工业机器人课程设计--多功能机械手-精品

《机器人应用技术》课程作品

设计说明书

作品名称：多功能机械手

专业：机电一体化技术

班级：机电124班

2014 年10 月1 日

目录

一课题概述 (2)

1、选题背景 (2)

2、发展现状和趋势 (3)

3、研究调研 (4)

二机械手组成及工作过程 (6)

1、整体结构分析 (6)

2、所需器材 (6)

3、底座部分 (8)

4、躯干部分 (9)

5、上臂部分 (10)

6、手爪部分 (11)

7、机械手系统的总调试 (12)

三软件部分 (13)

1、机械手软件编制流程图 (13)

2、机械手运行控制程序图 (14)

四设计体会 (15)

一课题概述

1、选题背景

随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，

利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。

这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。

2、发展现状和趋势

目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

图1-1 国内机械手

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要

用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

图1-2 国外机械手

3、研究调研

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

（ 1）直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

（ 2）圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

（ 3）球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，主要应用于搬运作业。

（ 4）关节型机械手结构特点

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

由于本课题设计的内容为搬运机械手，因此选择球坐标机械手，这种机械手结构简单、成本较低，主要应用于搬运作业。

二机械手组成及工作过程

1、整体结构分析

如图2-1所示，此机械手有底座转动的自由度、躯干前后移动的自由度、机械手上下运动的自由度机，总共三个自由度。另外机械手爪有夹紧和松开物体的功能。由三个电机控制三个方向的运动，一个控制机械手整体结构的回转；一个控制躯干前后平移运动；一个通过丝杠螺母的牵引来控制机械手的仰俯运动。当然还有一个电机用来控制机械手本身的夹紧和松开。为了实现准停和对电机的保护我们使用了七个的限位开关用来控制运动的位置。由于手爪本身结构的限制手爪抓紧用延时来控制。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。

然后通过pc编程调试观察机械手的运动是否达到应有的技术水平，并作出相应的改变以及对编程数据的修改等。

图2-1机械手整体实物图

2、所需器材

此机械手用到了四个电机，由于底座部分负载较大，采用了大功率直流【9v 2.4瓦】电机，其他部分负载相对较小，采用了普通直流电机【9V双向】

图2-2慧鱼机器人中普通电机和大功率电机

此外，此机械手还用到了7个行程开关，用来限制各运动部件的位置以及保护电机与机械部件，通过编程为各运动部件之间添加了逻辑关系。底座部分用到两个行程开关，躯干部分用到两个行程开关，上臂部分用到两个行程开关，手爪部分用到一个行程开关，七个行程开关均采用常闭触电（即在程序中1-0的对应表示）

图2-3行程开关外观以及内部结构

另外还需要以下主要器材：

图2-4控制板

图2-5六面体及六面体的拼接

图2-6万向节、减速器

图2-7涡轮和蜗杆

图2-8螺旋传动

图2-9金属杆、连接杆、传动轴3、底座部分

机械手的底座部分如图2-10所示，通过此蜗轮蜗杆装置，机械手可以实现180度的大范围旋转。传动部分由电机、变速箱、蜗轮蜗杆组成。传动链为：电机→变速箱→蜗轮蜗杆→整体旋转（负载）。

图2-10 机械手回转机构实物图

图2-11回转机构简图

4、躯干部分

机械手的躯干部分如图2-12所示，实现机械手的前后运动。通过丝杠与螺母的牵引关系，躯干部分能平滑的在工作台上前后移动。传动部分由电机、变速箱、丝杠螺母副、滑动机构组成。该部分的传动链为：电机→变速箱→丝杆传动→负载。

图2-12前后平移机构实物图

图2-13前后平移机构简图

5、上臂部分

机械手的上臂部分如图2-14所示，通过与底座的“肩关节”实现上下的摆动。传动部分由电机、减速箱、丝杠螺母副、连杆机构组成。其传动链为：电机→变速箱→丝杆传动→连杆。

图2-14仰俯机构实物图

图2-15仰俯机构简图

6、手爪部分

如图2-16所示，机械手通过“肘关节”与上臂连接，使“爪子”实现在保持与地面平行的同时也可以上下移动，而通过联轴器和丝杆的作用，实现机械手的夹紧和放松。传动部分由电机、减速箱、丝杠螺母副、连杆机构组成。其传动链为：电机→变速箱→联轴器（2个）→丝杆传动（滑动副）→机械手夹紧（放松）。

图2-16机械手实物图

图2-17机械手简图

7、机械手系统的总调试

在进行系统的总调试之前，先要进行机构运动的检查，保证机构转动灵活、没有卡死现象，各个开关能正常闭合和松动，每个电机进行通电检查；然后将控制模块、运动机构、接口模块3个部分连接好进行整个系统的总体调试。这样做可以提高总调试的成功率，避免当系统不能运转时难以找到故障所在位置。

三软件部分

1、机械手软件编制流程图

利用此机械手实现从某个指定地点抓取货物，然后机械手到达另一指定地点后放下货物，然后再回到抓取货物指定地点抓取货物，如此往复循环，直到按下停止指令机械手才停止工作。具体流程如图3-1所示：

机械臂回转机构

放下倒转指定

位置

手爪张平移机构

开到指定位

置

手爪闭合机械臂

抓紧物体抬起

图3-1机械手程序流程图

2、机械手运行控制程序图

M1为底座旋转电机，I1，I2为底座部分的行程开关；M2为躯干部分电机，I3，I4为躯干部分行程开关;M3为上臂部分电机，I5，I6为上臂部分行程开关；M4为手爪部分电机，I7为手爪部分行程开关。具体程序图如图3-2所示：

图3-2机械手运行控制程序图

四设计体会

在这个机电作品设计的试验中，我们首先根据图纸和零件，按照操作步骤，组装出各个部件。在实验操作过程中，最重要的是细心，准确选齐零件，按照每个过程组装好。在操作的过程中，经常出现零件安装错误，导致试验中用时过长。然后总结出，要不断的检查，完全确认好这个步骤做好后才做下一步。

做模型的过程中，不仅仅是动手，而且要考虑它的运动结构，传动形式，尺寸结构。最后还要充分理解整个运动模式。

总的来说，这次的工业机器人作品设计给了我们很好地锻炼。在整个的设计过程中，基本上是对以前所学的专业知识的综合运用，通过这一次的作品设计，对所学的知识有了更好的理解，把所学的东西真正运用到实际中去，是对自己学习的一种肯定。这次的作品设计可以很好的提高自己的动手能力，重新认识和了解机器人的各种结构，也提高了自己的查阅书籍的能力。最后感谢老师在这个作品设计中的耐心指导。