工業(yè)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)--多功能機(jī)械手

1、 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程作品設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)作品名稱： 多功能機(jī)械手 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí)： 機(jī)電124班 2014 年 10 月 1 日1本設(shè)計(jì)（論文）課題來(lái)源及應(yīng)達(dá)到的目的：目前，我國(guó)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化。2本設(shè)計(jì)（

2、論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：分工：xx主要負(fù)責(zé)查閱各種資料為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供各種素材圖片，以及完成機(jī)械結(jié)構(gòu)cad的簡(jiǎn)圖畫(huà)制和機(jī)械手第一級(jí)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的拼裝，替換有問(wèn)題的電線；xx和xx主要負(fù)責(zé)平移機(jī)構(gòu)和仰俯機(jī)構(gòu)的制造拼裝以及整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的拼裝調(diào)試和機(jī)械手爪的拼裝，共同完成慧魚(yú)軟件的程序編程和把接線盒和電腦電機(jī)行程開(kāi)關(guān)連接在一起并完成排線的工作。以上是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)確定的任務(wù)，在產(chǎn)品的拼裝中任務(wù)的執(zhí)行各有參與，很多的機(jī)構(gòu)是共同討論得出的結(jié)論。技術(shù)要求：各部件連接穩(wěn)固，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，能夠靈活編程。工作要求：產(chǎn)品實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定。 成績(jī)： 教師（簽名）： 年

3、 月 日 目錄一 課題概述21、選題背景22、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)33、研究調(diào)研4二 機(jī)械手組成及工作過(guò)程61、整體結(jié)構(gòu)分析62、所需器材63、底座部分84、軀干部分95、上臂部分106、手爪部分117、機(jī)械手系統(tǒng)的總調(diào)試12三 軟件部分131、機(jī)械手軟件編制流程圖132、機(jī)械手運(yùn)行控制程序圖14四 設(shè)計(jì)體會(huì)15一 課題概述1、選題背景隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品和各種創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人的作用在裝配制造業(yè)產(chǎn)業(yè)中的地位更加重要了。另一方面隨著人們生活水平的提高傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高，這也使企業(yè)意識(shí)到用高速準(zhǔn)確的機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作的重要性。其中機(jī)械手是其發(fā)展

4、過(guò)程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說(shuō)是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)

5、水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。在這樣一個(gè)大的背景下結(jié)合自己的專業(yè)機(jī)電一體化，我們選擇多功能機(jī)械手來(lái)作為我們的設(shè)計(jì)題目。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)使用德國(guó)慧魚(yú)機(jī)器人教學(xué)模型作為我們實(shí)現(xiàn)這一課題的元件。利用慧魚(yú)模型的各種機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝出機(jī)械手的機(jī)械部分，用pc編程實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的自動(dòng)控制，利用限位開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)電機(jī)和控制機(jī)械手位置的準(zhǔn)停。這個(gè)課題可以充分的體現(xiàn)機(jī)電一體化的由程序自動(dòng)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)自己以前的所學(xué)的課程也是一種鞏固。另一方面這個(gè)機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)一定的搬運(yùn)功能具有很強(qiáng)的實(shí)用性能。2、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面

6、，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。   圖1-1 國(guó)內(nèi)機(jī)械手國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以

7、及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3m/s，量新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2kg的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100kg。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)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型

8、化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。圖1-2 國(guó)外機(jī)械手3、研究調(diào)研工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： （ 1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動(dòng)位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動(dòng)空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸

9、臂式，龍門(mén)式，天車式三種結(jié)構(gòu)。（ 2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度相對(duì)較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。（ 3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。（ 4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在

10、工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。由于本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容為搬運(yùn)機(jī)械手，因此選擇球坐標(biāo)機(jī)械手，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。二 機(jī)械手組成及工作過(guò)程1、整體結(jié)構(gòu)分析如圖2-1所示，此機(jī)械手有底座轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度、軀干前后移動(dòng)的自由度、機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的自由度機(jī)，總共三個(gè)自由度。另外機(jī)械手爪有夾緊和松開(kāi)物體的功能。由三個(gè)電機(jī)控制三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)控制機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)；一個(gè)控制軀干前后平移運(yùn)動(dòng)；一個(gè)通過(guò)絲杠螺母的牽引來(lái)控制機(jī)械手的仰俯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然還有一個(gè)電機(jī)用來(lái)控制機(jī)械手本身的夾緊和松開(kāi)。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停和對(duì)電機(jī)的保護(hù)我們使

11、用了七個(gè)的限位開(kāi)關(guān)用來(lái)控制運(yùn)動(dòng)的位置。由于手爪本身結(jié)構(gòu)的限制手爪抓緊用延時(shí)來(lái)控制。這種機(jī)器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關(guān)節(jié)式球面機(jī)器人。然后通過(guò)pc編程調(diào)試觀察機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到應(yīng)有的技術(shù)水平，并作出相應(yīng)的改變以及對(duì)編程數(shù)據(jù)的修改等。圖2-1機(jī)械手整體實(shí)物圖2、所需器材此機(jī)械手用到了四個(gè)電機(jī)，由于底座部分負(fù)載較大，采用了大功率直流【9v 2.4瓦 】電機(jī)，其他部分負(fù)載相對(duì)較小，采用了普通直流電機(jī)【9v雙向】圖2-2慧魚(yú)機(jī)器人中普通電機(jī)和大功率電機(jī)此外，此機(jī)械手還用到了7個(gè)行程開(kāi)關(guān)，用來(lái)限制各運(yùn)動(dòng)部件的位置以及保護(hù)電機(jī)與機(jī)械部件，通過(guò)編程為各運(yùn)動(dòng)部件之間添加了邏輯關(guān)系。底座部分用到兩個(gè)行

12、程開(kāi)關(guān)，軀干部分用到兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)，上臂部分用到兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)，手爪部分用到一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，七個(gè)行程開(kāi)關(guān)均采用常閉觸電（即在程序中1-0的對(duì)應(yīng)表示）圖2-3行程開(kāi)關(guān)外觀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)另外還需要以下主要器材：圖2-4控制板圖2-5六面體及六面體的拼接圖2-6萬(wàn)向節(jié)、減速器圖2-7渦輪和蝸桿圖2-8螺旋傳動(dòng)圖2-9金屬桿、連接桿、傳動(dòng)軸3、底座部分機(jī)械手的底座部分如圖2-10所示，通過(guò)此蝸輪蝸桿裝置，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)180度的大范圍旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)部分由電機(jī)、變速箱、蝸輪蝸桿組成。傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱蝸輪蝸桿整體旋轉(zhuǎn)（負(fù)載）。 圖2-10 機(jī)械手回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖圖2-11回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖4、軀干部分機(jī)械手的軀干部分如圖

13、2-12所示，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前后運(yùn)動(dòng)。通過(guò)絲杠與螺母的牽引關(guān)系，軀干部分能平滑的在工作臺(tái)上前后移動(dòng)。傳動(dòng)部分由電機(jī)、變速箱、絲杠螺母副、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。該部分的傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱絲桿傳動(dòng)負(fù)載。 圖2-12前后平移機(jī)構(gòu)實(shí)物圖圖2-13前后平移機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 5、上臂部分 機(jī)械手的上臂部分如圖2-14所示，通過(guò)與底座的“肩關(guān)節(jié)”實(shí) 現(xiàn)上下的擺動(dòng)。傳動(dòng)部分由電機(jī)、減速箱、絲杠螺母副、連桿機(jī)構(gòu)組成。其傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱絲桿傳動(dòng)連桿。 圖2-14仰俯機(jī)構(gòu)實(shí)物圖 圖2-15仰俯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖6、手爪部分 如圖2-16所示，機(jī)械手通過(guò)“肘關(guān)節(jié)”與上臂連接，使“爪子”實(shí)現(xiàn)在保持與地面平行的同時(shí)也可以上下移動(dòng)，而通過(guò)聯(lián)軸器

14、和絲桿的作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊和放松。傳動(dòng)部分由電機(jī)、減速箱、絲杠螺母副、連桿機(jī)構(gòu)組成。其傳動(dòng)鏈為：電機(jī)變速箱聯(lián)軸器（2個(gè)）絲桿傳動(dòng)（滑動(dòng)副）機(jī)械手夾緊（放松）。 圖2-16機(jī)械手實(shí)物圖 圖2-17機(jī)械手簡(jiǎn)圖7、機(jī)械手系統(tǒng)的總調(diào)試在進(jìn)行系統(tǒng)的總調(diào)試之前，先要進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的檢查，保證機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、沒(méi)有卡死現(xiàn)象，各個(gè)開(kāi)關(guān)能正常閉合和松動(dòng)，每個(gè)電機(jī)進(jìn)行通電檢查；然后將控制模塊、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、接口模塊3個(gè)部分連接好進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的總體調(diào)試。這樣做可以提高總調(diào)試的成功率，避免當(dāng)系統(tǒng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難以找到故障所在位置。三 軟件部分1、機(jī)械手軟件編制流程圖利用此機(jī)械手實(shí)現(xiàn)從某個(gè)指定地點(diǎn)抓取貨物，然后機(jī)械手到達(dá)另一指定

15、地點(diǎn)后放下貨物，然后再回到抓取貨物指定地點(diǎn)抓取貨物，如此往復(fù)循環(huán)，直到按下停止指令機(jī)械手才停止工作。具體流程如圖3-1所示： 開(kāi)始整體初始 手爪張開(kāi)化 放下物體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 機(jī)械臂放 旋轉(zhuǎn)到指 下 定位置 平移機(jī)構(gòu) 平移機(jī)構(gòu)平移到指 到確定位 定位置 置機(jī)械臂 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)放下 倒轉(zhuǎn)指定 位置 手爪張 平移機(jī)構(gòu)開(kāi) 到指定位 置 手爪閉合 機(jī)械臂 抓緊物體 抬起圖3-1機(jī)械手程序流程圖2、機(jī)械手運(yùn)行控制程序圖m1為底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)，i1，i2為底座部分的行程開(kāi)關(guān)；m2為軀干部分電機(jī)，i3，i4為軀干部分行程開(kāi)關(guān);m3為上臂部分電機(jī)，i5，i6為上臂部分行程開(kāi)關(guān)；m4為手爪部分電機(jī)，i7為手爪部分行程開(kāi)關(guān)。具體程序圖如圖3-2所示：圖3-2機(jī)械手運(yùn)行控制程序圖四 設(shè)計(jì)體會(huì)在這個(gè)機(jī)電作品設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中，我們首先根據(jù)圖紙和零件，按照操作步驟，組裝出各個(gè)部件。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，最重要的是細(xì)心，準(zhǔn)確選齊零件，按照每個(gè)過(guò)程組裝好。在操作的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)零件安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致試驗(yàn)中用時(shí)過(guò)長(zhǎng)。然后總結(jié)出，要不斷的檢查，完全確認(rèn)好這個(gè)步驟做好后才做下一步。做模型的過(guò)程中，不僅僅是動(dòng)手，而且