搬运机器人毕业设计

前言当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来。与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。随着计算机技术和智能技术的发展，极大地促进了机器人研究水平的提高。现在机器人已成为一个庞大的家族，科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠的朋友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。搬运机器人不但能够代替人的某些功能，有时还能超过人的体力能力。可以24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境。 因此，搬运机器人是人体局部功能的延长和发展。 21世纪是敏捷制造的时代，搬运机器人在敏捷制造系统中应用广泛。1 绪论1.1 工业机器人的历史、现状及应用机器人首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务，它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起1。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型；2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件；3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统2。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。1.2 我国的工业机器人我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。 目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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。机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：1)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；2)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；3)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。2 总体方案设计2.1 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多2。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1（b）。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。(a)直角坐标型 （b）圆柱坐标型 （c）球坐标型 （d）关节型图2-1四种机器人坐标形式Fig 2-1 four robot coordinate form2.2 搬运机器人的组成搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.2.1 执行机构1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-2。图2-2搬运机器人手部执行部件示意图Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes如图2-2的机构简图，手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动，杆的动力源来自后续驱动源的液压缸，该液压缸采用的是伸缩式液压缸，该液压缸能够节省横向的工作空间。2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于），并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部的旋转运动。设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在范围内，其基本的结构形式如图2-3所示。图2-3腕部回转基本结构示意图Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱动的；而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。手臂的运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回转范围：。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。4）机座机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构；臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置，其驱动源来自回转液压缸。2.2.2 驱动机构驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂3。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液压驱动的方式。2.3 搬运机器人的技术参数1) 用途：用于车间搬运2) 设计技术参数：a) 抓重：20Kg(夹持式手部)；b) 自由度数：5个自由度（手爪张合；腕部回转；臂部伸缩；臂部回转；臂部升降5个运动）；c) 坐标型式：圆柱坐标系；d) 最大工作半径：1600mm；e) 手臂最大中心高：1248mm；f) 手臂运动参数:伸缩行程：1200mm；伸缩速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回转范围：0180；g) 手腕运动参数：回转范围：0180。3 机器人的设计与计算3.1 手部设计3.1.1 机器人手部的功能机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同4。其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类：1) 夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。2) 吸附式：包括气吸式与磁吸式等。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：1) 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2) 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3) 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。3.1.2 手部设计的基本要求1）应具有适当的夹紧力和驱动力；2）手指应具有一定的开闭范围；3）应保证工件在手指内的夹持精度；4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为：双支点连杆杠杆式手部结构。3.1.3 选择手爪的类型及夹紧装置本次搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪夹取重量为20Kg。常用的工业机械手手部，分为夹持和吸附两大类。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，其理论夹持误差零4。若采用典型的平移型手指，使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常形式夹紧装置，它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。3.1.4 手爪及其液压缸的设计1) 手爪的力学分析图 3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图Fig. 3-1 leveraged sliding channel hand structure、stress analysis schemes1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，手指滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点。 由得: 由得: 由 得: （3-1）式中: a-手指的回转支点到对称中心的距离（mm)；-工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但如果角过大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大，因此最好取，故本次设计选取。根据给定的数据：抓取的重物为20Kg钢与钢之间的静摩擦因数取为：=0.15即: 取=700N a=35mm b=50mm故： =1500N2) 夹紧力和驱动力及液压缸的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： （3-2）式中：安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 其中a为重力方向的最大上升加速度； F理论驱动力（N）。 表3-1液压缸的工作压力Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressure of work作用在活塞上外力F/N 液压缸工作压力/Mpa 作用在活塞上外力F/N 液压缸工作压力/Mpa小于5000 0.81 2000030000 2.04.0500010000 1.52.0n 3000050000 4.05.01000020000 2.53.0 50000 5.08.0表3-2 液压缸的内径系列（JB826-66） Tab 3-2 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 8590 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250计算：a) 取a=35mm，b=50mm，机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力FN和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。取 根据公式，将已知条件带入： b）取 c) 确定液压缸的直径D： (3-3)选取活塞杆直径d=0.5D，根据表3-1选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa， 根据表3-2（JB826-66），选取液压缸内径为：D=80mm。对于无速比要求的双作用液压缸，可按下式初步定活塞杆直径 则 3.2 腕部设计3.2.1 腕部设计的基本要求1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能5。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2）结构考虑，合理布局腕部作为搬运机器人的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。3）必须考虑工作条件对于本次设计，搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为20Kg的物体，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。3.2.2 腕部结构的选择1)典型的腕部结构 a) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用,回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。b) 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部6。c) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。d) 机-液结合的腕部结构。2) 腕部结构和驱动结构的选择本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。3.2.3 腕部及其液压缸的设计计算腕部设计考虑的参数：夹取工件重量20Kg；回转。1) 腕部驱动力计算图3-2腕部支撑反力计算示意图Fig. 3-2 the wrist support counterforce calculation schemes腕部回转时要克服的阻力：a) 腕部回转支撑处的摩擦力矩： (3-4)其中为轴承摩擦系数取=0.1b) 克服由于工件重心偏置所需的力矩：(这里假定为0) （3-5）c) 克服启动惯性所需的力矩： （3-6）假设给定的工件是一直径D=70mm，长度L=660mm，重量G=200N的棒料。按照任务书要求实现腕部回转180，现计算腕部所需的驱动力矩如下：a）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长200mm，直径100mm，其重力估算如下： b）摩擦力矩： c) 启动过程所转过的角度 ，启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s，此处取0.12s，等速转动角速度 (3-7)查取转动惯量公式有：代入： 2) 腕部驱动液压缸的计算表3-3 液压缸的内径系列（JB826-66）Tab 3-3 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 8590 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250设定腕部的部分尺寸：为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：根据表3-3设缸体内径R=50mm，考虑到实际装配问题后，动片宽度b=40mm，输出轴r=30mm.基本尺寸示如图3-3所示。则回转缸工作压力：，选择3.5Mpa图3-3腕部液压缸剖截面结构示意图Fig. 3-3 wrist hydraulic cylinder profile section structure schematic drawing3.3 臂部的设计及有关计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本节叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一节详述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。3.3.1 臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：1) 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化7。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面：a) 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；b) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；c) 合理布置作用力的位置和方向；d) 注意简化结构；e) 提高配合精度。2) 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1000-1500mm/s最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，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4个途径：a) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料；b) 减少臂部运动件的轮廓尺寸；c) 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；d) 在驱动系统中设缓冲装置。3) 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。4) 位置精度要求高一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。5) 设计合理合理设计与腕和机身的连接部位，臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。3.3.2 手臂的典型机构及结构的选择1) 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：a) 双导杆手臂伸缩机构；b) 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；c) 双活塞杆液压缸结构；d) 活塞杆和齿轮齿条机构。2) 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动，水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸。3.3.3 手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力，应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力和惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为： (3-8)1) 手臂摩擦力的分析与计算摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图3-4机械手臂部受力示意图Fig. 3-4 the mechanical arm department stress schemes计算如下：得 得 (3-9)式中 -参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L-手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m），参考上一节的计算；a-导向支撑的长度（m）；-当量摩擦系数;选取：，G=500N，L=1.49-0.28=1.21m，导向支撑a设计为0.16m。将有关数据代入进行计算：2) 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=83mm/s；假定：在计算惯性力的时候，设置启动时间(一般为0.01-0.5)，启动速度； (3-10) 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： 3.3.4 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=2630.45N，根据表3-1选择液压缸的工作压力P=1MPa。确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图3-5所示图3-5双作用液压缸示意图Fig. 3-5 dual action hydraulic cylinder schemes当油进入无杆腔： （3-11）其中：为机械效率，d=0.5D故有： (3-12)F=2630.45N，选择机械效率。将有关数据代入：根据表3-3（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=70mm。液压缸外径的设计：根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为80mm。活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。 则可选取活塞杆直径为35mm系列。3.4 机身设计及计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。3.4.1 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种8：1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。2) 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之下的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。具体结构见图3-6。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转。图3-6回转缸位于升降缸之下的机身结构示意图Fig. 3-6 rotary cylinder is located in the fuselage structure under lifting cylinder diagram3.4.2 机身回转机构的设计计算1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡： (3-13)惯性力矩的计算： (3-14)式中：回转缸动片角速度变化量，在起动过程中=；t起动过程的时间(s)；手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则： (3-15)式中： 回转零件的重心的转动惯量。 (3-16)回转部件可以等效为一个长1500mm，直径为80mm的圆柱体，质量为150Kg设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s，。 密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下。经过以上的计算 。2）回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴的直径，设d=50mm，则回转缸的内径通过下列计算： (3-17)即设计液压缸的内径为110mm，再经过配合等条件的考虑。最终确定的液压缸的截面尺寸如图3-7所示，内径为125mm，外径为180mm，输出轴径为50mm。图3-7回转缸的截面图Fig. 3-7 rotary cylinder section graph3.4.3 机身升降机构的计算1) 手臂偏重力矩的计算图 3-8手臂各部件重心位置图Fig. 3-8 arm parts focus locationsa) 零件重量等现在对机械手手臂做粗略估算：和总共约为22Kgb) 计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。 (3-18)所以，回转半径。c) 计算偏重力矩 (3-19)2) 升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势；由力的平衡条件有： (3-20)即： 所谓的不自锁条件为：即： 取f=0.16则： (3-21)当时，因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于449.12mm，取h=500mm。3) 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 (3-22)式中：-摩擦阻力，参考图3-8 (3-23)G-零件及工件所受的总重。a）的计算设定速度为V=67；起动或制动的时间差t=0.02s；近似估算为250Kg；将数据带入上面公式有：b）的计算当液压缸向上驱动时： 当液压缸向下驱动时： 3.4.4 升降液压缸尺寸确定由公式（3-11）得可得升降缸内径D由表3-1得p=1.5MPa，d=0.5D根据表3-3，D=85mm对于无速比要求的双作用液压缸，可按下式初步定活塞杆直径9则 取d=45mm3.5 液压系统设计3.5.1 确定工作状况及主要参数由上面的计算已经得出负载状况如表3-4表3-4工工作阶段负载Tab 3-4 work load value phase工况 负载值 F/N（M/N.m） 推力F/N(M/N.m)手部夹紧 3176 3528.9手腕转动 10.9 12.1臂部伸缩 2630.45 2922.7机身转动 576.8 640.9机身升降 5488.188 6097.99液压缸机械效率根据执行原件负载（F或M）及速度（v或）的值，可以确定执行原件的有效功率N的数值，即 (3-24)有效的系统输入功率N为 (3-25) 式中p、 Q为系统的压力和流量根据公式(3-24) 、(3-25)可得出各个状态的流量和功率根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如表3-5所示。表3-5 工作阶段的压力、流量和功率值Tab 3-5 working stages pressure、 flow and power value工况 压力 /MPa 流量 /（L /min） 功率/kW手部夹紧 1 15 0.25手腕转动 3.5 0.5 0.03臂部伸缩 1 14.4 0.24机身转动 8 1.5 0.2机身升降 1.5 16.4 0.413.5.2 液压元件的选择1) 泵的最大工作压力根据液压泵的最大工作压力计算方法，液压泵的最大工作压力可表示为液压缸最大工作压力与液压泵到液压缸之间压力损失之和11。选取进油路上的总压力损失为0.5MPa则泵的最高工作压力可估算为P=8+0.5=8.5MPa。2）泵的选择在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在机身升降工作阶段，为16.4L/min，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的10%计算12，则液压油源所需提供的总流量为：据据以上液压油源最大工作压力和总流量的计算数值，上网或查阅有关样本，最终确定选取YB定量叶片泵。3）电机选择由于液压缸在机身升降时功率最大，压力为1.5MPa，流量为16.4L/min，根据次数值查阅电机厂品目录，最终选定Y802-44）油箱油箱容积按式（3-26）估算， （3-26）V为有效容积，是与系统压力有关的经验值，取7，液压泵额定流量。按GB2876-81规定，取靠近的标准值图 3-9液压原理图Fig. 3-9 hydraulic principle diagram 1机身升降缸、2手部液压缸、3机身转动缸、4手腕转动缸、5臂部液压缸3.5.3 系统性能验算液压传动系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量多数转化为热能，使油温升高，导致油的粘度下降、油液变质、机器零件变形等，影响正常工作13。为此，必须控制温升T在允许的范围内，如一般机床DT = 25 30 ；数控机床DT 25 ；粗加工机械、工程机械和机车车辆DT= 35 40 。液压系统的功率损失使系统发热，单位时间的发热量f（kW）可表示为 （3-27）式中 系统的输入功率（即泵的输入功率）（kW）； 系统的输出功率（即液压缸的输出功率）（kW）。输出功率为各部分功率和输入功率为 油箱散热面积为油液升温 （3-28），则温升没超出允许范围，液压系统不需设置冷却器。4 控制系统4.1 PLC的主要特点1) 高可靠性a) 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。b) 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。c) 采用性能优良的开关电源。d) 对采用的器件进行严格的筛选。e) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。f) 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2) 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲