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1、天津大学毕 业 设 计中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department学生姓名 系 别 机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年 6月目 录1 引言11.1 机器人概述11.2 机器人的研究历史及现状11.3 机器人的发展趋势22 手部的设计与计算32.1 手部的设计32.2 驱动方式32.3 手部夹紧力的计算52.4 弹簧的计算652.5 手部电机选择原则【7】72.5.1 一般执行电机的选择原则72.5.2 电机的选用82.6 手部电机参数计算92.7 电机转速与夹紧力速度几
2、何关系的确定103 手臂的设计与计算103.1 手臂结构设计103.2 手部质量计算113.2.1 爪子的质量计算113.2.2 手部外壳质量计算113.2.3 手部主轴的质量计算123.2.4 其它部件的质量估算123.3 手臂计算及电机选择134 结 论14【参 考 文 献】15致 谢16附录1：英文文献17附录2：英文文献翻译20摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平与应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、
3、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，一般采取示教再现的工作方式。针对用于给冲压设备运送物料的物料搬运机器人的手部系统进行设计。通过对机器人的大臂、小臂与机械手的结构的设计，选择合适的传动方式、驱动方式包括伺服电机、步进电机与传动方式的选择，以实现关节的伺服控制与制动问题，以及搬运时的抓紧力、抓紧方式，从而实现物料的准确搬运。关键词：机器人；机械手；伺服；制动ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree
4、 of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robot
5、s reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.To stamp
6、 out the equipment used to transport material material handling the robots hand to design the system. the robots arm, pudgy forearms and robot structure designed to choose a suitable transmission, including the servo motor drive mode and step into the motors and drive the way to achieve the capsules
7、 of the server to control and brake problems, and handling of no force, no way to achieve the accuracy of this material.KEY WORDS: robot; servocontrol; brake1 引言1.1 机器人概述“工业机器人”（Industrial Robot）多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置，国内称作工业机器人或通用机器人。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地
8、方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优点，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人【1】。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取与移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。一般而言，机器人通常就是由这三部分组成，这些系统的性能就决定了机器人的性能。如图 1 所示。图1 机器人的一般组成1.2 机器人的研究历史及现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出世界上
9、第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一个回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的【2】。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力开展机器人的研究【3】。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻与热处理等方面，无论是数量、品种，还是性能方面都还不能完全满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的工作环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定
10、的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就会导致零部件甚至机器人本身的损坏。我国虽然开始研制工业机器人的时间仅比日本晚56年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢【4】。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人的发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人的设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，现代工业机器人有以下几个发展趋势【5】：（！）提高运动速度与运动精度，减少重量与占用空间，加速
11、机器人功能部件的标准化与模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；（2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂与手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；（3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、与测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置与语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能
12、识别物体与躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。2 手部的设计与计算2.1 手部的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取与握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器与仿生多指灵巧手等。本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开与夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。
13、该设计采用两个手指，其外形如图2所示。图2 机械手手指形状 2.2 驱动方式机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动与电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表1。机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：(1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；(2)反应速度要快，即要求力矩质量比与力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；(3)驱动尽可能灵活，位移偏差与速度偏差要小；(4)安全可靠；对环境无污染，噪声要小；(5)操作与维护方便；(6)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点与机器人驱动系统的设计
14、要求，本文选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。表1 三种驱动方式的特点对照内 容驱 动 方 式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制。控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封
15、问题较大。结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小。伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险。防爆性能好，高于1000kPa时应注意设备的抗压性。设备自身无爆炸与火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差。对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染。排气时有噪声无在工业机械手中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人与托运机器人。适用于中小负载驱动、精度
16、要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度与轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等。成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂2.3 手部夹紧力的计算拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为8kg，其夹角为31度。根据工作位置与工作环境的需要，最终采用如图3所示结构。图3 手部结构简图手部机架采用铸钢铸造，其摩擦系数，重力加速度取。夹紧时由力学关系可以得到公式：，从而得到夹紧力由公式，知所需的驱动力夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力，拟定丝杠的大径，螺距设为，牙型角为的梯形普通螺纹。2.4 弹簧的计算6弹簧外形如图4所示。通过计算来确定弹簧的旋绕比、最大工作负荷、工作极限负荷、最小工作负荷、弹簧要求刚度、总圈数、有效圈数、单圈刚度等一系列有弹簧有关的数据来确定弹簧是否合格。图4 手部弹簧选用材料碳素弹簧钢丝弹簧材料的许用应力及必须按照负荷性质来确定。弹簧按负荷性质分为三类：类：受变负荷作用，次数在此以上的弹簧;类：受变负荷作用，次数在次或冲击负荷的弹簧;类：受变负荷作用，次数在次以下的弹簧。旋绕比C ；或查表1116，由表1116查得最大工作负荷，单位N， 工作极限负荷，最小工作负荷
