學(xué)歷繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計說明書題目：零件自動定位機械臂設(shè)計二〇二三年十一月摘要零件自動定位機械臂是能夠使裝夾的壓力傳感器從夾盤中取出并準確定位入夾具中的機械臂部件。簡單介紹自動定位機械臂在現(xiàn)今的研究背景和在世界范圍內(nèi)的發(fā)展趨勢。并按設(shè)計要求對機械臂的整體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對機械臂每個部件的整體尺寸進行設(shè)計并對其強度壽命進行校核，對抓取方式與零件識別定位方式進行判別選取與設(shè)計：確定機械臂的關(guān)節(jié)形式，自由度和結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)；設(shè)計機械臂抓取端的抓取方式和抓取真空盤的直徑；選擇抓取時控制抓取端旋轉(zhuǎn)的伺服電機。關(guān)鍵詞：零件自動定位機械臂；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抓取方式AbstractPartautomaticpositioningmanipulatorisapartofthemanipulatorthatcanmakethepressuresensorofclampingremovefromtheclampandaccuratelypositionintotheclamp.Thispaperbrieflyintroducestheresearchbackgroundanddevelopmenttrendofautomaticpositioningmanipulatorintheworld.Accordingtothedesignrequirements,theoverallstructureofthemanipulatorisdesigned,theoverallsizeofeachpartofthemanipulatorisdesignedanditsstrengthlifeischecked,andthegraspingmodeandpartidentificationandpositioningmodeareselectedanddesigned：Determinethejointform,degreeoffreedomandstructuralparametersofthemanipulator；Designthegraspingmethodofthegrabendofthemanipulatorandthediameterofthevacuumdisc；Aservomotorthatcontrolstherotationofthegraspingendwhenthegraspingisselected.

Keywords:partsautomaticpositioningmanipulator;structuredesign;graspingmethod目錄TOC\o"1-3"\h\u13427目錄 124115第一章前言 153851.1研究背景 1126641.2研究意義 1168441.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 298821.3.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 288971.3.2發(fā)展趨勢 2109511.4本課題的主要內(nèi)容 326801第二章自動定位機械臂的總體設(shè)計方案 427372.1工作對象 4144412.2機械臂的主要參數(shù)確定 6162002.2機械臂自由度的確定 7227952.3抓取方案的選擇 895492.3.1真空吸附取料手 8178752.3.2氣流負壓吸附取料手 978202.3.3擠壓排氣式取料手 9181632.3.4識別方案的選擇 920916第三章機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 1047343.1機械臂的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 1097713.2機械臂桿的設(shè)計與尺寸 10157343.3機械臂材料的選擇 12172343.4機械臂桿心軸的設(shè)計與校核 13180373.5機械臂軸承的選擇與校核 15222913.6旋轉(zhuǎn)舵機的選型 163733第四章抓取設(shè)計 18178384.1抓取端設(shè)計 18313494.2真空吸附式吸盤桿的設(shè)計 19135994.3抓取旋轉(zhuǎn)伺服電機的選擇 201168第五章識別方案設(shè)計 2214492總結(jié) 234942參考文獻 2413995致謝 2513091附錄 27PAGEPAGE24第一章前言1.1研究背景隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工操作方式已逐漸無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對效率和精度的嚴格要求。在眾多自動化設(shè)備中，機械臂因其高效率、高精度和高靈活性而被廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。特別是在精密組裝、搬運、分類等環(huán)節(jié)，機械臂的作用尤為凸顯。然而，在零件的自動定位領(lǐng)域，傳統(tǒng)機械臂仍面臨著定位效率低、精度受限等問題。因此，設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)零件自動定位的機械臂，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能確保零件裝配的質(zhì)量和精度，這一需求已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的研究熱點。1.2研究意義設(shè)計一款零件自動定位機械臂具有重大的理論意義和應(yīng)用價值。從理論層面來看，這不僅涉及機械設(shè)計、電子技術(shù)、控制理論與人工智能等多個學(xué)科的綜合應(yīng)用，也為解決復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下機械臂的智能化和精確控制提供了新的研究思路。從應(yīng)用的角度來講，零件自動定位機械臂的設(shè)計能夠顯著提升生產(chǎn)線的自動化水平，降低勞動力成本，減少人為錯誤，提高產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量。此外，這種機械臂的應(yīng)用還能夠為工作人員提供一個更為安全的工作環(huán)境，特別是在處理重物或危險品時，減少工傷事故的發(fā)生。因此，這一研究不僅具有深遠的工程實踐意義，也為工業(yè)生產(chǎn)提供了一種新的解決方案。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀中國在機械臂技術(shù)方面取得了巨大成就，未來將集中在提高精度、增加靈活性、實現(xiàn)智能化等方面的發(fā)展，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景。政府為了促進產(chǎn)業(yè)升級，提升工業(yè)機械臂產(chǎn)量，出臺了相關(guān)政策，旨在提升中國工業(yè)機械臂的核心競爭力。工業(yè)機械臂在制造和金屬加工行業(yè)、實驗室自動化以及服務(wù)機器人應(yīng)用中得到廣泛使用。盡管需求量大大超過產(chǎn)量，但國內(nèi)外品牌價格逐漸接近，顯示國內(nèi)生產(chǎn)的競爭力在提高。全球機械臂市場預(yù)計在2018至2030年間的復(fù)合年增長率為7.5%。這一增長歸因于各行業(yè)對自動化的日益需求和機器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用。機械臂作為電子機械執(zhí)行器，在物料搬運、組裝和焊接等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，并且廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、金屬加工業(yè)以及實驗室自動化中。6軸機械臂市場預(yù)計會見證顯著增長，特別是在汽車、食品飲料和包裝等行業(yè)的工業(yè)自動化應(yīng)用中。7軸機械臂作為6軸機械臂的進階版，其額外的軸向提供了更好的靈活性，使得機械臂能夠更遠距離地到達和撿取物體。亞太地區(qū)在2017年主導(dǎo)了全球市場，并預(yù)計會繼續(xù)保持其主導(dǎo)地位，這主要歸功于中國、印度和日本等國家的增加投資和快速工業(yè)化。北美市場也占據(jù)了顯著份額，得益于電影和電視制作、廣播自動化等終端行業(yè)的不斷采用。1.3.2發(fā)展趨勢零件自動定位機械臂是自動化工業(yè)中的一個重要組成部分，特別是在高精度和高效率要求的制造過程中。隨著工業(yè)4.0理念的廣泛推廣和智能制造的不斷深入，零件自動定位機械臂的設(shè)計和應(yīng)用趨于高度智能化、靈活化和集成化。智能化是未來零件自動定位機械臂發(fā)展的重要趨勢。通過集成更加高級的傳感器和視覺系統(tǒng)，機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的定位和操作。利用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，機械臂可以自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化生產(chǎn)過程，預(yù)測和處理潛在的問題，從而提高生產(chǎn)效率和減少停機時間。靈活化也是零件自動定位機械臂設(shè)計的發(fā)展方向。未來的機械臂將不再局限于固定的操作路徑和單一的功能，而是能夠根據(jù)生產(chǎn)需求的變化進行快速調(diào)整和重配置。這種靈活性使得機械臂可以適應(yīng)小批量、多樣化的生產(chǎn)方式，特別適合定制化和個性化生產(chǎn)需求的增長。集成化是提高零件自動定位機械臂性能的另一個關(guān)鍵方向。未來的機械臂將與生產(chǎn)線上的其他機器和系統(tǒng)更加緊密地集成，形成一個高度互聯(lián)的智能網(wǎng)絡(luò)。這種集成不僅提高了生產(chǎn)的靈活性和效率，而且通過實時數(shù)據(jù)的交換和分析，還能提升整個生產(chǎn)系統(tǒng)的智能決策能力。在材料科學(xué)的進步推動下，零件自動定位機械臂的設(shè)計也將變得更加輕巧而強大。新型材料的應(yīng)用能夠減少機械臂的重量，降低能耗，同時提高其承載能力和速度。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，未來的機械臂有望實現(xiàn)無線控制，只能操作。1.4本課題的主要內(nèi)容隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,為了實現(xiàn)零件的自動化生產(chǎn)和裝配,設(shè)計自動定位機械臂已成為一個重要課題。本課題的目的是設(shè)計一個能夠自動識別和定位不同零件的機械臂。首先需要分析不同零件的形狀、大小和材質(zhì)特點,設(shè)計不同的機械手來適應(yīng)不同零件的抓取。同時,要給機械臂安裝視覺傳感器,利用圖像處理技術(shù)識別零件的位置和方向。然后通過設(shè)計機械臂的運動規(guī)劃算法,計算出抓取每個零件需要的關(guān)節(jié)運動軌跡。最后,通過仿真軟件驗證設(shè)計的機械臂運動是否可行,并優(yōu)化關(guān)節(jié)參數(shù),最終完成一個集成視覺、運動控制和路徑規(guī)劃的自動定位機械臂的設(shè)計。本課題的研究對實現(xiàn)工業(yè)機器人在自動化裝配線上的應(yīng)用具有重要意義。第二章自動定位機械臂的總體設(shè)計方案2.1工作對象所進行定位夾取的是三個不同型號的壓力傳感器，分別是82型號，85型號和154N型號。82型壓力傳感器是質(zhì)量為7.6克，外殼為19mm的外徑采用316不銹鋼封裝結(jié)構(gòu)一種經(jīng)過補償、且與介質(zhì)兼容的硅壓阻式傳感器。外界壓力通過316不銹鋼膜片及內(nèi)部灌充硅油傳遞到傳感器件敏感元件上。82型號尺寸圖紙如下圖2-1。圖2-182型號尺寸圖紙85型號壓力傳感器是質(zhì)量為5.9克，它的外殼采用316不銹鋼，采用微機械加工技術(shù)制造而成的硅壓阻式壓力傳感器，傳感芯片通過電阻焊方式焊接到316不銹鋼外殼上。85型號的圖紙尺寸如下圖2-2：圖2-SEQ"圖"\*ARABIC185型號尺寸圖紙154N型壓力傳感器是質(zhì)量為1.72克，其外殼采用的是316不銹鋼封裝結(jié)構(gòu)，一種經(jīng)過補償、且與介質(zhì)兼容的硅壓阻式傳感器。154N型號的圖紙尺寸如下圖2-3：圖2-SEQ"圖"\*ARABIC2154N型號尺寸圖紙2.2機械臂的主要參數(shù)確定首先，機械臂極限長。根據(jù)下圖2-4，待上板產(chǎn)品放置盤尺寸參數(shù)和機械臂的位置，得出機械臂極限伸長時臂長為。圖2-4待上板產(chǎn)品放置盤尺寸參數(shù)和機械臂的位置機械臂極限伸長計算如下：因考慮機械臂與待上板產(chǎn)品放置盤存在高度差，所以將定為。其次，機械臂最大回轉(zhuǎn)角度如下：最大回轉(zhuǎn)角然后，該機械手裝夾運送100個工件的時間為，裝夾一個工件的平均最長時間就為9個/s。該機械臂的定位精度為。再者，設(shè)臂1的長度為，臂2的長度為，臂3的長度為。最后，如下表3-1主要設(shè)計參數(shù)所示：表3-1主要設(shè)計參數(shù)1抓重82：7.6g85：9.5g154N：1.72g2自由度6個3最大工作半徑4機械臂回轉(zhuǎn)角度5抓取方式吸附式6抓取參數(shù)9s/個7定位精度mm8定位方式視覺拍照定位9驅(qū)動方式氣壓傳動10控制方式程序控制11機械臂加上工件運動質(zhì)量10kg2.2機械臂自由度的確定機械臂自由度的設(shè)計對于實現(xiàn)定位功能至關(guān)重要。本設(shè)計的機械臂采用六自由度結(jié)構(gòu),包含臂體的法蘭面連接、臂體轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、前臂樞轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、機械手連桿樞轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和機械手開合關(guān)節(jié)。六自由度設(shè)計使機械臂獲得了充分的靈活性,能夠在三維空間內(nèi)實現(xiàn)任意取向和位置的組合,從而實現(xiàn)對不同方位、不同形狀的零件進行定位。其中,臂體的兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)確保機械臂能夠在平面內(nèi)活動到任意位置;前臂的樞轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)提供相對臂體的上下擺動;腕部的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)使末端執(zhí)行器具有方向自由度;機械手的兩個關(guān)節(jié)實現(xiàn)對不同形狀、尺寸零件的適應(yīng)性抓取。六自由度結(jié)構(gòu)使機械臂獲得人手般的靈活性,但也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。下一步還需研究運動學(xué)模型,規(guī)劃機械臂的最優(yōu)軌跡,實現(xiàn)精確高效的定位運動控制。如下機構(gòu)簡圖2-5所示。其中旋轉(zhuǎn)的底盤旋轉(zhuǎn)，控制機械手水平方向，機械臂桿1，機械臂桿2擺動控制機械臂垂直方位和長度的確定，機械臂桿3控制機械臂末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)垂直向下對壓力傳感器進行準確抓取。1-機械臂桿12-機械臂桿23-機械臂桿3圖2-5機構(gòu)簡圖2.3抓取方案的選擇壓力傳感器的準確定位和夾取對于機械臂的抓取運動至關(guān)重要。將傳感器置于夾具盤時,需要約1.5牛頓的向下力量將其按壓固定,使傳感器與檢測線路正確連接。末端執(zhí)行器的設(shè)計直接影響抓取的精確度。常見的抓取方式有夾持和吸附兩種。相比之下,吸附式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕,氣流分布均勻,更具優(yōu)勢。它利用大氣壓與系統(tǒng)內(nèi)部的壓力差來吸附工件。根據(jù)壓差的形成方式,可分為真空吸附、氣流負壓吸附和擠壓排氣負壓吸附等類型。末端執(zhí)行器的選擇需要綜合考慮抓取對象的形狀、重量等因素,以確保高精度的抓取、放置和重復(fù)定位運動。2.3.1真空吸附取料手真空吸附取料手是一種利用真空原理來抓取物體的機械手，它主要由真空泵、真空吸盤、真空開關(guān)、電磁閥、氣缸、傳感器等組成。真空吸附取料手的工作原理如下：當需要抓取物體時，電磁閥打開，真空泵開始工作，將真空吸盤與物體表面之間的空氣抽走，形成負壓，使物體被吸附在吸盤上。真空開關(guān)檢測到吸盤內(nèi)的真空度達到設(shè)定值后，發(fā)送信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)指令氣缸伸出，將吸盤和物體一起提起。當需要放下物體時，電磁閥關(guān)閉，真空泵停止工作，真空吸盤與大氣相通，失去負壓，物體脫離吸盤。氣缸縮回，吸盤回到初始位置，等待下一次抓取。真空吸附取料手的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，適用于抓取表面平整、光滑、無孔洞的物體，如玻璃、金屬、塑料等。真空吸附取料手的缺點是吸附力受物體表面粗糙度、溫度、濕度等因素的影響，不適用于抓取表面粗糙、多孔、易變形的物體，如紙張、布料、橡膠等。真空吸附取料手的應(yīng)用范圍包括物流、包裝、食品、電子、玻璃、汽車等行業(yè)。2.3.2氣流負壓吸附取料手氣流負壓吸附是另一種常用的取料方式。其原理基于流體機理,通過高速氣流噴嘴產(chǎn)生負壓區(qū)實現(xiàn)吸附。噴嘴處氣流速度大且連續(xù)排出,使吸盤內(nèi)部產(chǎn)生相對負壓。這種壓力差使吸盤內(nèi)氣體帶出,從而吸附物體完成取料動作。放料時切斷壓縮空氣源,即可釋放物料。這種取料結(jié)構(gòu)簡單成本低,操作范圍廣,是機械臂運用廣泛的執(zhí)行器方式。合理選擇氣流參數(shù),可以進行針對不同物體的適應(yīng)性抓取。同時氣流吸附避免了物體表面損傷,保證了取放料的精度。2.3.3擠壓排氣式取料手擠出排氣取料器是通過在抽取過程中產(chǎn)生的負壓，實現(xiàn)對材料的抓取。首先使橡膠取料盤變形，使其擠壓，使吸盤空隙中的過剩氣體排出，使取料器抬起，這時取料盤具有一種恢復(fù)原有形狀的作用力，產(chǎn)生負壓，將該物體吸附；當物品被放下時，圓盤的空腔就會和空氣連通，從而產(chǎn)生負壓，從而達到出料的目的。但這種取料器具有很低的吸附力，無法對大體積的物體進行吸附，并且在很長一段時間內(nèi)難以維持。本次抓取的是形狀微小的壓力傳感器，而且為避免在抓取、放料時產(chǎn)生不必要的撞擊損害壓力傳感器，所以選用真空吸附取料手2.3.4識別方案的選擇壓力傳感器的準確定位對機械臂抓取至關(guān)重要。需要在抓取過程中識別傳感器的安裝位置,與預(yù)設(shè)的位置信息進行比對定位。目前圖像定位方法主要有激光視覺和攝像頭視覺兩種。激光視覺通過激光掃描零件表面,提取形狀特征信息,根據(jù)成像原理獲得位置信息。攝像頭視覺直接使用攝像頭拍攝零件,獲取表面形狀作為位置信息。考慮到攝像頭的成像功能更強,可以獲取更豐富的表面特征信息。因此本設(shè)計選擇攝像頭視覺識別方式。與預(yù)設(shè)圖像比較可以更精確定位,有利于機械臂精確抓取。攝像頭視覺結(jié)合圖像處理算法,可以實現(xiàn)對不同零件的快速定位,滿足機械臂的靈活抓取需要。第三章機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1機械臂的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計的機械臂參考了挖掘機液壓驅(qū)動的手臂結(jié)構(gòu)和運動原理。總體結(jié)構(gòu)如圖所示,由多個手臂段組成。手臂1和手臂2通過對應(yīng)氣缸的伸縮帶動擺動運動;手臂3氣缸調(diào)整抓取端姿態(tài);抓取端位置氣缸使抓取端與傳感器保持平行。氣缸運動控制實現(xiàn)手臂伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等復(fù)合運動。氣泵單向?qū)U提升剛性和導(dǎo)向性。手臂段之間參考自行車前叉固定軸承連接方式:軸承固定不動,手臂繞軸承旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。這種連接方式機構(gòu)簡單、運動靈活。綜上,參考現(xiàn)有機械設(shè)備結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計出符合定位抓取需求的多關(guān)節(jié)手臂和驅(qū)動方式,實現(xiàn)精確、靈活的機械臂運動控制。1-機械臂桿12-機械臂桿23-機械臂桿34-驅(qū)動機械臂桿1氣缸5-驅(qū)動機械臂桿2氣缸6-驅(qū)動機械臂桿3氣杠7-調(diào)整抓取端位置氣缸8-真空抓取端9-底座10-固定心軸圖3-1機械臂的總體結(jié)構(gòu)簡圖3.2機械臂桿的設(shè)計與尺寸根據(jù)設(shè)定的圖3-1的機械臂總體結(jié)構(gòu)簡圖，和設(shè)定的參數(shù)機械臂桿1的長度為，機械臂桿2的長度為，機械臂桿3的長度為，所以進行如下的機械臂桿件設(shè)計。如下圖3-2為設(shè)計的機械臂桿1的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計：圖3-2機械臂桿1如下圖3-3為設(shè)計的機械臂桿2的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計：圖3-3機械臂桿2如下圖3-4為設(shè)計的機械臂桿3的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計：圖3-4機械臂桿3將機械臂桿件，機械臂桿1、機械臂桿2、機械臂桿3裝配起來的機械臂桿件裝配示意圖3-5為如下：3-5機械臂桿件裝配示意圖3.3機械臂材料的選擇機械臂的材料選擇鋁合金，它是輕金屬材料之一，其密度為。鋁合金除具備鋁的基本性能之外，加入不同種類、不同含量的合金元素，還具備一些特殊的性能。其強度高，比強度與高合金鋼相近，比硬度高于鋼材，具有良好的澆注性和塑性加工性，導(dǎo)熱性好，耐蝕性好，焊接性好。該產(chǎn)品廣泛用于航空航天、交通運輸、建筑、機電、輕化工、日用等領(lǐng)域。本次選用的鋁合金代號為：2A12的硬質(zhì)鋁合金。這類鋁合金的主要合金元素是銅、鎂，它們主要成為的強化相是及，通過固溶處理時效可顯著提高強度，其比強度與高強度鋼相似。其用于制造中等強度的飛機受力結(jié)構(gòu)件，如螺旋槳葉片及儀器儀表等。在對鋁材進行加工、應(yīng)用時，應(yīng)注意到兩個方面：一是在熱處理過程中，淬火溫度范圍很?。ㄖ挥?~10℃），需要嚴格控制；二是硬質(zhì)鋁材的耐蝕性能較差，因此必須進行保護，一般采用外層覆以高純度鋁材。3.4機械臂桿心軸的設(shè)計與校核本設(shè)計的機械臂采用心軸連接方式,機械臂桿經(jīng)軸承裝配在心軸上進行旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)力學(xué)分析,計算心軸在機械臂運動過程中所受彎曲力矩。為獲得足夠強度,選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235作為心軸材料,其抗彎性能良好。根據(jù)心軸最小直徑和許用彎曲應(yīng)力條件進行設(shè)計計算,并通過有限元軟件仿真分析應(yīng)力分布情況,驗證心軸強度滿足要求。同時考慮軸承的匹配性,選擇合適的軸承型號。經(jīng)設(shè)計計算和仿真分析,最終確定心軸結(jié)構(gòu)尺寸和材料選用方案。優(yōu)化設(shè)計的心軸,能夠承受機械臂運動過程中的載荷,是實現(xiàn)精確定位的重要基礎(chǔ)部件之一，下圖3-6為設(shè)計的固定心軸連接圖。1-六角螺母2-平墊圈3-機械臂桿4-滾動軸承15-軸肩6-滾動軸承27-套筒8-平墊圈9-六角螺母圖3-6固定心軸連接圖機械臂加上工件運動質(zhì)量大約為10kg，當主動件機械臂桿轉(zhuǎn)動時固定心軸只受到徑向載荷的作用，設(shè)固定心軸的最小軸徑為，該軸的工作強度載荷不大，工作條件一般，所以軸的材料選取是碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。查軸材料的許用彎曲應(yīng)力表得，固定心軸支承轉(zhuǎn)動零件，所以只承受彎矩而不傳遞扭矩。兩角接觸球軸承所受徑向載荷，求軸的支座反力：，在兩個滾動軸承中的受力，，軸承的主動力為如下圖3-7受力分析所示：圖3-7受力分析圖固定心軸的重心于心軸的中心處，所以中心的彎矩圖[見圖3-8(a)]：固定心軸截面的抗彎截面系數(shù)：，固定心軸承受彎矩而不傳遞扭矩，所以扭矩，當量彎矩圖[見圖3-8(a)]：圖3-8軸的彎矩圖、當量彎矩圖本設(shè)計的機械臂采用固定心軸連接方式。這種連接方式在運動過程中會受到載荷變化的影響。例如在抓取過程中,機械臂先進行運動抓取,然后停止等待末端執(zhí)行器抓取工件,會形成間歇性的載荷作用。因此固定軸承所受彎曲應(yīng)力實際上等效為脈動應(yīng)力。這種間歇載荷情況下,軸承會面臨疲勞問題。為此,需要考慮軸承的動載荷評定與選擇。比較不同軸承類型的疲勞壽命計算方法,選擇高可靠性的軸承。同時,優(yōu)化手臂運動方式,盡量保持均勻的軸負荷,減少間歇載荷對軸承的不利影響。此外,還需要評估軸承的預(yù)緊力設(shè)計、潤滑方案,對軸承進行定期維護保養(yǎng)。這些措施綜合實施,可以確保固定心軸連接的可靠性與使用壽命,保證機械臂的長期穩(wěn)定工作，則固定心軸的許用彎曲應(yīng)力應(yīng)取，查閱軸的常用材料及其許用彎曲應(yīng)力表，可知。計算危險截面的當量應(yīng)力：所以軸的設(shè)計符合標準。3.5機械臂軸承的選擇與校核本設(shè)計的機械臂中,多軸聯(lián)動需要軸承進行轉(zhuǎn)動支撐?？紤]到滾動軸承具有摩擦系數(shù)低、轉(zhuǎn)動靈活等優(yōu)點,選擇了動載荷評定較高的球面接觸軸承。根據(jù)機械臂關(guān)節(jié)的負荷分析,確定選用自調(diào)心球面軸承6210型號。該軸承可以承受徑向載荷和軸向載荷，其基本動載荷評定數(shù)為61.5kN，壽命可達30000h。針對機械臂工況進行軸承壽命計算,結(jié)果滿足設(shè)計要求。選用合理型號、動載荷匹配的滾動軸承,能夠保證機械臂運動的靈活性和平穩(wěn)性,是實現(xiàn)精確定位的重要支撐。后續(xù)仍需定期維護保養(yǎng),以延長軸承使用壽命。驗算如下：第一，計算派生軸向力。對型軸承，有第二，計算當量動載荷。由表查得型軸承（）的判別系數(shù)，故，由此可得，。既能承受徑向載荷又能承受軸向載荷的角接觸向心軸承計算當量動載荷為：第三，驗算軸承壽命，查軸承手冊軸承，其，，，。3.6旋轉(zhuǎn)舵機的選型機械臂需要進行旋轉(zhuǎn)運動,將夾取的壓力傳感器從放置盤移到夾具盤上。根據(jù)運動規(guī)劃,旋轉(zhuǎn)角度為80°，設(shè)計參數(shù)如下:·機械臂及工件總質(zhì)量m約為10kg?！ばD(zhuǎn)底座直徑D底座=120mm。機械臂作用力看作為均勻分布的集中力，則底座所需扭矩T的計算公式為:T=m×g×D底座/2×sin80°,=，m是質(zhì)量,g為重力加速度,D底座為底座直徑。通過計算可以得到底座所需的扭矩值,從而設(shè)計匹配的驅(qū)動系統(tǒng),實現(xiàn)精確控制機械臂的旋轉(zhuǎn)運動。所以扭矩的計算為：我按照規(guī)定的步驟，把方向盤從0度轉(zhuǎn)到180度，并且準確地停下來。這個控制過程很簡單，容易實現(xiàn)。我用的是數(shù)字式舵機，它和普通的舵機不一樣，它多了一個微處理機和一個晶體振蕩器。這樣它可以先根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對輸入的功率脈沖進行處理，然后再把它送給轉(zhuǎn)向電機。這個功率就是驅(qū)動電機的，它可以通過微處理機的程序來調(diào)整，適應(yīng)不同的功能要求，實現(xiàn)最好的控制效果。電機還能接收更多的激勵信號，對發(fā)射器信號的反應(yīng)頻率也更高，電機的“無反應(yīng)區(qū)”更小，反應(yīng)速度更快；加速度和速度也更高，更平穩(wěn)，更精確，更強的固定力。所以我選擇了達盛舵機這個品牌，型號是DS5160，扭矩為的數(shù)字舵機參數(shù)為下表3-2。表3-2舵機參數(shù)質(zhì)量200尺寸65*30*48扭矩65速度0.14工作電壓7.4工作頻率脈沖寬度500-2500旋轉(zhuǎn)角度范圍舵機的外形尺寸外形尺寸如下圖3-9。圖3-9舵機外形尺寸第四章抓取設(shè)計4.1抓取端設(shè)計抓取部位是壓力傳感器的金屬座如下圖4-1，其在不同型號中具有相同的結(jié)構(gòu)尺寸。圖4-1金屬座真空吸盤選型計算：式中：-吸盤直徑，單位為；-吸吊物的重量，單位為N；-安全系數(shù)，水平≥4，垂直t≥8；-吸盤個數(shù)；-吸盤的真空度，單位為MPa第一，吸盤內(nèi)的真空度安全系數(shù)應(yīng)在真空發(fā)生器（或真空泵）的最大真空度的選擇范圍是在內(nèi)，要確保并提高零件的真空情況下的抓取吸能力，又要達到不能夠長時間的的吸著響應(yīng)。第二，真空發(fā)生器（或真空泵）的真空度，使用真空發(fā)生器的場合，真空壓力大約為。帶入公式得：故，根據(jù)金屬座的尺寸，吸盤的直徑。針對本設(shè)計需要抓取的不同型號壓力傳感器,其共同的抓取部位是金屬座結(jié)構(gòu)。根據(jù)金屬座的尺寸參數(shù),設(shè)計采用直徑20mm的波紋硅膠吸盤作為抓取端執(zhí)行器。這種吸盤底部的波紋結(jié)構(gòu),可以適應(yīng)曲面及表面不平整情況,實現(xiàn)更穩(wěn)定的吸附抓取。材質(zhì)選擇丁腈橡膠,它耐用且不易損傷零件表面。根據(jù)傳感器重量計算吸盤所需的真空度參數(shù)。抓取動作控制為:機械臂運動到達指定抓取點位置后,啟動真空系統(tǒng)吸附零件;吸附成功后,再由機械臂運動將其移至放置位。這種簡單實用的抓取端設(shè)計,配合真空吸附系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同壓力傳感器的精確抓取要求。后續(xù)還可繼續(xù)優(yōu)化吸盤結(jié)構(gòu),提高抓取的適應(yīng)性。我設(shè)計的波紋吸盤的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：圖4-2波紋吸盤的結(jié)構(gòu)圖4.2真空吸附式吸盤桿的設(shè)計考慮到本設(shè)計的抓取對象為質(zhì)量較輕的壓力傳感器,選擇采用真空吸附方式進行抓取。因此設(shè)計了一種真空吸附式吸盤桿結(jié)構(gòu)。該吸盤桿采用直徑20mm的波紋硅膠吸盤,可以適應(yīng)零件表面不平整。吸盤桿兩端可快速連接真空管路。為減小抓取沖擊,在吸盤和桿間設(shè)置有彈簧彈性緩沖結(jié)構(gòu)。彈簧緩沖區(qū)段可調(diào)節(jié),通過鎖緊螺栓固定?？焖贀Q氣結(jié)構(gòu)可以使吸附動作更靈敏。整個吸盤桿結(jié)構(gòu)簡單可靠,適用于輕質(zhì)零件的抓取。匹配真空吸附系統(tǒng),可以實現(xiàn)對壓力傳感器無損傷、精確定位的抓取任務(wù)。該吸盤桿的設(shè)計是真空吸附抓取系統(tǒng)的核心部件。1-螺母2-彈簧3,4-鎖止螺栓圖4-3真空吸附式吸盤桿草圖4.3抓取旋轉(zhuǎn)伺服電機的選擇為使機械臂的抓取端能夠?qū)毫鞲衅鬟M行準確定位,需要選擇合適的伺服電機來驅(qū)動抓取端的旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)抓取端直徑最大為20mm以及最大抓取質(zhì)量9.5g的條件,考慮安全系數(shù),確定抓取端旋轉(zhuǎn)所需扭矩至少為0.16Nm。為滿足這一扭矩需求,選擇了松下MSMD042AZ1型號的伺服電機,其額定輸出功率為50W,額定轉(zhuǎn)矩為0.16Nm。該電機轉(zhuǎn)速范圍廣,起動響應(yīng)快,可以精確控制抓取端的旋轉(zhuǎn)角度和方位。伺服電機與關(guān)閉環(huán)路控制系統(tǒng)聯(lián)合,可以實現(xiàn)對抓取端位置的實時檢測與自主調(diào)節(jié),從而保證機械臂對壓力傳感器的準確定位。選擇性能匹配的伺服電機是實現(xiàn)機械臂精確定位功能的關(guān)鍵部件之一。圖4-4MSMD伺服電機伺服電機的牌號為MSMD5AZS1T。具體參數(shù)如下表4-1：表4-1抓取伺服電機參數(shù)額定輸出功率50電壓200額定轉(zhuǎn)矩0.16額定電流1.1額定轉(zhuǎn)速3000最高轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（）0.027第五章識別方案設(shè)計為實現(xiàn)對不同零件的自動識別和定位,機械臂需要配備視覺識別系統(tǒng)。本設(shè)計計劃采用工業(yè)相機與圖像處理算法相結(jié)合的識別方案。首先,確定抓取零件的關(guān)鍵識別特征,根據(jù)零件的幾何形狀、表面等特征提取對應(yīng)的圖像處理算法。然后,選擇分辨率、幀率、接口等參數(shù)匹配的工業(yè)相機,安裝于機械臂末端合適位置。通過燈光設(shè)計,保證相機拍攝圖像質(zhì)量。相機實時捕獲零件圖像發(fā)送到圖像處理模塊,在此與模板圖像進行匹配,輸出零件的位置和姿態(tài)信息。最后,該信息反饋給機械臂控制系統(tǒng),指引機械臂對零件進行定位。本識別方案結(jié)合視覺感知與自動控制,實現(xiàn)了對零件準確、實時的定位,為后續(xù)的抓取運動提供了關(guān)鍵支持?？偨Y(jié)本文主要闡述了零件自動定位機械臂的設(shè)計過程和關(guān)鍵技術(shù)。首先闡述了設(shè)計零件自動定位機械臂的背景和意義。它可以提高自動化水平,確保產(chǎn)品質(zhì)量和精度,為工業(yè)生產(chǎn)提供更高效的解決方案,具有重要的工程應(yīng)用價值。接著論述了國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。當前正致力于實現(xiàn)機械臂的高度智能化、靈活化和集成化,以適應(yīng)個性化需求和復(fù)雜環(huán)境。這方面技術(shù)進步迅速,應(yīng)用范圍不斷拓展。然后詳細說明了設(shè)計的機械臂抓取對象是三種不同型號的壓力傳感器,給出了這三種傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸圖。根據(jù)抓取需求確定機械臂的主要設(shè)計參數(shù)。對機械臂的自由度進行設(shè)計,采用六自由度結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使其運動更靈活,能適應(yīng)不同方位的抓取。選擇真空吸附抓取方式,確定機械臂的總體結(jié)構(gòu)。接下來進行機械臂桿件的尺寸設(shè)計和材料選擇,計算軸承的載荷并選擇合適的軸承,對固定心軸進行設(shè)計計算。合理選擇結(jié)構(gòu)材料,確保強度與壽命。詳細設(shè)計了抓取端的真空吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電機。選擇合適的圖像識別方案,以實現(xiàn)對不同零件的快速定位。最后,通過仿真和計算