【正文】 ............. 14 設(shè)計(jì)具體采用的方案 ................................................................... 14 第三章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................................................. 15 確定液壓系統(tǒng)基本方案 .......................................................................... 15 目錄 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展變化，機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，在諸多領(lǐng)域都有著機(jī)器廣泛的研究和應(yīng)用。5wT摘 要 機(jī)器人是一種人類很早就夢(mèng)想制造的，具有仿生性而且處處聽(tīng)命于人的自動(dòng)化機(jī)器 .它可以幫助人們完成很多危險(xiǎn)，繁重，重復(fù)的體力勞動(dòng)而進(jìn)入各種服務(wù)領(lǐng)域。 通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，對(duì)工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手?；趯?duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手作業(yè)的工藝過(guò)程和控制要求的分析 ，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時(shí)編制了機(jī)械手的控制程序。 Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。 目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。 2．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)。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相 互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人 [7]。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球 坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。 ，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。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 [10]。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生 產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題 [12]。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度， 僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 ，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 水平液壓缸支承板手臂手爪聯(lián)結(jié)梁執(zhí)行手爪 圖 24 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。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)用領(lǐng)域。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈 巧手，至今尚未實(shí)用化。 ，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。由 于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。通常與彈簧聯(lián)合使用。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開(kāi)或閉合。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 時(shí)要注意以下問(wèn)題： ，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量要小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 ，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)器人各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過(guò)電 液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)器人手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。 （ 2） 定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)慣量比較大，在定位點(diǎn)前要加緩沖與制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。其電 液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電 液伺服閥，電 液比例閥，電 液 脈沖閥等。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的電 液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)是電 液伺服液壓缸和電液伺服擺動(dòng)馬達(dá)，也可以用電 液步進(jìn)馬達(dá)。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一般中小流量的液壓東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。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 [23]。 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。 確定液壓系統(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)。 手爪要能抓起工件必須滿足： GkkkN 321? （ 36） 式中， N 為所需夾持力； 1k 安全系數(shù)，通常取 ~2； 2k 為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 gak ??12 估算， a 為機(jī)械第三章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 19 手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度 2/sm ， 2/ sma? ， g 為重力加速度； 3k 方位系數(shù)，查表選取 13?k ； G 被抓持工件的重量 30kg ； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： NN 120? ； 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： ???12 NRbp （ 37） 式中， p 為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力； b 為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離； R 為扇形齒輪分度圓半徑； N 為手指夾緊力； ? 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為 ； 其他同上。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)外部的液壓 回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來(lái)實(shí)東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。而且因 為機(jī)械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個(gè)導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 （ 1）缸筒壁厚的較核 第三章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 21 當(dāng) D/ 10?? 時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下： )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （ 310） 式中， D 為缸筒內(nèi)徑； yP 為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力 MPapn 16? 時(shí)，取為 ny pP ? ； ][? 為缸筒材料的許用應(yīng)力， nb /][ ?? ? ， b? 為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為 650MPa ， n 為安全系數(shù)，此處取 5?n ； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。 因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 MPap p 514 ??? （ 313） （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （ 314） 式中， K 為泄露因數(shù)，取 ； maxq 為機(jī)械手工作時(shí)最大流量。這部分在考慮具體的作業(yè)時(shí)根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進(jìn)行詳細(xì)，這里暫 從略。 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手工藝過(guò)程與控制要求 械手的動(dòng)作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開(kāi)以及腰部的旋轉(zhuǎn)。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手上升停止。 當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè) 。機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； —— → 機(jī)床進(jìn)行加工。 ： 就是用按鈕作機(jī)械手的每 一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。 ： 機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。 圖 43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC 該機(jī)集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。 1 個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 本設(shè)計(jì)摒棄了照搬照抄國(guó)外設(shè)計(jì)，不具體問(wèn)題具體分析，不顧具體工作要求，一味仿照國(guó)外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價(jià)格的先進(jìn)元件和設(shè)備，從而導(dǎo)致很多功能根本用不著，“大材小用”，無(wú)謂的提高了成本，造成資源浪費(fèi)的老設(shè)計(jì)“套路”和老方法。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)約能源，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。 PLC 有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì) I/O 點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)?I/O 重新分配，在 控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)