車床工件自動裝夾機械手設(shè)計【自動鎖螺絲機送料機械手設(shè)計】

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They are applied in kinds of industry. Firstly ,it introduced briefly the basic concept of the robot, the composition and classification of robot ,the development history of industrial robots and development trends of industrial robots. Secondly, to analyzing the process of automatic production line for camshaft pump feeding robot,I have determined the coordinates form，the number of freedom and drive mechanismthe of manipulator, identified the main technical parameters of mechanical hand,completed the overall design of automatic line feed pump camshaft mechanical hand. Thirdly,I have completed the structure design of hand, arm and body . Finally, through analysing the movement of mechanical hand,I have completed the design of hydraulic cylinders and the choice of hydraulic components ;I have designed schematic diagram of hydraulic system and the diagram of electrical control to meet the requirements of manipulators loop movement. Keywords: The mechanical hand, industrial automation, structure design, cylinder目 錄摘 要IIIAbstractIV目 錄V第1章 緒論11.1機械手概述11.2機械手的組成和分類21.2.1機械手的組成21.2.2機械手的分類31.3課題的提出及主要任務(wù)31.3.1課題的提出31.3.2課題的主要任務(wù)4第2章 機械手的設(shè)計方案42.1機械手的座標(biāo)型式與自由度和工作范圍52.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計52.3 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計52.4機械手的驅(qū)動方案設(shè)計62.5 機械手的控制方案設(shè)計62.6機械手的主要參數(shù)62.7機械手的技術(shù)參數(shù)列表6第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計73.1手部設(shè)計83.1.1手指的形狀和分類83.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題83.2手部夾緊氣缸的設(shè)計9第4章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計124.1手臂伸縮124.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計124.1.2手臂伸縮驅(qū)動力的計算124.2手臂升降和回轉(zhuǎn)部分134.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計134.3手臂伸縮氣缸的設(shè)計134.4 氣壓系統(tǒng)主要參數(shù)174.4.1氣缸和氣馬達(dá)的設(shè)計計算174.4.2 氣壓元件的選擇184.5氣壓原理圖21總結(jié)與展望23參考文獻(xiàn)24致 謝25寧波大紅鷹學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計第1章 緒論1.1機械手概述生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機械手首先從美國開始研制，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。在此基礎(chǔ)上美國通過不斷改進完善，研制出一系列新的機械手，美國的研制十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。德國從1970年開始再制造行業(yè)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)。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型的機械手后，便開始大力進行機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個；1979年日本機械手的產(chǎn)值達(dá)到443億日元，產(chǎn)量為14535臺。使用機械手最多的行業(yè)是汽車工業(yè)，其次是電機、電器和電子行業(yè)。到目前在日本工作的工業(yè)機械手已有100萬臺左右。目前隨著電子計算機和電信設(shè)備的不斷發(fā)展，工業(yè)機械手應(yīng)用也不斷擴大，正逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。1.2機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。圖1-1機械手的組成方框圖(一)執(zhí)行機構(gòu)包括手部 、手腕、手臂和立柱、機座等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。(二)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有氣傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。(四)位置檢測裝置控制機械手執(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)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:(二)按驅(qū)動方式分機械手可分為氣傳動機械手、氣壓傳動機械手、機械傳動機械手、電力傳動機械手。本設(shè)計是氣傳動機械手的設(shè)計。1、 氣傳動機械手是以氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3課題的提出及主要任務(wù)1.3.1課題的提出 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，車床的生產(chǎn)過程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。現(xiàn)在的機械手大多采用氣傳動，氣傳動存在以下幾個優(yōu)點:(1)氣傳動能方便地實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。(2)在相同功率情況下，氣傳動能量轉(zhuǎn)換元件的體積較小，重量較輕。 (3)工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向。(4)便于實現(xiàn)過載保護，而且工作油液能使傳動零件實現(xiàn)自潤滑，故使用壽命長。(5)操縱簡單，便于實現(xiàn)自動化。特別是和電氣控制聯(lián)合使用時，易于實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)。 （6）氣元件易于實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。1.3.2課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下:機械手為車床機械手，因此它是專用機械手.查閱相關(guān)資料,完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計及相關(guān)氣缸和氣爪的設(shè)計計算和選型; 利用CAD軟件完成機械手的裝配圖和零件圖設(shè)計; 翻譯相關(guān)的外文資料并撰寫一篇論文。第2章 機械手的設(shè)計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地搬運工件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，增強專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設(shè)計的機械手是車床專用氣動上下料機械手，專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點。2.1機械手的座標(biāo)型式與自由度和工作范圍 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。圖2-1所示為機械手的手臂的運動示意圖和工作范圍圖。圖 2-1 機械手的運動示意圖和工作范圍圖2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了適應(yīng)車床，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成夾持式手部，可以準(zhǔn)確的夾取工件。2.3 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。2.4機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣傳動系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向，因此選用氣傳動系統(tǒng)。2.5 機械手的控制方案設(shè)計 考慮到機械手的專用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.6機械手的主要參數(shù)機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為400mm,最大工作半徑約為1300mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為240(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5lmm2.7機械手的技術(shù)參數(shù)列表本部分參考常見機器的參數(shù),進行的自設(shè)定的參數(shù).一、用途:用于車床上下料。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重10公斤 (夾持式手部)2、自由度數(shù)4個自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1300mm5、手臂最大中心高1200mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程 400mm伸縮速度 300mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回轉(zhuǎn)范圍 0 2407、手指夾持范圍工件: 80150mm8、定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等9、定位精度士0.5mm10,緩沖方式氣緩沖器11.驅(qū)動方式氣壓傳動 第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機械手的專用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成夾持式手部 3.1手部設(shè)計3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示.3.2手部夾緊氣缸的設(shè)計本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-1齒輪齒條式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:所以(3)實際驅(qū)動力: 1、因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。2、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 氣缸工作時的總阻力，N- 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 彈簧平均直徑，.- 彈簧有效圈數(shù).- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，則:滿足實際設(shè)計要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實驗壓力，取, Pa材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:第4章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。4.1手臂伸縮4.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ，氣驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。4.1.2手臂伸縮驅(qū)動力的計算 圖4-1所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂下伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動力計算公式為:P驅(qū) = P慣 + P摩 + P密 + P背 N （4-1）式中:P慣手臂在起動過程中的慣性力(N);P摩摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N);P密密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同 。P背氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與 油箱相連時，則 P背 =0 手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力: 圖4-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài)4.2手臂升降和回轉(zhuǎn)部分4.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體、轉(zhuǎn)軸、定片、回轉(zhuǎn)定位塊、回轉(zhuǎn)中間定位塊等組成。當(dāng)油液通過管路分別進入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手臂作回轉(zhuǎn)運動。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。4.3手臂伸縮氣缸的設(shè)計1驅(qū)動力計算根據(jù)手臂伸縮運動的驅(qū)動力公式:F=Ff + （4-2）其中，由于手臂運動從靜止開始，所以v=v, 摩攘系數(shù):設(shè)計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊可得f=0.17.質(zhì)量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國氣動元件廠的產(chǎn)品樣本可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質(zhì)量為70kg，放松物件后其質(zhì)量為55kg.接觸面積:S=O.5m2 則上料時： F=F + = =1540（N） 下料時： F=F + = =935(N) 考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2則上料時: F=15401.2=1850 (N)下料時: F=9351.2=1120 (N)2、氣缸的直徑根據(jù)雙作用氣缸的計算公式: （4-3） （4-4）其中: F活塞桿伸出時的推力，NF活塞桿縮入時的拉力d活塞直徑，mm P氣缸工作壓力，Pa代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當(dāng)推力做功時: （4-5） = =108.5(mm)當(dāng)拉力做功時:D=(1.011.09)4F/ =(1.011.09) =92.12(mm) 圓整后，取D=100mm 3、活塞桿直徑的計算根據(jù)設(shè)計要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi)將裝有3根伸縮油管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取d=70mm, d=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力F以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為: （4-6）式中: L活塞桿計算長度，mK活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，空心桿，md空心活塞桿內(nèi)孔直徑，mA活塞桿橫截面面積，空心桿，mf材料強度實驗值，對鋼取f=2.110Paa系數(shù)，對鋼a=1/5000代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: = =573(KN)推力負(fù)載為: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: = =3142(N) 所以，安全。設(shè)計符合要求。4,缸筒壁厚計算根據(jù)公式： （4-7）式中P為實驗壓力，取P=1.5P=0.610Pa材料為ZL3，則=3MPa，則： = =10 mm，故取=10 mm4.4 氣壓系統(tǒng)主要參數(shù)4.4.1氣缸和氣馬達(dá)的設(shè)計計算一、氣缸的設(shè)計計算1.初定氣缸工作壓力 氣缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負(fù)載力來確定，此外，還需要考慮以下因素：(1)各類設(shè)備的不同特點和使用場合。(2)考慮經(jīng)濟和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高1些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。所以，氣缸的工作壓力的選擇有兩種方式：1是根據(jù)機械類型選；二是根據(jù)切削負(fù)載選。如表4-1、表4-2所示。 表4-1 按負(fù)載選執(zhí)行文件的工作壓力負(fù)載/N50005001000010000200002000030000300005000050000工作壓力/MPa0.811.522.5334455表4-2 按機械類型選執(zhí)行文件的工作壓力機械類型機 床農(nóng)業(yè)機械工程機械磨床組合機床龍門刨床拉床工作壓力/MPaa2358810101620322.氣缸的流量計算 氣缸的最大流量： qmax=Avmax (m3/s) （4-8） 式中：A為氣缸的有效面積A1或A2(m2)；vmax為氣缸的最大速度(m/s)。氣缸的最小流量： qmin=Avmin(m3/s) 式中：vmin為氣缸的最小速度。氣缸的最小流量qmin，應(yīng)等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求時，則需重新選定氣缸的工作壓力，使工作壓力低1些，缸的有效工作面積大1些，所需最小流量qmin也大1些，以滿足上述要求。流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量，可從產(chǎn)品樣本中查到。二、氣馬達(dá)的設(shè)計計算1.計算氣馬達(dá)排量 氣馬達(dá)排量根據(jù)下式?jīng)Q定： vm=6.28T/pmmin(m3/r) （4-9） 式中：T為氣馬達(dá)的負(fù)載力矩(Nm)；pm為氣馬達(dá)進出口壓力差(N/m3)；min為氣馬達(dá)的機械效率，1般齒輪和柱塞馬達(dá)取0.30.35，葉片馬達(dá)取0.80.3。2. 計算氣馬達(dá)所需流量氣馬達(dá)的最大流量： qmax=vmnmax(m3/s) （4-10）式中：vm為氣馬達(dá)排量(m3/r)；nmax為氣馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速(r/s)。4.4.2 氣壓元件的選擇一，氣泵的確定與所需功率的計算1.氣泵的確定(1)確定氣泵的最大工作壓力。氣泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)氣缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1，再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失p，即 pB=p1+p （4-11） p包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗估計，1般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)p為(25)105Pa，用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)p為(515)105Pa，p也可只考慮流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計，各閥的額定壓力損失可從氣元件手冊或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表4-3選取。 表4-3 常用中、低壓各類閥的壓力損失(pn)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)單向閥0.30.5背壓閥38行程閥1.52轉(zhuǎn)閥1.52換向閥1.53節(jié)流閥23順序閥1.53調(diào)速閥35 (2)確定氣泵的流量qB。泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。多氣缸同時動作時，氣泵的流量要大于同時動作的幾個氣缸(或馬達(dá))所需的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和氣泵磨損后容積效率的下降，即qBK(q)max(m3/s) （4-12） 式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，1般取1.11.3，大流量取小值，小流量取大值；(q)max為同時動作的氣缸(或馬達(dá))的最大總流量(m3/s)。采用差動氣缸回路時，氣泵所需流量為： qBK(A1-A2)vmax(m3/s) 式中：A 1，A 2為分別為氣缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2)；vmax為活塞的最大移動速度(m/s)。當(dāng)系統(tǒng)使用蓄能器時，氣泵流量按系統(tǒng)在1個循環(huán)周期中的平均流量選取，即 qB=ViK/Ti （4-13） 式中：Vi為氣缸在工作周期中的總耗油量(m3)；Ti為機器的工作周期(s)；Z為氣缸的個數(shù)。(3)選擇氣泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力pB和流量qB，查氣元件產(chǎn)品樣本，選擇與PB和qB相當(dāng)?shù)臍獗玫囊?guī)格型號。上面所計算的最大壓力pB是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動態(tài)壓力，而動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pB應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%60%，使氣泵有1定的壓力儲備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，壓力儲備取大值。(4)確定驅(qū)動氣泵的功率。當(dāng)氣泵的壓力和流量比較衡定時，所需功率為： p=pBqB/103B (kW) （4-14） 式中：pB為氣泵的最大工作壓力(N/m2)；qB為氣泵的流量(m3/s)；B為氣泵的總效率，各種形式氣泵的總效率可參考表4-4估取，氣泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。 表4-4 氣泵的總效率氣泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.60.70.650.800.600.750.800.85在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量有顯著變化時，可分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其平均值，即 p= （4-15） 式中：t1，t2，tn為1個工作循環(huán)中各階段所需的時間(s)；P1，P2，Pn為1個工作循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。按上述功率和泵的轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標(biāo)準(zhǔn)電動機，再進行驗算，使電動機發(fā)出最大功率時，其超載量在允許范圍內(nèi)。4.5氣壓原理圖圖4-1氣壓原理圖1 過濾器，2（16）截止閥，3 單向定量氣泵，4 溢流閥，5 回轉(zhuǎn)氣馬達(dá)，6（12）平衡閥，8(11)可調(diào)節(jié)流閥，9（10）氣缸，14夾緊缸，15壓力表，17不可調(diào)節(jié)流閥 1轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支路 回轉(zhuǎn)支路的執(zhí)行元件是一個大轉(zhuǎn)矩氣馬達(dá)，它能雙向驅(qū)動轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)。馬達(dá)由手動換向閥A控制正、反轉(zhuǎn)，其油路為 進油路：氣泵-A-回轉(zhuǎn)馬達(dá) 回油路：回轉(zhuǎn)馬達(dá)-A-B-C-D-油箱2手臂的升降支路 手臂升降支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅(qū)動手臂的上、下移動。氣缸由手動換向閥B控制上、下移動，其油路為 進油路:氣泵-A-B-平衡閥6中的單向閥-氣缸無桿腔 回油路：氣缸有桿腔-B-C-D-油箱3手臂的伸縮支路 手臂伸縮支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅(qū)動手臂的左、右移動 。氣缸由手動換向閥C控制左、右移動，其油路為 進油路：氣泵-A-B-C-平衡閥12中的單向閥-氣缸無桿腔 回油路：氣缸有桿腔-C-D-油箱4手抓的夾松支路 手抓夾松支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅(qū)動手臂的夾松。氣缸由手動換向閥D控制上、下移動，其油路為進油路：氣泵-A-B-C-D-氣缸上腔25總結(jié)與展望總結(jié)與展望一、總結(jié)通過對機械手的結(jié)構(gòu)要求和動作行程分析，確定了機械手的坐標(biāo)形式、自由度和驅(qū)動機構(gòu)，確定了機械手的主要技術(shù)參數(shù)，完成了機械手的氣缸設(shè)計和氣元件選擇，機械手技術(shù)是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，機械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。通過這次機械手設(shè)計讓我知道了現(xiàn)代企業(yè)在完成自動化控制中離不開PLC的控制，它可以使企業(yè)在生產(chǎn)的同時減少勞動力和生產(chǎn)成本。目前我國很多地區(qū)的企業(yè)整個生產(chǎn)設(shè)備還比較落后且大部分工序都是通過人工來完成的，而機械手成本比較低且操作簡單很適合中小企業(yè)的發(fā)展要求。但隨著科技不斷進步我相信多功能復(fù)雜的機械手將會在不久的將來出現(xiàn)，所以在今后的學(xué)習(xí)和生活中我們還要不段的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，只有這樣才能設(shè)計出更符合現(xiàn)代社會所需求的產(chǎn)品。二、今后研究方向在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然做得還不是很完善，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。寧波大紅鷹學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計參考文獻(xiàn)1何存興編氣傳動與氣壓傳動華工科技大學(xué)出版社2000.82黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981 3東北工學(xué)院編寫組編機械零件設(shè)計手冊冶金工業(yè)出版社1979.12 4東北工學(xué)院編寫組編機械零件設(shè)計手冊冶金工業(yè)出版社1979.125周開勤編機械零件手冊高等教育出版社1998.3.6龔振幫編機器人機械設(shè)計電子工業(yè)出版社1995. 7金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術(shù)與應(yīng)用 ，20018王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密封，1999, 59嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，199210機械設(shè)計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，198611成大先.機械設(shè)計圖冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社12鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，1987致 謝本論文是在導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)下完成的，首先，我要鄭重地感謝我的指導(dǎo)老師。在設(shè)計過程種，老師耐心細(xì)致地為我檢查設(shè)計書，檢查畫的圖紙，指出需要修改的地方。我很敬佩老師的專業(yè)水平，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向趙老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。其次感謝身邊的同學(xué)朋友，他們也給了我很多幫助和關(guān)懷。再次感謝我的家人。有人說，時間如流水，一刻不停地沖刷著記憶，但是，有些記憶隨著時間的沖刷不會消逝，反而會變得越來越清晰、越來越值得回味，因為它們已深深銘刻在內(nèi)心深處。四年的求學(xué)即將劃上句號，收拾行囊、開始新征途的日子悄然逼近，回頭看看走過的路，無限感慨，揮揮手，卻依然不想說再見！2.3機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計按照抓取工件的要求，車床上料機械手的手臂有三個自由度，及手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動有氣缸來實現(xiàn)。2.3.1機械手手臂設(shè)計要求機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；1.應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。2.機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。4.機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。5.機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。6.機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。2.3.2設(shè)計具體采用方案機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。2.4機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。2.4.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求1.機器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設(shè)計機器人手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。4.機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。5.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。2.4.2設(shè)計具體采用方案通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖8。圖8 車床上料機械手手指2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。在設(shè)計機器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題；1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。2.5.2機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種1.氣動驅(qū)動方式這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。2.電動驅(qū)動方式電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3.液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。2.5.3機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。2.5.4設(shè)計具體采用方案結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為80-130mm來設(shè)計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示：圖9 手爪的具體結(jié)構(gòu)2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計2.6.1工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題機器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機器人所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。在設(shè)計機器人的傳動機構(gòu)時要注意以下問題：1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差。3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。5.選用最佳傳動比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式1.齒輪傳動機構(gòu)在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3 manipulator arm structure designAccording to the requirement, lathe to grab workpiece material arm has three degrees of freedom of the manipulator arm, and adjustable, turning around and drop (or pitch) movement.Turn and lifting movement of the arm is realized by pillar, column the lateral movement known as the shifting arm. Different campaigns have cylinder arm to realize. 2.3.1 manipulator arm design requirementsThe robotic arm role, it is in a certain load and a certain speed, realize the work required in robot in space sport. When designing the robotic arm, follow the following principles;1. Should as far as possible make the robotic arm each joint axis parallel; Perpendicular axis should as far as possible fellowship in a bit, so can make the robot kinematics inverse robot control simplifies, helps.2. The robotic arm structure size should satisfy the requirements of robots work space. Working space shapes and sizes and robot arm length, arm joint rotation range have close relationship. But the robotic arm end work space does not consider the space robot wrist gesture requirements, if robot wrist gesture to specific request, it can realize space arms ends to less than the above did not consider the wrist gesture work space.3. In order to improve the robot movement speed and control accuracy, should keep the robotic arm have enough under the condition of the strength and stiffness, as far as possible on the structure, material manage to reduce the weight of his arm. Strive to choose high intensity of lightweight materials, usually choose high-strength aluminum alloy manufacture a robotic arm. At present, in a foreign country, is also studying with carbon fiber composite materials manufacturing robot arm. Carbon fiber composite materials tensile strength, high ant-vibration sex good, small proportion (its proportion of 1/4 quite to steel, equivalent to aluminum alloy 2/3), but it is expensive, and in the performance stability and manufacturing complex shape workpiece exist problems of technology, it is not in application in practical production. At present more effective method is to use the finite element method for the optimization design of the robotic arm structure. The intensity and stiffness in ensuring the required under the weight of his arm, reduce the robot.4. The robot of each joint bearing clearance as small as possible, in order to reduce to mechanical clearance error motion caused. Therefore, the joints should have reliable operation, easy adjustment bearing clearance adjustment institutions.5. The robot arm relative to rotate the joints should as far as possible under the weight of the balance, the mechanical load and enhance decreases the response speed of the robotic arm movement is very favorable. In the design of robot arm, should as far as possible use in the robot of mechanical and electronic components and devices installed the weight of robotic arm to reduce weight, the unbalanced balancing mechanism when necessary to balance design remnants of unbalanced weight arm.6. The robotic arm on the structure to consider all the joints with certain limit switches and buffering mechanical set blocks, and driving device, transmission mechanism and other components installed.2.3.2 Design specific using schemeManipulator arm (arm) vertical lifting and level of arm (forearm) for linear motion telescopic movement. Linear motion realization is generally pneumatic transmission, hydraulic transmission and motor drive the ball screw to achieve. Considering the weight of carrying workpieces larger, consider the machining quality reaches the 30KG, belong to medium weight of the manipulator, and considering the stability of the dynamic performance and movement of the arm, the stiffness of safety, have higher demand. Comprehensive consideration, two arms driver all choose hydraulic drive mode, through hydraulic cylinder of direct drive, hydraulic cylinder is drive component and executive moving parts, and not to design another executive pieces; And the hydraulic cylinder realizing linear motion control simple, easy to realize the computer control.For hydraulic system can provide great motivation, so in driving force and structural strength are relatively easy to implement, and the key is manipulator of stability and stiffness of the sports meet. Therefore the arm hydraulic cylinder of design principle is the diameter of the cylinder made great point (in overall structures permission), then a nuclear strength.manipulator arm cannot too big, if only by increasing the hydraulic cylinder of cylinder size to increase stiffness, cannot satisfy the system is the rigidity requirement. Therefore, in the design of the additional guide-bar mechanism, forearm add two guide bar, and piston rod together constitute an equilateral triangle section form, try to increase its stiffness; Big arms add four guide bar, a positive quadrilateral layout, to reduce the quality, each guide bar adopts hollow structure. By adding a guide bar, can significantly improve the stability and stiffness of the manipulator movement, good solve structure, reliability problems. 2.4 structure design of robot wristRobot arm movement (including the waist of the seat, and gives the rotary motion) robot end actuators in its working space position, which the movement in the end of the installation of robotic arm, then gives the wrist robot end actuators in the motion of its working space gesture. CaoZuoJi robot wrist is the end of the robot, and the robotic arm with exercise, realize the end of installation of wrist of actuators space with movement trajectory posture, finish the homework action needed.2.4.1 The robot wrist structure design requirements1. Freedom of robot wrist readings, should according to assignments need to design. The more robot wrist freedom, the number of each joint Angle, the robot wrist the greater flexibility of the robot is higher, the adaptability also rightness homework more strong. However, the increase of freedom, also will make the wrist structure more complex, robot control more difficult, costs will increase. Therefore, the wrist of freedom, should according to actual operation degree is required to determine. In meet operational requirements of the premise, should make free degree as less. General robot wrist freedom for 2 to 3 degree, some needs more freedom, and some robot wrist dont need freedom, with only the movement by the arm and waist can achieve operational requirements of the task. Therefore, to the concrete analysis of multiple layouts, consider robot, sports scheme, choose the simplest satisfy the requirements of the plan.2. Robot wrist installed in the end of robot arm robot wrist, in the design, should strive to reduce the weight and volume to compact structure. In order to reduce the weight of robot wrist, wrist institutions drive sperating transmission. Wrist drive general installation in the arm, and do not adopt direct drive, and choose high-strength aluminum alloy manufacture.3. Robot wrist to and end actuators connected, accordingly, want to have the standard connection to facilitate the flange, structure of loading and unloading end actuators.4. Robot wrist institutions should have enough strength and stiffness, strength and movement to ensure the relay.5. To have reliable transmission gap adjusting mechanism, to minimize returned empty clearance, improve the transmission precision.6. The wrist of each joint axis rotation to limited a switch, and set limit to prevent hard out-of-gauge cause mechanical damage.2.4.2 design specific adopts planThrough the nc machine tools for feeding and unloading operations, considering the concrete analysis of concrete form CNC machine processing and manipulator up-down material operations in the specific requirements, and technological requirements of meet the system under the premise of improving safety and reliability of the structure of the manipulator, to make as far as possible simple, reduce the difficulty of the design and control of freedom, not to increase his wrist proved it is fully meet operational requirements of the three degrees of freedom, to realize the up-down material completely enough machine. Specific wrist (arms PAWS coupling beam) structure see figure 8.Figure 8 . Lathe feeding manipulator finger2.5 manipulator actuators (PAWS) structure designing2.5.1 manipulator actuator design requirementsRobot end actuator is installed on the robot wrist used for an operation or additional device homework. Robot end, many different kinds of actuators, in order to adapt to the different assignments and operation robot requirements. End actuators can be divided into move use, processing with with and measurement etc.Move use end actuators refers to all clamping device used to grab or adsorption transported objects.Processing with end actuators with gun, welding torch is milling cutter, grinding wheel, such as the robot machining tool, used for additional device corresponding processing work.With end actuator is measured with the additional head or sensors measuring device used to measuring and test operations.In design robot end actuators, should pay attention to the following questions;1. The robot end actuator is designed according to the operation requirement robot. A new terminal actuators occurrence, can increase a robotic new application places. Accordingly, according to the needs of the homework with people and create a new robot imagination, will continue at actuators expansion of the application field of robot.2. The weight of the robot end actuators to grab objects and the sum of weight and operating force the load force. The robot allow Therefore, request the end-effector actuators small volume, light weight, compact structure.3. The end-effector actuators with specificity is universal sexual paradox. Universal end actuators on the structure is complex, and even harder to achieve, for example, the universal humanoid multisensory dexterous robot hand yet practional utilization. At present, can be used to produce or those simple structure, universal sex not strong robot end actuators. Starting from the industrial application, should focus on the development of special, efficient robot end actuators, plus end actuators, in order to achieve the fast changing device of function, the robot is not advocated homework with a universal end actuators to complete variety of homework. Because this kind of everything the implementation of the structure is complex and expensive.4. Versatility and universal sex are two concepts, universal sex machine, and refers to the multi-energy refers to the end of generality, limited actuators, suitable for different robots, which requires the end actuators have standard machine interface (such as flange), make end actuators realizes standardization and blocks digestion.5. The end-effector actuators to facilitate installation and maintenance, easy to realize the computer control. Use computer control the most convenient is electric type actuator. Therefore, the industrial robot actuators mainstream is electric type, followed by the hydraulic and pneumatic type (in driving interface to increase electricity - liquid or electricity - air transform link).2.5.2 robot grippers sports and drive modeRobot grippers and machine hand claw. General industrial machine hand for double refers to how claws, PAWS. According to finger movement way, can be divided into back transformation and mobile type, press clamping way to points, within the clip type and supporting type two kinds.Robot grippers (PAWS) drive mode basically has 3 kinds1. Pneumatic drive mode this drive system is by electromagnetic valve to control the movement direction of the PAWS, with air regulator to adjust its movement speed. The pneumatic drive system of lower prices, so pneumatic grippers are widely used in industry. In addition, because gas compressibility, contentious hands-on claw grab motion has certain compliant sex, it is very need to grab action.2. Electric drive mode of electric drive PAWS application also more widely. The PAWS, generally USES the dc servo motor or stepping motor, and need to get enough gear reducer driving force and torque. Electric drive mode can realize the force PAWS with position control. But this cannot be used for driving way under the condition of a explosion-proof requirements, because motor may produce sparks and fever.3. Hydraulic drive mode hydraulic drive system transmission can achieve great stiffness.wherever continuous position control.2.5.3 The typical structure robot grippers1. Leveraged wedge PAWSUsing wedge block and levers to realize the pine, open PAWS, come to grab workpiece.2. Slide groove PAWSWhen the pistons forward movement, sliding channel through the pin PAWS merger, pushing produce clamping action and clamping force, when the pistons backward motion, PAWS loosen. This trip is larger, PAWS switching to grab different sizes of the object.3. Connecting rod leveraged PAWSThe PAWS in Detroit, connecting rod and leverage thrust PAWS produce clamped to relax) movement, because (the force-magnifying function, leverage the PAWS might produce larger clamping force. Usually use a combination of and the spring.4. Rack-and pinion type PAWSThe PAWS through the pistons pushing rack, rack driving gear rotating, produce the clamping PAWS with loosen action.5. Parallel leveraged PAWSAdopt parallelogram frame, so there is no need to guide can guarantee to keep the two fingers PAWS with parallel movement, the parallel rails than PAWS friction move to smaller.2.5.4 design specific adopts planCombined with concrete works, this design USES the connecting rod of lever PAWS. Driven by piston, piston rod ends move, the middle rack and rack is fan rack makes the fingers open or closed. The minimum opening finger by machining diameter to the setting. This design according to the workpiece diameter of 80-130mm to design. The concrete structure form PAWS shown as shown in figure 9:Figure 9 The specific structure PAWS2.6 manipulator mechanical transmission design2.6.1 industrial robot transmission mechanism design problems should be paid attention toRobot is by multistage league stem and joint space composed of multi-degree-of-freedom sports organization. In addition to direct drive robot, robot outside each league rod and exercise is of each joint by drive through all kinds of mechanical transmission mechanism driven. Robot adopted the transmission mechanism