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購買設計文檔后加 費領取圖紙 畢 業(yè) 設 計 題 目： 汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結構設計 院 、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 購買設計文檔后加 費領取圖紙 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 ： 學號： 學 院： 專業(yè)： 任務起止時間： 畢業(yè)設計（論文）題目： 汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結構設計 畢業(yè)設計工作 內容： 1、 完成選題，下達畢業(yè)設計任務書 （第 1） 2、 查閱、收集、資料，了解曲軸搬運機械手及其發(fā)展的現狀，完成開題報告（第 3） 3、 基本設計出發(fā)動機曲軸搬運機械手的主要功能的總體框架，對整個系統(tǒng)的實現過程有初步、系統(tǒng)地認識，總體思路基本明確 （第 5） 4、 完成系統(tǒng)設計，撰寫畢業(yè)設計論文，完成圖紙繪制 （第 9） 5、 上交所有畢業(yè)設計材料，做答辯準備 （第 1） 資料： 孟慶鑫 M]爾濱工業(yè)大學出版社， 導教師意見： 簽名： 年 月 日 系主任意見： 簽名： 年 月 日 教務處制表 購買設計文檔后加 費領取圖紙 畢業(yè)設計（論文） 開 題 報 告 學生姓名 學 號 專 業(yè) 班 級 指導教師 **年 * 月 * 日 購買設計文檔后加 費領取圖紙 課題題目及 來源： 題目：汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結構設計 來源：“機械結構設計”企業(yè)合作項目（指導教師制定題目） 課題研究的意義和國內外研究現狀： 課題研究意義 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 —— 機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機 器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 在生產實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，搬運工作由人工完成，不可避免地存在著勞動強度大、生產安全難以保障、定位精度不高等問題，嚴重影響了生產質量、生產效率和單位的經濟效益。當生產效率很高時，為了減少工人數量，改善工人的勞動條件，提高勞動生 產率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種搬運機械手來代替工人實現工件的搬運上線 ,并且能滿足定位和重復定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數目，同時也提高了生產效率并且精度也得到了保障。 國內研究現狀 我國目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線 上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人以應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的差距，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，品種規(guī)模多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量可靠性也不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程 。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 國外研究現狀 國外 在機器人領域發(fā)展較快，近幾年有如下幾個趨勢 : (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 2001 年的 美元降至 2007 年的 65萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 ;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化 ;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構 :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)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來進行環(huán)境建模及決策控制 ;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與 機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部 分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 ;其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產品 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距 ;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“ 一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。購買設計文檔后加 費領取圖紙 其中最為突出的是水下機器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有 了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 課題研究的主要內容和方法，預期目標及研究過程中 研究步驟、方法及措施 ： 研究內容 研究內容： 根據給定的工況條件和基本要求，從機械原理和機械結構對搬運機械手進行具體的分析和設計。 對機械手的傳動、驅動等主要部件進行選型和校核，并結合原理圖等對整個系統(tǒng)的工作方法和原理進行描述。應該機械手有兩個自由度，均為移動自由度，綜合機械手的工作載荷和工作現場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求，手臂運動均為直線運動，液壓部分采用采用單活塞桿液壓缸來實現直線往復運動。 設計大綱 第一．引言 機械手的概念；機械手的簡史；機械手的組成；機械手的生產應用簡述 第二．機械手的設計 機械手的總體設計；機械手的手部設計；機械手的手臂設計；機械手的驅動系統(tǒng)設計 第三．液壓系統(tǒng)設計與計算 確定液壓系統(tǒng)基本方案；擬 定液壓執(zhí)行元件運動控制回路；液壓源系統(tǒng)的設計；繪制液壓系統(tǒng)圖；確定液壓系統(tǒng)的主要參數；選擇液壓元件；液壓系統(tǒng)性能的驗算 第四．機械手控制系統(tǒng)的設計 機械手控制系統(tǒng)硬件設計；機械手的作業(yè)流程；機械手操作面板布置；控制器的選型；控制系統(tǒng)原理分析； 部接線設計 第五．總結與展望，最后結束。 解決的問題 機 械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓 住 工件 或工具 的部件，根據被抓 住工件 的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式 。 機械手配件運動機構，使手部完成各種轉動、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被 抓持物件的位置和姿勢 。 本文應解決該曲軸搬運機械手的結構部件，液壓部分以及電路控制部件設計。 預期目標 對汽車曲軸的生產常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。 設計中 采用液壓機構驅動機械手具有結 具有 結構簡單 ，尺寸緊湊 ， 重量輕 ， 控制方便，驅動力大等特點。 設計中 擬用的 氣控制與液壓系統(tǒng)結合，技術成熟，易于實現，且保證了工件搬運過程中的快、準、穩(wěn)，達到了預期設計目標。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 研究步驟、方法及措施 第一階段：準備階段：了解工業(yè)機器人的現狀和發(fā)展，查閱課題相關的國內外文獻，擬訂設計思路 。 第二階段：設計階段：確定總體設計方案，根據課題給定的工況條件和基本要求進行設計計算，確定主要參數，對所得數據結果進行分析、處理，對機械手系統(tǒng)的傳動、驅動等主要部件進行選型和校核。 第三階段：制圖階段：整理各類資料和數據，利用 圖，分別做出系統(tǒng)的總裝圖及各部件的裝配圖和零件圖。 第四階段：總結階段：撰寫設計說明書，檢查圖紙，準備答辯。 課題研究所需的參考文獻： ［ 1］孫桓，陳作模，葛文杰．機械原理．北京：高等教育出版社， 2006 ［ 2］濮良貴，紀名剛．機械設計．北京：高等教育出版社， 2006 ［ 3］徐福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動．北京：機械工業(yè)出版社， 2007 ［ 4］劉鴻文．材料力學．北京：高等教育出版社， 2004 ［ 5］張世昌，李旦，高航．機械制造技術基礎．北京：高等教育出版社， 2007 ［ 6］毛平淮．互換性與測試技術．北京：機械工業(yè)出版社， 2006 ［ 7］杜志?。I(yè)機器人的應用與發(fā)展趨勢．北京：機械工業(yè)出版社， 2002 ［ 8］朱世強，王宣銀．機器人技術及其應用．杭州：浙江大學出版社， 2006 ［ 9］原魁．工業(yè)機器人發(fā)展現狀與趨勢．中國科學院自動化研究所， 2007 ［ 10］萩原方彥（日）．機 械實用手冊．科學出版社， 2007 年第 2 版 ［ 11］周恩濤，周士昌．液壓驅動機械手的神經網絡控制．中國機械工程第 12 卷第 4 期，購買設計文檔后加 費領取圖紙 2001． 4 ［ 12］張新聚，曹慧琴，楊雪．程控通用機器人的設計．液壓與氣動 2007 年第 2 期， 2007 ［ 13］陳愛珍．日本工業(yè)機器人的發(fā)展歷史及現狀．機械工程師 2008 年第 7 期， 2008 ［ 14］工業(yè)機器人發(fā)展現狀淺談．自動化博覽 2007 年 4 月刊， 2007． 4 ［ 15］趙臣，王剛．我國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展的現狀調研報告．機器人技術與應用， 16］ . . 9 17］ D. A 導教師審查意見： 指導教師簽字 ： 指導委員會意見審核意見： 組長簽字： I 汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結構設計 摘 要 本設計 如今，隨著工業(yè)技術幾十年的發(fā)展，機械手在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用，它可以代替工人來進行各種循環(huán)單調，危險，以及高疲勞強度的工作，從而提高生產效率和質量，降低了生產作業(yè)中的安全隱患。 機 械手主要由手 部和運動機構組成。手部是用來抓 住 工件 或工具 的部件，根據被抓 住工件 的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式 。 機械手配件運動機構，使手部完成各種轉動、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 本文介紹了過對曲軸搬運機械手的結構設計，詳細討論了機械手的手抓、手臂、機身等主要部件的設計與選擇，并給出了所需要的參數和計算。 最后通過本次設計，將大學所學的知識進行了鞏固和應用，提高了動手和動腦的能力。 關鍵詞 機械手；液壓驅動；液壓缸； is in a of it so as to to of is of is to or to of is a of of or to of of of of we of of i 目 錄 摘 要 ....................................................... I ....................................................... 1 章 緒論 ................................................... 1 械手的概念 ............................................ 1 械手的簡史 ............................................ 1 械手的組成 ............................................ 2 行機構 ........................................... 2 動機構 ........................................... 2 制機構 ........................................... 2 械手的生產應用簡述 .................................... 2 第 2 章 機械手的設計 ........................................... 4 械手的總體設計 ........................................ 4 械手的總體結構類型 ............................... 4 械手的總體設計 ................................... 5 械手的手部設計 ........................................ 5 部概述 ........................................... 5 部的設計方案 ..................................... 6 械手的手臂設計 ........................................ 7 臂概述 ........................................... 7 臂的設計 ......................................... 8 械手的驅動系統(tǒng)設計 .................................... 9 動系統(tǒng)概述 ....................................... 9 動系統(tǒng)的選擇原則 ................................. 9 器人液壓驅動系統(tǒng) ................................ 10 動系統(tǒng)的設計方案 ................................ 10 第 3 章 液壓系統(tǒng)設計與計算 .................................... 11 定液壓系統(tǒng)基本方案 ................................... 11 定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 ........................... 12 壓源系統(tǒng)的設計 ....................................... 12 制液壓系統(tǒng)圖 ......................................... 12 定液壓系統(tǒng)的主要參數 ................................. 13 擇液壓元件 ........................................... 17 壓系統(tǒng)性能的驗算 ..................................... 18 第 4 章 機械手控制系統(tǒng)的設計 .................................. 19 械手控制系統(tǒng)硬件設計 ................................. 19 械手的作業(yè)流程 ....................................... 19 械手操作面板布置 ..................................... 20 制器的選型 ........................................... 20 制系統(tǒng)原理分析 ....................................... 21 部接線設計 ........................................ 22 結論 ...................................................... 23 致謝 ...................................................... 24 參考文獻 ...................................................... 25 1 第 1章 緒論 械手的概念 機械手是指用于再現人手功能的技術裝置。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 —— 機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科 技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，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、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，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率，加快實現工業(yè) 生產機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用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，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，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 械手的簡史 機械手首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 萬能自動 )。同年該公司和普魯曼公司2 合并成立萬能自動公司（ ,專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 械手，原意是靈活搬運。 1978 年美國 司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于± 1 毫米。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。 械手的組成 機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成 。 行機構 執(zhí)行機構包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉動、開閉手指。機械手手部的構造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位?？傊?，機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此它采用的執(zhí)行機構主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電 液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的機架。本設計采用二指的構造，直線液壓缸。 動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 制機構 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁 盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 械手的生產應用簡述 3 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬運、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。工業(yè)機械手是為實現這些工序而產生的。目前機械手常用于工業(yè)中快速抓取工件并將工件 轉移到下一個生產工序。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手為設計對象。 4 第 2章 機械手的設計 械手的總體設計 械手的總體結構類型 工業(yè)機械手有很多種分類方法，目前還沒有統(tǒng)一的分類標準，比如可以按機械手的結構坐標系提點分類，或者按機械手的驅動方式分類，也可以按機械手的用途分類。在這里我們按工業(yè)機器人的結構坐標系特點來進行分類。 工業(yè)機械手按結構坐標系特點可以分為直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型，關節(jié)型四種。如圖 示。 圖 業(yè)機械手按結構坐標分類 1 直角坐標型 直角坐標型也稱為笛卡爾坐標型或臺架型。這種機器人有三個線性關節(jié)組成，這三個關節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉關節(jié)用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在 X,Y,Z 軸上的運動式獨立的，運動方程可獨立處理，且方程是線性的，因此進行計算機操作控制簡單；他可以兩端支撐，對于給定的結構長度，剛性最大；他的進度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達到高精度。 2 圓柱坐標型 圓柱坐標機器人有兩個滑動關節(jié)有兩個滑動關節(jié)和一個旋轉關節(jié)來確定部件的位置，在附加一個旋轉關 節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉一個角，工作范圍可以擴大且計算簡單；直線部分可以采用液壓驅動，可以輸出較大的動力。 3 球坐標型 球坐標機器人采用球坐標系，它用一個滑動關節(jié)和兩個旋轉關節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉關節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞5 中心軸旋轉，在中心支架附近的工作范圍很大，兩個轉動驅動裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。 4 關節(jié)型 關節(jié)型機器人的關節(jié)全部可以旋轉，類似于人的手臂，他是工業(yè)機器人中最常見的結構，工作范圍較復雜。 械手的總體設計 圖 械手工作布局圖 在本設計中， 因為設計要求搬運的工件的質量要求為 20搬運直線距離為 1000慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中只需要做直線運動 ,其中手臂的升降和梁的平移為兩個直線運動 ,機械手自由度數目取為 2，坐標形式選擇直角坐標形式，即 X 軸 Y 軸兩個移動自由度，其特點是 :結構比較簡單 ,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖 示。 械手的手部設計 部概述 工業(yè)機器人的手部稱為末端操作器，是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具進行操作的部件，他能夠模仿人手的動作，是最重要的執(zhí)行機構，安裝于機器人手臂的前端。工業(yè)機器人發(fā)展到現在，應用范圍越來越廣泛，被操作的工件的形狀、尺寸、重量、材料以及表面狀態(tài)各不相同，所以工業(yè)6 機器人末端操作器是多種多樣的，大部分末端操作器 的結構是根據特定的工件專門加工的，常用的有以下幾種： 1， 夾鉗式取料手。 2， 吸附式取料手。 3， 專用操作器及轉換器。 4， 仿生多指靈巧手。 部的設計方案 由于本設計所搬運的是發(fā)動機曲軸，所以選用夾鉗式取料手。 夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在裝配流水線上用的較為廣泛。它一般由手指（手抓）、驅動機構、連接與支撐元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。 指的設計方案 手指是夾鉗式取料手直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合實現的。機器人的手部一般有兩個 手指，個別有三個或多個手指，它們的結構形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀有 V 型指，平面指、尖指等。 由于本設計被夾持的工件形狀為圓柱體，所以選用 V 型指，其特點是加持平穩(wěn)可靠，加持誤差小。如圖 示。 動機構設計 傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現加緊和松開動作的機構。該機構根據手指開合的動作特點，分為回轉型和移動型。 本設計采用回轉型傳動結構，如圖 示。驅動桿與連桿由銷連接，當驅動桿做直線往復運動時，則通過兩岸推動兩桿手指各繞其支點做回轉運動，從而使手指松開或閉 合。該機構的活動環(huán)節(jié)較多，所以定位精度會差一些。 7 圖 械手手指 圖 械手傳動結構 械手的手臂設計 臂概述 手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運送到指定的位置上，因而一般機器人手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右8 回轉和升降運動。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現的，所以，它不僅僅承受被抓工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器和手臂自身的重量。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度都直接影響機器人的工作性 能。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。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的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 在保證 機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，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合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 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，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。 對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應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，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 臂的設計 機械手的垂直手臂（小臂）升降和水平手臂（大臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達 20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，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。 9 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力， 因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現的，關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計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，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，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，盡量增加其剛度。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。 械手的驅動系統(tǒng)設計 動系統(tǒng)概述 工 業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源可以分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可以將這三種基本類型組合成一個復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產生污染，工作噪音也較高。 系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。但因為這類 驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上10 述各因素，充分論證其合理性、可行性、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動 系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。 求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統(tǒng)。 器人液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺機器人中應用到現在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅動系統(tǒng)，但是在簡易經濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還 仍然占有很大的比例。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電 液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 動系統(tǒng)的設計方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮 各個因素。機械手的手臂驅動系統(tǒng)全部采用液壓缸；而手爪通過液壓柱塞缸活塞與中間驅動桿配合來實現控制，即手爪在柱塞缸推力作用下推動驅動桿，通過端部銷連接到手指進行松開和夾緊。 11 第 3章 液壓系統(tǒng)設計與計算 定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現直線運動，后者實現回轉運動。二者的特點及適用場合見表 3 表 3壓缸與液壓馬達的特點與適用場合 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向對稱 雙向工作的往復場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面 積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現快進 柱塞缸 結構簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結構簡單、價格便宜 高轉速、低轉矩的回轉運動 葉片馬達 體積小、轉動慣量小 高速低轉矩、動作靈敏的回轉運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉局大 低速、小功率大轉矩的回轉運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉矩大、轉速范圍寬 大轉矩的回轉運動 徑向柱塞馬達 轉速低，結構復雜，輸出轉矩大 低速大轉矩回 轉運動 本設計因為機械手的形式為直角坐標形式，具有兩個自由度，均為移動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求，以及計算機的控制的因素，手臂運動均為直線運動。因此，機械手的手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現直線往復運動。 12 定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝 閥與先導控制閥的邏輯組合來實現。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速。 本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現，而速度的控制主要采用節(jié)流調速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現。 壓源系統(tǒng)的設計 液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 確定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。 制液壓系 統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 示， 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸 /的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。 其中，液壓泵是由三相交流異步電動機 M 拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥 1得失電決定了動力源的投入與摘除。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當 5電時，工作液體經由節(jié)流閥 入柱塞缸，實現手爪的輕緩抓緊；當 6電時，工作液體進入柱塞缸中，實現手爪的迅速松開。 另外，由于機械手垂直升降液壓缸在工作時其 下降方向與負荷重力作用13 方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用 成的平衡回路向升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 執(zhí)行手爪柱塞缸垂直升降缸水平伸縮缸感應式位移傳感器電液伺服閥圖 械手的液壓系統(tǒng)原理圖 定液壓系統(tǒng)的主要參數 液壓系統(tǒng)的主要參數是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。 根據機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 ????（ 3 式中， 為水平方向無外載荷，故為 0； 14 （ 1）???（ 3 式中， G 為 100 g 2/81.9 v? t? 般為 取 各值帶入上式，得：（ 2）1??（ 3 式中，需空載壓力，如該液壓缸工作壓力 <16 相關手冊取 =0.2 1A 啟動時： ?動時： ?83N （ 3）機械手水平方向上有 兩個導桿，內導桿和外導套之間的摩擦力為 ? （ 3 式中， G 為 100 f f= 帶入數據計算得： 8N 15 （ 4）回油背壓形成的阻力按下式計算 2?（ 3 式中，般為 .5 =0.3 慮兩 邊差動比為 2； 將各值帶入上式有， 24?分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為 088? 。 手爪要能抓起工件必須滿足： 21? （ 3 式中， N 1k 通常取 ； 2k 要考慮慣性力的影響可按 ?12 估算， a 為機械手在搬運工件過程的加速度 2/ 2/8.9 ， g 為重力加速度； 3表選取 13 ?k； G 20 帶入數據，計算得： 0? ； 計算驅動力計算公式為： ?1?（ 3 式中， 16 1k 處選 4k 處選 其他同上。帶入數據，計算得： 20? 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 ? （ 3 式中， P 壓； A 經計算，所需的油壓約為： 針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行