中成藥瓶蓋旋緊機械手設(shè)計

中成藥瓶蓋旋緊機械手設(shè)計,中成藥,瓶蓋,機械手,設(shè)計 編號： 畢業(yè)設(shè)說明書 題 目： 中成藥瓶蓋旋緊機械手設(shè)計 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 教授 題 目 類 型 ： ?理 論 研 究 ?實 驗 研 究 ?工 程 設(shè) 計 ?工 程 技 術(shù) 研 究 ?軟 件 開 發(fā) 2008 年 6 月 5 日 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 1 頁 共 2 頁 摘 要 隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，尤其是微機單片機等技術(shù)的 出現(xiàn)以及他們的優(yōu)越的性能不斷完善，還有現(xiàn)代測試技術(shù)的滲透發(fā)展，為了能在 21 世 紀(jì)激烈的競爭中立于不敗之地，對各行各業(yè)提出了更高的要求，尤其是科技含量還有 就是效率，效率決定競爭的勝敗，因此很多傳統(tǒng)的手工作業(yè)，特別是機械行業(yè)必須要 求用現(xiàn)代化、自動化的機械代替人的工作，這樣可以節(jié)省人力，提高效率，提高競爭 力。因此就出現(xiàn)了工業(yè)機器人，可以代替人做不同的工作。后來為了使機器人更加專 用化，減少成本，簡單化，又要求一種特別的機器人，專用機械手就是其中一個。在 這里我將設(shè)計一個藥瓶蓋旋緊機械手，他是一個集機械、電氣、測試、微機于一體的 典型的機電一體化產(chǎn)品。由機械部分作為他的執(zhí)行機構(gòu)，電氣和液壓作為驅(qū)動機構(gòu)， 各種傳感器和電位器作為測試元件，單片機作為控制機構(gòu)的一個專用機械手。本設(shè)計 本著簡單、實用、經(jīng)濟、高效的原則，僅是為瓶蓋旋緊而特地設(shè)計的專用機械手，他 只有三個自由度，包括手臂的升降、手臂的旋轉(zhuǎn)還有手腕的旋轉(zhuǎn)的三個自由度。他是 由液壓控制手臂的升降、回轉(zhuǎn)和手指的夾緊放松，用步進(jìn)電機實現(xiàn)旋緊動作，用壓力 傳感器測定是否夾緊，防止夾壞或者夾不穩(wěn)。這種設(shè)計既簡單又能實現(xiàn)所要的功能， 是一個圓柱坐標(biāo)式機械手。本論文將對這個專用機械手進(jìn)行方案的設(shè)計、分析、比較 然后確定最優(yōu)方案，還要進(jìn)行強度硬度等有關(guān)的校核、以及尺寸的確定，最后畫出總 裝配圖。 關(guān)鍵詞：專用機械手；旋緊；單片機控制；混合驅(qū)動；計算校核 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 2 頁 共 2 頁 Abstract As the mechanical industry unceasingly develops, science and technology change with each passing day, especially the appearance of microcontroller and microcomputer makes it develop faster with their excellent function that is perfecter, meanwhile, which is with infiltration of development of modern measuring and testing technique. For standing up for ever in cutthroat competition in the 21st century, pushing all walks of life needs higher requirement, especially including Scientific and technological content and efficiency, because efficiency decides who will be winner, much traditional work of hand esecially for Machinery Industry must require to use the machines of modernization and automation to do work commonly done by persons, so it can save manpower, improve efficiency and improve the competitive power. So industrial robot appears with the very reasons, who can replace people to do different jobs. Then for the purpose of speciality in robot , reducing cost and simplification, it requires a kind of special robot, to which special manipulator belongs. Here I will design a manipulator using for tightening cover of medicine bottle, it is typically a kind of product about mechanotronics, which includes mechnism、electric、testing and microcomputer. The parts of machine is actuator, electric and hydraulic pressure is driver, all kinds of sensors and potentiometer are used for testing components, microcontroller controls manipulator as control mechnasm. The special manipulator used for tightening the cover of medicine bottle has three DOF. Hydraulic pressure controls the movement and rotation of the arm and clamping and disentwining of hand of manipulator with wrist owning three DOF. Using step motor realize the action of tightening ,using force sensors measures whether it is clamped, which prevented parts to be broken or instable. This design is not only simple ,but also it can realize some function we need, it is a rectangular coordinate’s manipulator. This paper decides to most excellent solution through designing , anlyzing and comparing manipulator’s solution , meanwhile, by checking intensity, rigidity and so on and ensuring responding dimension, at last I draw general assembly drawing. Key words： special manipulator; tightening; microcontroller control; couple driving; checking calculation 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 1 頁 共 2 頁 目 錄 引言 ........................................................................................................1 1 緒論 ...................................................................................................3 1.1 機械手設(shè)計的目的 .............................................................................................................3 1.2 機械手設(shè)計的內(nèi)容 .............................................................................................................3 1.3 機械手設(shè)計的要求 .............................................................................................................3 2 機械手的方案選擇 ..............................................................................4 2.1 機械手的組成 .....................................................................................................................4 2.1.1 執(zhí)行機構(gòu)............................................................................................................................4 2.1.2 驅(qū)動機構(gòu)............................................................................................................................5 2.1.3 控制系統(tǒng)............................................................................................................................5 2.1.4 基體....................................................................................................................................6 2.2 方案的比較選擇 .................................................................................................................6 2.2.1 手部的選定........................................................................................................................6 2.2.2 腕部的選定........................................................................................................................7 2.2.3 臂部的選定........................................................................................................................8 2.2.4 驅(qū)動系統(tǒng)的選定................................................................................................................9 3 計算校核 ..........................................................................................12 3.1 計算機械手手部的夾緊驅(qū)動力 .......................................................................................12 3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 .......................................................................................................14 3.3 臂部與機身的計算 ...........................................................................................................15 3.3.1 手部作升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算......................................................................15 3.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的計算..................................................................................................17 4 驅(qū)動的選擇 ...................................................................................................19 4.1 液壓控制部分 ...................................................................................................................19 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 2 頁 共 2 頁 4.1.1 液壓控制簡介..................................................................................................................19 4.1.2 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定..............................................................................................19 4.2 步進(jìn)電機控制部分 ...........................................................................................................25 4.2.1步進(jìn)電機的介紹............................................................................................................25 4.2.2選擇步進(jìn)電機................................................................................................................28 4.2.3選擇步進(jìn)電機的聯(lián)軸器................................................................................................29 4.2.4步進(jìn)電機的驅(qū)動方式選擇............................................................................................30 5 檢測和控制.......................................................................................32 6 設(shè)計總結(jié)..........................................................................................34 謝 辭 ...................................................................................................35 參考文獻(xiàn) ...............................................................................................36 附錄 1....................................................................................................37 附錄 2..................................................................................................................38 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 1 頁 共 40 頁 引言 首先我介紹一下機器人產(chǎn)生的背景，機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技 術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門 科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本 國的經(jīng)濟的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后以后開始進(jìn)行汽車的工業(yè)，那么這時候由于它人 力的缺乏，它迫切需要一種機器人來進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動 強度，這是從社會發(fā)展需求本身的一個需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必 然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā) 展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中,來 需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體 力勞動，實現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個 客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術(shù)， 計算機技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強大的技術(shù)保證。 那么下面我談一下就人們很關(guān)心的問題，為什么要發(fā)展機器人?那么簡單說，機器 人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個是機器人干人不愿意干的事，把人從有毒 的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時機器人可以干不好干的 活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個點， 就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機器人干人干 不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人 上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機器人，以及 在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)行搬遷的機器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的 三個問題，也就是說機器人發(fā)展的三個理由。 那么什么是機器人呢? 這個問題是一個非常有意思的一個問題。但人們一般的理解， 機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置或者叫自動化裝置，它仍然是個機器。 它有三個特點：一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能 完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點， 就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象和工作的一些要求。它是人造的 機器或機械電子裝置，所以這個機器人仍然是個機器。但是目前還沒有一個統(tǒng)一的有 關(guān)機器人定義，一般來說我們認(rèn)為機器人是計算機控制的可以編程的目前能夠完成某 種工作或可以移動的自動化機械，這是美國工程師協(xié)會定的一個定義，但日本和其他 國家也對機器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機器人定義來看，應(yīng)該 更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、 情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 2 頁 共 40 頁 那么比方說機器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬 運，它在生產(chǎn)線中搬運玻璃和各種各樣的一些零件的搬運的工作，還可以在生產(chǎn)線中 碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動中解放出來的一個例子。 那么什么是機械手呢？機械手就是一種簡單的機器人，實際上就是專用的機械手， 是一種可以模仿人的手和手臂的某些運動機能，能夠安裝給定的程序、軌跡和其他的 要求，實現(xiàn)抓取、搬運或者完成某些勞動作業(yè)的機械化、自動化的裝置。 那么總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于 把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一 個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信 息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再 現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它 總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個操作力的大小，這個工件 存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在 它這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺 的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑 覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體 的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形 狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。 那么第三代機器人，也是我們機器人學(xué)中一個理想的所追求的最高級的階段，叫 智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知 思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這 種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是 隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 下面我簡單介紹一下我國機器人發(fā)展的基本概況。剛才談到了日本在 20 世紀(jì) 60 年代和美國都在開始進(jìn)行機器人的研究，由于我們國家存在很多其他的各種因素、問 題。我們國家在機器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時我們在國家北京舉辦一 個日本的工業(yè)自動化產(chǎn)品展覽會，在這個會上有兩個產(chǎn)品，一個是數(shù)控機床，一個是 工業(yè)機器人，這個時候，我們國家的許多學(xué)者，看到了這樣一個方向，開始進(jìn)行了機 器人的研究，但是這時候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機器 人研究的時候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時 候，是在 1986 年我們國家成立了 863 計劃是高技術(shù)發(fā)展計劃，就將機器人技術(shù)作為 一個重要的發(fā)展的主題，國家投入將近幾個億的資金開始進(jìn)行了機器人研究，使得我 們國家在機器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 3 頁 共 40 頁 1 緒論 1.1 機械手設(shè)計的目的 專用機械手設(shè)計是機械制造、機械設(shè)計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要的教學(xué) 環(huán)節(jié)，是機械設(shè)計有關(guān)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的一個綜合設(shè)計課題。通過設(shè)計提高學(xué)生 的機構(gòu)分析與綜合的能力、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機電夜一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，掌握 實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。通過設(shè)計要求把有關(guān)的課程比如：機構(gòu)分析與綜合、 機械原理、機械設(shè)計、液壓與氣壓系統(tǒng)、測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微機和單片機原理及 應(yīng)用等從中獲得理論知識在實際中綜合起來加以運用，使這些知識的到鞏固和發(fā)展， 并使理論與實際密切的結(jié)合起來。同時機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)的學(xué)生的一 次比較完整的機電一體化整機的設(shè)計。通過設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立的機械整機設(shè)計能力， 樹立正確的設(shè)計思想掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基本方法和步驟，為日后工作打 好基礎(chǔ)。通過設(shè)計使學(xué)生能熟練的應(yīng)用有關(guān)參考資料、計算圖表、手冊、圖冊和規(guī)范； 熟練有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)，以完成一個工程技術(shù)人員在機械整機設(shè)計方面所必須 具備的基礎(chǔ)技能訓(xùn)練。 1.2 機械手設(shè)計的內(nèi)容 ⑴ 在調(diào)研、廣泛收集資料后擬定多種方案，經(jīng)過充分的分析論證后選擇最佳方案，完 成機械手總裝配圖設(shè)計。 ⑵ 完成部分零件圖紙、完成四萬字符的英文翻譯、兩萬字的畢業(yè)設(shè)計論文。要求論文 概念清晰，層次分明。 ⑶ 完成該機械手的單片機控制系統(tǒng)硬件配置圖及相關(guān)軟件的設(shè)計。 ⑷ 該機械手能自動完成規(guī)定的功能，也能按要求手動、分步完成規(guī)定的動作。 1.3 機械手設(shè)計的要求 ⑴ 要求機械手動作靈敏、準(zhǔn)確可靠。 ⑵ 要求能檢測藥瓶是否準(zhǔn)確到位，若檢測藥瓶沒有準(zhǔn)確到位，及時發(fā)出反饋的信號， 調(diào)整藥瓶的位置。 ⑶ 要求控制擰緊力矩，以防過緊擰壞瓶蓋或過松。 ⑷ 要求機械手有良好的適應(yīng)性。性能優(yōu)良，體積盡可能小，制造費用低。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 4 頁 共 40 頁 2 機械手的方案選擇 2.1 機械手的組成 機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部分關(guān)系如 2-1 圖所示： 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 位 置 反 饋 裝 置 執(zhí) 行 機 構(gòu) 工 件 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 位 置 反 饋 裝 置 執(zhí) 行 機 構(gòu) 工 件 圖 2-1 機械手組成框圖 2.1.1 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是由抓取部分包括手部、臂部、還有行走部件組成。 ⑴ 手部 即是直接跟工件接觸的部分，一般是回旋型或平移型（多為回旋型的，因其結(jié)構(gòu) 簡單） 。手爪多為兩指（也有多指的） ；根據(jù)需要分為外抓式或內(nèi)抓式兩種；也可負(fù)壓 式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。傳動機構(gòu)型式較多，常見的有：滑槽杠桿式、連 桿杠桿式、斜契杠桿式、絲杠螺母式等。 ⑵ 腕部 腕部是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓 取物體的方位。他可以上下 擺動、左右擺動、和繞自身軸線的回旋三個運動。如有特殊的要求手腕還可以有一個 小距離的橫移。也有的機械手沒有腕部的自由度。 ⑶ 臂部 手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)臂。多關(guān)節(jié)臂 還處在研究階段。 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 5 頁 共 40 頁 手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。 總括機械手的運動，離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是 直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、交流伺服馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和 步進(jìn)馬達(dá)等。 手臂有三個自由度，可以采用直角坐標(biāo)，圓柱坐標(biāo)，球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)四種方式。 直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，所以一般不多用，只有在自由度較少 的時候用之。 圓柱坐標(biāo)占用空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取地面的物體。 球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小。能抓取底面的 物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)機構(gòu)較復(fù)雜，所以不多用。 在本設(shè)計中選用了圓柱坐標(biāo)式。 ⑷ 行走機構(gòu) 有的機械手帶有行走機構(gòu)。 2.1.2 驅(qū)動機構(gòu) 有氣動、液動、電動、機械的四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采 用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但是臂力一般在 300N 以下。 液動式力氣大，臂力可以達(dá) 1000N 以上，且可以用電液伺服機構(gòu)，可以實現(xiàn)連續(xù)控制， 使機械手的用途和通用性更廣，定位精度在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的式氣動和液動驅(qū) 動的方式。電動式用于小型的，機械式一般用于動作簡單的場合。 2.1.3 控制系統(tǒng) 機械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運動速度和加減速度 等。 機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占 90% 以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存 貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進(jìn)行工作。 程序的存貯方式分為分離存貯和集中存貯兩種。分離存貯是將各種控制因素的信 息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯于插銷.飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶 內(nèi)，位置信息存貯于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。 集中存貯是將各種控制因素的信息全部存貯于一種存貯裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。 這種方式適用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況 下使用。 對動作復(fù)雜的機械手(機械人)，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手（機械 人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 6 頁 共 40 頁 控制系統(tǒng)以插銷板用得最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一凸輪分配 給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動一周便完成一個工作循環(huán)。 插銷板適用于裕要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板就可， 而同一插件又可以反復(fù)使用。 穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換。穿孔卡的 信息容量有限，但便于更換、保存、可重復(fù)使用。 磁芯和磁鼓僅適用子存貯容量較大的場合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動 作的復(fù)雜程度和精確程度來確定。 2.1.4 基體 基體是整個機械手的基礎(chǔ)。 2.2 方案的比較選擇 2.2.1 手部的選定 歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理。大致可以分為夾持和吸附兩大類。 夾持類主要用于所夾持的物體表面不是很光滑，特別是有螺紋的物體，而吸附式主要 用于表面特別光滑的物體利用真空吸附或者用能被磁鐵吸附的物體。本設(shè)計要求的是 瓶蓋的旋緊，通過比較可以選定用夾持式的手部。而夾持類主要是夾鉗式、鉤托式和 彈簧式。按其的運動方式又可以分為手指回旋型和手指平移型兩種。根據(jù)要求可以知 道選擇的是回旋型手指。夾鉗式的手部是由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的， 他對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸類、盤類、套類零件。一般 情況下，多采用兩個手指，少數(shù)采用三個指或者多個指。驅(qū)動裝置根據(jù)驅(qū)動源可以分 為液壓的、氣壓 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 7 頁 共 40 頁 圖 2-2 為連桿杠桿式手部 圖 2-3 為滑槽杠桿式手部 的和電動的等幾類形式。常用的傳動機構(gòu)往往通過滑槽、斜槽、齒輪齒條、連桿機構(gòu) 實現(xiàn)夾緊或松開的。根據(jù)需要，因為本設(shè)計要求是能夾緊瓶蓋并且能夠旋緊瓶蓋。而 根據(jù)他們的特點液壓和氣壓的很難能轉(zhuǎn)過 360 度角，而本設(shè)計要求旋緊一般都要求大 于 360 度，雖然齒輪齒條、連桿機構(gòu)能夠轉(zhuǎn)過 360 度，但是這兩種結(jié)構(gòu)對于這種只要 求簡單動作的機械手來說，又太復(fù)雜了，又大材小用的感覺，而恰好用電動能夠?qū)崿F(xiàn) 任意的角度的旋轉(zhuǎn)，所以選擇電動作為手部的手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動源，而又由于液壓的準(zhǔn)確 性和穩(wěn)定性所以又選定又選定用液壓驅(qū)動來作為手部的夾緊和放松驅(qū)動源。 典型的回轉(zhuǎn)型手部有滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩類如上圖所示： 因為我選擇的驅(qū)動方式式用液壓來驅(qū)動機械手的放松和夾緊，又為了不占用太大 的空間，而兩個比較，連桿杠桿式結(jié)構(gòu)式個常開的手部，而且是驅(qū)動力是向下的時候 是夾緊，而滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)是驅(qū)動力向上的時候是夾緊，在結(jié)構(gòu)上后者會占用更 大的空間所以選擇了前者作為機械手的手部結(jié)構(gòu)。 2.2.2 腕部的選定 手腕部件具有獨立的自由度。如圖 2-4 所示： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 8 頁 共 40 頁 圖 2-4 為 腕部的自由度 手部的運動有：繞 X 軸轉(zhuǎn)動為回轉(zhuǎn)運動；繞 Y 軸運動為上下擺動；繞 Z 軸轉(zhuǎn)動稱 為左右擺動；有的甚至是沿 Y 軸或 Z 軸的橫向的移動。一般手部設(shè)有回轉(zhuǎn)的或加上一 個擺動的即可以滿足工作要求，一些動作較簡單的專用機械手，為簡化結(jié)構(gòu)，可以不 設(shè)腕部，而直接由臂部的運動來驅(qū)使手部搬運工件。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕運動機 構(gòu)是回轉(zhuǎn)液壓缸，或者氣壓缸，他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但是回轉(zhuǎn)角度較小，一般小于 270 度，并且要求嚴(yán)格的密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在本設(shè)計中我選定用 電動機來驅(qū)動手腕的轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)任意的角度。 因為為了簡化結(jié)構(gòu)（在保證能完成所要的動作的基礎(chǔ)上） ，所以選定手腕只要一個 自由度就可以了，就是只要他能夠繞 Y 軸轉(zhuǎn)動就可以了。 2.2.3 臂部的選定 手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓或氣壓）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂 部的受力情況分析，它再工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自 身運動又較多，故受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定 位精度等直接影響機械手的工作性能。 臂部設(shè)計的基本要求： ⑴ 臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕 ⑵ 臂部運動速度要高，慣性要小 ⑶ 手臂動作應(yīng)該靈活 ⑷ 位置精度要高 手臂的典型運動形式又：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向（或縱向）移動， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 9 頁 共 40 頁 回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動（俯仰） ；復(fù)合運動，如直線云和回轉(zhuǎn)運動組 合，兩直線云的組合。 首先，因為我要設(shè)計的是一個專用的機械手，完成以個簡單的動作，沒有必要手 臂的伸縮，也可以完成動作，所以只要手臂能夠回轉(zhuǎn)和升降就可以了，手臂所要實現(xiàn) 的動作是手臂回轉(zhuǎn)到瓶蓋所在位置（這個位置可以調(diào)整，一經(jīng)調(diào)整就是一個固定的位 置，起到自動定位的作用）然后夾緊缸動作把瓶蓋夾緊，手臂升起到一定的位置停止， 回轉(zhuǎn)到瓶子所在的位置（這個位置也是一個固定的位置，瓶子自動停止在固定的位置， 然后自動夾緊等待上蓋）下降，旋緊，放松，上升，又回轉(zhuǎn)到原來的位置，進(jìn)行下一 個循環(huán)。由所要實現(xiàn)的動作可以確定手臂的形式是只要升降機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)就可以了。 手臂的回轉(zhuǎn)和升降，通常由機身來實現(xiàn)，有三種典型的結(jié)構(gòu)： ㈠ 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機身結(jié)構(gòu) 手臂部件固定在升降臺上，升降臺下面與花鍵軸相連接?；剞D(zhuǎn)缸布置在升降臺的 下面?；剞D(zhuǎn)缸的動片與花鍵軸套固定，動片在壓力油的作用下回轉(zhuǎn)時，通過花鍵軸套 回轉(zhuǎn)，花鍵軸由兩個徑向滾珠軸承和一個平面推力軸承支撐在活塞桿上，活塞在升降 液壓缸內(nèi)做升降運動，帶動花鍵上移，花鍵既作為導(dǎo)向又傳遞扭矩。這種結(jié)構(gòu)能承受 較大的偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)運動的精度的 影響不可以忽視。 ㈡ 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu) 手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂做 回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿一體?；钊麠U內(nèi)裝一花鍵套與固定花鍵軸 配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，導(dǎo)向桿在活塞桿內(nèi)部，結(jié)構(gòu) 緊湊。但是回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大，剛性較差。 比較以上兩種，因為本設(shè)計要求的回轉(zhuǎn)精度要求比較高，而第一種類型不能滿足。 第二種雖然運動部件較大，剛性較差，但是這種是專用的機械手，要完成的動作所要 求的力矩，也就是動力不是很大，所以復(fù)符合要求，選定第二種結(jié)構(gòu)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 10 頁 共 40 頁 圖 2-5 為回轉(zhuǎn)缸在升降缸之上結(jié)構(gòu) 2.2.4 驅(qū)動系統(tǒng)的選定 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常有多種，常用的有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動等幾 種基本的方式。一臺機械手可以統(tǒng)一用一種方式驅(qū)動，也可以用幾種方式驅(qū)動。各種 驅(qū)動方式都有自己的特點和使用范圍，因此，我們要了解他們，并從使用機械手的技 術(shù)經(jīng)濟要求出發(fā)，在分析比較他們的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的情況，合適地選擇 所用的驅(qū)動系統(tǒng)。以下是幾種驅(qū)動方式的比較： ⑴ 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點： ① 輸出的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩大:液壓因其不可壓縮性，可以傳遞高達(dá)每平方厘米二、三 百公斤的壓力（通常使用的壓力為 5~140 公斤/ 平方厘米，而機械手中多用 6~70 公 斤/平方厘米） ，所以，它驅(qū)動的機構(gòu)，可以達(dá)到若干噸的作業(yè)力量，而通常在機械 手作業(yè)中的力量，要小得多，目前一般多為 10~100 公斤左右。所以，它具有較大 的潛在力可供利用. ② 體積小:因為可以把動作油缸直接作為關(guān)節(jié)的一部分，故結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，剛性好 . ③ 控制性能好由于油在低壓工作中不可以壓縮性，能夠方便地進(jìn)行壓力和流量的控制， 實現(xiàn)各種運動的無級調(diào)速和緩沖定位。如可以實現(xiàn)任意速度的進(jìn)行位移，并在任意 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 11 頁 共 40 頁 位置停止，并以較高精度定位。并且由于它反應(yīng)靈敏，便于構(gòu)成液壓伺服系統(tǒng)，而 實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 ④ 使用性能好，由于油液本身能自我潤滑液壓元件，有利于延長其使用的壽命，并且， 在系統(tǒng)中，一般都裝有安全閥，可以有效的防止過載現(xiàn)象的發(fā)生。維修方便。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的缺點： ① 費用高：液壓元件本身，制造成本較高，這是由于對它的加工要求較高所致。另外， 油路一般比較復(fù)雜，而所用油液。又需要定期更換，所以，其總費用是比較高的。 ② 作業(yè)環(huán)境條件又限制，因液壓系統(tǒng)中的油液粘度，會隨溫度而變化，從而影響其工 作性能，特別在高溫及低溫時，不能應(yīng)用，而且，油液容易燃燒，故應(yīng)注意其工作 環(huán)境的溫度。另外，在油液中混入氣泡、水分等，也會使系統(tǒng)工作性能變壞。油液 的泄露，也會影響工作的穩(wěn)定和定位精度，并污染環(huán)境。所以液壓驅(qū)動宜用于不怕 油液污染的常溫的環(huán)境中，且要求輸出力大而速度較低的場合。 ⑵ 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點： ① 動作迅速： 因為壓縮空氣粘性小、流速大（它在管路中的流速，可以達(dá) 180/秒左 右， 而油液僅為 2.5~4.5 米/秒左右） ，故動作很快。不過，在作業(yè)中，應(yīng)注意在執(zhí)行機 構(gòu)接近行程終點時，防止由于動作太快而產(chǎn)生沖擊及越程。 ② 氣體的供應(yīng)和排放較方便:：由于空氣取用較方便，不用購買，只需要開動空氣壓縮 機既可獲的壓縮空氣。由于空氣粘性很小，故管路壓力損失也很小，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距 離的輸送。而用后的空氣，可以直接派人大氣，一般情況下不會造成污染，維修方 便。 ③ 總花費較低： 由于結(jié)構(gòu)簡單，制造也比較容易，故價格相對較便宜。使用中的花 費 也比液壓驅(qū)動要小，故中花費也相對較低。 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的缺點是： ① 驅(qū)動力?。河捎诳蓧嚎s性很大，一般只適用于低壓，所以，其驅(qū)動力較小。一般用 壓縮空氣驅(qū)動的機械手，常用于 10 公斤以下的物體。 ② 控制性能較差：由于空的可壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，故運動穩(wěn)定性 差。執(zhí)行機構(gòu)的體積太大，因空氣傳遞的壓力小，所以，驅(qū)動汽缸等氣動元件的體 積都相對較大。 ③ 排放時有噪音：使用后的壓縮空氣，大氣排放時，會產(chǎn)生噪音，故宜裝置消音器。 氣中含有水汽而對使用不利：因壓縮空氣中往往含有水汽，易造成氣壓系統(tǒng)的銹； 而在低溫下，則由于冷凝結(jié)冰，有可能使啟動困難。所以：氣壓驅(qū)動，宜用于驅(qū)動力 小于 30 公斤，但是要求速度快的場合，也適用于在易燃易爆、溫度較高和塵土大的場 合。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 12 頁 共 40 頁 電機驅(qū)動的優(yōu)缺點： 步進(jìn)電機是純粹的數(shù)字控制電動機。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成 角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于微機或單片 機控制。 圖 2-6 總裝配簡圖的主視圖 步進(jìn)電機有如下特點： ① 步進(jìn)電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤 差,具有良好的跟隨性。 ② 由于步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)樹控系統(tǒng)，既非常簡單廉價，有非常可靠。 同 時它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 ③ 步進(jìn)電機的動態(tài)響應(yīng)快，容易起停，正反轉(zhuǎn)及變速。 ④ 速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大的轉(zhuǎn)矩，因此，一 般可不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 ⑤ 步進(jìn)電機存在震蕩和失真的現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 ⑥ 步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 13 頁 共 40 頁 ⑦ 步進(jìn)電機自身的噪音很震動大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 本設(shè)計的要求是速度一般，驅(qū)動力不大，但是控制性要好體積不要太大，通過對 比選定是用液壓驅(qū)動手臂的升降和回轉(zhuǎn)和手部的夾緊、放松，而用電機驅(qū)動手部的回 轉(zhuǎn)（因為要回轉(zhuǎn)的角度大于 360 度，用步進(jìn)電機可以很容易的實現(xiàn)） 。 小結(jié)：最后選定手部用連桿杠桿式；腕部選定為一個自由度（回轉(zhuǎn)）的簡單結(jié)構(gòu); 臂部選定為回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)選定為用液壓驅(qū)動手臂的升降和 回轉(zhuǎn)和手部的夾緊、放松，而用電機驅(qū)動手部的回轉(zhuǎn)。結(jié)果畫出總裝配簡圖的主視圖 為. 3 計算校核 3.1 計算機械手手部的夾緊驅(qū)動力 圖 3-1 為連桿式手部結(jié)構(gòu)，作用在拉桿 3 上的驅(qū)動力為 F，兩連桿 2 對拉桿的反 作用力為 F1 和 F2,其方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向 O 點并與水平方向成 а 角。 由拉桿的力平衡條件得 圖 3-1 為手部受力分析圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 14 頁 共 40 頁 ∑F X = 0 得 F1=F2 ∑F Y =0 得 F1= （3-1）?sin2 F1=-F1 ∑M 01(F)=0 得 F1’h =FNb （3-2） ∵h(yuǎn)=ccosα ∴F=tg F N （3-3） （1）如上 3-1 圖所示受力分析 由調(diào)查可知要旋緊瓶蓋要的力大概都在 3 N·m 以下，所以可以計算最大的夾緊了， 就是瓶蓋最大的時候了，計算如下： F×f×d=3 而 d=60 mm,f 塑料經(jīng)查資料的 0.6，所以 FN=3/0.6×0.06=83.3 N F= tg FN= tg600×83.3=288.7 N （3-cb26? 4） （2）設(shè) K1=1.5 垂直方向的移動速度為 60 mm/s,機械手達(dá)到最高速度的響應(yīng) 時間是 0.5 s K2=1+ =1+ =13.2 （3-ga8.950/6 5） K3=1.03 根據(jù)驅(qū)動力公式得： FNmin =1.5×13.2×1.03×0.03×10=6.0 N（在這里設(shè)瓶蓋為 30 克） 而 F N=83.3 N ≥ FNmin=6.0N 所以符合要求 Fmin = tg600×6.0=20.8 N26? 而 F=288.7 N≥F Nmin = Fmin /0.85=23.5 N 所以符合要求，在這里解釋一下為什么這兩個力相差那么大呢，那是因為不僅僅 要夾住瓶蓋還要提供扭力給瓶蓋來旋緊它 所以 F=288.7 N， F N =83.3 N 才可以滿足要求 （3）校核夾緊缸 由夾緊缸的公式得 F 實 =F=π （D 2-d2）p/4 （3- 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 15 頁 共 40 頁 6） 在這里液壓缸直徑為 D=40 mm,d=18 mm.(根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB828—66）)所以 得到 p=4F/π（D 2-d2）=0.274 MPa 3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時要克服以下幾種阻力： ⑴、腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M 摩 如圖所示 M 摩 = （F R1D1+FR2D2） （3-2f 7） 式中 F R1、F R2——軸承處支承反力（N） ，可以由靜力平衡方程求得； D1、D 2——軸承直徑（m） f ——軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承取 0.01～0.02；對于滑動軸 承取 0.1.為了簡化計算可以等效為 =0.1 ，圖中 G1、G 2、G 3、分別是工件的摩 M總 阻 力 距 重量（kg）,手部的重量，手腕轉(zhuǎn)動件的重量。 ⑵、克服由于工件重心偏置所需要的力矩 偏 圖 3-2 為手腕的受力分析圖 =G1e （3-8）M偏 式中 e ——工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）. ⑶、克服啟動慣性所需要的力矩 M 慣 啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 ω 及啟動所用的時間 ，可t啟 動 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 第 16 頁 共 40 頁 以按以下計算 =（J+ ）ω/ （3-9）M慣 J工 件 t啟 動 式中 ——工件對手腕的回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N·m·s 2）;工 件 J ——手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N·m·s 2） ； ω——啟動過程所要的時間（s）,一般為 0.05～0.3s； 所以 手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動力矩為上述三項之和 = + + （3-M總 摩 偏 慣 10） 設(shè)啟動時間為 為 0.1s, ω=10π/s,由于工件是瓶蓋很輕，可以忽略不計算t啟 動 現(xiàn)在把整個手部，手腕一起等效為一個回轉(zhuǎn)圓筒，所以 J=m(l2+ ×3×3)/12 （3-R1 11） =9.65×( +9×0.0220.0342)/12=0.11 N·m·s220.368 =（J+ ）ω/ =0.11×10π/0.1=34.5 N·mM慣 J工 件 t啟 動 = + + =0.