螺栓裝配機械手結構設計

螺栓裝配機械手結構設計,螺栓裝配機械手結構設計,螺栓,裝配,機械手,結構設計 大大連大大學學2018屆屆學學生生畢業(yè)論文文(設計)中中期期檢查表表題目螺栓裝配機械手結構設計指導教師王建維職稱副教授學生姓名段毅立閱讀文獻數(shù)17初稿完成時間2018-05-14工 作 量較少 適中較多 出勤情況較好 一般較差 工作進度快 按進度進行慢 任 務 書有開題報告有中期工作結論中調整情況無教研室主任意見同意教研室主任(簽名)：王建維日期：2018-04-14學院意見同意教學院長(簽名)：吳蒙華日期：2018-04-18 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設計 )開題報告 論 文 題 目： 螺栓裝配機械手結構設計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 、班 級： 機械設計制造及其自動化 機英 145 學 生 姓 名： 段毅立 指導教師（職稱）： 王建維（副教授） 2018 年 1 月 12 日 填 1 畢業(yè)論文（設計）開題報告要 求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通 過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相 關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設計）工作，否則不允許參 加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5.開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 2 一、選題依據(jù) 1、研究領域 機械結構設計， CAD。 2、 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 機械手 正處于一個蓬勃發(fā)展 的階段， 它 實現(xiàn)了實用化與商品化，在先進的工業(yè)發(fā) 達國家里，機械手 的開發(fā)與研制正在形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)。 機械手是自動執(zhí)行工作的 機器裝置， 是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過 程中機械手被廣泛的運 用于自動生產(chǎn)線 中，機械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門技術。機械手操作 的準確性和 在 各種環(huán)境中 完成作業(yè)的能力， 在 國民經(jīng)濟領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多 的 是 汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用。 機械手的應用可以改善勞動條件、避免人身事故；在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰 塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中應用；可以 減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) ， 可以改善勞動條件、減少安全事故 ；可以提高經(jīng)濟 效益， 便于有節(jié)奏的生產(chǎn)， 減少人工勞動力引起的支出；可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質量， 使產(chǎn)品實現(xiàn)高精度、高質量的生產(chǎn)；可以增加產(chǎn)品的生產(chǎn)速度 ， 提高生產(chǎn)過程的自動 化程度 ，提高了生產(chǎn)效率。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 在裝配線上，螺栓的裝配是一項很繁瑣的工作。對于裝配螺栓的機械工具，國內(nèi) 外研究成果顯著。包括手動扳手、電動扳手、液壓扳手、氣動扳手、 裝配機械手等 工具，這些工具不僅節(jié)省人力，而且方便實用。眾多國內(nèi)外學者針對如何利用機械工 具代替人工完成螺栓連接的裝配這一繁瑣工作展開了深入研究。國內(nèi)對于擰螺栓工具 以及機械手的研究亦獲得了相當多的成果。機械手一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測 裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。機械手大致可以分為以下幾種，按用途分：專用 機械手、通用機械手；按主要功能分：操作機械手、移動機械手、信息機械手、人機 機械手；按坐標系統(tǒng)來分：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)型；按受控方 式分 : 點位控制型、連續(xù)控制型；按驅動方式分 : 液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、 電力傳動機械手等。 我國從第七個五年計劃開始， 政府大大加大了 機械手 的重視程度，并且為此項目 投入大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下， 研究開發(fā)并且制造一系列的 機械 3 手 ，其中有 北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機械手 ，廣州機床研究所和北京機 床研究所合作設計的電焊 機械手 ，大連機床研究所設計制造的氬弧焊 機械手，沈陽工 業(yè)大學設計制造的裝卸載機械手 等。這些 機械手 的控制器，都是由中國科學院沈陽自 動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的 機械手 關鍵部 件也被開發(fā)出來，如 機械手 專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機等，編碼器等。我國 機械手的起步較晚，相信在不久的將來，機械手在我國會被廣泛應用。作為國產(chǎn)自主 創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達機械手目前在國內(nèi)制造 業(yè)市場中份額每年逐漸攀升，廣東拓斯 達機械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權、核心技術和關鍵技術，以及 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)產(chǎn)品。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制模塊化、 智能 化 的機械手。使它具有一定的 傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，既能更 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)取得一定的成績。視覺功 能即在機械手上安裝有點視照相機和光學測距儀以及微型計算機。觸覺功能是在機械 手上安裝有觸覺反饋控制裝置；隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一 步提高 。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變 目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 目前裝配機械手的發(fā)展趨勢是： （ 1）向多元化、高精度發(fā)展； （ 2）向精密、自動化、智能化方向發(fā)展； （ 3）向標準化、模塊化方向發(fā)展； （ 4）機電一體化發(fā)展。 總之國內(nèi)企業(yè)只有不斷引進吸收國外先進技術，進行自主創(chuàng)新并在機械手機構 加大研發(fā)力度，國內(nèi)螺栓裝配設備才能取得長足發(fā)展，才能走向世界。 4 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 （ 1）螺栓裝配機械手 總體 結構的方案設計 （ 2）螺栓裝配機械手的詳 細結構設計 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （ 1）收集裝配機械手相關的文獻資料，掌握其機械手的結構組成及工作原理， 各部件功能； （ 2）根據(jù)機械手的初始條件，確定了機械手的總 體方案的設計，機械手的坐標 形式和自由度的確定，運動空間的計算等 ； 螺栓裝配機械手的工作過程： 1 基座 2 立柱 3 手臂 4 手腕及手爪 圖 1 螺栓轉配機械手的方案簡圖 手臂 3 繞立柱 2 轉動 90 度； 手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)； 手臂 3 繞著立柱 2 轉回 90 ； 機械手整體沿著導軌水平運動，手臂 3 在沿著立柱 2 移動；通過水平方向與 垂直方向實現(xiàn)對機械手的手抓位置調節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位； 手爪的旋轉帶動螺栓轉動，同時手臂沿著軸線方向進給，將螺栓旋緊； 手爪張開，手臂 3 回到初始位置，循環(huán)到下一個裝配動作。 （ 3）對機械手的驅動方式、動力機構、回轉機構、移動機構、手爪執(zhí)行機構等 進行詳細的設計 與計算，包括電機的選型，軸承的選擇，軸的結構設計等做了具體計 算 ； 5 （ 4）繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設計說明書。 3.本論文（設計）預期取得的成果 （ 1）一套完整的螺栓裝配機械手的裝配圖及零件圖； （ 2）一份螺栓裝配機械手的設計說明書； （ 3）一篇外文文獻翻譯。 6 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） (1) 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設計一種 四個 自由度機械手實現(xiàn)對螺母 的抓取、定 位、旋緊等一系列動作，確定機械手的總體設計方案，進而采用傳統(tǒng)的理論力 學計算方法和現(xiàn)代計算機輔助設計方法對機械手各 組成 部件完成設計。 (2)機械手主要的參數(shù) 夾持力 ： 250N； 機械手的移動速度 ： 5m/min； 手爪夾持 螺母的尺寸范圍： M10-M40； 自由度 ： 4個； 機械手結構類型：采用圓柱 坐標式與直角坐標式組合的形式。 2. 論文（設計）進度計劃 第 1-4 周 :根據(jù)畢業(yè)設計任務書要求，收集參考文獻資料，撰寫開題報告等； 第 5 周 :擬定螺栓裝配機械手結構設計方案； 第 6-8 周 :機械手的 動力 機構，回轉機構，移動機構，夾持機構 及關鍵元器件 的選擇計算 ； 第 9-10 周 :繪制機械手的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 11-12 周 :繪制裝配機械手組件或部件 3D 圖； 第 13 周 :書寫畢業(yè)設計說明書，翻譯與本設計相關的英文文獻； 第 14 周 :準備畢業(yè)設計答辯。 7 四 、 需要閱讀的參考文獻 1 王世偉，自抗擾控制器參數(shù)整定方法研究及其在螺栓裝配機械手中的應用 D. 蘭州交通大 學碩士論文 . 2015. 2 舒志斌 ,謝福亮 ,鄭之開 .專用機械手控制系統(tǒng)設計與分析 J.南京工業(yè)大學 ,2013. 3 張博 ,圓柱坐標型機械手結構與控制系統(tǒng)設計 J.北京大學工程訓練中心 ,2014. 4 汪新中 .平面關節(jié)型裝配機器人擰螺釘手抓的研究 J.機電工程 ,2015,25(9):18-20. 5 楊育林 ,包倩倩 ,段昌生 ,趙楠楠 . 車輪裝配機械手氣動控制系統(tǒng)設計 J. 制造技術與機 床 ,2017,(08):131-134. 6 郭洪武 .淺析機械手的應用與發(fā)展趨勢 D.山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司， 2012. 7 趙云偉 ,耿德旭 .氣動柔性五指機械手的運動學及抓持能力 J. 機器 , 2014,36(2):171-178. 8 張兆陽 . 一種適合狹窄空間下零部件裝配機械手的設計與研究 D.燕山大學 ,2013. 9 陳國良 ,黃心漢 ,周祖德 .微型裝配機器人系統(tǒng) J.機械工程學報 ,2014,45(2):288-293. 10 羅璟 ,劉克定 ,陶湘廳等 .工業(yè)機器人 的控制策略探討 J.機床與液壓 ,2016,36(10):95-100. 11 楊帥 , 鄒智慧 .多自由度工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)的研究 J.制造業(yè)自動化 ,2013, 35(5):117-121. 12 陶珍軍 , 陳坤 , 螺栓裝配自動化的關鍵技術研究 J. 華南理工大學學報， 2014, 22 (4):36-39. 13 李玉航 ,梅江平 ,劉松濤等 . 一種新型 4 自由度高速并聯(lián)機械手動力尺度綜合 J.機械工程 學報 , 2014,50(19):32-40. 14 Alexander Winkler, Jozef Suchy. Robot Force/Torque Control in Assembly TasksJ. IFAC Proceedings Volumes, 2013,46(9):796-801. 15 Afshin T, Jorge A, Larry L. Constraint-wrench analysis of robotic manipulatorsJ. Multibody System Dynamic, 2013, 29:139-168. 16Han Yuan, Zheng Li. Workspace analysis of cable-driven continuum manipulators based on static modelJ. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017,49(2): 240-252. 17 Han Y, Eric C, Dominique D. Static and dynamic stiffness analyses of cable-driven parallel robots with non-negligible cable mass and elasticityJ. Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81. 8 附：文獻綜述 文獻綜述 1.機械手的目的與意義 機械手是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編 排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代 人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。有些人認為，最高級的機 械手要做 的和人一模一樣，其實非也。實際上，機械手是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子 技術組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設備，他是在電子、機械及信息技 術的基礎上發(fā)展而來的。然而，機械手的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些 人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機械手大家族的成員。 機械手己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多 的市汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用， 并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。焊接作業(yè)包括點焊和弧焊， 是機械手用得最多的作 業(yè)之一 。 機械手對于改善勞動條件、減少安全事故 ，減少人 受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。蘭州交通大學王世偉 【 1】 提出 鑒于螺栓裝 配與拆卸作業(yè)是制造業(yè)中重復性高、勞動強度大的一項工作 ,因此有必要設計實現(xiàn)螺栓 自動裝配的工業(yè)機器人 。 2 .機械手的結構組成 機械手一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。 執(zhí)行機構即機械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副常稱 為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機械手本體 的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部 、手部和行走部等。 驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動 力元件使機械手進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機械手使用 的驅動裝置主要是電力驅動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機械手的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機械手的動作符合預定的 要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算 機完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機來分擔機械手的 控制。根據(jù)作業(yè)任務 要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。 3. 機械手的分類 （ 1）按用途分： 專用機械手：它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。 專用機械手具有動作少、工作對象單 一、結構簡單、實用可靠和造價低等特點，適用 于大批量的自動化生產(chǎn)。 南京工業(yè)大學舒志斌 【 2】 等人指出 專用機械手控制系統(tǒng)設計 與分析 。 通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械 9 手。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用 性強，適用于不斷變化生產(chǎn)品種的 中小批量自動化的生產(chǎn)。 （ 2）按坐標系統(tǒng)來分： 直角坐標型：只具有移動關節(jié)，它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機 位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的 使用范圍 。 圓柱坐標型：具有一個轉動關節(jié)、其余為移動關節(jié)的機械手。它與直角坐標式相 比較，占地面積小且活動范圍大，結構較簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用 較廣泛。但由于機械手結構的關系，移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的 物件 。 北京大學工程訓練中心張博 【 3】 指出了 圓柱坐標型機械手結 構與控制系統(tǒng) 的 設 計 。 球坐標型：具有兩個轉動關節(jié)、其余為移動關節(jié)的機械手。這種機械手手臂的俯 仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設有手 腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機械手具有動作靈活，占地面 積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結構復雜， 此外手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大 。 關節(jié)型：具有三個轉動關節(jié)的機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用 性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件 。 但是關節(jié)式機械手的手指定位是由各個關節(jié)相互轉角來決定的，所以定位精度較差， 控制裝置和機械結構比其它形式的機械手均復雜。杭州電子科技大學機械工程學院 汪 新中 【 4】 設計了一種擰螺釘多關節(jié)機械手，其手部采用結構較復雜的機械夾持實現(xiàn)螺 釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏蚀_定位和高可靠性 。 （ 3）按受控方式分 : 點位控制型：它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的 位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性 。 連續(xù)控制型：它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的， 整 個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復雜。 （ 4）按驅動方式分 : 液壓傳動機械手：其主要特點是抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、 動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大影響， 且不宜在高溫、低溫下工作 。 氣壓傳動機械手：其主要特點是介質來源較方便、氣動動作迅速、結構簡單、成 本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低， 適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作；燕山大學機械工程學院楊育林 等 【 5】 提出針對不同重量車輪的裝配問題 ,提出了一種新型機械手氣動控制系統(tǒng) ,該控制 系統(tǒng)通過對減壓閥的結構進行改良 ,僅用一個平衡回路完成空載和負載之間的無級切 換 。 電氣傳動機械手：即由特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅 動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線 電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。 4.國內(nèi)外的發(fā)展狀況 機械手首先是從美國開始研制的， 美國聯(lián)合控制公司 首先 研制出第一臺機械手， 它的結構是 ： 機體上安裝一個回轉臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制 系統(tǒng)是 10 示教形的，隨著計算機和 自動控制技術 的迅速發(fā)展 ,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能 化時期，機械手機器人的應用可以提高勞動生產(chǎn)率和 產(chǎn)品質量 ,改善 勞動條件 ,解決勞 動力不足等問題構成。 從第七個五年計劃開始，我國政府大大加大了工業(yè)機器人的重視程度，并且為此 項目投入大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造一系列的 工業(yè)機器人，其中有北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所 和北京機床研究所合作設計的電焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器 人，沈陽 工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等。這些機器人的控制器，都是由中國科 學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機 器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機等，編碼 器等。我國機械手的起步較晚，相信在不久的將來，機械手在我國會被廣泛應用。作 為國產(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的 廣東 拓斯達機械手目前在國內(nèi)制造業(yè)市場中份額每年逐漸攀 升，廣東拓斯達機械手榮獲廣東省名 牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權、核心技術和關 鍵技術，以及戰(zhàn)略性 新興產(chǎn)業(yè) 、先進制造業(yè)產(chǎn)品。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。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。視覺功能即在 機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照 相機將物體 形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并 發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作 用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達 到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一 步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變 目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。山西華電廣靈風力發(fā)電有限公 司郭洪武 【 6】 指出 了機械手的概念 ,發(fā)展歷史 ,以及機械手在國內(nèi)外的研究動態(tài) 。 國外機械手的控制類型大致可分為四類：簡易控制型機械手，定位用機械制動 器或者行程開關，這種機械手結構簡單，價格便宜，在一般的上下料作業(yè)中較為適用； 示教再現(xiàn)控制的機械手， UNIMATE 型機械手是示教再現(xiàn)的控制系統(tǒng)，日本川崎重 工生產(chǎn)的川崎 UNIMATE 機械手也屬于此類；用電子計算機群控多臺機械手，若在 一條生產(chǎn)線上使用多臺機械手，往往用一臺小型計算機控制幾臺機械手，這樣成本大 大降低，自動化程度反而提高；智能機械手，機械手具有視覺、 觸覺、嗅覺等感覺 機能，還能識別圖形，進行分析判斷，可以行走等。該類機械手目前仍處于實驗階段。 我國機械手的控制類型分為：全繼電器控制，控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都用繼電器進行 控制，它適用于專用的或通用的具有固定程序或可變程序的機械手。定位方式采用機 械制動器，此類型控制形式都稱為簡易型，具有線路簡單，成本低等優(yōu)點，缺點是動 作速度慢，體積較大，定位精度較差；無觸點程序控制的通用機械手，這種機械手 在國內(nèi)已經(jīng)有了比較成熟的制造經(jīng)驗，研制單位甚多。優(yōu)點是通用性強，程序變換簡 單可靠，循環(huán)周期短，提高機械手的工作效率；簡易數(shù) 控機械手，簡易數(shù)控分為開 環(huán)和閉環(huán)兩種，優(yōu)點是定位精度高，反應速度快，可實現(xiàn)多點停留和連續(xù)軌跡的運動 方式。 國外機械手定位在發(fā)展初期，由于技術的不成熟，利用氣壓驅動的機械手的定位 精度很低，更無法實現(xiàn)在任意位置的起停，能靠氣缸兩個終點位置來實現(xiàn)機械手的定 位，無法實現(xiàn)機械手在任意位置得起停。以早期的氣動機械手不能實現(xiàn)任意位置的定 位，因此大大限制氣動工業(yè)機械手的發(fā)展隨著氣動技術的發(fā)展，氣動伺服技術的出現(xiàn) 11 實現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國都相繼開發(fā)出了可在任意位置實現(xiàn)起停的氣 動工業(yè)機械手，且定位精度可以達到 0.5mm，如日本 SMC 公司、德國 FESTO 公司 等。氣動伺服技術的出現(xiàn)，大大提高了氣動機械手的定位精度，實現(xiàn)了氣動機械手在 任意位置的定位，擴大了氣動機械手在自動化領域的應用范圍。國內(nèi)應用的機械手定 位方法 有機械方法，電氣控制方法，機械擋塊的方法。電氣定位 方法可分為簡易型與 伺服型兩類。上海電器塑料廠 15 克立式注塑機采用簡易數(shù)控機械手，能達到給定精 度約 5 毫米，重變定位精度 1 毫米左右；一機部機械院機電所與北京汽車廠合制的 CJS-1 機械手采用點位計檢測的定位方法，配合液壓節(jié)流緩沖，重復定位精度約為 3 毫米。 美國機械鑄造 公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機 械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是 示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基 礎 。美國 Unimate 公 司 和斯 坦福大 學、 麻省 理工學 院聯(lián)合 研制 一種 Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定 位誤差小于 1 毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。 比如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。 把故障前平均時 間，由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到 0.1 毫米。 德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公 司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種典型 機械手后，大力研究機械手。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50% 60% 的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。 5.機械手未來的發(fā)展趨勢 機械手在許多生 產(chǎn)領域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質量以及經(jīng)濟效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用， 引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀，機械手工業(yè)必將得到更加 快速的發(fā)展和更加廣泛的應用。 山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司郭洪武 【 6】 淺析了機 械手的應用與發(fā)展趨勢。從 近年世界機械手推出的產(chǎn)品看，未來機械手具有如下的發(fā) 展趨勢： （ 1）重復高精度 精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有 關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程 度。重復精度 比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤 差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范 圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā) 展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè) 等。 （ 2）模塊化 有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼 裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的 安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導 向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊 化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用 范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 12 （ 3）節(jié)能化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不 加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)，構造 特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡 單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 （ 4）機電一體化 由“可編程控制器 傳感器 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技 術的重要方 面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關 控制”進入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、 配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越 來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來越可能。 （ 5）控制智能化 機械人的控制智能化由引導教向 NC，離線編程發(fā)展，進而發(fā)展到進一步應用。 隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于 PC 的開放式控制系統(tǒng)將機械手控制和車間一 級控制的發(fā)展方向。 綜上所述，本次的畢業(yè)設計主要是通過對 螺栓裝 配機械手結構設計的 研究，并分 析常用 機械手 的特點，確定自己所設計的 機械手 機構，運用 CAD 的軟件把裝配圖 及其原理圖繪制出。并進行裝置的可實施性進行分析判斷，最終完成本次 螺栓裝配機 械手 的 結構 設計。 摘要 本次的設計是螺栓裝配機械手的結構設計，螺栓裝配機械手作為工業(yè)機械手中的重要研究對象，已廣泛應用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了零部件的裝配，高精度電子產(chǎn)品及其部件的組裝，可以代替人類完成一些繁瑣的工作。 本次設計通過查閱互聯(lián)網(wǎng)，收集資料，根據(jù)任務書要求設計一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機械手的結構設計。設計中機械手的結構確定了選用直角坐標式和圓柱坐標式結合的方案，整個機械手確定為4自由度，機械手的驅動方式采用步進電機與同步帶驅動及絲杠機構實現(xiàn)其移動及升降運動，采用回轉氣缸實現(xiàn)機械手臂的回轉運行，采用旋轉氣缸實現(xiàn)手腕對螺栓的擰緊。并對機械手的零部件等機構進行了設計。 該設計最大的特點是能夠在短時間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率，減少生產(chǎn)時間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機械手可以實現(xiàn)對在惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強度，從而減少安全事故的發(fā)生。 關鍵詞：螺栓裝配；機械手；步進電機；絲杠機構 I ABSTRACT This design is the structural design of the bolt assembly manipulator. The bolt assembly manipulator, as an important research object in the hands of industrial machinery, has been widely used in the industrial assembly line, effectively completed the assembly of components, the assembly of high precision electronic products and their components, and can replace some of the tedious work in place of human beings. This design is designed by consulting the Internet, collecting data, and designing a mechanical hand for automatic grasping and completing the bolt assembly according to the requirements of the task book. The structure of the manipulator in the design determines the combination of rectangular coordinates and cylindrical coordinates. The whole manipulator is determined to be 4 degrees of freedom. The driving mode of the manipulator adopts the step motor and the synchronous belt drive and the screw mechanism to realize its movement and lifting movement, and the rotary cylinder is used to realize the rotary operation of the mechanical arm.The rotary cylinder is used to realize the tightening of the wrist to the bolt.It also designs the parts and components of the manipulator. The main feature of the design is that it can complete the assembly of bolts in a short time, improve the efficiency, reduce the production time, without rest, and can work continuously under the suitable conditions. The manipulator can replace human beings under severe working conditions and reduce labor intensity, thereby reducing safety accidents. Key Words：Bolt Assemble;Manipulator ;Stepper Motor;Screw Mechanism II 目錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 本課題研究的背景及意義 1 1.2 機械手的結構組成及分類 1 1.3 裝配機械手的研究的概況和發(fā)展趨勢 2 1.4 本文主要研究內(nèi)容 3 2 螺栓裝配機械手的總體方案的設計 4 2.1 機械手的功能要求 4 2.2 機器手的總體運動過程 4 2.3 各運動的傳動方案設計 5 3 機械手的橫向（X軸）移動機構設計 6 3.1 X軸運行機構方案設計 6 3.2 電機功率計算與選型 6 3.3 同步帶的計算與選型 8 3.4 導軌的計算與選型 11 4 機械手的立柱及轉臂機構設計 16 4.1 立柱機構方案設計 16 4.2 絲杠機構的設計計算 17 4.3 旋轉手臂的設計 22 5 手腕及手爪設計 26 5.1 腕部的設計要求 26 5.2 腕部的結構 26 5.3 腕部的計算 27 5.4 手部結構技術要求 30 6 結 論 33 參 考 文 獻 34 致 謝 44 II 螺栓裝配機械手結構設計 1.緒論 1.1本課題研究的背景及意義 螺栓裝配機械手是工業(yè)機器人中的一種機械手，機械手是自動執(zhí)行設定好的程序工作的機器，它通過接受預先編寫的程序，或按照人工智能技術制定指令，完成相應的動作。機械手任務是幫助或取代工人完成工作，如在工業(yè)制造、焊接、噴涂、建筑等工作。事實上，機械手是一種集成機械、電子、控制于一體的輔助系統(tǒng)，它通過機械傳動和現(xiàn)代微電子技術相結合來模仿人臂的技能。螺栓裝配機械手在工業(yè)、機械、航天航空和信息技術的基礎上發(fā)展迅速，在各個領域已廣泛應用，尤其在工作環(huán)境惡劣，機械式重復性工作，機械手將逐漸取代人類。 它能夠在短時間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率。在惡劣環(huán)境中帶替人工作，避免危險的發(fā)生。與人相比起來，機械手具有的優(yōu)點是：減少生產(chǎn)時間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機械手可以實現(xiàn)對惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動強度，從而減少安全事故的發(fā)生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓裝配機械手主要用于取代手動安裝螺栓，實現(xiàn)螺栓的自動拾取、自動定位以及自動旋緊。該機械手它按照編制的程序工作，具有高精度和高重復性。蘭州交通大學王世偉[1]提出鑒于螺栓裝配與拆卸動作是工業(yè)中使用頻繁、工作強度大的一項工作,所以有必要設計實現(xiàn)螺栓自動裝配的機械手。 1.2 機械手的結構組成及分類 1.2.1機械手的結構組成 機械手一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。 執(zhí)行機構即機械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機械手本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。 驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機械手進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機械手使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機械手的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機械手的動作符合預定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機來分擔機械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。 1.2.2 機械手的分類 （1）機械手按用途分：可分為通用機械手、專用機械手；如教學上使用的教學機械手、工廠里使用的焊接機械手、車間里使用的裝配機械手等。南京工業(yè)大學舒志斌[2]等人指出專用機械手控制系統(tǒng)設計與分。 （2）機械手按坐標系統(tǒng)來分： 直角坐標型機械手：只具有移動自由度的機械手。如二自由度門式機械手、桁架式機械手、懸臂式機械手等； 圓柱坐標型機械手：只具有一個轉動自由度，其余都為移動自由度的機械手，此機械手活動范圍大，并具有很高的定位精度；北京大學工程訓練中心張博[3]指出了圓柱坐標型機械手結構與控制系統(tǒng)的設計。 球坐標型機械手：具有兩個轉動自由度、其余為移動自由度的機械手，這種機械手具有工作范圍大，動作靈活的特點，但是它的結構復雜，會引起誤差； 關節(jié)型機械手：具有三個轉動自由度的機械手，動作靈活，但是定位精度較差。 杭州電子科技大學機械工程學院汪新中[4]設計了一種擰螺釘多關節(jié)機械手，其手部采用結構較復雜的機械夾持實現(xiàn)螺釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏蚀_定位和高可靠性。 （3）按驅動方式分機械手：氣壓驅動機械手、液壓驅動機械手、電氣驅動機械手，也有采用多動驅動方式組合的機械手。燕山大學機械工程學院楊育林等[5]提出針對不同重量車輪的裝配問題,提出了一種新型機械手氣動控制系統(tǒng), 1.3裝配機械手的研究的概況和發(fā)展趨勢 在工業(yè)流水線上，螺栓的裝配是一項繁瑣的工作。對于螺栓裝配的機械手，國內(nèi)外都有研究，研究成果顯著。這些機械手不僅節(jié)省人力，而且方便實用。國內(nèi)外許多學者對如何利用機械工具代替人工完成螺栓連接組裝進行了深入研究。 俄羅斯Geschke已經(jīng)完成了機械手中螺釘?shù)淖灾鞫ㄎ?，插入和擰緊操作。該系統(tǒng)通過鏡頭形成立體視覺。其特點是自動閾值調整，根據(jù)視覺采樣率調整位置環(huán)，實現(xiàn)機械手的精確定位。 2002年，日本工業(yè)技術綜合研究所等多家公司聯(lián)合開發(fā)了一款名為HRP-2P的施工機械手。該操縱器具有更精確的視覺系統(tǒng)，并可以按照說明使用螺栓來固定;在2010年，Pitipong等提出了使用視覺伺服系統(tǒng)的4自由度。 國內(nèi)對螺栓工具和機械手的研究也取得了相當大的進展。早在1960年，沉陽高壓開關廠杰寶駿工人就設計制造了電動螺絲機，解決了裝配工作中各種螺母的緊固問題，提高了工作效率; 王新忠設計了一種螺旋多關節(jié)機械手，其手部采用復雜的機械夾具固定螺釘，確保螺釘?shù)臏蚀_定位和高可靠性，并利用電力驅動機械手末端的螺絲刀在平面接合式螺絲，完成螺絲定位，壓緊和擰緊功能。對于不同類型的螺釘，可以更換相應類型的螺絲刀。如上所述，各種螺桿組裝機械手只能實現(xiàn)單螺桿的定位和組裝任務。通過增加視覺等智能傳感器，機器人可以實現(xiàn)智能自主定位和組裝螺絲。山西華電廣靈風力發(fā)電有限公司郭洪武[6]指出了機械手的定義,發(fā)展過程,以及機械手的研究動態(tài)。 近年世界機械手的應用越來越廣泛，未來工業(yè)機械手具有如下的發(fā)展趨勢： （1）感官功能 研究內(nèi)容包括各種傳感器信息采集與融合處理，傳感器與驅動集成技術，感知功能傳承模塊等。其實質與人體的五感和身體的全面感官功能相似。 （2）控制智能化 智能控制是把計算機技術、電子技術、控制技術為一體的多種綜合技術結合在一塊，隨著機械手控制的系統(tǒng)化，將開發(fā)機械手的智能化控制。 （3）移動功能的智能化 針對機械手的特定的功能需求，實現(xiàn)特點場合的應用需求，需要機械手具有運動，例如滑動，滾動，沿設置程序軌跡行走，爬行，跳躍等。 （4）系統(tǒng)應用和集成 為實現(xiàn)機械手的集中自動化控制，遠程化控制，解決遠距離的信息傳輸與控制，開發(fā)自主移動系統(tǒng)實現(xiàn)了機器協(xié)調功能，群體智能和多機通信協(xié)議。 （5）安全性和可靠性 為了實現(xiàn)智能可靠性，機械手必須能夠及時應對各種事故，具有自動檢測、報警，包括硬件級別的自診斷和自修復故障的能力。 （6）小型化 機械手的功能實現(xiàn)智能化，也逐漸向小型化發(fā)展，針對小型化的機械手應用主要在微加工，醫(yī)療設備，機械電子領域。 （7）多傳感器信息融合和配置技術 采用多傳感器配置與融合技術采用機械手各部件的信息，實現(xiàn)各個部件精確位置檢測與運動定位。新型傳感器的開發(fā)適應于生產(chǎn)過程機械手的控制，反饋信息的處理，然后向機械手輸出執(zhí)行指令。 1.4本文主要研究內(nèi)容 首先收集螺栓裝配機械手的相關文獻資料，掌握裝配機械手的工作原理與各部件的功能。根據(jù)機械手的條件，確定機械手的總體方案，坐標形式，自由度及運動空間的計算等。然后對機械手的驅動方式、移動機構、動力機構、手爪執(zhí)行機構進行設計。對機械手的腰關節(jié)、臂關節(jié)、手腕、夾持手爪等結構進行設計與計算，包括對電機的選型，軸承的選擇及軸的結構設計等。 - 36 - 2.螺栓裝配機械手的總體方案的設計 2.1 機械手的功能要求 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設計一種四自由度機械手實現(xiàn)對螺栓的抓取、定位、旋緊等一系列動作，以期替代人工作業(yè)，可有效提高自動化水平及生產(chǎn)效率。 機械手主要的參數(shù)： （1）夾持力：250N； （2）移動速度為5m/min； （3）手爪夾持螺母的尺寸范圍：M10-M40； （4）自由度：4; （5）機械手選用類型：圓柱坐標式與直角坐標式組合。 2.2機器手的總體運動過程 螺栓裝配機械手的工作過程： （1）手臂3繞立柱2轉動90度； （2）手爪在抓取螺栓頭并保持夾緊狀態(tài)； （3）手臂3繞著立柱2轉回90°，并保持； （4）機械手整體沿著導軌水平運動，手臂3在沿著立柱2移動；通過水平方向與垂直方向實現(xiàn)對機械手的手抓位置調節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位； （5）手爪的旋轉帶動螺栓轉動，同時手臂 沿著軸線方向進給，將螺栓旋緊； （6）手爪張開，手臂3回到初始位置，循環(huán)到下一個裝配動作。 1基座 2立柱 3手臂 4手腕及手爪 圖2.1螺栓轉配機械手的方案簡圖 2.3各運動的傳動方案設計 （1）X軸移動的傳動方案 X軸的移動采用步進電機通過同步帶驅動絲杠機構，從而帶著整個機械手沿X軸往復運動。 （2）Z軸方向的升降與回轉運動的傳動方案 機械手臂沿Z軸方向的上下移動是采用同步電機經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅動絲杠與螺母機構，實現(xiàn)其手臂的升降運動。機械手的手臂做90°的回轉運動，回轉氣缸作為回轉機構來實現(xiàn)。 （3）機械手手腕的回轉運動及手爪夾緊運動的方案 機械臂上手爪夾緊、松開以及擰緊的動作過程是實現(xiàn)螺栓裝配的執(zhí)行動作，即機械手先夾緊需要裝配螺栓，機械臂經(jīng)過一系列運動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉運動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時，機械手爪在松開螺栓，機械臂在進行下一次螺栓裝配動作的循環(huán)。這一系列的工作過程中，機械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕采用伺服電機驅動。 3 機械手的橫向（X軸）移動機構設計 3.1 X軸運行機構方案設計 在驅動裝置設計中，盡量選擇重量輕和小尺寸的材料。為了實現(xiàn)直線運動，機械手主要可以分為由齒輪齒條傳動，滾珠絲杠傳動，同步帶齒形皮帶傳動，氣缸等驅動。由于具備效率高，傳動比精確，構造緊湊，工作可靠，使用壽命長等，所以設計采用同步帶和絲杠機構。 如圖3.1所示，X軸機架采用截面為矩形型材焊接而成，機架的作用是支承機械手本體，并將電機安裝在機架側面，各部件的聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。 傳動方式采用步進電機通過同步帶傳動將動力傳遞到絲杠機構，絲杠帶動著螺母在直線導軌上運動。 圖3.1 X軸移動機構方案 3.2 電機功率計算與選型 步進電機的選用時，參數(shù)有步角距、運行頻率、空載起動頻率和最大靜轉矩。負載轉矩計算公式為： （3.1） 設計中同步帶輪的主動輪與從動輪節(jié)圓直徑相等，所以。 是機械效率，移動時有同步帶和導軌平摩擦兩種傳動，同步帶傳動的=0.95，導軌的摩擦傳動的，取，有。 —軸的負載轉矩； —軸的摩擦轉矩（可以忽略）。 可以得到： （3.2） M—總負載質量，g—重力加速度，—導軌動摩擦的系數(shù)。 表3-1 負載轉矩計算的參數(shù) M i 帶入公式求出負載轉矩： 電動機在啟動的時候需要具有一定的轉矩來帶動負載，電機的最大靜態(tài)轉矩要大于，所以電機最大靜轉矩大于。 步進電機的選擇要參照脈沖當量來確定電機的步距角的大小，精度要求?？扇∶}沖當量，計算步距角： （3.3） 依照實際情況選擇=的步進電機，對其進行細分析以達到控制精度的要求。為步距角，計算脈沖當量： （3.4） 根據(jù)以上設計中的計算選用兩相混合式步進電機。 表3-2 電機性能參數(shù) 電機型號 相數(shù) 步距角度 相電流 保持力矩 轉動慣量 重量 56BYG250D 2 1kg 3.3 同步帶的計算與選型 3.3.1同步帶的傳動特點 同步帶由與工作面上的齒和帶輪上嚙合的齒驅動。有較高的抗拉強度和非常小的伸長率，在傳遞基本過程中的分段線路的長度保持不變，傳輸過程中傳輸帶和傳輸帶滑動， 從而保證傳送過程中皮帶與皮帶之間的滑動。 選用同步帶傳動能夠確保較好的傳動比，具有恒定的傳動比，維修保養(yǎng)方便，費用低等。同步帶適用的溫度，運行的速度，運行時的傳動功率，傳動比。 圖3.2 同步帶 3.3.2同步帶的設計計算 （1）電機的額定輸出功率估算為： 7.16W （3.5） （2）確定計算功率：機械手的工作制按8小時/天，查機械設計手冊表4-1得，使用系數(shù)參數(shù)=1.7，則計算功率為: 12.17W （3.6） （3）小帶輪轉速： 上式中：f為頻率，T為固定步進角度，這里取1.8°；X為細分倍數(shù)； 即對步進電機進行控制時，可以通過輸入脈沖頻率對轉速進行調節(jié)；本設計中f=3， 細分倍數(shù)X取0.02；計算小帶輪轉速n為90r/min； （4）選定同步帶帶型和節(jié)距：設計中功率轉速比較小，帶的型號可以選取H型帶，節(jié)距 （5）主動輪齒數(shù)：查表選取小帶輪齒數(shù)為41。 （6）小帶輪節(jié)圓直徑確定： = （3.7） （7）大帶輪的計算 傳動比為，因此計算中的大帶輪與小帶輪的參數(shù)相同。齒數(shù)，節(jié)距 （8）帶速v計算 （3.8） （9）初定周間間距 根據(jù)公式： 得： 現(xiàn)在選取軸間間距為250mm。 表3-3小帶輪最小齒數(shù)表 （10）同步帶帶長及其齒數(shù)確定 =()= （3.9） （11）帶輪嚙合齒數(shù)計算 傳動比為，因此嚙合的齒數(shù)恰好是帶輪齒數(shù)的一半，即。 （12）額定功率的計算 （3.10） 查表可知同步帶的許用工作壓力，單位長度質量。同步帶的額定功率為： （13）計算作用在軸上力： （3.11） （14）同步帶的節(jié)線長度確定 在同步帶傳動中，兩個帶輪之間的中心距離需要選擇合適，如果帶輪中心距太小， 會直接造成齒和齒的正常嚙合。帶節(jié)線長度如表3-4所示。 帶接線長度表 如下所示節(jié)距Pb：帶齒齒廓線與齒根廓線之間的距離。 圖3.3 帶的標準尺寸 表3-5梯形齒標準同步帶的齒形尺寸 本設計中我們選用梯形帶。同步帶的尺寸如下： 表3-6同步帶尺寸 3.4導軌的計算與選型 3.4.1直線導軌的工作原理 導軌是滑塊運行時的軌道，滑塊安裝在導軌上作直線運動。直線導軌的應用非常廣泛，例如在機床設備、精密自動化設備、各種動力傳輸、輸送線裝置、醫(yī)療和電子制造等領域。直線導軌的特性如下： （1）直線導軌具有高的定位精度； （2）裝配性能好，可互換，潤滑構造簡單； （3）摩擦小，降低了所需驅動力，且適用于高速運動； （4）承載能力強，能承受多個方向帶來的負荷； （5）滾動代替滑動； （6）使用壽命長。 圖3.4導軌零件圖 3.4.2初選導軌型號及估算導軌長度 選型中：X方向運行機構導軌型號為； Y方向的運行機構導軌型號為； 導軌長度受到加工及安裝因素影響，會影響到整個傳動機構的運行精度。導軌長度其公式為： L=H+S+△l-S1-S2 （3.12） 其中： 導軌的總長度； 滑塊滑動的行程； 滑塊的導向面上的長度； 封閉的高度調節(jié)量； 滑塊滑至最高點時導軌露出的長度； 滑塊滑至最低點時導軌露出的長度。 計算得軸上的導軌長度為：Lx=1530mm。 3.4.3導軌副距離額定壽命 X方向上選用的導軌型號是，所以導軌額定動載荷為，額定靜載荷為 ； 機械手最大重量為: 滑塊的載荷計算： （1）導軌行程額定壽命為： （3.13） 以上： 額定壽命； 硬度系數(shù)；導軌硬度不得低于，可取fh =1； 導軌硬度值； —導軌額定動載荷； 當量動載荷； 滑塊所受最大載荷； 滑塊數(shù)量，這里為Z=4； 指數(shù)，導軌體為滾珠時；為滾柱時； 額定壽命單位，滾珠時K=50KM； 硬度系數(shù)； 根究產(chǎn)品的要求規(guī)定，滾道的硬度不小于58HRC，故通?？扇h =1 溫度系數(shù)，查表,得 表3-7 溫度系數(shù) 工作溫度 接觸系數(shù)，查表；得 表3-8 接觸系數(shù) 精度系數(shù)，查表；取 表3-9 精度系數(shù) 載荷系數(shù)，查表；得 表3-10載荷系數(shù) 有： （2）壽命時間的計算： （3.14） 有： —壽命時間； 額定壽命。 行程長度； —每分鐘往返次數(shù)。 則： 工作的情況：機械手的工作時間每天6小時，每年使用300天，則預計壽命年限為： 同樣可計算出Y方向滾動導軌副額定壽命為： 3.4.4導軌的技術要求 刮研導軌：為了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要對導軌的表面進行刮研，最終是為了提高導軌接觸性、存油等。如表3-11： 表3-11磨削導軌的表面粗糙度 4 機械手的立柱及轉臂機構設計 4.1 立柱機構方案設計 在圖4.1中所示，機械手臂沿立柱（Z軸）方向的上下移動是采用同步電機經(jīng)過齒形帶傳動，從而驅動絲杠與螺母機構，實現(xiàn)其手臂的升降運動。機械手的手臂做90°的回轉運動，利用回動氣缸實現(xiàn)。 圖4.1 立柱機構三維 立柱下部通過四個支座安裝在X軸機架上的直線導軌上，通過絲杠的形式與螺母機構相連接，將絲杠的旋轉運動轉化為機械臂的直線上下運動。本章對絲杠、螺母副機構進行設計計算。 圖4.2 立柱機構的結構圖 4.2 絲杠機構的設計計算 4.2.1絲桿機構傳動特點 在設計中，絲杠機構是機械手的重要部件，通過螺紋驅動，實現(xiàn)機械臂的升降功能。選用絲杠機構，因為它具有結構緊湊，高精度性等優(yōu)點。 根據(jù)螺釘和螺母的運動方式，絲杠傳動可分為以下幾種： （1）螺母是活動的，螺母被絲杠的旋轉帶動著在絲杠上移動，如圖（a）所示； （2）螺母旋轉帶動著螺桿作直線運動，如圖（b）所示； （3）螺母沿直線運動，由于絲杠固定，所以兩端支撐結構較簡單，但精度不高。如圖（c）所示； （4）螺桿旋轉把螺母帶著直線運動。適合長時間工作的絲杠。如圖（d）所示。 (a) (b) （c） （d） 圖4.3 螺桿傳動的方式 本次設計的螺栓裝配機械手是采用了上圖（a）的運動方式，螺母固定不動。 4.2.2螺旋傳動的設計和選材 螺桿傳動時支撐的結構會受剛度影響。當螺桿的形狀短粗，且垂直布置時，力傳遞的提升和螺桿、螺母可作為支撐結構用。當螺桿的形狀細長且水平布置時，應在螺桿的中間部位加上支撐點，這樣可以提高螺桿的剛性。絲杠和螺母的材料要求有高耐磨性、高強度性，也需要具有良好的切削性、便于制造。 表4.1 絲杠與螺母常用的材料 4.2.3絲杠的受力計算與尺寸確定 （1）直徑確定 保證螺母受到的力均勻，螺母螺紋通常的工作圈數(shù)取Φ=1.2~2.5，本文取Φ=2。螺桿材料用 45 鋼，螺母材料為青銅。 根據(jù)公式： （4.1） 上式中： ； 許用應力為，取。 代入計算得：; 梯形螺紋的標準，所以螺紋公稱直徑為，螺距，升角y為3.87°，當量摩擦角為5.91°。 （2）螺桿強度計算 運用第四強度理論公式計算危險截面的應力： （4.2） 扭矩： （4.3） y—螺紋中徑處升角； —當量摩擦角； 45鋼的屈服強度，安全系數(shù)，取3。 （4.4） 故有： 上述參數(shù)滿足要求。 （3）計算臨界載荷： 查手冊表1-6，E取200GP。 I== （4.5） 因此： FC= （4.6） （4）自鎖性驗算 自鎖條件是 式中：為螺紋中徑處升角； 為當量摩擦系數(shù)： （4.7） —螺紋工作面的牙形斜角； —當量摩擦角。 查表得（取起動時計算用最大值） 故 所以自鎖性可保證。 表4-2 螺旋副的當量摩擦系數(shù)fV 4.2.4絲杠螺母螺紋牙強度 絲杠傳動機構中，螺母零件的強度較低，而螺紋牙的失效形式主要是剪切和擠壓破壞，只需要對螺母螺紋牙的強度進行校核。 圖4.4 絲桿螺母 螺紋牙的計算如下： 螺紋牙危險截面的剪切強度： ； 螺紋牙危險截面的彎曲強度： 。 牙根的厚度，且 螺紋大徑； 彎曲力, 梯形螺紋：， 4.2.5軸承的選型 選擇軸承需要考慮以下幾個因素： （1）允許空間； （2）載荷大小和方向； （3）軸承工作時的轉速； （4）軸承旋轉時精度； （5）軸承的剛性； （6）軸承的軸向游動。 本設計選用深溝球軸承，型號為。 查得軸承的額定動載荷是以、可靠度為為依據(jù)的。 軸承基本額定壽命L10為： Cε×1=Pε×L10 L10=(C/P)ε??106r 軸承工作轉速為，可求出額定壽命： （4.8） 應取， 是軸承的預期使用壽命。 軸承的當量動載荷 和預期使用壽命 ，可求出額定動載荷 ，它與所用的軸承型號的 值滿足： （4.9） 故所選軸承滿足要求。 4.3 旋轉手臂的設計 4.3.1 手臂機構的方案設計 手臂是在具有負載和速度下移動的。在設計中，遵循以下原則： （1）關節(jié)軸需要相互平行。 （2）機械臂選型和結構設計要符合機械手運動空間的要求。 （3）機械臂結構和材料的重量應盡量最小，選擇輕質的材料，這樣可以提高機械手的精度 （4）機械手的機械臂要盡量的平衡重量。 （5）機械臂需要具備具有緩沖能力的接頭限位開關和機械限位塊。結構如圖4.5所示。 圖4.5 手臂三維圖 回轉氣缸和導向頭的進排氣通道固定不動，但是缸體可以相對轉動。由氣缸蓋、缸體、活塞和活塞桿組成回轉氣缸。當回轉氣缸運動時，外力驅動氣缸體、氣缸蓋和導向頭轉動，而活塞和活塞桿只能用于往返直線運動。 圖4.6 回轉氣缸 機械臂上的手爪對螺栓進行裝配的動作，即機械手先夾緊需要裝配的螺栓，機械臂經(jīng)過一系列運動，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉運動將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時，機械手爪在把螺栓松開，然后機械臂在進行下一個循環(huán)動作。這一系列的工作過程中，機械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕的旋轉采用伺服電機驅動。 圖4.7 機械手臂結構圖 4.3.2手臂旋轉氣缸的計算與選型 手臂繞立柱上部的銷軸轉動，這里考慮計算旋轉力矩與慣性力矩作用，需要保證力矩的平衡，按如下公式計算： 得 ； （4.10） 整理得： （4.11） 運動件的總重力； 重心到支撐點的距離 支撐點到重心的長度; 當量摩擦系數(shù)。 導向支撐選擇鑄鐵 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算 手臂慣性力的計算： 本設計要求手臂平動是，設啟動時間，啟動速度V=V=， 氣壓缸的工作壓力小于，采用型密封圈，。 密封的摩擦阻力為： 計算出氣壓缸的驅動力： 5 手腕及手爪設計 5.1 腕部的設計要求 （1） 腕部的結構緊湊、重量輕； （2） 結構考慮合理布局； （3） 必須考慮工作條件。 5.2 腕部的結構 （1） 自由度為1的回轉驅動的腕部結構?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定。 （2） 齒條活塞驅動式的腕部結構。 （3） 自由度為2的回轉驅動的腕部結構。 本設計中手腕的回轉角度是，腕部結構可以選擇為自由度為1的回轉驅動腕部結構。 5.3 腕部的計算 機械手可抓取的重物最大為，手腕可以回轉。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。 5.3.1 腕部的驅動力矩計算 計算力矩： （1） 液壓缸轉動件近似一個圓柱，它的高為，直徑 摩擦力矩。 當電機啟動時腕部轉過的角度為，等于。 （5.1） 轉動慣量： 代入數(shù)值得： 5.3.2 腕部驅動力的計算 表液壓缸的內(nèi)徑系列 （mm） 設定腕部部分尺寸：根據(jù)表設缸體內(nèi)空半徑，外徑依表選澤，這是液壓缸壁最小厚度，其外徑為；動片寬度,輸出軸 .如圖5-1所示。則回轉缸工作壓力： ，選擇8Mpa 圖5.1 腕部液壓缸的剖截面圖 表 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 5.3.3 液壓缸蓋的螺釘設計 表 t與P之間的關系 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，在螺釘?shù)倪B接中，每個螺釘承受的拉力應為： （5.2） 因此： 液壓缸,所以螺釘,試選擇8個螺釘，，所以螺釘數(shù)目選擇合適 Z=8 危險截面 有： (5.3) 所以 螺釘?shù)牟牧峡梢赃x擇，（） 直徑： （5.4） 因此直徑d=16mm. 設計中選擇了自由度為1的回轉驅動的腕部結構。對腕部回轉力與回轉缸連接螺釘?shù)闹睆竭M行了計算。 5.4手部結構技術要求 目前，根據(jù)工件的形狀及要求，工業(yè)中選用的手部機構有多種，最常用的有爪型和吸氣型。選用不同的手機構，夾緊力的大小也是不同的。 通過立柱與懸臂之間銷軸的連接作用，手臂末端的手爪要求先夾緊螺栓，在繞手腕關鍵旋轉，如圖5.3所示，腕關節(jié)通過獨立電機驅動，繞組自身軸線旋轉，實現(xiàn)螺栓的擰緊。 圖5.2 手結構圖 設計中機械手夾持的最大重量是250N,首先確定手爪夾取螺栓的尺寸是M10-M40，機械手爪可旋轉360度。 根據(jù)上述中對機械手的要求，選用的是四桿機構，如圖5.3所示。 圖5.3 機械手的三維結構圖 根據(jù)本次設計要求，以下圖5.4是螺栓裝配機械手的三維圖。 圖5.4 螺栓裝配機械手三維 6.結論 畢業(yè)設計可能是我們大學生活的最后一次作業(yè)，本著一絲不茍的精神態(tài)度來完成了此次的設計。 設計中首先對機械手的定義，發(fā)展及它的應用，并對機械手的主要結構組成及特點進行介紹。螺栓裝配機械手作為工業(yè)機械手中的重要研究對象，已廣泛應用于工業(yè)裝配線中，有效地完成了螺栓的裝配及其部件的組裝。根據(jù)任務書的要求我設計一款用于自動抓取并完成螺栓裝配的機械手的結構設計。確定了設計中機械手采用直角坐標式和圓柱坐標式結合的方案，確定為4自由度，機械手的驅動方式采用步進電機與同步帶驅動，采用絲杠機構實現(xiàn)其移動及升降運動，采用回轉氣缸實現(xiàn)機械手臂的回轉運行，并對滑軌，機械手手爪執(zhí)行機構等進行了設計選型。 本次設計過程中不僅僅是對螺栓裝配機械手的結構進行了選型設計，還學到了很多新的知識，遇到了機械手其它方面的很多問題，在今后的工作學習中還得加以學習。通過平常在課堂中學到的CAD與SolidWorks的知識，讓我在這次的畢業(yè)設計畫圖模塊中得以應用。還讓自己悟到了需要加強這些軟件的練習。在計算選型時，由于對公式的不熟悉造成了很大的困擾，我借助互聯(lián)網(wǎng)與圖書館的資源查閱了大量相關機械手的資料，并得到老師的指導與建議，再結合自己大學所學的專業(yè)知識和同學的幫助使自己完成了本次設計。 參考文獻 [1] 王世偉，自抗擾控制器參數(shù)整定方法研究及其在螺栓裝配機械手中的應用[D]. 蘭州交通大學碩士論文. 2015. 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