裝配機(jī)器人夾持手方案設(shè)計(jì)

目錄; V 、幾一＞一TOC\o"1-5"\h\z刖言 2\o"CurrentDocument"裝配機(jī)器人夾持手方案設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"2.1夾持手設(shè)計(jì)的基本要求 4\o"CurrentDocument"2.2夾持手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"裝配機(jī)器人手腕設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"3.1裝配機(jī)器人手腕設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"3.2手腕的載荷分析 10結(jié)束語 14\o"CurrentDocument"5?參考文獻(xiàn) 151.前言1 本次課程設(shè)計(jì)題目為裝配工業(yè)機(jī)器人的小臂及手腕設(shè)計(jì)。1 裝配機(jī)器人是柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機(jī)的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等；控制器一般采用多CPU或多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)編輯；末端執(zhí)行期為適應(yīng)不同的裝配對(duì)象而設(shè)計(jì)成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機(jī)器人與環(huán)境和裝配對(duì)象之間互相作用的信息。常用的裝配機(jī)器人主要有可編程通用裝配操作手(ProgrammableUniversalManipula-torforAssembly)即卩PUMA機(jī)器人(最早出現(xiàn)于1978年，工業(yè)機(jī)器人的祖始)和平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)即SCARA機(jī)器人兩種類型。與一般工業(yè)機(jī)器人相比，裝配機(jī)器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點(diǎn)，主要用于各種電器的制造行業(yè)。| 常用的裝配機(jī)器人主要有可編程通用裝配操作手(ProgrammableUniversal|Manipula-torforAssembly)即PUMA機(jī)器人和平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人(Selective| ComplianceAssemblyRobotArm)即SCARA機(jī)器人兩種類型。| PUMA機(jī)器人美國Unimation公司1977年研制的PUMA是一種計(jì)算機(jī)控制的多關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人。一般有5或6個(gè)自由度，即腰、肩、肘的回轉(zhuǎn)以及手腕的彎曲、旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)等功能。其控制系統(tǒng)由微型計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)和外部設(shè)備組成。采用VALII作為編程語言，例如語句“APPROPART，50”表示手部運(yùn)動(dòng)到PART上方50mm處。PART的位置可以鍵入也可示教。VAL具有連續(xù)| 軌跡運(yùn)動(dòng)和矩陣變換的功能。| SCARA機(jī)器人大量的裝配作業(yè)是垂直向下的，它要求手爪的水平(X,Y)移動(dòng)有較大的柔順性，以補(bǔ)償位置誤差。而垂直(2)移動(dòng)以及繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)則有較大的剛性，以便準(zhǔn)確有力地裝配。另外還要求繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)有較大的柔順性，以便于鍵或花鍵配合。日本山梨大學(xué)研制出SCARA機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)滿足了上述要求。其控制系統(tǒng)也比較簡(jiǎn)單，如SR-3000機(jī)器人采用微處理機(jī)對(duì)31,32,Z三軸(直23流伺服電機(jī)）實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制，對(duì)s軸（步進(jìn)電機(jī)）進(jìn)行開環(huán)控制。編程語言采用與BASIC相近的SERF。最新版本Level4具有坐標(biāo)變換、直線和圓弧插補(bǔ)、任意速度設(shè)定、以文字命名的子程序以及檢錯(cuò)等功能。SCARA機(jī)器人是目前應(yīng)用較多的類型之一。PHTM-01型機(jī)器人用于儀器制造業(yè)的板材沖壓和機(jī)械裝配生產(chǎn)工藝過程自動(dòng)化中。這種機(jī)器人操作機(jī)有三種結(jié)構(gòu)形式，它們之間的區(qū)別在于手臂數(shù)量、自由度數(shù)和有無橫移機(jī)構(gòu)。該裝配機(jī)器人以PHTM-01型裝配機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，該型機(jī)器人在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，各種性能經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，因此以其為基礎(chǔ)額改型設(shè)計(jì)具有較大可行性，且能夠滿足課題要求。裝配機(jī)器人夾持手方案設(shè)計(jì)2.1夾持手設(shè)計(jì)的基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；（2） 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；（3） 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；（4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；（5） 應(yīng)考慮通用性和特殊要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求（1） 采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊一放松；（2） 工件的材質(zhì)為5kg,材質(zhì)為45鋼；（3） 夾持器有足夠的夾持力；2.2夾持手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1夾緊力計(jì)算手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算：Fn>K1K2K3G式中：K1—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；K2—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù)K,K=1+-=1+0.02/1=1.002，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度2 2 g 9.8或減速度的絕對(duì)值（m/s）；K3—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指水平放置工件垂直放置；

手指與工件形狀：V型指端夾持圓柱型工件,K3=0.5sin9,f為摩擦系數(shù)，9為V型手指半角，此處粗略計(jì)算K3沁4,G—被抓取工件的重量求得夾緊力Fn，F(xiàn)二KKKMg二1.5x1.002x4x3x9.8二176.75N，取整為求得夾緊力Fn，177N。2.2.2驅(qū)動(dòng)力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式:FnFc2bsina式中:c—滾子至銷軸之間的距離;b—爪至銷軸之間的距離;a—楔塊的傾斜角可得f=吟=—嚴(yán)=195-15N，得出F為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力F'要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率耳，一般取0.8?0.9，此處取0.88，則:F一需K221'7機(jī)，取F'二500N2.2.3手爪的夾持誤差及分析機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機(jī)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖1-2,從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過±1mm，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。

工件直徑為80mm，尺寸偏差±5mm，則Rmax二42.5mm，Rmin二37.5呦,R二40mmep若把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有:■ R Rx"+(sno)2一21absmocos0一a2(R一lsiOn c^s￡12( 20iaa2 )簡(jiǎn)化為:AB AB簡(jiǎn)化為:當(dāng)工件半徑為R0時(shí)，X取最小值Xmin，又從上式可以求出：R0=lABsin0cosp，通常取20=120。X二lsinpminAB若工件的半徑Rmax變化到Rmin時(shí)，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用人表示。在設(shè)計(jì)中，希望按給定的Rmax和Rmin來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角卩，使夾持誤差最小，這時(shí)的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑Rep取為R0時(shí)，夾持誤差最小。此時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對(duì)于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪(尤其當(dāng)a值較大時(shí))，偏轉(zhuǎn)角卩的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時(shí)，兩手爪的BE和B'E'邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑Rep，以/BCD二90為TOC\o"1-5"\h\z1- O條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角卩，即下式：c R1\o"CurrentDocument"p=cos-1[(ep-a) ]sm0lAB其中2a=90mm,lAB=86mm,V型鉗的夾角20二120

卩=cos[(80-需=]56.57代入得出： sin60 86 °則R=lsinc0s=-86si-n60co=s56.mm41.02則0AB則\in<R0<Rmax，此時(shí)定位誤差為'1和'2中的最大值。12+ABsin12+ABsin2卩—a22—2l minCOSp—a2—ABsinn分別代入得：A=0.0256mmA=0.1482mm1，2所以，A=0.1482mm<1mm，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。由以上各值可得:Vsin2n-55.9254mm(R—lsinncosP)2+(l2sin2p—a2Vsin2n-55.9254mmAB AB取值為X=56mm。動(dòng)作范圍分析陰影部分杠桿手指的動(dòng)作范圍，即e'<Y<90。2。如果丫-e'，則楔面對(duì)杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀2態(tài)，所以y必須大于e'。此外，當(dāng)丫-90時(shí)，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且2。與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干涉，即為手指動(dòng)作的理論極限位置。楔塊驅(qū)動(dòng)行程與手指開閉范圍當(dāng)楔塊從松開位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí)，沿兩斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程為L,此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由y1位置轉(zhuǎn)到y(tǒng)2位置,其驅(qū)動(dòng)行程可用下式表示：rlcosy.—lcosy2 l/ 、L-斯 2-sinn(cosy1—cosy2)杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：As=l'[cos(Y+0)-cos?+0)]12通常狀態(tài)下，丫在90-0左右范圍內(nèi)，丫則由手指需要的開閉范圍來確定。2。1由給定條件可知最大As為55-60mm,最小設(shè)定為30mm.即30<As<(50-60)。已知0=14，可得y=90-0=76，可知:軸下邊為60mm,支點(diǎn)O距中心線30mm，230且有 =tg0，解得：l+1'=120(1+1')1與1'的確定軸傳動(dòng)比i可由下式表示：.A1' 1'sin0i= =L1siny可知0一定時(shí)，1'〃愈大，i愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角丫在y<90范圍內(nèi)增大O時(shí)，傳動(dòng)比減小，即軸等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由1+1'=120分配距離為：1=50，1'=70。y確定1由前式得：As=(60-30)=30As=30=70[cos(/+14)-cos(76+14)，y=50.623，取y=50。1 1 O 1 OL確定L為沿斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程N(yùn)q9裝配機(jī)器人手腕設(shè)計(jì): 機(jī)器人手腕(robotwrist)在機(jī)器人手臂和手爪之間用于支撐和調(diào)整手爪的部件。機(jī)器人手腕主要用來確定被抓物體的姿態(tài)，一般采用三自由度多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動(dòng)關(guān)節(jié)組成。3.1裝配機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)1 手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。[ 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。| 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。| 本次課程設(shè)計(jì)的機(jī)器人手腕為帶有回轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動(dòng)的手腕。| 設(shè)手腕自重30kg，采用鉸接方式在腕部鉸接小臂，連接軸用螺栓與腕部進(jìn)行| 連接。鉸接部位為減小運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力使用滾動(dòng)軸承連接。3.2手腕的載荷分析3.2.1手腕靜載荷分析| 手腕自重30kg，機(jī)器人滿載，即手部夾取50kg重物，手腕質(zhì)心可認(rèn)為位于腕部連接軸的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線 100mm，取| g=9.8m/s2。2101.水平位置載荷分析手腕位于水平的時(shí)候，手腕被簡(jiǎn)化為桿，左端受到重物的拉力F],右端受到腕部連接軸對(duì)其的反力F2，與手腕同軸的鏈輪上的扭矩M,及手腕的自重G。其受力如圖1所示。圖中各載荷：F]=490N,G=294N,F2，M,待求解；AB=100mm。由于小臂處于靜止?fàn)顟B(tài)，故各分力合力為零，由此可列出方程組：F+F+G=021M+FxAB=01解方程組可得：F2=784N,M=49N?m。2.豎直位置載荷分析手腕位于豎直的時(shí)候，手腕被簡(jiǎn)化為桿，下端受到重物的拉力行，上端受到腕部連接軸對(duì)其的反力F2，及手腕的自重G。F1=490N,G=294N,F2待求解。由于小臂處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以各分力合力為零，由此可知F+F+G=021可得：F2=784N。3.2.2手腕動(dòng)載荷分析手腕自重30kg,機(jī)器人滿載，即手部夾取50kg重物，手腕質(zhì)心可認(rèn)為位于腕部連接軸的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線100mm，。按照設(shè)計(jì)要求，手腕擺動(dòng)速度90°/s，加速時(shí)間0.5s，取g=9.8m/S2。豎直狀態(tài)載荷分析| 手腕位于豎直的時(shí)候，手腕被簡(jiǎn)化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力F.，慣性力F，離心力F，受到同軸鏈輪的扭矩M，1 慣 離受到腕部水平方向拉力F2，豎直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂慣性力G，由于視手腕質(zhì)量分布均勻，故手腕離心力G=0。: 離! 由此可知在手腕加速至額定擺動(dòng)速度前一刻，其負(fù)載達(dá)到最大，所以選此刻作動(dòng)載荷分析，手腕此刻擺動(dòng)速度可近似為90°/s，設(shè)手腕此刻處于豎直位置。F1=490N，G=294N，AB=100mm，則腕部及夾取重物運(yùn)動(dòng)速度v=0.63m/s。_64NFv_490x0.63gAt9.8x0.5_64NF_竺_50x0.632_49.61N,離r 0.4手腕被視為勻質(zhì)直桿，所以手腕上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v手腕被視為勻質(zhì)直桿，所以手腕上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度v360為該點(diǎn)距肘部距離。2兀Rx90294x9.8x5G_J0.4 _7.539.8x5慣i9.8x5 F1,F離G對(duì)腕部的矩T為：慣 慣2兀Rx90294xT_J0.4GR_J0.4 xR_2.01N?m慣i慣i9.8x0.5

F2,F3,M,待求解。列出手腕受力平衡方程組：F+F+F+G二0；3離F+F=0；慣M+T+FR=0。慣慣解方程組可得：F2=64N,F3=833.61N,M=8.41N?m。2、水平狀態(tài)載荷分析手腕位于水平的時(shí)候，手腕被簡(jiǎn)化為桿，由靜止進(jìn)行加速至擺動(dòng)速度時(shí)，受到腕部及夾取重物重力F.，慣性力F，離心力F，受到同軸鏈輪的扭矩M，慣 離受到腕部水平方向拉力F?，豎直方向拉力F3，及手腕自重G，小臂慣性力G，3 慣由于視手腕