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1、本科畢業(yè)設計（論文）說明書搬運機械手設計學 院 機電工程學院專業(yè)班級 機械工程及自動化五班學生姓名 XXXX 學生學號 XXXXXXXXXX 指導教師 XXXX 提交日期 2013 年 5 月 日 畢 業(yè) 設 計 （論文） 任 務 書 茲發(fā)給 09級機械（5） 班學生xxxx 畢業(yè)設計（論文）任務書，內容如下： 1.畢業(yè)設計（論文）題目： 圓柱坐標型電、液驅動型搬運機械手設計 2.應完成的項目： （1）調研、搜集整理課題的相關資料，完成外文資料的翻譯，確定搬運機械手的傳動方案； （2）完成傳動機構設計及相關參數(shù)的選擇； （3）完成機械裝置相關零件的設計及選型； （4）完成機械裝置的3D裝配圖設

2、計。 3.參考資料以及說明： （1）機械設計方面的資料及機械設計手冊。 （2）機器人及機械手設計資料。 （3）機械原理方面的資料。 4.本畢業(yè)設計（論文）任務書于 2011 年 12 月 22 日發(fā)出，應于 2012 年 5 月15 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。 專業(yè)教研組（系）負責人 審核2012 年 12 月24 日 指導教師（導師組負責人） 簽發(fā)2012 年 12 月24 日畢業(yè)設計（論文）評語： 畢業(yè)設計（論文）總評成績： 畢業(yè)設計（論文）答辯小組負責人簽字： 年 月 日摘 要機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動

3、操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 現(xiàn)在的大型制造企業(yè)提高生產效率，保證產品質量，普遍重視生產過程的自動化，機器人自動化生產線的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機器人技術和應用水平在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)自動化水平，目前，是主要負責機器人焊接，噴漆，搬運和堆垛和其他重復性和極其勞動力密集型的工作，工作時普遍采取展示教學和播放方法。本文將設計一個四自由度機械手，主要功能是搬運。我們將機器人的基地，臂，前臂和機器人結構設計，然后選擇相應的驅動器模式，驅動模式，構建機器人平臺的

4、結構;。本文機械手為電、液驅動型，4自由度。通過機械設計手冊及相關設計資料，計算設計機械手的造型及部分標準件的選型。繪圖使用了Solidworks 及 Autocad等軟件。關鍵詞： 機械手 液壓 電動 設計 AbstractAlso known as automatic robot hand that can mimic some of the manpower and arm motor function to grab a fixed procedure, handling objects or automatic operation device operating tools. It

5、 can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation in hazardous circumstances to protect the personal safety of operation, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and nuclear sectors. Now large manufactur

6、ing enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, universal attention of the production process automation, robotics important member of automated production lines, gradually being recognized by enterprises and adopt. Robotics and application level to some extent reflects a c

7、ountrys level of industrial automation, at present, is mainly responsible for robot welding, painting, handling and stacking and other repetitive and extremely labor-intensive work, the work shows generally take teaching and playback method.This article will design a four DOF manipulator, the main f

8、unction is handling. Our base of the robot arm, forearm and robotics design, and then select the appropriate drive mode, drive mode, the robot platform to build the structure;.This robot is electrical, hydraulic driven, four degrees of freedom. By Mechanical Design Handbook and related design data,

9、computational design robot shape and some standard parts selection. Drawing using software such as Solidworks and Autocad.Keywords: manipulator the electric type articular Design目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論11.1工業(yè)機械手11.1.1工業(yè)機械手概述11.1.2選題背景11.1.3設計目的21.2機械手的組成與分類21.2.1機械手的組成21.2.2機械手的分類41.2.3工業(yè)機器人驅動系

10、統(tǒng)特性比較61.3國內外發(fā)展情況61.4課題的主要任務81.5小結8第二章 手部結構92.1 手部結構設計92.2驅動力的計算92.3小結11第三章腕部結構123.1 腕部的結構設計123.1.1 概述123.1.2 腕部的結構形式123.2 收完驅動力矩的計算133.3滾動軸承的選擇143.4水平導軌的選用153.5小結16第四章 臂部的結構174.1臂部設計的基本要求174.2手臂的典型機構以及結構的選擇184.2.1手臂的典型運動機構184.2.2手臂運動機構的選擇184.2.3手臂偏重力矩的計算194.3 手臂升降液壓缸驅動力的計算204.4手臂升降液壓缸參數(shù)計算214.5小結23第五

11、章 底座部分245.1底座的設計245.1.1 底座的結構設計要求245.1.2 底座的組成部分245.1.3 底座電動機的選擇245.2 軸的設計265.2.2 輸入軸的設計265.2.3 輸出軸的設計275.3 底座諧波傳動減速器的設計285.4 底座傳動齒輪的設計305.5 底座軸承的選用335.6小結33結論34參考文獻35致 謝36第一章 緒論1.1工業(yè)機械手1.1.1工業(yè)機械手概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)

12、定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是

13、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)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產;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.機械手的結構形式開始比較簡單，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)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)

14、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。1.1.2選題背景機械手是在自動化生產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、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，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合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到

15、了應用，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。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(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，應用規(guī)模和產業(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水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上

16、考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。1.1.3設計目的1、以提高生產過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。2、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3、可以減輕人力，

17、并便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。1.2機械手的組成與分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。圖 2-1(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持

18、式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被

19、抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和

20、無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(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?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時

21、可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(二)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?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整

22、，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(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:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和

23、控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，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動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控

24、制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作

25、主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(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，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平

26、穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.2.3工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)特性比較表1-2-3驅動系統(tǒng)特性驅 動 系 統(tǒng) 的 特 性驅 動類 型功率快 速響 應結 構性 能安 全效 率控制能力安 裝要 求維 護要 求液壓驅動系統(tǒng)不太受限制很 高結構適當，執(zhí)行機構可做成獨立結構，易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅動。液壓密封問題顯得重要。防爆性能較好，用液壓油作為傳動介質，在一定條件下有火災危險。節(jié)流調速為0.3，容易調速為 0.6。速度調節(jié)裝置、配流元件、制動裝置的結構簡單，能將速度位置控制到精確值。安裝要求高，特別注意液壓液泄露。因有液壓源設備，占地面

27、積較大。要求水平較高的維護人員進行定期的維護。氣動驅動系統(tǒng)有限制較高結構適當，執(zhí)行機構可做成獨立結構易于標準化，容易實現(xiàn)直接驅動，密封問題不象液壓系統(tǒng)顯得突出防爆性能好，高于一個大氣壓，應注意設備有爆炸的危險0.150.2調度調節(jié)機構、配流元件結構簡單，一般要求有專門的制動裝置；速度、位置控制到精確值困難。安裝要求不太高要求中等水平的維護人員定期維護電動驅動系統(tǒng)有限制高電機易于標準化，結構性能好，但電機后面一般需配精密減速器，除特殊電機外，難于進行直接驅動。設備自身無爆炸和火災危險。直流有刷電機對環(huán)境的防爆性能差。0.5左右結構簡單，控制靈活性強，速度、位置可控制到精確值。安裝要求隨傳動方式不

28、同而異。要求水平較高的人員定期的檢查維護。1.3國內外發(fā)展情況國外機器人領域發(fā)展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91年的10.3萬美元降至97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PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)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

29、。(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(xiàn)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

30、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

31、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(shù)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。其中最為突出的是水下

32、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。1.4課題的主要任務設計通用圓柱坐標系機械手及控制系統(tǒng)。設計中的機械手各動作由液壓缸驅動，并有電磁閥控制，抓重300自由度

33、4動作符號行程范圍速度伸縮X100mm20mm/s升降Z500mm20mm/s回轉22020/s1.5小結第二章 手部結構2.1 手部結構設計圖2-1手部結構設計2.2驅動力的計算如圖所示為連桿式手部結構。作用在拉桿上的驅動力3為P，兩連桿2對拉桿反作用力為P1、P2，其力的方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向O點并與水平方向成角，由拉桿的力平衡條件可知，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos連桿對手指的作用力為p1，因連桿2為2力桿。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手

34、指的力矩平衡條件，即m01(F)=0得P1h=Nb因 h=c cos所以 P=2 b tg N/c式中 b手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。 c手指的回轉支點到連桿鉸鏈連接點的距離（毫米） 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅動力P一定時，握力N與角成正切反比。角小時可獲得較大的握力，=0的時候使手指閉合到最小位置即為自鎖位置，這時去掉驅動力，工件也不會自行脫落。若拉桿再往下移動，則手指反而會松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持大于零，一般取=3040。這里取角=30度。 這種手部結構簡單，具有動作靈活等特點。查工業(yè)機械手設計基礎中表2-1可知，V形手指

35、夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即：P實際=PK1K2/式中 手部的機械效率，一般取0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為300N，V型鉗口的夾角為120,=30時，拉緊油缸的驅動力P

36、和P實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式N=0.5G=150N選取b=50 c=30 由連桿杠桿式結構的驅動力計算公式 P=2btg N/c 得 P=P計算=250tg（30）15030288.68（N） P實際=P計算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實際=288.681.51.1/0.85560.38(N)2.3小結第三章腕部結構3.1 腕部的結構設計3.1.1 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點：1 結構緊湊，重量盡量輕。2 轉動靈活，密封性

37、要好。3 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調整等問題 4 要適應工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。3.1.2 腕部的結構形式本機械手采用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為115.如下圖所示為腕部的結構，定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉動，即為手腕的回轉暈動。圖3-1腕部結構3.2

38、收完驅動力矩的計算驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算：M驅=M慣+M偏+M摩 （N.m） 式中 M驅驅動手腕轉動的驅動力矩 M慣慣性力矩 （N.m） M偏參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片）對轉動軸線所產生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖3-2腕部回轉力矩 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2）

39、（N.m） 式中 f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m）由設計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=300N e=0.020時 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，M偏為零 當e=0.020，G1=300N時 M偏 =6 （Nm）

40、 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算M慣 M慣 =（J+J工件） （Nm） 式中 手腕回轉角速度 （1/s） T手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動） J手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kgm） J工件工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kgm） 按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M慣 = 1.3（Nm） 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 M =1.11.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+6+1.3） =11.76 （N.m） 3.3滾動軸承的選擇選擇

41、滾動軸承，當載荷較輕、沖擊較小且轉速較高時，選球軸承；同時承受徑向和軸向載荷、當軸向載荷相對較小時，可選用深溝球軸承或接觸角較小的角接觸球軸承；當軸向載荷相對較大時，應選接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。 圖3-3 7000AC型系列軸承簡圖8表3-9 7301AC角接觸球軸承技術參數(shù) mm軸承代號基本尺寸/mm70000AC(=25)極限轉速/(r/min)基本額定動載荷/KN脂潤滑油潤滑7301AC1237128.081600022000軸承承受的軸向載荷，徑向載荷， （3-18）式中:、分別為手部、水平滾珠絲杠、水平電機、水平導軌的重量，所以 N軸承的當量動載荷： （3-19）式中

42、:徑向載荷系數(shù)； 軸向載荷系數(shù)，、值如表3-10所示。表3-10 徑向載荷系數(shù)X和軸向載荷系數(shù)Y軸承類型單列軸承雙列軸承角接觸球軸承7000AC0.68100.410.8710.920.671.41所以N軸承的預期壽命=50000h, (h) （3-20）式中：壽命指數(shù)，對球軸承=3，對滾子軸承=10/3 軸承轉速，單位r/min 計算基本額定動載荷3.4水平導軌的選用導軌的計算載荷為：選用HIWIN品牌EGR15U 型號水平導軌圖3-4 EGR15U導軌基本參數(shù)圖3-4-1 導軌精度等級3.5小結第四章 臂部的結構4.1臂部設計的基本要求一、 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力

43、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的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結構。（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的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在,最大回轉角速度設計在內，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。在速度和回轉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，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉半徑

44、，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作。（4） 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。三、手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，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的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。4.2手臂的典型機構以及結構的選擇4.2.1手臂的典型運動機構常見的手臂伸縮機構有以下幾種：（1）雙導桿手臂伸縮機構。（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，

45、上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。（3）雙活塞桿液壓崗結構。（4）活塞桿和齒輪齒條機構。4.2.2手臂運動機構的選擇臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉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向移動。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、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（即臂力）和定位精度等都直接影響機械手的

46、工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構型式。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求： 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支

47、承回轉軸所產生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應盡量減少小臂部運動部分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。4.2.3手臂偏重力矩的計算初計算G1 =300N G2 =100N G3 =300N G4 =500N所以G總 =G1 + G2 + G3 + G4=300+100+300+500=12

48、00N初計算工件 =1000mm 手部 =900mm 手腕 =700mm 手臂 =400mm所以偏轉力矩 M偏 =G總L=19000.642=1219Nm式中 重心到回轉軸線的距離（mm）4.2.4 升降導向立柱不自鎖條件手臂在G總的作用下有向下的趨勢，而立柱導套則防止這種趨勢。由力平衡條件得：FR h=G總 所謂不自鎖的條件為：G總 F1 + F2= 2F2 =2FR 查表得=0.25即 G總 =G總 + G回轉缸 + G活塞桿取G回轉缸 =200N G活塞桿 = 500N因此 G總 =G總 + G回轉缸 + G活塞桿 =1900N 立柱導套長度大于330mm式中摩擦系數(shù)h立柱導套的長4.3

49、 手臂升降液壓缸驅動力的計算由手臂升降驅動力的公式得：F驅 =F摩+F慣+F回+F密G總（1）F摩的計算F摩 =2FR 取=0.25 FR=4600N所以 F摩 =2FR =246000.25 =2300N（2）F慣的計算由摩擦力公式式中 V由靜止加速到常速的變化量（mm/s） t啟動過程時間（t），一般取0.01s0.05s。手臂啟動速度V=0.025m/s,啟動時間t=0.02s，g=9.8N/kg,帶入數(shù)據(jù)得：(3) F回的計算一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。（4）F密的計算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當液壓缸工作壓力小于10MPa時，液壓缸密封處

50、的總的摩擦阻力為： F密 =0.03F驅經(jīng)過以上的分析計算，液壓缸的驅動力為： F驅 =F摩+F慣+F回+F密G總 =2300 + 293.4 + 0.03 F驅 2300所以 當液壓缸向上驅動時 F驅 =5044.7N 當液壓缸向下驅動時 F驅 =302.4N圖4-3 升降液壓缸4.4手臂升降液壓缸參數(shù)計算升降液壓缸的工作壓力由驅動力與液壓缸工作壓力關系表，可得P=0.8MPa，為了滿足要求，此時取F驅 =1.25044.7N=6053.6N進行計算。驅動力與液壓缸工作壓力關系表2-1（1）液壓缸內徑D計算：當油從無桿腔進入：當油從有桿腔進入：液壓缸的有效面積： 所以 （油從無桿腔進入） （

51、油從有桿腔進入） 式中 F驅手臂升降液壓缸驅動力（N） D液壓缸內徑（mm） d活塞桿直徑（mm） 液壓缸機械效率，在工程機械中可用耐油橡膠查表得=0.90 P液壓缸的工作壓力（MPa）帶入數(shù)據(jù)得：根據(jù)標準液壓缸內徑系列（JB82666），為了更好的滿足要求，選取液壓缸的內徑為：D=75mm 標準液壓缸內徑系列表2-2（JB82666） 單位mm（2）活塞桿直徑d計算活塞桿直徑d根據(jù)工作壓力選取，當液壓缸的往復速度比v有要求時，則：液壓缸工作壓力與活塞桿直徑表2-3液壓缸工作壓力P/MPa5577推薦活塞桿直d（0.50.55）D（0.60.7）D0.7D液壓缸往復速度比推薦值表2-4工作壓力

52、p/MPa10102020往復速度比v1.331.4622由液壓缸往復比推薦值表可知v=1.33,帶入公式則有： 活塞桿直徑系列表2-5（JB82666）根據(jù)活塞桿直徑系列（JB82666），選取活塞桿直徑為：d=40mm標準液壓缸外徑系列表2-6（JB106867）根據(jù)標準液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，取液壓缸外徑D=95mm所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為：液壓缸內徑D液壓缸外徑D工作壓力P活塞桿直徑d驅動力F75mm*995 mm0.8MPa40mm6053.6N4.5小結 機械手臂部結構，主要起到了升降作用。選用液壓傳動，驅動力較大。由于底座采用了空心軸與實心軸的配合，因此精度

53、略有下降，因此液壓缸套桶旁邊增加了一個豎直滑軌第五章 底座部分機械手轉動部分是為機械手沿Z軸方向轉動而設計。為實現(xiàn)此目的，本次設計的機械手轉動結構由底部電機、聯(lián)軸器、減速器、基座組成，此結構的設計從驅動裝置的選擇進行展開。做設計時應注意：電機的功率可先按照勻速運動時的功率計算，再考慮到加速、減速等情況，取安全功率P=1.5P勻速 。減速器的總傳動比根據(jù)機械手的轉速和電機的轉速確定。5.1底座的設計5.1.1 底座的結構設計要求1.要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。2.機座承受機器人全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度。3.機座要有足夠的剛度和承載能力。4.機座軸系及傳動鏈的精度

54、和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此機座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面，要有調整軸承間隙和傳動間隙的調整機構。5.1.2 底座的組成部分機械手的底座由上下兩部分組成上部分：由電機，諧波傳動減速器組成。作用是傳遞扭矩，降低電機轉速、下部分：由一對齒輪，中間軸及輸出軸組成，作用是帶動上臂旋轉做弧形運動5.1.3 底座電動機的選擇（1）底部電機的扭矩計算機械手旋轉的扭矩為12N.m，因此選擇電機的扭矩為15N.m。（2）底部電機的轉速計算設計要求機座的轉動速度=20/s,所以可得轉速 r/min(3)底部電機的功率計算 kW選用，型號為 SM 130-150-15 LFB表5-1 SM系列伺

55、服電機表5-2 130型號伺服電機參數(shù)圖5-3 轉矩-轉速圖圖5-4 伺服電機簡圖5.2 軸的設計軸的結構設計主要是定出軸的合理外形和軸各段的直徑、長度和局部結構。軸的結構取決于軸的承載性質、大小、方向和傳動布置方案，軸上零件的布置與固定方式，軸承的類型與尺寸，軸毛坯的形式，制造工藝和裝配工藝，安裝運輸條件和制造經(jīng)濟性等等。設計軸的合理結構，要考慮的主要因素如下：1. 受力合理，扭矩合理分流，彎矩合理分配2. 盡量減輕質量，節(jié)約材料，盡量使用等強度外形尺寸3. 軸上零部件定位應可靠4. 盡量減少應力集中，提高疲勞強度5. 考慮加工工藝所必需的結構要素6. 便于裝拆和維修7. 要求剛度大的軸，要考慮減少變形的措施8. 在滿足使用要求的條件下，合理確定軸的加工精度和表面粗糙度，合理確定軸與軸上零件的配合性質9. 符合標準零部件及標準尺寸的規(guī)定5.2.2 輸入軸的設計根據(jù)機械設計手冊第五版 ，可知軸的一般材料如表5-2-1表5-5 軸的主要力學性能底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉矩，把諧波減速器傳出的轉矩傳動到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連,下端由鍵和小齒輪聯(lián)結。由表5-2.1