工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計--多功能機(jī)械手

1、 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程作品設(shè)計說明書作品名稱： 多功能機(jī)械手 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級： 機(jī)電124班 2014 年 10 月 1 日1本設(shè)計（論文）課題來源及應(yīng)達(dá)到的目的：目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計用一臺機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。2本設(shè)計（

2、論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：分工：xx主要負(fù)責(zé)查閱各種資料為產(chǎn)品設(shè)計提供各種素材圖片，以及完成機(jī)械結(jié)構(gòu)cad的簡圖畫制和機(jī)械手第一級的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的拼裝，替換有問題的電線；xx和xx主要負(fù)責(zé)平移機(jī)構(gòu)和仰俯機(jī)構(gòu)的制造拼裝以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的拼裝調(diào)試和機(jī)械手爪的拼裝，共同完成慧魚軟件的程序編程和把接線盒和電腦電機(jī)行程開關(guān)連接在一起并完成排線的工作。以上是產(chǎn)品設(shè)計開始時確定的任務(wù)，在產(chǎn)品的拼裝中任務(wù)的執(zhí)行各有參與，很多的機(jī)構(gòu)是共同討論得出的結(jié)論。技術(shù)要求：各部件連接穩(wěn)固，各機(jī)構(gòu)運動靈活，能夠靈活編程。工作要求：產(chǎn)品實用、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定。 成績： 教師（簽名）： 年

3、 月 日 目錄一 課題概述21、選題背景22、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢33、研究調(diào)研4二 機(jī)械手組成及工作過程61、整體結(jié)構(gòu)分析62、所需器材63、底座部分84、軀干部分95、上臂部分106、手爪部分117、機(jī)械手系統(tǒng)的總調(diào)試12三 軟件部分131、機(jī)械手軟件編制流程圖132、機(jī)械手運行控制程序圖14四 設(shè)計體會15一 課題概述1、選題背景隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品和各種創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人的作用在裝配制造業(yè)產(chǎn)業(yè)中的地位更加重要了。另一方面隨著人們生活水平的提高傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)勞動力生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高，這也使企業(yè)意識到用高速準(zhǔn)確的機(jī)械自動化生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作的重要性。其中機(jī)械手是其發(fā)展

4、過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)

5、水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計具有重要意義。在這樣一個大的背景下結(jié)合自己的專業(yè)機(jī)電一體化，我們選擇多功能機(jī)械手來作為我們的設(shè)計題目。結(jié)合專業(yè)特點使用德國慧魚機(jī)器人教學(xué)模型作為我們實現(xiàn)這一課題的元件。利用慧魚模型的各種機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝出機(jī)械手的機(jī)械部分，用pc編程實現(xiàn)對機(jī)械手的自動控制，利用限位開關(guān)來保護(hù)電機(jī)和控制機(jī)械手位置的準(zhǔn)停。這個課題可以充分的體現(xiàn)機(jī)電一體化的由程序自動控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動，對自己以前的所學(xué)的課程也是一種鞏固。另一方面這個機(jī)械手可以實現(xiàn)一定的搬運功能具有很強(qiáng)的實用性能。2、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面

6、，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。   圖1-1 國內(nèi)機(jī)械手國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以

7、及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達(dá)到3m/s，量新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2kg的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100kg。更重要的是將機(jī)械 手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機(jī)械手的小型化和微型

8、化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。圖1-2 國外機(jī)械手3、研究調(diào)研工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下： （ 1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運動空間相對較小，如要達(dá)到較大運動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸

9、臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。（ 2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。（ 3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。（ 4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在

10、工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。由于本課題設(shè)計的內(nèi)容為搬運機(jī)械手，因此選擇球坐標(biāo)機(jī)械手，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。二 機(jī)械手組成及工作過程1、整體結(jié)構(gòu)分析如圖2-1所示，此機(jī)械手有底座轉(zhuǎn)動的自由度、軀干前后移動的自由度、機(jī)械手上下運動的自由度機(jī)，總共三個自由度。另外機(jī)械手爪有夾緊和松開物體的功能。由三個電機(jī)控制三個方向的運動，一個控制機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)；一個控制軀干前后平移運動；一個通過絲杠螺母的牽引來控制機(jī)械手的仰俯運動。當(dāng)然還有一個電機(jī)用來控制機(jī)械手本身的夾緊和松開。為了實現(xiàn)準(zhǔn)停和對電機(jī)的保護(hù)我們使

11、用了七個的限位開關(guān)用來控制運動的位置。由于手爪本身結(jié)構(gòu)的限制手爪抓緊用延時來控制。這種機(jī)器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關(guān)節(jié)式球面機(jī)器人。然后通過pc編程調(diào)試觀察機(jī)械手的運動是否達(dá)到應(yīng)有的技術(shù)水平，并作出相應(yīng)的改變以及對編程數(shù)據(jù)的修改等。圖2-1機(jī)械手整體實物圖2、所需器材此機(jī)械手用到了四個電機(jī)，由于底座部分負(fù)載較大，采用了大功率直流【9v 2.4瓦 】電機(jī)，其他部分負(fù)載相對較小，采用了普通直流電機(jī)【9v雙向】圖2-2慧魚機(jī)器人中普通電機(jī)和大功率電機(jī)此外，此機(jī)械手還用到了7個行程開關(guān)，用來限制各運動部件的位置以及保護(hù)電機(jī)與機(jī)械部件，通過編程為各運動部件之間添加了邏輯關(guān)系。底座部分用到兩個行

12、程開關(guān)，軀干部分用到兩個行程開關(guān)，上臂部分用到兩個行程開關(guān)，手爪部分用到一個行程開關(guān)，七個行程開關(guān)均采用常閉觸電（即在程序中1-0的對應(yīng)表示）圖2-3行程開關(guān)外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)另外還需要以下主要器材：圖2-4控制板圖2-5六面體及六面體的拼接圖2-6萬向節(jié)、減速器圖2-7渦輪和蝸桿圖2-8螺旋傳動圖2-9金屬桿、連接桿、傳動軸3、底座部分機(jī)械手的底座部分如圖2-10所示，通過此蝸輪蝸桿裝置，機(jī)械手可以實現(xiàn)180度的大范圍旋轉(zhuǎn)。傳動部分由電機(jī)、變速箱、蝸輪蝸桿組成。傳動鏈為：電機(jī)變速箱蝸輪蝸桿整體旋轉(zhuǎn)（負(fù)載）。 圖2-10 機(jī)械手回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實物圖圖2-11回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖4、軀干部分機(jī)械手的軀干部分如圖

13、2-12所示，實現(xiàn)機(jī)械手的前后運動。通過絲杠與螺母的牽引關(guān)系，軀干部分能平滑的在工作臺上前后移動。傳動部分由電機(jī)、變速箱、絲杠螺母副、滑動機(jī)構(gòu)組成。該部分的傳動鏈為：電機(jī)變速箱絲桿傳動負(fù)載。 圖2-12前后平移機(jī)構(gòu)實物圖圖2-13前后平移機(jī)構(gòu)簡圖 5、上臂部分 機(jī)械手的上臂部分如圖2-14所示，通過與底座的“肩關(guān)節(jié)”實 現(xiàn)上下的擺動。傳動部分由電機(jī)、減速箱、絲杠螺母副、連桿機(jī)構(gòu)組成。其傳動鏈為：電機(jī)變速箱絲桿傳動連桿。 圖2-14仰俯機(jī)構(gòu)實物圖 圖2-15仰俯機(jī)構(gòu)簡圖6、手爪部分 如圖2-16所示，機(jī)械手通過“肘關(guān)節(jié)”與上臂連接，使“爪子”實現(xiàn)在保持與地面平行的同時也可以上下移動，而通過聯(lián)軸器

14、和絲桿的作用，實現(xiàn)機(jī)械手的夾緊和放松。傳動部分由電機(jī)、減速箱、絲杠螺母副、連桿機(jī)構(gòu)組成。其傳動鏈為：電機(jī)變速箱聯(lián)軸器（2個）絲桿傳動（滑動副）機(jī)械手夾緊（放松）。 圖2-16機(jī)械手實物圖 圖2-17機(jī)械手簡圖7、機(jī)械手系統(tǒng)的總調(diào)試在進(jìn)行系統(tǒng)的總調(diào)試之前，先要進(jìn)行機(jī)構(gòu)運動的檢查，保證機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活、沒有卡死現(xiàn)象，各個開關(guān)能正常閉合和松動，每個電機(jī)進(jìn)行通電檢查；然后將控制模塊、運動機(jī)構(gòu)、接口模塊3個部分連接好進(jìn)行整個系統(tǒng)的總體調(diào)試。這樣做可以提高總調(diào)試的成功率，避免當(dāng)系統(tǒng)不能運轉(zhuǎn)時難以找到故障所在位置。三 軟件部分1、機(jī)械手軟件編制流程圖利用此機(jī)械手實現(xiàn)從某個指定地點抓取貨物，然后機(jī)械手到達(dá)另一指定

15、地點后放下貨物，然后再回到抓取貨物指定地點抓取貨物，如此往復(fù)循環(huán)，直到按下停止指令機(jī)械手才停止工作。具體流程如圖3-1所示： 開始整體初始 手爪張開化 放下物體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 機(jī)械臂放 旋轉(zhuǎn)到指 下 定位置 平移機(jī)構(gòu) 平移機(jī)構(gòu)平移到指 到確定位 定位置 置機(jī)械臂 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)放下 倒轉(zhuǎn)指定 位置 手爪張 平移機(jī)構(gòu)開 到指定位 置 手爪閉合 機(jī)械臂 抓緊物體 抬起圖3-1機(jī)械手程序流程圖2、機(jī)械手運行控制程序圖m1為底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)，i1，i2為底座部分的行程開關(guān)；m2為軀干部分電機(jī)，i3，i4為軀干部分行程開關(guān);m3為上臂部分電機(jī)，i5，i6為上臂部分行程開關(guān)；m4為手爪部分電機(jī)，i7為手爪部分行程開關(guān)。具體程序圖如圖3-2所示：圖3-2機(jī)械手運行控制程序圖四 設(shè)計體會在這個機(jī)電作品設(shè)計的試驗中，我們首先根據(jù)圖紙和零件，按照操作步驟，組裝出各個部件。在實驗操作過程中，最重要的是細(xì)心，準(zhǔn)確選齊零件，按照每個過程組裝好。在操作的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)零件安裝錯誤，導(dǎo)致試驗中用時過長。然后總結(jié)出，要不斷的檢查，完全確認(rèn)好這個步驟做好后才做下一步。做模型的過程中，不僅僅是動手，而且