六自由度搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄目錄 -1-摘要 -3-Abstract -4-第一章緒論 -5-1.1工業(yè)機(jī)械手的概述 -5-1.2本論文研究的主要內(nèi)容 -5-第二章機(jī)械手方案的創(chuàng)成和機(jī)械設(shè)計(jì) -6-2.1機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) -6-2.2與機(jī)械手有關(guān)的概念 -6-2.3設(shè)計(jì)方案 -7-2.3.1方案要求 -7-2.3.2方案功能設(shè)計(jì)與分析 -7-2.5后軸和大臂板剛度和強(qiáng)度分析 -10-2.5.1后軸和大臂板有限元模型的建立與解析 -11-2.5.2計(jì)算結(jié)果分析 -12-2.6機(jī)械手旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選取 -13-第三章運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 -16-3.1概述 -16-3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 -18-3.3運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 -20-3.4雅可比矩陣的推算和速度分析 -23-第四章工作空間分析 -26-4.1工作空間分析簡述 -26-4.1.1工作空間的概念 -26-4.1.2工作空間的形成 -26-4.1.3工作空間中的空腔和空洞 -27-4.2理想工作空間的包絡(luò)方程 -28-4.3實(shí)際工作空間分析和作圖 -32-第五章機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) -34-5.1手部設(shè)計(jì)基本要求 -34-5.1.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu) -34-5.1.2回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) -34-5.1.3平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) -35-5.1.4機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 -35-5.2腕部設(shè)計(jì)的基本要求 -37-5.2.2腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 -38-5.2.3腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) -38-5.3機(jī)身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的選擇 -40-5.4機(jī)械手最終設(shè)計(jì)三維圖 -40-第六章 系統(tǒng)控制部分 -41-6.1應(yīng)用背景與要求 -41-6.2組成部分 -41-6.2.1關(guān)節(jié)的限位控制 -41-6.2.2工件坐標(biāo)系的測(cè)量與計(jì)算 -41-6.2.3機(jī)械手的張合控制 -42-6.2.4公式之間的轉(zhuǎn)換 -42-6.2.5計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ) -42-6.3機(jī)械手系統(tǒng)的工藝流程 -42-6.4機(jī)械手控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析 -44-6.4.1PLC的資源分配 -44-6.4.2機(jī)械手系統(tǒng)的控制程序 -45-第七章結(jié)論 -47-7.1本論文取得的結(jié)果 -47-7.2設(shè)計(jì)中存在的問題 -47-7.3對(duì)本設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法 -47-致謝 -48-參考文獻(xiàn) -49-附錄一PLCI/O口分配圖 -51-附錄二示例程序 -52-摘要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)越來越受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機(jī)械手的使用變得越來越普及。因此，對(duì)于機(jī)械手技術(shù)的研究也變得越來越迫切，尤其是工業(yè)機(jī)械手方面。本論文作者針對(duì)這一領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一款擁有6個(gè)自由度的機(jī)械手。首先，作者針對(duì)該機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)最優(yōu)方案，同時(shí)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，用D-H法建立坐標(biāo)變換矩陣，推算了運(yùn)動(dòng)方程的正逆解，用矢量積法推導(dǎo)了速度雅克比矩陣；其次進(jìn)行工作空間分析；然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行校核。機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。本課題對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行了總體方案研究，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，工作空間分析，動(dòng)力學(xué)分析AbstractWiththedevelopmentofmodernscienceandtechnology,robotics,moreandmoreattentioninanincreasinglymodernizedindustrialproduction,theuseofrobotsbecomingmoreandmorepopular.Therefore,roboticshasbecomeincreasinglyurgent,especiallyindustrialrobots.Forthisarea,theauthorsdesignedarobotwith6degreesoffreedom.Firstofall,oftherequirementsforthedesignoftherobot,structuraldesignoptionsforanoptimalsolution,whileforthekinematicanalysis,coordinateswiththeDHmethodtoestablishthetransformationmatrixiscalculatedbyinversesolutionofequationsofmotion,derivedbyvectorproductmethodJacobianmatrixofspeed;followedbyspatialanalysiswork;anddynamicanalysis,thekeypartsofthecheck.Industrialmanipulatoristheinevitableproductofindustrialproduction,itisapartoftheupperextremityfunctiontoimitatethehumanbody,inaccordancewiththescheduledtransferjobsorholdingtoolsrequiredtooperatetheautomationequipment,automationofindustrialproduction,andpromotethefurtherdevelopmentofindustrialproductionplaysimportantrole,whichhasastrongvitalitybythewidespreadattentionandwelcome.Thesubjectoftheoveralltransportationplanmanipulatorstudiedtodeterminethecoordinatesofthemanipulatorformsanddegreesoffreedomtodeterminethetechnicalparametersofthemanipulator.KeyWords:manipulator,；kinematicanalysis；workspaceanalysis；dynamicanalysis加扣扣：1304139763或1064457796，購買發(fā)CAD圖紙及相關(guān)文檔第一章緒論1.1工業(yè)機(jī)械手的概述在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手一般是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，用于搬運(yùn)材料、工具、零件等或進(jìn)行裝配、加工等各種工作任務(wù)的特種裝置。工業(yè)機(jī)械手的定義有很多，綜合而言有以下幾個(gè)重要特征：(1)是一種類似人的手臂的機(jī)械裝置，用于搬運(yùn)材料、零件、工具等或進(jìn)行裝配、加工等各種工作任務(wù)。(2)是可以再編程的，用戶可根據(jù)工作環(huán)境編制各種程序流程，完成不同的作業(yè)任務(wù)。(3)是一種自動(dòng)控制裝置，在無人參與的情況下自動(dòng)按程序工作。(4)具有通用性，除專用的工業(yè)機(jī)械手外，一般工業(yè)機(jī)械手在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)有較好的通用性，如更換其手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)械手是由機(jī)械本體、關(guān)節(jié)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和通訊接口等組成，一般多關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)械手具有4～6個(gè)自由度，其中2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。1.2本論文研究的主要內(nèi)容本人系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)械手技術(shù)的知識(shí)，查閱了一些相關(guān)的文獻(xiàn)資料，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行了以下幾項(xiàng)工作：進(jìn)行機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計(jì)。進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推算運(yùn)動(dòng)方程的正、逆解。分析機(jī)械手操作臂的工作空間，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)操作臂各個(gè)桿件的長度進(jìn)行選擇和確定。（4）對(duì)機(jī)械手操作臂進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)操作臂進(jìn)行強(qiáng)度校核第二章機(jī)械手方案的創(chuàng)成和機(jī)械設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)串聯(lián)機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的。需要建立一套針對(duì)空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系是動(dòng)力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化。因此，機(jī)械手是一個(gè)多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)耦合、位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，所以，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性再變形的累積使機(jī)械手的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)特別注意剛度和精度設(shè)計(jì)。再次，機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到驅(qū)動(dòng)、控制等方面的問題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不同的。另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)械手在機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。2.2與機(jī)械手有關(guān)的概念自由度：工業(yè)機(jī)械手一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)的，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)械手的自由度。2.3設(shè)計(jì)方案2.3.1方案要求工業(yè)機(jī)械手大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料搬運(yùn)以及工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，本機(jī)械手為搬運(yùn)機(jī)械手。要求動(dòng)作靈活，自由度為6個(gè)，結(jié)構(gòu)緊湊，用于搬運(yùn)物料。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)其負(fù)重為100公斤。2.3.2方案功能設(shè)計(jì)與分析1．機(jī)械手自由度的分配和手臂手腕的構(gòu)形手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度。本題要求機(jī)械手手臂能達(dá)到工作空間的任意位置，而目標(biāo)物形狀大小和姿態(tài)則比較單一，同時(shí)要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)械手具有六個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)械手比非關(guān)節(jié)型機(jī)械手有更大的工作空間，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此決定采用關(guān)節(jié)型機(jī)械手。圖2.1該型機(jī)械手構(gòu)形旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來說，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。這里使用了六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂和手腕構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如圖。圖2.1該型機(jī)械手構(gòu)形前三個(gè)關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。2．傳動(dòng)系統(tǒng)的布置總體結(jié)構(gòu)方案確定后，作出機(jī)械手結(jié)構(gòu)草圖。在傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方面采用種以下這種方案，如圖所示。根據(jù)該方案進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2.2傳動(dòng)系統(tǒng)方案原理圖3．方案描述該機(jī)械手由機(jī)座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有六個(gè)自由度，依次為夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰（1）、左右搖擺、俯仰（2）、基座的回轉(zhuǎn)。基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機(jī)構(gòu)（包含液壓缸）可進(jìn)行俯仰動(dòng)作，幅度較大，可以滿足60-120度的俯仰要求，與此相連部分為左右搖擺機(jī)構(gòu)，能夠完成-60~60度的左右來回?cái)[動(dòng)，接著下去的是俯仰機(jī)構(gòu)，與搖擺機(jī)構(gòu)內(nèi)部類似，亦可完成-60~60度的上下俯仰動(dòng)作，最后的是旋轉(zhuǎn)部分與手指部分，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動(dòng)作。機(jī)構(gòu)采用液壓控制各自由度的動(dòng)作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨(dú)立，動(dòng)作時(shí)互不干涉。機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)械手應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)械手的電源為：220V，50Hz的交流電。由于該機(jī)械手功率較小，電動(dòng)機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點(diǎn)。故確定這種機(jī)械手的五個(gè)關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，開環(huán)控制，整機(jī)的旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)。由于一些關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩較大，因此統(tǒng)一采用帶減速器的步進(jìn)電機(jī)，而大臂和小臂俯仰運(yùn)動(dòng)的力矩較大，其出現(xiàn)的最大值分別為11Nm和5Nm，還要再進(jìn)行減速傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩為0.5Nm，配置的減速器的減速比為1：9，大臂和小臂為1：4的齒輪減速驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)中全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，可以將六個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)均置于回轉(zhuǎn)底座上，可以最大限度地減小扭矩，重心很穩(wěn)定，便于安裝和控制。參考PUMA560機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：關(guān)節(jié)1（T）：30/s(0.524rad/s)(5r/min)關(guān)節(jié)2（W）：15/s(0.262rad/s)(2.5r/min)關(guān)節(jié)3（U）：15/s(0.262rad/s)(2.5r/min)關(guān)節(jié)4（B）：30/s(0.524rad/s)(5r/min)關(guān)節(jié)5（S）：60/s(1.047rad/s)(10r/min)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：關(guān)節(jié)1（T）：0+360關(guān)節(jié)2（W）：0+90關(guān)節(jié)3（U）：-120+120關(guān)節(jié)4（B）：-1800關(guān)節(jié)5（S）：-180+1802.4方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析各部件組成和功能描述如下：(1)底座部件：底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動(dòng)部件等。底座支持整個(gè)操作機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，同時(shí)起減速作用。(2)腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、電機(jī)座、各傳動(dòng)部件、步進(jìn)電機(jī)等。作用是支承大臂部件，完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。五臺(tái)步進(jìn)電機(jī)均固定在腰部支架上。(3)大臂部件：包括大臂、張緊部件、各傳動(dòng)部件等。(4)小臂部件：包括小臂、張緊部件、各傳動(dòng)部件等。(5)手腕部件：包括傳動(dòng)齒輪、機(jī)械連接部件等。(6)末端執(zhí)行器：由于抓取的物體是圓柱形，尺寸相差不大，末端執(zhí)行器的開合范圍為20～40cm。手爪采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)采用絲杠驅(qū)動(dòng)平行四連桿機(jī)構(gòu)，如下圖2.3所示。圖2.3末端執(zhí)行器圖2.3末端執(zhí)行器2.5后軸和大臂板剛度和強(qiáng)度分析后軸是整個(gè)機(jī)械手本體中一個(gè)很重要的零件，是用來驅(qū)動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的零件。它的剛度直接影響整個(gè)機(jī)械手的精度。由于大臂和后軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了快速準(zhǔn)確地校核后軸的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求本人采用有限元單元法進(jìn)行分析。有限元法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展崦迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算機(jī)方法，對(duì)于完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析十分有效。其基本思想是將一個(gè)連續(xù)的求解區(qū)域劃分為適當(dāng)形狀的許多微小單元，并在各個(gè)小單元分片構(gòu)造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理將問題的控制微分方程化為控制所有單元的有限元方程，把總體的極值作為各個(gè)單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成包含指定邊界條件的代數(shù)方程組。其解此方程組即得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上待求的函數(shù)值。2.5.1后軸和大臂板有限元模型的建立與解析首先建立后軸的三維模型，由于Solidworks軟件本身就是三維設(shè)計(jì)軟件，這一點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)。接著定義后軸和大臂板的材質(zhì)，建立約束條件，施加重力和集中栽荷，然后劃分網(wǎng)格，形成它們的有限元模型。進(jìn)行完前置處理后，便可利用Cosmosworks軟件進(jìn)行解析計(jì)算了。在Solidworks建立模型，定義后軸材料（45鋼），密度為7.8g/cm3，彈性模量E＝210GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為220MPa，施加重力和作用力，然后劃分單元，如圖2.4；圖2.4對(duì)后軸模型劃分單元圖2.4對(duì)后軸模型劃分單元定義大臂板材料（硬鋁），密度為2.7g/cm3，彈性模量E＝69GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為27.5MPa，施加重力和作用力，然后劃分單元，如圖2.5；圖2.5對(duì)大臂板模型劃分單元圖2.5對(duì)大臂板模型劃分單元2.5.2計(jì)算結(jié)果分析通過分析，可以清楚地看出后軸和大臂板的變形分布情況，如下圖所示。在后軸中，最大變形發(fā)生在中間附近，最大變形為0.087mm，滿足剛度的要求；在大臂板中，最大變形發(fā)生在最上端，最大變形為0.046mm，滿足剛度的要求。圖2.6后軸的變形規(guī)律圖2.6后軸的變形規(guī)律圖2.7大臂板的變形規(guī)律圖2.7大臂板的變形規(guī)律后軸的應(yīng)力分布如下圖所示，可以看出，應(yīng)力的總體分布規(guī)律是從中間到兩端逐漸增大，兩端軸承支承邊緣應(yīng)力最大，為187MPa，小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度，因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足強(qiáng)度要求。圖2.8后軸的應(yīng)力分布圖2.8后軸的應(yīng)力分布大臂板的應(yīng)力分布如圖所示，可以看出，應(yīng)力的總體分布規(guī)律是從寬度方向上從中間到兩側(cè)面逐漸增大，兩側(cè)邊緣處應(yīng)力最大，為11MPa，小于硬鋁的屈服強(qiáng)度，因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足強(qiáng)度要求。2.6機(jī)械手旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選取工業(yè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下面就給出各種驅(qū)動(dòng)方式的比較，以作為選取步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式的依據(jù)。表2-1各種驅(qū)動(dòng)方式比較比較內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)異步電機(jī)直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力可較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用由上表可知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手有著許多無可替代的優(yōu)點(diǎn)，如控制性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手等，下面就對(duì)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選取。a、初選電機(jī)為EML型步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為：40APA。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表：表3-2技術(shù)參數(shù)表3-2技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào)額定輸出功率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量額定轉(zhuǎn)矩瞬間最大轉(zhuǎn)矩額定電流瞬間最大電流額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速40APA4KW102*10-4Kg.m238.2N.m114.6N.m24A72A1000r/min1500r/minb、電機(jī)功率的確定電機(jī)所需工作功率式為因此c、電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定腰部的工作轉(zhuǎn)速為2.5r/min腰部采用單級(jí)諧波傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)比，可達(dá)i=70～500。故電機(jī)的轉(zhuǎn)速可選范圍為=(70～500)2.5=175～1250因此，初選電機(jī)符合要求。

第三章運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1概述多自由度機(jī)械手是具有多個(gè)關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，可以在每個(gè)關(guān)節(jié)上建立一個(gè)坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來描述末端執(zhí)行器的位姿。常用的有D－H法（四參數(shù)法）和五參數(shù)法及矩陣變換法等。D－H法是1955年由Denavit和Hartenberg提出的一種建立相對(duì)位姿的矩陣方法。它用齊次變換描述各個(gè)連桿相對(duì)于固定參考系的空間幾何關(guān)系，用一個(gè)4×4的齊次變換矩陣描述相臨兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出“末端執(zhí)行器坐標(biāo)系”相對(duì)于“基坐標(biāo)系”的等價(jià)齊次坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動(dòng)方程。本論文使用D－H法來建立坐標(biāo)系并推導(dǎo)該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程。各桿件和關(guān)節(jié)的示意圖如圖(a)。連拉桿1與2的關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)2，記做J2，O0，O1，O2的原點(diǎn)在關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)軸上，連接桿2與3的關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)3，記做J3，O3的原點(diǎn)在關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)軸上，依次類推。最終建立機(jī)械手坐標(biāo)系如圖(b)。其中表明坐標(biāo)間關(guān)系的四個(gè)參數(shù)為：1．a(chǎn)i：從zi到zi+1沿xi測(cè)得的距離；2．αi：從zi到zi+1繞xi測(cè)得的角度；3．di：從xi-1到xi沿zi測(cè)得的距離；4．θi：從xi-1到xi繞zi測(cè)得的角度。各桿參數(shù)及關(guān)節(jié)變量如表3-1。表3.1各連桿參數(shù)及關(guān)節(jié)變量表3.1各連桿參數(shù)及關(guān)節(jié)變量關(guān)節(jié)iai-1αi-1diθi1000θ120+90°0θ23a2=25400θ34a3=18600θ450-90°0θ560-900θ6x3z3x2z2x5z5x4z4xmzmx0z0z1x1O0O1O2O4O5O5dma3a2O3(x3z3x2z2x5z5x4z4xmzmx0z0z1x1O0O1O2O4O5O5dma3a2O3(b)(a)桿1桿2桿3桿4桿0J1J2J3J4桿5J5Om圖3.1機(jī)械手坐標(biāo)系圖3.1機(jī)械手坐標(biāo)系3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)正解在直角坐標(biāo)系中，可以用齊次矩陣表示繞x，y，z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿x，y，z軸的平移。（3-1）繞xi-1軸轉(zhuǎn)αi-1角；沿xi-1軸移動(dòng)ai-1；繞zi軸轉(zhuǎn)θi角；沿zi軸移動(dòng)di。（3-1）（3-2）（3-3）（3-2），可得相鄰兩坐標(biāo)系的位姿變換矩陣根據(jù)某時(shí)刻的時(shí)間t，機(jī)械手關(guān)節(jié)變量，便可求得末端執(zhí)行器在空間的位姿。這就是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正解。3.3運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解于是得：于是得：于是得：將式運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解不是唯一的。由于在求解的過程中出現(xiàn)“±”號(hào)，因此可能得到2組解，這2組解分別代表了大臂和小臂的兩個(gè)不同位3.4雅可比矩陣的推算和速度分析，，…，的含義和數(shù)值與式（3-5）中相同。從前面的坐標(biāo)變換矩陣得到得到雅可比矩陣J：已知關(guān)節(jié)的速度（即式（3-21）中的），可以借助雅可比矩陣J求出各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的速度。（即式（3-21）中的）。第四章工作空間分析4.1工作空間分析簡述工作空間是從幾何方面討論機(jī)械手的工作性能。分析工作空間是確定機(jī)械手手臂的構(gòu)形和參數(shù)必須的過程。本章分析了該型機(jī)械手操作臂的工作空間的特點(diǎn)，以及用解析法結(jié)合作圖法確定末端執(zhí)行器的實(shí)際工作空間，根據(jù)工作空間選擇了各個(gè)桿件適合的長度。4.1.1工作空間的概念機(jī)械手的工作空間定義為：機(jī)械手操作臂正常運(yùn)行時(shí)，手腕機(jī)械接口坐標(biāo)系的原點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍。這一空間又稱為可達(dá)空間，記做。在總工作空間內(nèi)，末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達(dá)到的點(diǎn)構(gòu)成的工作空間稱為靈活工作空間。記做。可達(dá)空間去掉靈活工作空間所余下的部分稱為次工作空間，記做實(shí)際的機(jī)械手操作臂都有一定的結(jié)構(gòu)限制，使得各個(gè)關(guān)節(jié)變量只能在某一范圍內(nèi)變化，即。這時(shí)實(shí)際工作空間和理想工作空間就不同了。為了加以區(qū)別，記實(shí)際操作空間、實(shí)際的靈巧工作空間、實(shí)際的次工作空間分別為4.1.2工作空間的形成XX1圖4.1機(jī)械手的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Z1X2Z2Z3Z4Z5X3X4X5XmZmPm4.1.3工作空間中的空腔和空洞空洞：在轉(zhuǎn)軸圖4.2工作空間中的空腔和空洞圖4.2工作空間中的空腔和空洞空洞形成的條件：工作空間：不存在空洞：存在空洞：不存在空洞：存在空洞示意圖見圖4-3：圖4.3空洞形成的條件圖4.3空洞形成的條件4.2理想工作空間的包絡(luò)方程確定工作空間的方法很多，常用的方法有解析法和圖解法。圖解法結(jié)果直觀，但工作量大；解析法可以得到工作空間的界限曲面方程，便于進(jìn)行工作空間的理論分析。解析法中的分組解法求解多自由度機(jī)械手的工作空間比較簡單。該方法是將該機(jī)械手6個(gè)關(guān)節(jié)分成兩組，第一組包括手腕上三個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)4、5、6）。將作為參考點(diǎn)，如圖4.4。分析固連在桿5上的點(diǎn)在坐標(biāo)系{4}中的形成的界限曲面。圖4.4手腕關(guān)節(jié)坐標(biāo)示意圖P5圖4.4手腕關(guān)節(jié)坐標(biāo)示意圖P5dp5ap5X4X5P5P5P5Z5Z4第二組包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰三個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)1、2、3），考察固連在坐標(biāo)系{3}上的點(diǎn)在機(jī)座坐標(biāo)系中形成的界限曲面{m}的坐標(biāo)原點(diǎn)重合，則{5}中的坐標(biāo)為{0,0,dm,1}，dm≠0。利用式（4-1）和坐標(biāo)變換方程，進(jìn)行工作空間的分析。{4}中形成的曲面記為一平面曲線族可知在坐標(biāo)系{4}中的工作空間工作空間為圓弧，如圖4.5：ddm圖4.5手腕工作空間示意圖圖4.5手腕工作空間示意圖第二組包括關(guān)節(jié)1，2，3?？疾旃踢B在坐標(biāo)系{3}上的點(diǎn){4}的原點(diǎn)重合{3}中的坐標(biāo)為{a3,0,0,1}，得：{2}中得：即：可知為一平面曲線族。由包絡(luò)條件：解得：代入曲線方程得：可知即：或記做：可以看出令（4-10）4.3實(shí)際工作空間分析和作圖有了工作空間包絡(luò)面的方程，對(duì)于機(jī)械手的工作空間有了定性的了解，可以用來判斷大體的工作范圍是否滿足作業(yè)需要，如不滿足，應(yīng)改變各個(gè)桿的長度和位置。由于即：利用式令a2=254，a3=186，dm=946。實(shí)際工作空間如圖4.6中陰影區(qū)域。圖4.6手腕工作空間示意圖圖4.6手腕工作空間示意圖從圖4.6中可以看出，實(shí)際工作空間能夠滿足作業(yè)的要求，因國軸剖面中沒有空洞，所以繞關(guān)節(jié)1旋轉(zhuǎn)后形成的實(shí)際工作空間沒有空腔，但在靠近腰部存在不能達(dá)到的區(qū)域，即存在空洞。第五章機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1手部設(shè)計(jì)基本要求（1）應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。（2）手指間應(yīng)有一定的開閉角兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。（3）應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。（4）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。（5）應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。5.1.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng)，可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。5.1.2回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指就是一對(duì)杠桿，一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、渦輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以改變傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)方向等。5.1.3平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平移型夾鉗式手部是通過通過手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如冰箱等）。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。5.1.4機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算圖5-1手部結(jié)構(gòu)在杠桿作用下，銷軸向上的拉力，并通過銷軸中心點(diǎn)，兩手指的對(duì)銷軸的反作用力為F1，F(xiàn)2由(3-1)(3-2)、為反作用力=由(3-3)(3-4)當(dāng)手抓沒有張開的時(shí)候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑R1=4mm，當(dāng)張開60°時(shí)，如圖3-2（b）所示：5-2（a）5-2（b）圖5-2手抓夾持示意圖手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。（1）手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：[6](3-6)式中K1——安全系數(shù)，根據(jù)對(duì)機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定。K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算，—工件垂直方向移動(dòng)速度，t—機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間。K3——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。根據(jù)手指是水平防止夾垂直放置的工件，查得K3=0.5/f,粗略估計(jì)K3=5。G——被抓取工件所受的重力。（2）計(jì)算：設(shè)a=10mm，b=20mm，=30°，機(jī)械手垂直方向的移動(dòng)速度為0.1mm/s,其抓取重物所受重力G=1000N設(shè),驅(qū)動(dòng)力公式：（3）實(shí)際所采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于，考慮手抓的機(jī)械手效率。取=0.85夾緊缸拉力計(jì)算公式為：(3-10)式中D——活塞直徑D——活塞桿直徑P——驅(qū)動(dòng)壓力選取活塞桿直徑d=0.5D，壓力油工作壓力p=0.8Mpa，(3-11)則活塞桿直徑為:20mm缸筒壁厚的計(jì)算計(jì)算公式：(3-12)式中D——缸筒內(nèi)徑；Py——試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取，——缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)一般取n=5，夾緊缸缸筒材料選用HT200材料，，因此選擇壁厚為3mm。5.2腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1）結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3）必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。5.2.2腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇(1)具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用?；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)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3)具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。[11]5.2.3腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)夾取工件最大重量100Kg，回轉(zhuǎn)360°。驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：（1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩。式中——軸承處支支反力，可由靜力平衡方程求得。D1、D2——軸承直徑。f——軸承的摩擦系數(shù)，選用滾動(dòng)軸承f=0.02。為簡化計(jì)算，?。?）克服由工件重心偏置所需的力矩式中e——工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離。設(shè)計(jì)的工件重心與手腕的回轉(zhuǎn)中心線重合，所以。（3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩。根據(jù)腕部角速度及啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)過的角度按下式計(jì)算：[10](4-3)式中——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。J——手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?！滞蠡剞D(zhuǎn)過程的角速度?！獑?dòng)過程所需轉(zhuǎn)過的角度。（4）夾取棒料直徑50-250mm，長度300-1000mm，最大重量100Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)180°時(shí)，計(jì)算力矩。手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，長為1000mm，直徑250mm，摩擦力矩啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度=18°=0.314rad，等速轉(zhuǎn)過角速度(4-4)查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：(4-5)代入得：(4-6)(4-7)5.3機(jī)身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的選擇實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)液壓缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)有：效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長、傳動(dòng)比穩(wěn)定，但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，傳動(dòng)較大力矩時(shí)容易磨損。鏈輪傳動(dòng)傳動(dòng)效率高，制造與安裝精度要求較低，但是鏈傳動(dòng)不宜用在載荷變化很大、高速和急速反向的傳動(dòng)中?；剞D(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、性能穩(wěn)定可靠、使用維護(hù)方便、應(yīng)用范圍廣，適宜用在載荷變化大，急速反向的傳動(dòng)中。綜上所述，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用齒輪回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。[14]5.4機(jī)械手最終設(shè)計(jì)三維圖圖5-4：自由度搬運(yùn)機(jī)械手總圖系統(tǒng)控制部分控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是本論文的核心部分，程序的設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)械手能準(zhǔn)確移動(dòng)到工件坐標(biāo)的重要標(biāo)志，下面一一解說本論文的程序設(shè)計(jì)的過程。6.1應(yīng)用背景與要求在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。工業(yè)機(jī)器人的誕生，代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)。在本論文中的設(shè)計(jì)中，要求程序簡單易懂，符合一線操作的需要。6.2組成部分6.2.1關(guān)節(jié)的限位控制因?yàn)闄C(jī)器人的旋轉(zhuǎn)部分為關(guān)節(jié)式，所以在機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)的的時(shí)候存在極限位置，為了避免機(jī)器人關(guān)節(jié)不被損壞和步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載超額而燒毀，即在機(jī)械手臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處裝有限位裝置，如圖6.1所示。圖6.1凸輪式壓塊限位開關(guān)6.2.2工件坐標(biāo)系的測(cè)量與計(jì)算為操作方便，計(jì)算簡潔，坐標(biāo)系的計(jì)算結(jié)果由三對(duì)光目傳感器測(cè)得，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，光目傳感器開始工作，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果直接與存儲(chǔ)在PLC中的程序進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)果，此設(shè)計(jì)中選擇的步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°，在程序的設(shè)計(jì)中將0.9°進(jìn)行正切變換得出的數(shù)據(jù)與公式計(jì)算出來的結(jié)果被除，即各個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度所需要的脈沖當(dāng)量。部分程序如下：6.2.3機(jī)械手的張合控制由于機(jī)械手的張合是通過液壓缸來控制的，怎么樣來判斷機(jī)械手在夾取或放下工件時(shí)所需的張合角度？現(xiàn)在機(jī)械手的內(nèi)側(cè)裝壓力傳感器來解決，在系統(tǒng)工作前調(diào)好所需的壓力值。6.2.4公式之間的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到PLC中的程序的數(shù)學(xué)表達(dá)式詳情請(qǐng)參照第三章的內(nèi)容。6.2.5計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)為了使機(jī)械手能準(zhǔn)確的移動(dòng)到所需位置，且考慮此設(shè)計(jì)所用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°，為此，計(jì)算的結(jié)果即為實(shí)數(shù)，所以定義存儲(chǔ)單元的格式為VW系列。6.3機(jī)械手系統(tǒng)的工藝流程機(jī)械手的工藝流程如下：初始階段，機(jī)器人手臂呈收縮狀態(tài)。在搬運(yùn)工件之前先要讓機(jī)械手臂回到設(shè)定的初始位置，即將系統(tǒng)初始化啟動(dòng)后，機(jī)械手末端由初始位置轉(zhuǎn)到工件坐標(biāo)，停止夾緊電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)壓力傳感器有信號(hào)之后停止（機(jī)械爪呈夾緊狀態(tài)），這時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器開始定時(shí)當(dāng)定時(shí)器達(dá)到設(shè)定值后，機(jī)械手臂由工件坐標(biāo)轉(zhuǎn)到加工坐標(biāo)，放下工件（壓力傳感器信號(hào)消失），又一定時(shí)起開始定時(shí)定時(shí)器到達(dá)設(shè)定值后，如循環(huán)按鈕按下，直接轉(zhuǎn)到工件坐標(biāo)執(zhí)行如上動(dòng)作，反之則轉(zhuǎn)到設(shè)定的初始位置停止流程圖流程圖的設(shè)計(jì)結(jié)果即為最終程序的編輯，為了使機(jī)械手的操作符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的要求：簡單、直接、明了。之所以在流程圖的設(shè)計(jì)中沒有表判斷的是因?yàn)樵诮酉聛淼某绦蚓庉嬛?，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作都是依靠限位開關(guān)和計(jì)數(shù)器來控制的，相對(duì)可靠。例如I0.4~I1.0為限位開關(guān)輸入接口，當(dāng)纖維開關(guān)的壓塊被壓下的時(shí)候，立即讓步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作，部分程序如下圖所示：6.4機(jī)械手控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析6.4.1PLC的資源分配PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，資源分配非常重要。資源規(guī)劃的好壞，將直接影響系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)質(zhì)量。資源分配表見表6-1。表6-1機(jī)械手資源分配表位號(hào)說明位號(hào)說明I0.0復(fù)位I1.4光目傳感器Y軸I0.1啟動(dòng)I1.5光目傳感器Z軸I0.2循環(huán)Q0.0一號(hào)電機(jī)使能位I0.3停止Q0.1二號(hào)電機(jī)使能位I0.4一號(hào)位置開關(guān)Q0.2三號(hào)電機(jī)使能位I0.5二號(hào)位置開關(guān)Q0.3四號(hào)電機(jī)使能位I0.6三號(hào)位置開關(guān)Q0.4五號(hào)電機(jī)使能位I0.7四號(hào)位置開關(guān)Q0.5六號(hào)電機(jī)使能位I1.0五號(hào)位置開關(guān)Q0.6公共脈沖端I1.1六號(hào)位置開關(guān)I1.2壓力傳感器I1.3光目傳感器X軸6.4.2機(jī)械手系統(tǒng)的控制程序整個(gè)程序采用順序控制指令，結(jié)構(gòu)清晰。當(dāng)然也可以使用普通方式完成。（1）初始化部分（復(fù)位程序）該部分的程序主要是將機(jī)械手的位姿調(diào)整到用戶設(shè)定的狀態(tài)。下面是該程序清單，如圖6.2所示。圖6.2初始化程序（2）脈沖發(fā)生程序該部分的主要功用是給步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)源。如圖6.3所示。圖6.3脈沖信號(hào)發(fā)生器（3）機(jī)械手轉(zhuǎn)到工件坐標(biāo)及加工坐標(biāo)部分關(guān)鍵是確保機(jī)械手能根據(jù)計(jì)算出的值配備上程序走到與光目傳感器測(cè)得的坐標(biāo)位，由于程序較多，詳情請(qǐng)見附錄三中的主程序部分。（4）其他組成部分由角度計(jì)算公式計(jì)算出來的角度有正負(fù)值之分，即步進(jìn)電機(jī)要求實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。為此，在此程序中要用到比較指令。比較的部分指令如圖6.4所示。圖6.4比較指令部分程序機(jī)械手的外部接線圖見附錄一機(jī)械手示例程序見附錄二第七章結(jié)論7.1本論文取得的結(jié)果(1)完成了機(jī)械手本體方案創(chuàng)成、分析確定，進(jìn)行了機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)(2)進(jìn)行了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推算了運(yùn)動(dòng)方程的正、逆解，推導(dǎo)了該機(jī)械手的雅可比矩陣，為速度分析和軌跡規(guī)劃做了準(zhǔn)備。(3)分析了機(jī)械手操作臂的工作空間，推出了理想工作空間的包絡(luò)面，作出了實(shí)際工作空間軸剖圖，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)操作臂各個(gè)桿件的長度進(jìn)行了選擇和確定。7.2設(shè)計(jì)中存在的問題1．該機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然很大程度上減小了驅(qū)動(dòng)力矩，也減小了桿件尺寸，但也使得傳動(dòng)鏈較長，其中同步帶傳動(dòng)較多，精度較低，而且同步帶會(huì)拉長，需要重新調(diào)節(jié)，這也是該方案的最主要的缺點(diǎn)。2．進(jìn)行靜力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，后軸的強(qiáng)度和剛度雖然滿足要求，但是當(dāng)出現(xiàn)可能的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)（出現(xiàn)這種情況的可能性非常?。谄漭S承支承點(diǎn)附近區(qū)域所受的應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度相差不大，其安全系數(shù)較低。7.3對(duì)本設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法1.由于本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手為一實(shí)驗(yàn)性的機(jī)械手，因此在電機(jī)，軸承等選擇上均從滿足實(shí)驗(yàn)要求即可出發(fā)。若條件許可，其實(shí)可以采用精度要求更高的直流步進(jìn)電機(jī)以及交叉滾子軸承等，這樣完成的設(shè)計(jì)更符合要求。2后軸是整個(gè)機(jī)械手本體中一個(gè)很重要的零件，是用來驅(qū)動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的零件。它的剛度直接影響整個(gè)機(jī)械手的精度。因此可以適當(dāng)?shù)募哟趾筝S或者改變軸的長度。致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以圓滿的完成，離不開導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)。從課題的提出和論證到論文完成，X導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、先進(jìn)的學(xué)術(shù)思想、對(duì)待研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和無私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，使我受益匪淺，在論文完成之際，謹(jǐn)向尊敬的X導(dǎo)師致以崇高的敬意和由衷的感謝。經(jīng)過這段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺到掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)會(huì)使用必要工具的重要性，深刻體會(huì)到網(wǎng)絡(luò)資源的巨大作用，在遇到難以解決的問題時(shí)，可以在網(wǎng)絡(luò)中尋找所需的資料，到相關(guān)的論壇上去求得幫助；學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用電腦網(wǎng)絡(luò)這個(gè)現(xiàn)代工具是我們必備的素質(zhì)。同時(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我的英語水平也提出了較高的要求，通過閱讀英文資料、翻譯英文材料切實(shí)提高了我使用英語的水平，使我在今后的學(xué)習(xí)中不至落后現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的潮流。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的感激之情無以言表，僅以此文獻(xiàn)給他們，感謝我的朋友們，大家這四年來無論深處何地，距離多遠(yuǎn)，我始終感受的到與你們大家在一起；感謝我的老師，四年來對(duì)我的關(guān)心幫助讓我在學(xué)校的生活和學(xué)習(xí)中都能有親人般的感覺；感謝我的同學(xué)們，大家雖然來自不同的地方，但是大家始終相親相愛，團(tuán)結(jié)一致。我很慶幸能有了你們大家陪我一路走過艱難的歷程?；厥状髮W(xué)四年，往事歷歷在目，心緒難以平復(fù)，如此多的關(guān)心和幫助讓我感到莫大的幸運(yùn)，感覺充滿力量，無論是身邊的同學(xué)老師還是遠(yuǎn)方的親人朋友們，他們的支持是我可以努力和堅(jiān)持的最大動(dòng)力，有了他們才真正讓我感受到這個(gè)世界是無與倫比的美麗，這些都將支持我走向新的崗位，為社會(huì)為他人貢獻(xiàn)我的綿薄之力。

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