搬运机器人毕业设计说明书.pdf

I 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作 II Abstract In the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity,and,guarantee product quality,as an important part of the automation production line,industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises.Industrial robot technology standards and application level,to a certain extent,reflect a level of national industrial automation.Currently,Industrial robot mainly tasked with welding,spraying,handling and stacking,repetitive and intensity of significant work.The subject of the main part of the handling of their machinery discussions,and on the original mechanical structure proposed for the new improved method,which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts,for the system as well as including:the robots hand,wrist,arm,waist,the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system,and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders,hydraulic cylinders,swing,telescopic hydraulic cylinders,etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot.Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating -1-第 1 章 总 论 1.1 概述 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手4。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。-2-执行机构机器人控制系统驱动-传动系统手部腕部臂部腰部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机 图 1-1 机器人的一般组成 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。位形检测控制系统（二）驱动传动装置执行机构工作对象智能系统控制系统（一）图 1-2 机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。1.2 工业机器人的历史、现状及应用 机器人首先是从美国开始研制的，1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。-3-第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型；（2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件；（3）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人13。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准 -4-化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。1.4 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。1.5 本章小结 本章主要内容是搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面，并通过对现在工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举，提出了未来搬运机器人的几种先进的发展模式和本文的主要研究内容。-5-第 2 章 搬运机器人的总体方案 该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，本章主要对搬运机器人的机械结构部分进行设计和分析。2.1 总体设计的思路 设计机器人大体上可分为两个阶段：1、系统分析阶段 错误！未找到引用源。根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；错误！未找到引用源。分析机器人所在系统的工作环境；错误！未找到引用源。根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由 度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容 许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。2、技术设计阶段 错误！未找到引用源。根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人 的坐标形式；错误！未找到引用源。拟订机器人的运动路线和空间作业图；错误！未找到引用源。确定驱动系统的类型；错误！未找到引用源。选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；错误！未找到引用源。绘制机器人的零件图，并确定尺寸。下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的方案见图2-1。-6-图 2-1 搬运机器人的总体方案图 2.2 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:1 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-2(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m 级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构3。2 圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-2（b）。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3 球坐标机器人结构 -7-球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-2（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间3。4 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-2（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。图 2-2 四种机器人坐标形式 2.3 搬运机器人的组成 搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.3.1 执行机构（1）手部 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。本次设计的搬运机器人手部执行部件如图 2-3、图 2-4。(a)直角坐标型（b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型 -8-图 2-3 搬运机器人手部执行部件示意图 2-4 手部执行部件的机构运动简图 如图 2-3 的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸其工作原理示意图见图2-5，该液压缸能够节省横向的工作空间。图 2-5 伸缩式液压缸原理示意图（2）腕部 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部 1800的旋转运动。设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在1800范围内，其基本的结构形式如图 2-6 所示。-9-图 2-6 腕部回转基本结构示意图 腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转范围：1800。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。（4）机座 机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。2.3.2 驱动机构 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成 -10-本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方式。2.3.3 控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2.4 搬运机器人的技术参数 一、用途：用于车间搬运 二、设计技术参数:1、抓重:20Kg(夹持式手部)；2、自由度数:5个自由度（手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂 部升降5个运动）；3、坐标型式:圆柱坐标系；4、最大工作半径:1600mm；5、手臂最大中心高:1248mm；6、手臂运动参数:伸缩行程：1200mm 伸缩速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s 回转范围：0180；7、手腕运动参数:回转范围：0180。2.5 本章小结 本章从搬运机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。同时，就搬运机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。-11-第 3 章 手部夹持器的结构设计及计算 3.1 手部夹持器 机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类：1 夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。2 吸附式：包括气吸式与磁吸式等。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：1 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4 通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5 机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。3.2 手部设计基本要求 手部的设计应满足以下基本要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机 -12-构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。（5）应考虑通用性和特殊要求，一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的方法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为：双支点连杆杠杆式手部结构（见图2-3）。3.3 选择手抓的类型及夹紧装置 本次搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪夹取重量为20Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常形式夹紧装置，它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。-13-3.4 手爪的结构设计 3.4.1 手爪的力学分析 图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图 1 手指 2销轴 3杠杆 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心O 点，手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为F1和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1和 OO2并指向O 点，交 F1和 F2的延长线于 A 及 B。由=0 得:由=0 得:12 c o sFF 11FF 由 得:1NFFh cosah F=2cosNbFa （3.1）-14-式中:a-手指的回转支点到对称中心的距离（mm)；-工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力 F 一定时，角增大，则握力 FN也随之增大，但如果角过大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大，因此最好取，故本次设计选取。根据给定的数据：抓取的重物为 20Kg 钢与钢之间的静摩擦因数 取为：=0.15 即:取 FN=1400N a=35mm b=50mm 故：F=2cosNbFa=140030COS355022=3000N 3.4.2 夹紧力和驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：123NFK K K G （3.2）式中：安全系数，通常 1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 其中重力方向的最大上升加速度：；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。-15-表 3-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力 Mpa 作用在活塞上外力 F（N）液压缸工作压力 Mpa 小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0 500010000 1.52.0 3000050000 4.05.0 1000020000 2.53.0 50000 5.08.0 表3-2 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 计算：（1）取 a=35mm,b=50mm,，机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力 FN和驱动力 F 和驱动液压缸的尺寸。取=0.10.519.8=1.02 30.5K 根据公式，将已知条件带入：NF=1.51.020.53400N=3100N（2）根据驱动力公式得：（3）取 （4）确定液压缸的直径D：(3.3)选取活塞杆直径 d=0.5D,根据表 3-1选择液压缸压力油工作压力 P=0.81MPa,)5.01(F42p实际=75.010.80300045=18mm 根据表3-2（JB826-66），选取液压缸内径为：D=20mm，则活塞杆内径为:d=D0.5=200.5=10mm，选取 d=10mm。3.5 本章小结 -16-本章主要针对手部结构展开讨论，根据手部夹持器的结构形式（夹持式和吸附式）及手部设计的基本要求选择手爪类型为双支点连杆杠杆手部。通过对手爪的力学分析，计算出了手部实现抓取工件所需的夹紧力和驱动力。-17-第 4 章 腕部结构设计及计算 4.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为搬运机器人的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件 对于本次设计，搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为 20Kg的物体，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。4.2 腕部结构及选择 4.2.1 典型的腕部结构 (1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270）。(2)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4)机-液结合的腕部结构。4.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。4.3 腕部结构设计计算 腕部设计考虑的参数：夹取工件重量20Kg；回转。-18-4.3.1 腕部驱动力计算 图 4-1 腕部支撑反力计算示意图 腕部回转时要克服的阻力：a.腕部回转支撑处的摩擦力矩：(4.1)其中f为轴承摩擦系数取f=0.1 b.克服由于工件重心偏置所需的力矩：（4.2）c.克服启动惯性所需的力矩：（4.3）假设给定的工件是一直径 D=70mm，长度 L=660mm，重量 G=200N 的棒料。按照任务书要求实现腕部回转180，现计算腕部所需的驱动力矩如下：1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 60mm，直径 100mm，其重力估算如下：2）摩擦力矩：3）启动过程所转过的角度，等速转动角速度 (4.4)查取转动惯量公式有：代入：-19-4.3.2 腕部驱动液压缸的计算 表 4-1 液压缸的内径系列（JB826-66）6 （mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 4-2 标准液压缸外径（JB1068-67）6 （mm）液压缸外径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 设定腕部的部分尺寸：根据表 4-1 设缸体内径 R=40mm，外径根据表 4-2 选择80mm，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 100mm；动片宽度 b=66mm,输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 4-2 所示。则回转缸工作压力：222222 61.117.350.0660.0550.0225MPMpab Rr，选择 8Mpa 图 4-2 腕部液压缸剖截面结构示意图 4.4 液压缸盖螺钉的计算 -20-图 4-3 缸盖螺钉间距示意图 表 4-3 螺钉间距t与压力P之间的关系20 缸盖螺钉的计算，如图 4-3 所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-3，在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力:0sQQQFFF （4.5）液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 8 个螺钉，3.140.1143.178088D 所以选择螺钉数目合适 Z=6 个。危险截面的面积：(4.6)所以:螺钉材料选择 Q235，(n=1.21.5）工作压力 P（Mpa）螺钉的间距 t(mm)0.51.5 小于 150 1.52.5 小于 120 2.55.0 小于 100 5.010.0 小于 80 -21-螺钉的直径：（4.7）=0.008m 螺钉的直径选用 M10。4.5 动片和输出轴间的连接螺钉 动片和输出轴之间的连接结构见图 4-3,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得:(4.8)D动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取 f=0.15。螺钉的强度条件为：(4.9)或 (4.10)带入有关数据得：螺钉材料选择 Q235，则（n=1.21.5）螺钉的直径：=0.008m 螺钉的直径选用 M10。4.6 本章小结 本章主要内容为腕部结构的设计包括：腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及选取各关键部位螺栓的计算。-22-23-第 5 章 臂部结构的设计及有关计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章祥述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。5.1 臂部设计的基本要求 臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂