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1、1 前言 1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯Taloas,犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到 农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。工业机器人由操作机机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,
2、是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势
3、：1. 工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修,而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化；器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传
4、感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一
5、,纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3 我国工业机器人的发展有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五、八五科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、
6、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,一客户,一次重新设计,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技
7、术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在863计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,
8、以期在十五后期立于世界先进行列之中。 1.4 我要设计的机械手1.4.1 臂力的确定 目前使用的机械手的臂力围较大,国现有的机械手的臂力最小为0.15N,最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂 =1650N,安全系数K一般可在1.53,本机械手取安全系数K=2。定位精度为1mm。1.4.2 工作围的确定 机械手的工作围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成,在确定的工作围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作围确定如下： 手腕回转角度115手臂伸长量150mm手臂回转角度115手臂升降行程170mm手臂水平运动行程
9、100mm1.4.3 确定运动速度 机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规定的时间完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的方案进行比较,才能确定。 机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长的计算,分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足
10、工作拍节要求的条件下,应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。 液压上料机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度 V腕回 = 40/s 手臂伸缩速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度 V臂回 = 40/s 手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度 V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度 V夹 = 50 mm/s1.4.4 手臂的配置形式 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体
11、布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同,手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用,机座上可以装上独立的控制装置,便于搬运与安放,机座底部也可以安装行走机构,已扩大其活动围,它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式,本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型,它有升降、伸缩与回转运动,工作围较大。1.4.5 位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置,精度低,故一般与机械挡块联合应用。在机械手中,用行程开关与机械挡块检测定位
12、既精度高又简单实用可靠,故应用也是最多的。1.4.6 驱动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的,要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。 控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外,大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 参考工业机器人表9-6和表9-7,按照设计要求,本机械手采用的驱动方式为液压驱动,控制方式为固定程序的PLC控制。2 手部结构 2.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机
13、械手结构型式不象人手,它的手指形状也不象人的手指、,它没有手掌,只有自身的运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式,电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多,如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等,这里采用滑槽杠杆式。 2.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力即夹紧力 在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。手指间应有一定的开闭角 两个
14、手指开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指,以便自动定心。应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形,但应尽量使结构简单紧凑,自重轻。应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同,来设计和确定手指的形状。2.3 驱动力的计算
15、1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图1 滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2,其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点,P1和P2的延长线交O1O2于A及B,由于O1OB和O2OA均为直角三角形,故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件,即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力即夹紧力,假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面,并设两力的大小相等,方向相反,以N表示。由手指的力矩平衡条件,即MO1=0得
