多關(guān)節(jié)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、多關(guān)節(jié)機(jī)械手設(shè)計(jì)摘 要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、手臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制

2、動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。關(guān)鍵詞：機(jī)器手臂；驅(qū)動(dòng)裝置；傳動(dòng)裝置AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, guarantee the product quality, the general importance of the production process automation, industrial robots as an important par

3、t of the automation production line, the company gradually recognized and used. Industrial robot technology and applications to some extent reflect the level of a country's level of industrial automation, at present, the industrial robot is mainly responsible for the welding, coating, handling a

4、nd stacking repetitive labor intensity and great work, work are normally taken to teaching and playback mode.In this paper, the design of a four DOF industrial robot, used for the transportation of materials to the stamping device. First of all, this paper will design a robot arm and the base, struc

5、ture of the manipulator, and then select the appropriate drive, driving mode, build the structure of robot platform; based on this, the paper design of the robot control system. The final goal of include: Joint servo control and brake problems, real-time monitoring the movement of each joint of robo

6、t, robot teaching programming and on-line modification program, setting a reference point and the reference point return.Key words: robot arm;driving device; transmission device目錄1緒論 11.1背景及目的 11.2機(jī)械手概述 11.2.1機(jī)械手 21.2.2機(jī)械手分類(lèi) 21.2.3國(guó)內(nèi)外研究概況 31.2.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 31.3多關(guān)節(jié)機(jī)械手的研究 41.3.1指導(dǎo)思想 41.3.2研究任務(wù) 62機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)

7、 72.1總體設(shè)計(jì)方案 72.1.1 四自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.1.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.1.3主要零件設(shè)計(jì)原則 91 手臂的前后伸縮部分 92 手臂的上下升降部分 93 腰轉(zhuǎn)部分 102.2機(jī)械手首部（末端執(zhí)行器）的設(shè)計(jì) 102.2.1末端設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)要求 102.2.2手抓的設(shè)計(jì) 102.2.3驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的選擇 112.2.4機(jī)械手手部尺寸設(shè)計(jì) 122.3機(jī)械手腕部的設(shè)計(jì) 132.3.1腕部整體結(jié)構(gòu)構(gòu)思 132.3.2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 142.3.3手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 162.3.4滾動(dòng)軸承的選擇 182.4機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 212.4.1機(jī)械手臂設(shè)計(jì)的要求及計(jì)算 212.5臂部上

8、下升降部分設(shè)計(jì) 222.5.1電機(jī)的選擇 222.5.2同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 222.6大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 242.6.1大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇 24本章小結(jié) 263 機(jī)械手設(shè)計(jì)說(shuō)明 263.1機(jī)械手零部件材料選擇 263.2機(jī)械手零件裝備說(shuō)明 273.3維護(hù)保養(yǎng) 28結(jié)論 30致謝 31參考文獻(xiàn) 321緒論1.1背景及目的工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的.l智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣

9、闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序

10、以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。1.2機(jī)械手概述手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件(或工具的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿

11、勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)2。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有23個(gè)自由度。1.2.1機(jī)械手機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可以重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體已完成在各個(gè)不同環(huán)境中的工作，機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，他能部分代替工人操作;其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定程序。時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，他能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此它能大大改

12、善工人的勞動(dòng)條件、顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因?yàn)椋艿礁飨冗M(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，并投入了大量的物理和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛1.2.2機(jī)械手分類(lèi)機(jī)械手一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手，他是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它樂(lè)意根據(jù)任務(wù)的需要編輯程序，已完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要工人操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)；來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火

13、星、等。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)械手，主要是附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“chanical hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。本項(xiàng)目是要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類(lèi)，即通用機(jī)械手。1.2.3國(guó)內(nèi)外研究概況國(guó)外機(jī)器人的領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：（1） 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。（2） 機(jī)械結(jié)構(gòu)像模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)，減速機(jī)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三位一體化：由于節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)：國(guó)外已有

14、模塊化的裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。（3） 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度高，控制柜日漸小巧，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性，易操作性和可維修性。（4） 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等創(chuàng)啊其外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟使用（5） 虛擬現(xiàn)實(shí)級(jí)數(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用過(guò)程控制，例如使用遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。（6

15、） 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自制系統(tǒng)，而致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例（7） 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起，從94年1.2.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在新型機(jī)器人的推出以及機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的豐富和發(fā)展。在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，還有機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用工作單元的設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)成熟度。比如現(xiàn)已有越來(lái)越多的汽車(chē)巨頭將其海外使用的各種汽車(chē)零部件轉(zhuǎn)移至中國(guó)生產(chǎn)，就是因?yàn)槲覈?guó)的焊接機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)水平不斷提高。新型機(jī)器人應(yīng)用量高速

16、增長(zhǎng)的主要有潔凈機(jī)器人以及雙臂機(jī)器人等；應(yīng)用技術(shù)的重點(diǎn)則主要有具有更加自適應(yīng)性和復(fù)雜工藝能力的各種機(jī)器人控制技術(shù)、視覺(jué)圖像處理機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃和軌跡補(bǔ)償技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和具有工藝水平的離線編程技術(shù)等。技術(shù)融合是未來(lái)發(fā)展的主趨勢(shì)。控制技術(shù)的開(kāi)放化發(fā)展、PC化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，把機(jī)器人的應(yīng)用拓展到更加廣闊的領(lǐng)域。KUKA也一直是該應(yīng)用的倡導(dǎo)者，早在1998年，KUKA就開(kāi)發(fā)了基于PC技術(shù)和Windows操作環(huán)境的機(jī)器人控制系統(tǒng)，并隨著PC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展不斷創(chuàng)新。1）伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化和高度集成化、智能化技術(shù)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先

17、進(jìn)算法成為可能。智能化的伺服系統(tǒng)具有參數(shù)自整定的功能自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來(lái)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。2）多傳感器融合技術(shù)，通過(guò)融合多個(gè)傳感器提供的冗余、互補(bǔ)或更實(shí)時(shí)的信息，可以獲得系統(tǒng)所需的更準(zhǔn)確和更精確的信息。多傳感器融合技術(shù)的發(fā)展大力推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人和遙操作機(jī)器人技術(shù)，這些機(jī)器人工作在動(dòng)態(tài)、不確定的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，這些高度不確定的環(huán)境要求機(jī)器人具有高度的自治能力和對(duì)環(huán)境的感知能力，而多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正是提高機(jī)器人系統(tǒng)感知能力的有效方法。3）視覺(jué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、人工智能、模式識(shí)別以及仿生技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展都將推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的革新，使得工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展。1

18、.3多關(guān)節(jié)機(jī)械手的研究1.3.1指導(dǎo)思想工業(yè)機(jī)械手的操作機(jī)是由手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的裝置。對(duì)于要完成空間任意位姿進(jìn)行作業(yè)的操作機(jī)需要具有6個(gè)自由度，而對(duì)于要回避障礙進(jìn)行作業(yè)的操作機(jī)其自由度數(shù)則需超過(guò)6個(gè)。操作機(jī)機(jī)構(gòu)的方案及其運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本條將主要介紹操作機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。1、操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手臂機(jī)構(gòu)具有3個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、俯仰、升降或伸縮三種運(yùn)動(dòng)形式。設(shè)計(jì)操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)時(shí)，首先要確定操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。通常，應(yīng)根據(jù)其將完成的作業(yè)任務(wù)所需要的自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)形、承受的載荷和運(yùn)動(dòng)精度要求等因素來(lái)確定。其次是確定手臂機(jī)構(gòu)的尺寸，手臂機(jī)構(gòu)的尺寸應(yīng)根據(jù)

19、機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間尺寸要求來(lái)確定，定出其手臂的長(zhǎng)度及手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍。在確定操作機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及尺寸時(shí)，必須考慮到由于手臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成的，因而手臂部件自身的重量較大，而且還要承受手腕、末端執(zhí)行器和工件的重量，以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷；同時(shí)，要考慮到其對(duì)操作機(jī)手臂運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的速度、運(yùn)動(dòng)精度和剛度以及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的影響等。2、操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)操作機(jī)的手腕機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，通常使末端執(zhí)行器能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏擺運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手腕自由度愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角范圍愈大，其動(dòng)作的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)。但增加手腕自由度，會(huì)

20、使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制難度加大。因此，一般手腕機(jī)構(gòu)的自由度為12個(gè)即能滿足作業(yè)要求。通用性強(qiáng)的機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)的自由度為3，而某些專(zhuān)業(yè)工業(yè)機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)則視作業(yè)實(shí)際需要可減少其自由度數(shù)，甚至可以不要手腕。在作手腕機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意大、小手臂的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對(duì)末端執(zhí)行器的俯仰角均可能產(chǎn)生誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。此外，手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要注意減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減小其重量和體積，以利于手腕驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置的布置，提高手腕動(dòng)作的精確性和裝配與調(diào)整的方便性。3、末端執(zhí)行期的設(shè)計(jì)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置。通常，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，從而形成了多種

21、多樣的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可分為機(jī)械式夾持器、吸附式執(zhí)行器、專(zhuān)用工具和仿生手四類(lèi)。就工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械式夾持器形式而言，多為雙指手爪式，按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式又可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手爪又可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型；按其夾持方式又可分為外夾式和內(nèi)撐式。此外，按驅(qū)動(dòng)方式則有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓和記憶合金驅(qū)動(dòng)四種。設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，無(wú)論是夾持式或吸附式，都需要有足夠的夾持力和所需要的夾持位置精度。用機(jī)械式單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持器來(lái)夾持工件時(shí)，由于所夾持工件的直徑有變動(dòng)時(shí)，將引起工件軸心的偏移量（成為夾持誤差），故其夾持位置精度較低。為了改善夾持精度，可采用雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型夾持器或采用平移

22、型夾持器。同樣，在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)盡可能使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是操作機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)的不同和驅(qū)動(dòng)方式的不同而有很大區(qū)別。1.3.2研究任務(wù)本課題的主要任務(wù)是利用現(xiàn)有機(jī)械手的資料設(shè)計(jì)出具有四自由度的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，繪制出機(jī)械手的裝配圖和主要零件圖并通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)編程控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)以下的動(dòng)作過(guò)程：（1）手臂升高；（2）手臂正向旋轉(zhuǎn)；（3）手臂伸出；（4）手臂下降；（5）手爪夾緊；（6）手臂上升；（7）手臂反向旋轉(zhuǎn)；（8）手臂回縮；（9）手臂下降；（10）在手爪松開(kāi)工件后，開(kāi)始下

23、一個(gè)循環(huán)。此外，在實(shí)物模型基礎(chǔ)上，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)監(jiān)控畫(huà)面，通過(guò)串行通訊方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)行過(guò)程及狀態(tài)的跟蹤監(jiān)控，此部分內(nèi)容由于作者水平有限，所設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手的后期仿真及實(shí)物試驗(yàn)未能呈現(xiàn)，敬請(qǐng)諒解。2機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案2.1.1 四自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)四自由度機(jī)械手系統(tǒng)由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和通信接口等幾部分組成。1、機(jī)械本體結(jié)構(gòu)機(jī)械手的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上有兩大類(lèi)：一類(lèi)是操作型本體機(jī)構(gòu)，它類(lèi)似人的手臂和手腕，配上各種手爪和末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動(dòng)作和作業(yè)操作。工業(yè)機(jī)器人主要采用這種本體結(jié)構(gòu)。還有一類(lèi)是移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主

24、要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。2、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大多是基于閉環(huán)控制的原理來(lái)進(jìn)行的。伺服控制器的作用是計(jì)算主計(jì)算機(jī)給出的關(guān)節(jié)指令值與位置反饋單元送來(lái)的關(guān)節(jié)實(shí)際值之間的偏差，該偏差經(jīng)過(guò)D/A（數(shù)模變換）和功放后，使驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并帶動(dòng)負(fù)載朝減小偏差的方向動(dòng)作。常用的驅(qū)動(dòng)單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min10000r/min，輸出轉(zhuǎn)矩小，而關(guān)節(jié)需帶動(dòng)的負(fù)載的轉(zhuǎn)速不高，負(fù)載力矩卻不小。因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后在每個(gè)采樣周期給

25、出。計(jì)算機(jī)通過(guò)軌跡規(guī)劃，得到空間軌跡在各采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值。通常的機(jī)械手采用主計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)計(jì)算機(jī)二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對(duì)包括視覺(jué)在內(nèi)的各種傳感信號(hào)進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行人工智能的模式識(shí)別、問(wèn)題求解、任務(wù)規(guī)劃、決策判斷，這時(shí)須由三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4、感知系統(tǒng)與通信接口機(jī)器人要正常地進(jìn)行工作，必須與周?chē)h(huán)境保持密切的聯(lián)系。除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器（稱(chēng)為機(jī)械手的內(nèi)部傳感器），機(jī)械手還可配備視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多種類(lèi)型的傳感器（稱(chēng)為機(jī)械手的外部傳感器），以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng)。為了與周邊設(shè)備及操作進(jìn)行聯(lián)

26、系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通信接口及人機(jī)通信裝置，包括在語(yǔ)音合成和識(shí)別技術(shù)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話以及各種多媒體系統(tǒng)。2.1.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、機(jī)械手腰部為了滿足旋轉(zhuǎn)需要，設(shè)計(jì)成圓柱形，為了節(jié)省材料可考慮把空的地方省出，以實(shí)現(xiàn)空間尺寸小，工作范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處在于回轉(zhuǎn)時(shí)需要克服較大的偏心力矩。2、手臂的上下升降運(yùn)動(dòng)將由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)。主要考慮到易于將脈沖信號(hào)作為控制信后，實(shí)現(xiàn)精確定位。3、手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)將采用齒輪齒條傳動(dòng)，直流伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪傳遞給齒條，實(shí)現(xiàn)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；且齒輪齒條傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長(zhǎng)。雖然驅(qū)動(dòng)力不大，但運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程總是小于機(jī)構(gòu)本身的長(zhǎng)度。

27、綜合起來(lái)，以上結(jié)構(gòu)非常適合于本課題搬運(yùn)物塊。機(jī)械手的裝配圖2.1.3主要零件設(shè)計(jì)原則1、由于零件種類(lèi)不同，設(shè)計(jì)方法也不同，但可按下列設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行。1）選擇類(lèi)型 根據(jù)使用條件、載荷大小及性質(zhì)來(lái)選擇；2）受力分析 通過(guò)受力分析求出作用在零件上的載荷，以便進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；3）選擇材料 根據(jù)零件工作條件及受力情況選擇合適材料，并確定計(jì)算中的應(yīng)力；4）計(jì)算準(zhǔn)則 根據(jù)失效分析，確定零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；5）理論計(jì)算 由設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所得到的實(shí)際或校核設(shè)計(jì)計(jì)算公式，確定出零件的主要幾何尺寸及參數(shù)。2、機(jī)械零件的主要失效形式機(jī)械零件在規(guī)定期間內(nèi)，在規(guī)定的條件下不能完成正常的功能稱(chēng)為失效。零件的常見(jiàn)失效形式有：1）整體斷裂 零

28、件在截面上的應(yīng)力大于材料的極限而引起的斷裂；2）表面破壞 發(fā)生在零件表面，常見(jiàn)的形式有壓潰、磨損、表面疲勞、膠合、腐蝕等；3）剛度不足 機(jī)械零件受載荷要產(chǎn)生變形，當(dāng)彈性變形超過(guò)許用范圍將使零件或機(jī)械不能正常工作；4）功能失效 機(jī)械零件不能完成規(guī)定的失效稱(chēng)為功能失效。各組件的主要設(shè)計(jì)方案手部：包括杠桿手指，單向作用式握緊油缸等。其工作原理：物體進(jìn)入手指后，拉桿手油缸作用，通過(guò)拉桿帶動(dòng)杠桿手指回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)握緊或松開(kāi)動(dòng)作。1 手臂的前后伸縮部分手臂的前后伸縮部分由直線油缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)直線油缸工作時(shí)通過(guò)活塞桿行程的變化，完成手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。2 手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)帶及傳動(dòng)

29、帶輪等部分組成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)減速器使傳動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)在通過(guò)傳動(dòng)帶的轉(zhuǎn)動(dòng)使手臂架只能作上下運(yùn)動(dòng)。3 腰轉(zhuǎn)部分腰轉(zhuǎn)部分主要是通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)致使轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，2.2機(jī)械手首部（末端執(zhí)行器）的設(shè)計(jì)2.2.1末端設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)要求末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有以下幾點(diǎn)基本要求：1、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力（夾緊力）大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體；力量過(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證夾持安全可靠。2

30、、手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍，手應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度）或開(kāi)閉范圍（對(duì)平移型手指從張開(kāi)到閉合的直線移動(dòng)距離），以便于抓取或退出物體。3、應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個(gè)被抓取的物體在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置。4、要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以便于減輕手臂的負(fù)載。2.2.2手抓的設(shè)計(jì)不同的手指數(shù)量可以完成的動(dòng)作以及動(dòng)作復(fù)雜程度都不同，可以根據(jù)機(jī)械手必須完成的動(dòng)作來(lái)確定機(jī)械手所需的最少手指數(shù)。一個(gè)手指能推、滾或滑動(dòng)小物體，還可以用力操作開(kāi)關(guān)等；兩個(gè)手指除具有一個(gè)手指完成的功能外，它還能抓住物體并可

31、精確的控制物體的位置和取向；三個(gè)手指除了能完成兩個(gè)手指可完成的功能外，它還有在手中反復(fù)抓握物體的功能，如將物體拋入空中并在新的位置抓住物體；多個(gè)手指則具有更大的靈活性，如可以抓住和操作多個(gè)物體。對(duì)于本文的移動(dòng)機(jī)器人，其要求為本部分設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)抓取負(fù)載為3 ，抓取工件直徑為4080，只需能夠抓住物體，控制物體的位置和取向，那么兩個(gè)手指就能滿足此工作要求，所以在結(jié)構(gòu)上將采用兩指結(jié)構(gòu)。從而兩手指相對(duì)于末端執(zhí)行器在左右螺旋軸的帶動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)合作用2.2.3驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的選擇1、機(jī)械中提供驅(qū)動(dòng)的裝置和方式很多，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等，各種驅(qū)動(dòng)方式有其自身的特點(diǎn)，有些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)

32、動(dòng)方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，叢中選擇適合機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手可以避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)要高。電機(jī)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)、測(cè)速機(jī)、編碼器以及制動(dòng)器組裝在依次加工的課題里，使得整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。而液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)煩瑣，維護(hù)不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對(duì)于操作機(jī)械手臂所要求的位置精度，液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)也很難滿足。由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手

33、采用液壓傳動(dòng)方式。2.2.4機(jī)械手手部尺寸設(shè)計(jì)手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： 式中 安全系數(shù)，通常1.22.0；工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度；運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。G被抓取工件所受重力（N）。計(jì)算：設(shè)a=28mm,b=60mm;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.01s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。(1 設(shè) 根據(jù)公式，將已知條件帶入：=1.510.539.8N =45.423N（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：（3）取機(jī)械手的抓取效率=÷=171.

34、77N（4）確定液壓缸的直徑D選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力 且P=39.2Pa, 由以上公式及數(shù)據(jù)可求得D0.00862m=8.62mm根據(jù)液壓缸筒內(nèi)徑（缸徑）尺寸系列（GB/T2348-93）則活塞桿內(nèi)徑為D=20mm d=10mm2.3機(jī)械手腕部的設(shè)計(jì)2.3.1腕部整體結(jié)構(gòu)構(gòu)思手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工

35、作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。2.3.2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(;- 慣性力矩(;- 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所

36、產(chǎn)生的偏重力矩(.- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(;下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅?cè)羰滞笃饎?dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則:span 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:式中: - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:- 工件的重量(N;- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm,- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s;- 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s; 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件

37、的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + (式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N;- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則.3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 (式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm;- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;,- 處的支承反力(N，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù),得:同理，根據(jù)(F,得:式中:- 的重量(N, 如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm.4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析?；剞D(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉

38、片回轉(zhuǎn)液壓缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉液壓缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩MCache的配置很靈活，官方提供的Cache配置方式有好幾種。你可以通過(guò)聲明配置、在  你可以將手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1.的配置從代碼中剝離出來(lái)，也可以在使用運(yùn)行時(shí)配置，所謂的運(yùn)行時(shí)配置無(wú)非也就是在代碼中配置。以下是運(yùn)行時(shí)配置的好處：   液壓缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b=50mm,液壓缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑

39、,Cache=，加速度時(shí)間=0.1s, 壓強(qiáng),ehcache.xml，如果沒(méi)有請(qǐng)點(diǎn)擊這里（1）測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，CacheManager的實(shí)例，此方法會(huì)到classpath中找ehcache.xml文件，否則它會(huì)到類(lèi)路徑下找ehcache-failsafe.xml文件。而ehcache-failsafe.xml被包含在jar （的情況下使用Ehcache。工件的質(zhì)量為,質(zhì)量分布于長(zhǎng)Ehcache會(huì)提醒用戶創(chuàng)建一個(gè)正確的ehcache-failsafe.xml假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件

40、和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則： + （3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),4回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)為的3倍，3 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。2.3.4滾動(dòng)軸承的選擇1）滾動(dòng)軸承是支撐軸類(lèi)的零件，一般是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成。內(nèi)圈裝在軸頸上，外圈裝在軸承座內(nèi)，通常內(nèi)圈隨軸回轉(zhuǎn)，外圈不旋轉(zhuǎn)。滾動(dòng)體

41、是滾動(dòng)軸承的重要零件，其形狀、數(shù)量和大小的不同對(duì)軸承的承載能力有很大的影響。滾動(dòng)體的形狀有球形、圓柱形、螺旋形、圓錐形、腰鼓形、滾針形等。滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈及滾動(dòng)體均用含鉻軸承鋼制造，工作表面經(jīng)磨削和拋光，硬度不低于6065 HRC。內(nèi)圈外表面和外圈內(nèi)表面上制有供滾動(dòng)體滾動(dòng)的滾道。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有啟動(dòng)靈敏，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦阻力小，效率高，潤(rùn)滑簡(jiǎn)便，易于互換等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛；其不足之處在于抗沖擊能力差，工作時(shí)有噪聲，工作壽命不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承的類(lèi)型、尺寸、公差級(jí)別已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。在一般的機(jī)械設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)具體工作條件正確地選擇軸承的類(lèi)型和尺寸以及進(jìn)行軸承

42、組合的設(shè)計(jì)。通用的滾動(dòng)軸承有深溝球軸承、調(diào)心軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承等幾類(lèi)。有時(shí)，為了適應(yīng)一些特殊的需要，軸承會(huì)比上述結(jié)構(gòu)減少或增多一些零件。比如為減小徑向尺寸，可能無(wú)內(nèi)圈或無(wú)外圈，或者既無(wú)內(nèi)圈又無(wú)外圈。又如有的軸承帶有防塵罩、密封圈，或者為安裝、調(diào)試用的緊定套等。2）選擇滾動(dòng)軸承需考慮的因素軸承所受的載荷 軸承所承受載荷的大小、方向、性質(zhì)是選擇軸承的主要依據(jù)。如球軸承是點(diǎn)接觸，適用于輕載或中載荷的情況，且主要承受徑向載荷，又可承受不大的軸向載荷。軸承的轉(zhuǎn)速 軸承手冊(cè)中列出了各種軸承的極限轉(zhuǎn)速，球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，故應(yīng)用可靠；若工作轉(zhuǎn)速

43、超過(guò)所選軸承的極限轉(zhuǎn)速時(shí)，可以通過(guò)提高軸承的公差等級(jí)，適當(dāng)加大軸承的徑向游隙以及改善潤(rùn)滑條件等途徑來(lái)提高軸承的極限轉(zhuǎn)速。安裝和拆卸方便 在軸承座不是剖分式而必須沿軸向裝拆以及需要頻繁裝拆軸承的機(jī)械中，應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)、外圈可分離的軸承；當(dāng)軸承在長(zhǎng)軸上安裝時(shí)，為便于裝拆可選用帶內(nèi)錐孔和緊定套的軸承。經(jīng)濟(jì)性方面 一般來(lái)說(shuō)，深溝球軸承價(jià)格最低，滾子軸承比球軸承價(jià)格高，向心接觸軸承比徑向接觸軸承價(jià)格高?？傊x擇軸承類(lèi)型的總原則是，在滿足工作性能的要求下，使使產(chǎn)品成本最低。由于本設(shè)計(jì)中要求承受徑向載荷，且轉(zhuǎn)速要求不高，為降低成本，支撐螺桿和軸的軸承選用6型的深溝球軸承。3）具體型號(hào)選擇由于腕部軸徑20mm

44、，表所以根據(jù)GB/T 2761994選取軸承代號(hào)為6204型，其相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.5表2.5 6204型號(hào)深溝球軸承相關(guān)數(shù)據(jù)基本尺寸/基本額定載荷/kN極限轉(zhuǎn)速/(r/min質(zhì)量/kg其他尺寸/dDBCrC0r脂油WdDRmin2047149.886.1814000180000.099826411由表2.5可知基本額定載荷可承受至少50的重量，轉(zhuǎn)速也足以滿足要求，所以所選軸承不僅尺寸合格，價(jià)格最低，而且安全裕度大，無(wú)需再驗(yàn)證其使用壽命。6204型軸承的剖視圖結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖深溝球軸承結(jié)構(gòu)尺寸圖腕部共用到兩處軸承，均采用脂潤(rùn)滑形式，用套筒承載，且用到一個(gè)透蓋進(jìn)行軸向定位。2.4機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)2.4.1

45、機(jī)械手臂設(shè)計(jì)的要求及計(jì)算本部分設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)伸縮范圍300，升降行程200，運(yùn)動(dòng)速度100/s，大臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)180°，選轉(zhuǎn)速度為90 º/s 。1、手臂部分是機(jī)械手的主要部件，它的作用是支承腕部和手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。臂部設(shè)計(jì)的基本要求有以下幾點(diǎn)：（1）承載能力大、剛度好、自重輕；臂部通常即受彎曲（而且不是一個(gè)方向的彎曲），也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以臂部做成空心的，這可以減輕自重，也提高了剛性，其內(nèi)部可以布置各種機(jī)構(gòu)，這樣就是結(jié)構(gòu)緊湊、外型整

46、齊。（2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小；在一般情況下，手臂的移動(dòng)要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和震動(dòng)。（3）臂動(dòng)作應(yīng)靈活；（4）位置精度要高。本設(shè)計(jì)伸縮關(guān)節(jié)采用齒輪齒條傳動(dòng)，升降關(guān)節(jié)采用同步帶傳遞動(dòng)力，大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用鍵聯(lián)接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。手臂的前后伸縮的設(shè)計(jì)同機(jī)械手的液壓相同2.5臂部上下升降部分設(shè)計(jì)2.5.1電機(jī)的選擇本部分通過(guò)起重機(jī)構(gòu)的靜功率計(jì)算公式確定電動(dòng)機(jī)功率，起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)時(shí)慣性載荷較小，所需加速轉(zhuǎn)矩小，只有滿載穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的10%20%，而電動(dòng)機(jī)的平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的1.

47、61.8倍，使得啟動(dòng)時(shí)間短，約12 s 。因此起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中可忽略啟動(dòng)過(guò)程，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)處于斷續(xù)周期工作制。電動(dòng)機(jī)的功率由起升靜功率計(jì)算 （2.17）式中：G為起升載荷重力，單位為 N；v為額定起升速度，單位為m/s；為起升機(jī)構(gòu)總效率，常取為0.85為保證強(qiáng)度足夠，取G=1000 N，v=0.1 m/s代入式（2.17），得 W參考前后伸縮部分同樣選用GZ13型無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.7表2.7 GZ13型無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)額定功率kW額定轉(zhuǎn)矩（N·m）額定轉(zhuǎn)速（r/min）額定電流A額定電壓VGD ²N·m0.41.273000

48、8.2600.0137由表2.7知其額定功率為400 W，滿足要求。2.5.2同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)同步帶是以鋼絲繩或玻璃纖維為強(qiáng)力層，外覆以聚氨脂或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內(nèi)周制成齒狀，使其與齒形帶輪嚙合。這種帶傳動(dòng)傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸的作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-2080 ºC，v50 m/s，P300 kW，i10，對(duì)于要求同步的傳動(dòng)也可用于低速傳動(dòng)。1）由電機(jī)的選擇部分知P0.4 kW，則計(jì)算功率 （2.18）查機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)得同步帶傳動(dòng)的工況系數(shù)Ka=1.8，代入式（2.18），得 kW選取L（輕型）標(biāo)準(zhǔn)同步帶，它的齒形尺寸見(jiàn)表2.8表2.8 L型標(biāo)

49、準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸 節(jié)距 P齒形角 2齒根厚S齒高h(yuǎn)t帶高h(yuǎn)s齒根圓角半徑Rr齒頂圓角半徑Ra9.52540°4.651.913.60.510.512）查得L型帶輪最小齒數(shù)為12，取為z=17，則帶輪節(jié)徑由設(shè)計(jì)要求知帶輪的工作帶速v=0.1 m/s，根據(jù) （2.19）得 r/min3）初定中心距a。=460，選用帶長(zhǎng)及齒數(shù)根據(jù)GB11616選用節(jié)線長(zhǎng)Lp=914.4，帶長(zhǎng)上的齒數(shù)為96個(gè)，帶長(zhǎng)代號(hào)為360。采用中心距可調(diào)4）帶輪嚙合齒數(shù)5）基本額定功率 kW （2.20）式中：Fp 帶的許用工作拉力 N；bs。為帶型的基準(zhǔn)寬度 ；m為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 /m0s。=25.4，代入式（

50、2.20），得 P。=24.4 W6）根據(jù)GB11616選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs=25.4，代號(hào)為1002.6大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)2.6.1大臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇臂部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角速度=90º/s=1.57 rad/s，所以轉(zhuǎn)速 rad/s電機(jī)選擇參考前后伸縮部分同樣選用GZ13型無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.10表2.10 GZ13型無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)額定功率kW額定轉(zhuǎn)矩（N·m）額定轉(zhuǎn)速（r/min）額定電流A額定電壓VGD ²N·m0.41.2730008.2600.0137由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，所以在電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間需配置減

51、速比為200的減速裝置，參考腕部的設(shè)計(jì)，選取諧波齒輪減速器。為求轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用諧波減速器的外伸軸作為鍵連接裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)。根據(jù)GB/T 141181993，可得到普通諧波減速器的外形及安裝尺寸，選取機(jī)型為100，標(biāo)記為 XBZ 100200 A；它的外伸軸直徑為24，長(zhǎng)度為55，重量16，由于實(shí)際需要，制造尺寸為45×50。為確保整體的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的箱體尺寸應(yīng)與小臂和手腕部尺寸協(xié)調(diào)，同時(shí)為減少摩擦，在轉(zhuǎn)盤(pán)與底座支撐間安放4個(gè)球徑為10的滾動(dòng)體。本章小結(jié)本部分機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共有4個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)空間工作范圍內(nèi)任意位置的工件抓取，上下升降200，前后伸縮300，手腕、肩

52、關(guān)節(jié)采用轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，末端執(zhí)行器采用開(kāi)合式兩指結(jié)構(gòu)，采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)進(jìn)行控制，抓取負(fù)載3，適合作為生產(chǎn)流水線上的搬運(yùn)工作。3 機(jī)械手設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1機(jī)械手零部件材料選擇機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題，不同材料制造的零件不但機(jī)械性能不同，而且加工工藝和結(jié)構(gòu)形狀也有很大差別。機(jī)械零件常用的材料由黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復(fù)雜的復(fù)合材料等。選擇材料主要應(yīng)考慮以下三方面的問(wèn)題：1、使用要求 使用要求一般包括：零件的受載情況和工作狀況；對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又受到某些限制，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。靜應(yīng)力下工作的零件，應(yīng)分布均勻的（

53、拉伸、壓縮、剪切），應(yīng)選用組織均勻，屈服極限較高的材料；應(yīng)力分布不均勻的（彎曲、扭轉(zhuǎn)）宜采用熱處理后在應(yīng)力較大部位具有較高強(qiáng)度的材料。在變應(yīng)力工作的零件，應(yīng)選用疲勞強(qiáng)度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強(qiáng)度的，應(yīng)選用可以金星表面強(qiáng)化處理的材料，如：調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼。零件尺寸取決于剛度的，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料。碳素鋼與合金鋼的彈性模量相差很小，故選用優(yōu)質(zhì)合金鋼對(duì)提高零件的剛度沒(méi)有意義。截面積相同，改變零件的形狀與結(jié)構(gòu)可使剛度有較大提高?；瑒?dòng)摩擦下工作的零件應(yīng)選用摩擦性能好的材料；在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。2、工藝要求 大型零件且批量生產(chǎn)時(shí)

54、應(yīng)用鑄造毛坯，形狀復(fù)雜的零件只有用毛坯才易制造，但鑄造應(yīng)選用鑄造性能好的材料，如鑄鋼、灰鑄鐵或球鑄鐵等等。大型零件只少量生產(chǎn)，可用焊接件毛坯，但焊接件要考慮材料的可焊性和生產(chǎn)裂紋的傾向等，選用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用鍛造毛坯，大規(guī)模生產(chǎn)的鍛件可用模鍛，少量生產(chǎn)時(shí)可用自由鍛。鍛造毛坯主要考慮材料的延展性、熱膨脹性和變形能力等，應(yīng)選用鍛造性能好的材料。3、經(jīng)濟(jì)性要求 經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對(duì)價(jià)格，當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選用價(jià)格高的材料；當(dāng)零件的質(zhì)量不大而加工量很大，加工費(fèi)用在零件總成本中要占很大的比例，這時(shí)，選擇材料時(shí)所考慮的因素將不是相對(duì)價(jià)格而是其加工性能和加工費(fèi)用；要充分考慮材料的利用率，例如采用無(wú)切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該設(shè)法提高利用率；采用局部品質(zhì)原則，在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足；另外選擇材料時(shí)應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的材料供應(yīng)情況，應(yīng)盡能的減小同一部機(jī)器上使用的零件材料品種和