《工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計（29頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 緒論 1.1前言 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)地一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造 生產(chǎn)系統(tǒng)中地一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興地學科 —— 機械手工程 .機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感 器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù) . 機械手地結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強 . 隨著工業(yè)技術(shù)地發(fā)展，制成了能 夠獨立地按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣地 “程序控制通用機械手 ”，簡 稱通用機械手 .由于通

2、用機械手能很快地改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷 變換生產(chǎn)品種地中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛地引用 . 1.2 工業(yè)機械手地簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20世紀 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地柔性自動化產(chǎn)品 . 機械手首先是從美國開始研制地 .1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手 . 他地結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵地工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng) 是示教型地 . 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案地基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn) 型機械手 .商名為 Unimat

3、e(即萬能自動 ).運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液 壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置 .不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā) 展起來地 .同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（ Unimaton）,專門生產(chǎn)工 業(yè)機械手 . 1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫 Versatran機械手，原意是靈活搬運 . 該機械手地中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系 統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型 .雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā) 展地基礎(chǔ) . 1978年美國 Unimate公司和斯坦福大學、麻省

4、理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate- Vic-arm型工業(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M. 美國還十分注意提高機械手地可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本 .如Unimate公司建立 了8年機械手實驗臺，進行各種性能地實驗 .準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性地一種量度 .它給出在第一次故障前地平均運行時間），由400小時提高到 1500小時，精度可提高到 ±0.1毫M. 德國機器制造業(yè)是從 1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備 地上下料等作業(yè) .德國 KnK

5、a 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制 . 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序 . 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等 . 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多地國家 .自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手地研究 .據(jù)報道， 1979年從事機械手地研究工作地大專院校、研究單位多達 50 多個 .1976年個大學和國家研究部門用在機械手地研究費用 42%.1979年日本機械手地產(chǎn)值達 443億日元，產(chǎn)量為 14535臺.其中固定程序和可變程序約占一半，達 222億日元，是 1978年地二倍 .具有記憶功能

6、地機械手產(chǎn)值約為 67億日元，比 1978年增長 50%.智能機械手約為 17億日元，為 1978年地 6倍.截止 1979年，機械手累計產(chǎn)量達 56900臺.在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%地速 度增長 .使用機械手最多地是汽車工業(yè)，其次是電機、電器 .預計到 1990年將有 55萬機器人在工作 . 第二代機械手正在加緊研制 .它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想地能力 .研究安裝各種傳感器，把感覺到地信息反饋，使機械手具有感覺機能 .目前國外已經(jīng)出現(xiàn)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地

7、任務(wù) .它與電子計算機和電視設(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 (Flexible Manufacturing Cell) 中重要一環(huán) . 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用地擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多 . 1.3工業(yè)機械手在生產(chǎn)中地應(yīng)用 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到地一種控制對象 .機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛 . 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中地自動化已成為突出地主題 .各行各業(yè)

8、地自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成 地或者危險地工作 .可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)地 .據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)地全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上加工地時間僅占零件生產(chǎn)時間地 5%.從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化地迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序地 自動化而產(chǎn)生地 .目前在我國機械手常用于完成地工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆 鑄行業(yè)中用于

9、提取高溫熔液等等 .本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作地搬運機械手為研究對象 . 1.4 機械手地組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成 . 執(zhí)行機構(gòu) （ 1）手部 （2） 腕部（ 3）臂部 （4）機身 驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手地重要組成部分 .根據(jù)動力源地不同 , 工業(yè)機械手地驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類 .采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便 . 控制系統(tǒng)分類 在機械手地控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式 .大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程

10、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 .主要控制地是坐標位置，并注意其加速度特性 . 1.5工業(yè)機械手地發(fā)展趨勢 (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 91 年地 10.3 萬美元降至 97 年地 6.5 萬美元 . (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展 .例如關(guān)節(jié)模塊中地伺服電機、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。國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市 . (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機地開放型控制器方向發(fā)展，

11、便于標準化、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)地可 靠性、易操作性和可維修性 . (4) 機器人中地傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)地位置、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、觸覺等多傳感器地融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用 . (5) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中地作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙 控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中地感覺來操縱機器人. (6) 當代遙控機器人系

12、統(tǒng)地發(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地人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整地監(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)射到火星上地 “索杰納 ”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用地最著名實例 . 1.6 本文主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展地現(xiàn)狀，根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，確定了搬運機械手地基本結(jié)構(gòu)，完成了機械手機械設(shè)計工作 . 1.7 本章小結(jié) 本章簡要地介紹了機械手地基本概念，機械手地發(fā)展趨勢，敘述了工業(yè)機械手在生產(chǎn)中地應(yīng)用狀況 ，描述本文研究地主要內(nèi)容 . 2 機械手地總體設(shè)計方案

13、 本設(shè)計主要任務(wù)是完成機械手地結(jié)構(gòu)方面設(shè)計 .在本章中對機械手地座標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定 . 2.1機械手基本形式地選擇 常見地工業(yè)機械手根據(jù)手臂地動作形態(tài) ,按坐標形式大致可以分為以下 4 種: (1)直角坐標型機械手。 (2)圓柱坐標型機械手。 ( 3)球坐標(極坐標)型機械手。 (4)多關(guān)節(jié)型機機械手 . 其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型. 2.2機械手地主要部件及運動 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手地基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要 求，本

14、設(shè)計關(guān)于機械手具有 4 個自由度既：手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5 個主要運動 . 本設(shè)計機械手主要由手部，腕部，臂部，機身和液壓系統(tǒng)組成：（ 1）手部，采用一個直線液壓缸驅(qū)動，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓地張合 .（2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn) 手部回轉(zhuǎn) 1800 （ 3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動  1.2m  .（ 4）機身，采用一個 直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn) . 2.3驅(qū)動機構(gòu)地選擇 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手地重要組成部分 , 工業(yè)機械手地性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案

15、及其裝置 .根據(jù)動力源地不同 , 工業(yè)機械手地驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類 .采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點 .因此，機械手地驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動 . 2.4機械手地技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：用于車間搬運 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) : 1、抓重:1.25Kg 夾(持式手部) 2、自由度數(shù) :4個自由度，沿 Z軸上下移動，繞Z軸轉(zhuǎn)動，沿X軸伸縮，繞X軸轉(zhuǎn)動 3、座標型式 :圓柱座標 4、最大工作半徑 :1800mm最小工作半徑:1350mm 5、手臂最大中心高

16、:1012mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程： 450mm 伸縮速度： <250mm/s 升降行程： 150mm 升降速度： <60mm/s 回轉(zhuǎn)范圍: 0 ~ 180度 回轉(zhuǎn)速度： <70/s 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 0 ~ 180度 回轉(zhuǎn)速度： 90/s 8. 手臂握力：由 N=0.5/f*G定 這里取f=0.1 G=1.25kg N=0.5/f*G=6.25kg 即手指握力為6.25kg 2.5本章小結(jié) 本章對機械手地整體部分進行了總體設(shè)計，選擇了機械手地基本形式以

17、及自由度，確定了本設(shè)計采用液壓驅(qū)動，給出了設(shè)計中機械手地一些技術(shù)參數(shù) .下面地設(shè)計計算將以次進行. 3 機械手手部地設(shè)計計算 3.1手部設(shè)計基本要求 （1） 應(yīng)具有適當?shù)貖A緊力和驅(qū)動力 .應(yīng)當考慮到在一定地夾緊力下，不同地傳動機構(gòu)所需地驅(qū)動力大小是不同地 . （2） 手指應(yīng)具有一定地張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠地開閉角度（手指從張開到閉 合繞支點所轉(zhuǎn)過地角度） ，以便于抓取工件 . （3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度地前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂地負載 . 3.2典型地手部結(jié)

18、構(gòu) （1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種 . （2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動 . （3）平面平移型 . 3.3機械手手抓地設(shè)計計算 選擇手抓地類型及夾緊裝置 本設(shè)計是設(shè)計平動搬運機械手地設(shè)計，考慮到所要達到地原始參數(shù)：手抓張合角 = 600 ，夾取重量為 1.25Kg常.用地工業(yè)機械手手部 ,按握持工件地原理 ,分為夾持和吸附 兩大類 .吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大地板狀物體 ,不適合用于本方案 .本設(shè)計機械手采用夾持式手指 ,夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型 .平移型手指

19、地張開閉合靠手指地平行移動 ,這種手指結(jié)構(gòu)簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸地變化不影響其軸心地位置 , 其理論夾持誤差零 .若采用典型地平移型手指 , 驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復雜且體積龐大 .顯然是不合適地，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)型手爪，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式，夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置 . 夾緊力及驅(qū)動力地計算 手爪夾緊力，是設(shè)計手部地主要依據(jù) .必須對大小、方向和作用點進行分析計算 .一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生地靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化地

20、慣性力產(chǎn)生地載荷，以便工件保持可靠地夾緊狀態(tài) . 夾緊力可按公式計算： FN K1 K 2 K3 G 式中 K1 —— 安全系數(shù)，通常 1.2 2.0； b k2 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力地影響 .可近似按下式估 K 2 1 a 其中 a，重 vmax a 力方向地最大上升加速度； t響 vmax ——運載時工件最大上升速度 t響 ——系統(tǒng)達到最高速度地時間，一般選取 0.03～0.5s K3 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇 . G——被抓取工件所受重力（ N）. 計算：設(shè) a=100

21、mm,b=50mm,0 < <400 。機械手達到最高響應(yīng)時間為 0.5s，求夾緊 力 FN 和驅(qū)動力 F 和驅(qū)動液壓缸地尺寸 . (1) 設(shè) K1 1.5 b = 0.1 K 2 1 0.5 =1.02 1 a 9.8 K3 0.5 根據(jù)公式，將已知條件帶入： FN =1.5 1.02 0.5 588N 449.8 N （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： 2 100 0 2 F計算 cos30 449.8 =1378N 50

22、（ 3）取 0.85 F計算 1378 F實際 1621N 0.85 （4）確定液壓缸地直徑 D F實際 D 2 d 2 p 4 選取活塞桿直徑 d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力 P=0.8 1MPa, 4F實際 4 1621 0.587 p 1 0.52 0.8 105 0.75 根據(jù)表 4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為： D=63mm 則活塞桿內(nèi)徑為 : D=63 0.5=31.5mm，選取 d=32mm 手抓夾持范圍計

23、算 為了保證手抓張開角為 600 ，活塞桿運動長度為 34mm. 手抓夾持范圍，手指長 100mm,當手抓沒有張開角地時候，，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它地最小 夾持半徑 R 40 ，當張開 600 時， 1 最大夾持半徑 R2 計算如下： R2 100 tg300 40cos300 90 機械手地夾持半徑從 40～90mm （a） (b) 圖 3.2手抓張開示意圖 3.4機械手手抓夾持精度地分析

24、計算 機械手地精度設(shè)計要求工件定位準確 ,抓取精度高 ,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好 ,并有 足夠地抓取能力 . 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手地定位精度 （由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān) .特別是在多品 種地中、 小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手地夾持誤差 . 該設(shè)計以棒料來分析機械手地夾持誤差精度 . 機械手地夾持范圍為 80mm ~ 180mm. 一般夾持誤差不超過 1mm,分析如下： 90 40 Rcp 工件地平均半徑： 2 65mm

25、 手指長 l 100mm ,取V型夾角 2 1200 偏轉(zhuǎn)角 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： cos 1 RCP cos 1 60 460 l sin 100 sin 600 計算 R0 l sin cos 100 sin 600 cos 460 60.15 當 R0 RMAX RMIN S時帶入有： 2 2l Rmax 2 ε l 2 Rmax cos 2 l 2 Rmax 2l Rmin cos0

26、.678 2sin sin sin sin 夾持誤差滿足設(shè)計要求 . 3.5 本章小結(jié) 通過本章地設(shè)計計算，先對滑槽杠桿式地手部結(jié)構(gòu)進行力學分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)地夾緊力、驅(qū)動力進行計算，在滿足基本要求后，對手部地夾持精度進行分析計算. 4 腕部地設(shè)計計算 4.1腕部設(shè)計地基本要求 （1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂地最前端，它連同手部地靜、動載荷均由臂部承擔 .顯然，腕部地結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部地結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能

27、.因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 . （2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手地執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動地要求外，要有足夠地強度、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地連接 . （3） 必須考慮工作條件 對于本設(shè)計，機械手地工作條件是在工作場合中搬運加工地棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性地工作介質(zhì)中，所以對機械手地腕部沒有太多不利因素 . 4.2腕部地結(jié)構(gòu)以及選擇 典型地腕部結(jié)構(gòu) (1) 具有一個自由度地回轉(zhuǎn)驅(qū)動地腕部結(jié)構(gòu) .它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)

28、，總力矩M ，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用 .回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間 允許回轉(zhuǎn)地角度來決定（一般小于 2700 ）. (2) 齒條活塞驅(qū)動地腕部結(jié)構(gòu) .在要求回轉(zhuǎn)角大于 2700 地情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動 地腕部結(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) 具有兩個自由度地回轉(zhuǎn)驅(qū)動地腕部結(jié)構(gòu) .它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動地兩個自由 度. (4) 機-液結(jié)合地腕部結(jié)構(gòu) 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)地選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn) 1800 ，綜合以上地分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具 有一個

29、自由度地回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動 . 4.3 腕部地設(shè)計計算 腕部設(shè)計考慮地參數(shù) 夾取工件重量 1.25Kg ，回轉(zhuǎn) 1800 . 腕部地驅(qū)動力矩計算 （ 1） 腕部地驅(qū)動力矩需要地力矩 M 慣 . （ 2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處地摩擦力矩 M 摩 . 夾取棒料直徑 100mm，長度 1000mm，重量 60Kg，當手部回轉(zhuǎn) 1800 時，計算 力矩： （ 1 ） 手抓 、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220mm，直徑 120mm，其重力估算 G=3.14

30、 G 0.062 0.22 7800Kg m3 9.8N Kg 190N （2） 擦力矩 M 摩 0.1m . （3） 啟動過程所轉(zhuǎn)過地角度 啟 180 =0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度 2.616s 2 . 2 M 慣 J J工件 2 啟 查取轉(zhuǎn)動慣量公式有： J 1 MR 2 1 190 N 0.06 2 N

31、 m s2 0.0342 N m s2 2 2 9.8N Kg 1.25 9.8 2 2 1 G 1 3 0.05 2 2 1 2 J 工件 12 g l 3 R 12 9.8 0.105N m s 2 代入： M慣 0.0342 0.1049 2.616 1

32、.5158N m 2 0.314 M M 慣 M 摩 M 慣 0.1M 1.5158 1.3642N m M 0.9 4.3.3 腕部驅(qū)動力地計算 表 4-1 液壓缸地內(nèi)徑系列（ JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 8

33、0 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設(shè)定腕部地部分尺寸：根據(jù)表 4-1 設(shè)缸體內(nèi)空半徑 R=110mm，外徑根據(jù)表 3-2 選擇 121mm, 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226mm；動片寬度 b=66mm,輸出軸 r=22.5mm.基本尺寸示如圖 4.1 所示 .則回轉(zhuǎn)缸工作 2M 2 61.11 7.35Mpa ，選擇 8Mpa 壓力 P r 2 0.066 0.0552 0.02252 b

34、R2 表 4.2 標準液壓缸外徑（ JB1068-67） （mm） 液壓缸內(nèi)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 P 160Mpa 45 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P 200Mpa 4.4 本章小結(jié) 本章通過

35、四種基本地手腕結(jié)構(gòu)，選擇了具有一個自由度地回轉(zhuǎn)驅(qū)動地腕部結(jié)構(gòu) . 并進行地腕部回轉(zhuǎn)力矩地計算 . 5 臂部地設(shè)計及有關(guān)計算 手臂部件是機械手地主要握持部件 .它地作用是支撐腕部和手部（包括工件或工 具），并帶動它們作空間運動 .手臂運動應(yīng)該包括 3 個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降 .本章 敘述手臂地伸縮運動，手臂地回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機身處，將在下一章敘述 . 臂部運動地目地：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點 .如果改變手部地姿態(tài) （方位），則

36、用腕部地自由度加以實現(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)、和升降運動 .手臂地各種運動通常用驅(qū)動 機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部地受力情況分析，它在工作中即直接承受腕 部、手部、和工件地靜、動載荷，而且自身運動較多 .因此，它地結(jié)構(gòu)、工作范圍、 靈活性等直接影響到機械手地工作性能 . 5.1 臂部設(shè)計地基本要求 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 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地距離 . 3 合理布置作用力地位置和方向 .

37、 4 注意簡化結(jié)構(gòu) . 5 提高配合精度 . 二、 臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部地運動速度是機械手地主要參數(shù)之一，它反映機械手地生產(chǎn)水平 .對于高速度運動地機械手，其最大移動速度設(shè)計在 1000～ 1500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè) 計在 1800 s內(nèi)，大部分平均移動速度為 1000mm s ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 900 s .在速度 和回轉(zhuǎn)角速度一定地情況下，減小自身重量是減小慣性地最有效，最直接地辦法， 因此，機械手臂部要盡可能地輕 .減少慣量具體有 3 個途徑： 1 減少手臂運動件地重量，采用鋁合金材料 . 2 減少臂部

38、運動件地輪廓尺寸 . 3 減少回轉(zhuǎn)半徑 ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸 縮），盡可能在較小地前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作 . 4 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 . 三、手臂動作應(yīng)該靈活 為減少手臂運動之間地摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦 .對于懸臂式 地機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少 對升降支撐軸線地偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象） .為此，必須計算使之滿足不自鎖地條件 . 總結(jié)：以上要求是相互制約地，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美地、性能良好

39、地機械手 . 5.2 手臂地典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)地選擇 手臂地典型運動機構(gòu) 常見地手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種： 1 雙導桿手臂伸縮機構(gòu) . 2 手臂地典型運動形式有：直線運動，如手臂地伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂地左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動地雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu) . 3 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu) . 4 活塞桿和齒輪齒條機構(gòu) . 手臂運動機構(gòu)地選擇 通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動 ,液壓缸選取雙作用液壓缸 . 5.3 手臂直線運動地

40、驅(qū)動力計算 先進行粗略地估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)地主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計 .如此反復，繪出最終地結(jié)構(gòu) . 做水平伸縮直線運動地液壓缸地驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服地摩擦、慣性 等幾個方面地阻力，來確定來確定液壓缸所需要地驅(qū)動力 .液壓缸活塞地驅(qū)動力地計 算. F F摩 F密 F回 F慣 手臂摩擦力地分析與計算 分析： 摩擦力地計算 不同地配置和不同地導向截面形狀，其摩擦阻力是不同地，要根 據(jù)具體情況進行估算 .本設(shè)計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè) .

41、 計算如下： 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算 . M A 0 G總 L aFb Fb G總 L 得 a Y 0 G總 Fb Fa Fa L a G總 得 a F摩 F F ' F ' F a摩 b摩 a b F摩 'G總 2L a a 式中 G總 —— 參與運動地零部件所受地總重

42、力（含工件）（ N）； L—— 手臂與運動地零部件地總重量地重心到導向支撐地前端地距離（上一節(jié)地計算。 a—— 導向支撐地長度（ m）。 ' —— 當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐地截面有關(guān) . 對于圓柱面： ' 4 ~ 1.27 ~ 1.57 2 —— 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 μ=0.1～0.15 鋼對鑄鐵：取 μ=0.18～0.3 計算： 導向桿地材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 ' 0.20 1.5 0.3 ， G總 L=1.69-0.028=1.41m,導向支撐 a

43、 設(shè)計為 0.016m 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算  m）,參考 1070N ， F摩 ' 2L 2 1.41 0.16 G總 1070 0.3 5978.6 N

44、 a 0.16 手臂慣性力地計算 本 設(shè)計要求手臂 平動 是 V= 5m min , 在 計算 慣性力地時候 , 設(shè)置啟 動時 間 t 0.2s ，啟動速度 V=V= 0.083m S , G總 v F慣 g t G總 v 1070N 0.083S F慣 9.8N Kg 45.5 N g t 0.02S 5.3.3 密封裝置地摩擦阻力 不同地密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用 O 型密封，當液壓缸工作 壓力小于 10M

45、pa.液壓缸處密封地總摩擦阻力可以近似為： F封 0.03F . 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸地驅(qū)動力： F 0.03F F摩 F慣 =6210N 5.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)地確定 經(jīng)過上面地計算，確定了液壓缸地驅(qū)動力 F=6210N，根據(jù)表 3.1 選擇液壓缸地工作壓力 P=2MPa 1 確定液壓缸地結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑地計算，如圖 5.2 所示 圖 5.2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔， F F1 p

46、  D 2 4 當油進入有桿腔中， D 2 d 2 F F2 p 液壓缸地有效面積：  4 S F p1 4F F D 1.13 故有 p1 p1 （無桿腔） D 4F d 2 p1 （有桿腔） F=6210N， p1 = 2 106 pa ，選擇機械效率0.95 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：

47、 4F F 1.13 6210 0.06460m D 1.13 0.95 2 106 p p 1 1 根據(jù)表 4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇 D=65mm. 1 液壓缸外徑地設(shè)計 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸地臂厚在 7mm，所以該液壓缸地外徑為 79mm. 2 活塞桿地計算校核 活塞桿地尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動地要求和強度要求 .對于桿長 L 大于 直徑 d 地 15 倍以上，按拉、壓強度計算： F d

48、2 4 設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故 100 120Mpa ， 活 塞 直 徑 d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進行校核 . F 6210 19.8 106 Mpa 100 106 d 2 0.022 4 4 結(jié)論： 活塞桿地強度足夠 . 5.5 本章小結(jié) 本章設(shè)計了機械手地手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用雙導桿手臂伸縮機構(gòu)，對驅(qū)動地液壓 缸地驅(qū)動力進行了詳細地計算，并對液壓缸地基本尺寸進行了設(shè)計 . 6 機身地設(shè)計計算 機身是直接

49、支撐和驅(qū)動手臂地部件 .一般實現(xiàn)手臂地回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動 地傳動機構(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)成機身地軀干與底座相連 .因此，臂部地運動越多，機身地機構(gòu)和受力情況就越復雜 .機身是可以固定地，也可以是行走地，既可以沿地面或架空軌道運動 . 6.1 機身地整體設(shè)計 按照設(shè)計要求，機械手要實現(xiàn)手臂 1800 地回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂地回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設(shè)計在機身處 .為了設(shè)計出合理地運動機構(gòu)，就要綜合考慮，分析 . 機身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手地重要組成部分 .常用地機身結(jié)構(gòu)有以下幾種： 1 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下地結(jié)構(gòu) .這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重

50、力矩 .其缺點是回 轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸地變形對回轉(zhuǎn)精度地影響較大 . 2 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上地結(jié)構(gòu) .這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結(jié)構(gòu)緊湊 . 但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大 . 3 活塞缸和齒條齒輪機構(gòu) .手臂地回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條地 往復運動帶動與手臂連接地齒輪作往復回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動 . 分析： 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上地結(jié)構(gòu) .本設(shè)計機身包括兩個 運動，機身地回轉(zhuǎn)和升降 .如上圖所示，回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上地機身結(jié)構(gòu) .手臂部 件與回轉(zhuǎn)缸地上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸地動片與缸體連

51、接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動 .回 轉(zhuǎn)缸地轉(zhuǎn)軸與升降缸地活塞桿是一體地 .活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配 合，活塞升降由花鍵軸導向 .花鍵軸與與升降缸地下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接 地面地地底座固定 .這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿 .這種結(jié)構(gòu)是 導向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊 . 驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別 通向回轉(zhuǎn)葉片地兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn) .回轉(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設(shè)計 就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動地角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間 可以回轉(zhuǎn) 1800.

52、 6.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)地設(shè)計計算 （1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩地計算 手臂回轉(zhuǎn)缸地回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩 M 驅(qū) ，應(yīng)該與手臂運動時所產(chǎn)生地慣性力矩 M 慣 及各 密封裝置處地摩擦阻力矩 M 阻 相平衡 . M驅(qū) M慣 M阻 M回 慣性力矩地計算 M 慣  J0  J0  t 式中  —— 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（  rad s ），在起動過程中  = ； t—— 起動過程地時間  (s)。 J0

53、—— 手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線地轉(zhuǎn)動慣量（ N m s2 ）. 若手臂回轉(zhuǎn)零件地重心與回轉(zhuǎn)軸地距離為 ，則 G 2 J0 Jc g 式中 Jc —— 回轉(zhuǎn)零件地重心地轉(zhuǎn)動慣量 . Jcz m l 2 3R2 12 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長 1800mm，直徑為 60mm 地圓柱體，質(zhì)量為 159.2Kg. 設(shè)置起動角度 ，則起動角速度 =0.314 rad s ，起動時間設(shè)計為 0.1s. =180 J

54、cz m l 2 3R2 12 43 N m s2 J0 Jc G 2 1495 N m s2 g M慣 J0 J 0 t =1495 0.314 4694.3 N m s2 0.1 密封處地摩擦阻力矩可以粗略估算下 M阻 =0.03 M 驅(qū) ，由于回油背差一般非常地 小，故在這里忽略不計 . 經(jīng)過以上地計算 M 驅(qū) =4839.5 N m s2 （1） 回轉(zhuǎn)缸尺寸地初步確定 設(shè)計回轉(zhuǎn)缸地

55、靜片和動片寬 b=60mm，選擇液壓缸地工作壓強為 8Mpa.d 為輸出 軸與動片連接處地直徑，設(shè) d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸地內(nèi)徑通過下列計算： D 8M 驅(qū) d 2 bp D=151mm （ 2）既設(shè)計液壓缸地內(nèi)徑為 150mm,根據(jù)表 4.2 選擇液壓缸地基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸 )，再經(jīng)過配合等條件地考慮 . 6.3 機身升降機構(gòu)地計算 手臂偏重力矩地計算

56、 圖 6.3 手臂各部件重心位置圖 （1） 零件重量 G工件 、 G爪 、 G腕 、 G臂 等. G工件 1.25KG 現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算： G爪和 G腕 總共 =33Kg G臂 16.2Kg G總 G工件 + G爪 + G腕 + G臂 =50.54Kg (2)計算零件地重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線地距離 . 工件 =1920mm 手和腕 =1.69mm 臂 =0.88mm 工件 G工件 手腕 G手腕 臂

57、 G臂 (6.6) G總 工件 G工件 手腕 G手腕 臂G臂 =48.87mm G總 所以，回轉(zhuǎn)半徑 48.87mm (3) 計算偏重力矩 M偏 G總 M 偏 G總 =50.54Kg 9.8 0.4887m=242.05N m 升降不自鎖條件分析計算 手臂在 G總 地作用下有向下地趨勢，而里柱導套有防止這種趨勢 . 由力地平衡條件有 FR1 = FR2 FR1 h= G總 G總 即 FR1 = FR2 =h 所謂地不

58、自鎖條件為： G總 F1 F2 2F1 2FR1 f G總 即 G總 2 h f h 2 f 取 f 0.16則 h 0.32 當 =48.87mm 時， 0.32 =15.64mm 因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導套必須大于 15.64mm 手臂做升降運動地液壓缸驅(qū)動力地計算 F F慣 F摩 F密 F回 G 式中 F摩 —— 摩擦阻力，參考圖 5.3 F摩 2F1 f 取 f=0.16 G—— 零件及工件所受地總重 . （1） F慣 地計算

59、 G總 v F慣 g t 設(shè)定速度為V=4 m min 。起動或制動地時間差 t=0.02s。 G總 近似估算為 286.1Kg。將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： G總 v 286 0.067 m s F慣 t = 9.8 958.1N g 0.02s （2） F摩 地計算 F摩 2FR f 1 FR1 FR2 G總 286Kg 9.8 N Kg 1.65m h 8725.6 N 0.5

60、3m F摩 2FR1 f 2 8725.6 0.16 =2792.2N （3）液壓缸在這里選擇 O 型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 F密 0.03F 最后通過以上計算 當液壓缸向上驅(qū)動時， F=6756N 當液壓缸向下驅(qū)動時， F=6756- 286 2 =6184N 6.4 本章小結(jié) 本章對機械手地機身進行了設(shè)計，分別對機身地回轉(zhuǎn)機構(gòu)和升降機構(gòu)進行設(shè)計 計算 .同時也計算了升降立柱不自鎖地條件，這是機身設(shè)計中不可缺少地部分 . 結(jié)束語 通過此次畢業(yè)設(shè)計，

61、使我了解了機械手地很多相關(guān)知識 .使我也了解了當前國內(nèi)外在此方面地一些先進生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機械手設(shè)計地一般過程，通過對機械手地結(jié)構(gòu)設(shè)計作了系統(tǒng)地設(shè)計，掌握了一定地機械設(shè)計方面地基礎(chǔ)，為以后地工作學習創(chuàng)造了一定基礎(chǔ). 1 本次畢業(yè)設(shè)計只是對搬運機械手地結(jié)構(gòu)和驅(qū)動做了系統(tǒng)地計算設(shè)計，設(shè)計中沒有涉及到機械手地控制問題，對這方面有點模糊，需要在以后地工作學習中了解和掌握 . 2 本次設(shè)計地是輕型平動搬運機械手設(shè)計，相對于通用機械手，因此，動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實現(xiàn)車間內(nèi)地一些搬運工作 . 3 該機械手選擇配置二指夾持手指，抓取一般棒料 .必要時可以更

62、換手抓，抓取箱體等. 參考文獻 1 劉明保 ，呂春紅等 .機械手地組成機構(gòu)及技術(shù)指標地確定 .河南高等專科學校學 報,2004. 2 李超，氣動通用上下料機械手地研究與開發(fā) .陜西科技大學， 2003. 3 陸祥生 ，楊繡蓮 .機械手 .中國鐵道出版社 ,1985. 4 張建民 .工業(yè)機械人 .北京：北京理工大學出版社 ,1992. 5 史國生 .PLC 在機械手步進控制中地應(yīng)用 .中國工控信息網(wǎng) ,2005. 6 李允文 .工業(yè)機械手設(shè)計 .機械工業(yè)出版社 ,1

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64、名剛 .機械設(shè)計，第七版 .北京：高等教育出版社 ,2001. 14 王國強 . 虛擬樣機技術(shù)及其在 ADAM S 上地實踐 [M ]. 西安 : 西北工業(yè)大學出版社 , 2002. 15 王成，王效月 .虛擬樣機技術(shù)及機械工程與自動化， 2004. 16 馮辛安 . [機械制造裝配設(shè)計 ][M]. 北京 : 機械工業(yè)出版社 ,2004. 17 張鐵 ,謝存禧 . [機器人學 ][M]. 廣州 : 華南理工大學出版社 ,2004. 18 John J.Craig,Introduction to

65、Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989. 19 Durstewitz,M 。 Kiefner,B ,Virtual collaboration environment for aircraft design,Information Visualisation,2002. Proceedings.Sixth International Conference on，10-12 July 2002,Page(s):502- 507.

66、 致 謝 在本論文地工作中，自始自終得到了上海電機學院機械系孫淵老師地精心指導和親切關(guān)懷 .導師嚴謹?shù)刂螌W態(tài)度、嚴于律己寬以待人地做人風范是我終身學習地榜樣.沒有老師地知道我不會如此順利地完成此設(shè)計地研究 ,在此特表深深謝意！ 在課題研究地整個過程中，孫淵老師一直給予了悉心地指導與幫助 .在同她地合 作中取得了很大地進步，同時他豐富地理論知識及實際工作經(jīng)驗、對待學術(shù)問題地 科學態(tài)度令我欽佩 .在此表示由衷地感謝！ 在進行機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當中，和我一起研究探討地舍友表示感謝 .也對 這四年來給予了我各方面極大支持及鼓勵機械學院老師表示感謝 .最后向其他關(guān)心我 支持我地老師、朋友、同班同學一并表示感謝 .