【正文】 技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。 ，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)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(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問 市。 機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可 缺少的自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。 第三周完成液壓系統(tǒng)和 PC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 三、 設(shè)計(jì)任務(wù)或主要技術(shù)指標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線上工件的自動(dòng)轉(zhuǎn)移。 52 PC 控 制系統(tǒng)程 序??? ???? ???? ??? 41 第六章 電 氣控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)? ???? ???? ???? ??? 48 167。 36 液壓泵???????????????????? 35 第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)?????????????????? 36 167。 32 手腕回轉(zhuǎn) 部分 ?? ???? ???? ???? ? ..17 167。 系 別： 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí)： 涉外 03— 18 指導(dǎo)教師： 薛風(fēng) 完成日期： 2020— 6— 14 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 2 目錄 第 一章 設(shè) 計(jì)概論 ?? ??? ?? ??? ?? ??? ?? ??? 1 第 二章 整 體設(shè)計(jì) ?? ??? ?? ??? ?? ??? ?? ??? 4 167。 21 機(jī)械手理論部分 ? ? ??????? ??????? 4 167。 33 手臂伸縮部分???????????????? 19 167。 41 液壓系統(tǒng)分析????????????????? 36 167。 6 1 電磁 鐵 順序 ? ?? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? 49 167。 合理布局，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理化。 最后一周完成電氣控制部分設(shè)計(jì)，和打印設(shè)計(jì)書，一個(gè)月完成設(shè)計(jì)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)械手是機(jī)器人重要的組成部分，特別是工業(yè)機(jī)械手，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能中起關(guān)鍵作用。 3．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)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)的可靠性、易操作性和可維修性。美國發(fā)射到火星上的 “索杰納 ”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)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(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng) 技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 7 種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。執(zhí)行系統(tǒng)機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抓取、搬運(yùn)或操作動(dòng)作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠獨(dú)立地按控制程序、自動(dòng)重復(fù)操作的機(jī)械手，這種機(jī)械手具有能很快地改變程序的功能，適應(yīng)性 很強(qiáng)，在中小批量、多品種的工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物體（工件或工具）實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)用的機(jī)械部分，包括以下機(jī)構(gòu)。手指與物體直接接觸，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則開閉手指，并通過手指對(duì)被抓取物體施加完成約束和加緊力，使之牢牢被抓住，到目的地后被放松。它主要由手臂（又稱臂部）、手腕（又稱腕部）、行走裝置等部分組成。 行走裝置的主要作用是擴(kuò)大機(jī)械手的送放范圍，以適應(yīng)遠(yuǎn)距離操作的需要。采用的驅(qū)動(dòng)源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成也就不同。它主要包括程序控制和位置檢測(cè)等部分。 以上各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖 7—2 所示。通用機(jī)械手則是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作多樣的機(jī)械手，其工作范圍大，定位精高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量、多品種的自動(dòng)化生產(chǎn)中。 新疆工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程系 11 按控制方式分 機(jī)械手可分為點(diǎn)位控制和連接軌跡控制兩種不同類型的機(jī)械手。 三、工業(yè)機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是指機(jī)械手的送放運(yùn)動(dòng)，它包括運(yùn)動(dòng)和輔助兩部分。手腕的運(yùn)動(dòng)包括回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)、橫向移動(dòng)等多種形式。 機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作的自動(dòng)機(jī)械裝置，而人手是一種經(jīng)過了億萬年歷史進(jìn)化后所形成的高超機(jī)構(gòu)。 這種機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單，直觀性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)一定的精度要求；但所需的空間位置大，工 作范圍小，靈活性差，因而限制了其廣泛應(yīng)用。但其手臂的升降受到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的限制，距離地面總有一定的距離，因而它不能從地面上抓取物體。 （ 4）多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 這是一種屈伸型機(jī)械手，臂部由大臂和小臂兩個(gè)部分組成。但其運(yùn)動(dòng)直觀性差，臂部前端的位置由多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)決定，要達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度比較困難，為此必須提高制造精度，因而使設(shè)計(jì)和制造均較為復(fù)雜。 驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，由于機(jī)械手操作時(shí)各缸不是同時(shí)工作，手臂伸縮缸柱身回轉(zhuǎn)缸所需流量較大，其余各缸流量均較小，因此可采用雙聯(lián)葉片泵，在小流量時(shí)，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷，在大流 量時(shí)，兩泵同時(shí)供油，可減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。 31 夾緊部分 一、夾緊說明 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定于被抓取工件（或物體）的形狀和重量，抓取工件為圓柱形，重量為 10kg )5.( kgo? ,故采用夾鉗式 V 型指形結(jié)構(gòu)較為合適，當(dāng)夾緊液壓缸通油時(shí)， 活塞來回運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)合攏將工件夾緊，當(dāng)夾緊液壓缸斷油時(shí)，活塞桿通過彈簧復(fù)位。 2K — 工作情況系數(shù)，主要參考慣性力的影響，按下列公式估算：抓取工件位移過程中其中 agaK ,12 ?? 的最大速度， g 為重力加速度。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 16 均較好的中碳鋼，強(qiáng)度，韌度??~?cw ，如用于主軸、鍵、連桿等。 五、夾緊缸主要零部件設(shè)計(jì) 缸筒的設(shè)計(jì) 主要技術(shù)要求 （ 1） 有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力而不致產(chǎn)生永久變形。 缸筒的機(jī)構(gòu) 夾緊缸缸 筒與端蓋的連接型式為外螺紋連接，如圖： 螺紋連接部分強(qiáng)度計(jì)算 缸筒與端部用螺紋連接時(shí)，缸筒螺紋外的強(qiáng)度計(jì)算如下： 螺紋處的拉應(yīng)力： 1725 M P aM P aDd kf ])()[( )(46226221???? ?????? ???? F— 缸筒端部承受的最大推力（ N）； D— 缸筒內(nèi)徑（ m） 。 活塞 活塞根據(jù)密封裝置來選用其結(jié)構(gòu)用其結(jié)構(gòu)型式，此夾緊缸采用整體活塞。 （ 2）桿外端 與手部連桿連接采用圓耳頭結(jié)構(gòu)。 材料 液壓缸用的活塞桿材料通常要求淬火深度一般為 ~1mm，可選用碳素鋼45 號(hào)，如果是底負(fù)載液壓缸的話，就可以不作表面處理。由于密封副同軸度好，圓周間隙均勻，所以泄露少。 導(dǎo)向環(huán)采用嵌入型導(dǎo)向環(huán)： 嵌入型導(dǎo)向環(huán)在活塞外圓加工出燕尾型截面溝槽，用青銅 QHL94 或紫銅制銅帶，表面加 工成略帶模形，用木縋柳入溝槽內(nèi)，最后加工導(dǎo)向環(huán)外圓。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 20 （ 1）結(jié)構(gòu)型式 典型結(jié)構(gòu)型式有端蓋式和插件式兩類。對(duì)要求摩擦力特別小的場(chǎng)合，不用密封圈而用靜壓軸承，利用供液壓缸的壓力油，把活塞桿托起。 八、液壓缸油口 液壓缸的進(jìn)出油口，可布置在端蓋或缸筒上，此夾緊缸布置在 缸筒上，參照國際標(biāo)準(zhǔn)：進(jìn)出油口尺寸 M10? 1mm。即腕部應(yīng)具有回轉(zhuǎn)、上下俯仰和左右擺動(dòng)三個(gè)自由度。 二、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的腕部 圖如下具有回轉(zhuǎn)動(dòng)作的腕部兩種結(jié)構(gòu)形式圖采用擺動(dòng)缸，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小但密封性差，回轉(zhuǎn)角度不大于 360 度，另外齒條傳動(dòng)活塞缸輸出扭矩大回轉(zhuǎn)角度可大于 360 度 密 封 性 好 但 體 積 小 。 五、動(dòng)力計(jì)算 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： ? ? mgfgpm ?????????? 式中： M─腕部轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩。Kgf﹒ m Mg— 轉(zhuǎn)動(dòng)部件起動(dòng)慣性力矩 kgf﹒ m 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 22 公式中 Mm、 Mp和 Mg的大小是根據(jù)腕部的運(yùn)動(dòng)形式及結(jié)構(gòu)配置的不同而異。 ? ? mg fmtwJg ???????? 5001500 式中： J— 轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgf﹒ m﹒ j。 （ 3） 內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能夠長期工作而磨損少，有較高的幾何精度，足一保證活塞密封性。 k— 擰緊螺紋的系數(shù)， k=~。 桿徑 d==20mm 臂厚 ? 的確定 mmDP P 1602 ][2 ?? ???? ?? 取 ? =5mm P — 試驗(yàn)壓力； D— 液壓缸直徑； [? ]— 缸體材料的許用應(yīng)力。整體活塞可以采用活塞環(huán)，“ O”形密封圈。如圖： （ 3）桿內(nèi)端 活塞桿內(nèi)端與活塞連接有多種型式，采用卡環(huán)連接，并要有鎖緊措施，以防在工作時(shí)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)而松開，同時(shí)還須安裝與活塞桿之間的靜密封。 （ 6）導(dǎo)向環(huán) 導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圓的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi)圈的溝槽內(nèi)，以保證活塞與缸筒或活塞桿與其導(dǎo)向套同軸度。 導(dǎo)向環(huán)可采用耐磨損材料，磨損后更換比較方便。 導(dǎo)向環(huán)厚度可為 1mm，寬可為 2mm. 四、導(dǎo)向套 活塞桿導(dǎo)向套在液 壓裝在液壓缸有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿側(cè)腔的密封性，外側(cè)裝有防空網(wǎng)以防止活塞桿在內(nèi)縮時(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置區(qū)，以致?lián)p壞密封裝置。目前采用新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 27 較多的插件式導(dǎo)向套是用耐磨材料制成的，也有用鋼制并內(nèi)裝耐磨套或?qū)颦h(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是裝拆方便，拆卸時(shí)不用拆端蓋。 （ 2）導(dǎo)向套受力情況 負(fù)載力矩 mNLFM ??????? )310(10 NLmkF gd 2 6 ??? dF — 導(dǎo)向套承受的載荷； gL — 活塞至導(dǎo)向套間距； 0M — 外力作用下活塞上的力矩； 1F — 作用于活塞桿上的偏心載荷； L— 載荷作用的偏心力矩。 34 液壓擺動(dòng)部分 一、擺動(dòng)液壓馬達(dá)是一種輸出軸擺動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)液壓執(zhí)行元件。又因擺動(dòng)液壓馬達(dá)在整個(gè)液壓系統(tǒng)中只是一個(gè)執(zhí)行元件，所以在決定采用何種形式的擺動(dòng)馬達(dá)之前，還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的工作壓力、可供流量和功能情況有所了解。 但那樣做軸向尺寸會(huì)增大，安裝復(fù)雜，費(fèi)用也多。但是也要考慮到工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 30 系統(tǒng)是否許可。前者決定設(shè)計(jì)出來的擺動(dòng)液壓馬達(dá)能否拖動(dòng)負(fù)載，后者可確定為使負(fù)載達(dá)到所需的角速度要求液壓系統(tǒng)提供多少流量。如果擺角很大（ ?300 左右），擺動(dòng)液壓馬達(dá)成短圓柱時(shí)，也可參照液壓缸缸筒的辦法進(jìn)行計(jì)算。 ?? — 葉片根部厚度（ m） 。 （ 2） 有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 d— 螺紋底徑（ m） 。 1P — 系統(tǒng)的工作壓力； 2P — 回油腔的壓力； m? — 機(jī)械效率，（一般取 m? =） d— 活塞桿直徑。 （ 3） 有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 d— 螺紋底徑（ m） 。 缸筒與端部用螺紋連接時(shí)，缸筒螺紋外強(qiáng)度計(jì)算如下： 螺紋處的拉應(yīng)力， 62121 10)(4???? ??? dDF = 622])()0 [(441 186 9 ?????? =19Mpa 活塞 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 36 活塞根據(jù)密封裝置來選用其結(jié)構(gòu)用其結(jié)構(gòu)型式，此夾緊缸采用整體活塞。 （ 2)桿外端 與手部連桿連接采用圓耳頭結(jié)構(gòu)。 1桿的材料 新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 37 液壓缸用的活塞桿材料通常要求淬火深度一般為 ~1mm，可選用碳素鋼45 號(hào)，如果是底負(fù)載液壓缸的話，就可以不作表面處理。由于密封副同軸度好，圓周間隙均勻，所以泄露少。 導(dǎo)向環(huán)采用嵌入型導(dǎo)向環(huán)： 嵌入型導(dǎo)向環(huán)在活塞外圓加工出燕尾型截面溝槽，用青銅 QHL94 或紫銅制銅帶，表面加工成略帶模形，用木縋柳入溝槽內(nèi)，最后加工導(dǎo)向環(huán)外圓。目前采用多的插件式兩類。材料可選用灰鑄鐵，球墨鑄鐵等。 36