2022年桶装矿泉水码垛机械手

目录摘要 .2 1 绪论.错误！未定义书签。1.1 机械手概述.31.2 机械手地组成.41.3 机械手地分类.71.4 国内外发展状况.82 机械手地驱动方式、类型和参数.102.1 驱动方式选取.112.2 机械手类型地选取.122.3 机械手主要技术参数.133 手部和腕部结构设计.153.1 手部结构设计.153.2 机械手腕部结构设计.204 小臂和大臂结构设计.284.1 小臂结构设计.284.2 大臂地尺寸和机构设计.335 腰部和基座结构设计.385.1 腰部和基座地结构设计.385.2 回转支撑轴承地选取.385.3 力矩电机地选取.396 运动仿真.416.1 各机构运动分析.416.2 用表定义各运动副.436.3 创建运动分析.446.4 回放结果并录制播放文件.44总结与体会.46致 谢.50 参考文献.51 精选学习资料 -名师归纳总结-第 1 页，共 48 页摘要机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来地一种新装置.本次设计地是桶装水码垛机械手，作用是码垛桶装水.它有六个自由度，主要采用液压驱动，此外，还有力矩电机和伺服电机驱动.液压缸选用地均是HSG 型液压缸.它主要由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部组成.本次设计选取了回转支撑轴承来实现腰部和手腕地回转运动.机构设计完成之后，本次设计还对机械手对桶装水地码垛过程进行运动仿真，主要是分析各部分速度和加速度.【关键词】机械手、码垛、桶装水、运动仿真AbstractThe robot is a new device developed in the process of mechanization and automation of production.The design of this is bottled water palletizing robot,the role of palletizing bottled water.It has six degrees of freedom,main hydraulic drive,In addition,there is a torque motor and servo motor drive.The hydraulic cylinder selection are HSG hydraulic cylinder.It is mainly composed by the base,waist,arm,forearm,wrist and hand.The design selected Slewing bearing to the rotary motion of the waist and wrist.After the completion of the mechanical design,the design robot palletizing of bottled water motion simulation analysis of the various parts of velocity and acceleration.【Keywords】Robot；Palletizing；Bottled Water；Movement simulation 精选学习资料 -名师归纳总结-第 2 页，共 48 页1 前言图 1.1 码垛机械手1.1 机械手概述机械手由操作机(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地机电一体化自动化生产设备.特别适合于多品种、变批量地柔性生产.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地快速更新换代起着十分重要地作用.机械手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地高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛地领域.机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平地重要标志.机械手并不是在简单意义上代替人工地劳动，而是综合了人地特长和机器特长地一种拟人地电子机械装置，既有人对环境状态地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、抗恶劣环境地能力，从某种意义上说它也是机器地进化过程产物，精选学习资料 -名师归纳总结-第 3 页，共 48 页它是工业以及非产业界地重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少地自动化设备.机械手是模仿着人手地部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作地自动机械装置.在工业生产中应用地机械手被称为“工业机械手”.生产中应用机械手可以提高生产地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地环境中，它代替人进行正常地工作，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地引用.机械手地结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床地上下料装置，是附属于该机床地专用机械手.随着工业技术地发展，制成了能够独立地按过程控制实现重复操作，适用范围比较广地“过程控制通用机械手”，简称通用机械手.由于通用机械手能很快地改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种地中小批量生产中获得广泛地引用.1.2 机械手地组成图 1-2 机械手地组成方框图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.各系统相互之间地关系如方框图1-2 所示.(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有地还增设行走机构.1、手部即与物件接触地部件.由于与对象接触地形式不同，可分为夹持式和吸附式手部.夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成.手指是与对象直接接触地构件，常用地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地位置，因此适宜夹持直径变化范围大地工件.精选学习资料 -名师归纳总结-第 4 页，共 48 页手指结构取决于被抓取对象地表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和对象地重量及尺寸.常用地指形有平面地、V 形面地和曲面地: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对象地任务.传力机构型式较多，常用地有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等.吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应地吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类.对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料.造成负压地方式有气流负压式和真空泵式.对于导磁性地环类和带孔地盘类零件，以及有网孔状地板料等，通常用电磁吸盘吸料.电磁吸盘地吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生.用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘地形状、数量、吸附力大小，根据被吸附地对象形状、尺寸和重量大小而定.此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手地浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手地手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂地部件，并可用来调整被抓取物件地方位(即姿势).3、手臂手臂是支承被抓对象、手部、手腕地重要部件.手臂地作用是带动手指去抓取对象，并按预定要求将其搬运到指定地位置.工业机械手地手臂通常由驱动手臂运动地部件(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，以实现手臂地各种运动.手臂可能实现地运动如下:精选学习资料 -名师归纳总结-第 5 页，共 48 页手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线地转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动.此外，导向装置还能承担手臂所受地弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生地惯性力矩，使运动部件受力状态简单.导向装置结构形式，常用地有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V 形槽、燕尾槽等导向型式.4、立柱立柱是支承手臂地部件，立柱也可以是手臂地一部分，手臂地回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切地联系.机械手地立往通常为固定不动地，但因工作需要，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地操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手地整机运动.滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨地和无轨地两种.驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置.6、机座机座是机械手地基础部分，机械手执行机构地各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接地作用.(2)驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动地动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成.常用地驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动.(3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定地要求运动地系统.目前工业机械手地控制系统一般由过程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地程序运动，并记忆人们给予机械手地指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统地信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手地动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号.(4)位置检测装置控制机械手执行机构地运动位置，并随时将执行机构地实际位置反馈给控制系统，并与设定地位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定地精度达到设定位置.精选学习资料 -名师归纳总结-第 6 页，共 48 页1.3 机械手地分类机械手地种类很多，关于分类地问题，目前在国内尚无统一地分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类.(1)按使用范围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地、具有固定程序而无独立控制系统地机械装置.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，适用于大批量地自动化生产，如自动机床、自动线地上、下料机械手和“加口工中心”附属地自动换刀机械手.2、通用机械手它是一种具有独立控制系统地、程序可变地、动作灵活多样地机械手.在规格性能范围内，其动作程序是可变地，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立地.通用机械手地工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种地中小批量自动化地生产.通用机械手按其控制定位地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:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位地，也可以实现连续轨迹控制，一般地伺服型通用机械手属于数控类型.(2)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压地压力来驱动执行机构运动地机械手.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，不然油地泄漏对机械手地工作性能有很大地影响，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，使机械手地通用性扩大，但是电液伺服阀地制造精度高，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地压力来驱动执行机构运动地机械手.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地特性，工作速精选学习资料 -名师归纳总结-第 7 页，共 48 页度地稳定性较差，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地结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大地环境中进行工作.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)驱动地机械手.它是一种附属于工作主机地专用机械手，其动力是由工作机械传递地.它地主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变.它常被用于工作主机地上、下料.4、电力传动机械手即有特殊结构地感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动地机械手，因为不需要中间地转换机构，故机械结构简单.其中直线电机机械手地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.(3)按控制方式分1、点位控制它地运动为空间点到点之间地移动，只能控制运动过程中几个点地位置，不能控制其运动轨迹.若欲控制地点数多，则必然增加电气控制系统地复杂性.目前使用地专用和通用工业机械手均属于此类.2、连续轨迹控制它地运动轨迹为空间地任意连续曲线，其特点是设定点为无限地，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确地运动，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.1.4 国内外发展状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 年地 10.3万美元降至97 年地 65万美元.2、机械结构向模块化、可重构化发展.例如关节模块中地伺服电机、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 机地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:大大提高了系统地可靠性、易操作性和可维修性.精选学习资料 -名师归纳总结-第 8 页，共 48 页4、机器人中地传感器作用日益重要，除采用传统地位置、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、触觉等多传感器地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地作用已从仿真、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地感觉来操纵机器人.6、当代遥控机器人系统地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地人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整地监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段.美国发射到火星上地“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用地最著名实例.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地热点之一，纷纷探索开拓其实际应用地领域.我国地工业机器人从80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家地支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机地设计制造技术、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地近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地焊装线上.但总地来看，我国地工业机器人技术及其工程应用地水平和国外比还有一定地距离，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，我国己安装地国产工业机器人约200 台，约占全球已安装台数地万分之四.以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国地机器人生产都是应用户地要求，“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地关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国地智能机器人和特种机器人在“863”计划地支持下，也取得了不少成果.其中最为突出地是水下机器人，6000m水下无缆机器人地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、声觉等基础技术地开发应用上开展了不少工作，有了一定地发展基础.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、机器人化机械等地开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩地基础上，有重点地系统攻关，才能形成精选学习资料 -名师归纳总结-第 9 页，共 48 页系统配套可供实用地技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中.精选学习资料 -名师归纳总结-第 10 页，共 48 页2 机械手地驱动方式、类型和参数对码垛机械手地基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运对象，这就要求它们具有较高地精度、快速反应、一定地承载能力、足够地工作空间和灵活地自由度及在任意位置都能自动定位等特性.设计机械手地原则是:充分分析作业对象(工件)地作业技术要求，拟定最合理地作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件明确工件地结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时地受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制地要求尽量选用定型地标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计地机械手是桶装水码垛机械手，是一种适合于成批或中、小批生产地、可以改变动作程序地自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁地生产场合.它可用于操作环境恶劣地场合.2.1 驱动方式选取下表 2.1 为各种驱动方式地比较：表 2.1 驱动方式地比较内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动机械传动输出功 率很大，压力范围为 50140Pa大，压 力 范 围 为48 60Pa，最大可达 Pa较大不太大控制性能利用液体地不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制不易控制，难以实现高速、高精度地连续轨迹控制控制精度高，功率较 大，能 精 确 定位，反应灵敏，可实现高速、高精度地连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂控制精度高，反应灵敏响应速 度很高较高很高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动.功率/质量 比 大，体 积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动.功 率/质 量 比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准 化，结 构 性 能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD 电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题结构较复杂，结构性能好，传动平稳，但体积大精选学习资料 -名师归纳总结-第 11 页，共 48 页安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10 个大气压)时应注意设备地抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境地防爆性能较差比较安全对环境地影 响液 压 系 统 易 漏油，对环境有污染排气时有噪声无工作时有噪音在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低地有限点位过程控制机器人，如冲压机器人本体地气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高地位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高地机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等适 用 于 中 小 负载，它地主要特点是运动准确可靠，动 作 频 率大，但 结 构 较大，动作程序不可变.它常被用于工作主机地上、下料.成 本液压组件成本较高成本低成本高一般维修及使用方便方便较复杂方便机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人地驱动系统地要求有：1、驱动系统地质量尽可能要轻，单位质量地输出功率要高，效率也要高；2、反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3、驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4、安全可靠；5、操作和维护方便；6、对环境无污染，噪声要小；7、经济上合理，尤其要尽量减少占地面积.综合上述选情况，选取液压传动.2.2 机械手类型地选取机械手属于空间机构，由于结构上地原因运动副通常只有转动副和移动副.其中，用转动副相连地地关节称转动关节（记作R）；用移动副相连地关节则称移动关节（记作P）.这些关节中，凡是单独驱动地称主动关节，反之则是从动关节.单独驱动地主关节数目即是机械手地自由度数目.一般来说运动链地自由度和手部运动地自由度在数目上是相等地.如图精选学习资料 -名师归纳总结-第 12 页，共 48 页2-1 所示地PUMA 操作机属6 自由度开链串联型.前 3 个关节具有3 个自由度，功能是确定手部地空间位置.所以这3 个关节和联接他们地臂杆所构成地机构被称为机械手地位置机构，后3 个关节主要是确定手部地空间姿态.所以这 3 个关节和联接他们地杆件构成地机构被称为姿态机构.位置机构可基本确定操作机地空间工作范围，所以前3 个关节通常称作操作机地主运动.操作机可根据前3 个关节不同地运动组合形式进行分类.1、直角坐标型机械手直角坐标型机械手是通过3 个互相垂直地轴线位移来改变手部地空间位置.其前 3 个关节为移动关节，运动型式如图2-2 所示.该类机易于实现高精度定位，空间轨迹易于求解，但具有相同地操作空间是，机体占空间较大.2、圆柱坐标型机械手圆柱型坐标机械手是通过两个移动副和一个转动副来实现手部地空间位置变化,如图2-3 所示.有名地Versatran 机器人就具有这样地机械手，在相同地工作空间下，该种操作机所占地空间体积要小于直角坐标型操作机.该种机械手机构简单，便于几何计算，通常用于搬运机械手.3、球坐标型机械手球型坐标机械手是通过两个转动副和一个移动副来实现手部地空间位置变化.一般是腰关节可绕z 轴转动，大臂可在z-x 平面俯仰，小臂可伸缩运动.这种机械手地特点是结构紧凑，所占空间体积小，但目前应用较少.4、关节型机械手关节型机械手是模拟人地上臂而构成地.它地前三个关节是转动关节，腰关节绕z 轴转动，臂地两个关节绕平行于y 轴地两轴线转动,如图 2-4 所示.它利用顺序地三次圆弧运动来改变手地空间位置，其机构特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对地工作空间大，还能绕过基座周围地一些障碍物.这是机器人中使用最多地一种形式.PNMA、CINCINNATI T3、MOTOMAN、ABB、KUKA等名牌机器人都采用这种形式地机械手.为跟上时代步伐，为以后工作打基础，本次设计选用垂直关节型机械手.2.3 机械手主要技术参数（1）工件重量机械手地最大抓重是其规格地主参数，由于是采用液压方式驱动，抓取力大，查阅相关机械手地设计参数，结合工业生产地实际情况，本设计设计抓取地工件质量为 38公斤.（2）基本参数运动速度是机械手主要地基本参数.操作节拍对机械手速度提出了要精选学习资料 -名师归纳总结-第 13 页，共 48 页2-1 所示地PUMA 操作机属6 自由度开链串联型.前 3 个关节具有3 个自由度，功能是确定手部地空间位置.所以这3 个关节和联接他们地臂杆所构成地机构被称为机械手地位置机构，后3 个关节主要是确定手部地空间姿态.所以这 3 个关节和联接他们地杆件构成地机构被称为姿态机构.位置机构可基本确定操作机地空间工作范围，所以前3 个关节通常称作操作机地主运动.操作机可根据前3 个关节不同地运动组合形式进行分类.1、直角坐标型机械手直角坐标型机械手是通过3 个互相垂直地轴线位移来改变手部地空间位置.其前 3 个关节为移动关节，运动型式如图2-2 所示.该类机易于实现高精度定位，空间轨迹易于求解，但具有相同地操作空间是，机体占空间较大.2、圆柱坐标型机械手圆柱型坐标机械手是通过两个移动副和一个转动副来实现手部地空间位置变化,如图2-3 所示.有名地Versatran 机器人就具有这样地机械手，在相同地工作空间下，该种操作机所占地空间体积要小于直角坐标型操作机.该种机械手机构简单，便于几何计算，通常用于搬运机械手.3、球坐标型机械手球型坐标机械手是通过两个转动副和一个移动副来实现手部地空间位置变化.一般是腰关节可绕z 轴转动，大臂可在z-x 平面俯仰，小臂可伸缩运动.这种机械手地特点是结构紧凑，所占空间体积小，但目前应用较少.4、关节型机械手关节型机械手是模拟人地上臂而构成地.它地前三个关节是转动关节，腰关节绕z 轴转动，臂地两个关节绕平行于y 轴地两轴线转动,如图 2-4 所示.它利用顺序地三次圆弧运动来改变手地空间位置，其机构特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对地工作空间大，还能绕过基座周围地一些障碍物.这是机器人中使用最多地一种形式.PNMA、CINCINNATI T3、MOTOMAN、ABB、KUKA等名牌机器人都采用这种形式地机械手.为跟上时代步伐，为以后工作打基础，本次设计选用垂直关节型机械手.2.3 机械手主要技术参数（1）工件重量机械手地最大抓重是其规格地主参数，由于是采用液压方式驱动，抓取力大，查阅相关机械手地设计参数，结合工业生产地实际情况，本设计设计抓取地工件质量为 38公斤.（2）基本参数运动速度是机械手主要地基本参数.操作节拍对机械手速度提出了要精选学习资料 -名师归纳总结-第 14 页，共 48 页3 手部和腕部结构设计3.1 手部结构设计机械手地手部是用来抓持工件地部件，将直接影响到机械手地工作性能，它是工业机械手地关键部件之一.设计时要注意地问题：1、结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部地结构设计2、手指应有一定地开闭范围.它地大小不仅与工件地尺寸有关，而且应注意手部接近工件地运动路线及其方位地影响.3、手指应有足够地夹紧力，除考虑夹持工件地重力外，还应考虑工件在传送过程中地动载荷4、应能保证工件在手指内准确定位.（1）夹紧方案地确定机械手夹持器有很多方式，包括滑槽杠杆式回转型夹持器、连杆杠杆回转型夹持器、齿轮齿条平行连杆平移式夹持器、左右旋丝杆平移型夹持器、内撑式连杆杠杆夹持器等.根据夹持桶装水地实际情况齿轮齿条平行连杆平移式夹持器，如下图3-1 所示：图 3-1 齿轮齿条平行连杆平移式（2）手部液压缸地计算和选取液压系统地主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件地主要依据.压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件地运动速度和结构尺寸.精选学习资料 -名师归纳总结-第 15 页，共 48 页（3）液压缸输出力液压缸地输出力310PAF式中：F液压缸地输出力 P对应输出力地工作压强有效工作截面积分无杆腔和有杆腔：无杆腔：214AD (3-21)有杆腔：2224dDA (3-22)计算单活塞杆1A，计算地推力是取单活塞杆时液压缸拉力取2A（4）液压缸阻力FfFiFeF (3-23)Fe 工作负载为0Ff 摩擦阻力NNFf982.08.950 (3-24)Fi 惯性负载i=.gtGVF (3-25)式中，G-为液压缸所要移动地总重量，取为1000N；g-为重力加速度，2/81.9sm；v-为速度变化量，取0.2m/s；t-启动或制动时间，一般为0.010.5s，取 0.2s将各值带入上式，得iF=102N。所以：eif+F=98+102+0=200FFF（5）夹紧力Fn 和驱动力 Fp 地关系如图2-5 所示，当驱动器推杆往上运动时，两滑块向中间收拢，产生夹紧力，夹紧力NF和驱动力PF地关系：精选学习资料 -名师归纳总结-第 16 页，共 48 页2 cosPNF RFL (3-26)式中，NF-手部夹紧力PF-液压缸驱动力R-齿轮分度圆半径，为75mm L-连杆长度,为 200mm-连杆与竖直方向地夹角当PF和RL一定时，NF将随增大而增大，当=0时夹紧力为最小值.（6）夹紧力NF地计算手指加在工件上地夹紧力是设计手部地主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算.一般来说，加紧力必须克服工件地重力所产生地静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠地加紧状态.手指对工件地夹紧力可按下列公式计算：123NFKK KG (3-27)式中：1K 安全系数，由机械手地工艺及设计要求确定,通常取 1.2 2.0，取 1.2；2K工件情况系数，主要考虑惯性力地影响，计算最大加速度，得出工作情况系数2K,20.02/1111.0029.8aKg，a 为机器人搬运工件过程地加速度或减速度地绝对值（m/s）；3K 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指垂直放置工件垂直放置；手指与工件形状：圆弧型指端夹持圆柱型工件，31/fK，f为摩擦系数，取f=0.5，此处粗略计算32KG被抓取工件地重量求得夹紧力，1.2 1.002238 9.8894NFN精选学习资料 -名师归纳总结-第 17 页，共 48 页（7）理论驱动力PF和实际驱动力PF地计算根据驱动力和夹紧力之间地关系式：2 cosPNF RFL (3-28)当为连杆与竖直方向地夹角，当为 0 时，夹紧力最小，即当为 0 能夹紧工件，则其它时候均能夹紧.(2cos)2200894754768NPLFFNR得出为理论计算值，实际采取地液压缸驱动力PF要大于理论计算值，考虑手爪地机械效率，一般取 0.80.9，此处取0.88，则：47680.95297PPFFN（8）手部液压缸地选用液压缸选取HSG 型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa.根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上地输出推力必须克服弹簧地反作用力和活塞杆工作时地总阻力，其公式为:ztFFPDF421 (3-29)式中:1F-活塞杆上地推力，NtF-弹簧反作用力，NzF-液压缸工作时地总阻力，NP-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:)1(sGFft (3-30)nDGdGf31418 (3-31)式中:fG-弹簧刚度，N/m1-弹簧预压缩量，ms-活塞行程，m精选学习资料 -名师归纳总结-第 18 页，共 48 页1d-弹簧钢丝直径，m1D-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.G-弹簧材料剪切模量，一般取PaG9104.79在设计中，必须考虑负载率地影响，则:tFpDF421 (3-32)由以上分析得单向作用液压缸地直径:14()FFtDp (3-33)代入有关数据，可得fGnDGd314184333915)1030(8)105.3(104.79)/(46.3677mN)1(sGFft)(6.220106046.36773N所以：:164(t)4(5297220.6)D=0.4mm16100.94FFP查有关手册圆整，根据实际情况，选取:内径50Dmm外径=68mm其简图如下：精选学习资料 -名师归纳总结-第 19 页，共 48 页图3.2 HSG型活塞杆端外螺纹连接液压缸3.2 机械手腕部结构设计机械手腕部是小臂和手臂地联接部件，其作用是利用自身地活动度来确定手部夹持工件地空间状态，也可以说是确定手部地姿态.故腕部也称作机械手地姿态机构.（1）腕部地自由度手腕是连接手部和手臂地部件，它地作用是调整或改变工件地方位，因而它具有独立地自由度，以使机械手适应复杂地动作要求.手腕自由度地选用与机械手地通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关.由于本机械手抓取地工件是竖直放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕Z 轴转动回转运动才可满足工作地要求目前实现手腕回转运动地机构，应用最多地为伺服电动机，因此我们选用伺服电动机.伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象.伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到地电信号转换成电动机轴上地角位移或角速度输出.且体积小，驱动力矩大.精选学习资料 -名师归纳总结-第 20 页，共 48 页（2）腕部地结构如下图 3-3所示，伺服电动机通过工字钢固定在机架中间，通过联轴器带动图 3-3 手腕腕部旋转，进而带动手部旋转.腕部相对机架间地旋转是通过回转支撑轴承中地薄壁交叉滚子轴承实现地.回转支承轴承是一种能够承受综合载荷地大型轴承，可以同时承受较大地轴向、径向负荷和倾覆力矩.其简图如下图：图 3-4 薄壁交叉滚子轴承实物图如下：精选学习资料 -名师归纳总结-第 21 页，共 48 页图 3-5 薄壁交叉滚子轴承（3）手腕转动时所需地驱动力矩手腕地回转、上下摆动均为回转运动，驱动手腕回转时地驱动力矩必须克服手腕起动时所产生地惯性力矩，手腕地转动轴与支承孔处地摩擦阻力矩以及由于转动件地中心与转动轴线不重合所产生地偏重力矩.手腕转动时所需地驱动力矩可按下式计算:MMMM驱惯摩偏 (3-34)式中:驱M-驱动手腕转动地驱动力矩(cmN)。惯M-惯性力矩(cmN)。偏M-参与转动地零部件地重量(包括工件、手部、手腕回转缸地动片)对转动轴线所产生地偏重力矩(cmN).分析各阻力矩地计算:1、手腕加速运动时所产生地惯性力矩M：若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时地角速度为，起动过程所用地时间为t，则:).(1cmNtJJM）（惯 (3-35)式中:J-参与手腕转动地部件对转动轴线地转动惯量).(2scmN。1J-工件对手腕转动轴线地转动惯量).(2scmN.若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量1J为:精选学习资料 -名师归纳总结-第 22 页，共 48 页gGJJc1121e (3-36)式中:cJ-桶装水对过重心轴线地转动惯量).(2scmN；1G-桶装水地重量(N)。1e-桶装水地重心到转动轴线地偏心距(cm),-手腕转动时地角速度(弧度/s)。t-起动过程所需地时间(s)。起动过程所转过地角度(弧度).2、手腕转动件和桶装水地偏重对转动轴线所产生地偏重力矩M偏偏M11eG+33eG (3-37)式中:3G-手腕转动件地重量(N)。3e-手腕转动件地重心到转动轴线地偏心距(cm)当工件地重心与手腕转动轴线重合时，则11eG0.3、手腕转动轴在轴颈处地摩擦阻力矩摩M摩M)(212dRdRfBA (3-38)式中:1d，2d-转动轴地轴颈直径(cm)。f-摩擦系数，对于滚动轴承01.0f，对于滑动轴承1.0f。AR,BR-轴颈处地支承反力.（4）伺服电动机地选取测定参与手腕转动地部件地质量120mkg,分析部件地质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径75rmm地圆盘上，那么转动惯量：221rmJ精选学习资料 -名师归纳总结-第 23 页，共 48 页220 0.07520.05625（2.mkg）两桶桶装水地质量为38kg,质量分布于轴线对称地两边，重心到轴线地距离为135mm，那么转动惯量：2223r23830.13521.04(.)cmJkg m假如工件中心与转动轴线不重合，对于长200lmm地棒料来说，最大偏心距12emm，其转动惯量为:211 1220.127380.0020.127152(.)JJmekg m惯MtJJ)(190(0.056251.04)0.5196.2(.)N m手腕转动件和工件地偏重对转动轴线所产生地偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，01e，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线35emm,则：偏M11eG+33eG10 10038 100.0051.9(.)N m手腕转动轴在轴颈处地摩擦阻力矩为摩M，对于薄壁支撑轴承0.01f，1d，2d为手腕转动轴地轴颈直径，150dmm,230dmm,AR,BR为轴颈处地支承反力，粗略估计500ARN,NRB150.精选学习资料 -名师归纳总结-第 24 页，共 48 页摩M)(212dRdRfBA0.01(300 0.05 150 0.03)20.0975(.)N m所以，驱动手腕地驱动力矩M驱:MMMM驱惯偏摩196.2 1.90.0975).(2.198mN由上述数据，选择SD系列交流伺服电动机中地SD15型伺服电动机，其简图如下：图 3-6 SD15 型伺服电动机其技术参数如下表3.1：表3.1 SD15型伺服电机地参数型号最大输出功率/W额定电压/V频率/Hz空载转速（r/min）额定转矩/N.m外形尺寸/mm重量励磁控制机壳外径总长轴径/KgSD15 10 110 110 50 15 392 150 312 28 4（5）液压缸输出力精选学习资料 -名师归纳总结-第 25 页，共 48 页液压缸地输出力310PAF式中：F液压缸地输出力 P对应输出力地工作压强有效工作截面积分无杆腔和有杆腔：无杆腔：214AD (3-39)有杆腔：2224dDA (3-40)计算单活塞杆1A，计算地推力是取单活塞杆时液压缸拉力取2A（6）液压缸阻力FfFiFeF (3-41)Fe 工作负载为0Ff 摩擦阻力NNFf982.08.950（3-42)Fi 惯性负载i=.gtGVF (3-43)式中，G-为液压缸所要移动地总重量，取为1500N；g-为重力加速度，2/81.9sm；v-为速度变化量，取0.2m/s；t-启动或制动时间，一般为0.010.5s，取 0.2s将各值带入上式，得iF=152.9N。所以：ife+F+F=98+152+0=250FF（7）驱动手腕绕小臂旋转地最大力计算手腕绕小臂旋转需克服旋转时与小臂接触产生地摩擦力1F，与液压缸接触产生地摩擦力2F，设它们地摩擦系数均为0.1，1F、2F均为 1500N，则：精选学习资料 -名师归纳总结-第 26 页，共 48 页f12=FFF (3-44)15000.115000.1300N因为始终要保证手部和手腕与地面垂直，小臂上驱动手腕绕小臂旋转地液压缸只是保证其精度，对其驱动力要求不大，因此只需克服摩擦力1F、2F，即：f=+F=300+250=550NFF驱 (3-45)式中，F驱-为液压缸驱动力fF-为旋转时克服地摩擦力F-为液压缸地摩擦力（8）驱动手腕绕小臂旋转地液压缸地选用液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa.根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上地输出推力必须克服弹簧地反作用力和活塞杆工作时地总阻力，其公式为:ztFFPDF421 (3-46)式中:1F-活塞杆上地推力，NtF-弹簧反作用力，NzF-液压缸工作时地总阻力，NP-液压缸工作压力，Pa因为选定地液压缸与手部地驱动液压缸为同一种类型，且其要求地驱动力远大于此液压缸地驱动力，因此同样选取：内径50Dmm外径=68mm其结构简图如下：精选学习资料 -名师归纳总结-第 27 页，共 48 页图 3-7 HSG 型活塞杆端为外螺纹耳环连接液压缸4 小臂和大臂结构设计4.1 小臂结构设计它由执行系统地动力关节和连杆等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器地部件.小臂自身重量较大，还要承受手腕、夹持器和桶装水地重量，以及在运动中产生地动载荷，故其受力情况较复杂.（1）小臂结构和尺寸设计本次设计地手臂如下图：图 4-1 小臂其尺寸为：长 宽 高=800150 150，它是手腕和大臂之间地连接件，其连接方式如下图 4-2：精选学习资料 -名师归纳总结-第 28 页，共 48 页图 4-2 小臂连接方式（2）驱动小臂旋转地液压缸地计算和选取液压系统地主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件地主要依据.压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件地运动速度和结构尺寸.（3）液压缸输出力液压缸地输出力：310PAF (4-1)式中：F 液压缸地输出力 P 对应输出力地工作压强有效工作截面积分无杆腔和有杆腔：无杆腔：214AD (4-2)有杆腔：2224dDA (4-3)计算单活塞杆1A，计算地推力是取单活塞杆时液压缸拉力取2A（4）液压缸阻力FfFiFeF (4-4)式中，Fe 工作负载为0Ff 摩擦阻力NNFf982.08.950 (4-5)Fi 惯性负载精选学习资料 -名师归纳总结-第 29 页，共 48 页i=.gtGVF (4-6)式中，G-为液压缸所要移动地总重量，取为1000N；g-为重力加速度，2/81.9sm；v-为速度变化量，取0.2m/s；t-启动或制动时间，一般为0.010.5s，取 0.2s将各值带入上式，得iF=102N所以：eif+F=98+102+0=200FFF（5）小臂、手腕等全部重力Fn 和驱动力Fp 地关系当液压缸与水平方向地夹角为=30 时，为机械手地最大抓取范围，也是驱动力最大地时候，此时NF和驱动力PF地关系：12sin LPNFFL (4-7)式中，NF-小臂、手腕、手部和桶装水全部重力，估为1500N PF-液压缸驱动力-液压缸与水平方向地夹角,最大范围时为301L-液压缸头部和尾部地水平距离，为300mm 2L-小臂、手腕、手部和桶装水整体地重心与液压缸尾部地水平距离,估为 1200mm 由上述数据可得：21sinNPF LFL1500 1200=240 0.866=8660.5N精选学习资料 -名师归纳总结-第 30 页，共 48 页（6）驱动小臂液压缸地选用液压缸选取 HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa.根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上地输出推力必须克服弹簧地反作用力和活塞杆工作时地总阻力，其公式为:ztFFPDF421 (4-8)式中:1F-活塞杆上地推力，NtF-弹簧反作用力，NzF-液压缸工作时地总阻力，NP-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:)1(sGFft (4-9)nDGdGf31418 (4-10)式中:fG-弹簧刚度，N/m1-弹簧预压缩量，ms-活塞行程，m1d-弹簧钢丝直径，m1D-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.G-弹簧材料剪切模量，一般取PaG9104.79在设计中，必须考虑负载率地影响，则:tFpDF421 (4-11)由以上分析得单向作用液压缸地直径:精选学习资料 -名师归纳总结-第 31 页，共 48 页14()FFtDp (4-12)代入有关数据，可得fGnDGd314184333915)1030(8)105.3(104.79)/(46.3677mN)1(sGFft)(6.220106046.36773N所以:D4(1)FFtpn64(8660.5220.6)16 107.07()mm查有关手册圆整，根据实际情况，选取内径50Dmm外径=68mm其简图如下：精选学习资料 -名师归纳总结-第 32 页，共 48 页图 4-3 HSG 型活塞杆头外螺纹耳环连接4.2 大臂地尺寸和机构设计大臂是用来支撑和调整小臂、手腕和末端执行器地位置地部件.手臂自身重量较大，还要承受小臂、手腕、末端执行器和桶装水地重量，以及在运动中产生地动载荷，故其受力情况较复杂.大臂一般安装在机座上.（1）大臂地设计要求大臂设计要求有以下几点：1、大臂地结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出地工作空间要求.2、根据大臂所承受地载荷和结构特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；如常采用空心地薄壁矩形框体或圆管以提高其弯曲刚度和扭转刚度，减轻自身重量.3、尽量减小大臂重量和相对其关节回转地转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置地负荷；减小转动地动载荷与冲击，提高手臂地响应速度.4、要设法减小机械间隙引起地运动误差，提高运动地精确性和运动刚度.（2）大臂地结构、尺寸及材料下图为大臂地结构简图：图 4-4 大臂精选学习资料 -名师归纳总结-第 33 页，共 48 页其尺寸为：长 宽 高=1500150 150，材料选取Q235A.(3)驱动大臂地液压缸地选取液压系统地主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件地主要依据.压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件地运动速度和结构尺寸.(4)液压缸输出力液压缸地输出力310PAF (4-13)式中：F液压缸地输出力 P对应输出力地工作压强有效工作截面积分无杆腔和有杆腔：无杆腔：214AD (4-14)有杆腔：2224dDA (4-15)计算单活塞杆1A，计算地推力是取单活塞杆时液压缸拉力取2A(5)液压缸阻力FfFiFeF (4-16)Fe 工作负载为0Ff 摩擦阻力3500 0.2700FfNN (4-17)Fi 惯性负载i=.gtGVF (4-18)式中，G-为液压缸所要移动地总重量，取为3500N；g-为重力加速度，2/81.9sm；v-为速度变化量，取0.2m/s；t-启动或制动时间，一般为0.010.5s，取 0.2s精选学习资料 -名师归纳总结-第 34 页，共 48 页将各值带入上式，得iF=357N。所以：eif+F+F=FF0+700+367=1067N(6)大臂地承载力Fn 和驱动力Fp地关系当液压缸与竖直方向地夹角为=30 时，为机械手地最大抓取范围，也是驱动力最大地时候，此时NF和驱动力PF地关系：12cos=PNF LFL (4-19)式中，NF-大臂、小臂、手腕、手部和桶装水全部重力，估为3500N PF-液压缸驱动力-液压缸与竖直方向地夹角,最大范围时为301L-液压缸头部和大臂和基座连接点地水平距离，为400mm 2L-大臂、小臂、手腕、手部和桶装水整体地重心与液压缸尾部地水 平距 离,估为1800mm 由上述数据可得：21=cosNPF LFL3500 1800=4000.866=18187N(7)手部液压缸地选用大臂地驱动选用双液压缸驱动，液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa.根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上地输出推力必须克服弹簧地反作用力和活塞杆工作时地总阻力，其公式为:ztFFPDF421 (4-20)精选学习资料 -名师归纳总结-第 35 页，共 48 页式中:1F-活塞杆上地推力，NtF-弹簧反作用力，NzF-液压缸工作时地总阻力，NP-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:)1(sGFft (4-21)nDGdGf3141 (4-22)式中:fG-弹簧刚度，N/m1-弹簧预压缩量，ms-活塞行程，m1d-弹簧钢丝直径，m1D-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.G-弹簧材料剪切模量，一般取PaG9104.79在设计中，必须考虑负载率地影响，则:tFpDF421 (4-23)由以上分析得单向作用液压缸地直径:14()FFtDp (4-24)代入有关数据，可得fGnDGd314184933379.4 10(3.5 10)8(30 10)15精选学习资料 -名师归纳总结-第 36 页，共 48 页)/(46.3677mN)1(sGFft)(6.220106046.36773N所以:D4(1)2FFtpn64(181871067)216 107.5()mm查有关手册圆整，根据实际情况，选取内径50Dmm外径=68mm其简图如下：图 4-5 HSG型活塞杆头外螺纹耳环连接液压缸精选学习资料 -名师归纳总结-第 37 页，共 48 页5 腰部和基座结构设计5.1 腰部和基座地结构设计本次设计地腰部和基座结构如下图所示：图5-1 基 座图5-2 腰 部腰部和基座之间用回转支撑轴承连接.腰部地回转运动为力矩电机直接驱动.力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围地特种电机.这种电机地轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力.力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机.它具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统地运行精度.图5-3 力矩电机5.2 回转支撑轴承地选取本次设计选取回转支撑轴承为交叉圆锥滚子轴承，交叉圆锥滚子轴承地预过盈能使轴承具有较大地支撑刚性和回转精度，其结构简图如下图5-4：精选学习资料 -名师归纳总结-第 38 页，共 48 页图 5-4 交叉圆锥滚子轴承选取地交叉滚子轴承尺寸如下表5.1：表 5.1 交叉圆锥滚子轴承参数轴承类型子分类国内型号规格（d DT）重量(kg)回转支撑轴承交叉圆锥滚子轴承120.25.630 528 732 75 100 5.3 力矩电机地选取腰部回转时地驱动力矩必须克服手腕起动时所产生地惯性力矩，腰部地转动轴与轴承处地摩擦阻力矩以及由于转动件地中心与转动轴线不重合所产生地偏重力矩.手腕转动时所需地驱动力矩可按下式计算:MMM驱惯摩 (5-1)式中:驱M-驱动手腕转动地驱动力矩(cmN)。惯M-惯性力矩(cmN)。(1)腰部加速运动时产生地惯性力矩若腰部起动过程按等加速运动，手腕转动时地角速度为，起动过程所用地时间为t，则:MJt惯 (