關節式自動上下料機械手設計說明書(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應盡可能相交于一 點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 。工 17 作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態要求，如果對機器人手腕的姿態提出具體的要求，則其手臂末端可實現的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態的工作空間。 ，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常 選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當于鋼的 1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 ，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整 機構。 ，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 18 定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現一 般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達 30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，不用再設計另外的執行件了；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。 因為液壓系統能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現的，關鍵是機械手運動的穩定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設 計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質 19 量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。 機械手腕部的結構設計 機器人的手臂運動（ 包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執行器在其工作空間中的運動姿態。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現安裝在手腕上的末端執行器的空間運動軌跡與運動姿態，完成所需要的作業動作。 機器人手腕結構的設計要求 ，應根據作業需要來設計。機器人手腕自由度數目愈多，各關節的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部 結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業要求來確定。在滿足作業要求的前提下，應使自由度數盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數為 2 至 3 個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現作業要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 ，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人 20 腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳 動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。 ，因此，要有標準的聯接法蘭，結構上要便于裝卸末端執行器。 ，以保證力與運動的傳遞。 ，以減小空回間隙，提高傳動精度。 ，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 設計具體采用方案 通過對數控機床上下料作業的具體分析，考慮數控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業時的 具體要求，在滿足系統工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業要求的， 3 個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯結梁）結構見圖 24。 21 水平液壓缸支承板手臂手爪聯結梁執行手爪 圖 24 手爪聯結結構 機械手末端執行器（手爪）的結構設計 機械手末端執行器的設計要求 機器人末端執行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業的附加裝置。機器人末端執行器的種類很多，以適應機器人的不同作業及操作要求。末端執行器可分為搬運用、加工用和測 量用等。 搬運用末端執行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業。 測量用末端執行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業。 22 在設計機器人末端執行器時，應注意以下問題； 。一個新的末端執行器的出現，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據作業的需要和人們的想象力而創造的新的機器人末端執行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執行器體積小、重量輕、結構緊湊。 。萬能末端執行器在結構上很復雜，甚至很難實現，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執行器。從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機器人末端執行器，加之以末端執行器的快速更換裝置，以實現機器人多種作業功能，而不主張用一個萬能的末端執行器去完成多種作業。因為這種萬能的執行器的 結構復雜且造價昂貴。 ，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化和積木化。 ，易于實現計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執行機構。因此，工業機器人執行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接 23 口中需要增加電 液或電 氣變換環節）。 機器人夾持器的運動和驅動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業機器人手爪，多為雙指手爪。 按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。 機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種 這種驅動系統是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節閥來調節其運動速度。由于氣動驅動系統價格較低，所以氣動夾持器在工業中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。 電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發熱。 液壓驅動系統傳動剛度大，可實現連續位置控制。 機器人夾持器的典型結構 利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。 24 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿 使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑 來調定。本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。手爪的具體結構形式如圖25 所示： 25 圖 25 機械手末端執行手爪結構圖 機械手的機械傳動機構的設計 工業機器人傳動機構設計應注意的問題 機器人是由多級聯桿和關節組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅動型機器人以外，機器人各聯桿及各關節的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動的。機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩定性 和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩、響應速度快、傳遞轉矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環節的動態性能相匹配等要求的傳動部件。 26 在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題： ，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。 ，以減小反向空回所造成的運動誤差。 ，動摩擦力應是盡可能小的正斜率， 若為負斜率則易產生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 ，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。 ，以達到提高系統分辨率、減少等效到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。 ，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等 措施。 ，機械零件產生共振時，系統的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統的失動量和反轉誤差增大，穩態誤差增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構的阻尼合適。 27 工業機器人常用的傳動機構形式 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。 機器人系統中齒輪傳動設計的一些問題 （ 1） 齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器用于伺服系統的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪 傳動比應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩。故齒輪傳動系統要有足夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區（失動量），若該死區是閉環系統中，則可能造成系統不穩定，常使系統產生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統的穩定性。 （ 2） 各級傳動比的最佳 分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統結構緊湊，滿足動態性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下： a．輸出軸轉角誤差最小原則。 為了提高齒輪傳動系統的運動精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒 28 輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出轉角精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉角誤差換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為 max?? ，則 )(1m ax / knni k i?? ??? ?? （ 21） 式中： k?? 第 k 個齒輪所具有的轉角誤差； )(kni 第 k 個齒輪的轉軸至 n 級輸出軸的傳動比。 則四級齒輪傳動系統的各級齒輪的轉角誤差（ 1?? 、 2?? 、 ...、8?? ）換算到末級輸出軸上的總轉角 誤差為 84 7643 54432 321m a x ????????? ????????????????? iiiiiii （ 22） 由此可知總轉角誤差主要取決于最末級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。因此，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。 b．等效轉動慣量最小原則。 利用該原則設計的齒輪系統要使換算到電動機軸上的等效轉動慣量最小，各級傳動比也是按照