搬運機械手結構及控制系統(tǒng)設計含5張CAD圖

搬運機械手結構及控制系統(tǒng)設計含5張CAD圖,搬運,機械手,結構,控制系統(tǒng),設計,cad 外文資料 The robot arm Robot is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology isdeveloped quickly and all types of the robots products are come into being. The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. 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. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development. With the rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage disposal，The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator that can automatically fulfill the plastic holding. With the analysis of the problems in the design of the plastic holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into linear motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. ''''The step motor can receive digital signal directly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system. Kinematics analysis is the basis of path programming and track control. The positive and reverse analysis of manipulator gives the relationship between manipulator space and drive space in position and speed. The relationship between manipulator’s tip position and arthrosis angles is concluded by coordinate transform method. The geometry method is used in solving inverse kinematics problem and the result will provide theory evidence for control system. The f0unction of dynamics is to get the relationship between the movement and force and the target is to satisfy the demand of real time control. in this chamfer, Newton-Euripides method is used in analysis dynamic problem of the cleaning robot and the arthrosis force and torque are given which provide the foundation for step motor selecting and structure dynamic optimal ting. Control system is the key and core part of the object holding manipulator system design which will direct effect the reliability and practicality of the robot system in the division of configuration and control function and also will effect or limit the development cost and cycle. With the demand of the PCL-839 card, the PC computer which has a. tight structure and is easy to be extended is used as the principal computer cell and takes the function of system initialization, data operation and dispose, step motor drive and error diagnose and so on. At the same time, the configuration structure features, task principles and the position function with high precision of the control card PCL-839 are analyzed. Hardware is the matter foundation of the control. System and the software is the spirit of the control system. The target of the software is to combine all the parts in optimizing style and to improve the efficiency and reliability of the control system. The software design of the object holding manipulator control system is divided into several blocks such as system initialization block, data process block and error station detect and dispose model and so on. PCL-839 card can solve the communication between the main computer and the control cells and take the measure of reducing the influence of the outer signal to the control system. The start and stop frequency of the step motor is far lower than the maximum running frequency. In order to improve the efficiency of the step motor, the increase and decrease of the speed is must considered when the step motor running in high speed and start or stop with great acceleration. The increase and decrease of the motor’s speed can be controlled by the pulse freque ncy sent to the step motor drive with a rational method. This can be implemented either by hardware or by software. A step motor shift control method is proposed, which is simple to calculate, easy to realize and the theory means is straightforward. The motor'''' s acceleration can fit the torque-frequency curve properly with this method. And the amount of calculation load is less than the linear acceleration shift control method and the method which is based on the exponential rule to change speed. The method is tested by experiment. A t last, the research content and the achievement are sum up and the problems and shortages in main the content are also listed. The development and application of robot in the future is expected. The purpose of manipulator control is to maintain the dynamic response of a computer-based manipulator in accordance with some prespecified system performance and desired goals. In general, the dynamic performance of a manipulator directly depends on the efficiency of the control algorithms and the dynamic model of the manipulator. The control problem consists of obtaining dynamic models of the physical robot arm system and then specifying corresponding control laws or strategies to achieve the desired system response and performance.? Current industrial approaches to robot arm control treat each joint of the robot arm as a simple joint servomechanism. The servomechanism approach models the varying dynamics of a manipulator inadequately because it neglects the motion and configuration of the whole arm mechanism. These changes in the parameters of the controlled system sometimes are significant enough to render conventional feedback control strategies ineffective. The result is reduced servo response speed and damping, limiting the precision and speed of the end effector and making it appropriate only for limited-precision tasks. Manipulators controlled in this manner move at slow speeds with unnecessary vibrations. Any significant performance gain in this and other areas of robot arm control require the consideration of more efficient dynamic models, sophisticated control approaches, and the use of dedicated computer architectures and parallel processing techniques. In the industrial production and other fields, people often endangered by such factors as high temperature, corrode, poisonous gas and so forth at work, which have increased labor intensity and even jeopardized the life sometimes. The corresponding problems are solved since the robot arm comes out. The robot arms can catch, put and carry objects, and its movements are flexible and diversified. It applies to medium and small-scale automated production in which production varieties can be switched. And it is widely used on soft automatic line. The robot arms are generally made by withstand high temperatures, resist corrosion of materials to adapt to the harsh environment. So they reduced the labor intensity of the workers significantly and raised work efficiency. The robot arm is an important component of industrial robots, and it can be called industrial robots on many occasions. Industrial robot is set machinery, electronics, control, computers, sensors, artificial intelligence and other advanced technologies in the integration of multidisciplinary important modern manufacturing equipment. Widely using industrial robots, not only can improve product quality and production, but also is of great significance for physical security protection, improvement of the environment for labor, reducing labor intensity, improvement of labor productivity, raw material consumption savings and lowering production costs. There are such mechanical components as ball footbridge, slides, an air control mechanical hand and so on in the design. A programmable controller, a programming device, stepping motors, stepping motors drives, direct current motors, sensor, switch power supply, an electromagnetism valve and control desk are used in electrical connection. The programmable controller output two lines pulses to stepping motors drives to drive the two stepping motors drives on beam and vertical axis; direct current motors drive the rotation of the base and the hand; sensors send signals of location to the mainframe, and the mainframe sends directive to control the extension and contraction, up and down, moves location; the mainframe send signals to control the opening and closing of the hand to carry objects. Related parameters can be changed according to request of the changes of the objects and movement flow at any time change the relevant parameters in the design, so it has great flexibility and operability. 中文翻譯 機械手 機器人是典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產(chǎn)品?，F(xiàn)代工業(yè)機器人是人類真正的奇跡工程。一個像人那么大的機器人可以輕松地抬起超過一百磅并可以在誤差+-0.006英寸誤差范圍內重復的移動。更重要的是這些機器人可以每天24小時永不停止地工作。在許多應用中（特別是在自動工業(yè)中）他們是通過編程控制的，但是他們一旦編程一次，他們可以重復地做同一工作許多年。機器人產(chǎn)品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進了工業(yè)自動化的進程。 目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術，系統(tǒng)結構復雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術的廣泛應用，因此，研制經(jīng)濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 由于我國經(jīng)濟建設和城市化的快速發(fā)展，城市污水排放量增長很快，污水處理己經(jīng)擺在了人們的議事日程上來。隨著科學技術的發(fā)展和人類知識水平的提高，人們越來越認識到污水處理的重要性和迫切性，科學家和研究人員發(fā)現(xiàn)塑料制品在水中是用于污水處理的很有效的污泥菌群的附著體。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生產(chǎn)的自動化和高效率要求成為經(jīng)濟發(fā)展的必然。 本文結合塑料一次擠出成型機和塑料抓取機械手的研制過程中出現(xiàn)的問題，綜述近兒年機器人技術研究和發(fā)展的狀況，在充分發(fā)揮機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎上，對物料抓取機械手整體機械結構、傳動系統(tǒng)、驅動裝置和控制系統(tǒng)進行了分析和設計，提出了一套經(jīng)濟型設計方案。采用直角坐標和關節(jié)坐標相結合的框架式機械結構形式，這種方式能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。傳動裝置的作用是將驅動元件的動力傳遞給機器人機械手相應的執(zhí)行機構，以實現(xiàn)各種必要的運動，傳動方式上采用結構緊湊、傳動比大的蝸輪蝸桿傳動和將旋轉運動轉換為直線運動的螺旋傳動。機械手驅動系統(tǒng)的設計往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時也要考慮價格因素的影響以及能夠達到的技術水平。由于步進電機能夠直接接收數(shù)字量，響應速度快而且工作可靠并無累積誤差，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)驅動機構的動力元件，因此，在驅動裝置中采用由步進電機構成的開環(huán)控制方式，這種方式既能滿足控制精度的要求，又能達到經(jīng)濟性、實用化目的，在此基礎上，對步進電機的功率計一算及選型問題經(jīng)行了分析。 在完成機械結構和驅動系統(tǒng)設計的基礎上，對物料抓取機械手運動學和動力學進行了分析。運動學分析是路徑規(guī)劃和軌跡控制的基礎，對操作臂進行了運動學正、逆問題的分析可以完成操作空間位置和速度向驅動空間的映射，采用齊次坐標變換法得到了操作臂末端位置和姿態(tài)隨關節(jié)夾角之間的變換關系，采用幾何法分析了操作臂的逆向運動學方程求解問題，對控制系統(tǒng)設計提供了理論依據(jù)。機器人動力學是研究物體的運動和作用力之間的關系的科學，研究的目的是為了滿足是實時性控制的需要，本文采用牛頓-歐拉方法對物料抓取機械手動力學進行了分析，計算出了關節(jié)力和關節(jié)力矩，為步進電機的選型和動力學分析與結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。 控制部分是整個物料抓取機械手系統(tǒng)設計關鍵和核心，它在結構和功能上的劃分和實現(xiàn)直接關系到機器人系統(tǒng)的可靠性、實用性，也影響和制約機械手系統(tǒng)的研制成本和開發(fā)周期。在控制主機的選用上，采用結構緊湊、擴展功能強和可靠性高的PC工業(yè)控制計算機作為主機，配以PCL-839卡主要承擔系統(tǒng)功能初始化、數(shù)據(jù)運算與處理、步進電機驅動以及故障診斷等功能;同時對PCL-839卡的結構特點、功能原理和其高定位功能等給與了分析。硬件是整個控制系統(tǒng)以及極限位置功能賴以存在的物質基礎，軟件則是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，軟件設計的目的是以最優(yōu)的方式將各部分功能有機的結合起來，使系統(tǒng)具有較高的運行效率和較強的可靠性。在物料抓取機械手軟件的設計上，采用的是模塊化結構，分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障狀態(tài)檢測與處理等幾部分。主控計算機和各控制單元之間全部由PCL-839卡聯(lián)系，并且由該卡實現(xiàn)抗干擾等問題，減少外部信號對系統(tǒng)的影響。 步進電機的啟停頻率遠遠小于其最高運行頻率，為了提高工作效率，需要步進電機高速運行并快速啟停時，必須考慮它的升，降速控制問題。電機的升降速控制可以歸結為以某種合理的力一式控制發(fā)送到步進電機驅動器的脈沖頻率，這可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件方法來實現(xiàn)。本文提出了一種算法簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的步進電機變速控制策略:定時器常量修改變速控制方案。該方法能使步進電機加速度與其力矩——頻率曲線較好地擬合，從而提高變速效率。而且它的計算量比線性加速度變速和基于指數(shù)規(guī)律加速度的變速控制小得多。通過實驗證明了該方法的有效性。 最后，對論文主要研究內容和取得的技術成果進行了總結，提出了存在的問題和不足，同時對機器人技術的發(fā)展和應用進行了展望。 研究機械手控制的目的是保持以計算機為基礎的機械手的動態(tài)響應，以便與一些預先設定的系統(tǒng)性能和理想目標保持一致。一般情況下，機械手的動態(tài)性能直接依賴于控制算法的效率和機械手的動態(tài)模型。控制問題包括獲得自然的機械手系統(tǒng)的動態(tài)模型，然后指定相應的控制規(guī)則或步驟以達到想要的系統(tǒng)響應和性能。 目前的工業(yè)機械臂控制將每一個機械臂的聯(lián)合看做一個簡單的聯(lián)合伺服。伺服方法不能充分地模仿不同的動力學機械手，因為它忽略了機械手整體的運動和配置。這些控制系統(tǒng)的參數(shù)的變化有時是足夠重要，以至于使常規(guī)的反饋控制方法失效。其結果是減少了伺服響應的速度和阻尼，限制了精度和最終效應的速度，使系統(tǒng)僅適用于有限精度的工作。機械手以這種方式控制速度降低而沒有不必要的震動。任何在這一領域和其它領域的機械臂性能增益要求更有效率的動態(tài)模型、精密的控制方法、專門的計算機架構和并行處理技術。 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。 本設計所用機械部件有滾珠絲杠、滑軌、氣控機械抓手等。電氣方面有可編程控制器（PLC）、編程器、步進電機、步進電機驅動器、直流電機、光電傳感器、開關電源、電磁閥、旋轉碼盤、操作臺等部件?？删幊炭刂破靼l(fā)出兩路脈沖到步進電機驅動器，分別驅動橫軸、豎軸的步進電機運轉；直流電機拖動底座和手爪的旋轉；接近開關、微動開關、旋轉碼盤將位置信號反饋給主機，由主機發(fā)出指令來實現(xiàn)對手臂的伸縮、上下、轉動位置的控制；主機發(fā)信號到氣動電磁閥，以控制手爪的張合來抓放物體。本設計可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù)，具有很大的靈活性和可操作性。 搬運機械手結構及控制系統(tǒng)設計 摘 要 通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)四年所學的知識進行整合，對工業(yè)機械手的結構和功能進行論述和分析，設計了一種圓柱坐標式的上下料機械手。 重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各部分機械結構以及機械手控制系統(tǒng)進行了詳細的設計。具體進行了機械手的總體設計，腰座結構的設計，機械手手臂結構的設計并對其進行分析計算，機械手腕部的結構設計，手爪的結構設計并對其進行分析計算，機械手驅動系統(tǒng)的設計，同時對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算。通過對機械手作業(yè)的工藝過程和控制要求的分析，對控制系統(tǒng)進程序設計，同時編寫PLC控制程序及梯形圖等，設計達到了設計的預期目標。 關鍵詞：機械手；液壓系統(tǒng)；PLC i Carrying manipulator structure and the control system design Abstract By means of mechanical design and manufacturing and its automation professional knowledge for four years in integration, on the structure and function of industrial manipulator is discussed and analysis, we design a cylindrical coordinates type of manipulator. Focus on the waist, arm manipulator, the gripper and so on various parts of the mechanical structure and design of manipulator control system in detail. Concrete has carried on the overall design of the manipulator, waist the design of the bridge structure, the structural design of the manipulator arm and carries on the analysis and calculation, structure design of robot hand wrist, gripper and carries on the analysis and calculation of structure design, the design of the mechanical drive system, and the hydraulic system and control system has carried on the theoretical analysis and calculation. Through the technological process and control of the manipulator operation requirements analysis, into the design of control system, at the same time to write and ladder diagram of PLC control program, the design has reached the design target. Key words: manipulator; The hydraulic system; PLC  目錄 摘 要 iii Abstract iv 緒論 1 第一章 設計方案的目的 4 第一節(jié) 選題背景 4 第二節(jié) 設計目的 5 第三節(jié) 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 5 第四節(jié) 設計原則 6 第二章 設計方案的討論 8 第一節(jié) 機械手的總體設計 9 第二節(jié) 機械手腰座結構的設計 11 一、 機械手腰座結構的設計要求 11 二、 設計具體采用方案 11 第三節(jié) 機械手手臂的結構設計 13 一、 機械手手臂的設計要求 13 二、 設計具體采用方案 14 三、 機械手小臂的具體設計計算 14 第四節(jié) 機械手腕部的結構設計 24 一、 機器人手腕結構的設計要求 25 二、 設計具體采用方案 25 第五節(jié) 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 25 一、 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 25 二、 機器人夾持器的運動和驅動方式 26 三、 機器人夾持器的典型結構 27 四、 設計具體采用方案 30 五、 機械手手指的具體設計計算 30 第六節(jié) 機械手驅動系統(tǒng)的設計 42 一、 機器人各類驅動系統(tǒng)的特點 42 二、 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則 42 三、 設計具體采用方案 43 第三章 液壓系統(tǒng)的設計 44 第一節(jié) 確定液壓系統(tǒng)基本方案 44 一、 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 45 二、 液壓源系統(tǒng)的設計 45 三、 繪制液壓系統(tǒng)圖 46 第二節(jié) 計算和選擇液壓元件 47 一、 動力原件－液壓泵的選擇 47 二、 執(zhí)行元件液壓缸的選擇 48 三、 控制元件－方向閥、壓力閥、流量閥 50 四、 輔助元件－管道、管接頭、過濾箱、油箱、蓄能器 51 第四章 機械手控制系統(tǒng)的設計 55 第一節(jié) 機械手控制系統(tǒng)的設計 55 第二節(jié) 機械手的作業(yè)流程 56 第三節(jié) 繪制控制系統(tǒng)的接線圖 57 第四節(jié) 編寫PLC的控制程序 58 結 論 67 致謝 69 vi 緒論 在21世紀，科學技術的飛速發(fā)展使人類文明發(fā)生了極大的變化。由于產(chǎn)品更新速度的加快，人們對生活質量的要求越來越高。過去以大規(guī)模、大批量為特點的福特生產(chǎn)方式正面臨著如何適應大批量、多品種為標志的新的市場需求的挑戰(zhàn)。機器人因它對多種作業(yè)環(huán)境顯示出巨大的通用性而引起人們的重視，成為高技術發(fā)展的一個重要內容。機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的名為《羅薩姆的萬能機器人》劇本中。在該劇中，機器人“Robota”這個詞的本義是“強制勞動”。而真正的機器人是從二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的，一般認為始于40年代在美國橡樹嶺國家實驗室開始的搬運核原料的遙控機械操作手的研究。1954年美國人Geogre C.Devol發(fā)明了一種裝置，成為可編程的關節(jié)型搬運裝置。1959年Devol和J.F.Engelberger進一步發(fā)展了這一概念，組建了Unimation公司，生產(chǎn)出了世界上第一臺工業(yè)機器人。1963年美國AMF公司生產(chǎn)出商用機器人Versatran。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm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)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(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。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。 這種仿工業(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(chǎn)設備。特別適合于多品種、大批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。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。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);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)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(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 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(chǎn)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(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已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(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設計，積極推進產(chǎn)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機器人，6000米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(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 第1章 設計方案的目的 第1節(jié) 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，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)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(chǎn)力。因此機械手越來越廣泛的得到了應用，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(chǎn)，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(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(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、技術上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。 第二節(jié) 設計目的 本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 目前，在國內很多工廠的生產(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，設計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)。本設計能夠應用到加工工廠車間，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，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。 第3節(jié) 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內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。 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。 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決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 D．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(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)品的標準化、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。 第4節(jié) 設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、液壓與氣壓傳動、PLC等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。 液壓技術的優(yōu)點 a. 體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊； b. 能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度，并可實現(xiàn)無極調速； c. 換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構旋轉和直線往復運動的轉換； d. 液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制； e. 由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，易于散熱，磨損小，使用壽命長； f. 操縱控制簡便，自動化程度高； g. 容易實現(xiàn)過載保護。 PLC技術的優(yōu)點: 在機械手控制方面，PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，控制程序可變，無線接觸點，編程簡單，擴充方便，體積小等優(yōu)點。采用PLC作為核心控制器來控制機械手的各個動作，不僅可以節(jié)約人力成本，而且可以消除人工操作帶來的諸多不可靠因素，從而大大極高機械手的工作穩(wěn)定性及加工精度。 本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，本次設計的機械手為基于PLC控制的液壓機械手。 本課題將要完成的主要任務如下: a. 機械手為通用機械手 因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。 b. 選取機械手的坐標型式和自由度。 c. 設計出機械手的各執(zhí)行機構 包括:手部、手臂等部件的設計。 d. 液壓傳動系統(tǒng)的設計 包括：大臂的升降，小臂的升縮，以及手爪的夾緊與放松。 e. PLC控制系統(tǒng)的設計 我所設計的機械手是用于實現(xiàn)某加工生產(chǎn)線上零件的上料與卸料。該生產(chǎn)線的布局圖如圖一所示，工件及隨行夾具采用步伐式輸送帶實現(xiàn)各個機床的自動運輸。搬運機械手1，2分別位于生產(chǎn)線兩端的上料和卸料工位，用以實現(xiàn)工件的自動裝卸。其中，搬運機械手1，2的部件結構和工作原理完全相同。 圖1-1生產(chǎn)線布局圖 第二章 設計方案的討論 第一節(jié) 機械手的總體設計 機械手的組成 工業(yè)機械手的結構有簡單的也有復雜的，但從結構形式分析主要有執(zhí)行機構、驅動機構、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。 機械手總體結構的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1.直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 2.圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。由于結構關系，不能抓取地面上的物件。 3. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機器人動作靈活、占地面積小、工作范圍大、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。 4. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小，但定位精度。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 圖2-1四種坐標形式示意圖 圖2-2四種機械手的機構運動簡圖 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的最大質量質量達27Kg，且最大長度達300mm，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(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。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自由度，其特點是:占地面積小，結構比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。 第2節(jié) 機械手腰座結構的設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、手爪等各個部分進行詳細設計。 1、 機械手腰座結構的設計要求 腰座就是圓柱坐標機器人的回轉機座。它是機器人的第一個回轉關節(jié)，機器人的運動部件全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 5.腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 二、 設計具體采用方案 本次設計的機械手，它的腰部的回轉運動是一種單回轉運動。有的機械手不是單回轉運動而是復合式的運動，在此不考慮復合運動。實現(xiàn)單回轉運動可以有以下幾種方案。 回轉缸又稱擺動缸。應用回轉油缸要比齒輪齒條帶動機械手回轉結構簡單，輕巧美觀。但是，由于回轉缸的動片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達不到要求，就會造成嚴重泄漏，影響正常運轉，必須嚴加密封。直線缸回轉結構齒輪齒條結構是通過齒條的往復運動，帶動齒輪回轉，其驅動源可以是液壓或氣壓驅動。 此外，腰座回轉的驅動形式還可以通過電機減速機構來實現(xiàn)，目前的趨勢是用電機來驅動腰部的回轉。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。考慮到腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖所示： 圖2-3腰座結構圖 第三節(jié) 機械手手臂的結構設計 一、 機械手手臂的設計要求 手臂是機器人機械結構的主要部件，它能做前后伸縮、上下升降、左右回轉運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工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(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應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?/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(chǎn)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。 4.機器人各關節(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。 5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這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。 6.機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 二、 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)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(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達27Kg，屬中型重量，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(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。 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(xiàn)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，小臂增設了以個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。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。 三、 機械手小臂的具體設計計算 手臂中液壓缸的設計 1 缸筒 本次設計缸筒與端蓋的連接方式采用焊接的連接方式，因其強度高，能避免法蘭或螺紋連接所產(chǎn)生的泄露問題，還能承受高壓。根據(jù)缸筒的連接形式選擇缸筒的材料為35鋼 ⑵對鋼筒的要求 ①有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)試驗壓力而不導致產(chǎn)生永久變形。 ②有足夠的強度，能承受活塞側壓力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 ③ 密封的可靠性。缸筒內表面與活塞密封組件、支撐環(huán)處的尺寸公差等級、行位公差精度設計要合理，既要保證可靠的密封要求，又要減小磨損。 ④需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性。 總之，缸筒是液壓缸的主要零件，它與端蓋、活塞等零件構成密封的容腔，用以容納壓力油液，同時它是活塞運動的軌道。設計液壓缸缸筒時，應該正確確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊力；缸筒的內表面應具有合適的尺寸公差等級、表面粗糙度和形位公差等級，以保證液壓缸的密封性、運動平穩(wěn)和耐用性。 ⑶缸筒的計算 (2-1) （2-2） 式中: -活塞桿上的實際作用力， -負載率，一般取0.5～0.7 本次取=0.5 -液壓缸的總效率， 機械效率，由活塞及活塞桿密封件的摩擦阻力所造成的摩擦損失，在額 定壓力下，通常可取=0.9～0.95 取=0.9 容積效率，由各密封件泄漏所造成，通常去活塞封為彈性材料時=1，活塞封為金屬環(huán)時=0.98 ，取活塞封為彈性材料=1。 作用力效率，由排油口背壓所產(chǎn)生的反向作用力造成，取=1 則=0.9 -缸筒內徑 -供油壓力， 由任務書取=2.94 由式（2-1）可見： 由式（2-2）可見： 查《機械設計手冊-液壓傳動》對缸筒內徑進行圓整取=40mm 缸筒厚度計算 當時可用薄壁缸筒公式計算壁厚 (2-3) 式中: -缸筒材料強度要求的最小值， -缸筒內最高工作壓力， 為缸的額定壓力，取額定壓力=16 -缸筒內徑 -鋼筒材料的作用應力， 其中材料的抗拉強度 安全系數(shù)，通常取 35鋼的 由式（2-3）可見： 所以壁厚取5mm 缸筒壁厚的驗算 （2-4） 式中: -為缸的額定壓力 -缸筒材料屈服點， 35鋼 -缸筒的外徑， 由式（2-4）可見： 壁厚滿足設計要求。 因此由缸筒的內徑外徑查《機械設計手冊-液壓傳動》 選標準值型號為HSG·01-40/dE 缸筒與端部采用的連接方式為焊接，因此需要對其焊接處進行校核 （2-5） 式中: -缸內最大推力， 缸HSG·01-40/dE -缸筒外徑， -焊縫底徑， -焊接效率，取 焊條材料的抗拉強度， -安全系數(shù)，一般取5 查《機械零件設計手冊》知碳鋼的最小焊縫為1～3mm，選擇焊縫的長度為3mm，即mm 。焊條選擇E4303，焊條的抗拉強度為 由式（2-5）可見： 焊接滿足連接要求 活塞設計 由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄漏，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。 液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關，活塞直徑應該與缸筒內徑一致。設計活塞時，主要任務是確定活塞的結構型式。 ⑴活塞結構型式 根據(jù)密封裝置型式來選用活塞結構型式，通常分為整體活塞和組合活塞兩類。 整體活塞在活塞圓周上開溝槽，安裝密封圈，結構簡單，但給活塞的加工帶來困難，密封圈的安裝時也容易拉傷和扭曲。組合活塞結構多樣，主要由密封型式?jīng)Q定。組合活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長。隨著耐磨導向環(huán)的大量使用，多數(shù)密封圈與導向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞的加工成本。本次設計選用組合式活塞。 ⑵活塞與活塞桿的連接方式采用螺紋連接方式。 ⑶活塞密封結構 活塞的密封型式與活塞的結構有關，可根據(jù)液壓缸的不同作用和不同工作壓力來選擇。 本次設計選用O形密封圈 ⑷活塞的材料選擇 活塞材料選用高強度的鑄鐵HT300。 ⑸活塞的寬度一般為活塞外徑的0.6～1.0倍，取活塞厚度為5mm。 活塞桿的設計 由上述可知活塞桿與活塞采用螺紋連接，查《機械設計手冊》活塞桿螺紋尺寸系列(GB/T2350-1980)螺紋直徑與螺距的大小應取決于活塞桿直徑。 活塞桿直徑的計算 活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和振動沖擊等多種作用力，必須有足夠的強度和剛度。 對于液壓缸無速比要求，可按下式計算活塞桿直徑 （2-6） 式中: -液壓缸的推力， -材料的許用應力， 實心活塞桿材料一般選用35鋼 由式（2-6）可見： 查《機械設計手冊》直徑取22mm 活塞桿強度計算 活塞桿在穩(wěn)定的工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似地用直桿承受拉壓載荷的簡單強度計算公式計算: （2-7） 式中： -活塞桿的作用力， -材料的許用應力， 活塞桿材料一般選用35鋼 -活塞桿直徑，mm 由式（2-7）可見： 設計活塞桿直徑d=22mm滿足要求 則活塞桿螺紋選擇，M20×1.5，查《機械零件設計手冊》與該螺紋配合的螺母為GB/T 6170 M20 活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗算 液壓缸HSG·01-40/dE中速比的液壓缸行程（最大行程為500，由行程系列取400mm）， ， 當液壓缸支撐長度(10～15)時，需要驗算活塞桿彎曲穩(wěn)定性 （2-8） 其中 圓截面 式中： -活塞桿的作用力， -活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力， -安全系數(shù)，通常取=3.5～6，本次選取=5 -液壓缸的安裝及導向系數(shù)，根據(jù)安裝情況取 -實際彈性模量， -材料的彈性模量，鋼材 -活塞桿截面慣性矩， -液壓缸的支撐長度 -材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取 -活塞桿截面不均勻系數(shù)， 代入數(shù)據(jù)得： 由式（2-8）可見： 則活塞桿的穩(wěn)定性滿足要求。 活塞桿的導向套 活塞桿的導向套裝在液壓缸的有桿側缸頭內，用以對活塞桿進行導向，內裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質，灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。內應裝密封圈，以防泄漏。 導向套的典型結構型式有軸套式和端蓋式兩種。 本設計采用軸套式導向套，導向套的材料選用鑄造青銅。 導向套長度的確定 導向套長度過短，將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性，因此，設計必須保證缸有一定的最小導向長度，一般缸的最小導向長度應滿足 （2-9） 式中： -導向套的最小長度 -最大工作行程 -缸筒內徑 由式（2-9）可見： 本次設計導向套的長度選為40mm 排氣閥的選擇 排氣閥的位置要合理，排氣閥應該設在兩腔端部的上方，均應與壓力腔相同，以便安裝后調試前排除液壓缸內的空氣。由于空氣比油輕，總會向上浮動，不會讓空氣有積存的殘留死角。如果排氣閥設置不當或者沒有設置，壓力油進入液壓缸后，缸內仍會存有空氣。由于空氣具有壓縮性和滯后擴張性，會造成液壓缸和整個液壓系統(tǒng)在工作中的顫動和爬行，影響液壓缸的正常工作。 油口的選擇 油口包括油口孔和油口連接螺紋，液壓缸的進出口可布置在端蓋或缸筒上。根據(jù)液壓缸的內徑選用油口連接螺紋，根據(jù)標準(GB/T2878-1993)選擇M20×1.5 密封件、防塵圈 ①活塞和活塞桿的密封件 選用O型密封圈，材料為聚氨酯。聚氨酯的機械性能極好，耐磨、耐高壓耐老化性、耐臭氧性、耐油性也好。 ②防塵圈 防塵圈安裝在前端蓋與活塞桿的接觸處，選用O型密封圈防塵，材料為聚氨酯。 定向裝置 機械手手臂在進行升降運動時，為了防止手臂繞軸發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，采用適當?shù)亩ㄏ蜓b置。它根據(jù)手臂的形式安裝，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構的設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。 本設計定向裝置材料選用鋁合金ZL101 機械手的最大抓重 機械手重量的估算 手抓的重量: 近似一只手指的重量 手部外框的重量約為 因此手部的重量及重物的總重量為 水平手臂的最大回轉半徑為 力矩 定向桿的主要作用對活塞進行定向，因此其直徑的選擇應按照扭轉條件進行設計。 由材料力學中設計公式： （2-10） 式中: -定向桿直徑 -定向桿所受最大扭矩，取。 -材料的剪切應力，對于塑性材料（0.5～0.7） ，n為安全系數(shù)，一般取5。 則 由式（2-10）可見： 取，用M8的六角螺母與液壓缸的端蓋進行連接。 第四節(jié)、機械手腕部的結構設計 手部設計要求 a. 手部應有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動或脫落； b. 夾持范圍要與工件相適應。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的極限位置所擺動的角度）應能適應夾緊較大的直徑范圍； c. 夾持精度要高。既要求工件在手爪內定位準確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應的手爪結構：如圓柱形工件應采用帶V形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質墊片等； d. 夾持動作要迅速、靈活； e. 手部結構要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 一、 機器人手腕結構的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。 一般機器人的自由度數(shù)為2~3個。自由度數(shù)越多，結構越復雜。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 二、 設計具體采用方案 通過搬運上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。 第五節(jié)、 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 一、 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。 3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能。 4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人 。 二、 機器人夾持器的運動和驅動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。 機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種： 氣動驅動方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。 電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩 。 液壓驅動方式 液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制 優(yōu)點 1)從結構上看，其單位重量的輸出功率和單位尺寸輸出功率在四類傳動方式中是力壓群芳的，有很大的力矩慣量比，在傳遞相同功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、慣性小、結構緊湊、布局靈活。 2)從工作性能上看，速度、扭矩、功率均可無級調節(jié)，動作響應性快，能迅速換向和變速，調速范圍寬，調速范圍可達100：l到2000：1；動作快速性好，控制、調節(jié)比較簡單，操縱比較方便、省力，便于與電氣控制相配合，以及與CPU(計算機)的連接，便于實現(xiàn)自動化。 3)從使用維護上看，元件的自潤滑性好，易實現(xiàn)過載保護與保壓，安全可靠；元件易于實現(xiàn)系列化、標準化、通用化。 4）所有采用液壓技術的設備安全可靠性好。 5）經(jīng)濟：液壓技術的可塑性和可變性很強，可以增加柔性生產(chǎn)的柔度，和容易對生產(chǎn)程序進行改變和調整，液壓元件相對說來制造成本也不高，適應性比較強。 6)液壓易與微機控制等新技術相結合，構成“機-電-液-光”一體化已成為世界發(fā)展的潮流，便于實現(xiàn)數(shù)字化。 綜上所述，本設計采用液壓驅動作為夾持器的驅動方式。 三、 機器人夾持器的典型結構 機器人夾持器即機器人手爪，根據(jù)夾持方式，分為內撐式和外夾式；根據(jù)手指的運動方式可分為移動式和回轉式。 下面介紹一些常用的夾持器的典型結構。 1.挈塊杠桿式手爪 圖2-4（a)所示為單作用斜楔式手部的結構簡圖。斜楔2向下運動，克服彈簧5拉力，使杠桿手指裝著滾子3的一端向外撐開，從而夾緊工件8。斜楔向上移動，則在彈簧拉力作用下，使手指7松開。手指與斜楔通過滾子接觸可以減少摩擦力，提高機械效率。有時為了簡化結構，也可讓手指與斜楔直接相接觸。 圖2-4（a）挈塊杠桿式手爪 l—殼體 2—斜契驅動桿 3—滾子 4—圓柱銷 5—拉簧 6—鉸銷 7—手指 8—工件 2.滑槽式手爪 圖2-4（b）為滑槽式杠桿雙支點手部的簡圖。杠桿形手指4的一端裝有V型指5，另一端則開有長滑槽。驅動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內，當驅動連桿同圓柱銷一起作往復運動時，即可撥動兩個手指各繞其支點（鉸銷3）作相對回轉運動，從而實現(xiàn)手指對工件6的夾緊與松開動作?；鄹軛U式傳動機構的定心精度與滑槽的制造精度有關。因活動環(huán)節(jié)較多，配合間隙的影響不可忽視。此機構依靠驅動力鎖緊，機構本身無自鎖性能。 圖2-4（b）滑槽式手爪 1—驅動桐桿 2—圓柱銷 3—鉸銷 4—手指 5—V型指 6—工件 3.連桿杠桿式手爪 圖2-4（c）為雙支點連桿杠桿式手部的簡圖。驅動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接，當驅動桿2作直線往復運動時，則通過連桿推動兩桿手指各繞支點7作回轉運動，從而使手指松開或閉合。該機構的活動環(huán)節(jié)較多，故定心精度一般比斜楔傳動差。 圖2-4（c）連桿杠桿式手爪 l—殼體 2—驅動桿 3—鉸銷 4—連桿 5、7—圓柱銷 6—手指 8—V型指 9—工件 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 4.齒輪齒條式手爪 圖2-4（d）這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。d為由齒條直接傳動的齒輪杠桿式手部的結構。驅動桿2末端制成雙面齒條，與扇形齒輪4相嚙合，而扇齒輪4與手指5固連在一起，可繞支點回轉。驅動力推動齒條作直線往復運動，即可帶動扇形齒輪回轉，從而使手指閉合或松開。 圖2-4（d）齒輪齒條式手爪 1—殼體 2—驅動桿 3—小軸 4—扇齒輪 5—手指 6—V型指 7—工件 四、 設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用杠桿滑槽式手爪結構。它通過活塞桿1的銷2推動手爪使之張開，活塞向右移動使手爪閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為120mm來設計。手爪的具體結構形式如圖五所示： 圖2-5杠桿滑槽式手爪結構 五、 機械手手指的具體設計計算 手指結構設計原始數(shù)據(jù) 手指加持范圍 棒料直徑：80～120mm 棒料長度范圍：30～300mm 定位精度：±10mm 驅動方式：液壓 手指長度計算 圖2-6手指長度關系圖 其中：2a為兩回轉支點間的距離 -手指長 -V形槽夾角 -偏轉角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角 R-工件的半徑 X-工件的軸心位置C到手指兩回轉支點連線的垂直距離 根據(jù)幾何關系由△ABC可得 由△ABC可得 所以 因為 故 當Rmin

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