【正文】 ………………………… …………… 8 5 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇 ……………………………………… 9 一手部結(jié)構(gòu) ………………………………………………………… 10 （一） 概述 …………………………………………………………… 10 （二） 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 …………………………………… 10 （三） 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ………………………………………………… 10 （ 四 ） 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………… 13 1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 ……………………………………… 13 2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 ……………………………………………… 13 3 缸筒 兩端部的計(jì)算 …………………………………………… 14 二 腕部的結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 17 （一） 概述 …………………………………………………………… 17 （二） 腕部的結(jié)構(gòu)形式 ……………………………………………… 18 （三） 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ………………………………………… 16 1 摩擦阻力矩 …………………………………………………… 19 2 工件重心引起的偏置力矩 …………………………………… 19 3 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 …………………………………… 20 4 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì) 算 ………………………… 21 三 臂部的結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 22 （一） 概述 …………………………………………………………… 22 （二） 手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) …………………………………………… 25 （三） 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ………………………………………………… 25 （ 四 ） 臂部驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ………………………………………… 25 1 手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ………………………… 26 2 手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ………………………… 28 5 3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ………………………… …… 30 四 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ………………………………………………… 32 （一） 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ………………………………………………… 32 （二） 液壓系統(tǒng)的組成 ……………………………………………… 32 （三） 液壓系統(tǒng)控制回路 …………………………………………… 33 （ 四 ） 機(jī)械手液壓傳動(dòng)系統(tǒng) ………………………………………… 33 （ 五 ） 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 ………………………………… 33 結(jié)束語 …………………………………………………………………… 44 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………… 45 致謝……………………………………………………………………… 46 6 前言 （一） 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來。 到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè) 、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 （二） 世界機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： （ 1） . 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10． 3 萬美元降至 97 年的 6． 5 萬美元。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三 位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （ 4）．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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng) 中已有成熟應(yīng)用。 （ 6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 7 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。 （三） 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代 “七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過 “七五 ”、 “八五 ”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和 軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì) ”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “十五 ”后期立于世界先進(jìn)行列之中。本液壓機(jī)械手的臂力為 N 臂 =1650（ N），安全系數(shù) K 一般 可在 ~3，本機(jī)械手取安全系數(shù) K=2。1mm。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。110176。110176。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。 ③ 在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V 腕回 = 45176。/s 手臂升降速度 V 臂升 = 250 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 V 夾 = 50 mm/s 4. 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。本機(jī)械手采用機(jī)座式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。 本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊 9 檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。 驅(qū)動(dòng)方式一般有四種：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 10 一、 手部結(jié)構(gòu) (一 ) 概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手 臂的前端。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。 (二 ) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 1. 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工 件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。 3. 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。 4. 應(yīng)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)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 (三 ) 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 11 圖 1 滑槽杠桿式手部受力分析 如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。 根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 ∑Fx=0 得 12FF? 。 手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 NF 表示。 α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。~40176。 。綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。 α=30176。 2K —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 ? 4 294 N N? ? ? ? ? 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 (2) 2= F =2 c o s FNF b a? ?計(jì) 算 得 ? 2F = 2 8 0 c o s 3 0 1 4 9 2 / 5 0 = 3 5 5 6 N? ? ?計(jì) 算 13 (3) 取 手指?jìng)髁π? η=, 則 = F / = 3 5 5 6 / 0 . 8 5 = 4 1 8 3 . 5 N 5 0 0 0 NF ?實(shí) 際 計(jì) 算 (四 ) 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液 壓缸，設(shè) 夾緊工件時(shí)的行程為 25mm，時(shí)間為 ，則所需夾緊力為： 工作壓力取 1MP，考慮到為使液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，取工作壓力為 。 4. 缸筒兩端部的計(jì)算 ① 缸筒底部厚度的計(jì)算 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為 m a x0p0 . 4 3 3 6 . 8[ ] ( d )Dh D m mD???? 考慮結(jié)構(gòu)要求，取 h=10mm 式中： D—— 缸筒內(nèi)徑 maxP —— 液壓缸最大工作壓力，取 m ax 25NP P MP?? []? —— 缸底材料的許用應(yīng)力，材料為 45 號(hào)鋼， 600[ ] 1 2 05b MPn?? ? ? ?， n為安全系數(shù)，取 n=5。h l mmhh h mm?? ? ?? ? ? 外卡環(huán) ab 側(cè)面的擠壓應(yīng)力 c? 為： 2 62m a x 114 1 0 (0 . 0 6 ) 2 5 . 0 4 3 1 0( 2D ) 0 . 0 5 ( 2 0 . 0 6 0 . 0 5 )c pD M P M Phh? ??? ? ? ?? ? ? ? 缸筒危險(xiǎn)截面 AA上的拉應(yīng)力 ? 2 62m a x 12 2 2 21 4 1 0 (0 . 0 6 ) 2 7 . 4 3 5 2 0( D ) (0 . 0 6 0 . 0 5 ) (0 . 0 5 )pD M P M PhD? ??? ? ? ?? ? ? ? 故知缸筒底部聯(lián)接安全。 其中： K—— 擰緊螺紋的系數(shù)，取 K=3 1K —— 螺紋連接處的摩擦系數(shù)， 1 ? 0d —— 螺紋外徑， 0 ? 1d —— 螺紋底徑， 1 ? Z—— 螺釘數(shù)量， Z=4 17 二、 腕部的結(jié)構(gòu) (一 ) 概述 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。115176。夾緊缸體也指座固連成一體。 18 圖 3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) (三 ) 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。m） 3. 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 ? 時(shí)，可用下式計(jì)算 M慣 M ( ) tJJ ???慣 工件 式中 ?——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s） t——手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（ s），（假定啟動(dòng) 過程中近為加速運(yùn)動(dòng)） 一般取 ～ J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kgm2 ） 按已知計(jì)算 : 2 2 22 2 2 2 211m 6 0 0 . 0 5 0 .