【正文】 加工工 藝要求，工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)，一般手腕沒(méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作的要求，也有的專用機(jī)械手沒(méi)有手腕的運(yùn)動(dòng)，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動(dòng)或沿 y軸方向的橫向移動(dòng)。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題液壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 31所示， 31齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu) 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 要求抓取重量為 50N V形手指的角度 2 =120? ， b=60m m ,R =17m m， 摩擦系數(shù)為 f= (1)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式 : GsinN 2f ?? 50sin602 217N? ?? (2)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖 32，其驅(qū)動(dòng)力為 : P ?理 2bNR 2 60 21 717??? 1532N? 32齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)示意圖 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 共 43 頁(yè) (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : 12kkPP ?? 理實(shí) 際 因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ?? ，并取 1k ? 。 2，抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適 應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。 (四 )具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不 同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸 1中的齒條活塞桿 8在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動(dòng)齒輪7并帶動(dòng)扇形齒軸 5回轉(zhuǎn)，因手指 6與扇形齒輪 5固結(jié)為一體，所以兩個(gè)手指同時(shí)回轉(zhuǎn)而夾緊工件。 如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。 手臂伸縮行程范圍 0~500mm，手臂升降行程范圍最大 0～ 100mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0186。 程序編制與存儲(chǔ)容量 程序編制與存儲(chǔ)容量這個(gè)技術(shù)參數(shù)用來(lái)說(shuō)明機(jī)器人的控制能力，即程序編制和存儲(chǔ)容量的大小表明機(jī)器人作業(yè)能力的復(fù)雜程度和改變程序時(shí)的適應(yīng)能力及通用程度。 定位精度 定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的又一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般所說(shuō)的定位精度是指重復(fù)頂誒精度。在本次設(shè)計(jì)中選定手臂伸縮速度 750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度 110186。 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8頁(yè) 共 43 頁(yè) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是通用機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種： 表 22 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表 [6] 結(jié)構(gòu)形式方案 特點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1 直角坐標(biāo)型 作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置 結(jié)構(gòu)剛度較好 ，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過(guò)程中效率較低 2 圓柱坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過(guò)程中效率不高 3 球坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 4 關(guān)節(jié)型 操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜， 結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9頁(yè) 共 43 頁(yè) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度是其主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一。 ~220186。工作空間大小不僅與機(jī)器人各桿件尺寸有關(guān)，而且也與它的總體構(gòu)形有關(guān)。 本設(shè)計(jì)的通用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，自由度選擇為四個(gè)。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)器人靠近機(jī)座的 3個(gè)自由度是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個(gè)自由度來(lái)定出末端執(zhí)行器的方位； 7個(gè)以上的自由度是冗余自由度，是用來(lái)躲避障礙物的。自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，三維空間需要 6 個(gè)自由度。 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5頁(yè) 共 43 頁(yè) 機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫(xiě)入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來(lái)的更多的自 由度。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊 語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生 產(chǎn)線。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。 (2)研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī) 械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。通用機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開(kāi)發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。 （ 4）用液壓系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械手，比一般的機(jī)械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： (1) 可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。 機(jī)器人控制器一般為控制計(jì)算機(jī)，接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息，即機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，生成控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由四個(gè)相互作用的部分組成，即機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器。 機(jī)械手特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與研究意義 機(jī)器人的特點(diǎn) 機(jī)器人的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在它的通用性和適應(yīng)性等方面。 作者簽名： 日 期： 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2頁(yè) 共 43 頁(yè) 一、 引言 機(jī)械 液壓通用機(jī)械手，就其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇， 機(jī)器人學(xué)是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門綜合學(xué)科。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1頁(yè) 共 43 頁(yè) 液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。如自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料，加工中心的自動(dòng)換到的自動(dòng)化裝置。 機(jī)器人的適應(yīng)性是指具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，及機(jī)器人能夠自主執(zhí)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)規(guī)劃的中間任務(wù)，而不管執(zhí)行過(guò)程中所發(fā)生的沒(méi)有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。 機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)中的任務(wù)一般定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)）間的差別，必須用適當(dāng)?shù)某绦蛘Z(yǔ)言來(lái)描述，并能為計(jì)算機(jī)所理解。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用。 在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有 放射性物質(zhì)的環(huán)境場(chǎng)合，用人手直接操作是很危險(xiǎn)的甚至是不可能的。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)都很重視。 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4頁(yè) 共 43 頁(yè) 目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是： (1)研制有更多自由度的液壓機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。 (5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。如果把這種再現(xiàn)式通用機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 11 所示。 通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。 (二 )按驅(qū)動(dòng)方式分 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬 于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。物體能夠能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度（ DOF degree of freedom）。工業(yè)機(jī)器人自由度數(shù)較多，動(dòng)作靈活性和通用性較大。在滿足機(jī)械手工作要求前提下，為簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。 工作空間的確定 工作空間是指機(jī)械手正常工作時(shí)，手腕參考點(diǎn)在空間活動(dòng)的最大范圍，依據(jù)機(jī)械手工作 范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡確定。 本機(jī)械手的工作空間要求為：手臂伸縮行程范圍 0~500mm，手臂升降行程范圍最大 0～ 100mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0186。 任務(wù)書(shū)要求能夾持重量為 50N 的物體，考慮末端執(zhí)行器的重量及各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設(shè)計(jì)負(fù)載為 800N。 /s 左右。 作為機(jī)器人規(guī)格參數(shù)的運(yùn)動(dòng)速度是指全程的平均速度，實(shí)際使用速度可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。伺服控制系統(tǒng)的機(jī)器人是一種位置跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載的情況下，也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動(dòng)，因此可獲得較高的定位精度，重復(fù)定位精度最高可達(dá)到 。 /s，驅(qū)動(dòng)方式為電 液伺服系統(tǒng) 。 定位方式 行程開(kāi)關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 定位精度 mm1? 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 控制方式 點(diǎn)位程序控制（采用 PLC） 北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 三、手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端，如圖 3— 1 所示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。 手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所組成。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。 (二 )手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。總之應(yīng)根據(jù)工件形狀來(lái)選定手指形狀。 (六 )應(yīng)考慮手指的多用性 手指是專用性較強(qiáng)的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可 制成組合式的手指，對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修方便，更換迅速和準(zhǔn)確，以便擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍。 3GdP 8C Z??彈 其中 2D D d 3 0 3C = 9d d 3??? ? ?； Z=12； 10 2G 8 10 N/m?? 3GdP 8C Z??彈 3 1 0 332 5 1 0 8 1 0 3 1 08 9 1 2??? ? ? ? ?? ?? 86N? 求夾緊缸的工作壓力 作用在夾緊缸活塞上的機(jī)械載荷 P為： P P P P? ? ?彈 封實(shí) 由于密封裝置的摩擦阻力較工作阻力 （ P P P??工 彈實(shí) ） 小，又因密封處的工作壓力 p是待求值，故按照經(jīng)驗(yàn)取 PP? 工封 （ ） ， 所以取