所需的驱动力2bP tan ： Fn， aP = 2 66mm tan31； 196N = 248.77N62.4mm夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力，拟定丝杠的大径D =24mm，螺距设为P=2.5，牙型角为60；的梯形普通螺纹。2.4 弹簧的计算弹簧外形如图4所示。通过计算来确定弹簧的旋绕比、最大工作负荷、工作极限负荷、最小工作 负荷、弹簧要求刚度、总圈数、有效圈数、单圈刚度等一系列有弹簧有关的数据来确定弹簧是否合格选用材料碳素弹簧钢丝弹簧材料的许用应力.p及 弹簧按负荷性质分为三类：I类：受变负荷作用，次数在U类：受变负荷作用，次数在 川类：受变