【正文】 lator。主要包括三個方面 ： 機械手腰部，大臂，小臂，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ；液壓系統(tǒng)設(shè)計 ； PLC 控制部分的設(shè)定 。學(xué)士學(xué)位論文 1 摘要 在當今大規(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)過程的自動化程度，工業(yè)機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。 關(guān)鍵詞： 機械手；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，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，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(jié)合。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(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。 設(shè)計目的 通過機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)大學(xué)四年知識的學(xué)習 ,進行機械手的設(shè)計 ,可以更好地鞏固所學(xué)的課程， ,實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。目前 ,中國的制造業(yè)發(fā)展迅速 ,越來越多的制造業(yè) ,越來越多的生產(chǎn)制造商。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能。 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(yīng)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(shù)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)?；さ刃袠I(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及 物流系統(tǒng) 的搬運、包裝等工作，也有部分是由機器人完成的 ,如圖。 圖 工業(yè)機械手 學(xué)士學(xué)位論文 5 機械手坐標形式分類 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是 比較小的。 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 b。這種機 器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，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)型機械手類型 設(shè)計方案 具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達 30KG，直徑160MM。 圖 機械手工作布局圖 學(xué)士學(xué)位論文 7 整體設(shè)計參數(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，機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 設(shè)計方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。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) 機械手手臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手手臂的設(shè)計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。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。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(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。 機械手腕部 結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人手腕結(jié)構(gòu) 設(shè)計要求 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。 ，在設(shè)計機器人手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。 ，以保證力與運動的傳遞 設(shè)計方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(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(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)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。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(yīng)學(xué)士學(xué)位論文 12 用領(lǐng)域。 當活塞向前運動時，滑 槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。 機械手 所采用的傳 動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。因此， 機械手 的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 減速箱 減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置， 如圖 ， 用來降低轉(zhuǎn)速和增大 轉(zhuǎn)矩 ，以滿足工作需要 。而當 dfd6～ 7mn 時，采用齒輪與軸分開為兩個零件的結(jié)構(gòu)，如低速軸與大齒輪。當軸向載荷較大時，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，應(yīng)具有足夠的承托面，以便放置聯(lián)接螺栓，并保證旋緊螺栓時需要的扳手空間。檢查孔為檢查傳動零件的嚙合情況，并向箱內(nèi)注入 潤滑油 ，應(yīng)在箱體的適當位置設(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)計方案 具體到本設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂、垂直手臂和手爪，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。采用大的傳動比 120，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 、淬火而成，齒輪硬度達 HRC5862。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機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)，動態(tài)特性好，但是效率低。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設(shè)計：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力機構(gòu)可組成電 液伺服馬達，電 液伺服液壓缸，電 液步進馬 達，電 液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器等各種電 液伺服動力機構(gòu)。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負重在 100kg 以下的工業(yè)機 器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 ［ 8］ 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié) 構(gòu)特點，結(jié)合各類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進行。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的開關(guān)頻率動作，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電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進電機按著一定的規(guī)律運動。當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。機械手學(xué)士學(xué)位論文 23 腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅(qū)動來實現(xiàn)；因為采用液壓執(zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；同時考慮隨著機床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。二者的特點及適用場合見表 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、 動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，輸出 轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 表 液壓執(zhí)行原件 本設(shè)計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有 3 個自由度，一個轉(zhuǎn)動，學(xué)士學(xué)位論文 25 兩個移動自由度。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(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機 M 拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥 V1 調(diào)定；1DT 的得失電決定了動力源的投入與摘除。 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)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。帶入數(shù)據(jù)，計算得 NP 377? 學(xué)士學(xué)位論文 31 計算驅(qū)動力計算公式為： ?FkkFc 41? （式 ） 式中， cF 為計算驅(qū)動力； 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)過仔細分析，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)計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合 理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，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)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計能否有足夠的剛度來抗傾覆。 （ 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)，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。 因為腰部回轉(zhuǎn) 運動只存在摩擦力矩，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 為滾動軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機械手本身與負載的重量之和，取 100KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸半徑， R=240mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計算得 lT = mN? ； 同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動比定為 1/120； 2mgDGDl ? （式 ） 帶入數(shù)據(jù)得： lGD = 2mN? 。驅(qū)動方式：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，通過液壓缸與齒輪來實現(xiàn)。 機械手的作業(yè)流程 圖 機械手作業(yè)流程 學(xué)士學(xué)位論文 40 從原點開始，按下啟動鍵，且有上下