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多自由度铝合金机械手的设计与实现
能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害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。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复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6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。 由于我国经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快，污水处理己经摆在了人们的议事日程上来。随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中是用于污水处理的很有效的污泥菌群的附着体。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。 本文结合塑料一次挤出成型机和塑料抓取机械手的研制过程中出现的问题，综述近儿年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经济性、实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计一算及选型问题经行了分析。 在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础，对操作臂进行了运动学正、逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射，采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系，采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题，对控制系统设计提供了理论依据。机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足是实时性控制的需要，本文采用牛顿-欧拉方法对物料抓取机械手动力学进 行了分析，计算出了关节力和关节力矩，为步进电机的选型和动力学分析与结构优化提供理论依据。 控制部分是整个物料抓取机械手系统设计关键和核心，它在结构和功能上的划分和实现直接关系到机器人系统的可靠性、实用性，也影响和制约机械手系统的研制成本和开发周期。在控制主机的选用上，采用结构紧凑、扩展功能强和可靠性高的PC工业控制计算机作为主机，配以PCL-839卡主要承担系统功能初始化、数据运算与处理、步进电机驱动以及故障诊断等功能;同时对PCL-839卡的结构特点、功能原理和其高定位功能等给与了分析。硬件是整个控制系统以及极限位置功能赖以存在的物质基础，软件则是计算机控制系统的神经中枢，软件设计的目的是以最优的方式将各部分功能有机的结合起来，使系统具有较高的运行效率和较强的可靠性。在物料抓取机械手软件的设计上，采用的是模块化结构，分为系统初始化模块、数据处理模块和故障状态检测与处理等几部分。主控计算机和各控制单元之间全部由PCL-839卡联系，并且由该卡实现抗干扰等问题，减少外部信号对系统的影响。 步进电机的启停频率远远小于其最高运行频率，为了提高工作效率，需要步进电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升，降速控制问题。电机的升降速控制可以归结为以某种合理的力一式控制发送到步进电机驱动器的脉冲频率，这可由硬件实现，也可由软件方法来实现。本文提出了一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步进电机变速控制策略:定时器常量修改变速控制方案。该方法能使步进电机加速度与其力矩——频率曲线较好地拟合，从而提高变速效率。而且它的计算量比线性加速度变速和基于指数规律加速度的变速控制小得多。通过实验证明了该方法的有效性。 最后，对论文主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望.
机械手
随着我国工业生产的迅速发展，自动化程度的迅速提高，处理，转向实施工件、传输或焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，应该引起人们越来越多的关注。 机械手是模仿的行动的人的一部分，按给定的程序、轨迹和要求获取、处理或操作的自动装置。 应用于手工业生产被称为“工业机器人”。 应用机械手可以提高生产的自动化和劳动生产率的生产用水；可以减轻劳动疲劳强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒、放射性等恶劣环境的气体，它代替了人们正常的工作，更重要的。 因此，在机械加工、铸造、焊接、热处理、电镀，喷漆，装配，以及轻工业、交通运输业得到了越来越广泛的应用， 机械手等制度形式简单，专业性强，仅作为一个工具机的加载装置，专用机械手连接到本机，随着工业技术的发展，根据过程控制的实现产生夜的重复操作，使用范围广的“程序控制的通用机械手”，简称通用机械手。通用机械手用于快速改变工作程序，适应性较强，所以他在产品的中小批量生产的不断变换中得到广泛的应用。 机器人是一种能自动定位控制和改变与多功能机的编程，它有更多的自由度，可用于移动的东西，在不同的环境中完成工作。 中国工资水平低，塑料制品行业仍属于劳动密集型，机械手的使用已经变得越来越流行。 电子和汽车产业欧洲和美国的跨国企业在中国的工厂引进全自动生产 很早，但现在的变化是在中国南方的工业密集分布，东部沿海地区，当地的塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对高员工流失率，为challengewell的工人带来了支付工伤费用。 一、在各种形式的机械手组成，有些比较简单，有些比较复杂，但基本形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置。 的1。执行机构的机械执行机构，由T他手、手腕、手臂、支柱。 手抓机制，这是用来夹紧和松开工件，如人的手指，可以完成类似的行动人员。 连接到手指和腕臂组成，可上下、左右、旋转运动。 简单机械手不能手腕。 支柱用来支撑手臂，也可以根据需要使它移动。 2。 驱动系统运动的执行机构由传动系统来实现的。 常用机械传动系统的机械传动、液压传动、气压传动、电力传动等几种形式 。3。 机械手控制系统的主要功能是控制系统按控制机械手某些程序、运动方向、位置、速度、简单的机械手一般不设专门的控制系统，只有行程开关、继电器、控制阀和控制电路可以实现动力传动系统、执行机构动作符合要求。 动作复杂的机械手应采用可编程控制器，微机控制二、分类和特点一般分为三类：一是通用机械手不需要人工操作。 是一种独立没有连接到主机设备。 可以根据任务计划的需要，规定的操作完成。 具有常见的机械性能的特点，还具有一般机械记忆，三元的智能。 二是需要做手工。 称为操作机。 它起源于原子、军事工业，通过操作机首先完成特定任务，后来使用无线电信号操作机探索月球等等。 用于锻压行业经营机都属于这一类。 第三种是用专用机械手，主要在自动机床或自动线，用于解决机刀具材料和工件送了。 这种机械手在国外称为“机械手”，它是在主机服务，由主机驱动；除了少数的工作程序一般是固定的，所以它是特别的。 三、是机械化的过程中，工业机械手的应用自动化生产，开发了一种新型设备。 近年来，随着电子技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的开发和生产已成为高技术发展迅速DLY在一个新兴的技术领域，它促进了机械手的发展，使得机械手能实现机械化和自动化的结合更好。 机械手虽然不是人力那样灵活，但它可以有重复的工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，把重重量强度特性如大于男人，因此，机械手已引起了许多部门的重视，并得到了越来越广泛的应用。 （1）机床加工工件的装卸，特别是在自动车床，使用常见的组合机床。 （2）广泛用于装配操作，它可以用来组装印刷CI在电子行业的电路板，它可以在机械行业的零件组装。 （3）可以在工作条件差，工作环境的重复容易疲劳，以代替人的劳动。 （4）宇宙的发展和海洋。 （5）军事工程生物医学研究和试验。 应用机器人可以代替人在枯燥、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，而不是在手工操作有害人类环境，改善劳动条件，保证人身安全。 在1940年代后期，美国在核实验，首先采用机器人处理放射性材料，在保安室的人操纵各种操作和实验操作。 #39; 50秒后，机器人逐步推广到工业生产部门，用于在高温、局部离开工件，装卸材料的严重污染，在机床自动机械辅助装置，在应用自动生产线和加工中心，完成材料上下或从图书馆带把刀和换刀等操作的固定程序。 机械手主要由手和运动机制。 手机制根据对象的使用情况和操作不同，共同持有，持有和吸附式等 运动机构通常由液压驱动，精神TiC，电动装置。 机械手可以实现独立的缩放、旋转和升降运动，一般来说，有2 ~ 3自由度。 机器人被广泛应用于机械制造、冶金、轻工和原子能等。机械手是在生产过程中使用的自动抓取和移动工件是一种自动装置，它是在机械化、自动化生产过程中，开发了一种新的类型的设备。 近年来，随着电子技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为在一个新兴的技术领域迅速发展起来的一项高新技术，它促进了机械手的发展，使得机械手能实现机械化和自动化的结合更好。 机器人可以代替人类做危险、重复枯燥的工作，减轻人类的劳动强度和提高劳动生产率。 机器人已应用更多D越来越广泛，它可用于组装的部件在机械工业中，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床的使用更为普遍。 目前，机械手已发展成为柔性制造系统和柔性制造单元柔性制造系统是FMC的一个重要组成部分。 机床设备、柔性制造系统和柔性制造单元的机械手，适用于中小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且具有很强的适应性。 工件变化时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业C不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。 但是目前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，规模化、产业化水平低，机械手的研究和发展对提高我国生产自动化水平有直接的影响，从经济和技术上的考虑是很有必要的。 因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 四、机械手当前工业应用的机器人逐渐扩大的发展趋势，不断提高技术性能。 由于发展时间短，它有一个逐步认识的过程中，机械手，一步一步的过程，一个技术上完美的一步，其发展趋势是：1、扩大应用的机械手和机器人加工目前国内机械行业中应用冷加工操作的行业，而在热等工作铸造、锻造、焊接、热处理的少，和装配工作中的应用， 所以等处理工作项目重、形状复杂和高环境温度、机械手设计、制造带来很多困难，需要解决的技术难题，使机器人更好的加工服务。 同时一次，在其他行业和工业工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，逐步扩大机械手的2、使用改进的利弊工作性能的工业机械手的工作绩效，确定和生产中的应用，它可以重复定位精度和速度两个指标正常工作机器人的工作性能，决定保证机械臂质量完成的关键因素的操作。 因此解决机械手的要求良好的工作稳定性和快速性，除了解决缓冲定位措施，还应发展满足和电力价格低的机械性能要求O-液压伺服阀、伺服控制系统应用于机械手，机械手的本身特点的模块化机器人的机械手3、变量应用发展，更适应于产品的类型，设备的更新，多品种，小批量，但其成本高，特殊的机械手和便宜，但范围有限因此，对于一些特殊的目的，你需要特殊的设计、特殊加工，从而提高了产品成本。 为了适应要求的应用领域的分类，机械手的结构设计可以组合形式。 模块化机械手是一种常见的部分根据工作需要，选择要完成的单元组件的功能，基于组合的基础上，应该与自适应控制部分上，即有特殊要求的机械手可以完成的。 可以简化结构，考虑到一般性的使用特异性而设计的，在标准化的系列设计和组织专业化生产，T提高质量和降低操作成本，是一种很有前途的机械手的4、具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”进行人工操作灵活和对形势判断的需要，工业机器人是代替人类的劳动是很困难的。 如在事故工作过程中，疾病和条件的变化，等等，机器人不能自动识别正确，但停下来，等待人们去排除事故可以继续工作后， 作为一个结果，人们提出了更高的要求，对机械手，希望使它成为一个“视觉”、“触觉”，等等，使它的判
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