搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計設(shè)計說明

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1、 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 胡業(yè)明 07食工5 機(jī)器人概論課程說明書 摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器

2、人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作。 本課題主要對搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械部分展開討論，對原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的改進(jìn)方法，并把現(xiàn)在的新技術(shù)應(yīng)用到本課題中，從而使得搬運(yùn)機(jī)器人更加適用于現(xiàn)在的工業(yè)工作環(huán)境。通過詳細(xì)了解搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了具體的搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計要求，并根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人各部分的設(shè)計原則，進(jìn)行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計以及包括：機(jī)器人的手部、腕部、臂部、腰部在內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。此搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動源來自液壓系統(tǒng)，執(zhí)行元件包括：柱塞式液壓缸、擺動液壓缸、伸縮式液壓缸等。通過液壓缸的運(yùn)動來實現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的實際作業(yè)。 關(guān)鍵詞：搬

3、運(yùn)機(jī)器人；液壓系統(tǒng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；操作  Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by ent

4、erprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the ma

5、in part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Through a detailed understanding of the robot in the industrial appl

6、ication, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robots hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures. The transfer robot driven by the source from the hydraulic sys

7、tem, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And realize the operational handling robot. Keywords：Transfer ro

8、bot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating  畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 2013 年 3月 10 日

9、 畢業(yè)論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文（設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為 。 論文（設(shè)計）作者簽名：

10、 日期： 2013 年 3 月 10 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 第1章 總 論 1.1 概述 搬運(yùn)機(jī)器人在實際的工作中就是一個機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音

11、以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)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(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手[4]。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可

12、以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)

13、型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。 圖1-1機(jī)器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、

14、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實現(xiàn)機(jī)器人所期望實現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。 圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。 1.2 工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用 機(jī)器人首先是

15、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(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制，它設(shè)有微型電子計算機(jī)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，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù),它與

16、電子計算機(jī)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(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感

17、器的能力。 美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型； （2）1968-1970年為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件； （3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。

18、1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機(jī)器人，工作時間共達(dá)60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機(jī)控制50臺機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人[13]。 我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改

19、造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合； c)研

20、制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 1.4 本文主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實體造型工作。 1.5 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是搬運(yùn)機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢

21、等方面，并通過對現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中使用搬運(yùn)機(jī)器人的主要工作種類的列舉，提出了未來搬運(yùn)機(jī)器人的幾種先進(jìn)的發(fā)展模式和本文的主要研究內(nèi)容。  第2章 搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺物料搬運(yùn)機(jī)器人，本章主要對搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計和分析。 2.1 總體設(shè)計的思路 設(shè)計機(jī)器人大體上可分為兩個階段： 1、系統(tǒng)分析階段 ①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)； ②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境； ③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由 度、信息的存儲量、計算機(jī)功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容 許的

22、運(yùn)動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。 2、技術(shù)設(shè)計階段 ①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人 的坐標(biāo)形式； ②擬訂機(jī)器人的運(yùn)動路線和空間作業(yè)圖； ③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型； ④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計； ⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。 下面結(jié)合設(shè)計的基本要求和基本原則確定本系統(tǒng)的方案見圖2-1。 圖2-1搬運(yùn)機(jī)器人的總體方案圖 2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指各運(yùn)動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運(yùn)動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運(yùn)動部件自由度的總和為機(jī)

23、器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人為5自由度即：手爪張合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下: 1．直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖2-2(a)所示。由于直線運(yùn)動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置

24、精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)[3]。 2．圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖2-2（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3．球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)

25、的，如圖2-2（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間[3]。 4．關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的，如圖2-2（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。 (a)直角坐標(biāo)型 （b）圓柱坐標(biāo)型 （c）球坐標(biāo)型 （d）關(guān)節(jié)型 圖2-

26、2四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.3 搬運(yùn)機(jī)器人的組成 搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 2.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。 本次設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-3、圖2-4。 圖

27、2-3搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖 2-4手部執(zhí)行部件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 如圖2-3的機(jī)構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動來實現(xiàn)其張合運(yùn)動，桿的動力源來自后續(xù)驅(qū)動源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸其工作原理示意圖見圖2-5，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。 圖2-5伸縮式液壓缸原理示意圖 （2）腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)

28、腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實現(xiàn)手部1800的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部的運(yùn)動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-6所示。 圖2-6腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖 腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機(jī)器人手

29、部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動的；而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。 （3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。 手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工

30、作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。手臂的運(yùn)動參數(shù)：伸縮行程：1200mm；伸縮速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。 （4）機(jī)座 機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機(jī)器人，則安

31、裝在移動結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。 2.3.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。 液壓驅(qū)動壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜。氣動驅(qū)動壓力低，輸出

32、力較小如需要輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低。電動機(jī)驅(qū)動有：異步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)為動力源，電動機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動的方式。 2.3.3 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 2.4 搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 一、用途：用于車間搬運(yùn) 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重:20Kg(夾持式手部)；

33、 2、自由度數(shù):5個自由度（手爪張合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂 部升降5個運(yùn)動）； 3、坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo)系； 4、最大工作半徑:1600mm； 5、手臂最大中心高:1248mm； 6、手臂運(yùn)動參數(shù):伸縮行程：1200mm 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s 回轉(zhuǎn)范圍：0～180； 7、手腕運(yùn)動參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍：0～180。 2.5 本章小結(jié) 本章從搬運(yùn)機(jī)器人的實用方面入手，提出了一套總體設(shè)計方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取圓柱坐標(biāo)系為本次設(shè)計坐標(biāo)系。同時，就搬運(yùn)機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部

34、、腕部、臂部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動作為本次設(shè)計的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。最后，給出了設(shè)計中所需的技術(shù)參數(shù)。  第3章 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 3.1 手部夾持器 機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類： 1．夾持式：包括內(nèi)

35、撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。 2．吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。 在設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題： 1．機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)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(jī)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(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2．機(jī)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(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 3．機(jī)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(jī)器人靈巧手，至今尚未

36、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(qiáng)的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)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(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制。用計算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的

37、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)）。 3.2 手部設(shè)計基本要求 手部的設(shè)計應(yīng)滿足以下基本要求： （1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。 （2）手指應(yīng)具有一定的張開范圍手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）θ，以便抓取工件。 （3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 （4）應(yīng)保證手抓的夾持精度應(yīng)保證每個被夾持的工件，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲

38、拐、凸輪軸一類復(fù)雜的工件，在機(jī)床上安裝的位置要求嚴(yán)格，因此機(jī)械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對的位置精度。 （5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求，一般情況下，手部多是專用的，為了擴(kuò)大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的方法。如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。 根據(jù)任務(wù)要求并考慮到實際操作中手部的工作方式本次設(shè)計選擇的手部夾持器為：雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)（見圖2-3）。 3.3 選擇手抓的類型及夾緊裝置 本次搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為2

39、0Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適合用于本方案。本設(shè)計機(jī)械手采用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按運(yùn)動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結(jié)構(gòu)簡單，適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指，驅(qū)動力需加在手指移動方向上，這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常形式夾緊裝置，它靠液壓缸的伸縮作用下實現(xiàn)手爪的張開和閉

40、合。 3.4 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4.1 手爪的力學(xué)分析 圖3-1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析示意圖 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點(diǎn)，手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，交F1和F2的延長線于A及B。 由=0得: 由=0得: 由 得: h F= （3.1） 式中: a--手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)

41、到對稱中心的距離（mm)； α--工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力F一定時，角增大，則握力FN也隨之增大，但如果角過大則會導(dǎo)致拉桿行程過大和手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好取，故本次設(shè)計選取。 根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：抓取的重物為20Kg 鋼與鋼之間的靜摩擦因數(shù)μ取為：μ=0.15 即: 取FN=1400N a=35mm b=50mm 故： F= = =3000N 3.4.2 夾緊力和驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜

42、載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2） 式中：——安全系數(shù)，通常1.2～2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦? 其中重力方向的最大上升加速度：； ——運(yùn)載時工件最大上升速度； ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.03～0.5s； ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； G——被抓取工件所受重力（N）。 表3-1液壓缸的工作壓力 作用在活

43、塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8～1 20000～30000 2.0～4.0 5000～10000 1.5～2.0 30000～50000 4.0～5.0 10000～20000 2.5～3.0 50000 5.0～8.0 表3-2 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 1

44、60 180 200 250 計算： （1）取a=35mm,b=50mm,，機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力FN和驅(qū)動力F和驅(qū)動液壓缸的尺寸。 取 ==1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.51.020.53400N=3100N （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D： (3.3) 選取活塞桿直徑d=0.5D,根據(jù)表3-1選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8～1MPa, ==18mm 根據(jù)表3-2（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=20mm，則活塞桿內(nèi)徑為:

45、 d=D0.5=200.5=10mm，選取d=10mm。 3.5 本章小結(jié) 本章主要針對手部結(jié)構(gòu)展開討論，根據(jù)手部夾持器的結(jié)構(gòu)形式（夾持式和吸附式）及手部設(shè)計的基本要求選擇手爪類型為雙支點(diǎn)連桿杠桿手部。通過對手爪的力學(xué)分析，計算出了手部實現(xiàn)抓取工件所需的夾緊力和驅(qū)動力。  第4章 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 4.1 腕部設(shè)計的基本要求 （1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，

46、必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3）必須考慮工作條件 對于本次設(shè)計，搬運(yùn)機(jī)器人的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)質(zhì)量為20Kg的物體，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對搬運(yùn)機(jī)器人的腕部沒有太多不利因素。 4.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) (1)具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所

47、用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270）。 (2)齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3)具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。 (4)機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。 4.3 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 腕部設(shè)計考慮的參數(shù)：夾取工件重量20Kg；回轉(zhuǎn)。 4.3.1 腕部驅(qū)動力計算

48、 圖4-1腕部支撐反力計算示意圖 腕部回轉(zhuǎn)時要克服的阻力： a. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： (4.1) 其中為軸承摩擦系數(shù)取=0.1 b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： （4.2） c. 克服啟動慣性所需的力矩： （4.3） 假設(shè)給定的工件是一直徑D=70mm，長度L=660mm，重量G=200N的棒料。按照任務(wù)書要求實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)180，現(xiàn)計算腕部所需的驅(qū)動力矩如下： 1）手抓

49、、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為60mm，直徑100mm，其重力估算如下： 2）摩擦力矩： 3）啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度，等速轉(zhuǎn)動角速度 (4.4) 查取轉(zhuǎn)動慣量公式有： 代入： 4.3.2 腕部驅(qū)動液壓缸的計算 表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）[6] （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 1

50、25 130 140 160 180 200 250 表4-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67）[6] （mm） 液壓缸外徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 設(shè)定腕部的部分尺寸：

51、根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)徑R=40mm，外徑根據(jù)表4-2選擇80mm，這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為100mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4-2所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力： ，選擇8Mpa 圖4-2腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意圖 4.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 圖4-3缸蓋螺釘間距示意圖 表4-3螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系[20] 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t(mm) 0.5～1.5 小于150 1.5～2.5 小于120 2.5～5.0 小于100 5.0～10.0 小于80 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖4-3

52、所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，在這種聯(lián)接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力: （4.5） 液壓缸工作壓強(qiáng)為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘， 所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=6個。 危險截面的面積： (4.6) 所以: 螺釘材料選擇Q235， (n=1.2～1.5） 螺釘?shù)闹睆剑? （4.7） =0.008

53、m 螺釘?shù)闹睆竭x用M10。 4.5 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見圖4-3,連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得: (4.8) D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15。 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： (4.9) 或

54、 (4.10) 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)得： 螺釘材料選擇Q235，則 （n=1.2～1.5） 螺釘?shù)闹睆剑? =0.008m 螺釘?shù)闹睆竭x用M10。 4.6 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算。首先，根據(jù)腕部設(shè)計的基本要求選擇與本次設(shè)計相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關(guān)鍵部位螺栓的計算。  第5章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計及有關(guān)計算 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），

55、并帶動它們作空間運(yùn)動。手臂運(yùn)動應(yīng)該包括3個運(yùn)動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章祥述。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 5.1 臂部設(shè)計的基本要求 臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的

56、運(yùn)動，為此，需要滿足下列各項基本要求： 1、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 對于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機(jī)械手的運(yùn)動性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面。 （1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； （2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離； （3）合理布置作用力的位置和方向； （4）注意簡化結(jié)構(gòu)； （5）提高配合精度。 二、臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小

57、 機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑[8]： （1）減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金材料； （2）減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸； （3） 減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮）， 盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作； (4）在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。 三、手臂動作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)

58、動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件[9]。 4、 位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運(yùn)動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 總結(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷

59、卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機(jī)械手。 5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 5.2.1 手臂的典型運(yùn)動機(jī)構(gòu) 常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： （1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)； （2） 手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)； （3） 雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)； （4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 5.2.2 手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計選擇液

60、壓缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動,水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。 5.3 手臂直線運(yùn)動的驅(qū)動力計算 首先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)圖。 作水平伸縮直線運(yùn)動的液壓缸的驅(qū)動力，應(yīng)根據(jù)液壓缸運(yùn)動時所要克服的摩擦力和慣性力等幾個方面的阻力進(jìn)行確定。 液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算公式可表示為： (5.1) 5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 摩擦力的計算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。

61、 圖5-1機(jī)械手臂部受力示意圖 計算如下： 得 得 (5.2) 式中 ---參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L---手臂與運(yùn)動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算； a---導(dǎo)向支撐的長度（m）； ---當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)； 對于圓柱面： μ---摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取μ=0.1～0.1

62、5 鋼對鑄鐵：取μ=0.18～0.3 選?。海珿=500N，L=1.49-0.028=1.21m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算： 5.3.2 手臂慣性力的計算 本設(shè)計要求手臂平動是V=83mm/s；假定：在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度； (5.3) 5.3.3 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：

63、5.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=1243.8N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa。 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5-2所示 圖5-2雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： （5.4） 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中： (5.5) 其中：為機(jī)械效率。 液壓缸的有效面積： 故有： （無桿腔） (5.6) （有桿腔）[7]

64、 (5.7) F=6210N，，選擇機(jī)械效率。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=65mm。 液壓缸外徑的設(shè)計： 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為80mm。 5.5活塞桿的計算校核 一、活塞桿強(qiáng)度校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算： (5.8) 設(shè)計中活塞桿取材料為碳鋼，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm

65、,現(xiàn)在進(jìn)行校核： 結(jié)論：活塞桿滿足強(qiáng)度要求。 2、 活塞桿剛度校核 圖5-3剛度校核示意圖 現(xiàn)按照伸出液壓缸的最小直徑進(jìn)行校核,為便于計算把伸出的液壓缸簡化成一懸臂梁。 取:載荷F=400N,懸臂L=1730mm。 梁轉(zhuǎn)角： (5.9) 梁撓度： (5.10) 其中：E為材料的彈性模量：E=210Gpa I為轉(zhuǎn)動慣量：取I= EI=24 ∴ [18] 結(jié)論:懸臂活塞桿滿足剛度要求。 5.6 本章小結(jié) 本章設(shè)計了搬運(yùn)機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用液

66、壓驅(qū)動伸縮機(jī)構(gòu)，對驅(qū)動的液壓缸的驅(qū)動力進(jìn)行了計算。并對液壓缸的基本尺寸進(jìn)行了設(shè)計，同時對液壓缸活塞桿的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了校核，校核結(jié)果均滿足要求。  第6章 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動，這些運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。 6.1機(jī)身的整體設(shè)計 按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： （1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 （2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動