毕业设计（论文）-搬运机械手设计

本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 搬运机械手设计搬运机械手设计 学学 院院 机电工程学院机电工程学院 专业班级专业班级 机械工程及自动化五班机械工程及自动化五班 学生姓名学生姓名 XXXX 学生学号学生学号 XXXXXXXXXX 指导教师指导教师 XXXXXXXX 提交日期提交日期 2013 年 5 月 日 2 毕毕 业业 设设 计计 （论文）（论文） 任任 务务 书书 兹发给 09 级机械（5） 班学生 xxxx 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 圆柱坐标型电、液驱动型搬运机械手设计 2.应完成的项目： （1）调研、搜集整理课题的相关资料，完成外文资料的翻译，确定搬运机械手的 传动方案； （2）完成传动机构设计及相关参数的选择； （3）完成机械装置相关零件的设计及选型； （4）完成机械装置的 3D 装配图设计。 3.参考资料以及说明： （1）机械设计方面的资料及机械设计手册。 （2）机器人及机械手设计资料。 （3）机械原理方面的资料。 4.本毕业设计（论文）任务书于 2011 年 12 月 22 日发出，应于 2012 年 5 月 15 日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 2012 年 12 月 24 日 指导教师（导师组负责人） 签发 2012 年 12 月 24 日 毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年 月 日 I 摘摘 要要 机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬 运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化， 能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原 子能等部门。 现在的大型制造企业提高生产效率，保证产品质量，普遍重视生产过程的自动化，机 器人自动化生产线的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机器人技术和应用水平在一定 程度上反映了一个国家的工业自动化水平，目前，是主要负责机器人焊接，喷漆，搬运和 堆垛和其他重复性和极其劳动力密集型的工作，工作时普遍采取展示教学和播放方法。 本文将设计一个四自由度机械手，主要功能是搬运。我们将机器人的基地，臂，前臂和机 器人结构设计，然后选择相应的驱动器模式，驱动模式，构建机器人平台的结构;。 本文机械手为电、液驱动型，4 自由度。通过机械设计手册及相关设计资料，计算设 计机械手的造型及部分标准件的选型。绘图使用了 Solidworks 及 Autocad 等软件。 关键词：关键词： 机械手 液压 电动 设计 II Abstract Also known as automatic robot hand that can mimic some of the manpower and arm motor function to grab a fixed procedure, handling objects or automatic operation device operating tools. It can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation in hazardous circumstances to protect the personal safety of operation, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and nuclear sectors. Now large manufacturing enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, universal attention of the production process automation, robotics important member of automated production lines, gradually being recognized by enterprises and adopt. Robotics and application level to some extent reflects a countrys level of industrial automation, at present, is mainly responsible for robot welding, painting, handling and stacking and other repetitive and extremely labor-intensive work, the work shows generally take teaching and playback method. This article will design a four DOF manipulator, the main function is handling. Our base of the robot arm, forearm and robotics design, and then select the appropriate drive mode, drive mode, the robot platform to build the structure;.This robot is electrical, hydraulic driven, four degrees of freedom. By Mechanical Design Handbook and related design data, computational design robot shape and some standard parts selection. Drawing using software such as Solidworks and Autocad. Keywords: manipulator the electric type articular Design III 目目 录录 摘摘 要要.I AbstractII 目目 录录III 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 工业机械手1 1.1.1 工业机械手概述.1 1.1.2 选题背景.1 1.1.3 设计目的.2 1.2 机械手的组成与分类2 1.2.1 机械手的组成.2 1.2.2 机械手的分类.4 1.2.3 工业机器人驱动系统特性比较.6 1.3 国内外发展情况6 1.4 课题的主要任务8 1.5 小结8 第二章第二章 手部结构手部结构9 2.1 手部结构设计.9 2.2 驱动力的计算9 2.3 小结11 第三章腕部结构第三章腕部结构12 3.1 腕部的结构设计.12 3.1.1 概述12 3.1.2 腕部的结构形式12 3.2 收完驱动力矩的计算.13 3.3 滚动轴承的选择14 3.4 水平导轨的选用15 3.5 小结16 第四章第四章 臂部的结构臂部的结构17 4.1 臂部设计的基本要求17 4.2 手臂的典型机构以及结构的选择18 4.2.1 手臂的典型运动机构.18 IV 4.2.2 手臂运动机构的选择.18 4.2.3 手臂偏重力矩的计算.19 4.3 手臂升降液压缸驱动力的计算.20 4.4 手臂升降液压缸参数计算21 4.5 小结23 第五章第五章 底座部分底座部分24 5.1 底座的设计24 5.1.1 底座的结构设计要求24 5.1.2 底座的组成部分24 5.1.3 底座电动机的选择24 5.2 轴的设计.26 5.2.2 输入轴的设计26 5.2.3 输出轴的设计27 5.3 底座谐波传动减速器的设计.28 5.4 底座传动齿轮的设计.30 5.5 底座轴承的选用.33 5.6 小结33 结论结论34 参考文献参考文献35 致致 谢谢36 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机械手工业机械手 1.1.1 工业机械手概述工业机械手概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一 种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生 产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效 率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算 机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术， 是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水 平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器 特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机 器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化 过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可 缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动 抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产 品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射 性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、 铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广 泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置， 是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现 重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械 手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获 得广泛的引用。 1.1.2 选题背景选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它 是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是 电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新 兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 2 结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产 力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的 搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成 为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共 同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工 件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有 利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前 我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化 水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上 考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.1.3 设计目的设计目的 1、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自 动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及 工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部 分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨 重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可 以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上， 目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作 生产。 1.2 机械手的组成与分类机械手的组成与分类 1.2.1 机械手的组成机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之 第一章 绪论 3 间的关系如方框图 2-1 所示。 图 2-1 (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课 题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与 物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制 造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆 形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手 指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。 常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式 和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件， 并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油 缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或 电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯 仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立 I 因工作需要，有时也可作横向移动，即称为 可移式立柱。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行 走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的 和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 4 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故 起支撑和连接的作用。 (二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用 的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的 要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡 块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序 运动， 并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其 控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误 或发生故障时即发出报警信号。 (二)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统 一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流 控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动 作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令， 必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并 与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到 设定位置。 1.2.2 机械手的分类机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂 按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动 作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产 的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 2、通用机械手 第一章 绪论 5 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内， 其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用 机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动 化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服 型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以 上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的 工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统， 可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤 要求严格，成本高。 2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方 便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性， 工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样 抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进 行工作。 3、机械传动机械手 即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一 种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确 可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手， 因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程 长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三)按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其 运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通 用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 6 控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工 业机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.2.3 工业机器人驱动系统特性比较工业机器人驱动系统特性比较 表 1-2-3 驱动系统特性 驱 动 系 统 的 特 性 驱 动 类 型 功率 快 速 响 应 结 构 性 能 安 全效 率控制能力 安 装 要 求 维 护 要 求 液压驱动系统 不太受限制 很 高 结构适当，执 行机构可做成 独立结构，易 于标准化，容 易实现直接驱 动。液压密封 问题显得重要。 防爆性能较 好，用液压 油作为传动 介质，在一 定条件下有 火灾危险。 节流调速 为 0.3， 容易调速 为 0.6。 速度调节装置、 配流元件、制动 装置的结构简单， 能将速度位置控 制到精确值。 安装要求高， 特别注意液 压液泄露。 因有液压源 设备，占地 面积较大。 要求水平 较高的维 护人员进 行定期的 维护。 气动驱动系统 有限制 较高 结构适当，执 行机构可做成 独立结构易于 标准化，容易 实现直接驱动， 密封问题不象 液压系统显得 突出 防爆性能好， 高于一个大 气压，应注 意设备有爆 炸的危险0.150.2 调度调节机构、 配流元件结构简 单，一般要求有 专门的制动装置； 速度、位置控制 到精确值困难。 安装要求不 太高 要求中等 水平的维 护人员定 期维护 电动驱动系统 有限制 高 电机易于标准 化，结构性能 好，但电机后 面一般需配精 密减速器，除 特殊电机外， 难于进行直接 驱动。 设备自身无 爆炸和火灾 危险。直流 有刷电机对 环境的防爆 性能差。 0.5 左右 结构简单，控制 灵活性强，速度、 位置可控制到精 确值。 安装要求随 传动方式不 同而异。 要求水平 较高的人 员定期的 检查维护。 第一章 绪论 7 1.3 国内外发展情况国内外发展情况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机 价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 65 万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系 统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机 器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化; 器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操 作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化 系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机 器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人 的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走 出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用 的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置 已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关， 目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学 和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运 等机器人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上 获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机 器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人 应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国 己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没 有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可 靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 8 化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下 无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬 壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用 上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局 部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步， 与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统 配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.4 课题的主要任务课题的主要任务 设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁 阀控制， 抓重300 自由度4 动作符号行程范围速度 伸缩X100mm20mm/s 升降Z500mm20mm/s 回转22020/s 1.5 小结小结 第二章 手部结构 9 第二章第二章 手部结构手部结构 2.1 手部结构设计手部结构设计 图 2-1 手部结构设计 2.2 驱动力的计算驱动力的计算 如图所示为连杆式手部结构。作用在拉杆上的驱动力 3 为 P，两连杆 2 对拉杆反作用 力为 P1、P2，其力的方向沿连杆两铰链中心的连线，指向 O 点并与水平方向成 角，由 拉杆的力平衡条件可知，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0 P=2P1cos P1=P/2cos 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 10 连杆对手指的作用力为 p1，因连杆 2 为 2 力杆。手指握紧工件时所需的力称为握力 （即夹紧力） ，假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等， 方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0 得 P1h=Nb 因 h=c cos 所以 P=2 b tg N/c 式中 b手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。 c手指的回转支点到连杆铰链连接点的距离（毫米） 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力 P 一定时，握力 N 与 角成正切反比。 角小时可获得较大 的握力，=0 的时候使手指闭合到最小位置即为自锁位置，这时去掉驱动力，工件也不会 自行脱落。若拉杆再往下移动，则手指反而会松开，为避免这种情况的发生，需保持 大 于零，一般取 =3040。这里取角 =30 度。 这种手部结构简单，具有动作灵活等特点。查工业机械手设计基础中表 2-1 可 知，V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可 求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的 影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/ 式中 手部的机械效率，一般取 0.850.95； K1安全系数，一般取 1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计， K2=1+a/g，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度，g 为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米/秒，移动加速度 为 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 为 300N，V 型钳口的夹角为 120,=30时，拉紧油缸的驱 2 动力 P 和 P 实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公 式 N=0.5G=150N 选取 b=50 c=30 由连杆杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2btg N/c 得 P=P计算=250tg（30）15030288.68（N） 第二章 手部结构 11 P实际=P计算K1K2/ 取 =0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 则 P实际=288.681.51.1/0.85560.38(N) 2.3 小结小结 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 12 第三章腕部结构第三章腕部结构 3.1 腕部的结构设计腕部的结构设计 3.1.1 概述概述 腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： 1 结构紧凑，重量尽量轻。 2 转动灵活，密封性要好。 3 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以 及润滑、维修、调整等问题 4 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露， 使外形整齐。 3.1.2 腕部的结构形式腕部的结构形式 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回 转角度为115. 如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和 定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的 两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转晕 动。 图 3-1 腕部结构 第三章腕部结构 13 3.2 收完驱动力矩的计算收完驱动力矩的计算 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动 时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖 等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转 动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 （N.m） 式中 M 驱驱动手腕转动的驱动力矩 M惯惯性力矩 （N.m） M偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动 片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m） 图 3-2 腕部回转力矩 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m） 2 f 式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取 f=0.02，滑动轴承取 f=0.1； N1 、N2 轴承支承反力 （N）； D1 、D2 轴承直径（m） 由设计知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=300N e=0.020 时 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N.m） 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 14 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离） ，当工件重心与手腕回转 中心线重合时，M偏为零 当 e=0.020，G1=300N 时 M偏 =6 （Nm） 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯 M惯 =（J+J工件） （Nm） t 式中 手腕回转角速度 （1/s） T手腕启动过程中所用时间（s） ， （假定启动过程中近为加速运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kgm ） 2 J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgm ） 2 按已知计算得 J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m ,t=2 2 故 M惯 = 1.3（Nm） 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 M =1.11.2 （M惯+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+6+1.3） =11.76 （N.m） 3.3 滚动轴承的选择滚动轴承的选择 选择滚动轴承，当载荷较轻、冲击较小且转速较高时，选球轴承；同时承受径向和轴 向载荷、当轴向载荷相对较小时，可选用深沟球轴承或接触角较小的角接触球轴承；当轴 向载荷相对较大时，应选接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承。 图 3-3 7000AC 型系列轴承简图8 第三章腕部结构 15 表 3-9 7301AC 角接触球轴承技术参数 mm 轴承代号基本尺寸/mm70000AC(=25)极限转速/(r/min) dDB基本额定动载荷/KN r C脂润滑油润滑 7301AC1237128.081600022000 轴承承受的轴向载荷，径向载荷， （3-18） NFA9 .53mgFR 4321 mmmmm 式中:、分别为手部、水平滚珠丝杠、水平电机、水平导轨的重量，所 1 m 2 m 3 m 4 m 以 N 51210101520 R F 轴承的当量动载荷： （3-19） AR YFXFP 式中:径向载荷系数； 轴向载荷系数，、 值如表 3-10 所示。XYXY 表 3-10 径向载荷系数 X 和轴向载荷系数 Y 单列轴承双列轴承 eFF RA eFF RA eFF RA eFF RA 轴承 类型 e XYXYXYXY 角接触球 轴承 7000AC 0.68100.410.8710.920.671.41 所以N 53905391P 轴承的预期寿命=50000h, (h) （3-20） h L nP C L h 60 106 式中： 寿命指数，对球轴承 =3，对滚子轴承 =10/3 轴承转速，单位 r/min n 计算基本额定动载荷 C 3.4 水平导轨的选用水平导轨的选用 导轨的计算载荷为： c F 33 2 3 21 3 1 LLFLFLFF nnc 选用 HIWIN 品牌 EGR15U 型号水平导轨 图 3-4 EGR15U 导轨基本参数 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 16 图 3-4-1 导轨精度等级 3.5 小结小结 第四章 臂部的结构 17 第四章第四章 臂部的结构臂部的结构 4.1 臂部设计的基本要求臂部设计的基本要求 一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意简化结构。 （5） 提高配合精度。 二、 臂部运动速度要高，惯性要小 机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高 速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在 10001500mm s: 内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角 0 180s1000mm s 0 90s 速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂 部要尽可能的轻。减少惯量具体有 3 个途径： （1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。 （3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩） ，尽 可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （4） 驱动系统中设有缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机 械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑 轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象） 。为此，必须计算使之满足不自 锁的条件。 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 18 4.2 手臂的典型机构以及结构的选择手臂的典型机构以及结构的选择 4.2.1 手臂的典型运动机构手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1）双导杆手臂伸缩机构。 （2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动， 如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双 层液压缸空心结构。 （3）双活塞杆液压岗结构。 （4）活塞杆和齿轮齿条机构。 4.2.2 手臂运动机构的选择手臂运动机构的选择 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到 给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升 降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。 ；立柱的横向移动即为手臂的横向 移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓 取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活 性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机 械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构 型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手 腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合 理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得 多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装 置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。 为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂 对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的 定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部 分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。 第四章 臂部的结构 19 通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作 用液压缸。 4.2.3 手臂偏重力矩的计算手臂偏重力矩的计算 初计算 G1 =300N G2 =100N G3 =300N G4 =500N 所以 G总 =G1 + G2 + G3 + G4=300+100+300+500=1200N 初计算工件 =1000mm 手部 =900mm 手腕 =700mm 手臂 =400mm G1G2G3G4800000 660mm G1 G2G3G41200 工件手部手腕手臂 所以偏转力矩 M偏 =G总L=19000.642=1219Nm 式中 重心到回转轴线的距离（mm） 4.2.4 升降导向立柱不自锁条件 手臂在 G总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。 由力平衡条件得： FR h=G 总 所谓不自锁的条件为：G总 F1 + F2= 2F2 =2FR 查表得 =0.25 即 G总 =G总 + G回转缸 + G活塞杆 取 G回转缸 =200N G活塞杆 = 500N 因此 G总 =G总 + G回转缸 + G活塞杆 =1900N 立柱导套长度大于 330mm 式中 摩擦系数 h立柱导套的长 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 20 4.3 手臂升降液压缸驱动力的计算手臂升降液压缸驱动力的计算 由手臂升降驱动力的公式得： F 驱 =F 摩+F 惯+F 回+F 密G 总 （1）F摩的计算 F摩 =2FR 取 =0.25 FR=4600N 所以 F摩 =2FR =246000.25 =2300N （2）F惯的计算 由摩擦力公式 式中 V由静止加速到常速的变化量（mm/s） t启动过程时间（t） ，一般取 0.01s0.05s。 手臂启动速度V=0.025m/s,启动时间t=0.02s，g=9.8N/kg,带入数据得： GV2300 0.025 = g t9.8 0.02 F293.4N : : 总 惯 (3) F回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。 （4）F密的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工作压 力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为： F密 =0.03F驱 经过以上的分析计算，液压缸的驱动力为： F驱 =F摩+F惯+F回+F密G总 =2300 + 293.4 + 0.03 F驱 2300 所以 当液压缸向上驱动时 F驱 =5044.7N 当液压缸向下驱动时 F驱 =302.4N 第四章 臂部的结构 21 图 4-3 升降液压缸 4.4 手臂升降液压缸参数计算手臂升降液压缸参数计算 升降液压缸的工作压力由驱动力与液压缸工作压力关系表，可得 P=0.8MPa，为了满 足要求，此时取 F驱 =1.25044.7N=6053.6N 进行计算。 驱动力与液压缸工作压力关系表 2-1 （1）液压缸内径 D 计算： 当油从无杆腔进入： 2 F F 1 D 4 P1驱 当油从有杆腔进入： 22 F F 2P d 4 2 D 驱 液压缸的有效面积： F P S 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 22 所以 （油从无杆腔进入） 4F P1 D （油从有杆腔进入） 2 4F d P2 D 式中 F驱手臂升降液压缸驱动力（N） D液压缸内径（mm） d活塞杆直径（mm） 液压缸机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶查表得 =0.90 P液压缸的工作压力（MPa） 带入数据得： 6 4 F4 6053.6 P1314 0.8 10 0. 00.90 077mD 驱 根据标准液压缸内径系列（JB82666） ，为了更好的满足要求，选取液压缸的内径为： D=75mm 标准液压缸内径系列表 2-2（JB82666） 单位 mm （2）活塞杆直径 d 计算 活塞杆直径 d 根据工作压力选取，当液压缸的往复速度比 v 有要求时，则： v 1 v dD 液压缸工作压力与活塞杆直径表 2-3 液压缸工作压力 P/MPa5577 推荐活塞杆直 d（0.50.55）D（0.60.7）D0.7D 液压缸往复速度比推荐值表 2-4 工作压力 p/MPa10102020 往复速度比 v1.331.4622 由液压缸往复比推荐值表可知 v=1.33,带入公式则有： 第五章 底座部分 23 v 1 75 v dD 1.33 1 37.6 1.33 mm 活塞杆直径系列表 2-5（JB82666） 根据活塞杆直径系列（JB82666） ，选取活塞杆直径为：d=40mm 标准液压缸外径系列表 2-6（JB106867） 根据标准液压缸外径系列表选择，为了尽可能满足要求，取液压缸外径 D=95mm 所以手臂升降液压缸主要参数为： 液压缸内径 D液压缸外径 D工作压力 P活塞杆直径 d驱动力 F 75mm*995 mm0.8MPa40mm6053.6N 4.5 小结小结 机械手臂部结构，主要起到了升降作用。选用液压传动，驱动力较大。由于底座采用 了空心轴与实心轴的配合，因此精度略有下降，因此液压缸套桶旁边增加了一个竖直滑轨 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 24 第五章第五章 底座部分底座部分 机械手转动部分是为机械手沿 Z 轴方向转动而设计。为实现此目的，本次设计的机械 手转动结构由底部电机、联轴器、减速器、基座组成，此结构的设计从驱动装置的选择进 行展开。做设计时应注意：电机的功率可先按照匀速运动时的功率计算，再考虑到加速、 减速等情况，取安全功率 P=1.5P匀速 。减速器的总传动比根据机械手的转速和电机的转速 确定。 5.1 底座的设计底座的设计 5.1.1 底座的结构设计要求底座的结构设计要求 1.要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。 2.机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度。 3.机座要有足够的刚度和承载能力。 4.机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。 因此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整 机构。 5.1.2 底座的组成部分底座的组成部分 机械手的底座由上下两部分组成 上部分：由电机，谐波传动减速器组成。作用是传递扭矩，降低电机转速、 下部分：由一对齿轮，中间轴及输出轴组成，作用是带动上臂旋转做弧形运动 5.1.3 底座电动机的选择底座电动机的选择 （1）底部电机的扭矩计算 机械手旋转的扭矩为 12N.m，因此选择电机的扭矩为 15N.m。 （2）底部电机的转速计算 设计要求机座的转动速度=20/s, 所以可得转速 r/min 15 2 60 n (3)底部电机的功率计算 kW 98. 0MPd 第五章 底座部分 25 选用，型号为 SM 130-150-15 LFB 表 5-1 SM 系列伺服电机 表 5-2 130 型号伺服电机参数 图 5-3 转矩-转速图 图 5-4 伺服电机简图 华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）说明书 26 5.2 轴的设计轴的设计 轴的结构设计主要是定出轴的合理外形和轴各段的直径、长度和局部结构。 轴的结构取决于轴的承载性质、大小、方向和传动布置方案，轴上零件的布置与固定 方式，轴承的类型与尺寸，轴毛坯的形式，制造工艺和装配工艺，安装运输条件和制造经 济性等等。设计轴的合理结构，要考虑的主要因素如下： 1.受力合理，扭矩合理分流，弯矩合理分配 2.尽量减轻质量，节约材料，尽量使用等强度外形尺寸 3.轴上零部件定位应可靠 4.尽量减少应力集中，提高疲劳强度 5.考虑加工工艺所必需的结构要素 6.便于装拆和维修 7.要求刚度大的轴，要考虑减少变形的措施 8.在满足使用要求的条件下，合理确定轴的加工精度和表面粗糙度，合理确定轴与 轴上零件的配合性质 9.符合标准零部件及标准尺寸的规定 5.2.2 输入轴的设计输入轴的设计 根据机械设计手册第五版 ，可知轴的一般材料如表 5-2-1 正火100240610360260150 100300170271600300240140 300500580290235135 500750560280225130 750100156217540270215125 调质100300217255650360270155 弯曲疲劳极限扭转疲劳极限 45 正火 回火 162217 材料牌号热处理 毛坯直径/mm硬度/hb抗拉强度屈服点 表 5-5 轴的主要力学性能 底座上使用的是阶梯轴，作用是传动转矩，把谐波减速器传出的转矩传动到小齿轮上，