壓鑄成型設(shè)備的取料機械手設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

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用于汽車零件組裝的工業(yè)雙臂機器人的開發(fā) 摘要 一般的工業(yè)機器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機器人有雙臂，但它們是單獨工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作。我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計概念。 關(guān)鍵詞 ：雙臂機器人 組裝 實時操作系統(tǒng) 運動控制器 1.簡介 自面世以來，工業(yè)機器人在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。機器人的應(yīng)用在汽車行業(yè)更為顯著，如果汽車行業(yè)和生產(chǎn)商沒有機器人，那后果是無法想象的。但是，目前在很多領(lǐng)域仍沒有工業(yè)機器人能代替人完成需要雙臂操作的工作。一般的工業(yè)機器人由于只有單只手臂在工作運用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機器人有雙臂，但它們是單獨工作的。也就是說，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對工作中的合作性不多以考慮，因此，它們在只能完成簡單的合作工作。近來，一些日本汽車生產(chǎn)商對雙臂機器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為它們能組裝汽車零件，而這需要機器人擁有雙臂，并且通過位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作[5]。 我們正致力于開發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實現(xiàn)WIA有限公司和機器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計的，并且融合了設(shè)計原理。 就一般工業(yè)機器人而言，用一個示教箱足以指導(dǎo)機器人定位操作，因為利用位置基準(zhǔn)一個控制器只控制一只手臂。對于雙臂機器人，由于雙臂需合作完成零件組裝，控制器必須考慮兩只手臂以及組裝零件產(chǎn)生的相互作用力，光用定位指導(dǎo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？梢岳秒x線編程技術(shù)，但是我們需要更敏感的指示方法，因此采用了主從式技術(shù)。我們采用兩個商業(yè)主設(shè)備，每個設(shè)備都能達(dá)到6DOF的定位輸入和6DOF的力量輸出。因此，控制器需及時在0.05-0.01s內(nèi)為從機器人和主機器人分別提供15DOF和12DOF反向/正向動力。這也正是為什么我們采用基于電腦的控制器的原因。我們將采用運動工程有限公司和實時擴展軟件產(chǎn)品有限公司的windows XP專業(yè)版奔騰處理器，引用控制器的原理和結(jié)構(gòu)。 2、雙臂機器人的工件定義 我們對汽車公司利用雙臂機器人系統(tǒng)實現(xiàn)械零件組裝的自動化非常感興趣。而齒輪傳動和等速萬向接頭的組裝過程是我們的研究目標(biāo)。毫無疑問，這兩個過程均需要雙臂合作才能完成，也就是所謂的“合作性工作”，所以，單臂機器人無法應(yīng)用于這些過程。這也是大多數(shù)汽車公司在這些過程中未實現(xiàn)自動化的原因之一。 在此，對于這兩個過程我們不會詳述，僅展示一些圖片。圖1顯示的是裝配輸送線，它由很多齒輪和軸組成。圖2顯示的是等速萬向接頭生產(chǎn)線，它由兩個萬向接頭和軸組成。在WIA有限公司，這些都是政府資助的。很多不包含著兩個過程的汽車零件的生產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)了自動化。雙臂機器人是為實現(xiàn)這兩個生產(chǎn)過程自動化而設(shè)計的。 雙臂機器人的高度需達(dá)1.5m以承受10kgf，克服轉(zhuǎn)矩10N.m，使轉(zhuǎn)動速度達(dá)150deg/s，這就要求可重復(fù)性達(dá)0.1mm。表1列舉了雙臂機器人要完成目標(biāo)程序的參數(shù)要求。 圖1 圖2 表1 3、機器人設(shè)計 雙臂機器人多種多樣，有不同的運動結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)人形機器人的軀干自由度達(dá)3DOF，手臂自由度達(dá)6DOF。本課題研究的雙臂機器人與大多數(shù)人形機器人在運動結(jié)構(gòu)上有所不同，雖然它們的自由度相同。圖3顯示了它們之間的區(qū)別。大多數(shù)人形機器人和人有類似的運動結(jié)構(gòu)，但是我們所研究的雙臂機器人的運動結(jié)構(gòu)不同，它的雙臂的運動結(jié)構(gòu)和美洲獅的及其相像。我們期望它的動作和人類也不一樣。 人形機器人 本研究設(shè)計的機器人 圖3 我們設(shè)計的雙臂機器人要運用于傳送組裝線和等速萬向接頭組裝線，這要求手臂的末端功能器能360度不停旋轉(zhuǎn)。如果雙臂機器人的運動結(jié)構(gòu)如圖3左邊所示，那么每只手臂需有一個額外的旋轉(zhuǎn)夾。這樣，將會降低其負(fù)荷或者需要更強勁的馬達(dá)系統(tǒng)。因此，選擇了圖3右邊所示的運動結(jié)構(gòu)，最后一個接頭能使末端功能器實現(xiàn)螺旋運動，是組裝線360度旋轉(zhuǎn)。另外，這個運動結(jié)構(gòu)還要一個優(yōu)點，那就是所謂的“解耦”，反向運動在閉合形式方案下也得以簡單表達(dá)。這都是我們選擇這種運動結(jié)構(gòu)的原因。 圖4 圖5 雙臂機器人設(shè)計工具 圖4顯示的是機器人右臂的簡單草圖以及符合表1所示參數(shù)的設(shè)計。為實現(xiàn)工作分析，預(yù)備了運動解決方案，并開發(fā)了目光鑒定儀和簡單的雙臂分析工具，以便在制造過程中能夠進(jìn)行運動評估和檢查控制計算等。圖5顯示的是雙臂機器人的設(shè)計工具。 4、控制器設(shè)計 圖6顯示的是控制器的總體構(gòu)造，它由中心主機，可是控制器，遙控控制器和機器人控制器組成。所有這些控制器均基于電腦系統(tǒng)，并且每個控制器都通過CAN總線相互連接，控制器間可以實時交流信息。離線編程，視覺系統(tǒng)和遙控控制器不在本研究范圍內(nèi)，在此只介紹機器人控制器。 圖6 控制器構(gòu)造 一般的機器人控制器在機器人開發(fā)系統(tǒng)中非常實用，它對機器人運動參數(shù)和控制參數(shù)都起到借鑒作用。相對簡單的機器人而言，大多數(shù)普通機器人的控制器是可以利用的。但是要開發(fā)特殊的機器人，這些控制器則不可用，因為它們沒有所謂的“開放式體系結(jié)構(gòu)”。用戶不能存取運動方程式的源編碼，所以特殊機器人不能用普通機器人的控制器。目前市場上還沒有轉(zhuǎn)為雙臂機器人設(shè)計的商業(yè)機器人控制器，因此，必須先開發(fā)雙臂機器人的專用機器人控制器。 開發(fā)雙臂機器人的專用機器人控制器有兩種方法：開發(fā)特殊的控制器板或使用商業(yè)運動板。本研究選用了運動工程有限公司的帶有ZMP網(wǎng)絡(luò)同步并基于電腦的機器人控制器，此外工業(yè)電腦也正在開發(fā)中。另外還選用了實時控制器。ZMP網(wǎng)絡(luò)同步的運動板是普通的運動板，它采用的是集成計算技術(shù)，當(dāng)多根軸同時工作時，其控制頻率就降低了。它一次可控制4根48khz的軸，32根2khz的軸。它有明顯的特征那就是將用數(shù)位傳輸運用于馬達(dá)驅(qū)動器上，另外運動工程支持實時操作系統(tǒng)、RTX、RTLinux的軟件驅(qū)動。普通運動板沒用支持實時操作系統(tǒng)的驅(qū)動，所以不能用來組成基于電腦的機器人控制器。 RTX是windows XP的一種實時擴展，它的中斷等待時間很短（<10us）。RTLinux是最好的實時操作系統(tǒng)之一，但是對普通用戶而言在Linux系統(tǒng)中很難開發(fā)軟件，因此沒有選擇RTLinux系統(tǒng)。大多數(shù)電腦用戶使用windows XP，并且已經(jīng)開發(fā)出了很多軟件開發(fā)包。考慮到市場情況，windows XP 是最好的操作系統(tǒng)，但是，windows XP不支持實時計算也不是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以，選擇了RTX。RTX在windows XP的基礎(chǔ)上增加了實時計算功能。圖7顯示了RTX的功能[4]。 圖7 RTX和windows 產(chǎn)品有限公司說RTX在單個CUP系統(tǒng)下中斷等待時間克達(dá)10us，但是我們的實驗結(jié)果和他們說的有所出入，因此選擇了雙核奔騰處理器。如果CPU大于兩核或是兩個CPU，那么RTX能不受windowsXP的影響而充分利用單核或者單個CPU。所以，即使電腦由于藍(lán)屏關(guān)機RTX也能在測試時保證中斷等待時間不少于2us。 用有獨自控制運算法則和軸插值的運動板組裝基于電腦的機器人控制器，主從控制器的同步性至關(guān)重要。RTX要有自己的計時器，運動板也使用單獨的計時器，所以選擇了ZMP網(wǎng)絡(luò)同步簡單機械霧化油槍[3]。 ZMP運動控制器能夠以特定頻率中斷主機，且頻率是控制器樣品頻率的幾倍。該主從式中斷被稱為同步中斷。對于需要使控制器和樣品所需的計算數(shù)據(jù)同步的系統(tǒng)，ZMP固件都有一個主程序標(biāo)志。這個標(biāo)志用于顯示主機軟件正在工作，并將所需的數(shù)據(jù)傳輸給ZMP，它是在主機工作后數(shù)據(jù)傳輸前由同步器同步開啟的。當(dāng)所有程序完成后未進(jìn)入休眠和等待下一個同步前主程序標(biāo)志會被主機清除。ZMP軟件能在每個周期開始工作前檢查主程序標(biāo)志，如果主程序標(biāo)志在開始工作時是一個靜止的點，那么軟件便會在控制對象內(nèi)設(shè)置一個狀態(tài)位以表示主機未及時完成工作任務(wù)。圖9顯示了電腦主機和運動板（ZMP）在是如何同步使用的[3]。 5、總結(jié) 雙臂機器人應(yīng)用于汽車零件足證過程，它的控制器采用了工業(yè)電腦、ZMP運動板、微軟windows XP和RTX技術(shù)。介紹了雙臂機器人設(shè)計理念和運動結(jié)構(gòu)，主機和ZMP運動板實現(xiàn)同步的方法以及RTX達(dá)到最短中斷等待時間的方法。 圖9運動板和主機的同步性 謝辭 感謝MOCIE和慶尚南道政府對本研究的大力支持。 參考文獻(xiàn) 1] Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamics and control. John wiley & Sons, 1989 [2] John J. Craig, Introduction to Robotics, Addison Wesley, 1989 [3] http://support.motioneng.com/Software-MPI/Top ics/sync_interrupt.htm [4] RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com) [5] www.yaskawa.com 現(xiàn)場可編程陣列的三自由度的數(shù)字控制系統(tǒng)機械手 摘要 這項工作是以展示設(shè)計過程和執(zhí)行三自由度機械手為目的的，被由超高速集成電路硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)控制，以及被現(xiàn)場可編程陣列執(zhí)行。用于控制的數(shù)字系統(tǒng)是通過互相連接的電路和功能塊設(shè)計的。 現(xiàn)場可編程陣列終端被用來控制三個步進(jìn)電機序列，這種方式實現(xiàn)了三自由度機械手的運動，在控制系統(tǒng)和發(fā)電機中的接口階段是被基于晶體管的電力電子電路所開發(fā)的。這個設(shè)計是一個試圖說明設(shè)計階段以及主要關(guān)于機械手運動的數(shù)字控制系統(tǒng)的理論模型。對于這種情況，機械手設(shè)計并不依賴一個特定的情況，這是一個免費的軌跡，與此同時用戶能通過現(xiàn)場可編程陣列的界面決定機械手的運動。機械手通常沒有能力去移動大部件，既不能升大重力物體，也不能成為一個簡單的結(jié)構(gòu)模型和被每個人訪問除非能用可循環(huán)材料建造它，它被做成這種形式只是處于教育的目的。 1.介紹 對現(xiàn)代人來說，根本不可能去構(gòu)思他們的生活如果沒有數(shù)字電子的存在，因為電子應(yīng)用出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)量是巨大的，數(shù)字電子的應(yīng)用是非常多和非常普遍的。 【1】傳感器，微芯片和致動器被普遍用于現(xiàn)在生產(chǎn)中。甚至傳統(tǒng)的機械工程領(lǐng)域的汽車工業(yè)也用微芯片在現(xiàn)代交通工具和機械結(jié)構(gòu) 【2】機電一體化和有關(guān)的各種學(xué)問去接近設(shè)計工程發(fā)展的解決方案，提供一個重要的方向來跟隨教學(xué)和研究。因此,對成功的工程師來說這樣一個多學(xué)科學(xué)位的教學(xué)已經(jīng)成為必要。 【3】世界上的大學(xué)用在機電一體化和機電工程方面介紹新學(xué)位來回報的方式出現(xiàn)。因為在相同的方式,它也通常發(fā)生在數(shù)字電子技術(shù)和電子產(chǎn)品，在很多應(yīng)用里我們能找到電子設(shè)備涉及機械設(shè)備，其中的一個應(yīng)用就是機械結(jié)構(gòu)控制。 【4】在控制和施工條件下，教育和演示目的一個機械手,和大的工業(yè)機械手有相同的結(jié)構(gòu)的，因此，理解用于控制他們的技術(shù)的設(shè)計是非常重要的。每一個數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計開始于一組規(guī)格和完成模式開發(fā)的特性，此外它它用布爾運算功能所表示的邏輯圖結(jié)束，同時它被編程到現(xiàn)場可編程陣。 【5】實際上,邏輯設(shè)計師的任務(wù)是簡化使用描述性語言的電路。雖然多樣化的描述性語言存在，非常高速的集成硬件描述語言是最受歡迎的和使用時間最長的。硬件描述語言的描述性語言的目的是開展在可編程序邏輯方面的電路領(lǐng)悟，這技術(shù)是已知的像設(shè)計合成。 被提出的數(shù)字系統(tǒng)來控制機械臂是由自上而下的分層設(shè)計技術(shù)。使用這種技術(shù),設(shè)計師有從容分開設(shè)計階段,確定幾個抽象水平，能夠治療系統(tǒng)黑盒來開發(fā)他們用并行方式。這個項目被分為三個主要部分來講:機械部分的手臂,電力電子接口電路和FPGA階段。非常重要的說,擬議中的數(shù)字系統(tǒng)的用來控制步進(jìn)電機是不會考慮一個特定的軌跡。在這個項目中,數(shù)字系統(tǒng),如同樣的方式,機械設(shè)計,不依賴任何運動軌跡。這是一個被推薦的FPGA接口所以運動軌跡是由用戶決定。圖1顯示了這個項目是主要部分劃分: 圖1設(shè)計過程階段 2.發(fā)展 2.1機械階段 機械階段重點建設(shè)機械臂結(jié)構(gòu)，為此，各種各樣的元素被實用，如鋁鏈接、齒輪、滑輪、帶輪、步進(jìn)電機、軸、參考線以及一些公共設(shè)施的元素在停止實用的的電子設(shè)備中都有包含。這個階段的項目很有趣,因為在齒輪、帶輪、滑輪中的機械聯(lián)合體，他們自己的生產(chǎn),所有機械設(shè)備被放置在一個精確的方式來獲得想要的運動。圖2顯示了機械作臂是如何建立。 圖2三自由度的機械臂結(jié)構(gòu) 圖2顯示了臂是如何被建立去完成三自由度的運動:在圖像的劣質(zhì)部分，第一馬達(dá)是被鑒別的,允許整體的運動基于手臂的位置;在左邊圖像的優(yōu)越部分的馬達(dá)有助于開展二自由的運動,相當(dāng)于第一個鏈接的運動，以其各自的機械連接,允許想要運動離開;最后,圖2也顯示了步進(jìn)電機,是定位于攜帶出了運動的第三和最后的自由度，適當(dāng)?shù)募尤脒@個運動反映了機制的第二環(huán)節(jié)。機械臂結(jié)構(gòu)是建立在一個自由的方式,對于這個項目沒有必要采取合成過程來確定結(jié)構(gòu)尺寸,比如鏈接的長度，基于一個特定的精密點軌跡。結(jié)構(gòu)尺寸是任意選擇的和機械臂結(jié)構(gòu)不是考慮一個特定的運動軌跡而建立。圖2沒顯示了機械臂的執(zhí)行機構(gòu)由于目前情況下,執(zhí)行機構(gòu)可以是一個螯,伊瑪目,一個支承面,一個電磁鐵,一支鉛筆,它實際上可以是任何東西,機械臂執(zhí)行機構(gòu)是用戶的決定。 2.2電子階段 電子的階段主要是使用的電力電子接口連接FPGA和步進(jìn)電機安裝在機械臂結(jié)構(gòu)。這個FPGA包含一個非常廣泛的邏輯包為了應(yīng)用現(xiàn)狀，但它的終端不能直接與步進(jìn)電機相連接，因為步進(jìn)電機電流的需求比支持現(xiàn)場可編程門陣列的要大得多。為了解決這個問題,有必要實現(xiàn)”接口電路”,它可以解釋FPGA輸出和采取相應(yīng)的行動使發(fā)動機給必要的和足夠的力量,同時FPGA是受保護的。為此,光學(xué)絕緣體被用來在FPGA輸出和步進(jìn)電機的輸入間消除身體接觸。圖三顯示了電路的應(yīng)用原理圖：電力電子接口電路顯示在圖3是只有一個步進(jìn)電機相,它是必須實現(xiàn)12次同樣的電力電子接口電路，因為每一個步進(jìn)電機有四相和這個項目使用三個步進(jìn)電機相來運動。有時FPGA輸出有一個非常低電壓水平,這就是為什么另一個電子電路選擇界面在FPGA和光絕緣子之間放一個緩沖區(qū),但對于目前的項目它不是必需的。光絕緣子輸出與相應(yīng)的步進(jìn)電機相具有相同的狀態(tài)（激活或禁用），但它是孤立于FPGA和有一個電壓水平稍高于它的輸入。光絕緣體輸出不能提供步進(jìn)電動機所需求的電流，這就是為什么電力階段是適當(dāng)?shù)?。高輸出增益的達(dá)林頓晶體管配置,被用在功率階段。最后,接口電路也有相應(yīng)的步進(jìn)電機相線可用的連接器:步進(jìn)電動機常見的終端連接到供給電壓(Vcc)，相應(yīng)的步進(jìn)電機相連接達(dá)林頓晶體管集電極。圖4顯示了完整的接口電子電路的實作界面及其到FPGA的連接: 圖4連接到FPGA電力電子接口電路 有許多不同的方式來實現(xiàn)功率電子接口電路,因為有大量的電力電子設(shè)備可以使用，這只是一個標(biāo)準(zhǔn)的電力電子接口電路和用戶可以決定使用哪些電子設(shè)備來實現(xiàn)它。 2.3現(xiàn)場可編程門陣列階段 FPGA階段包括在被VHDL描述的數(shù)字系統(tǒng),它能夠控制機械手臂的運動。本設(shè)計提供了激活感覺和運動資格的選擇：用戶選擇想激活的電動機，它移動的意義和希望最后它可以激活運動的開始?？梢允褂玫目删幊踢壿嬜鳛橐环N個性化的邏輯設(shè)計,也就是說,設(shè)計思考關(guān)于自己的硬件。第一個器件是編程的通過面具,他們被電腦制造商開發(fā)的,在60年代初可編程序邏輯到達(dá)可融化的程度，從那時，這種技術(shù)對大小用戶的使用都很普遍。用一種更簡單的方法來描述數(shù)字系統(tǒng)為控制機械臂運動多樣化，它們使用的功能塊允許執(zhí)行必要的功能。數(shù)字系統(tǒng)被以下功能模塊建造借助分層設(shè)計基金會:時間坐標(biāo),步進(jìn)電機有限狀態(tài)機和控制有限狀態(tài)機。 圖5數(shù)字系統(tǒng)功能塊 圖5顯示了數(shù)字系統(tǒng)功能塊并給出一個關(guān)于的互聯(lián)互通他們的主意，包括用戶選項用于選擇一些機械臂運動。時間坐標(biāo)功能塊是像一個振蕩器,它確實沒有從用戶收到任何價值或命令，但它發(fā)送一個預(yù)先確定的和持續(xù)期脈沖控制有限狀態(tài)機,對于這種情況,周期是1 ms;在時間坐標(biāo)生成的相對低頻脈沖功能塊用于處理相應(yīng)的步進(jìn)電機相來通過電力電子接口電路，同時,它允許解釋目前步進(jìn)電機階段狀態(tài)，來影響運動序列有變化的時候；具體來說,時間坐標(biāo)功能塊設(shè)計可以像一個常數(shù)模塊計數(shù)器,由用戶決定的計時模塊，這種方式,時基脈沖周期可以有很多價值,但是所給的不改變；這是必要的時間坐標(biāo)脈沖對電力電子接口電路設(shè)備有一個好操作。步進(jìn)電機有限狀態(tài)機接收來自使用步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向感(連續(xù)波或反時針方向)和步驟類型(退或全部步驟)值,同時用戶選擇步進(jìn)電機運動開始的資格信號。顯而易見,用戶激活相應(yīng)的步進(jìn)電機將感覺信號,這一步類型的信號和選擇想要移動的步進(jìn)電機，所以機械臂結(jié)構(gòu)可以采取很多不同的運動軌跡。這是為什么機械手臂運動確實不依賴于一個特定的運動軌跡,因為用戶可以決定,實際上決定了,機械臂運動軌跡。步進(jìn)電動機有限狀態(tài)機發(fā)送來控制有限狀態(tài)機的相應(yīng)的步進(jìn)電機相階段與從用戶選取的運動特征;步進(jìn)電機有限狀態(tài)機包含適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電動機相序為了生成兩個感覺運動,也包括一半和完整的步驟運動。 圖6步進(jìn)電機有限狀態(tài)機 圖6顯示了步進(jìn)電機有限狀態(tài)機的國家和它的特征。資格信號,轉(zhuǎn)換信號和步進(jìn)式信號是輸入信號和它們的值從用戶直接定義的。步進(jìn)電機的階段可以分化為兩種不同的方式:第一個只有一個極化階段,第二個有兩個極化階段。總之,步進(jìn)電機有限狀態(tài)機認(rèn)為四個狀態(tài)只有一個極化階段和另外四個個狀態(tài)的兩個極化階段,這樣一般和完整的步驟運動都能生成。沒有任何國家有三個或四極化階段,因為它不是一個為了興趣的步進(jìn)電機運動。圖6也顯示了可能的運動序列:連續(xù)波和完整的步驟,連續(xù)波和半步驟,反時針方向和完整的步驟,最后,反時針方向和半步驟。步進(jìn)電機的有限狀態(tài)機在圖6提供了一個參考狀態(tài),有限狀態(tài)機決定當(dāng)復(fù)位信號(RST)被激活。復(fù)位和fpga時鐘信號是最高層次的信號因為復(fù)位信號重啟所有數(shù)字系統(tǒng)和時鐘信號，使這個設(shè)計成為一個同步數(shù)字系統(tǒng)確定數(shù)字系統(tǒng)操作速度,但另一個高的層次結(jié)構(gòu)信號是資格信號,有資格的信號用戶允許或者阻礙選擇的步進(jìn)電機運動,這樣,當(dāng)資格信號是禁用的步進(jìn)電機不動。轉(zhuǎn)變感覺和步進(jìn)式信號不會有一個高的層次,但他們是很重要的,因為他們決定運動特性。對于目前項目有必要考慮半步驟的運動,因為它是更精確的運動相比完整步驟的運動,這種方式,提出的控制數(shù)字系統(tǒng)提供了兩種精度水平的步進(jìn)電機運動,因此,可能得到更好的機械臂定位?？刂朴邢逘顟B(tài)機接收時間坐標(biāo)脈沖,相應(yīng)的步進(jìn)電機相狀態(tài)依據(jù)從用戶和步進(jìn)電機的選擇信號選定的運動特性;時間坐標(biāo)脈沖步進(jìn)電機相階段來自內(nèi)部功能塊,但步進(jìn)電機選擇信號來自用戶;控制有限狀態(tài)機詮釋步進(jìn)電機相狀態(tài)依賴于從步進(jìn)電機有限狀態(tài)機選擇的步進(jìn)電機運動特性,用戶選擇步進(jìn)電機希望移動和控制有限狀態(tài)機指定相狀態(tài)到對應(yīng)的步進(jìn)電動機。這個過程是按以下方式進(jìn)行:控制有限狀態(tài)機接收步進(jìn)電機相狀態(tài)擁fpga時鐘速度,這就是說,每一個fpga時鐘脈沖控制有限狀態(tài)機更新對應(yīng)的步進(jìn)電動機階段狀態(tài)和運動資格信息,這樣,任何運動序列幾乎立即改變產(chǎn)生的相關(guān)的行動，F(xiàn)PGA輸出狀態(tài)也幾乎立即反映這種變化的影響;時間坐標(biāo)功能塊的工作作為一個常數(shù)模塊計數(shù)器和發(fā)送控制有限狀態(tài)機的一個由設(shè)計師決定的常數(shù)周期脈沖。 控制有限狀態(tài)機發(fā)送給FPGA輸出相應(yīng)的步進(jìn)電動機相階段來選擇步進(jìn)電動機, 但不是在fpga時鐘速度,它發(fā)送那個的價值在時間坐標(biāo)脈沖速度。所有數(shù)字系統(tǒng)提出功能塊是和fpga時鐘完全同步的，但有必要減少它的頻率并用一個適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行相應(yīng)的步進(jìn)電動機相狀態(tài)。 1. 結(jié)果 結(jié)果的每一個階段在那個設(shè)計里被劃分成以下部分: 機械臂結(jié)構(gòu)被建立在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電機,在每一個三自由度生成一個自由運動; 一個基于功率晶體管的接口電路設(shè)計, 連接FPGA與步進(jìn)電機; 最后,一個數(shù)字系統(tǒng)被設(shè)計生成必要的和適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂茩C械手臂運動。如前所述,無論是機械臂結(jié)構(gòu)和控制步進(jìn)電機運動的數(shù)字系統(tǒng)并不是考慮一個特定的運動軌跡, 但它是提出一個FPGA接口采取關(guān)于轉(zhuǎn)換意義相應(yīng)的價值, 步進(jìn)式和從用戶選擇的步進(jìn)電機。在接下來的四個圖片,可以看到控制數(shù)字系統(tǒng)仿真程序的結(jié)果。這是重要的說,照片顯示所有可能的運動的類型,連續(xù)波和完整步驟,反時針方向和完整步驟,連續(xù)波和半步驟,CCW和半步驟,最后, 一個額外的“堅持”的狀態(tài),但只有一個步進(jìn)電機。仿真結(jié)果,數(shù)字7,8,9和10展示只會是選擇步進(jìn)電機的運動選項。為了獲得一個正確的模擬他們定義一些控制信號。 這些信號是一種標(biāo)志,可以給關(guān)于步進(jìn)電機運動條件的一些信息:信號（RST）有能力重啟完整數(shù)字系統(tǒng), 在模擬的開始它被激活, 過很短的時間,然后它使其余的仿真市區(qū)能力; 時鐘信號(時鐘)正是FPGA時鐘信號, 它有一個標(biāo)準(zhǔn)的50mhz的頻率；使感覺信號(C)選擇連續(xù)波或反時針方向改變感覺, 如果它是禁用的，默認(rèn)轉(zhuǎn)換感覺是連續(xù)波轉(zhuǎn)換感覺, 如果轉(zhuǎn)換感覺信號被激活然后步進(jìn)電機運動是在反時針方向轉(zhuǎn)換感覺; 步式信號(F)選擇步進(jìn)電機的步進(jìn)式, 它被激活時將選擇一個完整步驟序列，當(dāng)它被禁用了默認(rèn)類型是半步序列; 啟動類型運動信號(STM)只是一個控制信號,表明準(zhǔn)確即時當(dāng)步進(jìn)電機的運動特性改變時; 步信號(S)只是一個控制信號,提示號碼必要的步驟來完成這個步驟類型選擇序列; 信息傳輸信號(S)是一個標(biāo)志信號表明信息在正確的方式轉(zhuǎn)移, 當(dāng)它被禁用時,信息轉(zhuǎn)移是正確的; 準(zhǔn)備好信號是一個旗語，這是激活顯示選定的運動的完成, 而且它也被激活當(dāng)選擇的步進(jìn)電機是在“堅持”狀態(tài); 最后,這個階段信號(φ)是一個信號總線,代表選擇的步進(jìn)電機相狀態(tài)。一個關(guān)于模擬過程的重要解釋已經(jīng)有結(jié)果，可以看到步進(jìn)電機序列是做在一個比FPGA標(biāo)準(zhǔn)頻率較低的頻率的改變。圖7顯示了模擬的第一部分,可以看到它完成半步和連續(xù)波序列, 和一些半連續(xù)波序列。圖8顯示第二部分的仿真。我們可以看到半步和連續(xù)波序列的結(jié)束退的武器序列,和的完整步驟連續(xù)波序列的開始。圖9顯示了模擬的第三部分, 我們可以看到完整步驟和連續(xù)波序列的結(jié)束,和完整步驟反時針方向序列的開始。圖10顯示了最后一部分的仿真, 它可以看到全部步驟和反時針方向序列的結(jié)束,和保持狀態(tài)。 4總結(jié) 機電一體化使用其他工程分支的知識，但是它有它的技術(shù)問題, 應(yīng)用程序和作為獨立的工程的特定的設(shè)計。這個項目需要應(yīng)用先前獲得的知識和技能,如:數(shù)字邏輯設(shè)計(有限狀態(tài)機);硬件描述語言(VHDL); 分層設(shè)計技術(shù)在于實現(xiàn)使用FRGA。 電子電路設(shè)計(接口和驅(qū)動電路); 最后,發(fā)動機和致動器(步進(jìn)電機)。選擇一個FPGA設(shè)計的主要的理由是提供工具來實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的快速原型，這是必不可少的在當(dāng)前的電子行業(yè)，反應(yīng)當(dāng)前的行業(yè)慣例; 和使用VHDL硬件描述語言來描述數(shù)字系統(tǒng)。 合成和實際硬件作為一個替代設(shè)計平臺來實現(xiàn)[3]。這個項目的用戶界面可以是一個電腦鍵盤,計算機或電子電路, 但對于這種情況，選定的用戶界面是FPGA自己的控制, 按鈕和開關(guān)。這個用戶界面不是最好的一個,但它是非常實用和多功能的。最大的并發(fā)癥出現(xiàn)在機械階段,因為機械傳動和聯(lián)合結(jié)構(gòu)是自己生產(chǎn)的, 有必要驗證那個元素的位置是否合適來生成一個自由運動。這個機械手臂提議是用可回收材料建造的。這個項目需要一個非常常見的工業(yè)應(yīng)用:控制機械結(jié)構(gòu)運動, 但在同時,它允許用FPGA做簡單化系統(tǒng)來控制復(fù)雜的機制。三自由度機械臂的被提出不能移動大部件,也不能提重物, 它可以被可回收的材料建立,如在這種情況下, 所以這個項目的主要目的是說明了數(shù)字設(shè)計流程和被專注于FPGA階段。 References *[1] R. de Jes?us Romero Troncoso, Electr?onica Digital y L?ogica Programable. 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Manipulator overall scheme design, this paper determined forms and degrees of freedom, the coordinates of the manipulator design able to drive of the manipulator and compute the transmission ratio, the design of the manipulator hand structure, design of the manipulator arm structure, determine the reclaimer, die-casting molding equipment parameter calculation and analysis of related institutions, determine the reclaimer, die-casting molding equipment related and technology analysis, material selection of parts to determine the driving arm and hand the required motor power, to determine the basic technical parameters of manipulator. At the same time, design the PLC control system of the manipulator, mapped the picking manipulator, the working principle diagram, shows the basic properties of the picking manipulator, check the part of the strength of the parts and service life. Key Words:?industrial robot；manipulator pump；air pressure drive 目 錄 引言 1 1 緒論 2 1.1 機械手的分類 2 1.1.1簡史 2 1.1.2應(yīng)用簡況 3 1.1.3發(fā)展趨勢 3 1.2 機械手的組成 4 1.2.1執(zhí)行機構(gòu) 5 1.2.2驅(qū)動機構(gòu) 6 1.2.3控制系統(tǒng) 6 1.2.4行程位置檢測裝置 6 1.3 應(yīng)用機械手的意義 6 1.4 課題的提出及主要任務(wù) 7 1.4.1課題的提出 7 1.4.2課題的主要任務(wù) 7 2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 8 2.1 原始數(shù)據(jù) 8 2.2 工作需要 8 2.3 工作結(jié)構(gòu) 9 2.4 系統(tǒng)組成 9 2.5 動作分析 9 2.6 總體技術(shù)方案 9 2.6.1執(zhí)行機構(gòu)的確定 9 2.6.2傳動機構(gòu)的確定 10 2.6.3驅(qū)動機構(gòu)的確定 12 2.6.4控制系統(tǒng)的確定 13 2.6.5行程位置檢測裝置的設(shè)置 13 3 電機的選擇 15 3.1 選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu) 15 3.2 選擇電機的型號和參數(shù) 16 3.3 設(shè)計傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比 19 3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 19 3.4.1驅(qū)動電機到軸 19 3.4.2驅(qū)動電機到軸 20 3.4.3驅(qū)動電機到軸 20 3.4.4驅(qū)動電機到軸 20 4 手部的設(shè)計....................................................................................................20 5 手臂及底座的設(shè)計 21 5.1 手臂的設(shè)計 21 5.2 手臂保持架及底座的設(shè)計 22 6 鏈傳動的設(shè)計與鏈輪尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 23 6.1 驅(qū)動電機到軸的第一級鏈傳動 23 6.1.1初始條件 23 6.1.2設(shè)計過程 23 6.1.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 6.2 軸驅(qū)動電機到軸的第二級鏈傳動 28 6.2.1初始條件 29 6.2.2設(shè)計過程 29 6.2.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 6.3 驅(qū)動電機到軸的鏈傳動 30 6.3.1初始條件 30 6.3.2設(shè)計過程 30 6.3.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計 31 7 軸的設(shè)計與校核及零件的選擇與校核 32 7.1初步確定軸的最小直徑 32 7.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 35 7.3 軸上零件的周向定位 37 7.4 確定軸上圓角和倒角尺寸 37 7.5 對軸驅(qū)動電機所連軸進(jìn)行校核 38 7.6 對軸驅(qū)動電機所連軸上的軸承進(jìn)行校核 40 7.7 對軸驅(qū)動電機所連軸上的鍵連接進(jìn)行校核 42 8 結(jié)論 44 謝 辭 45 參考文獻(xiàn) 46 引言 機械工業(yè)是國民的裝備部,是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。 1 緒論 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機械手的分類 機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。 1.1.1簡史 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 1.1.2應(yīng)用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。 1.1.3發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1?.2 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。? 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。其組成及相互關(guān)系如圖1-1所示： 圖1-1 機械手結(jié)構(gòu)形式的組成及關(guān)系 1.2.1執(zhí)行機構(gòu) (1)手部:手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手部。機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。另外還有真空和電磁吸盤(相當(dāng)于手爪)，用來吸取表面光滑的零件，比如薄板。有的手爪還可夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。 (2)腕部:腕部是聯(lián)接于部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉(zhuǎn)三個運動。特殊情況可以增加一個橫向移動。有的機械于沒有手腕動作。 (3)手臂:臂部是支撐手部、腕部的構(gòu)件。手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分，手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的自由度需要精確的定位。機械手的臀部是為取代人的手臂而研究設(shè)計的，但它卻達(dá)不到象人密的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運動軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。一般手臂又有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動等幾個運動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運動。 (4)立柱:立柱是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機械于的立往為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移孔，此種稱可移動式立柱。 (5)行走機構(gòu):行走機構(gòu)在機械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機構(gòu)。 (6)機座:機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 1.2.2驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達(dá)到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。? 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進(jìn)電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 1.2.3控制系統(tǒng)? 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，它是支配機械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序，到達(dá)位置和時間信息)。機械手工作時根據(jù)這些信息對機械手的執(zhí)行機構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時還可對機械手的動作進(jìn)行監(jiān)機當(dāng)動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出管報信號。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定程序運動。 1.2.4行程位置檢測裝置? 行程位置檢測裝置的作用是控制機械手每個動作的運動位置，或?qū)⑦\動系統(tǒng)的位置反饋于控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機械手實現(xiàn)位置精度的要求。控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 1.3 應(yīng)用機械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。? 在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下： (1)以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 (2)以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 (3)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.4 課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1課題的提出 隨著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展水平不斷提高,對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率要求不斷提高,生產(chǎn)過程中的機械化程度不斷提高,機械手也逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。特別適合于沖壓等重復(fù)性、危險性的加工行業(yè),它能取代人工在各個沖壓工位上進(jìn)行物料沖壓、搬運、上下料等。能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本及勞動成本，能夠很大限度地降低工傷事件，確保員工安全。機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計以壓鑄成型設(shè)備的取料為載體，完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。進(jìn)一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準(zhǔn)備。 1.4.2課題的主要任務(wù) (1)收集關(guān)于壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的相關(guān)知識，了解現(xiàn)有壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)； (2)熟悉壓鑄成型設(shè)備的取料的工作原理及過程； (3)查閱相關(guān)資料，熟悉機械產(chǎn)品設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械零件的加工工藝、工程力學(xué)、工程制圖等與本畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)的知識； (4)熟練掌握計算機輔助設(shè)計軟件； (5)對壓鑄成型設(shè)備的取料設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃及分析，反復(fù)對方案進(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化； (6)完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計； (7)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析； (8)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析； (9)完成壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制； (10)完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作。 2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 2.1 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)如表2-1所示： 表2-1 取料機械手原始數(shù)據(jù) 用途 用于630噸冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液 規(guī)格參數(shù) 澆杯最大給湯容量 四公斤 自由度數(shù) 2個 坐標(biāo)形式 兩個同心且相互垂直的圓面坐標(biāo) 手臂運動參數(shù) 水平面回轉(zhuǎn) 180° 手臂伸縮范圍 1500mm 澆杯最大傾轉(zhuǎn)角 90° 驅(qū)動方式 電機 控制方式 PLC控制 2.2 工作需要 澆鑄機械手（即澆杯）的初始位置，停在保溫爐坩堝的金屬液面的上方，在此進(jìn)行保溫，等待澆鑄。當(dāng)630噸壓鑄機慢速合模時，壓鑄機的電控裝置發(fā)信，使手臂驅(qū)動電機動作，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)控制手臂的下降，澆杯下降并浸入液態(tài)金屬內(nèi)，直到湯面檢出用檢出棒會與保溫爐內(nèi)的熔湯接觸，形成回路，電壓繼電器發(fā)出信號，手臂停止后退，停止時湯勺處于計量取湯狀態(tài)，熔湯由汲入口充分流入湯勺內(nèi)，鋁湯沒有接觸湯勺小手臂的底部，并用時間繼電器控制澆杯，已裝滿液態(tài)金屬，而后手臂驅(qū)動電機動作，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂上升來帶動澆包上升，在提升過程中多余的金屬溶液會溢出，直到澆杯底面超過保溫爐坩堝的最高點，到達(dá)后退低速限，提升結(jié)束，手部驅(qū)動電機控制關(guān)節(jié)軸回轉(zhuǎn)，使?jié)脖謴?fù)水平狀態(tài)，爐上待機，直到壓鑄機給出給湯信號，手臂通過關(guān)節(jié)處的回轉(zhuǎn)來進(jìn)行伸長，同時腰部驅(qū)動電機控制腰部回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到前進(jìn)低速限位開關(guān)后，又轉(zhuǎn)變?yōu)槁倩剞D(zhuǎn)，直到碰到前進(jìn)限位開關(guān)后停止回轉(zhuǎn)。此時，630噸壓鑄機模具合嚴(yán)，機械手腕連接手部的軸由手部驅(qū)動電機經(jīng)過兩次鏈傳動，帶動澆杯翻轉(zhuǎn)倒料，經(jīng)延時后，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂收縮，同時腰部回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到后退低速限位開關(guān)后，湯勺處于計量傾斜狀態(tài)至湯面檢出位置即會停止，取湯計時器開始計時，由前面循環(huán)進(jìn)行動作。 2.3 工作結(jié)構(gòu) 本機械手主要有手臂、手臂回轉(zhuǎn)支架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)，傾倒機構(gòu)、澆杯、手部驅(qū)動電機、手臂驅(qū)動電機、湯面檢出棒、底座等部分組成。 2.4 系統(tǒng)組成 本基械手系統(tǒng)由機體，傳動機構(gòu)，動力源和控制裝置四部分組成。傳動機構(gòu)主要是鏈輪傳動；動力源由電機提供，控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。 2.5 動作分析 工業(yè)機械手的機械機構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手抓持工件、進(jìn)行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分，腰轉(zhuǎn)部分以及機座和行走機構(gòu)。 2.6 總體技術(shù)方案 畢業(yè)設(shè)計的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進(jìn)行靈活運用。現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計是要我們將“機”、“電”合并起來。 2.6.1執(zhí)行機構(gòu)的確定 （1)手部：本機械手設(shè)計出來是用于壓鑄成型中提取熔融狀態(tài)的鋁液的，所以手部就做成湯勺的形式，如果采用夾持提取澆杯的這種形式，難以實現(xiàn)澆杯的傾倒動作。澆杯上開個小嘴可以使注湯時金屬液體從這里流入注料口，產(chǎn)生類似引流的效果，鋁液不會因為一下子出來很多而灑出來造成浪費，而取湯時，鋁液是從沒有嘴的另一端流入的。 為適應(yīng)壓鑄機壓鑄不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，澆鑄機械手的澆杯容量可以調(diào)節(jié)。對于大容量調(diào)節(jié)采用調(diào)換澆杯的辦法，松開螺栓（共一只），便能更換澆杯。對于小容量調(diào)節(jié)，以操作盒之湯增減來調(diào)整給湯量，要增大給湯量時，將搖頭開關(guān)押到湯增位置，湯量調(diào)整電機將帶動湯量調(diào)整組件動作，使湯勺的傾斜角度增大，從而使給湯量增大;要減小給湯量時，將搖頭開關(guān)押到湯減位置，湯量調(diào)整電機將帶動湯量調(diào)整組件動作，使湯勺的傾斜角度減小。但若故障時則以手動方式調(diào)整，進(jìn)行回轉(zhuǎn)，往減量方向回轉(zhuǎn)，微動開關(guān)會往(減)的方向移動，湯勺的傾斜度變大，湯量即減少，往增量的方向回轉(zhuǎn)時，微動開關(guān)會往(增)的方向移動，湯勺的傾斜度變小，湯量即增。630噸壓鑄機澆注機械手設(shè)備有4,7,9公斤三種規(guī)格的湯勺，他們的結(jié)構(gòu)相同，只是尺寸有異。? (2) 手臂:本課題采用的是有關(guān)節(jié)手臂，所設(shè)計的是單臂式的給湯機，整個機械手是完全模仿人類手臂設(shè)計出來的，分為大臂和小臂兩部分，只不過不像人類手臂有那么多的自由度，整個機械手設(shè)定為在一個兩個同心且相互垂直的圓面坐標(biāo)內(nèi)運動，所以只有兩個自由度，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)處軸的回轉(zhuǎn)來完成手臂的前后伸縮和上下升降。其中腰轉(zhuǎn)機構(gòu)的關(guān)節(jié)是固定于機座上面的，帶動整個手臂的水平面回轉(zhuǎn)，手臂固定于手臂支架上，然后手臂支架再固定于底座上面，也就是說大臂的關(guān)節(jié)固定于手臂支架上，小臂的關(guān)節(jié)固定于大臂上，這兩個關(guān)節(jié)分別帶動大臂和小臂的垂直面回轉(zhuǎn)。 2.6.2傳動機構(gòu)的確定 1）常見的傳動機構(gòu)有齒輪傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動、螺紋（絲杠）傳動、平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間隙運動機構(gòu)等。首先介紹一下常用幾種傳動機構(gòu)的優(yōu)缺點再結(jié)合工作需求選取本機械手的傳動機構(gòu)，特點如下： (1) 皮帶傳動： ①平皮帶傳動： （a）結(jié)構(gòu)簡單，可以傳動的中心距較大，傳動過程中不產(chǎn)生震動 （b）滑動系數(shù)大，傳遞功率小 ②三角皮帶傳動： （a） 滑動系數(shù)比平皮帶傳動小，傳遞功率大（多根皮帶組合使用），傳動中不產(chǎn)生震動 （b）摩擦較大，皮帶輪加工比平帶輪困難 （c)三角皮帶傳動時，由于皮帶截面上各點的直徑不同（D,d1，d2），因此各點的回轉(zhuǎn)速度不同，而皮帶本身是一個整體，由此皮帶上不和下部相對皮帶輪的槽作相反方向的滑移，產(chǎn)生較大摩擦，也是因摩擦產(chǎn)生熱。 （d)由于三角皮帶的周長是標(biāo)準(zhǔn)固定的，對于非標(biāo)中心距的皮帶傳動不能采用標(biāo)準(zhǔn)的三角皮帶，這時可以選用“活絡(luò)三角皮帶”，該類皮帶與標(biāo)準(zhǔn)皮帶具有相同的截面，但它是由小塊連接件用螺釘緊固的，因此在使用中可以按所需的長度任意增加或減少連接件。這類皮帶傳動的功率要比同類規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)三角皮帶小。 (2)鏈傳動： ①能保證準(zhǔn)確的平均速比，傳動效率較高 ②作于軸上的徑向壓力小 ③整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊 ④能在高溫和潮濕的環(huán)境小工作 ⑤制造與安裝精度要求較低，成本也低 ⑥可以作中心距較大的兩輪軸間傳遞動力和運動 ⑦鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動精度 ⑧鏈條傳動的速度較低，運動時候有噪聲，不宜用在載荷變化很大、高速和急速反轉(zhuǎn)的傳動中 （3）齒輪傳動： ①效率高 ②結(jié)構(gòu)緊湊 ③工作可靠、壽命長 ④傳動比穩(wěn)定 ⑤制造安裝精度高，價格較貴、且不宜用于傳動距離過大的場合。 （4）蝸輪蝸桿傳動： ①當(dāng)使用彈頭蝸桿時，蝸桿每旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個齒距，因而能實現(xiàn)大的傳動比，由于傳動比大，零件數(shù)目少，所以結(jié)構(gòu)緊湊 ②沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低 ③具有自鎖性，此時效率僅為0.4左右 ④嚙合處有相對滑動，當(dāng)滑動速度很大，工作條件不夠良好時，就會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引發(fā)發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，因此摩擦損失較大，效率低 （5）螺紋（絲杠）傳動： ①能將較小的回轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)矩變?yōu)檩^大的軸向力 ②能達(dá)到較高的傳動精度，通過回轉(zhuǎn)的角度能轉(zhuǎn)化為較為精確的直線運動距離 ③螺紋傳動的工作平穩(wěn)，易于自鎖 ④結(jié)構(gòu)簡單，制造方便 ⑤摩擦損失較大，傳動效率較低 （6）平面連桿機構(gòu) ①連桿機構(gòu)為低副機構(gòu)，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊 ②運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造 ③在原動件運動規(guī)律不變情況下，通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律 ④連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求 ⑤構(gòu)件多呈現(xiàn)桿的形狀，可以擴大行程和實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳 ⑥由于運動積累誤差較大，因而影響傳動精度 ⑦由于慣性力不好平衡而不適于高速轉(zhuǎn)動 ⑧設(shè)計方法比較復(fù)雜 （7）凸輪機構(gòu) ①組成凸輪機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)較少，結(jié)構(gòu)比較簡單 ②只要合理地設(shè)計凸輪的輪廓曲線就可以使從動件獲得各種預(yù)期的運動規(guī)律，而且設(shè)計比較容易 ③凸輪與從動件之間組成了點或線接觸的高副，在接觸處由于相互作用力和相對運動的結(jié)果會產(chǎn)生較大的摩擦和磨損 2）手臂的傳動機構(gòu) 參考已有工業(yè)產(chǎn)品，我選擇鏈傳動和電機直接連接花鍵軸通過花鍵連接的方式來帶動手臂的回轉(zhuǎn)運動。鏈傳動的結(jié)構(gòu)緊湊，相比帶傳動有較高的傳動效率，制造成本低，能在中心距較大的兩輪軸間傳遞動力和運動，實際工作是低速輕載的工作情況，所以可以使用鏈傳動，但是鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動精度，而且運動時候有噪聲，所以需要定期添加潤滑劑。電機直接通過花鍵連接帶動手臂運動的傳動方式相比其他傳動減少很多成本。 3）手部的傳動機構(gòu) 綜合上面幾種傳動的特點，再結(jié)合工作需求，采用鏈傳動比較適合。本機械手連接手部的手臂兩個關(guān)節(jié)之間的距離相對較遠(yuǎn)，用鏈傳動要比齒輪傳動輕便，手部的動作必須精確定位，鏈傳動相比摩擦型的帶傳動，沒有彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，同時工作環(huán)境的溫度比較高，鏈傳動能在高溫環(huán)境下工作，工作中不需要出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，所以不采用螺紋（絲杠）傳動和蝸輪蝸桿傳動，鏈傳動的制造與安裝精度比齒輪傳動要求較低，成本也低，而且手臂的長度挺長，用蝸輪蝸桿或者齒輪傳動都需要長度比較長的軸或者蝸桿，增加工藝成本。給湯機的工作速度不快，因為它與壓鑄機相配合，行程中需要待機，而鏈傳動比較適合低速傳動，給湯機的載荷比較恒定，也不會出現(xiàn)高速或者急速反向的傳動，所以鏈傳動都可以符合，比較缺陷的是鏈傳動沒有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動或者螺紋（絲杠）傳動那么平穩(wěn)，而且工作中噪音比較大，磨損后會發(fā)生跳齒現(xiàn)象，影響傳動精度，需要定期檢查與維護。手部的傳動機構(gòu)用到兩次鏈傳動以達(dá)到控制手部的運動。 2.6.3驅(qū)動機構(gòu)的確定 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。 其中以液壓液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。但是本文所設(shè)計的機械手不采用液壓驅(qū)動。 （1）液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。由于液壓驅(qū)動成本較高，系統(tǒng)較復(fù)雜，所以不采用。 （2）氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。由于氣壓驅(qū)動占用空間大，不能實現(xiàn)中間位置的停止，所以也不采用。 （3）機械驅(qū)動的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。由于機械手的動作是要配合壓鑄機的，而且手部的動作也是可以調(diào)整的來控制取湯量的變化，而不是一經(jīng)設(shè)定就固定不變，要具有良好的調(diào)整性，機械手的動作隨時反應(yīng)給控制系統(tǒng)來決定手臂的運動情況，所以也不采用。 （4）電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大。通用機械手則考慮用步進(jìn)電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。適合本文所設(shè)計的機械手，所以就采用電氣驅(qū)動。 2.6.4控制系統(tǒng)的確定 目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定程序運動。這里我們采用電氣控制，常用的有單片機與PLC。這里我們進(jìn)行比較與選擇。 （1）單片機控制：優(yōu)點：經(jīng)濟實惠，成本相對較低；缺點：用單片機制造的主控板收制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強，開發(fā)周期長。一個采用單片機制作的主控板不經(jīng)過很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產(chǎn)品。 （2）PLC控制：優(yōu)點：PLC是經(jīng)過幾十年實際應(yīng)用中檢驗過的控制器，其抗干擾能力強，故障率低，易于設(shè)備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短。缺點：相對單片機成本要高。由于壓鑄成型過程中對動作的精度要高，而且本身過程也是一個比較危險的過程，所以要求控制系統(tǒng)的故障率要低。本課題所設(shè)計的機械手可以與其他機器聯(lián)機工作的，是比較通用的機械手，所以要求控制系統(tǒng)可以擴展。綜上所述，我們選擇PLC作為控制系統(tǒng)。 2.6.5行程位置檢測裝置的設(shè)置 為了滿足工作的需求以及防止意外的發(fā)生，我們在機座上設(shè)置行程開關(guān)，如圖2-1所示： 圖2-1 行程開關(guān)在機械手上面的布置 為了確定每次湯勺所取金屬液體一樣多，在手臂上布置金屬湯面檢出棒，手臂后退，知道湯面檢出棒與液面接觸，形成回路，傳遞信號給電機，后退停止。此外，為了防止熔爐內(nèi)金屬液面過低導(dǎo)致手臂2撞到熔融液體里面造成損壞，考慮設(shè)置一個手臂后退限。后退限的設(shè)置：手臂后退于湯勺取湯狀態(tài)時，用最大的湯勺，最小的取湯量，湯勺底部離坩鍋2cm位置(逆時針旋轉(zhuǎn)凸輪)，微動開關(guān)ON時設(shè)定完成。湯面檢出棒的布置如圖2-2所示： 圖2-2湯面檢出棒的布置 3 電機的選擇 3.1 選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu) 通用機械手可以考慮伺服電機和步進(jìn)電機，就拿這兩種電機進(jìn)行分析比較和選取。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機安設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到高速的目的。 伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，步進(jìn)電機是開環(huán)控制。 步進(jìn)電機和伺服電機的區(qū)別有7點。 （1）控制精度不同:步進(jìn)電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。 （2）控制方式不同:一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。 （3）低頻特性不同:步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。 （4）矩頻特性不同:步進(jìn)電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出。 （5）過載能力不同:步進(jìn)電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。 (6)運行性能不同:步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。 （7）速度響應(yīng)性能不同:步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機，但是價格比就不一樣了。本機械手工作在電機轉(zhuǎn)速不高的情況下，而且要求控制精度較高，來實現(xiàn)每個動作的準(zhǔn)確定位，交流伺服電機可以不用減速器而輸出很小的轉(zhuǎn)速，所以選擇交流伺服電機。為了減輕手臂重量，使手臂的運動輕巧，機械慣量小，便于快速加減速，快速運動，全部電機下置，其中腰轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動電機選擇立式結(jié)構(gòu)的電機，其他三個關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機全部為臥式結(jié)構(gòu)，電機的安裝如圖3-1所示： 圖3-1 電機的安裝 3.2 選擇電機的型號和參數(shù) 各個手臂的驅(qū)動軸如圖3-2所示： 圖3-2 手臂的驅(qū)動軸 根據(jù)負(fù)載，及手臂長度，初設(shè)軸的輸出轉(zhuǎn)矩T為1N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=12r／min。 =0.00126kw。電動機所需的輸出功率=。式中：——為工作機所需功率，單位kw；η——由電動機至工作機的傳動總效率。。其中：—聯(lián)軸器的傳動效率；—鏈的傳動效率；—軸承的傳動效率。查機械手冊可知，機械傳動效率的概略值表如表3-1所示： 表3-1 機械傳動效率的概略值 類型 傳動型式 效率 聯(lián)軸器 浮動聯(lián)軸器 齒輪聯(lián)軸器 彈性聯(lián)軸器 萬向聯(lián)軸器 0.97～0.99 0.99 0.99～0.995 0.95～0.98 鏈傳動 滾子鏈傳動 齒形鏈傳動 0.9 0.93 軸承 滾動軸承 滑動軸承 0.99～0.995 0.97～0.99 在此取在此取聯(lián)軸器的傳動效率=0.98，鏈的傳動效率=0.90，軸承的傳動效率=0.99。則電機所需的輸出功率kw。 (3-1) 按機械設(shè)計手冊中推薦的傳動比合理范圍可知，一般鏈傳動的傳動比，常取，所以總的傳動比范圍=4～12.5。由此可知電機的轉(zhuǎn)速范圍=n=48～150r/min。根據(jù)機械手冊，選得得森創(chuàng)的40CB(5)系列交流伺服電機，參數(shù)如表3-2所示： 表3-2 J4軸驅(qū)動電機參數(shù) 產(chǎn)品系列 額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 規(guī)格型號 額定轉(zhuǎn)矩（） 額定電壓 適配驅(qū)動器 40CB（5）系列 0.1kw 3000r/min 40CB010C 0.32 220VAC MS0010A 初設(shè)T為12N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=7.5r／min，=0.0094kw，，根據(jù)機械手冊，選得森創(chuàng)的110MB（2）系列的交流伺服電機，參數(shù)如表3-3所示： 表3-3 J3軸驅(qū)動電機參數(shù) 產(chǎn)品系列 額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 規(guī)格型號 額定轉(zhuǎn)矩（） 額定電壓 適配驅(qū)動器 110MB（2）系列 0.4kw 1000r/min 110MB040A 3.82 220VAC MS0040C 一般鏈傳動的傳動比，常取，所以總的傳動比范圍=2～3.5,由此可知電機的轉(zhuǎn)速范圍=*n=15～26.25r/min。 初設(shè)T為35N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=7.5r／min，=0.027kw，，根據(jù)機械手冊，選得交流伺服電機的參數(shù)如表3-4所示： 表3-4 J2軸驅(qū)動電機參數(shù) 產(chǎn)品系列 額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 規(guī)格型號 額定轉(zhuǎn)矩（） 額定電壓 峰值力矩（） 180系列 3.7kw 1000r/min 180ST-M35010 35 220VAC 70 初設(shè)T為9N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=5r／min，=4.7w，，根據(jù)機械手冊，選得森創(chuàng)的130MB（7）系列的交流伺服電機，參數(shù)如表3-5所示： 表3-5 J1軸驅(qū)動電機參數(shù) 產(chǎn)品系列 額定功率（kw） 額定轉(zhuǎn)速（rpm） 規(guī)格型號 額定轉(zhuǎn)矩（） 額定電壓 適配驅(qū)動器 130MB（7）系列 1kw 1000r/min 130MB200B 9.55 220VAC GS0210A 由于，所以電機轉(zhuǎn)速=n=5r/min。 3.3 設(shè)計傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比 到：設(shè)兩級鏈傳動的傳動比都為2，那么總的傳動比為4，這樣電機在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過兩級鏈傳動之后的轉(zhuǎn)矩為1.02N·M，大于設(shè)定的，符合要求。：設(shè)鏈傳動的傳動比為3.5，因為只有1級傳動，總傳動比也就為3.5，這樣電機在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過鏈傳動之后的轉(zhuǎn)矩為12N·M，等于設(shè)定的，符合要求。：電機直接通過平鍵與，這樣電機在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩為35N·M，等于設(shè)定的，符合要求。，電機直接通過平鍵與連接，輸出的額定轉(zhuǎn)矩為9.55N·M，大于設(shè)定的軸轉(zhuǎn)矩，符合要求。 3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 3.4.1驅(qū)動電機到軸 (1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：／min，／min，／min。 (2)各軸輸入功率： ,,。 (3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：，，。 3.4.2驅(qū)動電機到軸 (1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min，r／min。 (2)各軸輸入功率：，。 (3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：，。 3.4.3驅(qū)動電機到軸 (1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min。 (2)各軸輸入功率：。 (3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：。 3.4.4驅(qū)動電機到軸 (1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min。 （2）各軸輸入功率： （3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：。