【正文】 lator。主要包括三個(gè)方面 ： 機(jī)械手腰部，大臂，小臂，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ； PLC 控制部分的設(shè)定 。學(xué)士學(xué)位論文 1 摘要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；液壓 系統(tǒng)； PLC 控制 學(xué)士學(xué)位論文 2 Abstract In the modern largescale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, manipulators gradually approved and adopted by enterprises. Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator。 Structure。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn) 了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。 設(shè)計(jì)目的 通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)四年知識(shí)的學(xué)習(xí) ,進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì) ,可以更好地鞏固所學(xué)的課程， ,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。目前 ,中國(guó)的制造業(yè)發(fā)展迅速 ,越來(lái)越多的制造業(yè) ,越來(lái)越多的生產(chǎn)制造商。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒(méi)有感覺(jué)外界環(huán)境信息的感覺(jué)器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。它能識(shí)別景物，具有觸覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等多種感覺(jué)，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)能力等人工智能。 C．機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)?；さ刃袠I(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及 物流系統(tǒng) 的搬運(yùn)、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的 ,如圖。 圖 工業(yè)機(jī)械手 學(xué)士學(xué)位論文 5 機(jī)械手坐標(biāo)形式分類 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是 比較小的。 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 b。這種機(jī) 器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。 學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 關(guān)節(jié)型機(jī)械手類型 設(shè)計(jì)方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá) 30KG，直徑160MM。 圖 機(jī)械手工作布局圖 學(xué)士學(xué)位論文 7 整體設(shè)計(jì)參數(shù) ： 0～ 400mm 水平伸縮速度 : 50mm/s 重復(fù)定 位精度： +/1mm ： 100mm 垂直升降速度： 200mm/s 重復(fù)定位精度： +/1mm ： 45176。 ，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 設(shè)計(jì)方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖 所示 ： 學(xué)士學(xué)位論文 9 圖 基座結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手 腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 機(jī)械手腕部 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)要求 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。 ，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。 ，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞 設(shè)計(jì)方案 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的， 3 個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。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(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)學(xué)士學(xué)位論文 12 用領(lǐng)域。 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑 槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。 這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。 機(jī)械手 所采用的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。因此， 機(jī)械手 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 減速箱 減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置， 如圖 ， 用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大 轉(zhuǎn)矩 ，以滿足工作需要 。而當(dāng) dfd6～ 7mn 時(shí)，采用齒輪與軸分開(kāi)為兩個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，如低速軸與大齒輪。當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，應(yīng)采用 角接觸球軸承 、 圓錐滾子軸承 或深溝球軸承與推力軸承的組合結(jié)構(gòu)。為防止?jié)櫥土魇Ш屯饨缁覊m進(jìn)入箱內(nèi)，在軸承端蓋和外伸軸之間裝有密封元件。單體生產(chǎn)的減速器，為了簡(jiǎn)化工藝、降低成本，可采用鋼板焊接的箱體。軸承座的聯(lián)接螺栓應(yīng)盡量靠近軸承座孔，而軸承座旁的凸臺(tái)，應(yīng)具有足夠的承托面，以便放置聯(lián)接螺栓，并保證旋緊螺栓時(shí)需要的扳手空間。檢查孔為檢查傳動(dòng)零件的嚙合情況，并向箱內(nèi)注入 潤(rùn)滑油 ，應(yīng)在箱體的適當(dāng)位置設(shè)置檢查孔。軸承蓋為固定軸系部件的軸向位置并承受軸向載荷，軸承座孔兩端用軸承蓋封閉。 學(xué)士學(xué)位論文 17 設(shè)計(jì)方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂、垂直手臂和手爪，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。采用大的傳動(dòng)比 120，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 、淬火而成，齒輪硬度達(dá) HRC5862。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是在簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型、重型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。這類機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。由以上各類閥件與液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)可組成電 液伺服馬達(dá)，電 液伺服液壓缸，電 液步進(jìn)馬 達(dá)，電 液步進(jìn)液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器等各種電 液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)。由于高起動(dòng)力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在 100kg 以下的工業(yè)機(jī) 器人大多數(shù)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 ［ 8］ 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇要根據(jù)機(jī)器人的用途、功能、結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合各類電機(jī)自身的特點(diǎn)、性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能價(jià)格比等綜合考慮進(jìn)行。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開(kāi)關(guān)元件，以固定的開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來(lái)的一系列脈沖信號(hào)按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。當(dāng)繞組剛通電瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。機(jī)械手學(xué)士學(xué)位論文 23 腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?zhí)行缸來(lái)做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)；同時(shí)考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)度是不同的。二者的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見(jiàn)表 名 稱 特 點(diǎn) 適 用 場(chǎng) 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場(chǎng)合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、雙向不對(duì)稱 往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn) 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動(dòng)缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動(dòng)； 小于 180 的擺動(dòng) 齒輪馬達(dá) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 葉片馬達(dá) 體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、 動(dòng)作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 擺線齒輪馬達(dá) 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 軸向柱塞馬達(dá) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 徑向柱塞馬達(dá) 轉(zhuǎn)速低，輸出 轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 表 液壓執(zhí)行原件 本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有 3 個(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，學(xué)士學(xué)位論文 25 兩個(gè)移動(dòng)自由度。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來(lái)限定系統(tǒng)的最高壓力。根據(jù)液 壓設(shè)備所處的環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī) M 拖動(dòng)；系統(tǒng)壓力由溢流閥 V1 調(diào)定；1DT 的得失電決定了動(dòng)力源的投入與摘除。 學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 液壓系 統(tǒng)學(xué)士學(xué)位論文 28 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 NP 377? 學(xué)士學(xué)位論文 31 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： ?FkkFc 41? （式 ） 式中， cF 為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力； 1k 安全系數(shù)，此處選 ； 4k 工作條件系數(shù)，此處選 ； 其他同上。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù) 表 : 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 20 5 20 80 3~6 表 ：手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù) 學(xué)士學(xué)位論文 32 注：手爪液壓缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 因此，在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過(guò)合 理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動(dòng)力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來(lái)抗傾覆。 （ 2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 ][4?? Fd? （式 ） 式中， F 為活塞桿上作用力； ][? 為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處 ][ b?? ? ； 帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有； RfGRFT fl ????? （式 ） 式中， f 為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取 100KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸半徑， R=240mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 lT = mN? ； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動(dòng)比定為 1/120； 2mgDGDl ? （式 ） 帶入數(shù)據(jù)得： lGD = 2mN? 。驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角： 176。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。 ［ 7］ 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過(guò)液壓缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手的作業(yè)流程 圖 機(jī)械手作業(yè)流程 學(xué)士學(xué)位論文 40 從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下