立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：袋裝水泥碼垛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 100204 學(xué) 生： 周 甜 學(xué) 號(hào)： 100204132 指導(dǎo)教師： 韓興本 2014年06月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：袋裝水泥碼垛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 100204 學(xué) 生： 周 甜 學(xué) 號(hào)： 100204132 指導(dǎo)教師： 韓興本 2014年06月 袋裝水泥碼垛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 隨著企業(yè)的集團(tuán)化和生產(chǎn)能力的規(guī)?；?，對(duì)碼垛機(jī)器人工作能力的要求不斷提高，高性能、低成本的碼垛機(jī)器人將具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。針對(duì)碼垛技術(shù)的要求，提出一種新型碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該方案采用電力驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人，通過導(dǎo)軌、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及液壓回轉(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的碼垛運(yùn)動(dòng)。通過詳細(xì)的分析計(jì)算，完成了機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。校核結(jié)果顯示該機(jī)器人能滿足運(yùn)動(dòng)要求。 關(guān)鍵詞:碼垛機(jī)器人；直角坐標(biāo)式；電力驅(qū)動(dòng)。 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(lái)源及意義 1 1.2工業(yè)機(jī)器人以及碼垛機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2.1 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.3碼垛機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 3 1.3械手的組成及分類 3 1.3.1機(jī)器人的組成 3 1.3.2機(jī)器人的分類 5 1.4課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容 6 1.4.1 課題的提出 6 1.4.2 課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 6 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)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(qū)動(dòng)方式的選擇 7 2.2.1 驅(qū)動(dòng)方式的分類 7 2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定 8 2.3主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 2.3.1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的分類 8 2.3.2 主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 3.1手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.2手爪結(jié)構(gòu)的計(jì)算 12 3.2.1 氣缸選型及計(jì)算 12 4 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 4.1手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 4.2手腕結(jié)構(gòu)的計(jì)算 14 4.2.1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 15 4.2.2回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 15 4.2.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算 16 4.2.4 腕部軸承選擇 17 4.3 本章小結(jié) 17 5 X、Y軸臂部設(shè)計(jì) 18 5.1臂部設(shè)計(jì)要求 18 5.2 X軸臂部的設(shè)計(jì) 18 5.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 19 5.2.2傳動(dòng)裝置動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算 20 5.2.3帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21 5.2.4齒輪減速器的設(shè)計(jì) 23 5.2.5 X軸同步帶的設(shè)計(jì)及計(jì)算 29 5.2.6 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 31 5.3 Y軸手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 32 5.3.1 Y軸同步帶的選型計(jì)算 32 5.3.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 32 5.4 本章小結(jié) 32 6 Z軸手臂的設(shè)計(jì) 33 6.1電機(jī)的選型 33 6.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 6.2.1 滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 33 6.2.2 滾珠絲杠的選型計(jì)算 34 6.3 本章小結(jié) 35 7 結(jié)論 36 參考文獻(xiàn) 37 致謝 39 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 40 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 41 附錄 42 iii 1 緒論 1 緒論? 1.1課題的背景、來(lái)源及意義?? 近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人在碼垛機(jī)、弧焊、噴涂、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、涂膠、測(cè)量等行業(yè)有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人，是一種典型的機(jī)電一體化裝置。工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)搬運(yùn)材料零件工具等可再編程的多功能機(jī)械手。它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果。? 碼垛技術(shù)是物流自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的一門新興技術(shù)，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(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)、裝卸、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、等物流活動(dòng)。在物體的運(yùn)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(jìn)行存儲(chǔ)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(jìn)，碼垛技術(shù)應(yīng)用越來(lái)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(lái)越艱巨的任務(wù)，為了克服這些困難，碼垛設(shè)備的各個(gè)方面都在不斷地發(fā)展改進(jìn)，如從機(jī)械手到操縱它的軟件，現(xiàn)在對(duì)靈活性的需求也在不斷增加。? 碼垛機(jī)器人是一種具有特殊功能的垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品加工、飲料等領(lǐng)域。可通過主計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的物料包裝、堆垛順序、層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同型包裝的碼垛要求。而機(jī)器人碼垛技術(shù)是自動(dòng)化物料后處理成套設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著自動(dòng)稱重、包裝技術(shù)的發(fā)展和性能指標(biāo)的提高，對(duì)碼垛技術(shù)也提出了更高的要求。碼垛機(jī)器人手臂應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度，防止彈性變形和斷裂。手腕搬運(yùn)的東西較重，這對(duì)其精度提出了更高要求。? 為滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品搬運(yùn)及碼垛的要求,本課題要求設(shè)計(jì)一種袋裝水泥碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。結(jié)合機(jī)、電、軟、硬件各自特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)碼垛機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，提出了一套經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)方案。 1.2工業(yè)機(jī)器人以及碼垛機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 1962年，斯坦福(Stanford)操作手問世，該機(jī)器人有六個(gè)關(guān)節(jié)，其中一個(gè)關(guān)機(jī)是移動(dòng)關(guān)節(jié)。1978年，Unimation公司開發(fā)出用于裝配的可編程萬(wàn)能機(jī)器 46 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式、全電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多CPU分級(jí)控制的機(jī)器人，應(yīng)用十分廣泛。1976年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)成功實(shí)現(xiàn)了“海盜”號(hào)宇宙飛船火星登陸計(jì)劃，此宇宙飛船在火星著陸后，釋放出兩臺(tái)機(jī)器人，它們?cè)诘孛姹O(jiān)控人員和計(jì)算機(jī)的共同控制下，在火星上采集樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)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(guó)引進(jìn)Unimate機(jī)器人并對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，增加了視覺功能，使其成為一種具有智能的機(jī)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(jī)器人協(xié)會(huì)[1]。 隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的普及和推廣。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式也發(fā)生了巨大變化。出于潔凈和廉價(jià)的考慮，對(duì)于輕載作業(yè)的機(jī)器人常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是由于電機(jī)只有在高速時(shí)才能獲得最大功率，機(jī)器人在工作時(shí)需對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速，齒輪減速不可避免帶來(lái)摩擦、間隙等，引起較大運(yùn)動(dòng)誤差，因此需要尋找一種無(wú)須對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速、能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的方法。1981年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon）成功研制直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。 1.2.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)對(duì)于現(xiàn)代機(jī)器人研究和開發(fā)始于20世紀(jì)70年代，從80年代中期進(jìn)入快速發(fā)展階段。國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、國(guó)家高技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃等都將機(jī)器人的研究和開發(fā)列為重點(diǎn)。從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。 總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品，機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，目前我國(guó)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下： （1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 （2）智能機(jī)器人開發(fā)研究 （3）機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) （4）以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) （5）多傳感器信息融合與配置技術(shù) 1.2.3碼垛機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 碼垛機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說(shuō)是集機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門學(xué)科綜合性的結(jié)果。同時(shí)也是對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一門科學(xué)技術(shù)。它的發(fā)展歸功于第二次世界大戰(zhàn)后各國(guó)加大了對(duì)科技的投入，由此也加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前歐、美、日的碼垛機(jī)在全球市場(chǎng)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(jì)60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用化時(shí)期以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。據(jù)日本機(jī)器人聯(lián)合會(huì)07年公布的數(shù)據(jù)顯示，07年第二季度機(jī)器人的銷售額為1460億日元，其中出口額多達(dá)978億日元。在日本主要碼垛機(jī)生產(chǎn)商有日本不二輸送機(jī)工業(yè)株式會(huì)社，其生產(chǎn)、使用以及銷售都處在全國(guó)領(lǐng)先地位。 在國(guó)內(nèi)，研究機(jī)器人碼垛機(jī)的單位主要有哈工大機(jī)器人研究所和上海交大機(jī)器人研究所。哈工大機(jī)器人研究所多年前就成功研制機(jī)器人碼垛機(jī)，成功應(yīng)用在全自動(dòng)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(shù)的開發(fā)研究，也以取得了重大進(jìn)步。以前,我國(guó)生產(chǎn)力總體水平較低, 勞動(dòng)力便宜,科研人才缺乏, 大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化水平偏低, 企業(yè)發(fā)展意識(shí)落后, 先進(jìn)碼垛設(shè)備和機(jī)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(yīng)用?，F(xiàn)在，我國(guó)研制的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平。比如，從20 世紀(jì) 90 年代中期至今, 青島、 玉溪等卷煙廠采用碼垛機(jī)器人對(duì)其卷煙成品進(jìn)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(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分寬廣的。但是，由于我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，勞動(dòng)力比較豐富、低廉，給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)一定的困難。只有符合我國(guó)的國(guó)情，才能推動(dòng)和加快我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，運(yùn)動(dòng)速度，減低成本和提高可靠性的重要途徑。近幾年各國(guó)注重發(fā)展組合式工業(yè)機(jī)器人。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊件或組合件拼裝而成。除了工業(yè)機(jī)器人用的各種伺服電機(jī)，傳感器外，手臂，手腕和機(jī)身也以標(biāo)準(zhǔn)化。隨著機(jī)器人作業(yè)精度的提高和作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，急需開發(fā)新型的微動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證機(jī)器人的動(dòng)作精度，開發(fā)多關(guān)節(jié)，多自由度的手臂和手指及新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)日益復(fù)雜作業(yè)需求。 1.3機(jī)械手的組成及分類 1.3.1機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成，等同于六個(gè)子系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機(jī)交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖1.1所示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。 人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng) 感 受 系 統(tǒng) 圖1.1 工業(yè)機(jī)器人的組成系統(tǒng)及其相互關(guān)系 a.執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 也稱作末端執(zhí)行器，它是裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 機(jī)器人手部主要有以下特點(diǎn)： 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(duì)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(gè)獨(dú)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(jìn)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(jī)構(gòu)所構(gòu)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(lái)完成夾放物體的任務(wù)；吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是依靠吸附力（如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力）來(lái)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(gè)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(gè)：手腕的翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)。 （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(jī)器人的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及臂力和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能[3]。 在液（氣）壓驅(qū)動(dòng)的手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shè)計(jì)手臂時(shí)必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。常用的導(dǎo)向裝置有：?jiǎn)雾?xiàng)導(dǎo)桿、雙向?qū)U、四導(dǎo)向桿以及其他形式的導(dǎo)向裝置，如燕尾型滑枕、花鍵、套導(dǎo)向等。 （4）立柱 又稱為機(jī)身,是支承臂部的部件，也可以是手臂的一部分。一般實(shí)現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動(dòng)，通常有1~3個(gè)自由度。機(jī)器人的立柱通常是固定不動(dòng)的，但因工作的需要，有時(shí)也可以作橫向移動(dòng)，稱之為可移式立柱。 （5）行走機(jī)構(gòu) 機(jī)器人可分為固定式和行走式，行走機(jī)構(gòu)是行走式機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它是由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在廣闊空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。 按照行走的軌跡可以將其分為固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式。固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)主要用于工業(yè)機(jī)器人。無(wú)固定軌跡行走式，按照行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為輪式、履帶式、步行式。他們?cè)谛凶哌^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(yùn)行車式，后者為類人（或動(dòng)物）的腿腳式。 （6）機(jī)座 機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，往往與立柱做成一體，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝在機(jī)座上，起支承和連接的作用。 b.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)四種形式。 c.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。機(jī)器人的控制系統(tǒng)的主要功能有示教再現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)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(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)器人的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)[4]。 1.3.2機(jī)器人的分類 工業(yè)機(jī)器人的種類有很多，關(guān)于分類的問題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按照工業(yè)機(jī)器人用途、控制方式等進(jìn)行分類。 a.按用途分類 機(jī)器人可分為專用機(jī)器人和通用機(jī)器人兩種： （1）專用機(jī)器人 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)器人具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大附屬，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)器人和“加工中心”批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)器人。 （2）通用機(jī)器人 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)器人。通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 通用機(jī)器人按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點(diǎn)位控制，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)器人屬于數(shù)控類型。 b.按控制方式分類 （1）點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)器人均屬于此類。 （2）連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)器人一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 1.4課題的提出及設(shè)計(jì)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(yùn)，但只靠人力完成碼垛工作，枯燥乏味，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。采用碼垛機(jī)代替人力勞動(dòng)，就可以節(jié)省勞動(dòng)力，把人從繁重和重復(fù)單調(diào)的工作中解放出來(lái)，改善和豐富人類社會(huì)活動(dòng)，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(jì)效益。為此，我們把碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)作為我們研究的課題。 1.4.2 課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要工作內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： 1) 了解搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，掌握碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及基本構(gòu)成部分。 2) 選取機(jī)器人的坐標(biāo)形式和自由度。? 3)對(duì)碼垛機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案確定后，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括手抓、手腕、手臂等機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。? 4)繪出相應(yīng)的圖紙。 2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)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(zhǎng)*寬*高）（單位mm）； 則碼垛范圍：2800*1600*1080（長(zhǎng)*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(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)方式的選擇、主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、自由度的確定及傳動(dòng)方式的選擇等。 2.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的性能和功能影響很大。如果沒有有效地伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)論機(jī)器人具有多么高的智慧和優(yōu)越的傳感系統(tǒng)，也是無(wú)濟(jì)于事的。對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的要求主要是高精度，快速響應(yīng)，調(diào)速范圍寬等方面。目前，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。 2.2.1 驅(qū)動(dòng)方式的分類 a.液壓驅(qū)動(dòng) （1）原理：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵吸油，并將壓力油送入油缸，從而推動(dòng)各油缸 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 活塞桿的運(yùn)動(dòng)。 （2）特點(diǎn)：能得到較大的輸出力或力矩，搬運(yùn)重量可達(dá)800kg；液壓傳動(dòng)的滯后現(xiàn)象小，反應(yīng)較靈敏，傳動(dòng)平穩(wěn)；輸出力和運(yùn)動(dòng)速度容易控制；可達(dá)到較高的定位精度。但不適用高速移動(dòng)，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(qū)動(dòng) （1）原理：與液壓驅(qū)動(dòng)器相同，不過是以壓縮空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。 （2）特點(diǎn)：不污染環(huán)境；粘性小，管路壓力損失小，便于遠(yuǎn)距離傳輸；動(dòng)作反應(yīng)快；價(jià)格便宜；適用范圍廣，可安全的應(yīng)用在易燃易爆和粉塵大的場(chǎng)合。但由于空氣的可壓縮性，導(dǎo)致工作的穩(wěn)定性差，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度難以控制，只能抓取較輕的物體。 c.電機(jī)驅(qū)動(dòng) 特點(diǎn)：輸出功率較大，輸出力矩大，轉(zhuǎn)速高，控制精度高；電源獲得方便，體積小，不需要中間變速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使用和維護(hù)都很方便。電機(jī)和電源的投資花費(fèi)小，使用成本低；靈活性好，容易控制。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定 根據(jù)課題要求，由于該機(jī)器人設(shè)計(jì)的額定負(fù)載達(dá)200kg以上，而氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人一般抓取重量都小于30kg；各個(gè)方向的行程都較小，沒有必要使用價(jià)格昂貴的大型液壓系統(tǒng)；且該機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)碼垛功能，要求反應(yīng)速度快，因此，根據(jù)三種驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比，最后選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求。用液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的張開與閉合運(yùn)動(dòng)。 2.3主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.3.1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的分類 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題就是選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式。目前最廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、球坐標(biāo)式機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人。 a.直角坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，能使手臂末端沿直線坐標(biāo)系的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸作直線移動(dòng)，擁有三個(gè)自由度。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易編程，采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，速度高，定位精度高，在三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒有耦合，控制容易。但導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難，容易受污染，影響精度。 b.圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮，構(gòu)成圓柱形狀的工作范圍。特點(diǎn)：除了簡(jiǎn)單的抓放動(dòng)作還可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，但由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的緣故，手臂不能到達(dá)底部。 c.球坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，有三個(gè)自由度：繞機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)、繞水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和手臂伸縮，構(gòu)成球缺形狀的工作范圍；具有較大的工作范圍，但設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)復(fù)雜。 d.關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人 有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中兩個(gè)關(guān)節(jié)軸線是平行的，構(gòu)成較為復(fù)雜形狀的工作范圍；特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大安裝面積小，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，能量消耗少，但由于肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)是平行的，當(dāng)大小臂共線時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度低，且機(jī)器人的手部在工作范圍的邊界上有運(yùn)動(dòng)學(xué)的退化行為。 (a)直角坐標(biāo)型 （b）圓柱坐標(biāo)型 （c）球坐標(biāo)型 （d）關(guān)節(jié)型 各個(gè)坐標(biāo)形式機(jī)器人的簡(jiǎn)圖如圖2.2所示： 圖2.2各個(gè)坐標(biāo)形式機(jī)器人簡(jiǎn)圖 2.3.2 主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)：直角坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。 對(duì)比以上兩種坐標(biāo)形式，由于該碼垛機(jī)負(fù)載較大，定位精度不高，運(yùn)動(dòng)范圍也不大，但各個(gè)方向需要相互協(xié)調(diào)作用。因此，綜合考慮兩種結(jié)構(gòu)的性能，選擇直角坐標(biāo)式。 2.4自由度的確定 自由度是指機(jī)器所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包含手爪。根據(jù)課題要求選擇直角坐標(biāo)式，則碼垛機(jī)可以沿x、y、z軸方向移動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)900交叉排放，因此需要四個(gè)自由度。機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)是直角坐標(biāo)形式，主體帶有三個(gè)移動(dòng)自由度，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸上的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此外，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將該碼垛機(jī)自由度定為四個(gè)，即沿三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)自由度和手腕的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式、主體結(jié)構(gòu)以及自由度數(shù)目， 最后初步確定該碼垛機(jī)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四自由度直角坐標(biāo)式機(jī)器人。各項(xiàng)參數(shù)如表2.1所示： 表2.1 碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù) 機(jī)器人基本類型 直角坐標(biāo)式 工作對(duì)象 袋裝水泥 自由度 四自由度 X軸 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為2800mm Y軸 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為1600mm Z軸 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，垂直直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程1080mm 腕部機(jī)構(gòu) 液壓回轉(zhuǎn)缸，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)900， 手爪機(jī)構(gòu) 液壓缸實(shí)現(xiàn)手爪的閉合 3 手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)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(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)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(jī)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(zhuǎn)換器 （4）仿生多指靈巧手 （5）平面平移型。 3.1手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為水泥碼垛機(jī)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(yùn)時(shí)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(shè)計(jì)末端執(zhí)行器。在碼垛機(jī)器人系統(tǒng)中，水泥的末端執(zhí)行器相當(dāng)于人的手指功能，是直接與工件接觸的部件。本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器為指式末端執(zhí)行器，該設(shè)計(jì)采用四個(gè)手指抓取水泥。 在碼垛過程中實(shí)現(xiàn)手指松開和夾緊水泥，是通過手指的張開與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前能夠?qū)崿F(xiàn)手指張開與閉合的機(jī)構(gòu)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3.2手爪結(jié)構(gòu)計(jì)算 3.2.1氣缸選型及計(jì)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(lái)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(fù)載力的大小來(lái)確定氣缸的輸出力，由此計(jì)算氣缸的缸徑。 （2）氣缸的行程。氣缸的行程與使用的場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)，但一般不選用滿行程。 （3）氣缸的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)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(jī)構(gòu)連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)（如車床、磨床等），應(yīng)選用回轉(zhuǎn)氣缸。在活塞桿除直線運(yùn)動(dòng)外，還需作圓弧擺動(dòng)時(shí)，則選用軸銷式氣缸。有特殊要求時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)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(yīng)采用緩沖裝置。 （6）磁性開關(guān)。當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)采用電氣控制方式時(shí)，可選用帶磁性開關(guān)的氣缸。 b.氣缸直徑計(jì)算 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算需根據(jù)其負(fù)載大小、運(yùn)行速度和系統(tǒng)工作壓力來(lái)決定。首先，根據(jù)氣缸安裝及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的實(shí)際工況，分析計(jì)算出氣缸軸向?qū)嶋H負(fù)載F，再由氣缸平均運(yùn)行速度來(lái)選定氣缸的負(fù)載率，初步選定氣缸工作壓力（一般為0.4MPa～0.6MPa），再由，計(jì)算出氣缸理論出力，最后計(jì)算出缸徑及桿徑，并按標(biāo)準(zhǔn)圓整得到實(shí)際所需的缸徑和桿徑。 （1）根據(jù)負(fù)載，單袋水泥重量50Kg,每次抓取4袋，現(xiàn)對(duì)單次抓取4袋水泥機(jī)械爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：由于G=2000N，假設(shè)手爪最大受力狀態(tài)時(shí)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(duì)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(duì)手爪受力情況進(jìn)行分析，每個(gè)手爪受力如圖3.3所示。 1）由力學(xué)平衡原理：連桿對(duì)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(shí)的穩(wěn)定性，采用雙氣缸作用，所以所選氣缸的拉力應(yīng)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(jì)算，單作用氣缸直徑計(jì)算公式： （3.2）式中：—?dú)飧资芰?，? —?dú)飧资軌簭?qiáng)， 。 將以上數(shù)據(jù)代入式（3.2）得： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表21—3—10：取活塞桿的直徑為50mm，結(jié)構(gòu)形式為MB120標(biāo)準(zhǔn)氣缸。 4 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)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(gè)：手腕的翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)。按照自由度的數(shù)目來(lái)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(shí)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(qū)動(dòng)方式來(lái)分類可以分為直接驅(qū)動(dòng)手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕，前者可以把驅(qū)動(dòng)源直接裝在手腕上，設(shè)計(jì)緊湊巧妙，后者的優(yōu)點(diǎn)在于可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動(dòng)源放在遠(yuǎn)離手腕處，不僅減輕手腕的質(zhì)量，而且改善了機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的平衡性。 4.1手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)要求手腕能夠?qū)崿F(xiàn)將物體垂直交叉900放置，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，目前能實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要有回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條、電機(jī)如圖4.1所示：定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)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(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸和指座一起轉(zhuǎn)動(dòng)，完成手腕的回轉(zhuǎn)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。 圖4.1 手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4.2手腕結(jié)構(gòu)的計(jì)算 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4.2.1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 手腕水平放置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)手與軸承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)件的重心和轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩： =+++ N.m （4.1） 式中：—驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩； —慣性力矩； —參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片）與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩； —手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩； —手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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(zhuǎn)時(shí)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(shè)夾取的工件重心和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線偏離e=10mm，則驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩近似等于 （4.2） 式中：—回轉(zhuǎn)缸的重力； —手爪部分的重力； —工件的重力。 4.2.2回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩。在機(jī)器人的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，它的工作原理如圖4.3所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片3及密封圈4把油腔分隔成兩個(gè)，當(dāng)壓力油從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸做逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸做順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)蛪呵槐硥簽榱銜r(shí)，單葉片回轉(zhuǎn)缸的壓力p和驅(qū)動(dòng)力矩的關(guān)系為： （4.3） 式中：-回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩（N.m）； -回轉(zhuǎn)缸的工作壓力(Pa)； -缸體內(nèi)壁半徑（m）； -輸出軸半徑(m)； -動(dòng)片寬度（m）。 圖4.3回轉(zhuǎn)缸工作原理圖 4.2.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算 由于，可以得到： （4.4） （4.5） 為減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)，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(zhuǎn)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(jì)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。現(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(dòng)載荷； —當(dāng)量動(dòng)載荷 ，,系數(shù)取1，,則得：； —轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計(jì)算得：； —指數(shù)，球軸承。 將以上數(shù)據(jù)代入公式（4-6）得： 遠(yuǎn)大于軸承額定壽命,則滿足要求。 4.3本章小結(jié) 本章主要確定了手腕的驅(qū)動(dòng)方式，以及基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸，手腕上的軸承進(jìn)行了校核計(jì)算。 5 X、Y軸臂部設(shè)計(jì) 5 X、Y軸臂部設(shè)計(jì) 機(jī)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(jié)構(gòu)形式區(qū)分，手臂分為單臂、雙臂以及懸掛式。按照運(yùn)動(dòng)形式區(qū)分，手臂有直線運(yùn)動(dòng)的，如手臂的伸縮、升降以及橫向（縱向）移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有活塞缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，如手臂的左后回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)；有復(fù)合運(yùn)動(dòng)的，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合、兩直線運(yùn)動(dòng)組合、兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合等，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。 5.1臂部設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)臂部時(shí)必須考慮手臂的受力情況，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須注意以下要求： 1）剛度要求高 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管做臂桿或者導(dǎo)向桿。 2）導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)置成花鍵等形式的臂桿。 3）重量要輕 為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部的質(zhì)量，減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn) ，定位精度要高 運(yùn)動(dòng)速度越大，慣性力引起的定位前的沖擊就越大，運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn)，精度也不高。應(yīng)該加一定形式的緩沖裝置。 5.2 X軸臂部的設(shè)計(jì) 在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)x、y手臂的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則需要一種作直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，例如絲杠螺母副傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。本次設(shè)計(jì)采用同步帶傳動(dòng)配合導(dǎo)軌導(dǎo)向來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 同步帶傳動(dòng)主要是靠同步帶和帶輪之間的嚙合，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，效率也可達(dá)95%以上，軸承承受的壓力較小，瞬時(shí)速度均勻。與鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)相比，噪聲小，而且不需要潤(rùn)滑，傳動(dòng)比線速度范圍較大，耐沖擊性較好維修簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性良好。廣泛用于各種機(jī)械傳動(dòng)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(yīng)力集中更小，壽命更長(zhǎng)，且傳遞功率比梯形齒高1.22倍，最高可達(dá)99.5%。 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速過高，且轉(zhuǎn)動(dòng)過程中存在一定的振動(dòng)，因此需要用帶傳動(dòng)來(lái)減小電機(jī)的振動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)過程更加平穩(wěn)，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間設(shè)計(jì)減速器，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5.1所示： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖5.1 軸臂部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 5.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)主要類型有交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，交流電機(jī)和直流電機(jī)的輸出功率都較大，適合于大負(fù)載設(shè)備，兩種電機(jī)之間的區(qū)別就在與交流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，不需要另外配置直流電源；步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最容易控制，不需要另配反饋元件，但轉(zhuǎn)速不如其他類型電機(jī)高，而且功率越大，轉(zhuǎn)速越低，一般只適用于小容量，加工速度低，精度較高的場(chǎng)合。 a.選擇電動(dòng)機(jī)的類型：根據(jù)要求選擇Y系列三相異步交流電動(dòng)機(jī)。 b.選擇電動(dòng)機(jī)的功率(已知同步帶及軸承的傳動(dòng)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(yùn)行速度()。 將以上數(shù)值代入公式（5.1）得： （2）電動(dòng)機(jī)所需要的工作效率為： （5.2） 式中：帶傳動(dòng)效率； 軸承效率； 直尺圓柱齒輪傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的型號(hào)及相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率為=1.5kW。 c.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定（初定同步帶輪的直徑D為60mm） 同步帶轉(zhuǎn)速和運(yùn)行速度關(guān)系如公式（5.3） （5.3） 式中：—同步帶的運(yùn)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(zhuǎn)速為： = 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為1000 r/min，額定功率為1.5kW的電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y100L-6，滿載轉(zhuǎn)速為=940r/min。 5.2.2傳動(dòng)裝置動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算 總的傳動(dòng)比，取，則。 a.各軸轉(zhuǎn)速： ==940 r/min ==470 r/min ==159.32 r/min ==159.32 r/min b.各軸功率： c.各軸轉(zhuǎn)矩： 5.2.3帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 a.確定設(shè)計(jì)功率選擇帶型： 根據(jù)用途，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，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(zhǔn)直徑： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表8-6和8-8 確定小帶輪基準(zhǔn)直徑，選取小帶輪直徑： 則大帶輪的直徑 c.驗(yàn)算帶的速度： 根據(jù)式（5.3） d.中心距和帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度： （1）一般初選帶傳動(dòng)的中心距為： 則，為使結(jié)構(gòu)緊湊，取偏低值，。 （2）計(jì)算相應(yīng)的帶長(zhǎng)： 帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度根據(jù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表8-2選取 (長(zhǎng)度系數(shù)) （3）計(jì)算中心距： e.計(jì)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(dòng)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(jì)算初拉力： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表8-3可知A型帶的質(zhì)量m=0.1kg/m。則 h.計(jì)算左右在軸上的壓力： i.帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： （1）小帶輪結(jié)構(gòu)：采用實(shí)心式，根據(jù)《減速器設(shè)計(jì)》可查Y100L-6電動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)：采用孔板式結(jié)構(gòu)，輪緣寬與小帶輪相同，輪轂寬與軸的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。 結(jié)構(gòu)如圖5.3所示： 圖5.3 帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 5.2.4齒輪減速器的設(shè)計(jì) a.直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì) （1）材料的選擇、熱處理方式和公差等級(jí)：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(jí)精度。 （2）初步計(jì)算主要尺寸：因?yàn)槭擒淉X面閉式傳動(dòng)，因此按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，則有： （5.6） 式中：，試選載荷系數(shù)； 齒輪相對(duì)于軸承的位置是對(duì)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(biāo)準(zhǔn)直齒輪，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)； 齒數(shù)比，初選小齒輪齒數(shù),則，??； 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(yīng)力： （5.7） 由手冊(cè)查得接觸疲勞極限應(yīng)力為, 。 小齒輪與大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為： 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(dòng)尺寸 計(jì)算載荷系數(shù)： （5.8） 式中：使用系數(shù)=1.0； ,由圖10-8查得動(dòng)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(duì)進(jìn)行修正：與相差較大，因此對(duì)進(jìn)行修正，即 確定模數(shù)：，取； 計(jì)算傳動(dòng)尺寸：中心距為； 分度圓直徑為:=，==； ,?。? ,取。 （4）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： （5.9） 式中：齒寬為60mm； 由表10-5查得齒形系數(shù)分別為； 應(yīng)力修正系數(shù)； 重合度系數(shù)； 許用彎應(yīng)力=。 （,，安全系數(shù)，壽命系數(shù)，則，） 故滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 a.齒輪上作用力的計(jì)算 （1）小齒輪的圓周力： 其方向與力作用點(diǎn)圓周速度方向相反。 （2）小齒輪徑向力： 其方向由力的作用點(diǎn)指向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)計(jì)算 （1）材料的選擇 傳遞的功率不大，并對(duì)重量及結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)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