毕业设计（论文）-用于蛇形柔性臂的机械手抓的设计与仿真.docx

石及李XI-NTEC”NO1.OG1.CA1.UNIVERSITY本科毕业设计（论文）题目：用于蛇形柔性臂的机械手爪的结构设计与仿真院（系）机电工程学院专业机械设计制造及其自动化班级100207姓名苏亚鹏学号100207113导师曹岩2014年6月3日西安工业大学毕业设计（论文）任务书院（系）机电学院专业机械设计制造及其门动化班100207姓名另:亚弼学号1002071131 .毕业设计（论文）翅目：用于蛇形柔性的机械于爪的结构i计与仿真2 .鹿I1.背景和意义：蛇形柔性竹由广具行多户确定机器人守间位说和姿态所需的f由度，易门可避障碍和名服奇异点，使它在现或中具有很强的实用性,如核电设符中错综繁U的管道桧皆、化工设备中有序化学度蚪的处理等工作.目前在校杆式同步万向节和端部徽盘组合式吸盘两项专利技术的基础上所开发的RT-I蛇形柔性符,由于运动轨迹不连续,其转动角度的控制精度不腐，因此，在要求定位精度较岛的抓取动作时，必须设工r能提供较超位置控制精慢的木耕机械r爪，以称补RT-I蛇形柔性群控制的不足，针对于此，东课奥斤在设计种¥1由欧机械/爪以提高蛇形孟性胃的掘取时的位罚控制精度.3 .设计（论文，的主要内容（理工科含技术指标）：根一组合机构的运动学原理,设计一组合机构一应用于蛇形菜性臂的三自由度机械手爪，同时,运用三维建模软件完成该机构的装配模型并进行运动仿此分析,技术指标（1）回转角度±180°:（2）G人行程10唧的微进给：（3夹紧机构可根据物体大小，以适当的伟吱抓取物件,4设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：（1）13%瘴研井收集密科：（2）36科：确定该机构的设计方案和整体偿构：（3）7I1.B1.完成该机构的结构设计计算：（4）1215周：完成改机械手爪的装配图、装配梗型和运动分析：（51618周：完成论文排普.准备捽辩.5.毕业设计（论文）的工作册注求率也设计论文ES,不少于IO（X）O7：实验时数.或实习（天数）：2词图纸幅面和张数*：机构袋配图和写件图，AO图册（折合）不少F2张:其他要求：外文翻惮不少3000字，参考文献不少15第。指导教师签名：年月日学生签名：年月日系（教研室）主任审批:年月日用于蛇形柔性臂的机械手抓的结构设计与仿真摘要本设计中用于蛇形柔性臂的机械手可模仿人的动作功能，用以按固定程序抓取、撤运物件或操作工具的自动操作装置。它可代咨人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有击环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统:大部分组成“手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重室、材料和作业要求设计为夹持型。运动机构，使手部完成各种转动、移动或爱合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势.运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有3个自由度.关健词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构摘要ThedesignandSimu1.ationofmanipu1.atorgraspingthesnake1.ikemanipu1.atorforthestructureAbstractRobotarmtomimiccertainactionsofstaffandfunctions,tocaptureafixedprocedure,carryingobjectsoroperatingtoo1.s,automationequipment.Itcanrep1.acehuman1.aborinorder(oachievetheheavymechanizationandautomationofproduction,canoperateinhazardousenvironmentstoprotectthepersona1.safety,whichiswide1.yusedinmachinebui1.ding,meta1.1.urgy,e1.ectronics,1.ightindustryandnuc1.earpowerscctors.Manipu1.atormain1.ybyhand,sportsbodiesandthecontro1.systemhasthreemajorcomponents.Taskofbandisho1.dingtheworkpieceofthecomponents,accordinggraspingobjectsbyshape,size,weight,materia1.andoperationa1.requirementsofthevariousstructura1.forms,suchasc1.amptype,caresupportandtheadsorptiontype.etc.Sportsorganizationstoaccomp1.ishavarietyofhandrotation,move,orcomp1.exmovementtoachievetherequiredactiontochange(he1.ocationofobjectsbyg11spingandposture.Sportsorganizations1.ifting,stretchingandrotatingtheindependencenovenen1.,isknownasfreedommanipu1.ator.Craw1.space1.oanarbitrarj,positionandorientationofobjects,theneedforsixdegreesoffreedom.Freedomisthemechanica1.designofthekeyparametersofhand.Morefreedom,greaterf1.exibi1.ityofthemanipu1.atorthemorewideversati1.ityoKeywords:manipu1.a1.or.design,hand,wrist,arm.body,structure中文摘要AbstractIi'I!才、,EI¾。1.1引言错误!未定义书筌.1. 2机器人机械设计和结构特点11.3国内外研究现状和发展21.3.1 国外发展现状21.3.2 国内发展现状31.4本文的主要研究工作31.4.1主要研究内容31.4.2研究方法42方案的确定与比较分析2.1机械手机械系统的比较与选择62. 2机械手的组成82. 2.1执行机构82. 2.2驱动机构93. 2.3控制机构102. 3机t或手的参数规格103知千千R讲甘廿193.1手都设计基本要求123. 2手部力学分析123. 3夹紧力与骚动力计算133. 4手爪夹持范根计算153.5手爪夹持精度计算16目杀4滚球丝杠螺母的选型与计算.4.1 提升机构滚珠丝杠副的计算与选型181 .1.1计算提升力184 .1.2计算最大负载185 .1.3滚珠丝杠螺母副的选型196 .1.4传动效率计兑194.1.5刚度验算204.1.6丝杠拉伸或反缩变形量204.1.7滚珠与螺纹滚道间的接触变形214. 1.8支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形21.4.2伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型214 .2.1计算伸缩引力215 .2.2计算最大负载C222.3滚珠丝杠螺母副的选型224.2.4传动效率的计算224. 2.5刚度验算234. 3滚珠丝杠几何参数23255蜗轮蜗杆传动的设计计算5.1面接触疲劳强度设计255. 1.1确定作用在蜗轮上的转矩255.1. 2定载荷系数K255. 1.3确定弹性影响系数255. 1.4确定接触系数Z.255. 1.5确定接触应力c“265.1. 6计算中心距a265.2蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计265.3齿根弯曲疲劳强度校核275.4精度等级公差和表面粗糙度的确定28ZI*M/FIyT-.士6.1提升步进电机的计算与选型296 .1.1提升机构步进电机的计算与选型297 .1.2电机力矩的计算296.2 伸缩机构步进电机的计算和选型326 .2.1等效转动惯量计算327 .2.2电机力矩计算326.3 蜗轮蜗杆电机的计算与选型356. 3.I电机的计算与选型357. 3.2联轴淞的计克与选型357知1fH>fcM7.1 Pro/E软件的打开367.2 建立零件图367.3 零部件的组装397. 3.1进入装配图407. 3.1组装零部件417.4组件的动态仿真4674.1打开组件图468. 4.2添加“电动机”467结论S1.参考文献52致谢54毕业设计（论文）独创性声明55毕业设出（论文U创性声明361绪论1.1引言工业机泯人是一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性都很强的柔性自动化装置，从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了个长期漫长的发展过程。但进入90年代后，由于计算机技术，微电子技术，网络技术等快速发展，促进了机涔人技术发展的突飞猛进。当今机器人的发展主要有两个突出特点，一个是工业机器人的应用领域在迅速地扩大，从原来的工业生产中的弧焊机器人,装配机器人、喷漆机器人、搬运机器人等，扩大到核能工业、果矿工业。食品工业、船舶工业、建筑工业等许多新领域中应用机涔人。由于机器人对不同的生产环境和作业要求具有很强的适应性，人所从事的作业，许多都能由机器人来完成。因此，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多。另一个是工业机器人的性能不断提高,源于像海洋开发、宇宙探测、医疗服务、娱乐等各行件业不断提出自动化和机器人化得要求,机器人技术逐步向智能化方向发展匕1.2手抓的结构设计类型和特点手爪是用来直接握持物体的部件。由于被握持物体的物件的形状、尺寸大小、轻重和材料性能、表面状况等不同，所以机械手爪的结构是多种多样的。各种手爪的结构，不仅结构形式不完全相同，而且它们的工作原理也并不一样.归纳起来，常用的手爪，按其握持物件的原理，大致可分为下而几种：1 .机械夹钳式手爪机械夹钳式手爪一般由驱动装置、传动机构和手指组成。按其手指的开闭动作和结构的不同，又可分为网转型手爪和平移型手爪。回转型手爪的手指在传动机构的带动下,绕支点回转来实现手指的开闭动作。平移型手爪的两个手指在传动机构带动下,作相对的平行移动以实现开闭动作。该类手爪一股结构荷单、动作灵活、适应性较强，并且大多数属于自动定心机构，在生产中被广泛应用.2 .气吸是手爪气吸式手爪由吸盘、吸盘架及进排气系统组成。根据吸盘与物件接触后形成更空或负压内腔的方法不同，气吸式手爪有：挤气式一一靠外力作用使吸盘变形而相内腔空气排挤出去的方法形成鱼压腔；喷吸式一一利用负压喷嘴将内腔空气抽出而形成负压腔：真空式一一用专门的真空泵系统抽气，使吸盘内腔形成真空。该类手抓具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等特点，广泛应用于板材、薄壁零件、陶费、塑料、玻璃器皿和纸张等的吸附工作，具有良好的使用效果.3 .磁吸式磁吸式手爪是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力，来吸取磁性材料的，吸附时不会破坏物体的表面质贵，可获得较大的吸附力，同时时物体表面光整度要求不高，对于表面仃通孔或通槽的物件同样可以吸持。但被吸持的物件会存在剩磁，对于不能有剩磁的物件要经过退磁工序，对于钢，铁等磁性材料制造的物件，温度超过723度以后就会失去磁性，故在高温时无法使用磁吸式手爪。磁吸式手爪可分为永久磁铁手爪和电磁铁手爪。1.3 国内外研究现状和发展中国作为亚洲第；大的工业机器人需求国，市场发展稳定，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进步加大，市场扩展的速度也会进一步提高O随着机涔人研究的深入和各方面需求的巨大增长，机涔人的应用领域在不断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限于搬运、焊接以及大批增作业的工业机器人，人类已经研制成功或正在研制用丁危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在机器人获得巨大发展的同时，机器人关键部件之一的机器人手爪也获得了长足的进步。I前用于蛇形柔性菖的机械手爪的结构设计还不是很完善，目前的柔性机械VJ的自身重量要比它能所抓起的侦量大得多。如他自身侦鬓为30Kg,仅能搬运还不到K)Kg物体，这与人臂相比要小的多，其主要原因除了还没有出力大的关节不动装置遨外，还缺乏用轻型材料研制的可搬运质量比自身质量大的柔性机械臂。这类手爪的特点是在操作过程中不存在固定不变的夹持形心，所以他可抓取形状变化比较大的物体，但由T失去了时抓取对象的空间位置的精确控制，因此不适合机器人的装配操作，在实际中有局限性，1.3.1 田外发展现状专用机械手经过儿十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代，机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制。仿生学等，因此它是项综合性比较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断修改，品种在不断的增加,应用领域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是：(1)研制更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加灵活，从而完成更加多的工作。(2)研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从个工作地点移动到另个工作地点。(3)研制维修维护方便的机械手。(4)研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5)研制具仃定感触和定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置.并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热点偶和电阻应变仪作为触觉和感触,.用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位，这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。(6)机械手的外观达到美观的要求，尽量用最筒单的结构和设备能完成更加多的动作。1.3.2国内发展现状我国工业机器人起步丁20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致可分为3个阶段：20世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期在高新技术发展的推动卜.，随着改革开放方针的实施，我国工业机涔人在工业自动化的发展进程中扮演者极其全要的角色为了迅速缩短与工业发达国家的差异，并在高起点的平台上发展我国自己的机器人工业，要积极吸收和利用国外已经成熙的机器人技术，并且要得到国家的重视和支持。目前，在国内广泛存在的机械手，虽然般也都有记忆装置，但其他程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代现在研究的机械手正朝着一种可以存储大盘的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交潦与合作。现在国内具有越来越强的自主研发单位，我相信在不久的将来，我国定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。1.4 本文的主要研究工作1.4.1主要研究内容三自由度机械手被人们称为3D机械人。所谓三自由度，就是它能够在个自由度方向上实现操作，即水平、垂直、旋转。运用三自由度机械手进行操作具有操作灵活的特点，目前应用十分广泛机械手一般由三部分构成，即手部、运动机构、控制系统.机械手的手部可以用来抓取工具，它可以根据被抓物体的尺寸、形状以及操作要求而分为多种结构，如夹持里、托持里和吸附里等。而机械手的自由度，就是由于运动机构的升降、伸缩、旋转等造成的.如果要抓取空间中的任何方向和物体，那么机械手需要有个自由度，因而自由度成为机械手构造中的关键因素“想要得到更加灵活的机械手，就必须加大机械手的自由度，而其结构也会更加笈杂。模块化机冷人由于具有独特的优点，引起了众多研究者和生产厂家的高度重视。但是要开发经济型模块化机罂人必须解决许多关键技术，尤其是模块化技术。本文主要围绕组合模块化机器人必须解决许多关键技术，尤其是模块化技术。本文主耍围绕组合模块化机器人机械手爪的设计机器控制展开了研究，主要内容包括以下几个方面：（1）作为一种现代方法，模块化设计在机器人领域至今没有形成完整的理论体系，因此，有必要围绕机械手爪系统构造的模块化原理、构造方法、模块设计准则、模块化与产品创新等方面展开一些有益的探讨.（2）对机械手爪的构型用系统学的观点进行研究，用系统分析的结果去指导综合。分析现有的各种结构的二指机械手爪，并将其抽象作为运动链，在其基础上得出多种型的方案，实现型优化。（3）在对机械手爪型分析、型综合及模块设计理论探讨的基础上，本文拟定设计基于轴孔装配的模块化机械手爪样机。由于机械手爪的机型、传动方式、，模块数量的合理确定以及模块间连接方式都将直接影响F爪的工作性能，必须进行深入探讨。此外，为了保证该模块化机械手爪整体的刚度和强度。对模块间的连接部件必须进行合理设计，并且对一些关键零部件的强度和刚度进行必要的校核.（4）为了分析机械手爪的位置和姿态，进行了机械手爪的运动学分析，建立了正向和逆向运动方程。基于机械操作惜控制的实险平台，询定了手爪的卵动装置和控制，进行了手爪夹持力的控制分析。1.4.2研究方法本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计在本章中对机械手的坐标形式自由度驱动机构等进行确定因此，在机械手的执行机构驱动机构是本次设计的主要任务。（1）机械手基本形式的选择。常见的工业机械手根据手湾的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种：直向坐标型机械手；圆柱坐标型机械手：球坐标（极坐标）型机械手：多关节型机机械手其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。（2）机械手的主要部件及运动。+标型式采用网柱型标型的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度即手普伸缩手臂I绪论回转手鞫升降3个本设计机械手主要由3个大部件和液压缸组成：手部和腕部，手部采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手爪的张合，腕部采用一个回转液压缸实现腕部带动手部I可转。臂部伸缩机构，采用直线缸来实现手菖平动臂部I可转及升降机构，采用一个回转缸和个直线缸来实现手臂回转和升降。(3)驱动机构的选择。驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械F的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压气动、电动、机械驱动等四类1采用液压机构驱动机械手,结构简单尺寸紧凑重量轻控制方便，驱动力大等优点，因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2方案的确定与比较分析2.1机械手机械系统的比较与选择本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一股有一下几种明表2.1机械手结构选型表结构形式方案特点优缺点结构简图H角坐标型耀作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好,控制系统的设计最为简单,但其占空间较大，目运动轨迹单一,使用过程中效率较低冏柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节,其关节轴战按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单,使用过程中效率不高I球坐标型操作机的手内具有两个回转关节和一个移动关节,其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度,且机械手宵的刚度不足，机械结构较为复杂£续表结构形式方案特点优缺点结构简图关节蟹操作机的手臂类似人的上肢关节动作,具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧漆.但控制系统的设计娓度人,机械手时的刚度差I1 .直角坐标型机械手直向坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的i种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2-1.其工作范围可以使个直线运动：二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。跳点是这种机械手作业范围较小，占空比大，员活性差。2 .圆柱坐标型机械手圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。具有直观性好，结构简单,而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、e三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动：二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.圆柱+标式机械手有五个基本动作：(1)手臂水平回转：(2)手鬻伸缩：(3)手臂上下：(4)手臂回转动作：(5)手爪夹紧动作。回柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手皆装在滑动套筒上，手村可作上下直线运动（三）和在水平面内做例弧状的左右撰动(»)。圆柱+标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较且杂，难于其他设得协谢工作。3球坐标型机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、。、小三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械F的工作范国包括：一个旋转运动：二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：(1)手皆上下动作，即仰仰动作：(2)手臂左右动作,即回转动作：(3)手转前后动作，即伸缩动作：(4)手腕上下弯曲：(5)手腕左右摆动：(6)手腕旋转运动：(7)手爪夹紧动作：(8)机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手再奘在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范闱和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体枳小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与寓长成正比，控制难度大。4关节型机械手又称回转+标型，分为垂直关节坐标和平面(水平)关节坐标，机械手由立柱和大小普组成，立柱与大禹通过肩关节相连接，立柱绕Z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成时关节，可使大臂作回转和俯仰，小柠作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活,避障性好，能抓取苑近机座的物体，其缺点是位置精度较低,控制耦合比较纪杂，目前应用越来越多“工本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，玳量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重fit较轻，上述4种类型机械手中圆柱形机械手设计简单，应用范围广泛,选用此类机械手。2.2机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.2.1 执行机构(1)手部即直接与工件接触的部分,殷是回转型或平移型,(多为回转型，因其结构简单，手部多为二指(也由多指)，根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或支空式的空气吸盘和电磁吸就。(2)手抑是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到绐定的位置，股手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手蹲的伸缩、左右旋转、升降运动。2.2.2 要动机构工业机械手的驱动可分为液压，气动和电动：种基本类型。1液压驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa.液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在i或低温现场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。液压驱动有以下特点：(1)输出功率很大,压力范围为50T40Nc大。(2)控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制.(3)结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/旗员比大，体枳小，结构紧凑，密封问题较大。(4)液压系统可实现自我润滑，过我保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度.系统易发热,出现故障后较难找出原因。(5)适用于重载、低速驱动，电液何服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。2气压驱动气压传动机械手结构简单，动作迅速，价格低廉,由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为07Mpa,因而抓取力小，只有几十牛到百牛刀。气压驱动具有以下特点：(1)输出功率不大，压力范围为48-60WCmI最高可达100N/cm：(2)可控性不强,气体乐缩性能大，精度低，明尼效果差，低速不易控制,难以实现高速高精度的连续轨迹控制。(3)执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凌，密封向题比液压小.(4)适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人,如冲用机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具3电力驱动这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种.早期多采用步进电动机SM)驱动，后来发展了直流伺服电动机(DC)，现在交潦伺服电动机(AC驱动也开始广泛应用。上述郸动单元有的直接驮动机构运动，有的通过减速器装电来减速，结构简中紧凑。电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统更杂。适用于中小负教、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交潦电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。各种电机聊动的特点：(1)普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机械手.(2)直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性,可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态晌应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺联电动机按物磁方式不同，有永磁式和电磁式之分：按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量(小惯量:直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯员小，其功率较大：空心杯转了直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小：印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。)和低速、大惯量(大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永感式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过我、重载能力强。)之分。(3)交流伺服电动机：交潦伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单,具仃调速范闱宽、稳速精度高,动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。(4)步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种.步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累定位误差等优良性能，其控制线路简总，不需反馈编码潺和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主耍由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成“纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可旅性心川综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有定要求，乂号虑到机械手的特点和各聊动方式的优缺点，直流伺服电机体枳小，控制精度高，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手部采用液压驱动。2.2.3 控制机构在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用P1.C进行控制，主要控制的是坐标位置。2. 3机械手的规格参数抓重:2kg自由度：3个坐标形式：圆柱坐标式输入电压：220V或24V功率：50W伸缩行程(X)：伸缩速度：升降行程（三）：升降速度：回转范国：回转速度：位置检测：驱动方式：控制方式：200mm311ws200m3rans士180度20。/S用电位器反馈式电机驱动可编程控制I1.3机械手手部设计计算3.1手部设计基本要求应具有适当的夹紧力和费动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所衙的驱动力大小是不同的.手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件,在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使结构紧凑、重量轻.以利于减轻手皆负蜕,应保证手掘的夹挣精度.3. 2手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置来用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用I；手抓闭合，在压力油作用"用簧被压缩，从而手爪张开。下面对其结构进行力学分析：在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心。点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线Oq和OO,并指向。点，交E和6的延长线于A和8”。由ZE=O得七=6(3.1)得耳=2cos«(3.1)由Z，W(P)=0得Rh=FM(3.3)又因为=-(3.4)cosa所以F=少次巴FN(3.5)aa手指的回转支点到对称中心线的距离(mm)4工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力”一定时，a角增大，则握力下,也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=30°40。.3.3 夹紧力与驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据,必须对其大小、方向与作用点进行分析、计算。殷来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可驿的加紧状态闾。手指对工件的夹紧力可按下式计算：FnK1.K2Kfi(3.6)K1.安全系数，通常1.22.0；K、一一工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K、=1.+“，其中”是重力g方向的域大上升加速度，=上山，g是重力加速度，g=9&/Z。Kg一一运截时工件最大上升速度:3- 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5；&一一方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择:G被提取工件所受重力：衣3.1驱动力与液压打工作压力关系图作用在活空上外力F(N)液压缸工作压力MPa作用在活疟上外力F(K)液压缸工作压力MPa<50000.81.20000-300002.0-4.05000100001.52.030000-500004.05.010000-200002.53.0>500005.0-8.0a=30nm,b=6011三,=300,机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力F.,驱动力”和驱动液压缸的尺寸。(1)设K=I.6K2=+-设匕,*=3"/S1.=OSs8因此=匕心=%=().(X)6H5i20.5所以K=I+竺叫=1.Oo69.8设勺=0.5根据以上公式得：&=1.6X1.ooo60.520=16.IN(2)根据驱动力公式得：2Acos2a2X0×cos'301.o,.r=-FN=-×6.1=48.3N由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率，般取?=0.85-0.9o(3)取根=0.85%=等=慰3'即FENU.o(4)确定液压缸的直径。(3.7)因为Fg=四;"如4选取活塞杆直径d=0.5。，选择液压缸工作压力P=().81.Wiao所以4_11P(1.-O.52)4×573.14×0.81.06×(1.-0.52)=0.01bn根据液压缸内径系列(JB826-66),选取液压缸的内径为：D=20nun则活塞杆直径为：J=0.50=0.5X20=1(厉".所以手部夹索液片缸的主要参数见表3.2。表3.2手部夹紧液压缸的主要参数液JK缸内径D活塞杆直径d工作压力P案动力F20mmIOnm0.8MPa57N3.4 手爪夹持范围计算材料密度灰口转铁6.607.40A可锻铸铁7.20-7.40k/att黄钢8.80kan3工业纯秩7.H7kcmi普遹碳素期7.85A/(w铅11.40k/cnr,表3.3材料的密度设夹持物体取高度为IoaI的恻柱体。根据公式m=11rzhp(3.8)算出夹持物体的半径的最小值为2.4cm,最大值为3.1cm。为保证手爪张开角为120。，设手爪长为80”，当手爪没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径叫“=24“，当张开角为120。时，根据双支点回转型手爪的误差分析，取最大夹持半径凡=31”。所以机械手的夹持半径为2431“。3.5手爪夹持精度计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，质豆定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力.机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置，不仅取决丁机械手的定