立式精鍛機自動上料機械手手部結構的設計,立式,精鍛機,自動,機械手,結構,設計 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：袋裝水泥碼垛機機械系統(tǒng)設計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 100204 學 生： 周 甜 學 號： 100204132 指導教師： 韓興本 2014年06月 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：袋裝水泥碼垛機機械系統(tǒng)設計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 100204 學 生： 周 甜 學 號： 100204132 指導教師： 韓興本 2014年06月 袋裝水泥碼垛機機械系統(tǒng)設計 摘要 隨著企業(yè)的集團化和生產(chǎn)能力的規(guī)?；瑢Υa垛機器人工作能力的要求不斷提高，高性能、低成本的碼垛機器人將具有廣闊的應用市場。針對碼垛技術的要求，提出一種新型碼垛機器人的設計方案。該方案采用電力驅動的直角坐標機器人，通過導軌、絲杠螺母機構以及液壓回轉缸實現(xiàn)機器人的碼垛運動。通過詳細的分析計算，完成了機器人的機械系統(tǒng)設計。校核結果顯示該機器人能滿足運動要求。 關鍵詞:碼垛機器人；直角坐標式；電力驅動。 Mechanical system design of Bagged cement palletizing robot Abstract Grouping of enterprise and scale of throughput, the requirements for the palletizing robot’s ability is steadily going up, the high powered and low-cost palletizing robot will have a wide market. According to the palletizing specifications , a new design scheme of palletizing manipulator is presented. The scheme adopts Joint-coordinate robot driven by electric. It is through the guide rail, ball screw pair and hydraulic rotary cylinders to realize the robot’s movement. By analyzing and calculation,the mechanical system of the robot was designed. Finally, the results after checking showed that such a robot can satisfy the requirement. Key Words: palletizing robot;Cartesian-coordinate robot;electric drive. II 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1課題的背景、來源及意義 1 1.2工業(yè)機器人以及碼垛機的國內(nèi)外發(fā)展狀況 1 1.2.1 國外工業(yè)機器人發(fā)展狀況 1 1.2.2 國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展狀況 2 1.2.3碼垛機國內(nèi)外發(fā)展狀況 3 1.3械手的組成及分類 3 1.3.1機器人的組成 3 1.3.2機器人的分類 5 1.4課題的設計內(nèi)容 6 1.4.1 課題的提出 6 1.4.2 課題的主要設計內(nèi)容 6 2 總體結構設計 7 2.1設計任務分析 7 2.1.1 碼垛的基本要求 7 2.1.2 碼垛范圍及水泥排列方式分析 7 2.2驅動方式的選擇 7 2.2.1 驅動方式的分類 7 2.2.2 驅動方式的確定 8 2.3主體結構的設計 8 2.3.1 機器人主體結構的分類 8 2.3.2 主體結構的確定 9 2.4自由度的確定 9 2.5本章小節(jié) 10 3 手爪結構的設計 11 3.1手爪結構設計 11 3.2手爪結構的計算 12 3.2.1 氣缸選型及計算 12 4 腕部結構的設計 14 4.1手腕結構設計 14 4.2手腕結構的計算 14 4.2.1 腕部回轉力矩的計算 15 4.2.2回轉油缸的驅動力矩計算 15 4.2.3回轉缸內(nèi)徑D計算 16 4.2.4 腕部軸承選擇 17 4.3 本章小結 17 5 X、Y軸臂部設計 18 5.1臂部設計要求 18 5.2 X軸臂部的設計 18 5.2.1 電動機的選擇 19 5.2.2傳動裝置動力參數(shù)的計算 20 5.2.3帶傳動的設計與計算 21 5.2.4齒輪減速器的設計 23 5.2.5 X軸同步帶的設計及計算 29 5.2.6 導軌的設計 31 5.3 Y軸手臂的設計計算 32 5.3.1 Y軸同步帶的選型計算 32 5.3.2 導軌的設計 32 5.4 本章小結 32 6 Z軸手臂的設計 33 6.1電機的選型 33 6.2傳動機構設計 33 6.2.1 滾珠絲杠的設計 33 6.2.2 滾珠絲杠的選型計算 34 6.3 本章小結 35 7 結論 36 參考文獻 37 致謝 39 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 40 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 41 附錄 42 iii 1 緒論 1 緒論? 1.1課題的背景、來源及意義?? 近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展及科學技術的突飛猛進，機器人在碼垛機、弧焊、噴涂、點焊、搬運、涂膠、測量等行業(yè)有著越來越廣泛的應用。機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器。工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人，是一種典型的機電一體化裝置。工業(yè)機器人是用來搬運材料零件工具等可再編程的多功能機械手。它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果。? 碼垛技術是物流自動化技術領域的一門新興技術，所謂的碼垛就是按照集成單元化思想，將一件件物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現(xiàn)物料的搬運、裝卸、運輸、存儲、等物流活動。在物體的運輸過程中除了散裝的物體和液體外，一般的物體都是以碼垛的形式進行存儲或組裝，這樣即可承載更多的物體，又可節(jié)省空間。隨著物流的飛速發(fā)展以及科技的突飛猛進，碼垛技術應用越來越廣泛，尤其是在環(huán)境較惡劣或人工很難做到的情況下。包裝的種類、工廠環(huán)境和客戶需求，物體的安全性等，使得碼垛成為越來越艱巨的任務，為了克服這些困難，碼垛設備的各個方面都在不斷地發(fā)展改進，如從機械手到操縱它的軟件，現(xiàn)在對靈活性的需求也在不斷增加。? 碼垛機器人是一種具有特殊功能的垂直多關節(jié)型機器人，廣泛應用于石油、化工、食品加工、飲料等領域。可通過主計算機根據(jù)不同的物料包裝、堆垛順序、層數(shù)等參數(shù)進行設置實現(xiàn)不同型包裝的碼垛要求。而機器人碼垛技術是自動化物料后處理成套設備中的關鍵技術之一，隨著自動稱重、包裝技術的發(fā)展和性能指標的提高，對碼垛技術也提出了更高的要求。碼垛機器人手臂應具有一定的剛度和強度，防止彈性變形和斷裂。手腕搬運的東西較重，這對其精度提出了更高要求。? 為滿足自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運及碼垛的要求,本課題要求設計一種袋裝水泥碼垛機器人的機械結構部分。結合機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎上，對碼垛機器人整體機械結構、傳動系統(tǒng)進行分析和設計，提出了一套經(jīng)濟型設計方案。 1.2工業(yè)機器人以及碼垛機的國內(nèi)外發(fā)展狀況 1.2.1 國外工業(yè)機器人發(fā)展狀況 1962年，斯坦福(Stanford)操作手問世，該機器人有六個關節(jié)，其中一個關機是移動關節(jié)。1978年，Unimation公司開發(fā)出用于裝配的可編程萬能機器 46 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） PUMA機器人，它是一種多關節(jié)結構形式、全電機驅動、多CPU分級控制的機器人，應用十分廣泛。1976年，美國國家航空航天局(NASA)成功實現(xiàn)了“海盜”號宇宙飛船火星登陸計劃，此宇宙飛船在火星著陸后，釋放出兩臺機器人，它們在地面監(jiān)控人員和計算機的共同控制下，在火星上采集樣品進行實驗，并把實驗所得數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星送回地面。1968年，日本川崎重工業(yè)公司從美國引進Unimate機器人并對它進行改進，增加了視覺功能，使其成為一種具有智能的機器，這一成就引起了日本產(chǎn)業(yè)界和政府的高度重視，并在1971年成立了日本工業(yè)機器人協(xié)會[1]。 隨著工業(yè)機器人應用的普及和推廣。機器人的驅動方式也發(fā)生了巨大變化。出于潔凈和廉價的考慮，對于輕載作業(yè)的機器人常采用電機驅動，但是由于電機只有在高速時才能獲得最大功率，機器人在工作時需對電機進行減速，齒輪減速不可避免帶來摩擦、間隙等，引起較大運動誤差，因此需要尋找一種無須對電機進行減速、能直接驅動機器人關節(jié)的方法。1981年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學（Carnegie Mellon）成功研制直接驅動機器人。 1.2.2 國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展狀況 我國對于現(xiàn)代機器人研究和開發(fā)始于20世紀70年代，從80年代中期進入快速發(fā)展階段。國家科技攻關計劃、國家高技術研究與發(fā)展計劃等都將機器人的研究和開發(fā)列為重點。從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。 總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，目前我國機器人研究的主要內(nèi)容如下： （1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術研究 （2）智能機器人開發(fā)研究 （3）機器人化機械研究開發(fā) （4）以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng) （5）多傳感器信息融合與配置技術 1.2.3碼垛機國內(nèi)外發(fā)展狀況 碼垛機器人技術的發(fā)展，應該說是集機械、微電子、計算機、網(wǎng)絡技術等多門學科綜合性的結果。同時也是對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一門科學技術。它的發(fā)展歸功于第二次世界大戰(zhàn)后各國加大了對科技的投入，由此也加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。目前歐、美、日的碼垛機在全球市場的占有率超過90%，其中份額最多的是日本。它的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀60年代的搖籃期，70年代的實用化時期以及80年代的普及、提高期3個基本階段。據(jù)日本機器人聯(lián)合會07年公布的數(shù)據(jù)顯示，07年第二季度機器人的銷售額為1460億日元，其中出口額多達978億日元。在日本主要碼垛機生產(chǎn)商有日本不二輸送機工業(yè)株式會社，其生產(chǎn)、使用以及銷售都處在全國領先地位。 在國內(nèi)，研究機器人碼垛機的單位主要有哈工大機器人研究所和上海交大機器人研究所。哈工大機器人研究所多年前就成功研制機器人碼垛機，成功應用在全自動包裝碼垛生產(chǎn)線上，取得了良好的效益。上海交大研究所正從事高速碼垛技術的開發(fā)研究，也以取得了重大進步。以前,我國生產(chǎn)力總體水平較低, 勞動力便宜,科研人才缺乏, 大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)自動化水平偏低, 企業(yè)發(fā)展意識落后, 先進碼垛設備和機器人的使用受到限制,只在一些大型知名企業(yè)中得到了應用?，F(xiàn)在，我國研制的工業(yè)機器人已經(jīng)達到了工業(yè)應用水平。比如，從20 世紀 90 年代中期至今, 青島、 玉溪等卷煙廠采用碼垛機器人對其卷煙成品進行碼垛作業(yè),節(jié)省了大量人力, 減少了煙箱破損，為企業(yè)減少了額外的損失。 我國工業(yè)機器人的應用前景十分寬廣的。但是，由于我國工業(yè)基礎比較薄弱，勞動力比較豐富、低廉，給工業(yè)機器人的發(fā)展帶來一定的困難。只有符合我國的國情，才能推動和加快我國工業(yè)機器人的發(fā)展和應用。工業(yè)機器人功能部件的標準化與模塊化是提高機器人的運動精度，運動速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國注重發(fā)展組合式工業(yè)機器人。它是采用標準化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機器人用的各種伺服電機，傳感器外，手臂，手腕和機身也以標準化。隨著機器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復雜化，急需開發(fā)新型的微動機構來保證機器人的動作精度，開發(fā)多關節(jié)，多自由度的手臂和手指及新型的行走機構，以適應日益復雜作業(yè)需求。 1.3機械手的組成及分類 1.3.1機器人的組成 工業(yè)機器人主要由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成，等同于六個子系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間的相互關系如圖1.1所示。簡單來說，就是由執(zhí)行機構、位置檢測裝置、控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)組成。 人機交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 機械結構系統(tǒng) 機器人—環(huán)境交互系統(tǒng) 感 受 系 統(tǒng) 圖1.1 工業(yè)機器人的組成系統(tǒng)及其相互關系 a.執(zhí)行機構 （1）手部 也稱作末端執(zhí)行器，它是裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 機器人手部主要有以下特點： 1）手部與腕部相連的地方可以拆卸，方便根據(jù)不同作業(yè)對象更換； 2）手部的通用性比較差，通常都是專用的裝置； 3）手部是一個獨立的部件。 按照用途分類，可以把手部分為手爪和工具兩種，前者主要完成抓取工件、握持工件、釋放工件；后者是進行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等。由于與物件接觸的形式不同，可以分為夾持式和吸附式。夾持式手部是由手爪和傳力機構所構成，手指與物體直接接觸，而傳力則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物體的任務；吸附式手部主要由吸盤等構成，它是依靠吸附力（如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力）來吸附物體[2]。另外，還可以將其按照智能化分類：普通式手爪和只能化手爪，前者不具有傳感器，后者具備至少一個傳感器。 （2） 手腕 連接手部和臂部的部件，起支承手部或調(diào)整改變工件方位的作用。手腕上的自由度一般有三個：手腕的翻轉、俯仰、偏轉。 （3）手臂 支承被抓物件、手部、手腕的部件，以改變工件的空間位置，將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因此一般機器人的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，因此，它不僅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。它的結構、工作范圍、靈活性以及臂力和定位精度都直接影響機器人的工作性能[3]。 在液（氣）壓驅動的手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指正確的方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂時必須采用適當?shù)膶蜓b置。常用的導向裝置有：單項導桿、雙向導桿、四導向桿以及其他形式的導向裝置，如燕尾型滑枕、花鍵、套導向等。 （4）立柱 又稱為機身,是支承臂部的部件，也可以是手臂的一部分。一般實現(xiàn)升降、回轉和俯仰等運動，通常有1~3個自由度。機器人的立柱通常是固定不動的，但因工作的需要，有時也可以作橫向移動，稱之為可移式立柱。 （5）行走機構 機器人可分為固定式和行走式，行走機構是行走式機器人的重要執(zhí)行部件，它是由驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務的要求，帶動機器人實現(xiàn)在廣闊空間內(nèi)的運動。 按照行走的軌跡可以將其分為固定軌跡式和無固定軌跡式。固定軌跡式行走機構主要用于工業(yè)機器人。無固定軌跡行走式，按照行走機構的結構特點可以分為輪式、履帶式、步行式。他們在行走過程中，前兩者與地面為連續(xù)接觸，后者為間斷接觸。前兩者的形態(tài)為運行車式，后者為類人（或動物）的腿腳式。 （6）機座 機座是機器人的基礎部分，往往與立柱做成一體，機器人執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝在機座上，起支承和連接的作用。 b.驅動系統(tǒng) 機器人的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行機構運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動四種形式。 c.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機器人按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。機器人的控制系統(tǒng)的主要功能有示教再現(xiàn)和運動控制功能。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機器人按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機器人的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機器人的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號[4]。 1.3.2機器人的分類 工業(yè)機器人的種類有很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按照工業(yè)機器人用途、控制方式等進行分類。 a.按用途分類 機器人可分為專用機器人和通用機器人兩種： （1）專用機器人 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機器人具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機器人和“加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機器人。 （2）通用機器人 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機器人。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。 通用機器人按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機器人屬于數(shù)控類型。 b.按控制方式分類 （1）點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機器人均屬于此類。 （2）連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機器人一般采用小型計算機進行控制。 1.4課題的提出及設計內(nèi)容? 1.4.1 課題的提出 過去的碼垛作業(yè)大部分是由人工搬運，但只靠人力完成碼垛工作，枯燥乏味，而且費時費力，效率低下。采用碼垛機代替人力勞動，就可以節(jié)省勞動力，把人從繁重和重復單調(diào)的工作中解放出來，改善和豐富人類社會活動，并且能提高工作生產(chǎn)效率，具有較高的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益。為此，我們把碼垛機器人的設計作為我們研究的課題。 1.4.2 課題的主要設計內(nèi)容 本設計主要是研究碼垛機器人的結構設計，主要工作內(nèi)容有以下幾點： 1) 了解搬運機器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，掌握碼垛機器人的機械結構特點以及基本構成部分。 2) 選取機器人的坐標形式和自由度。? 3)對碼垛機器人的總體方案進行設計。方案確定后，對各個細節(jié)進行設計。包括手抓、手腕、手臂等機構的結構設計。? 4)繪出相應的圖紙。 2 機器人總體結構設計 2 機器人總體結構設計? 2.1設計任務分析 2.1.1碼垛的基本要求 碼垛數(shù)量：每次抓取4袋水泥，每層放16袋，總共碼垛9層，層與層之間呈交叉放置； 每袋水泥重量：50kg。 2.1.2碼垛范圍及水泥排列方式分析 a.碼垛范圍分析 經(jīng)查得裝滿水泥袋的大?。?700*400*120（長*寬*高）（單位mm）； 則碼垛范圍：2800*1600*1080（長*寬*高）（單位mm）； b.排列方式分析 經(jīng)過分析得放置規(guī)律如圖2.1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 奇數(shù)層 偶數(shù)層 圖2.1水泥袋放置規(guī)律 機器人的總體方案設計包括驅動方式的選擇、主體結構的設計、自由度的確定及傳動方式的選擇等。 2.2驅動方式的選擇 機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動整個運動部件動作的機構，對機器人的性能和功能影響很大。如果沒有有效地伺服驅動系統(tǒng)，無論機器人具有多么高的智慧和優(yōu)越的傳感系統(tǒng)，也是無濟于事的。對機器人驅動方式的要求主要是高精度，快速響應，調(diào)速范圍寬等方面。目前，工業(yè)機器人的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動三種。 2.2.1 驅動方式的分類 a.液壓驅動 （1）原理：電動機帶動油泵吸油，并將壓力油送入油缸，從而推動各油缸 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 活塞桿的運動。 （2）特點：能得到較大的輸出力或力矩，搬運重量可達800kg；液壓傳動的滯后現(xiàn)象小，反應較靈敏，傳動平穩(wěn)；輸出力和運動速度容易控制；可達到較高的定位精度。但不適用高速移動，且液壓系統(tǒng)中存在不可避免的泄露、噪音和低速不穩(wěn)定等問題，功率單元也非常笨重昂貴。 b.氣壓驅動 （1）原理：與液壓驅動器相同，不過是以壓縮空氣為動力源驅動機器人。 （2）特點：不污染環(huán)境；粘性小，管路壓力損失小，便于遠距離傳輸；動作反應快；價格便宜；適用范圍廣，可安全的應用在易燃易爆和粉塵大的場合。但由于空氣的可壓縮性，導致工作的穩(wěn)定性差，造成執(zhí)行機構運動速度和定位精度難以控制，只能抓取較輕的物體。 c.電機驅動 特點：輸出功率較大，輸出力矩大，轉速高，控制精度高；電源獲得方便，體積小，不需要中間變速機構，簡化了機械傳動系統(tǒng)，使用和維護都很方便。電機和電源的投資花費小，使用成本低；靈活性好，容易控制。 2.2.2 驅動方式的確定 根據(jù)課題要求，由于該機器人設計的額定負載達200kg以上，而氣壓驅動機器人一般抓取重量都小于30kg；各個方向的行程都較小，沒有必要使用價格昂貴的大型液壓系統(tǒng)；且該機器人要實現(xiàn)碼垛功能，要求反應速度快，因此，根據(jù)三種驅動方式的對比，最后選擇電機驅動來實現(xiàn)各部分機構的運動要求。用液壓缸來實現(xiàn)手爪的張開與閉合運動。 2.3主體結構的設計 2.3.1 機器人主體結構的分類 主體結構設計的主要問題就是選擇機器人的坐標形式。目前最廣泛使用的工業(yè)機器人的坐標形式有：直角坐標式機器人、圓柱坐標式機器人、球坐標式機器人、關節(jié)坐標式機器人。 a.直角坐標式機器人 主體結構有三個移動關節(jié)，能使手臂末端沿直線坐標系的X、Y、Z三個坐標軸作直線移動，擁有三個自由度。特點：結構簡單，容易編程，采用直線滾動導軌，速度高，定位精度高，在三個坐標軸方向上的運動沒有耦合，控制容易。但導軌面的防護比較困難，容易受污染，影響精度。 b.圓柱坐標式機器人 主體結構有一個轉動關節(jié)和兩個移動關節(jié)，有三個自由度：腰轉、升降、手臂伸縮，構成圓柱形狀的工作范圍。特點：除了簡單的抓放動作還可以應用在其他領域，結構緊湊，轉動慣量小，但由于機身結構的緣故，手臂不能到達底部。 c.球坐標式機器人 主體結構具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)，有三個自由度：繞機身轉動、繞水平軸線轉動和手臂伸縮，構成球缺形狀的工作范圍；具有較大的工作范圍，但設計和控制系統(tǒng)復雜。 d.關節(jié)坐標式機器人 有三個轉動關節(jié)，其中兩個關節(jié)軸線是平行的，構成較為復雜形狀的工作范圍；特點：結構緊湊，工作范圍大安裝面積小，轉動關節(jié)容易密封，能量消耗少，但由于肩關節(jié)和肘關節(jié)是平行的，當大小臂共線時，結構剛度低，且機器人的手部在工作范圍的邊界上有運動學的退化行為。 (a)直角坐標型 （b）圓柱坐標型 （c）球坐標型 （d）關節(jié)型 各個坐標形式機器人的簡圖如圖2.2所示： 圖2.2各個坐標形式機器人簡圖 2.3.2 主體結構的確定 根據(jù)課題給定的要求可以初步選定以上兩種主體結構來實現(xiàn)既定目標：直角坐標式和關節(jié)坐標式。 對比以上兩種坐標形式，由于該碼垛機負載較大，定位精度不高，運動范圍也不大，但各個方向需要相互協(xié)調(diào)作用。因此，綜合考慮兩種結構的性能，選擇直角坐標式。 2.4自由度的確定 自由度是指機器所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包含手爪。根據(jù)課題要求選擇直角坐標式，則碼垛機可以沿x、y、z軸方向移動，并能實現(xiàn)900交叉排放，因此需要四個自由度。機器人的主體結構是直角坐標形式，主體帶有三個移動自由度，可以實現(xiàn)各個軸上的直線往復運動，此外，還需要設計一個自由度來實現(xiàn)腕部的回轉運動。根據(jù)設計要求，將該碼垛機自由度定為四個，即沿三個坐標軸的移動自由度和手腕的一個轉動自由度，如圖2.3所示。 圖2.3 自由度選定示意圖 2.5本章小節(jié) 本章介紹了機器人驅動方式、主體結構以及自由度數(shù)目， 最后初步確定該碼垛機為電機驅動的四自由度直角坐標式機器人。各項參數(shù)如表2.1所示： 表2.1 碼垛機器人的設計參數(shù) 機器人基本類型 直角坐標式 工作對象 袋裝水泥 自由度 四自由度 X軸 電機驅動，水平直線往復運動，行程為2800mm Y軸 電機驅動，水平直線往復運動，行程為1600mm Z軸 電機驅動，垂直直線往復運動，行程1080mm 腕部機構 液壓回轉缸，回轉運動，回轉900， 手爪機構 液壓缸實現(xiàn)手爪的閉合 3 手爪結構的設計 3 手爪結構的設計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： （1）夾鉗式手 （2）吸附式手 （3）專用操作器及轉換器 （4）仿生多指靈巧手 （5）平面平移型。 3.1手爪結構設計 本文設計對象為水泥碼垛機器人，水泥是軟包裝產(chǎn)品，在作業(yè)過程中容易撕裂、破損和變形，搬運時易產(chǎn)生水泥位置的變化，這種工件不宜采用真空吸盤，需專門設計末端執(zhí)行器。在碼垛機器人系統(tǒng)中，水泥的末端執(zhí)行器相當于人的手指功能，是直接與工件接觸的部件。本文設計的末端執(zhí)行器為指式末端執(zhí)行器，該設計采用四個手指抓取水泥。 在碼垛過程中實現(xiàn)手指松開和夾緊水泥，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。目前能夠實現(xiàn)手指張開與閉合的機構有氣壓缸；液壓缸等。本文采用氣壓缸如圖3.1所示， 氣缸 滑桿 滑套 連桿 支架 手爪 圖3.1手爪張開與閉合示意圖 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 3.2手爪結構計算 3.2.1氣缸選型及計算 a.氣缸的選型步驟 氣缸的選型根據(jù)工作要求和條件來選擇，下面以單活塞桿雙作用缸為例介紹氣缸的選型步驟。 （1）氣缸的缸徑。根據(jù)氣缸負載力的大小來確定氣缸的輸出力，由此計算氣缸的缸徑。 （2）氣缸的行程。氣缸的行程與使用的場合和機構的行程有關，但一般不選用滿行程。 （3）氣缸的強度和穩(wěn)定性計算 （4）氣缸的安裝形式。氣缸的安裝形式根據(jù)安裝位置和使用目的等因素決定。一般情況下，采用固定式氣缸。在需要隨工作機構連續(xù)回轉時（如車床、磨床等），應選用回轉氣缸。在活塞桿除直線運動外，還需作圓弧擺動時，則選用軸銷式氣缸。有特殊要求時，應選用相應的特種氣缸。 （5）氣缸的緩沖裝置。根據(jù)活塞的速度決定是否應采用緩沖裝置。 （6）磁性開關。當氣動系統(tǒng)采用電氣控制方式時，可選用帶磁性開關的氣缸。 b.氣缸直徑計算 氣缸直徑的設計計算需根據(jù)其負載大小、運行速度和系統(tǒng)工作壓力來決定。首先，根據(jù)氣缸安裝及驅動負載的實際工況，分析計算出氣缸軸向實際負載F，再由氣缸平均運行速度來選定氣缸的負載率，初步選定氣缸工作壓力（一般為0.4MPa～0.6MPa），再由，計算出氣缸理論出力，最后計算出缸徑及桿徑，并按標準圓整得到實際所需的缸徑和桿徑。 （1）根據(jù)負載，單袋水泥重量50Kg,每次抓取4袋，現(xiàn)對單次抓取4袋水泥機械爪機構進行力學分析：由于G=2000N，假設手爪最大受力狀態(tài)時受力方向與水平夾角，則手爪受力如圖3.2所示。 圖3.2手爪受力分析示意圖 （2）對水泥袋的受力分析得出左右兩邊手爪的抓取力F1=G=2000N。 （3）現(xiàn)對手爪受力情況進行分析，每個手爪受力如圖3.3所示。 1）由力學平衡原理：連桿對手爪拉力 （3.1） 故氣缸受力 所以氣缸受力為130Kg左右。 為了提高抓取時的穩(wěn)定性，采用雙氣缸作用，所以所選氣缸的拉力應該為65Kg。 圖3.3單邊手爪受力分析示意圖 2）氣缸及活塞桿直徑計算，單作用氣缸直徑計算公式： （3.2）式中：—氣缸受力，； —氣缸受壓強， 。 將以上數(shù)據(jù)代入式（3.2）得： 由《機械設計手冊》查表21—3—10：取活塞桿的直徑為50mm，結構形式為MB120標準氣缸。 4 腕部結構的設計 4 腕部結構的設計 機器人手腕是連接手部和臂部的部件，起支承手部或調(diào)整改變工件方位的作用。手腕設計時要考慮的主要問題是手腕的大小和重量，要使手腕重量盡量小。 手腕上的自由度一般有三個：手腕的翻轉、俯仰、偏轉。按照自由度的數(shù)目來分類，可以分為單自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕。而實際所需的自由度數(shù)目則需要根據(jù)工作性能要求確定。 按照驅動方式來分類可以分為直接驅動手腕和遠距離傳動手腕，前者可以把驅動源直接裝在手腕上，設計緊湊巧妙，后者的優(yōu)點在于可以把尺寸、重量都較大的驅動源放在遠離手腕處，不僅減輕手腕的質(zhì)量，而且改善了機器人整體結構的平衡性。 4.1手腕結構設計 該設計要求手腕能夠實現(xiàn)將物體垂直交叉900放置，因此設計時應實現(xiàn)手腕的回轉運動，目前能實現(xiàn)手腕回轉運動的機構主要有回轉缸、齒輪齒條、電機如圖4.1所示：定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接，缸體和指座固連成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動動片連同夾緊油缸和指座一起轉動，完成手腕的回轉。它的結構簡單，緊湊。 圖4.1 手腕回轉機構 4.2手腕結構的計算 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 4.2.1 腕部回轉力矩的計算 手腕水平放置時，轉動所需要的驅動力矩必須克服手腕啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩、手腕的轉動手與軸承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋處等密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的重心和轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。圖4.2所示，為手腕受力示意圖，手腕轉動時所需的驅動力矩： =+++ N.m （4.1） 式中：—驅動手腕轉動驅動力矩； —慣性力矩； —參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸動片）與轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩； —手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩； —手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。 圖4.2 手腕回轉時受力狀態(tài)示意圖 由于本例中手腕是豎直放置，已知手腕、手爪、工件的總質(zhì)量為200kg,假設夾取的工件重心和轉動軸線偏離e=10mm，則驅動手腕轉動驅動力矩近似等于 （4.2） 式中：—回轉缸的重力； —手爪部分的重力； —工件的重力。 4.2.2回轉油缸的驅動力矩計算 回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅動力矩必須大于總的阻力矩。在機器人的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉油缸，它的工作原理如圖4.3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片3及密封圈4把油腔分隔成兩個，當壓力油從孔a進入時，推動輸出軸做逆時針回轉，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸做順時針方向回轉。當?shù)蛪呵槐硥簽榱銜r，單葉片回轉缸的壓力p和驅動力矩的關系為： （4.3） 式中：-回轉缸的驅動力矩（N.m）； -回轉缸的工作壓力(Pa)； -缸體內(nèi)壁半徑（m）； -輸出軸半徑(m)； -動片寬度（m）。 圖4.3回轉缸工作原理圖 4.2.3回轉缸內(nèi)徑D計算 由于，可以得到： （4.4） （4.5） 為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用： 綜合考慮，取值如下： r=16mm，R=40mm，b=50mm， P=1Mpa。 將以上數(shù)據(jù)代入公式（4.3）得： = 所選取的回轉缸內(nèi)徑符合要求。 4.2.4 腕部軸承選擇 腕部材料選擇HT200，，估計軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷忽略。兩處均選用深溝球軸承,初選為6006 6207?，F(xiàn)校核較小軸徑6006處軸承。 軸承壽命公式如（4-6）： （4.6） 式中：—基本額定動載荷； —當量動載荷 ，,系數(shù)取1，,則得：； —轉速，由0.5s完成回轉，計算得：； —指數(shù)，球軸承。 將以上數(shù)據(jù)代入公式（4-6）得： 遠大于軸承額定壽命,則滿足要求。 4.3本章小結 本章主要確定了手腕的驅動方式，以及基本結構，并對手腕回轉缸的尺寸，手腕上的軸承進行了校核計算。 5 X、Y軸臂部設計 5 X、Y軸臂部設計 機器人的臂部是支承被抓物件、手部、手腕的部件，以改變工件的空間位置，將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上。 按照手臂的結構形式區(qū)分，手臂分為單臂、雙臂以及懸掛式。按照運動形式區(qū)分，手臂有直線運動的，如手臂的伸縮、升降以及橫向（縱向）移動，實現(xiàn)手臂直線運動的機構有活塞缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲杠螺母機構以及活塞缸和連桿機構等。有回轉運動的，如手臂的左后回轉、上下擺動；有復合運動的，如直線運動和回轉運動組合、兩直線運動組合、兩回轉運動組合等，實現(xiàn)回轉運動的機構主要有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。 5.1臂部設計要求 設計臂部時必須考慮手臂的受力情況，因此設計時必須注意以下要求： 1）剛度要求高 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管做臂桿或者導向桿。 2）導向性要好 為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉動，或設置導向裝置，或設置成花鍵等形式的臂桿。 3）重量要輕 為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部的質(zhì)量，減少整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 4）運動要平穩(wěn) ，定位精度要高 運動速度越大，慣性力引起的定位前的沖擊就越大，運動既不平穩(wěn)，精度也不高。應該加一定形式的緩沖裝置。 5.2 X軸臂部的設計 在電機的驅動下，實現(xiàn)x、y手臂的直線往復運動，則需要一種作直線運動的傳動系統(tǒng)，例如絲杠螺母副傳動、帶傳動、齒輪齒條機構等。本次設計采用同步帶傳動配合導軌導向來實現(xiàn)手臂的前后往復運動。 同步帶傳動主要是靠同步帶和帶輪之間的嚙合，傳動比準確，效率也可達95%以上，軸承承受的壓力較小，瞬時速度均勻。與鏈傳動和齒輪傳動相比，噪聲小，而且不需要潤滑，傳動比線速度范圍較大，耐沖擊性較好維修簡便，經(jīng)濟性良好。廣泛用于各種機械傳動中。主要有兩種形式，梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶，后者與前者相比，齒根應力集中更小，壽命更長，且傳遞功率比梯形齒高1.22倍，最高可達99.5%。 由于電機的轉速過高，且轉動過程中存在一定的振動，因此需要用帶傳動來減小電機的振動，使得運動過程更加平穩(wěn)，在傳動機構之間設計減速器，從而達到設計要求。設計簡圖如圖5.1所示： 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 圖5.1 軸臂部設計簡圖 5.2.1 電動機的選擇 電動機主要類型有交流電動機和直流電動機以及步進電機，交流電機和直流電機的輸出功率都較大，適合于大負載設備，兩種電機之間的區(qū)別就在與交流電機結構更簡單，不需要另外配置直流電源；步進電機結構簡單，最容易控制，不需要另配反饋元件，但轉速不如其他類型電機高，而且功率越大，轉速越低，一般只適用于小容量，加工速度低，精度較高的場合。 a.選擇電動機的類型：根據(jù)要求選擇Y系列三相異步交流電動機。 b.選擇電動機的功率(已知同步帶及軸承的傳動總效率=0.96) （1）同步帶所需要的功率： （5.1） 式中：—同步帶的拉力（已知； —同步帶運行速度()。 將以上數(shù)值代入公式（5.1）得： （2）電動機所需要的工作效率為： （5.2） 式中：帶傳動效率； 軸承效率； 直尺圓柱齒輪傳動效率； 聯(lián)軸器效率。 將以上數(shù)據(jù)代入式（5.2）得： 根據(jù)Y系列三相異步電動機的型號及相關數(shù)據(jù)，選擇電動機的額定功率為=1.5kW。 c.電動機轉速的確定（初定同步帶輪的直徑D為60mm） 同步帶轉速和運行速度關系如公式（5.3） （5.3） 式中：—同步帶的運行速度，； —同步帶輪直徑，。 將以上數(shù)據(jù)代入式（5.3）得同步帶輪的轉速為： = 電動機轉速： （5.4） 式中：，一般，，則 ； 。 將以上數(shù)值代入式（5.4）得： 選用同步轉速為1000 r/min，額定功率為1.5kW的電動機，型號為Y100L-6，滿載轉速為=940r/min。 5.2.2傳動裝置動力參數(shù)的計算 總的傳動比，取，則。 a.各軸轉速： ==940 r/min ==470 r/min ==159.32 r/min ==159.32 r/min b.各軸功率： c.各軸轉矩： 5.2.3帶傳動的設計與計算 a.確定設計功率選擇帶型： 根據(jù)用途，查《機械設計手冊》，選取工況系數(shù)，則，已知：，。 根據(jù)圖5.2選取帶型為A型。 圖5.2 普通v帶選型圖 b.確定帶輪的基準直徑： 由《機械設計》課本表8-6和8-8 確定小帶輪基準直徑，選取小帶輪直徑： 則大帶輪的直徑 c.驗算帶的速度： 根據(jù)式（5.3） d.中心距和帶基準長度： （1）一般初選帶傳動的中心距為： 則，為使結構緊湊，取偏低值，。 （2）計算相應的帶長： 帶的基準長度根據(jù)由《機械設計》課本表8-2選取 (長度系數(shù)) （3）計算中心距： e.計算小帶輪包角： f.確定帶的根數(shù)： （5.5） 式中：—單根v帶傳遞的功率，； 功率增量=。 （查表取彎曲影響系數(shù)，傳動比系數(shù)，包角修正系數(shù)） 將以上數(shù)據(jù)帶入公式（5.5）可得： ，取 g.計算初拉力： 查《機械設計》課本表8-3可知A型帶的質(zhì)量m=0.1kg/m。則 h.計算左右在軸上的壓力： i.帶輪的結構設計： （1）小帶輪結構：采用實心式，根據(jù)《減速器設計》可查Y100L-6電動機的軸徑D0=28mm,槽間距e=15±0.3，fmin=9,取f=10mm。 則輪轂寬：L1=(1.52)D0=4256mm 輪緣寬：B=(z-1)e+2f=35mm （2）大帶輪結構：采用孔板式結構，輪緣寬與小帶輪相同，輪轂寬與軸的設計同步進行。 結構如圖5.3所示： 圖5.3 帶的結構設計圖 5.2.4齒輪減速器的設計 a.直齒圓柱齒輪的設計 （1）材料的選擇、熱處理方式和公差等級：大小齒均選用45鋼，為制造方便采用軟齒面，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，大齒輪正火處理，選用8級精度。 （2）初步計算主要尺寸：因為是軟齒面閉式傳動，因此按照齒面接觸疲勞強度進行設計，則有： （5.6） 式中：，試選載荷系數(shù)； 齒輪相對于軸承的位置是對稱布置的，取齒寬系數(shù)； 由表10-6查得材料的彈性系數(shù)； 由圖10-30查得標準直齒輪，節(jié)點區(qū)域系數(shù)； 齒數(shù)比，初選小齒輪齒數(shù),則，取； 端面重合度為：(=00)； 軸向重合度為：； 由圖10-26可查得重合度系數(shù)； 許用接觸應力： （5.7） 由手冊查得接觸疲勞極限應力為, 。 小齒輪與大齒輪的應力循環(huán)次數(shù)分別為： 查機械設計手冊可知，壽命系數(shù)，取安全系數(shù)， 則：==580Mpa ==440Mpa 取=440Mpa； 將以上數(shù)值代入公式（5.6）得： 初算小齒輪的分度圓直徑 （3）確定傳動尺寸 計算載荷系數(shù)： （5.8） 式中：使用系數(shù)=1.0； ,由圖10-8查得動載荷系數(shù)=1.11； 齒向載荷分配系數(shù)=1.0； 齒間載荷分配系數(shù)=1.1。 則載荷系數(shù)： 對進行修正：與相差較大，因此對進行修正，即 確定模數(shù)：，??； 計算傳動尺寸：中心距為； 分度圓直徑為:=，==； ,取； ,取。 （4）校核齒根彎曲疲勞強度： （5.9） 式中：齒寬為60mm； 由表10-5查得齒形系數(shù)分別為； 應力修正系數(shù)； 重合度系數(shù)； 許用彎應力=。 （,，安全系數(shù)，壽命系數(shù)，則，） 故滿足齒根彎曲疲勞強度。 a.齒輪上作用力的計算 （1）小齒輪的圓周力： 其方向與力作用點圓周速度方向相反。 （2）小齒輪徑向力： 其方向由力的作用點指向輪的轉動中心。大齒輪上的力與小齒輪上受力大小相等，方向相反。 b.高速軸的設計計算 （1）材料的選擇 傳遞的功率不大，并對重量及結構尺寸無特殊要求，選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 （2）初算軸徑 高速軸外伸段安裝帶輪，軸的材料為45鋼，取C=120