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I 摘 要 數(shù)控機床上下料機械手是工業(yè)機器人機械手的一種，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中能代 替人手做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例 如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、 機械加工和簡單裝配 等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作 【1】 。 數(shù)控機床上下料機械手主要由手部和運動機構(gòu)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。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手； 按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位 控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 【2】 數(shù)控機床上下料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。數(shù) 控機床上下料機械手的是工業(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。 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系 統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面 貌。實際的機器人由帶有腕(或稱為手臂)的主機身和機身端部的工具(通常是某些類 型的夾持器)組成,同時也包括一個輔助動力系統(tǒng)。本文是對整個設(shè)計工作較全面的 介紹和總 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)。 II 關(guān)鍵詞：手臂 夾持器 工業(yè)機器人 Abstract Industrial machine hand in industrial production can replace hand to do some drab, frequent and repeat the long operation, or danger, harsh environment, such as the homework in pressing, welding, casting, heat stress, coating, plastic forming, machining and assembling process such as simple, and in the atomic energy industry departments, complete harmful material handling or process operation. Manipulator hand and movement mainly by institutions. Hand is used to catch the workpiece (or tools), according to the parts of the object was caught the shape, size, weight, materials and operational requirements and has a variety of structural forms, such as the type of clamping, and adsorption type, etc. Sports organizations and finish all kinds of rotating (hand), moving or composite swing motion to realize, change the position of the object was caught and posture. The lifting mechanism, and the independence movement of the manipulator, called freedom. In order to grab arbitrary position and orientation of the object, need to have six degrees. Freedom is the design of hand machine armed key parameters. The freedom of the manipulator, the degree of flexibility, the greater the universality and broader, its structure is more complex. General special manipulator has 2-3 degrees. According to the types of the manipulator, driving mode can be divided into hydraulic, pneumatic, electric type, mechanical manipulator, According to the scope and special manipulator can be divided into two manipulators, According to the trajectory control mode can be divided into position control and continuous trajectory control manipulator, etc. Robots are usually used or other machine tools, such as additional device in automatic machine or automatic production line, loading and unloading workpieces relay in machining center, the replacement of tools is not independent control device. Some operations to direct manipulation by device, such as atomic energy sector also dangerous goods masterslave gunner also often called the manipulator. III Industrial robot developed in recent years is a high-tech automation production equipment. Industrial robots is an important branch of industrial robots. Its characteristic is accomplished by programming task, various expected in the structure and performance of the respective advantages of both human beings and machines, particularly reflected people's intelligence and adaptability. Manipulator and the accuracy of all sorts of homework assignments in the environment of national economy, in the field has broad prospects for development. In industry, the automatic control system in a wide range of applications, such as industrial automation control, computer systems, machine, etc. Industrial robot is a relatively new electronic equipment, it is beginning to change the face of modern industry. The actual robot with a wrist (or called by the host body and arms) at the end of the fuselage of tool (usually a certain types of grippers), also include an auxiliary power system. This is the design of the whole work is introduced and the total manipulator technology involves mechanics, mechanical, electrical and hydraulic technology, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, science, is an interdisciplinary comprehensive technology. Key words：arm grippers industrial robots IV 目 錄 摘 要 ......................................................I ASTRACT ...................................................II 1.緒論 .......................................................1 1.1 選題背景 ..........................................................1 1.2 設(shè)計目的 ..........................................................1 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢業(yè) ............................................2 2.工業(yè)機器人機械手的總體設(shè)計 .................................3 2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分的關(guān)系概述 ................................3 2.2 工業(yè)機器人機械手設(shè)計分析 ..........................................3 3.工業(yè)機器人機械手的運動系統(tǒng)分析 .............................6 3.1 工業(yè)機器人的運動自由度 ............................................6 3.2 機器人的運動空間和機械結(jié)構(gòu)類型 ....................................6 4.工業(yè)機器人機械手的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 .............................8 4.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 ..................................................8 4.2 手臂機構(gòu)的設(shè)計 ...................................................11 4.3 腰部和基座設(shè)計 ...................................................14 總 結(jié) ...................................................20 參考文獻 ....................................................21 致 謝 .....................................................22 附 錄 ......................................................23 V 1 緒論 1.1 選題背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝 置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電 子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅 速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(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。 機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動 生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加 工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。 目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組 成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng) 于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。 當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工 程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究 和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必 要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.2 設(shè)計目的 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度 大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔 性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一 臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實 現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅 速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠 應(yīng)用到 加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求， 1 從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和 大體趨勢如下： A．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、 檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維修性。 C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感 器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù) 成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、 系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡 規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊 化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器， 先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體 的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求 系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 【3】 2 2 工業(yè)機器人機械手的總體設(shè)計 2.1 工業(yè)機器人的組成及各部分關(guān)系概述 它主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需 的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。 手部：機器人為了進行作業(yè)而配置的操作機構(gòu)，又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接 抓取工件或夾具。 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作 方位。 臂部：聯(lián)接機座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管 理荷重，改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機座。 機身：機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自 轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有 機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生 錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。 【4】 2.2 工業(yè)機器人機械手的設(shè)計分析 2.2.1 設(shè)計要求 通過設(shè)計機械手，培養(yǎng)綜合運用所學(xué)過的基本理論、基本知識和基本方法分析 能力和解決問題的能力。 有關(guān)數(shù)據(jù)：設(shè)計一機械手、將鋁活塞鑄造毛坯從模具中取出，并運送到離模具 2 米遠處的鋁活塞毛坯箱里。 3 零件尺寸：外孔 ￠101.6，高 106。 零件材料：鋁。 2.2.2 總體方案擬定 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維 下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定工業(yè)機器人工作方式，利用步進電機驅(qū)動和錐 齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用一個液壓缸，使手臂實現(xiàn)上下運動；考慮 到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端 夾持器則采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊。 [5] 圖 2-1 機器人外形圖 2.2.3 工業(yè)機器人機械手主要技術(shù)性能參數(shù) 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下： a.抓取重量： 抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參 數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 4 b 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的 基礎(chǔ)。 c 坐標(biāo)形式和自由度： 說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。 d 運動行程范圍： 指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù) 運動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。 e 運動速度： 是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。 它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機器人的最大 直線移動速度為 1000mm/s 左右，一般為 200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為 180o/s， 一般為 50o/s。 f 定位精度和重復(fù)定位精度： 定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。 [6] g 編程方式和存儲容量: 本設(shè)計中的三自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 2-1。 表 2-1 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù) 機械手類型 三自由度圓柱坐標(biāo)型 抓取重量 2.38Kg 自由度 3 個（1 個回轉(zhuǎn) 2 個移動） 機座內(nèi)部 回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角 0°--180°，步進電機驅(qū)動 腰部機構(gòu) 伸縮運動，升降范圍 400mm，液壓缸驅(qū)動 手臂機構(gòu) 伸縮運動，伸縮范圍 70mm，液壓缸驅(qū)動 末端執(zhí)行器 液壓缸驅(qū)動 5 3.工業(yè)機器人機械手的運動系統(tǒng)分析 工業(yè)機器人的運動，可從工業(yè)機器人的自由度，工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型等三 方面來討論。 3.1 工業(yè)機器人的運動自由度 所謂機器人的運動自由度是指確定一個機器人操作位置時所需要的獨立運動參 數(shù)的數(shù)目，它是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計的工業(yè)機器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)， 前后往復(fù)三自由度。 [7] 3.2 機器人的工作空間和機械結(jié)構(gòu)類型 3.2.1 工作空間 工作空間是指機器人正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機 器人的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖 3-1。 圖 3-1 工作空間圖 3.2.2 機械結(jié)構(gòu)類型 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動， 共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號 RPP） ，工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo) 型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。 6 二．機器人的運動過程分析 工業(yè)機器人的運動過程中各動作如圖 3-2 和表 3-1。 圖 3-2 運動過程 表 3-1 運動過程工序 機器人開機，處于 A 點 工步一 手臂上升 工步二，工步七，工步十三 旋轉(zhuǎn)至 B 點 工步三 手臂伸出 工步四, 工步十 手臂下降 工步五，工步十一 夾緊工件 工步六 手臂收縮 工步八，工步十四 旋轉(zhuǎn)至 C 點 工步九 放松工件 工步十二 實現(xiàn)運動過程中的各工步是由工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的， 這里尤其要強調(diào)的是機器人對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性，這是本次設(shè)計成敗之關(guān)鍵 所在。 [8] 7 4 工業(yè)機器人機械手的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 4.1 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件 的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手 的關(guān)鍵部件之一。 4.1.1 設(shè)計時要注意的問題： a. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工 件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。 b. 末端執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng) 注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 c. 應(yīng)能保證工件在末端執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位。 d. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 [9] 4.1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，用小型液壓缸驅(qū)動夾緊，它的結(jié)構(gòu)形式如圖 4- 1?；鄹軛U式回轉(zhuǎn)型夾持器，當(dāng)驅(qū)動器推動桿 2 向上運動時，圓柱銷 3 在兩桿 4 的 滑槽中移動，迫使與支架 1 相鉸接的兩手指（鉗爪）產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力。當(dāng)桿 2 向下運動時，手指松開。 8 圖 4-1 末端執(zhí)行器 4.1.3 液壓油缸的選擇和夾緊力的校驗 a.初選油缸型號 考慮到所要夾持的是比較小的零件，最大工作載荷很小，故初選液壓缸型號為 Y- HG1-C40/22×25LF2HL1Q， b.夾緊力校驗 1）零件的計算 （4-1） 2393.1450.8169()8540270.823.4()1VRhmvGg N???????? 圖 4-2 零件實體圖 其中 g 取 9.8 取 G=24（N） 9 緊力的計算： 要夾持住零件必須滿足條件： 2NfFG? f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為鋁，手指為鋼材，查《機械零件手 冊》 表 2-5 f=0.15，N 為作用在零件內(nèi)壁上壓緊力，G 為零件重力。 所以 （4-2）2480().15Ff??? 取 =80（N） 由《機械制造裝備》式 4-56 可知驅(qū)動力的計算公式為： （4-21cosNPlFb??? 3） 圖 4-3 滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 為斜面傾角， ， 為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，?49o??? 查《機械零件手冊》表 2-2 這里取 0.8592.085? b=90.8mm,l=154.53mm。 所以 （4-4）2012154.38cos4937.8.85.P???? 取 p=150(N) 按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 10 （4-5） mPDF??4 2? D 為汽缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）,由《液壓傳動與氣壓傳動》表 4-1 表 4-1 液壓傳動與氣壓傳動 負載 F/N 50000 工作壓力 p/MPa 5～7 取 p=0.5MPa。由《液壓系統(tǒng)設(shè)計》可查得： =0.9～0.95,m? 所以 （4-6）NPDF 569.015.4)10(.346232 ??????? 由以上計算可知液壓缸能產(chǎn)生的推力 F=565N 大于夾緊工件所需的推力 P=150N。所以該液壓缸能夠滿足要求。 [10] （3）彈性爪的強度校驗 當(dāng)彈性手工作時，由于夾過程具有彈性，就可以避免易損零件被抓傷，變形和 損。 工件與彈簧片間的力： 由上節(jié)可知 F=80N。 則彈簧爪截面上的剪應(yīng)力為[τ]=30MPa， τ=Q/A= （4-332804[]1MPa?????? 7） 故彈性爪滿足強度要求。 4.2 手臂機構(gòu)的設(shè)計 4.2.1.手臂的設(shè)計要求 a.手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 11 b.根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。 c.盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動 裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。 d.要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用 緩沖和限位裝置提高定位精度。 本設(shè)計手臂直接聯(lián)接在底座升降液壓缸上，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，尾部設(shè)置導(dǎo) 向桿，以防止活塞桿轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如下圖。 圖 4-4 手臂結(jié)構(gòu)圖 手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)如圖 4-5 所示： 選用軸向腳架型液壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活 塞桿一起轉(zhuǎn)動。 [11] 圖 4-5 手臂與末端執(zhí)行器的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 4.2.2 .伸縮液壓油缸的選擇 選液壓缸型號為 Y-HG1-C50/36×40LF4HL1Q，它的主要技術(shù)參數(shù)如表 4-2。 缸 徑 /mm 活塞桿直徑 /mm 油口直徑 12 速度比 1.46 2 通徑/mm 聯(lián)接螺紋 50 28 36 10 M18x1.5 表 4-2 冶金設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)液壓油技術(shù)規(guī)格 4.2.3.活塞桿的強度校核 末端執(zhí)行器的重量約為：12Kg。 工件重量為：2.38Kg。 由靜力平衡方 ΣM B=0 R1·LAB －Q·LBC=0 （4-8） ΣM A=0 R2·LAB － Q·LAC=0 （4-9） 求得支反力為： R1=292N R2=628.93N 以 A 點為坐標(biāo)原點，得剪力圖和彎矩圖如下： 由[]表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在 B 處橫截面上的剪應(yīng)力為： τB= R2/A= 安全。 （4-3268.91.0[]()4MPa?????? 13 10） 在 B 處的彎應(yīng)力為： σ B= MB/A= 安全。 [12] （4-394.21.89[](80)16MPa?????? 11） 4.3 腰部和基座設(shè)計 4.3.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過安裝在支座上的步進電機和錐齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器 人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在頂部的液壓缸帶動橫梁轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的上下移動。采用 了導(dǎo)向桿導(dǎo)向，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如裝配圖。 4.3.2.步進電機的選取 工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)和上下移動采用了步進電機驅(qū)動，下面就給出各種驅(qū)動方式 的比較，以作為選取步進電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。 表 4-3 各種驅(qū)動方式比較 驅(qū)動方式 電機 驅(qū)動 比較內(nèi) 容 機械傳動 異步電機， 直流電機 步進或伺服 電機 氣壓傳動 液壓傳動 控制性 能 速度可高，速度 和加速度均由機 構(gòu)控制，定位精 度高，可與主機 嚴(yán)格同步 控制性能 較差，慣 性大，步 易精確定 位 控制性能好， 可精確定位， 但控制系統(tǒng) 復(fù)雜 可高速，氣體 壓縮性大，阻 力效果差，沖 擊較嚴(yán)重，精 確定位較困難， 低速步易控制 油液壓縮性小，壓 力流量均容易控制， 可無級調(diào)速，反應(yīng) 靈敏，可實現(xiàn)連續(xù) 軌跡控制 體積 當(dāng)自由度多時， 機構(gòu)復(fù)雜，體積 液較大 要油減速 裝置，體 積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條 件下體積小 維修使 用 維修使用方便 維修使用 方便 維修使用較 復(fù)雜 維修簡單，能 在高溫，粉塵 維修方便，液體對 溫度變化敏感，油 14 等惡劣環(huán)境種 使用，泄漏影 響小 液泄漏易著火 應(yīng)用范 圍 適用于自由度少 的專用機械手， 高速低速均能適 用 適用于抓 取重量大 和速度低 的專用機 械手 可用于程序 復(fù)雜和運動 軌跡要求嚴(yán) 格的小型通 用機械手 中小型專用通 用機械手都有 中小型專用通用機 械手都有，特別時 重型機械手多用 由上表可知步進電機應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)機器人有著許多無可替代的優(yōu)點，如控制 性能好，可精確定位，體積較小可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機 械手等，下面就對步進電機的型號進行選取。 初選電機為 BF 反應(yīng)式步進電機，型號為：90BF001。它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表 4-4 反應(yīng)式步進電機的參數(shù) 電 機 型 號 相 數(shù) 步距 角 /（°） 電 壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /N·m(Kgf ·cm) 最高空 載啟動 頻 率 /HZ 運行 頻率 /HZ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動慣量 10 Kg5? ·m2 分 配 方 式 質(zhì) 量 /Kg 90BF001 4 0．9 80 3.92 2000 8000 17.64 四相 八拍 4．5 A、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系 統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸折算 的問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等 效轉(zhuǎn)動慣量。 （1） 、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 的折算DJ 由《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-18 查出 =1.764㎏?cm 2DJ (2） 、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量 的折算L （4-12）)/(822cmKgMJc? 式中： 為圓柱質(zhì)量（Kg） ，D 為圓柱體直徑（cm）,L 為圓柱體長度。c 15 對于鋼材，材料密度為 ,把數(shù)據(jù)代入上式得：)108.733cmKg??? （4-)(9.22cgDMJcL?? 13） （3） 、手臂轉(zhuǎn)動慣量 的折算GJ 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到活塞軸上的轉(zhuǎn)動慣量 可按下式進行計GJ 算： ；見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-6）P8 式中， 為活塞工MLJG20)(?? 0L 作長度（cm） ； 為工作臺質(zhì)量（kg） 。M 所以： （4-14）2 220 15.714.38)( cmkgLJG ??????????? （4）系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量 計算?J （4-294.615.390.26. cmkgJGSLD ????? 15） B、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表maxjM 2-21 中查得 。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩j???92.3max mqM 的關(guān)系為：maxjM 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-29）P32axjq? 查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-12 P35 得 ＝0.707。所以，?Mmq ?????7.29.370. 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載 啟動力矩可按下式計算： 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-30）P320MKfaKq?? 式中： 為空載啟動力矩（N?cm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到ka 16 最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時折算到電機軸上KfM 的摩擦力矩（N?cm） ； 有關(guān) 的各項力矩值計算如下：KqM （1）加速力矩 360102maxa 2maxpbKvntnJ???????? 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-32）和（2-33）P32 式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量； 為電機最大角加速度； 為與運動部件最?J?maxn 大 快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需 的時間， 為運動部件最大快進速度； 為初選步進電機的步距角； 為脈沖當(dāng)maxvb?p? 量。 （4-18）min/1250360.9.5axa rnpb????? （4-19）cmtnJMKa ??????? 17.402.61543.2 2max? （2） 、空載摩擦力矩 （4-20）iLfGkf??20?? 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-34）P35 式中： 為運動部件的總重量； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動降速比； 為f? i? 傳動系數(shù)總效率，取 ＝0.8； 為活塞工作長度。0L （4-cmMkf ?????5.18.432971 21） C、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電 機從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的 升速 規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》圖 2-21 P36，從 90BF001 矩特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩 ＝ 對應(yīng)的允許啟動頻率 。KqMcm??148.3 ZyqHf210? （4-16） （4-17） 17 查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-11 P34，步進電機 150BF002 啟動頻率 ,所以所選電機不會丟步。yqZqfHf??20 D、運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算：KJf 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-36）P36P KZvf?601max? 式中： 為運動部件最大快進速度。算得 。maxv ZKZHf3.8? 快進力矩 的計算公式：KJM 見《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》公式（2-37）P370f?? 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。 算得：0 KfM 。cmMKfJ ????1.978.4205＝＋＝ 綜上所述，所選用的步進電機 90BF001 符合要求，可以使用。 [14] 3 . 軸承的選取 A、環(huán)形軸承 3 作為機座的支承原件，是為機器人研制的專用軸承，具有寬度 小、直徑大、精度高、剛度大、承載能力高（可承受徑向力、軸向力和傾覆力矩） 、 裝置方便等特點價格高。 B、止推軸承，型號為 30204， ， 它的有關(guān)參數(shù)如下： 表 4-5 止推軸承的參數(shù) 基本額定 極限轉(zhuǎn)速 r/min 軸承代號 動載荷 Ca/KN 靜載荷 C0a/KN 脂潤滑 油潤滑 30204， 28.2 30.5 8000 10000 4 .齒輪的選取 18 齒輪的參數(shù)如下表所示 表 4-6 齒輪的參數(shù) 名稱 代號 小齒輪 大齒輪 分度圓直徑 d 80 152 齒數(shù) z 20 38 大端模數(shù) m 4 節(jié)錐角 ?27.759o 62.241o 錐距 R 85.882 齒寬 b 26 齒距 p 12.56 工作齒高 h’ 6.8 齒高 h 7.552 頂圓錐角 ??30.777o 63.756o 跟圓錐角 f 25.742o 58.723o 齒頂圓直徑 d?88.014 154.116 冠頂距 kA73.891 37.989 大端分度圓弧齒 厚 s 7.583 4.977 齒輪材料為 20Cr 且經(jīng)滲碳淬火，接觸材料系數(shù)：KHC=0.86 彎曲材料系數(shù) KFC=0.97。 19 總 結(jié) 隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計 終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學(xué)知識的單純 總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前 面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我 明確了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什 么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明確學(xué)習(xí)是 一個長期積累的過程，在以后的工作生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識 和綜合素質(zhì)。 20 參考文獻 [1] 顧崇衍． 《機械制造工藝學(xué)》 ．陜西科技出版社，1996 [2] 周伯英． 《工業(yè)機械人設(shè)計》 ．機械工業(yè)出版社，1995 [3] 龔振幫． 《機械人機械設(shè)計》 ．電子工業(yè)出版社，1995 [4] 成大光． 《機械設(shè)計圖冊》 （5） ．化學(xué)工業(yè)出版社，1999 [5] 鄭堤、唐可洪． 《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》 ．機械工業(yè)出版社，1997 [6] 張鐵、謝存禧． 《機器人學(xué)》 ．華南理工大學(xué)出版社，2004 [7] 馮辛安． 《機械制造裝備設(shè)計》 ．機械工業(yè)出版社，1999 [8] 沈鴻. 《 機械工程手冊》 ．機械工業(yè)出版社，1983 [9] 吳宗澤 ,羅圣國. 《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版》 ．高等教育出版社， 1999 [10] 廖念釗 ,莫雨松等. 《互換性與技術(shù)測量第四版》 ．中國計量出版社， 2000 [11] 陳錦昌 ,劉就女,劉林. 《計算機工程制圖》 ．華南理工大學(xué)出版社，1999 [12] 濮良貴，紀(jì)名剛 . 《機械設(shè)計》 ．高等教育出版社,1995 [13] 何立民 . 《單片機高級教程:應(yīng)用與設(shè)計》 ．北京航空航天大學(xué)出版社， 2000 [14] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室. 《理論力學(xué)》 ．高等教育出版社，1997 [15] 余達太 ,馬香峰. 《工業(yè)機器人應(yīng)用工程》 ．冶金工業(yè)出版社，2001。 21 致 謝 在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師三年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝李明 達老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間, 悉心指導(dǎo)和不嗇賜教，他于百忙中不忘記我提出的問 題進行耐心的解答與指導(dǎo)，并提出寶貴的意見。在此表示衷心的感謝！ 22 附錄一 Industrial robot manipulator hand and arm can imitate some action according to fixed program function and transporting or grab the operating tool for automatic operation device. It can replace human heavy labor to achieve production mechanization and automation, can operate in harmful environment to protect the personal safety and widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc. Manipulator hand and movement mainly by institutions. Hand is used to catch the workpiece (or tools), according to the parts of the object was caught the shape, size, weight, materials and operational requirements and has a variety of structural forms, such as the type of clamping, and adsorption type, etc. Sports organizations and finish all kinds of rotating (hand), moving or composite swing motion to realize, change the position of the object was caught and posture. The lifting mechanism, and the independence movement of the manipulator, called freedom. In order to grab arbitrary position and orientation of the object, need to have six degrees. Freedom is the design of hand machine armed key parameters. The freedom of the manipulator, the degree of flexibility, the greater the universality and broader, its structure is more complex. General special manipulator has 2-3 degrees. According to the types of the manipulator, driving mode can be divided into hydraulic, pneumatic, electric type, mechanical manipulator, According to the scope and special manipulator can be divided into two manipulators, According to the trajectory control mode can be divided into position control and continuous trajectory control manipulator, etc. Robots are usually used or other machine tools, such as additional device in automatic machine or automatic production line, loading and unloading workpieces relay in 23 machining center, the replacement of tools is not independent control device. Some people need operation device, such as direct manipulation by the department also can used for the dangerous goods are often called the gunner masterslave manipulators. Modern industrial robots are true marvels of engineering. A robot the size of a person can easily carry a load over one hundred pounds and move it very quickly with a repeatability of +/-0.006 inches. Furthermore these robots can do that 24 hours a day for years on end with no failures whatsoever. Though they are reprogrammable, in many applications (particularly those in the auto industry) they are programmed once and then repeat that exact same task for years. A six-axis robot like the yellow one below costs about $60,000. What I find interesting is that deploying the robot costs another $200,000. Thus, the cost of the robot itself is just a fraction of the cost of the total system. The tools the robot uses combined with the cost of programming the robot form the major percentage of the cost. That's why robots in the auto industry are rarely reprogrammed. If they are going to go to the expense of deploying a robot for another task, then they may as well use a new robot. This is pretty much the typical machine people think of when they think of industrial robots. Fanuc makes this particular robot. Fanuc is the largest maker of these type of robots in the world and they are almost always yellow. This robot has six independent joints, also called six degrees of freedom. The reason for this is that arbitrarily placing a solid body in space requires six parameters; three to specify the location (x,