螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),螺栓,裝配,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大大連大大學(xué)學(xué)2018屆屆學(xué)學(xué)生生畢業(yè)論文文(設(shè)計(jì))中中期期檢查表表題目螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師王建維職稱副教授學(xué)生姓名段毅立閱讀文獻(xiàn)數(shù)17初稿完成時(shí)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(jìn)度快 按進(jìn)度進(jìn)行慢 任 務(wù) 書有開題報(bào)告有中期工作結(jié)論中調(diào)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(xué)院意見同意教學(xué)院長(簽名)：吳蒙華日期：2018-04-18 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )開題報(bào)告 論 文 題 目： 螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)英 145 學(xué) 生 姓 名： 段毅立 指導(dǎo)教師（職稱）： 王建維（副教授） 2018 年 1 月 12 日 填 1 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要 求 開題報(bào)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(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)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(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題； 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）； 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。 四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)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(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過； 3.開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參 加答辯； 4.開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報(bào)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)一格式打印）。 2 一、選題依據(jù) 1、研究領(lǐng)域 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， CAD。 2、 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 機(jī)械手 正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展 的階段， 它 實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化與商品化，在先進(jìn)的工業(yè)發(fā) 達(dá)國家里，機(jī)械手 的開發(fā)與研制正在形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。 機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行工作的 機(jī)器裝置， 是在機(jī)械化、自動(dòng)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(jī)械手被廣泛的運(yùn) 用于自動(dòng)生產(chǎn)線 中，機(jī)械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門技術(shù)。機(jī)械手操作 的準(zhǔn)確性和 在 各種環(huán)境中 完成作業(yè)的能力， 在 國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)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(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用。 機(jī)械手的應(yīng)用可以改善勞動(dòng)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(yīng)用；可以 減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) ， 可以改善勞動(dòng)條件、減少安全事故 ；可以提高經(jīng)濟(jì) 效益， 便于有節(jié)奏的生產(chǎn)， 減少人工勞動(dòng)力引起的支出；可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量， 使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)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(dòng) 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(xiàng)很繁瑣的工作。對于裝配螺栓的機(jī)械工具，國內(nèi) 外研究成果顯著。包括手動(dòng)扳手、電動(dòng)扳手、液壓扳手、氣動(dòng)扳手、 裝配機(jī)械手等 工具，這些工具不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。眾多國內(nèi)外學(xué)者針對如何利用機(jī)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(jī)械手的研究亦獲得了相當(dāng)多的成果。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測 裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。機(jī)械手大致可以分為以下幾種，按用途分：專用 機(jī)械手、通用機(jī)械手；按主要功能分：操作機(jī)械手、移動(dòng)機(jī)械手、信息機(jī)械手、人機(jī) 機(jī)械手；按坐標(biāo)系統(tǒng)來分：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型；按受控方 式分 : 點(diǎn)位控制型、連續(xù)控制型；按驅(qū)動(dòng)方式分 : 液壓傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、 電力傳動(dòng)機(jī)械手等。 我國從第七個(gè)五年計(jì)劃開始， 政府大大加大了 機(jī)械手 的重視程度，并且為此項(xiàng)目 投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下， 研究開發(fā)并且制造一系列的 機(jī)械 3 手 ，其中有 北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)械手 ，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī) 床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊 機(jī)械手 ，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊 機(jī)械手，沈陽工 業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)械手 等。這些 機(jī)械手 的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自 動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的 機(jī)械手 關(guān)鍵部 件也被開發(fā)出來，如 機(jī)械手 專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼器等。我國 機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來，機(jī)械手在我國會(huì)被廣泛應(yīng)用。作為國產(chǎn)自主 創(chuàng)新品牌的廣東拓斯達(dá)機(jī)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(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，以及 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。 國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制模塊化、 智能 化 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(shí)，既能更 正并自行檢測，重點(diǎn)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(jī)械手上安裝有點(diǎn)視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。觸覺功能是在機(jī)械 手上安裝有觸覺反饋控制裝置；隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高 。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)。 目前裝配機(jī)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(dòng)化、智能化方向發(fā)展； （ 3）向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展； （ 4）機(jī)電一體化發(fā)展。 總之國內(nèi)企業(yè)只有不斷引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行自主創(chuàng)新并在機(jī)械手機(jī)構(gòu) 加大研發(fā)力度，國內(nèi)螺栓裝配設(shè)備才能取得長足發(fā)展，才能走向世界。 4 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 （ 1）螺栓裝配機(jī)械手 總體 結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) （ 2）螺栓裝配機(jī)械手的詳 細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （ 1）收集裝配機(jī)械手相關(guān)的文獻(xiàn)資料，掌握其機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及工作原理， 各部件功能； （ 2）根據(jù)機(jī)械手的初始條件，確定了機(jī)械手的總 體方案的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的坐標(biāo) 形式和自由度的確定，運(yùn)動(dòng)空間的計(jì)算等 ； 螺栓裝配機(jī)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(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡圖 手臂 3 繞立柱 2 轉(zhuǎn)動(dòng) 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(zhuǎn)回 90 ； 機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)，手臂 3 在沿著立柱 2 移動(dòng)；通過水平方向與 垂直方向?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位； 手爪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)手臂沿著軸線方向進(jìn)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(gè)裝配動(dòng)作。 （ 3）對機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì) 與計(jì)算，包括電機(jī)的選型，軸承的選擇，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等做了具體計(jì) 算 ； 5 （ 4）繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 （ 1）一套完整的螺栓裝配機(jī)械手的裝配圖及零件圖； （ 2）一份螺栓裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書； （ 3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯。 6 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） (1) 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種 四個(gè) 自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對螺母 的抓取、定 位、旋緊等一系列動(dòng)作，確定機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而采用傳統(tǒng)的理論力 學(xué)計(jì)算方法和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對機(jī)械手各 組成 部件完成設(shè)計(jì)。 (2)機(jī)械手主要的參數(shù) 夾持力 ： 250N； 機(jī)械手的移動(dòng)速度 ： 5m/min； 手爪夾持 螺母的尺寸范圍： M10-M40； 自由度 ： 4個(gè)； 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型：采用圓柱 坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合的形式。 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1-4 周 :根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，收集參考文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告等； 第 5 周 :擬定螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； 第 6-8 周 :機(jī)械手的 動(dòng)力 機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu) 及關(guān)鍵元器件 的選擇計(jì)算 ； 第 9-10 周 :繪制機(jī)械手的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 11-12 周 :繪制裝配機(jī)械手組件或部件 3D 圖； 第 13 周 :書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，翻譯與本設(shè)計(jì)相關(guān)的英文文獻(xiàn)； 第 14 周 :準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 7 四 、 需要閱讀的參考文獻(xiàn) 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(jī)械手中的應(yīng)用 D. 蘭州交通大 學(xué)碩士論文 . 2015. 2 舒志斌 ,謝福亮 ,鄭之開 .專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 J.南京工業(yè)大學(xué) ,2013. 3 張博 ,圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J.北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心 ,2014. 4 汪新中 .平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人擰螺釘手抓的研究 J.機(jī)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(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J. 制造技術(shù)與機(jī) 床 ,2017,(08):131-134. 6 郭洪武 .淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 D.山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司， 2012. 7 趙云偉 ,耿德旭 .氣動(dòng)柔性五指機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及抓持能力 J. 機(jī)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(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究 D.燕山大學(xué) ,2013. 9 陳國良 ,黃心漢 ,周祖德 .微型裝配機(jī)器人系統(tǒng) J.機(jī)械工程學(xué)報(bào) ,2014,45(2):288-293. 10 羅璟 ,劉克定 ,陶湘廳等 .工業(yè)機(jī)器人 的控制策略探討 J.機(jī)床與液壓 ,2016,36(10):95-100. 11 楊帥 , 鄒智慧 .多自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究 J.制造業(yè)自動(dòng)化 ,2013, 35(5):117-121. 12 陶珍軍 , 陳坤 , 螺栓裝配自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)研究 J. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 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(jī)械手動(dòng)力尺度綜合 J.機(jī)械工程 學(xué)報(bào) , 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(xiàn)綜述 文獻(xiàn)綜述 1.機(jī)械手的目的與意義 機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編 排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)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(xiǎn)的工作。有些人認(rèn)為，最高級的機(jī) 械手要做 的和人一模一樣，其實(shí)非也。實(shí)際上，機(jī)械手是利用機(jī)械傳動(dòng)、現(xiàn)代微電子 技術(shù)組合而成的一種能模仿人某種技能的機(jī)械電子設(shè)備，他是在電子、機(jī)械及信息技 術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。然而，機(jī)械手的樣子不一定必須像人，只要能獨(dú)立完成一些 人類的技能或有一定危險(xiǎn)性的工作，就屬于機(jī)械手大家族的成員。 機(jī)械手己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)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(jī)械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)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(diǎn)焊和弧焊， 是機(jī)械手用得最多的作 業(yè)之一 。 機(jī)械手對于改善勞動(dòng)條件、減少安全事故 ，減少人 受危險(xiǎn)環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。蘭州交通大學(xué)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(fù)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作 ,因此有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓 自動(dòng)裝配的工業(yè)機(jī)器人 。 2 .機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副常稱 為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體 的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部 、手部和行走部等。 驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動(dòng) 力元件使機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用 的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動(dòng)作符合預(yù)定的 要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計(jì)算 機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)械手的 控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù) 要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。 3. 機(jī)械手的分類 （ 1）按用途分： 專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。 專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單 一、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用 于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。 南京工業(yè)大學(xué)舒志斌 【 2】 等人指出 專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與分析 。 通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械 9 手。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用 性強(qiáng)，適用于不斷變化生產(chǎn)品種的 中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 （ 2）按坐標(biāo)系統(tǒng)來分： 直角坐標(biāo)型：只具有移動(dòng)關(guān)節(jié)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機(jī) 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(biāo)型：具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、其余為移動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相 比較，占地面積小且活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用 較廣泛。但由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的 物件 。 北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博 【 3】 指出了 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié) 構(gòu)與控制系統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、其余為移動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。這種機(jī)械手手臂的俯 仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手 腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，占地面 積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 此外手臂擺角的誤差通過手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大 。 關(guān)節(jié)型：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用 性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件 。 但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來決定的，所以定位精度較差， 控制裝置和機(jī)械結(jié)構(gòu)比其它形式的機(jī)械手均復(fù)雜。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 汪 新中 【 4】 設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺 釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性 。 （ 3）按受控方式分 : 點(diǎn)位控制型：它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的 位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性 。 連續(xù)控制型：它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的， 整 個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。 （ 4）按驅(qū)動(dòng)方式分 : 液壓傳動(dòng)機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、 動(dòng)作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)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(dòng)機(jī)械手：其主要特點(diǎn)是介質(zhì)來源較方便、氣動(dòng)動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)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(jìn)行工作；燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng) ,該控制 系統(tǒng)通過對減壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良 ,僅用一個(gè)平衡回路完成空載和負(fù)載之間的無級切 換 。 電氣傳動(dòng)機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線 電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。 4.國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)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(jī)械手， 它的結(jié)構(gòu)是 ： 機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制 系統(tǒng)是 10 示教形的，隨著計(jì)算機(jī)和 自動(dòng)控制技術(shù) 的迅速發(fā)展 ,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能 化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和 產(chǎn)品質(zhì)量 ,改善 勞動(dòng)條件 ,解決勞 動(dòng)力不足等問題構(gòu)成。 從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國政府大大加大了工業(yè)機(jī)器人的重視程度，并且為此 項(xiàng)目投入大量的資金，在眾多學(xué)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(jī)器人，其中有北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所 和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)的電焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器 人，沈陽 工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科 學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī) 器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)等，編碼 器等。我國機(jī)械手的起步較晚，相信在不久的將來，機(jī)械手在我國會(huì)被廣泛應(yīng)用。作 為國產(chǎn)自主創(chuàng)新品牌的 廣東 拓斯達(dá)機(jī)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(dá)機(jī)械手榮獲廣東省名 牌產(chǎn)品，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)和關(guān) 鍵技術(shù)，以及戰(zhàn)略性 新興產(chǎn)業(yè) 、先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品。 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(shí)，即能更正并 自行檢測，重點(diǎn)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(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照 相機(jī)將物體 形象變成視頻信號，然后送給計(jì)算機(jī)，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(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 工作時(shí)機(jī)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(dá) 到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一 步提高。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)。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公 司郭洪武 【 6】 指出 了機(jī)械手的概念 ,發(fā)展歷史 ,以及機(jī)械手在國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài) 。 國外機(jī)械手的控制類型大致可分為四類：簡易控制型機(jī)械手，定位用機(jī)械制動(dòng) 器或者行程開關(guān)，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)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(jī)械手， UNIMATE 型機(jī)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(jī)械手也屬于此類；用電子計(jì)算機(jī)群控多臺機(jī)械手，若在 一條生產(chǎn)線上使用多臺機(jī)械手，往往用一臺小型計(jì)算機(jī)控制幾臺機(jī)械手，這樣成本大 大降低，自動(dòng)化程度反而提高；智能機(jī)械手，機(jī)械手具有視覺、 觸覺、嗅覺等感覺 機(jī)能，還能識別圖形，進(jìn)行分析判斷，可以行走等。該類機(jī)械手目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段。 我國機(jī)械手的控制類型分為：全繼電器控制，控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都用繼電器進(jìn)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(jī)械手。定位方式采用機(jī) 械制動(dòng)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(diǎn)，缺點(diǎn)是動(dòng) 作速度慢，體積較大，定位精度較差；無觸點(diǎn)程序控制的通用機(jī)械手，這種機(jī)械手 在國內(nèi)已經(jīng)有了比較成熟的制造經(jīng)驗(yàn)，研制單位甚多。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，程序變換簡 單可靠，循環(huán)周期短，提高機(jī)械手的工作效率；簡易數(shù) 控機(jī)械手，簡易數(shù)控分為開 環(huán)和閉環(huán)兩種，優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，反應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)停留和連續(xù)軌跡的運(yùn)動(dòng) 方式。 國外機(jī)械手定位在發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手的定位 精度很低，更無法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定 位，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置得起停。以早期的氣動(dòng)機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的定 位，因此大大限制氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn) 11 實(shí)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(shí)現(xiàn)起停的氣 動(dòng)工業(yè)機(jī)械手，且定位精度可以達(dá)到 0.5mm，如日本 SMC 公司、德國 FESTO 公司 等。氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手在 任意位置的定位，擴(kuò)大了氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。國內(nèi)應(yīng)用的機(jī)械手定 位方法 有機(jī)械方法，電氣控制方法，機(jī)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(jī)采用簡易數(shù)控機(jī)械手，能達(dá)到給定精 度約 5 毫米，重變定位精度 1 毫米左右；一機(jī)部機(jī)械院機(jī)電所與北京汽車廠合制的 CJS-1 機(jī)械手采用點(diǎn)位計(jì)檢測的定位方法，配合液壓節(jié)流緩沖，重復(fù)定位精度約為 3 毫米。 美國機(jī)械鑄造 公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī) 械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是 示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基 礎(chǔ) 。美國 Unimate 公 司 和斯 坦福大 學(xué)、 麻省 理工學(xué) 院聯(lián)合 研制 一種 Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。 比如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。 把故障前平均時(shí) 間，由 400小時(shí)提高到 1500 小時(shí)，精度可提高到 0.1 毫米。 德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公 司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型 機(jī)械手后，大力研究機(jī)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(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。 5.機(jī)械手未來的發(fā)展趨勢 機(jī)械手在許多生 產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明，它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高勞動(dòng)生 產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動(dòng)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(huì)各層人士的廣泛興趣。在新的世紀(jì)，機(jī)械手工業(yè)必將得到更加 快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。 山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武 【 6】 淺析了機(jī) 械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。從 近年世界機(jī)械手推出的產(chǎn)品看，未來機(jī)械手具有如下的發(fā) 展趨勢： （ 1）重復(fù)高精度 精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有 關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程 度。重復(fù)精度 比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤 差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范 圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā) 展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼 裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)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(dǎo) 向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊 化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用 范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 12 （ 3）節(jié)能化 為了適應(yīng)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(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)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(jī)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(dòng)化技 術(shù)的重要方 面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān) 控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復(fù)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(jī)械人的控制智能化由引導(dǎo)教向 NC，離線編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)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(jī)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(shè)計(jì)主要是通過對 螺栓裝 配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 研究，并分 析常用 機(jī)械手 的特點(diǎn)，確定自己所設(shè)計(jì)的 機(jī)械手 機(jī)構(gòu)，運(yùn)用 CAD 的軟件把裝配圖 及其原理圖繪制出。并進(jìn)行裝置的可實(shí)施性進(jìn)行分析判斷，最終完成本次 螺栓裝配機(jī) 械手 的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。 摘要 本次的設(shè)計(jì)是螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)通過查閱互聯(lián)網(wǎng)，收集資料，根據(jù)任務(wù)書要求設(shè)計(jì)一款用于自動(dòng)抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中機(jī)械手的結(jié)構(gòu)確定了選用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，整個(gè)機(jī)械手確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動(dòng)及絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，采用旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)手腕對螺栓的擰緊。并對機(jī)械手的零部件等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 該設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是能夠在短時(shí)間內(nèi)完成螺栓的裝配，提高效率，減少生產(chǎn)時(shí)間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對在惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。 關(guān)鍵詞：螺栓裝配；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；絲杠機(jī)構(gòu) 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(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類 1 1.3 裝配機(jī)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(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì) 4 2.1 機(jī)械手的功能要求 4 2.2 機(jī)器手的總體運(yùn)動(dòng)過程 4 2.3 各運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 5 3 機(jī)械手的橫向（X軸）移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 3.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6 3.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型 6 3.3 同步帶的計(jì)算與選型 8 3.4 導(dǎo)軌的計(jì)算與選型 11 4 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 4.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 16 4.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 4.3 旋轉(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì) 22 5 手腕及手爪設(shè)計(jì) 26 5.1 腕部的設(shè)計(jì)要求 26 5.2 腕部的結(jié)構(gòu) 26 5.3 腕部的計(jì)算 27 5.4 手部結(jié)構(gòu)技術(shù)要求 30 6 結(jié) 論 33 參 考 文 獻(xiàn) 34 致 謝 44 II 螺栓裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.緒論 1.1本課題研究的背景及意義 螺栓裝配機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人中的一種機(jī)械手，機(jī)械手是自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定好的程序工作的機(jī)器，它通過接受預(yù)先編寫的程序，或按照人工智能技術(shù)制定指令，完成相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)械手任務(wù)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(shí)上，機(jī)械手是一種集成機(jī)械、電子、控制于一體的輔助系統(tǒng)，它通過機(jī)械傳動(dòng)和現(xiàn)代微電子技術(shù)相結(jié)合來模仿人臂的技能。螺栓裝配機(jī)械手在工業(yè)、機(jī)械、航天航空和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速，在各個(gè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其在工作環(huán)境惡劣，機(jī)械式重復(fù)性工作，機(jī)械手將逐漸取代人類。 它能夠在短時(shí)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(xiǎn)的發(fā)生。與人相比起來，機(jī)械手具有的優(yōu)點(diǎn)是：減少生產(chǎn)時(shí)間，無需休息，在適宜的條件下可以連續(xù)工作。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對惡劣的工況條件下取代人類，減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)械手主要用于取代手動(dòng)安裝螺栓，實(shí)現(xiàn)螺栓的自動(dòng)拾取、自動(dòng)定位以及自動(dòng)旋緊。該機(jī)械手它按照編制的程序工作，具有高精度和高重復(fù)性。蘭州交通大學(xué)王世偉[1]提出鑒于螺栓裝配與拆卸動(dòng)作是工業(yè)中使用頻繁、工作強(qiáng)度大的一項(xiàng)工作,所以有必要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺栓自動(dòng)裝配的機(jī)械手。 1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類 1.2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)械手的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)械手本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。 驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動(dòng)力元件使機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)械手使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械手的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)械手的控制。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力控制。 1.2.2 機(jī)械手的分類 （1）機(jī)械手按用途分：可分為通用機(jī)械手、專用機(jī)械手；如教學(xué)上使用的教學(xué)機(jī)械手、工廠里使用的焊接機(jī)械手、車間里使用的裝配機(jī)械手等。南京工業(yè)大學(xué)舒志斌[2]等人指出專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分。 （2）機(jī)械手按坐標(biāo)系統(tǒng)來分： 直角坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有移動(dòng)自由度的機(jī)械手。如二自由度門式機(jī)械手、桁架式機(jī)械手、懸臂式機(jī)械手等； 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手：只具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其余都為移動(dòng)自由度的機(jī)械手，此機(jī)械手活動(dòng)范圍大，并具有很高的定位精度；北京大學(xué)工程訓(xùn)練中心張博[3]指出了圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 球坐標(biāo)型機(jī)械手：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、其余為移動(dòng)自由度的機(jī)械手，這種機(jī)械手具有工作范圍大，動(dòng)作靈活的特點(diǎn)，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)引起誤差； 關(guān)節(jié)型機(jī)械手：具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的機(jī)械手，動(dòng)作靈活，但是定位精度較差。 杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪新中[4]設(shè)計(jì)了一種擰螺釘多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的機(jī)械夾持實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)膴A持，保證螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性。 （3）按驅(qū)動(dòng)方式分機(jī)械手：氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，也有采用多動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式組合的機(jī)械手。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng), 1.3裝配機(jī)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(xiàng)繁瑣的工作。對于螺栓裝配的機(jī)械手，國內(nèi)外都有研究，研究成果顯著。這些機(jī)械手不僅節(jié)省人力，而且方便實(shí)用。國內(nèi)外許多學(xué)者對如何利用機(jī)械工具代替人工完成螺栓連接組裝進(jìn)行了深入研究。 俄羅斯Geschke已經(jīng)完成了機(jī)械手中螺釘?shù)淖灾鞫ㄎ唬迦牒蛿Q緊操作。該系統(tǒng)通過鏡頭形成立體視覺。其特點(diǎn)是自動(dòng)閾值調(diào)整，根據(jù)視覺采樣率調(diào)整位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位。 2002年，日本工業(yè)技術(shù)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(jī)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(jī)械手的研究也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。早在1960年，沉陽高壓開關(guān)廠杰寶駿工人就設(shè)計(jì)制造了電動(dòng)螺絲機(jī)，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(shè)計(jì)了一種螺旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手，其手部采用復(fù)雜的機(jī)械夾具固定螺釘，確保螺釘?shù)臏?zhǔn)確定位和高可靠性，并利用電力驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yīng)類型的螺絲刀。如上所述，各種螺桿組裝機(jī)械手只能實(shí)現(xiàn)單螺桿的定位和組裝任務(wù)。通過增加視覺等智能傳感器，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能自主定位和組裝螺絲。山西華電廣靈風(fēng)力發(fā)電有限公司郭洪武[6]指出了機(jī)械手的定義,發(fā)展過程,以及機(jī)械手的研究動(dòng)態(tài)。 近年世界機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛，未來工業(yè)機(jī)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(qū)動(dòng)集成技術(shù)，感知功能傳承模塊等。其實(shí)質(zhì)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(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的多種綜合技術(shù)結(jié)合在一塊，隨著機(jī)械手控制的系統(tǒng)化，將開發(fā)機(jī)械手的智能化控制。 （3）移動(dòng)功能的智能化 針對機(jī)械手的特定的功能需求，實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)場合的應(yīng)用需求，需要機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)，例如滑動(dòng)，滾動(dòng)，沿設(shè)置程序軌跡行走，爬行，跳躍等。 （4）系統(tǒng)應(yīng)用和集成 為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的集中自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程化控制，解決遠(yuǎn)距離的信息傳輸與控制，開發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器協(xié)調(diào)功能，群體智能和多機(jī)通信協(xié)議。 （5）安全性和可靠性 為了實(shí)現(xiàn)智能可靠性，機(jī)械手必須能夠及時(shí)應(yīng)對各種事故，具有自動(dòng)檢測、報(bào)警，包括硬件級別的自診斷和自修復(fù)故障的能力。 （6）小型化 機(jī)械手的功能實(shí)現(xiàn)智能化，也逐漸向小型化發(fā)展，針對小型化的機(jī)械手應(yīng)用主要在微加工，醫(yī)療設(shè)備，機(jī)械電子領(lǐng)域。 （7）多傳感器信息融合和配置技術(shù) 采用多傳感器配置與融合技術(shù)采用機(jī)械手各部件的信息，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件精確位置檢測與運(yùn)動(dòng)定位。新型傳感器的開發(fā)適應(yīng)于生產(chǎn)過程機(jī)械手的控制，反饋信息的處理，然后向機(jī)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(jī)械手的相關(guān)文獻(xiàn)資料，掌握裝配機(jī)械手的工作原理與各部件的功能。根據(jù)機(jī)械手的條件，確定機(jī)械手的總體方案，坐標(biāo)形式，自由度及運(yùn)動(dòng)空間的計(jì)算等。然后對機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對機(jī)械手的腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、手腕、夾持手爪等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括對電機(jī)的選型，軸承的選擇及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 - 36 - 2.螺栓裝配機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的功能要求 根據(jù)螺栓裝配的工藝要求，設(shè)計(jì)一種四自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對螺栓的抓取、定位、旋緊等一系列動(dòng)作，以期替代人工作業(yè)，可有效提高自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率。 機(jī)械手主要的參數(shù)： （1）夾持力：250N； （2）移動(dòng)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(jī)械手選用類型：圓柱坐標(biāo)式與直角坐標(biāo)式組合。 2.2機(jī)器手的總體運(yùn)動(dòng)過程 螺栓裝配機(jī)械手的工作過程： （1）手臂3繞立柱2轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)回90°，并保持； （4）機(jī)械手整體沿著導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)，手臂3在沿著立柱2移動(dòng)；通過水平方向與垂直方向?qū)崿F(xiàn)對機(jī)械手的手抓位置調(diào)節(jié)，從而保證螺栓與螺栓孔的精確定位； （5）手爪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)手臂 沿著軸線方向進(jìn)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(gè)裝配動(dòng)作。 1基座 2立柱 3手臂 4手腕及手爪 圖2.1螺栓轉(zhuǎn)配機(jī)械手的方案簡圖 2.3各運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) （1）X軸移動(dòng)的傳動(dòng)方案 X軸的移動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)，從而帶著整個(gè)機(jī)械手沿X軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 （2）Z軸方向的升降與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方案 機(jī)械手臂沿Z軸方向的上下移動(dòng)是采用同步電機(jī)經(jīng)過齒形帶傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)氣缸作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 （3）機(jī)械手手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及手爪夾緊運(yùn)動(dòng)的方案 機(jī)械臂上手爪夾緊、松開以及擰緊的動(dòng)作過程是實(shí)現(xiàn)螺栓裝配的執(zhí)行動(dòng)作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過一系列運(yùn)動(dòng)，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在松開螺栓，機(jī)械臂在進(jìn)行下一次螺栓裝配動(dòng)作的循環(huán)。這一系列的工作過程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 3 機(jī)械手的橫向（X軸）移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 X軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 在驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，盡量選擇重量輕和小尺寸的材料。為了實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手主要可以分為由齒輪齒條傳動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，同步帶齒形皮帶傳動(dòng)，氣缸等驅(qū)動(dòng)。由于具備效率高，傳動(dòng)比精確，構(gòu)造緊湊，工作可靠，使用壽命長等，所以設(shè)計(jì)采用同步帶和絲杠機(jī)構(gòu)。 如圖3.1所示，X軸機(jī)架采用截面為矩形型材焊接而成，機(jī)架的作用是支承機(jī)械手本體，并將電機(jī)安裝在機(jī)架側(cè)面，各部件的聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。 傳動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到絲杠機(jī)構(gòu)，絲杠帶動(dòng)著螺母在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。 圖3.1 X軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案 3.2 電機(jī)功率計(jì)算與選型 步進(jìn)電機(jī)的選用時(shí)，參數(shù)有步角距、運(yùn)行頻率、空載起動(dòng)頻率和最大靜轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為： （3.1） 設(shè)計(jì)中同步帶輪的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪節(jié)圓直徑相等，所以。 是機(jī)械效率，移動(dòng)時(shí)有同步帶和導(dǎo)軌平摩擦兩種傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)的=0.95，導(dǎo)軌的摩擦傳動(dòng)的，取，有。 —軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； —軸的摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略）。 可以得到： （3.2） M—總負(fù)載質(zhì)量，g—重力加速度，—導(dǎo)軌動(dòng)摩擦的系數(shù)。 表3-1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算的參數(shù) M i 帶入公式求出負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候需要具有一定的轉(zhuǎn)矩來帶動(dòng)負(fù)載，電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩要大于，所以電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩大于。 步進(jìn)電機(jī)的選擇要參照脈沖當(dāng)量來確定電機(jī)的步距角的大小，精度要求?？扇∶}沖當(dāng)量，計(jì)算步距角： （3.3） 依照實(shí)際情況選擇=的步進(jìn)電機(jī)，對其進(jìn)行細(xì)分析以達(dá)到控制精度的要求。為步距角，計(jì)算脈沖當(dāng)量： （3.4） 根據(jù)以上設(shè)計(jì)中的計(jì)算選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。 表3-2 電機(jī)性能參數(shù) 電機(jī)型號 相數(shù) 步距角度 相電流 保持力矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量 56BYG250D 2 1kg 3.3 同步帶的計(jì)算與選型 3.3.1同步帶的傳動(dòng)特點(diǎn) 同步帶由與工作面上的齒和帶輪上嚙合的齒驅(qū)動(dòng)。有較高的抗拉強(qiáng)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(dòng)， 從而保證傳送過程中皮帶與皮帶之間的滑動(dòng)。 選用同步帶傳動(dòng)能夠確保較好的傳動(dòng)比，具有恒定的傳動(dòng)比，維修保養(yǎng)方便，費(fèi)用低等。同步帶適用的溫度，運(yùn)行的速度，運(yùn)行時(shí)的傳動(dòng)功率，傳動(dòng)比。 圖3.2 同步帶 3.3.2同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）電機(jī)的額定輸出功率估算為： 7.16W （3.5） （2）確定計(jì)算功率：機(jī)械手的工作制按8小時(shí)/天，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表4-1得，使用系數(shù)參數(shù)=1.7，則計(jì)算功率為: 12.17W （3.6） （3）小帶輪轉(zhuǎn)速： 上式中：f為頻率，T為固定步進(jìn)角度，這里取1.8°；X為細(xì)分倍數(shù)； 即對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以通過輸入脈沖頻率對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；本設(shè)計(jì)中f=3， 細(xì)分倍數(shù)X取0.02；計(jì)算小帶輪轉(zhuǎn)速n為90r/min； （4）選定同步帶帶型和節(jié)距：設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速比較小，帶的型號可以選取H型帶，節(jié)距 （5）主動(dòng)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(jì)算 傳動(dòng)比為，因此計(jì)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(jì)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(jì)算 傳動(dòng)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(jì)算 （3.10） 查表可知同步帶的許用工作壓力，單位長度質(zhì)量。同步帶的額定功率為： （13）計(jì)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(dòng)中，兩個(gè)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)尺寸 表3-5梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸 本設(shè)計(jì)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(dǎo)軌的計(jì)算與選型 3.4.1直線導(dǎo)軌的工作原理 導(dǎo)軌是滑塊運(yùn)行時(shí)的軌道，滑塊安裝在導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動(dòng)。直線導(dǎo)軌的應(yīng)用非常廣泛，例如在機(jī)床設(shè)備、精密自動(dòng)化設(shè)備、各種動(dòng)力傳輸、輸送線裝置、醫(yī)療和電子制造等領(lǐng)域。直線導(dǎo)軌的特性如下： （1）直線導(dǎo)軌具有高的定位精度； （2）裝配性能好，可互換，潤滑構(gòu)造簡單； （3）摩擦小，降低了所需驅(qū)動(dòng)力，且適用于高速運(yùn)動(dòng)； （4）承載能力強(qiáng)，能承受多個(gè)方向帶來的負(fù)荷； （5）滾動(dòng)代替滑動(dòng)； （6）使用壽命長。 圖3.4導(dǎo)軌零件圖 3.4.2初選導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度 選型中：X方向運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號為； Y方向的運(yùn)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌型號為； 導(dǎo)軌長度受到加工及安裝因素影響，會(huì)影響到整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度。導(dǎo)軌長度其公式為： L=H+S+△l-S1-S2 （3.12） 其中： 導(dǎo)軌的總長度； 滑塊滑動(dòng)的行程； 滑塊的導(dǎo)向面上的長度； 封閉的高度調(diào)節(jié)量； 滑塊滑至最高點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長度； 滑塊滑至最低點(diǎn)時(shí)導(dǎo)軌露出的長度。 計(jì)算得軸上的導(dǎo)軌長度為：Lx=1530mm。 3.4.3導(dǎo)軌副距離額定壽命 X方向上選用的導(dǎo)軌型號是，所以導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷為，額定靜載荷為 ； 機(jī)械手最大重量為: 滑塊的載荷計(jì)算： （1）導(dǎo)軌行程額定壽命為： （3.13） 以上： 額定壽命； 硬度系數(shù)；導(dǎo)軌硬度不得低于，可取fh =1； 導(dǎo)軌硬度值； —導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷； 當(dāng)量動(dòng)載荷； 滑塊所受最大載荷； 滑塊數(shù)量，這里為Z=4； 指數(shù)，導(dǎo)軌體為滾珠時(shí)；為滾柱時(shí)； 額定壽命單位，滾珠時(shí)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，故通常可取fh =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(shí)間的計(jì)算： （3.14） 有： —壽命時(shí)間； 額定壽命。 行程長度； —每分鐘往返次數(shù)。 則： 工作的情況：機(jī)械手的工作時(shí)間每天6小時(shí)，每年使用300天，則預(yù)計(jì)壽命年限為： 同樣可計(jì)算出Y方向滾動(dòng)導(dǎo)軌副額定壽命為： 3.4.4導(dǎo)軌的技術(shù)要求 刮研導(dǎo)軌：為了降低表面的粗糙度和提高耐磨性，需要對導(dǎo)軌的表面進(jìn)行刮研，最終是為了提高導(dǎo)軌接觸性、存油等。如表3-11： 表3-11磨削導(dǎo)軌的表面粗糙度 4 機(jī)械手的立柱及轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 立柱機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 在圖4.1中所示，機(jī)械手臂沿立柱（Z軸）方向的上下移動(dòng)是采用同步電機(jī)經(jīng)過齒形帶傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠與螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其手臂的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的手臂做90°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用回動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。 圖4.1 立柱機(jī)構(gòu)三維 立柱下部通過四個(gè)支座安裝在X軸機(jī)架上的直線導(dǎo)軌上，通過絲杠的形式與螺母機(jī)構(gòu)相連接，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的直線上下運(yùn)動(dòng)。本章對絲杠、螺母副機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 圖4.2 立柱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖 4.2 絲杠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.2.1絲桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特點(diǎn) 在設(shè)計(jì)中，絲杠機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要部件，通過螺紋驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的升降功能。選用絲杠機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊，高精度性等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)螺釘和螺母的運(yùn)動(dòng)方式，絲杠傳動(dòng)可分為以下幾種： （1）螺母是活動(dòng)的，螺母被絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)著在絲杠上移動(dòng)，如圖（a）所示； （2）螺母旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)著螺桿作直線運(yùn)動(dòng)，如圖（b）所示； （3）螺母沿直線運(yùn)動(dòng)，由于絲杠固定，所以兩端支撐結(jié)構(gòu)較簡單，但精度不高。如圖（c）所示； （4）螺桿旋轉(zhuǎn)把螺母帶著直線運(yùn)動(dòng)。適合長時(shí)間工作的絲杠。如圖（d）所示。 (a) (b) （c） （d） 圖4.3 螺桿傳動(dòng)的方式 本次設(shè)計(jì)的螺栓裝配機(jī)械手是采用了上圖（a）的運(yùn)動(dòng)方式，螺母固定不動(dòng)。 4.2.2螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和選材 螺桿傳動(dòng)時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)會(huì)受剛度影響。當(dāng)螺桿的形狀短粗，且垂直布置時(shí)，力傳遞的提升和螺桿、螺母可作為支撐結(jié)構(gòu)用。當(dāng)螺桿的形狀細(xì)長且水平布置時(shí)，應(yīng)在螺桿的中間部位加上支撐點(diǎn)，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(qiáng)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(jì)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(yīng)力為，取。 代入計(jì)算得：; 梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)，所以螺紋公稱直徑為，螺距，升角y為3.87°，當(dāng)量摩擦角為5.91°。 （2）螺桿強(qiáng)度計(jì)算 運(yùn)用第四強(qiáng)度理論公式計(jì)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力： （4.2） 扭矩： （4.3） y—螺紋中徑處升角； —當(dāng)量摩擦角； 45鋼的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)，取3。 （4.4） 故有： 上述參數(shù)滿足要求。 （3）計(jì)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(yàn)算 自鎖條件是 式中：為螺紋中徑處升角； 為當(dāng)量摩擦系數(shù)： （4.7） —螺紋工作面的牙形斜角； —當(dāng)量摩擦角。 查表得（取起動(dòng)時(shí)計(jì)算用最大值） 故 所以自鎖性可保證。 表4-2 螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fV 4.2.4絲杠螺母螺紋牙強(qiáng)度 絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，螺母零件的強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行校核。 圖4.4 絲桿螺母 螺紋牙的計(jì)算如下： 螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度： ； 螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)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(gè)因素： （1）允許空間； （2）載荷大小和方向； （3）軸承工作時(shí)的轉(zhuǎn)速； （4）軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)精度； （5）軸承的剛性； （6）軸承的軸向游動(dòng)。 本設(shè)計(jì)選用深溝球軸承，型號為。 查得軸承的額定動(dòng)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(zhuǎn)速為，可求出額定壽命： （4.8） 應(yīng)取， 是軸承的預(yù)期使用壽命。 軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷 和預(yù)期使用壽命 ，可求出額定動(dòng)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(zhuǎn)手臂的設(shè)計(jì) 4.3.1 手臂機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì) 手臂是在具有負(fù)載和速度下移動(dòng)的。在設(shè)計(jì)中，遵循以下原則： （1）關(guān)節(jié)軸需要相互平行。 （2）機(jī)械臂選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間的要求。 （3）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和材料的重量應(yīng)盡量最小，選擇輕質(zhì)的材料，這樣可以提高機(jī)械手的精度 （4）機(jī)械手的機(jī)械臂要盡量的平衡重量。 （5）機(jī)械臂需要具備具有緩沖能力的接頭限位開關(guān)和機(jī)械限位塊。結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。 圖4.5 手臂三維圖 回轉(zhuǎn)氣缸和導(dǎo)向頭的進(jìn)排氣通道固定不動(dòng)，但是缸體可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)。由氣缸蓋、缸體、活塞和活塞桿組成回轉(zhuǎn)氣缸。當(dāng)回轉(zhuǎn)氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力驅(qū)動(dòng)氣缸體、氣缸蓋和導(dǎo)向頭轉(zhuǎn)動(dòng)，而活塞和活塞桿只能用于往返直線運(yùn)動(dòng)。 圖4.6 回轉(zhuǎn)氣缸 機(jī)械臂上的手爪對螺栓進(jìn)行裝配的動(dòng)作，即機(jī)械手先夾緊需要裝配的螺栓，機(jī)械臂經(jīng)過一系列運(yùn)動(dòng)，將螺栓放置在螺栓孔匹配位置，然后通過手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將螺栓擰入到螺栓孔內(nèi)；此時(shí)，機(jī)械手爪在把螺栓松開，然后機(jī)械臂在進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。這一系列的工作過程中，機(jī)械手的夾緊采用手爪氣缸，手腕的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 圖4.7 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖 4.3.2手臂旋轉(zhuǎn)氣缸的計(jì)算與選型 手臂繞立柱上部的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這里考慮計(jì)算旋轉(zhuǎn)力矩與慣性力矩作用，需要保證力矩的平衡，按如下公式計(jì)算： 得 ； （4.10） 整理得： （4.11） 運(yùn)動(dòng)件的總重力； 重心到支撐點(diǎn)的距離 支撐點(diǎn)到重心的長度; 當(dāng)量摩擦系數(shù)。 導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 手臂慣性力的計(jì)算： 本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是，設(shè)啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)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(jì)算出氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 5 手腕及手爪設(shè)計(jì) 5.1 腕部的設(shè)計(jì)要求 （1） 腕部的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕； （2） 結(jié)構(gòu)考慮合理布局； （3） 必須考慮工作條件。 5.2 腕部的結(jié)構(gòu) （1） 自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定。 （2） 齒條活塞驅(qū)動(dòng)式的腕部結(jié)構(gòu)。 （3） 自由度為2的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)中手腕的回轉(zhuǎn)角度是，腕部結(jié)構(gòu)可以選擇為自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)。 5.3 腕部的計(jì)算 機(jī)械手可抓取的重物最大為，手腕可以回轉(zhuǎn)。腕部所需要的力矩，腕部的摩擦力矩。 5.3.1 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 計(jì)算力矩： （1） 液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件近似一個(gè)圓柱，它的高為，直徑 摩擦力矩。 當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)腕部轉(zhuǎn)過的角度為，等于。 （5.1） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 代入數(shù)值得： 5.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 表液壓缸的內(nèi)徑系列 （mm） 設(shè)定腕部部分尺寸：根據(jù)表設(shè)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(dòng)片寬度,輸出軸 .如圖5-1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力： ，選擇8Mpa 圖5.1 腕部液壓缸的剖截面圖 表 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 5.3.3 液壓缸蓋的螺釘設(shè)計(jì) 表 t與P之間的關(guān)系 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，在螺釘?shù)倪B接中，每個(gè)螺釘承受的拉力應(yīng)為： （5.2） 因此： 液壓缸,所以螺釘,試選擇8個(gè)螺釘，，所以螺釘數(shù)目選擇合適 Z=8 危險(xiǎn)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(shè)計(jì)中選擇了自由度為1的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。對腕部回轉(zhuǎn)力與回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆竭M(jìn)行了計(jì)算。 5.4手部結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jī)構(gòu)有多種，最常用的有爪型和吸氣型。選用不同的手機(jī)構(gòu)，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(guān)鍵旋轉(zhuǎn)，如圖5.3所示，腕關(guān)節(jié)通過獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞組自身軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺栓的擰緊。 圖5.2 手結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)中機(jī)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(jī)械手爪可旋轉(zhuǎn)360度。 根據(jù)上述中對機(jī)械手的要求，選用的是四桿機(jī)構(gòu)，如圖5.3所示。 圖5.3 機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，以下圖5.4是螺栓裝配機(jī)械手的三維圖。 圖5.4 螺栓裝配機(jī)械手三維 6.結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計(jì)可能是我們大學(xué)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(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)中首先對機(jī)械手的定義，發(fā)展及它的應(yīng)用，并對機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)進(jìn)行介紹。螺栓裝配機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)械手中的重要研究對象，已廣泛應(yīng)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(wù)書的要求我設(shè)計(jì)一款用于自動(dòng)抓取并完成螺栓裝配的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定了設(shè)計(jì)中機(jī)械手采用直角坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式結(jié)合的方案，確定為4自由度，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)與同步帶驅(qū)動(dòng)，采用絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)，采用回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)行，并對滑軌，機(jī)械手手爪執(zhí)行機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。 本次設(shè)計(jì)過程中不僅僅是對螺栓裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，還學(xué)到了很多新的知識，遇到了機(jī)械手其它方面的很多問題，在今后的工作學(xué)習(xí)中還得加以學(xué)習(xí)。通過平常在課堂中學(xué)到的CAD與SolidWorks的知識，讓我在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)畫圖模塊中得以應(yīng)用。還讓自己悟到了需要加強(qiáng)這些軟件的練習(xí)。在計(jì)算選型時(shí)，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(guān)機(jī)械手的資料，并得到老師的指導(dǎo)與建議，再結(jié)合自己大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識和同學(xué)的幫助使自己完成了本次設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1] 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Mechanism and Machine Theory, 2015, 85(12):64-81. 致謝 時(shí)間過得飛快，隨著本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，大學(xué)生活即將畫下一個(gè)完整的句號。首先，感謝我的指導(dǎo)老師向我伸出援助之手，他是大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院王建維老師，王建維老師在我遇到問題的時(shí)候總是耐心的為我講。，從這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題到題目的確定，再到中期進(jìn)度的逐步修改，最后到格式的調(diào)整及論文的完善，每個(gè)環(huán)節(jié)中王老師對我的監(jiān)督及指導(dǎo)都費(fèi)盡心思。做出了指導(dǎo)性的意見和推薦。其次，感謝室友及同學(xué)，在老師忙于自己事情的時(shí)候總是同學(xué)及舍友第一時(shí)間給我?guī)椭?。給我提供素材及相關(guān)資料。是他們陪伴我度過了大學(xué)四年的美好生活，與他們相處的每時(shí)每刻都讓我印象深刻；是他們給予了我克服困難的勇氣和信心；最后，感謝父母對我生活的照顧及學(xué)業(yè)生涯的支持，感謝他們無私的奉獻(xiàn)成就了今天的我。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)收獲的檢驗(yàn)，也是一次給予我們獨(dú)立學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，通過設(shè)計(jì)也能夠改變我們生活中的壞習(xí)慣。使我們能夠合理運(yùn)用所學(xué)知識解決問題，合理安排時(shí)間進(jìn)度等。從一開始的選題，開題報(bào)告，文獻(xiàn)的收集，到后來的說明書編寫等都經(jīng)過合理的安排。通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化了我獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力與自主創(chuàng)新的意識，讓我在今后的工作和學(xué)習(xí)中對知識的渴望充滿熱情！