毕业设计（论文）送料机械手设计

成都理工大学工程技术学院毕业论文送料机械手设计作者姓名：专业名称：机械工程及自动化指导教师：成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人慎重承诺和声明：1.本人已认真学习学位论文作假行为处理办法（中华人民共和国教育部第34号令）、成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）（成理工教发201330号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。3.本人所提交的学位论文（题目： ），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。承诺人（学生签名）： 20 年 月 日 注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。送料机械手摘要本课题研究的是工业生产中所使用的送料机械手。所谓机械手，简单地说就是用机械来代替人工作业的一种工业产品。随着科技的不断发展，用机械来代替人工已经成为了必然的发展趋势。它的工作主要是按照控制系统的指令来完成指定的动作，从而完成生产任务。送料机械手的工作原理体现了工业生产的自动化，目前工业自动化还处于发展阶段，机械手对其有不可替代的积极作用。工业机械手最直接的作用就是可以取代人工操作，可以提高生产效率，降低工作强度，减少意外事故的发生。因此，它难免会受到人们的关注。机械手在工业生产中主要作用于一些特殊的工件，比如：重工件、单一少品种。机械手还能在一些特殊领域工作，比如：高温、深水、放射性和其他有毒、污染环境条件。由此可见机械手的作用很突出，在工业领域有着不可忽视的地位，而且在当代这项技术并不太成熟。所以，致力于机械手的研究项目不失为一个很有前途的行业，我们有理由相信在不远的将来工业机械手的发展前途是光明的。关键词：机械手，自动化，工业生产- -Abstract This topic research the feeding manipulator is used in industrial production. The so-called manipulator, simply is to use machinery to replace manual operation of a kind of industrial products. With the continuous development of science and technology, with machinery to replace manual has become the inevitable development trend. Its work is mainly in accordance with the instructions of the control system to complete the specified action, so as to complete production tasks. Feeding manipulator principle embodies the automation of industrial production, the current industrial automation is still in the stage of development, the manipulator is irreplaceable for its positive role. Industrial manipulator is the most direct role can replace manual operation, can improve the production efficiency, reduce working intensity, reduce the happening of the accident. Therefore, it will inevitably be the attention of people. Mechanical major role in industrial production in some special artifacts, such as: heavy pieces, a few varieties. In addition, the manipulator can work in some special fields, such as: high temperature, deep water, radioactive and other toxic, environmental pollution condition. This shows the role of the manipulator is very outstanding, in the industrial field has an important position, and the technology is not mature in the contemporary era. Therefore, dedicated to the research project of the manipulator can yet be regarded as a promising industry, we have reason to believe that is bright for industrial robots in the future.Keywords: mechanical arm, automation, industrial production- -目录摘要Abstract目录1绪论11.1 课题背景11.1.1机器人的历史、现状- 2 -1.1.2机器人发展趋势- 4 -1.1.3机械手组成、分类、应用- 4 -1.1.4本文主要的研究内容- 6 -1.2本课题的内容和要求- 6 -2 抓取机构设计- 9 -2.1手部设计计算- 9 -2.2腕部设计计算- 12 -2.3臂伸缩机构设计- 13 -3 液压系统原理设计及草图- 16 -3.1手部抓取缸- 16 -3.2腕部摆动液压回路- 18 -3.3小臂伸缩缸液压回路- 19 -3.4总体系统图- 20 -4 机身机座的结构设计- 22 -4.1电机的选择- 22 -4.2减速器的选择- 24 -4.3螺柱的设计与校核- 24 -5 机械手的定位与平稳性- 26 -5.1常用的定位方式- 26 -5.2稳定和定位精度的影响因素- 26 -5.3机械手运动缓冲装置- 27 -6 机械手的控制- 28 -结论- 31 -参考文献- 32 -致谢- 33 - 前言本课题的设计目的在于运用所学到的机械工程理论设计出符合工业要求的工业机械手。通过设计，提升专业知识的运用，提升学生的工作能力。本课题主要介绍了机械手的发展背景：机器人的发展历史、现状以及发展前景；使用AutoCAD表述了机械手的结构简图、液压原理图；简单介绍了机械手的控制系统。具体内容包括：机械手的组成和分类，机械手的主要参数，液压元件，电机规格及机构的参数；机身机座的电动机和减速器，螺栓的设计和校核，运用材料力学对所选零件确定当量应力，校核剪切强度，弯曲强度；介绍了机械手的定位并分析了影响机械手定位和稳定性的相关因素；此外还简要地介绍了机械手的控制系统。在设计中运用了我们所学的机械设计原理，作图软件，还有表格的使用。通过本次设计展现了我们所学。能从中找出不足，通过学习，取长补短，提升个人专业能力。目前，工业机械手处于一个迅速发展的阶段。很多发达国家正在研发更高科技的机械手。所以，本课题是很有发展前景的。- 1 -1绪论1.1 课题背景1.1.1机器人的历史、现状 机器人开始在美国的发展：1958年,美国公司开发了第一个机器人关节控制。其结构特点是安装在身体旋转长臂,磁铁安装在工件的最后捕获机构,教学模式的控制系统。 在工业机器人领域中，发展最快的当属日本。从1969年引进美国的机器人后，日本就致力于机器人的研究。由此可见，日本工业技术的先进也就不是没有缘由的了。 由于现在的机器人技术并不发达，基本上都是第一代机器人。它的特点就是需要人工控制，只能按既定的方式工作，不能对突发情况做出反应。而且成本还高精度不够。目前,第二代机器人是加强发展。它配备了微机控制系统,感觉如视觉、触觉,甚至与倾听,思考的能力。其原理是研究安装各种传感器,信息反馈,导致机器人的感觉功能。第三代机器人能独立完成任务的过程中工作。主要是与计算机有密切关系，运用到了先进的柔性制造系统。 工业机器人研究制造和应用领域不断扩大,显示伟大的积极参与国际学术交流,学术交流,特别是欧洲和美国和其他国家进行很多。由于机器人的重要性，国际会议上工业机器人ISIR决定每年定期召开一次会议以此来发展提升机器人的运用。 目前,工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸造、热处理等,在数量、品种和性能还不能满足工业生产发展的需要。在危险的操作(广义),更多的灰尘、高温、噪音和工作空间不适合手工操作环境中使用的工业机器人代替人工操作是显著的。 在外国机械制造,工业机器人应用程序更重要的是,快速发展。目前主要用于机床、锻压,点焊,绘画和其他作业。它只能根据工作程序完成之前制定的操作,不能处理紧急情况。因为它不能够感应反馈,因此无法应对外部世界的变化。例如,当发生一些偏差,甚至会导致部分机器人本身的伤害。 现代科学技术的不断发展和社会的巨大进步,在各领域应用的机器人系统,研究系统本身要求的越来越多。制造要求机器人系统具有更灵活和更强大的编程系统,适应不同的应用程序和多品种、小批量生产的要求。计算机集成制造(CIM)需求可以机器人系统和其他自动化设备在车间集成生产。研究人员要求机器人系统结构开放和集成各种外部传感器的能力,所以它可以提高机器人系统的性能和智能水平。然而,商业化的专用控制器,机器人系统的结构与闭上主要控制计算机是由一个专门的控制计算机,由专业机器人离线编程工具的声音来表达,使用特殊的微处理器、固化EPROM和控制算法,特殊的外部硬件和软件系统集成是非常困难的甚至是不可能的。修改一个封闭系统的价格很难想象,如果不是重新设计,在大多数情况下,技术上是不可能实现的目标。机器人系统的研究和使用开放结构是解决这些问题的基本方法。 工业机器人的发展,大致经历了以下几个阶段:(1)1963 - 1967测试定义阶段。在1963 - 1966年,通用公司生产的工业机器人自动化为用户做测试过程。1967年,该公司生产的1900型工业机器人。(2)1968 - 1970年的实际应用阶段。在此期间,工业机器人进入应用阶段在美国,例如,通用汽车(general motors)在1968年订购了68工业机器人;1969年,公司由山姆新工业机器人、焊接和21的车身焊接自动生产线;另外一个例子,美国克莱斯勒汽车公司的32条448台冲床冲压自动线与工业机器人传输工件。 自1970年以来机械手处于初步应用和技术发展阶段。1970年4月,美国举行了第一届全国工业机器人。在本次展示中，200个工业机器人,工作时间,共计600000小时,与此同时,所谓的先进的机器人,例如:des兰德公司(胜)的50个机器人发明了小型计算机控制系统。其他国家,如日本、苏联,西欧,主要来自1967196 8年在美国“Versatran”和“通用机械手机器人基于发达国家开始。至于日本,在1967年,日本的丰田织机公司引进“Versatran”。在美国,川崎重工公司引进“尤尼梅特”,并获得快速发展。通过引进技术,模仿和创新。很快很快发展机器人定位、技术水平赶上美国,超过其他国家。经过大约10年的实践,从1980年开始广泛流行的时代。 虽然我国开始发展工业机器人只落后于日本5-6年,但工业机器人技术发展缓慢,究其原因是行动和语言上的不一致,有很多无法用言语来表达。应对这种情况,我们的国家已经开始系统地介绍了工业机器人技术来自国外,通过引进和模仿,改革和创新,相信在不久的将来工业机器人将得到快速发展。1.1.2机器人发展趋势 机器人在未来的发展方向是运用先进技术改变现有的工作方式，加强生产力，提高生产效率。目前，最有竞争力的技术是结合柔性制造系统的特点来实现生产的飞跃。 目前,现代工业机器人的总体发展趋势有以下:提高机器人运动速度和精确度,减少机器人自身重量和空间,加快机器人的标准化。机器人因为其结构的不同会运用到不同的模块领域中。需要开发各种新型结构的不同类型的情况下,如微观结构的发展,确保准确;开发更多联合多自由度的手臂和手指;各种机器人的发展,以适应不同的场合;开发各类传感器和测试组件,例如,触觉,视觉,听觉,味觉,和距离传感器,等等,为了完成这项工作需要使用模式识别、状态检测传感器对象周围环境信息,位置信息和状态信息。同时,越来越多的控制系统采用计算机来控制，从而达到解决问题的根本目的。1.1.3机械手组成、分类、应用 组成机械手的三个系统主要是执行机构系统、驱动系统和控制系统。(1)执行机构系统：手部、手腕、手臂、支柱、机座等部分,有些还设有行走机构。手部:联接机械手与工件接触的部分。由夹紧式的不同，分为夹持式;接触形式的不同,分为吸附式。比如，圆柱形工件材料的棒料,常采用夹持式。由手指和力传导机制、手指和工件接触力机构下班是通过手指夹紧力夹一个任务。手腕：手部和手臂的连接部分,调整或改变工件的位置。手臂:轴承部分的手和手腕改变立场支持工件的空间。立柱:轴承部分的组件是手臂。该手臂的旋转运动和升降运动有着紧密的关系。立柱部分厂采用固定式。机座:机械手的基础部分。机座安装在框架上,起到支撑和连接执行结构组件和驱动系统的作用。(2)传动系统:机械手的驱动系统驱动执行运动的传动装置。常用传动系统分为液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。(3)控制系统：控制系统是机械手的命令系统,起到控制传动系统的作用。它会控制执行机构满足工作的需求,并检测运行是否正常。一般常见的电气和电子电路控制,计算机控制系统也越来越多。由于工业机械手的功能是不同的,因此,机械手的分类也是不同的。(1)根据工业机器人的特点可分为以下三类:a.用于专业机械手的处理工作,通过操作机械手的主要工艺设备,用来完成辅助操作。如装卸工件和工具。b.用于生产工业机械手可以完成流程的主要操作,如装配、焊接、绘画、弯曲、切割等。c.一般工业机械手:其广泛的用途,可以完成各种过程操作。(2)根据功能分类:专业机械手,机械手和示教呈现(3)根据传动方式分:液压机械手和气力输送机械手操纵者(4)根据控制点:固定程序操纵器和可编程的操纵者 根据机械手不同的布局形式可分为：架空式机械手、附机式机械手、落地式机械手。此外，还有一些专用的机械手。比如安装在自动线料道上或料道旁的辅助装置，其主要实现工件上、下料，传递转位、转向等工作内容。由于它们自身的缺陷只适用于运动单一、结构简单、位置灵活及精度一般要求较低的工作环境。 机械手的适用范围一般是作为辅助装置来实现生产的需要。一般用来传递机床上的工件，以及加工中心的刀具更换。1.1.4本文主要的研究内容 机械手的发展背景受到了人们对于高质量生活追求的强烈影响。在当今高端科学技术发展的前提下，工业生产的先进程度也被不断提高。具体就体现在工业生产中各种机械手的运用。现在机械手已经成为最不可缺少的机械设备生产线的一员。工业机械手不仅可以提高生产过程的自动化,改善工作条件,而且可以避免发生个人安全事故,它减少了手工操作,高效地促进生产。所以本课题研究的内容如下:(1)本文将设计一个四自由度的工业机器人,用于交付材料的冲压设备,完成许多功能,如上料,转位,翻转,根据统一的自动线生产节奏和生产平台来完成上述操作。(2)总体来说,本文主要设计机器人的机座,大臂,小臂,和机械手的结构。除此之外，需要选择合适的传动方式,驱动方式以此来建立机械手的结构平台。在此基础上,本文将简单设计机械手的控制系统。研究思路和技术解决方案是身体工业机械手采用框架式,直角坐标系坐标,采用液压驱动,齿轮泵,机身的旋转,伸缩臂,手臂抬起,手腕旋转四个自由度,机械停止定位的定位,定位精度为0.5 0.5毫米,行程控制系统实现位置控制。1.2本课题的内容和要求（1）原始数据 四自由度臂转动180（-900+900）臂上下运动 500mm臂伸长（收缩）500mm手部转动 180（2）技术要求主要参数的确定：1. 坐标形式：直角坐标系2. 臂的运动行程：伸缩运动500mm，回转运动180。3. 运动速度：满足生产率的纲领要求。4. 控制方式：起止设定位置。5. 定位精度：0.5mm。6. 手指握力：392N7. 驱动方式：液压驱动。（3）料槽形式及分析动作要求A料槽形式本课题的工件的形状属于小型回转体，根据设计的经验，针对这种形状的零件一般采用自重输送的输料槽,如图1.1所示。这个装置的特点是结构单一，形状简单，成本低属于经济实用型料槽而且能够满足设计需要。综合考虑，所以本课题采用此种输料槽。图1.1机械手安装简易图B动作要求分析如图1.2所示动作一：送料动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转预夹紧手臂上升 手臂旋转 小臂伸长 手腕旋转手臂转回图1.2 要求分析首先，对工件实施预夹紧，保证整个回转的安全性。手臂上升过程，是沿着立柱做垂直的升降运动，此运动可以获得较大的行程。升降过程中是通过电机带动螺柱旋转完成的，获得能量后，完成手臂的垂直运动。手臂的回转过程是电机带动减速器，进而带动齿轮转动，使机身旋转。手腕和手臂的回转运动是由回转缸的工作而完成的。2 抓取机构设计2.1手部设计计算一. 对手部设计的要求1. 一个合适的夹紧力 为了确保稳定可靠夹紧,小变形,手部在工作的时候应该有一个合理的夹紧力,不损伤工件加工表面。为较差刚度工件夹紧力应设计合理的大小,而且重型工件应考虑使用自锁装置。2. 有大量的打开和关闭（合适的开闭范围） 夹紧类手部的手臂有一定的开闭范围。在工作中,一个手臂的最大张开量和紧闭时的差值就是手臂的开闭范围。打开和关闭角度范围和手臂夹紧边长度表示手臂开闭的变换范围。手臂的开闭需求与许多因素有关,如工件的形状和大小,手臂的形状和大小。根据经验可以得出,在工作环境许可范围内,开闭的范围越大越好。如图2.1所示。3. 结构简单,重量轻,体积小。 因为手腕的运动状态不能固定,究其原因是结构上的问题。如果设计不合理，将直接影响到精度，稳定性，生产效率，甚至可能出现安全事故。因此,在设计中,必须努力使手臂结构简单,重量轻,体积小。4. 手指应该有一定的强度和刚度,满足设计要求。5. 其他要求 夹紧时,需要选择夹紧机械手,方法是根据工件的形状,选择最常用的外卡式两指钳爪,采用正常关闭弹簧夹来夹紧。松开时,使用单作用气压缸,这种相对结构简单,容易制造,也较为经济。二、拉紧装置原理如图2.1所示4：由图分析可知，当油缸右腔停止进油时，弹簧力会夹紧工件；油缸右腔进油时，弹簧力会松开工件。图2.1 油缸示意图计算如下：1. 右腔推力为FP=（4）DP （2-1）=（4）0.52510=4908.7N2. 查资料取当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba）（cos30）N （2-2） 其中 N=498N=392N，带入公式2.2得：F1=（2ba）（cos30）N =(2150/50)（cos30）392=1764N则实际加紧力F1实际=PK1K2/ （2-3） =17641.51.1/0.85=3424N经过圆整后，得F1=3500N3. 求手部活塞杆行程长L,即 L=（D/2）tan30 （2-4） =25tan30 =23.1mm经过圆整后，取l=25mm4. 确定“V”型钳爪的L、。 取L/R=3 （2-5） 式中： R=P/4=200/4=50 （2-6）由公式（2-5）、（2-6）得：L=3R=150取“V”型钳口的夹角2=120，偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395. 机械运动范围（速度）（1）伸缩运动Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转Wmax=90/sWmin=30/s因此，手部驱动活塞速度取平均值：V=60mm/s 6. 手部右腔流量 Q=sv （2-7） =60r =603.1425 =1177.5mm/s7. 手部工作压强 P= F1/S （2-8） =3500/1962.5=1.78Mpa2.2腕部设计计算腕部联结了手部和臂部，抓住了面向对象主要由手腕的运动变化，手腕动作灵活，转动惯性很小。本课题腕部具有回转这一个自由度，因此可以采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。设计要求：回-90+90角速度W=45/s根据设计要求采用用最大负荷量计算：受力分析后得出，当工件处于水平位置的时候，摆动缸的工件扭矩最大，运用估算法，得工件重M=10kg，长度L=650mm。如图2.2所示。1. 计算扭矩M14设定重力集中作用于离手指中心200mm处，那么扭矩M1为： M1=FS （2-9） =109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F 图2.2 腕部受力简图2. 油缸及其配件的估算扭矩M24已知F=5kg S=100mm那么带入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3. 摆动缸的估算摩擦力矩M摩4估算F摩=300（N），S=20mm 所以M摩=F摩S=6（NM）4. 摆动缸的总摩擦力矩M4 M=M1+M2+M （2-10） =19.6+4.9+6=30.5（NM） 5. 公式 T=Pb（A1-）106/8 （2-11）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸内径, 这里取A1=10cm；转轴直径, 这里取mm=3cm。代入（2-11）公式，得P=8T/b（A1-）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又求得W=8Q/（A1-）b所以， 流量Q=W（A1-）b/8 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s2.3臂伸缩机构设计机械手的主要执行部件是手臂。它的作用是支撑它们的手部和手腕,从而实现它们在空间里面运动,进而实现机械运动。 手臂运动的意义在于，将手部放在空间任意位置上，不过有一定的运动范围。分析手臂的受力情况,分析后可以看到,该受力处于空间中，受力较多。其中，臂部会直接承担手腕、手部和工件动态和静态加载的作用力。除此之外，这些机构的自身运动也比较复杂。所以，整个机构的受力是相当复杂的。 手部的位置精度反映了机械手的准确性。因此,更重要的是一个链接在整个设计中选择正确的导向装置和定位的手段。 本课题选定手臂的伸缩速度为200m/s，行程L为500mm。计算如下：1. 手臂右腔流量Q，由公式（2-7）得4Q=SV =20040 =1004800mm/s 1mm3/s=0.1/10m/s所以，四舍五入后，Q=1000ml/s2. 手臂右腔工作压力，由公式（2-8） 得4 P=F/S （2-12）式中：F：取工件重和手臂活动部件总重，估算后 F=10+20=30kg， F摩=1000N。代入公式（2-12）得： P=（F+ F摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa3. 绘制机构工作参数表如表2.1所示：表2.1机构工作参数表4. 由初步计算选液压泵4由已经计算所得，知所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s查资料后选取CB-D型液压泵（齿轮泵）作为本设计的泵。此泵额定工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之间，分析可知，可以满足需要。5. 校核腕部摆动缸：T=PD（A1-）m106/8 （2-13）W=8v/（A1-）b （2-14）式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95代入公式（2-13）得：T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）TM=30.5（NM）代入公式（2-14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW/40.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa，流量 Q=35ml/s圆整后，其他缸的数值为：手部抓取缸工作压力P=2Mpa，流量Q=120ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.25Mpa， 流量Q=1000ml/s 3 液压系统原理设计及草图3.1手部抓取缸 图 3.1手部抓取缸液压原理图1. 手部抓取缸液压原理图6如图3.1所示2. 泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。采用： YF-B10B溢流阀 2FRM5-20/102调速阀 23E1-10B二位三通阀3.2腕部摆动液压回路 图 3.2腕部摆动液压回路1. 腕部摆动缸液压原理图6如图3.2所示2. 工作压力 P=1Mpa流量 Q=35ml/s采用：2FRM5-20/102调速阀34E1-10B 换向阀YF-B10B 溢流阀3.3小臂伸缩缸液压回路 图 3.3小臂伸缩缸液压回路1. 小臂伸缩缸液压原理图6如图3.3所示2. 工作压力 P=0.25Mpa流量 Q=1000ml/s采用： YF-B10B 溢流阀2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B二位三通阀3.4总体系统图 图 3.4总体系统图1. 总体系统图6如图3.4所示2. 工作过程：小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松3. 电磁铁动作顺序表表3.1总体系统表 元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长+-手部抓紧+-腕部回转+-+-小臂收缩-手部放松-+-卸荷4. 确定电机规格：根据上面的计算，液压泵选取CB-D型液压泵，它的额定压力P=10Mpa，工作流量在3270ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵， 因此：传动功率 N=PQ/ （3-1）式中：取经验值为0.8所以代入公式（3-1）得： N=1080103106/600.8=16.7KN查资料后选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。4 机身机座的结构设计 机座就是用来支撑整个机械手的底盘，机座联接了轴承的传动部件。通过机座，可以完成升降过程、手腕回转。另外还安装了驱动装置。因此,手臂运动,机身结构和应力分布更为复杂。身体分为二类,一个可以固定,另也可以步行臂和机身配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题的机械手机座的设计难度不高，它的类型没有特定的要求。分析后可知,机械手可以是独立的,也可以是有自己的一个完整的系统设备。方便在随机位置和移动,也会有旅行的机制。臂安装在框架柱在中间,大多出现在机械手的变换。臂部可以在框架柱举重运动,以获得一个更大的运动行程。上升过程由电机马达驱动螺杆旋转。螺栓联接了向上和向下运动的手臂。回转马达减速机转动轴上的齿轮驱动带动了手臂的旋转机身运动,以此达到相应的设计要求的自由度。图4.1机身机座结构图4.1电机的选择本课题的机身部使用了两种电机，分别是安装在肋板上的电机，该电机带动臂部做升降运动；另外是安装在混凝土地基上的电机，该电机带动机身做回转运动。1. 带动臂部升降的电机8初选上升速度 V=100mm/s P=6KW所以n=（100/6）60=1000r/min查阅资料后（一）选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4.1 Y90S-4电动机技术数据所示：表4.1 Y90S-4电动机技术数据额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.22、带动机身回转的电机8：初选转速 W=60/s n=1/6r/s=10r/min由于齿轮 i=3，减速器 i=30。所以n=10330=900r/min（二）选择Y90L-6型笼型异步电动机综合分析以及查资料后，电动机选用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为全封闭自扇冷却，查表后确定该电机额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4.2 Y90S-6电动机技术数据所示：表4.2 Y90L-6电动机技术4.2减速器的选择减速器7是独立的闭式传动装置，它作用于原动机和工作机二者之间。减速器的使用降低了转速和增大了转矩。为了满足工作需要，初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料选择38siMnMo调质蜗轮的材料选择ZQA19-4中心矩a=80 Msq=4.011 （4-1）传动比i=30传动惯量I=0.26510kgm4.3螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主要支承件部件，通过传动系统使手臂完成升降运动。 螺杆的材料选择7：降低成本且能满足要求的材料最好选择为铸铁。螺距 P=6mm 螺纹类型选择梯形螺纹螺纹的工作高度 h=0.5P =3mm 螺纹牙底b=0.65P=0.656=3.9mm 螺杆强度 = /35 =150/35=3050Mpa螺纹牙许用剪切应力=40许用弯曲强度b=4555Mpa1、当量应力7，查资料得 （4-2）式中 T传递转矩，单位Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（4-1），得=16471 pa即16471pa535340pa合格2、剪切强度7Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （4-3）=F/d1bz （4-4） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa合格3、弯曲强度7b=3Fh/d1b2z =32009.83/2.93.92（160/6） =0.48Mpa=45Mpa合格5 机械手的定位与平稳性5.1常用的定位方式 机械手定位的常用方法是采用机械挡块。什么是机械挡块定位呢？具体来说，就是在机械挡块位置终端设置机械挡块,当机械手运行放缓时,它接近终端位置时定位完成。 如果定位之前已经开始慢下来,驱动压力时定位没有拆除,在这种情况下,机械挡块定位可以实现重复精度高。通常可以高于+ / - 0.5毫米,如果关闭定位驱动石油和消除工作压力时,机械手可以停止联系回一个小的距离,从而定位精度较低。5.2稳定和定位精度的影响因素 机器人可以准确、简单地是一个三维空间定位的问题,包括三个XYZ坐标方向和角度。在一些相对简单的情况下,一个值可能会影响定位的主要因素。定位误差的影响因素类型如下:(1)定位方法 定位方式的影响因素在不同情况下各不相同。比如，在本课题采用的机械挡块中,影响定位精度的因素是块的大小和碰撞的速度大小。(2)定位速度 定位速度对定位精度的影响很大。这是因为定位速度的不同,移动部件的能量耗散也会相应的不同,从而导致定位是不合理的。从经验方面考虑,为了减少定位误差应该合理地控制定位速度,还可以设置提高效率的缓冲装置来提高缓冲性能。通过以上的设计来控制驱动系统使运动部件及时减速。(3)准确性 机械手本身的制造精度和安装机械手时的速度会影响定位的准确性。(4)刚度 机械手的结构刚度和接触刚度也会影响定位精度。低刚度易于机械振动时,定位精度普遍较低,高的相反。(5)运动部件的重量 运动部件的重量,重量和一起被机械手本身的重量。 一方面，可以改变运动部件的自身重量。具体地说就是,增加运动部件重量,会降低定位精度;另一方面,减少运动部分重量,会提升定位精度。因此,在设计时不仅要减少移动部件本身的重量,并考虑工作时掌握体重的变化,两者缺一不可。 此外,驱动源和控制系统的精度也有一定程度的影响。经过综合考虑,这个主题定位精度是采用机械挡块定位。5.3机械手运动缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲区和外缓冲区两种形式。内缓冲区形成一个缸头缓冲装置和两种缓冲电路。外缓冲区的形式有两种弹性机械部件和液压缓冲部件。内缓冲区的优点是结构简单,设计紧凑。当放置位置在有限空间里时,外缓冲区的优点是具有灵活的放置位置,设计简单,缓冲性能良好等等,但是相对于内缓冲区有着较大的结构。 这个课题使用的缓冲装置是油缸缓冲装置。当活塞运动远离油缸端盖一定距离可以形成活塞与端盖之间的一个缓冲。通过节流阀的原则使缓冲室产生临时背压阻力,减缓并最终停止运动,并避免刚性影响设备,称为缸头缓冲装置。 在缓冲节流嘴有一个常数缓冲装置,称为常数节流式油缸头缓冲装置。缸头设计常数节流缓冲装置,Amax(最大加速度),Pmax(最大影响压力缓冲室)和Vr(剩余速度)这三个参数影响着缓冲效率。通常采用的方法是选择的第一个参数,然后检查剩下的两个参数。6 机械手的控制 机械手的控制系统是一个相当重要的组成部分。控制系统就像人的大脑一样控制着机械手的手部、手腕、手臂和相关机械构件。主要控制内容的行动序列,行动和路径的位置,时间的行动。机械手使用而不是一个完整的某些操作,通常需要函数如图6.1所示。实现上述控制方式有各种各样的方法。由程序控制的机械手可以分为两类,即固定程序控制方法和变量控制方法。这个课题采用固定程序控制机械手的运动。通常使用凸轮和杠杆机制来控制动作序列、时间和速度。一般常与传动机构,结构简单,维修方便,使用寿命长,工作更可靠。步骤适用于专用机械手控制程序少。 装卸工件 状别识别 环境识别操作机能检测、识别机能 控制机能示教机能 动作控制机能动作顺序控制机能运动控制机能图6.1机械手的控制机能建立机器人最重要的就是建立一个机器人控制系统。机器人的控制系统关系到整个机械手的运动，所以对控制系统的设计要求较高。总之，要在成本和绩效上做到平衡。到目前为止,通用机器人控制系统硬件平台大致可以分为两类:基于VME总线欧洲信用卡由摩托罗拉公司推出了1981年,第一代32位总线)工业开放标准系统和基于PC总线的系统。近年来,随着个人电脑的迅速发展,性能和可靠性大大提高,价格大大降低,PC为核心的控制系统得到了广泛的接受机器人控制领域。 基于PC的控制系统一般包括单个PC控制方式,控制模型的PC + PC,PC +分布式控制器的控制方式,控制模型的PC + DSP运动控制卡,电脑+控制方式的数据采集卡,由于灵活的基于采集卡的控制模式,低成本,有利于回收在本文的设计中,程序和算法能够独立建立各种各样的算法,以适应这一主题研究的需要。因此本文选择控制方式的PC +数据采集卡。 完成机器人的设计和控制系统的硬件建设本设计不做详细说明。以下将通过控制软件的设计,计算机通过数据采集卡将命令发送信号到外部有条不紊地最后驱动机器人各关节的运动。经过一系列的设计运作后必须达到预期的功能有：(1)实时显示各关节角,而且可以防止每个关节角超过预定的运动水平截面角范围(2)实现直流电机的伺服控制;(3)实现电动机的自锁;(4)实现教学编程和在线修改程序;(5)可以设置参考点,使机器人在空间中有一个固定的参考位置,可以回参考点。结论几个月的毕业设计终于到了说再见的阶段，在这几个月的设计学习过程中，我取得了长足的进步。特别是对机械行业有了更加深刻地理解，现对自己的设计做个简短的总结。 我的毕业设计的课题是送料机械手的设计，在大三的实验课上参与过机械手的拆装实验，所以对此有一定的了解。本设计是一个有四个自由度的送料机械手，主要针对机械人的底座，大小臂，以及机械手的结构，对其传动方式，驱动方式以及控制系统等等进行了设计。由于我个人能力的问题，本设计参考了很多资料，设计也缺乏创新。但通过本设计，让我认识到自己的不足，也算有所收获。就我个人想法，机械手这个设计还有很高的发展空间，机械化，自动化还有待提高。 通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法，培养了我们正确使用机身材料、国家标准、图册等工具书的能力。同时让我对从事本行业工作有了更大的信心。参考文献1徐灏.机械设计手册3M. 机械工业出版社,2000.2徐灏. 机械设计手册4M. 机械工业出版社,2003.3徐灏. 机械设计手册5M. 机械工业出版社,2010.4张建民. 工业机器人M.北京理工大学出版社,1988.5工业机械手编写组. 工业机械手-机械结构上M. 上海科学技术出版社,1978.6雷秀. 液压与气压传动M. 机械工业出版社,2005.7单辉祖. 材料力学（I）第3版M.高等教育出版社,2009.8杨可桢,程光蕴,李仲生,钱瑞明. 机械设计基础 第六版M.高等教育出版社,2013.致谢 我在尊敬的熊老师的悉心指导下完成了本课题的设计。我对老师严谨的教学态度和精益求精的工作作风很是钦佩，老师是我学习的榜样。在此，我必须向老师表示由衷地感谢，并致以崇高的敬意。在整个设计中，我用到了很多我们学校开设的课程，感谢学校为我们安排的机械方面的课程，让我们从中学习到很多机械知识。在这四年的大学学习和生活中，感谢各位老师以及各位同学的大力支持和各种帮助。同时感谢父母和亲朋好友的关心照顾。最后，感谢成都理工大学工程技术学院，感谢2012级机械工程及自动化专业。- 33 -