【文章內(nèi)容簡介】 標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。 （ 4）機身 機身部 分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機身的自由度加以實現(xiàn)。因此，機身部分具有兩個自由度才能滿足基本要求，即機身的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)運動。 機身的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷， 8 而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 本次設計實現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機身的回轉(zhuǎn)運動。機身的運動參數(shù)： 伸縮行程： 3650mm； 伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s；回轉(zhuǎn)范圍： 00 90~90 ?? 。機器人機身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結(jié)構(gòu)中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式機身結(jié)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。機身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。 （ 5）滑軌 滑軌是懸臂機器人的基礎部分，起懸掛作用，它將機身懸掛于導軌之上。并帶動機身沿軌道直線運動。 控制系統(tǒng)分類 在機械 手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。本設計采用電磁控制。 焊接機器人的技術(shù)參數(shù) 一、用途：用于焊接工件 二、設計技術(shù)參數(shù) : 焊槍 :； 自由度數(shù) :4個自由度 （腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮 4個運動）； 坐標型式 :直角坐標系； 最大工作半徑 :4730mm； 手臂最低中心高 :4040mm； 手臂運動參數(shù) :伸縮行 程： 1850mm 伸縮速度： 1200mm/s~1400mm/s 升降行程： 3650mm 升降速度： 1200mm/s~1400mm/s 回轉(zhuǎn)范圍： 00 90~90 ?? ； 手腕運動參數(shù) :回轉(zhuǎn)范圍： 00 90~90 ?? 。 本章小結(jié) 9 本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據(jù)機器人自由度的要求選取直角坐標系為本次設計坐標系。同時，就焊接機器人的組成（執(zhí)行機構(gòu) 和驅(qū)動機構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動作為本次設計的驅(qū)動機構(gòu)。最后，給出了設計中所需的技術(shù)參數(shù)。 10 第 3 章 腕部結(jié)構(gòu)的設計及計算 腕部設計的基本要求 (1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 11 腕部作為焊接機器 人的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 (3) 必須考慮工作條件 對于本次設計，焊接機器人的工作條件是在工作場合中焊接工件，最大載荷為 8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對焊接機器人的腕部沒有太多不利因素。 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 典型的腕部結(jié)構(gòu) (1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩 M，需要克服以下幾 種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 270176。）。 (2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于 270176。的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大。 (3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。 (4) 機 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇 本設計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。 腕部結(jié)構(gòu)設計計算 腕部設計 考慮的參數(shù)：最大載荷： 8KG；回轉(zhuǎn)。 12 腕部驅(qū)動力計算 圖 31 腕部支撐反力計算示意圖 腕部回轉(zhuǎn)時要克服的阻力： F=FR1+FR2 a. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： Ma= Fd （ ） 其中 f 為軸承摩擦系數(shù)取 f = b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： Mb=G3e （ ） c. 克服啟動慣性所需的力矩： Mc=π D4/32 （ ） 腕部驅(qū)動液壓缸的計算 表 31 液壓缸的內(nèi)徑系列 （ JB82666） 錯誤 !未找到引用源。 （ mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 32 標準液壓缸外徑 （ JB106867） 錯誤 !未找到引用源。 （ mm） 液壓缸外徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 13 45 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表 31 設缸體內(nèi)徑 R=40mm，外徑根據(jù)表 32 選擇 60mm，這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為 90mm；動片寬度 b=66mm,輸出軸 r= 32 所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力： ? ? ? ?2 2 2 22 2 6 1 . 1 1 7 . 3 50 . 0 6 6 0 . 0 5 5 0 . 0 2 2 5MP M p ab R r ?? ? ?? ? ? 選擇 8Mpa 圖 32 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意圖 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 圖 33 缸蓋螺釘間距示意圖 14 表 33 螺釘間距 t與壓力 P之間的關系 錯誤 !未找到引用源。 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t(mm) ～ 小于 150 ～ 小于 120 ～ 小于 100 ～ 小于 80 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖 43 所示， t 為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關，見表 43， 在這種聯(lián)接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 : 0 39。sQ Q QF F F?? （ ） 液壓缸工作壓強為 P=8Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,試選擇 12 個螺釘， mmD ???? 80mm 所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z=12 個。 螺釘材料選擇 Q235， (n=～ ） 螺釘?shù)闹睆剑篯[ ?? Fd ?? （ ） d = 螺釘?shù)闹睆竭x 用 M5。 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見圖 43,連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 螺釘材料選擇 Q235，則 （ n=～ ） 螺釘?shù)闹睆?： d= 螺釘?shù)闹睆竭x 用 M5。 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設計包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設計計算。首先，根據(jù)腕部設計的基本要求選擇與本次設計相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進行設計計算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選 15 用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關鍵部位螺栓的計算。 16 第 4 章 臂部結(jié)構(gòu)的設計及計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動， 手臂的回轉(zhuǎn)和升降 運動設置在機身處，將在下一章祥述。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 臂部設計的基本要求 臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列 各項基本要求： 一、臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面： (1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； (2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離； (3) 合理布置作用力的位置和方向； (4) 注意簡化結(jié) 構(gòu)； (5) 提高配合精度。 二、臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在最大回轉(zhuǎn)角速度設計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 4 個途徑 錯誤 !未找到引用源。 ： (1) 減少手臂運動件的重量，采用 鋁合金材料； (2) 減少臂部運動件的輪廓尺寸； (3) 減少回轉(zhuǎn)半徑 ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后 17 伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作； (4) 在驅(qū)動系統(tǒng)中設緩沖裝置。 三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足 不自鎖的條件 錯誤 !未找到引用源。 。 四、位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 總結(jié)： 除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應該綜合考 慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 手臂的典型運動機構(gòu) 常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種： (1) 雙導桿手臂伸縮機構(gòu)； (2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)； (1)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)； (2)活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。 手臂運動機構(gòu)的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設計選 擇液壓缸伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動 ,水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。 18