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目錄 第1章 緒論 1 1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述 1 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 1 1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類 1 1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 2 1.2 設(shè)計(jì)問題的提出 2 第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 3 2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 3 2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 3 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 3 2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)分析 3 2.2.3 總體方案擬定 5 第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6 3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析 6 3.1.1 末端操作器的概述 6 3.1.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6 3.2 手腕的設(shè)計(jì)分析 6 3.3 手臂的設(shè)計(jì)分析 6 3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)分析 7 第4章 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 8 4.1 設(shè)計(jì)要求分析 8 4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 8 4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 9 4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 10 4.5 手腕擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 10 4.6 機(jī)身擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 12 4.7 初選系統(tǒng)工作壓力 12 第5章 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 14 5.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定 14 5.4 手腕擺動機(jī)構(gòu)的確定 17 5.5 機(jī)身擺動機(jī)構(gòu)的確定 17 5.5 強(qiáng)度校核 17 5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 18 第6章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 6.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定 20 6.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求 21 6.3.1 缸體 21 6.3.2 缸蓋 21 6.3.3 活塞 21 6.3.4 活塞桿 22 6.3.5 液壓缸的緩沖裝置 22 6.3.6 液壓缸的排氣裝置 22 6.4 制定基本方案 22 6.4.1 基本回路的選擇 22 6.5 液壓元件的選擇 23 6.5.1 液壓泵的選擇 23 6.5.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定 24 6.5.3 液壓閥的選擇 24 6.5.4 液壓輔助元件的選擇原則 25 6.5.5 油箱容量的確定 26 6.5.6 液壓原理圖 27 結(jié)論 29 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 曲軸搬運(yùn)機(jī)械手的研究與設(shè)計(jì) 摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動化生產(chǎn)線在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手作為自動化生產(chǎn)線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。尤其是隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，氣動、液壓技術(shù)的成熟，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，機(jī)械手的動作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機(jī)械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強(qiáng)度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn)，機(jī)械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題是一個(gè)機(jī)、電結(jié)合較為緊密的實(shí)用性項(xiàng)目，文中對PLC的應(yīng)用、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制方法的選擇等方面進(jìn)行了必要的探討。最后，總結(jié)了全文，指出了機(jī)械手的改進(jìn)措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，液壓驅(qū)動，PLC（可編程控制器 The Manipulator For Moving The Engine’s Crank Abstract: With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator. Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller) 41 第一章 緒論 1.1研究背景和課題來源 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多 種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng) 業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī) 器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè) 和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。 本課題中設(shè)計(jì)開發(fā)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手來源于神龍汽車有限公司曲軸加工生產(chǎn)線。該 公司的發(fā)動機(jī)曲軸在加工過程中，需要在不同的生產(chǎn)線之間進(jìn)行搬運(yùn)，目前的搬運(yùn)工作 由人工完成，不可避免地存在著勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)安全難以保障、定位精度不高等問題， 嚴(yán)重影響了曲軸的生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率和單位的經(jīng)濟(jì)效益?；谏鲜隹紤]，該公司委托 實(shí)驗(yàn)室為其研制開發(fā)一套搬運(yùn)機(jī)械手來代替人工完成曲軸在兩條生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移。 1.2本課題的意義 在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動，而是綜合了人的特長和 機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置。這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判 斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說， 機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn) 制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 工業(yè)機(jī)械手已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展 很快，逐漸形成了一門新興的學(xué)科------機(jī)械手工程。機(jī)械手是由于它的積極作用正日益 為人們所認(rèn)識而得以迅速發(fā)展起來的：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按 照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成各種動作；其三，它能操作必 要的機(jī)具代替人類進(jìn)行焊接和裝配等。它的發(fā)展大大改善了工人的勞動條件，顯著提高 了勞動生產(chǎn)效率，加快了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的步伐。因而，廣泛受到各先進(jìn)工業(yè)國家 的高度重視，并投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音 以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并 取得一定的效果，尤其受到了機(jī)械工業(yè)和鐵路部門的青睞。 本課題主要研究如何利用機(jī)械手的操作來完成發(fā)動機(jī)曲軸在兩個(gè)生產(chǎn)線之間的搬 運(yùn)和定位的問題。該項(xiàng)目具有實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、推廣性、智能性等特點(diǎn)。一是 實(shí)用性。能夠完成企業(yè)兩條自動化生產(chǎn)線上的工件的搬運(yùn)動作。二是可靠性。比起人工 完成搬運(yùn)，安全可靠，機(jī)械手能按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行動作，不會受工人的身體狀況、 精神狀態(tài)、情緒等的影響。三是經(jīng)濟(jì)性。整個(gè)項(xiàng)目的完成可以使企業(yè)降低成本、提高生 產(chǎn)率。三是推廣性。這類機(jī)械手應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)過一定的調(diào)整和改進(jìn)可以完成工廠、 企業(yè)里大部分工件、裝備等的移動。四是智能性。該機(jī)械手采用PLC作為核心控制元 件，并配有人機(jī)交互裝置，可以對系統(tǒng)本身的故障進(jìn)行自診斷，并顯示出錯誤位置和原 因，為工作人員進(jìn)行故障排除提供幫助，還可以對工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到故障時(shí) 自動報(bào)警。 1.3機(jī)器人的發(fā)展、分類與應(yīng)用 1.3.1機(jī)器人的發(fā)展 （1）機(jī)器人的定義 “機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī) 器人》中。在劇本中，作家塑造了一個(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人類服務(wù)的 機(jī)器人奴仆“Robota”，捷克語中“robota”的意思是卑賤的勞動力，在該劇中機(jī)器人被 描寫成像奴隸那樣進(jìn)行勞動的機(jī)器。 目前，機(jī)器人雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而具越來越受到人們的重視，然而機(jī)器人確實(shí) 還沒有一個(gè)統(tǒng)一的嚴(yán)格準(zhǔn)確的定義。不同的國家不同的學(xué)者給出的定義不盡相同。雖然 基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得 可稱機(jī)器人的范圍大小不同。在科技界，由于機(jī)器人還在不斷發(fā)展，新的機(jī)型、新的功 能不斷涌現(xiàn)，科學(xué)家們也是仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。最根本的原因 是機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。也許正是由于機(jī)器人的定 義的模糊，才給人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 其實(shí)，自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷嘗試著說明到底什么是機(jī)器人。而隨著機(jī)器 人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機(jī)器人的定義 也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。 1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí) 現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。 1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控 制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”。 我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī) 器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力， 是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”。 ISO8373對工業(yè)機(jī)器人做了詳細(xì)、具體的定義：“機(jī)器人是具備自動控制及可再編 程、多用途功能，機(jī)器人操作機(jī)具有3個(gè)或以上的可編程軸在工業(yè)自動化應(yīng)用中，機(jī)器 人的底座可固定也可移動”。 （2）全球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)器人是多學(xué)科技術(shù)綜合的產(chǎn)物，它不像有些產(chǎn)品經(jīng)歷孕育、成長、成熟到衰亡的 過程，而是隨著人類的進(jìn)步、發(fā)展不斷完善。人類的進(jìn)化經(jīng)歷了百萬年，而機(jī)器人的誕 生到現(xiàn)在不到40年。機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段： 第一階段是技術(shù)準(zhǔn)備期。1949年，由于需要研制新型軍用飛機(jī)，這種飛機(jī)零件是用 機(jī)械加工出來的。美國空軍發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。這項(xiàng)研究工作在于把成熟的伺服 技術(shù)與當(dāng)時(shí)新近發(fā)展的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來。1951年，美國麻省理工學(xué)院（MIT） 開發(fā)成功第一代數(shù)控銑床，從而開辟機(jī)械電子相結(jié)合的新紀(jì)元。1954年，美國戴沃樂 最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。 1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè) 機(jī)器人公司---Unimation(Universal Automation)公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺Unimate機(jī)器 人。與此同時(shí)，另一家美國公司---AMF公司也開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran(Versatile Transfer)機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動。一般認(rèn)為這兩個(gè)機(jī) 器人是世界最早的工業(yè)機(jī)器人，其控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主 要由類人的手和臂組成。 第二階段是產(chǎn)業(yè)孕育期。從第一臺機(jī)器人誕生開始，到能進(jìn)行小批量生產(chǎn)結(jié)束。美 國從1962年開始到1974年，歷經(jīng)12年，已擁有1200臺機(jī)器人，主要是滿足汽車工業(yè) 的需求。日本川崎重工業(yè)公司1967年從美國引進(jìn)機(jī)器人，與美國締結(jié)了國際性合作協(xié) 議。1969年，日本試制出全部國產(chǎn)的第一臺機(jī)器人“川崎尤尼麥特”。當(dāng)時(shí)，日本勞動 力嚴(yán)重匱乏，這大大促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展。到1973年，日本的機(jī)器人產(chǎn)量已達(dá)2500臺。 前蘇聯(lián)于1963年研制出第一臺工業(yè)機(jī)器人，1972年起將機(jī)器人研制納入國家計(jì)劃，其 科學(xué)院及部屬研究所負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)技術(shù)，生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)生產(chǎn)以及應(yīng)用推廣。到 1976年，前蘇聯(lián)已擁有機(jī)器人510臺，其產(chǎn)品多為圓柱坐標(biāo)式，用液壓或氣動來驅(qū)動。 前西德在20世紀(jì)60年代末引進(jìn)機(jī)器人，1970年第一批工業(yè)機(jī)器人在前西德誕生。到 1976年時(shí)，前西德已擁有250臺機(jī)器人。這些機(jī)器人主要活躍在對人有危險(xiǎn)或有害的崗 位上。 第三階段是產(chǎn)業(yè)形成期。這一時(shí)期生產(chǎn)企業(yè)不斷成熟，開始進(jìn)入批量生產(chǎn)，并初步 形成市場。當(dāng)時(shí)美國由于消費(fèi)水平的提高，市場需要大量高質(zhì)量的產(chǎn)品。于是，工人工4 時(shí)成本上升，而工業(yè)機(jī)器人的成本相對低很多，這顯然刺激了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。到1980 年，美國已擁有3500臺機(jī)器人。同一時(shí)期，日本政府也大力支持機(jī)器人制造工業(yè)，制 造廠家維持在120家左右。1976年，機(jī)器人年產(chǎn)量已達(dá)7200臺。前蘇聯(lián)從1976年起， 由于政府重視、國家集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，到1980年已擁有機(jī)器人6800臺。前西德歷經(jīng)6年， 也擁有3500臺機(jī)器人。 第四階段為產(chǎn)業(yè)發(fā)展期。機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)和市場發(fā)展都比較成熟。美國一批大公司 相繼加入機(jī)器人制造行列，如通用汽車、通用電氣、IBM等公司。日本機(jī)器人公司已有 幾百家之多，使用機(jī)器人數(shù)占全世界的50％以上。全世界機(jī)器人總數(shù)已達(dá)到近80萬臺。 第五階段為機(jī)器人智能化時(shí)期。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī) 器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就 是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將 具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和 融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”。 進(jìn)入21世紀(jì)，高級機(jī)器人即遙控機(jī)器人和特種機(jī)器人的發(fā)展、多種機(jī)器人和操作 者之間的協(xié)調(diào)控制以及通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍機(jī)器人遙控系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。隨著遙控 及智能化技術(shù)的發(fā)展，還將出現(xiàn)各種各樣的服務(wù)機(jī)器人，它們將使人真正脫離第一線作 業(yè)。 （3）我國機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 我國的機(jī)器人歷史更為久遠(yuǎn)，早在古代就有了機(jī)器人的記載。西周時(shí)期，我國的能 工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。春秋后期，我國 著名的木匠魯班，在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只鳥， 并有“三日不下”之說。漢代，大科學(xué)家張衡發(fā)明了計(jì)里鼓車，該車每行一里，車上木 人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。三國時(shí)期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流 馬”，并用其運(yùn)送軍糧。 我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，1972年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器 人。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國 機(jī)器人技術(shù)與研究得到了政府重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器 人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、 點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開始實(shí)施，經(jīng)過幾 年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。 從20世紀(jì)90年代初期起，我國掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。工器人技術(shù)在實(shí)踐中前進(jìn)了一大步，先后研制了焊接、裝配、噴漆、切割、包裝等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地， 為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 目前，我國機(jī)器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人； 二是智能機(jī)器人；三是機(jī)器人化機(jī)械；四是以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)；五是多傳 感器信息融合與配置技術(shù)。 1.3.2機(jī)器人的分類 關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控 制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式如下 表1-1 機(jī)器人分類表 分類名稱 簡要解釋 操作型機(jī)器人 能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng) 程控型機(jī)器人 按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作 示教再現(xiàn)型機(jī)器人 通過引導(dǎo)或其他方式，先教會機(jī)器人動作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行工作 數(shù)控型機(jī)器人 不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè) 感覺控制型機(jī)器人 利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作 適應(yīng)控制型機(jī)器人 機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化，控制自身的行為 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人 機(jī)器人能“體會”工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)能力，并能將所“學(xué)”的經(jīng)濟(jì)用于工作中 智能機(jī)器人 以人工智能決定其行為的機(jī)器人 我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類：即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī) 器人。依據(jù)具體應(yīng)用的不同，工業(yè)機(jī)器人又常常以其主要用途命名。如：焊接機(jī)器人、 裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的，用 于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī) 器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。 1.3.3機(jī)器人的應(yīng)用 隨著機(jī)器人技術(shù)和航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快， 以獨(dú)立的體系進(jìn)一步發(fā)展。如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等等。 隨著世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，人類活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用正迅速向社會 生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展，也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)域，各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品隨 之出現(xiàn)。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提 出了自動化和機(jī)器人化的要求。伴隨著人類文明的進(jìn)步，由機(jī)器人代替人完成危險(xiǎn)、惡 劣環(huán)境下的作業(yè)是社會發(fā)展的必然趨勢，世界上許多國家都在積極進(jìn)行特種機(jī)器人的開 發(fā)研究工作。機(jī)器的產(chǎn)生本身己經(jīng)大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著機(jī)器人的 產(chǎn)生和大量應(yīng)用，很多領(lǐng)域的單一、重復(fù)的機(jī)械工作已經(jīng)開始由機(jī)器人(機(jī)械手)來完成。 如：用于飛機(jī)、輪船、大型油罐、高層建筑等的日本的清洗機(jī)器人；用于海洋石油開采， 海底勘查、救撈作業(yè)、管道鋪設(shè)和檢查等的美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的 EPAVLARD等水下機(jī)器人；用于軍事領(lǐng)域的美國的NAVPLAB自主導(dǎo)航車、SSV半自 主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運(yùn)動偵察車(DARDS)，德國NV4爆炸物處理機(jī)器人等 等。 機(jī)器人的應(yīng)用給人類帶來了許多便利，滿足了社會生產(chǎn)的需要。目前，機(jī)器人的應(yīng) 用主要包括以下幾種： （1）工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的重要成員，也是目前在技術(shù)上發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多 的一類機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般用于在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要 求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品、化工等行業(yè)自動化生 產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、上下料、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛 等作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，可代替人從事危險(xiǎn)、有害、 有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，提高勞動 生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。此外，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動搬運(yùn)小車以及自動檢 測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動 化。1990年世界通用工業(yè)機(jī)器人年銷量為8.1萬臺，1997年達(dá)到8.4萬臺。2003年增 加到12萬臺，增長率約為10％。如圖1.1所示為正在作業(yè)的焊接機(jī)器人。 圖1.1弧焊機(jī)器人 （2）服務(wù)機(jī)器人 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已不再局限于傳統(tǒng)的制造 業(yè)。服務(wù)機(jī)器人就是機(jī)器人家族中的一個(gè)新成員，但他的應(yīng)用范圍卻很廣，主要從事維 護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。1999年末，世界全部服務(wù)機(jī)器 人至少為6600臺。如圖1.2所示為消防機(jī)器人。 圖1.2消防機(jī)器人 （3）水下機(jī)器人 隨著各國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多， 陸地上的資源日益減少。為了生存和發(fā)展，海洋開發(fā)勢在必行。海底世界不僅壓力非常 大，而且沒有光線，環(huán)境非常惡劣。不論是沉船打撈、海上救生、光纜鋪設(shè)，還是資源 勘探和開采，都很難完成[5]。于是人類開始發(fā)展水下機(jī)器人，以不斷為人類解開大海之迷。如圖1.3所示為我國的探索者號水下1000米機(jī)器人。 圖1.3“探索者”號水下機(jī)器人 4）微型機(jī)器人 微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)是在細(xì)微空間或狹窄空間內(nèi)進(jìn)行精密操作、檢測或作業(yè)的 機(jī)器人系統(tǒng)。它在核電站細(xì)小管道、發(fā)動機(jī)等狹窄空間檢測、軍用偵察、醫(yī)療等領(lǐng)域有 廣泛的用途；并且在生命科學(xué)、精密組裝和封裝等方面有廣闊的應(yīng)用前景。如圖1.4所 示為微型飛行器。 圖1.4微型飛行器 （5）軍用機(jī)器人 歷史上，高新技術(shù)大多首先出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，機(jī)器人也不例外。隨著機(jī)器人技術(shù)的快 速發(fā)展，軍用機(jī)器人武器的研制也備受重視。二戰(zhàn)以后，現(xiàn)代軍用機(jī)器人的研究首先從美 國開始，他們研制出了地面軍用機(jī)器人、無人機(jī)等。近十幾年來，在連續(xù)不斷的局部戰(zhàn)爭的推動下，軍用機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。各個(gè)國家都在開發(fā)研制軍用機(jī)器人， 以壯大自己的軍事實(shí)力。如圖1.5所示為德國的排爆機(jī)器人。 圖1.5德國的排爆機(jī)器人 （6）空間機(jī)器人 空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人。包括內(nèi)層空間飛行 機(jī)器人和外層空間探測作業(yè)機(jī)器人等。如圖1.6所示為美國火星探測機(jī)器人。 除此之外，還有仿人機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、農(nóng)林業(yè)機(jī)器人和機(jī)器人化機(jī)器等。  第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）六個(gè)子系統(tǒng)（驅(qū)動系統(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)、控制系統(tǒng)）組成。 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）。 驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、交流電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）。 控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。 2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 某生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件原由人工完成, 勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率, 降低成本, 使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn), 針對具體生產(chǎn)工藝, 利用機(jī)器人技術(shù), 設(shè)計(jì)用一臺搬運(yùn)機(jī)械手代替人工工作。 該機(jī)械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。 2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)分析 (1) 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì): 機(jī)械手常見的運(yùn)動形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。 圓柱坐標(biāo)型是由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大。 直角坐標(biāo)型，其運(yùn)動部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個(gè)軸向的移動距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。 球坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 關(guān)節(jié)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰運(yùn)動，小臂作俯仰擺動，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。 平面關(guān)節(jié)型，采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動關(guān)節(jié)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。 綜合上述各類型特點(diǎn)和本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，故本次設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。 (2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運(yùn)動形式上分為為直線運(yùn)動P，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動作的復(fù)雜程度，根據(jù)對機(jī)械手必須完成的動作的研究，設(shè)計(jì)四個(gè)自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式為旋轉(zhuǎn)-直線-直線-旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。 (3) 驅(qū)動方式的選擇:1）驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動2）氣壓驅(qū)動3）電機(jī)驅(qū)動4）機(jī)械聯(lián)動四種，其中液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動較為通用。 液壓驅(qū)動：結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(diǎn)。 氣壓驅(qū)動：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。 電機(jī)驅(qū)動：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。 機(jī)械聯(lián)動：動作可靠，動作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。 并且，同其他轉(zhuǎn)動方式相比較，傳動功率相同時(shí)，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。 綜上，經(jīng)過比較，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動。 (4) 控制方式的選擇:1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。 點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動，而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動所需時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。 連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。 力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。 智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。 綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。 另外該機(jī)械手的動作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。 綜合上述，此次采用電-液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動線工作。 2.2.3 總體方案擬定　 因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍大，位置精度要求高。考慮本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，簡圖下所示： 圖2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 自由度具體分配如下： 1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動油缸來實(shí)現(xiàn)，擺動缸的動片與缸體相連接，通過油液帶動葉片轉(zhuǎn)動，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動液壓缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)注入壓力油時(shí)，油壓推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因?yàn)閯悠枪潭ㄔ谵D(zhuǎn)軸上的，故動片轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析 3.1.1 末端操作器的概述 工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進(jìn)行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器4）仿生多指靈巧手。 夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應(yīng)用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機(jī)理類似于常用的手鉗。 吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應(yīng)用于大平面（單面接觸無法抓?。⒁姿椋úＡ?、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。 因?yàn)閷Ｓ貌僮髌骷稗D(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。 3.1.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 根據(jù)發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。 夾鉗式取料手的手指的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點(diǎn)。 3.2 手腕的設(shè)計(jì)分析 機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。此處手腕需實(shí)現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動作,腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動上。 3.3 手臂的設(shè)計(jì)分析 手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)動到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動輕快、靈活。 手臂一般有伸縮運(yùn)動、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動、升降（或俯仰）運(yùn)動三個(gè)自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動，但在手臂的起動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時(shí)間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。伸縮運(yùn)動一般采用直線液壓缸驅(qū)動，俯仰運(yùn)動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)采用單作用（單活塞桿）缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運(yùn)動時(shí)繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時(shí)不產(chǎn)生偏重力矩使抓取可靠，本設(shè)計(jì)中采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時(shí)還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。簡圖如下： 圖3-1 四導(dǎo)向桿式手臂機(jī)構(gòu)簡圖 從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點(diǎn)。 手臂俯仰運(yùn)動采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動。直線油缸的缸底與機(jī)身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當(dāng)壓力油進(jìn)個(gè)油缸時(shí)就驅(qū)動活塞桿往復(fù)運(yùn)動，通過活塞桿的運(yùn)動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運(yùn)動。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿往復(fù)運(yùn)動的同時(shí)，缸體可在平面內(nèi)擺動。 采用擺動馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。擺動馬達(dá)布置在機(jī)身上部，手臂部件用銷軸與回轉(zhuǎn)缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運(yùn)動的支點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸和機(jī)身固定連接，擺動缸的動片與缸體相連，當(dāng)擺動缸進(jìn)壓力油時(shí)，通過葉片的帶動，缸體隨之轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。 對于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動零件時(shí)的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運(yùn)動很不利。偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時(shí)還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會影響運(yùn)動的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動慣量：1）可減少手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸。2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在較小的前伸位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。3）在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)分析 機(jī)身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動。它是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機(jī)器人，則安裝在移動機(jī)構(gòu)上。 機(jī)器人機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座為固定式。固定式機(jī)器人的機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機(jī)身上。 此處要求機(jī)械手的工作范圍比較小，故設(shè)計(jì)為固定式機(jī)器人，機(jī)身與機(jī)座用螺柱連接，機(jī)座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。 機(jī)身設(shè)計(jì)要求：1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好2）運(yùn)動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死3）驅(qū)動方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。 第4章 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 4.1 設(shè)計(jì)要求分析 本課題設(shè)計(jì)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，以及手指的抓取動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部抓取機(jī)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂俯仰機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動與控制。 它完成的動作循環(huán)為：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。 4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用四指V形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動采用彈簧復(fù)位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式復(fù)合回轉(zhuǎn)傳動，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動液壓缸的復(fù)位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設(shè)定，V形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機(jī)械手工作時(shí)的可靠性。 4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力計(jì)算： （4-1） 式中： ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可估算： = （4-2） 其中：——重力加速度； ——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，可計(jì)算： （4-3） ——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度，0.07。 ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般取0.3～0.5。 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。0.9～1.1。 ——被抓取工件所受重力（）。 計(jì)算可得： 手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為： 160 4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 手臂伸縮采用雙作用液壓缸實(shí)現(xiàn)，臂部作水平伸縮運(yùn)動時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力可可按下式計(jì)算： （4-4） 式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： （4-5） 式中： G——運(yùn)動部件所受的重力（）； ——外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（），其大小可按下式計(jì)算： （4-6） ——摩擦系數(shù)，取0.1，詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表23.4-1； ——啟動過程中的慣性力（），其大小可按下式估算： （4-7） 式中： ——重力加速度，取9.8； ——速度變化量（）。如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于臂部的工作速度。 ——啟動或制動時(shí)間（），一般為0.1～。對輕載低速運(yùn)動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5～1.5。 經(jīng)過計(jì)算得： = 4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 當(dāng)手臂從水平位置成仰角時(shí)或從角度恢復(fù)為水平時(shí)的加速或減速過程，鉸接活塞桿的載荷（即俯仰直線缸驅(qū)動力）達(dá)到最大。其在垂直方向上的最大線速度為0.07，加速時(shí)間為0.1，由于升降過程一般不是等加速運(yùn)動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。則手臂俯仰油缸載荷： （4-8） 式中： ——手臂俯仰缸所支撐的重量（），由下式可得： ——手臂俯仰缸的活塞桿的加速度。 經(jīng)過計(jì)算得： 4.5 手腕擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 設(shè)計(jì)采用擺動液壓缸實(shí)現(xiàn)，缸蓋通過法蘭與手臂活塞桿聯(lián)接，結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖4-1 手部結(jié)構(gòu)簡圖 手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩，應(yīng)根據(jù)抓緊工件時(shí)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算。回轉(zhuǎn)動時(shí)，由于起動過程中不是等加速運(yùn)動，所以最大驅(qū)動力矩比理論上平均值大一些，計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。計(jì)算時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率（0.9～0.99），驅(qū)動力矩按下式計(jì)算： （4-9） 式中：——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩)（）； ——起動時(shí)慣性力矩（），一般按下式計(jì)算： （4-10） 其中： ——臂部對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——速度變化量（）； ——回轉(zhuǎn)運(yùn)動起動或制動所需的時(shí)間（），一般為0.1～0.5。對輕載低 速運(yùn)動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5～1.5。 經(jīng)過計(jì)算可得如下結(jié)果： = 4.6 機(jī)身擺動機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩,應(yīng)根據(jù)啟動時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算?；剞D(zhuǎn)動時(shí),由于起動過程中不是等加速運(yùn)動,所以最大驅(qū)動力矩比理論上平均值大一些，計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。計(jì)算時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率（0.9～0.99），驅(qū)動力矩按下式計(jì)算： 式中： ——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩) （）； ——起動時(shí)慣性力矩（），一般按下式計(jì)算: 其中： ——臂部對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）； ——速度變化量（）； ——回轉(zhuǎn)運(yùn)動起動或制動所需的時(shí)間（s）, 一般為0.1～0.5s。對輕載低 速運(yùn)動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取=0.5～1.5m/s。 在計(jì)算臂部部件的轉(zhuǎn)動慣量時(shí)，可將形狀復(fù)雜的零件簡化為幾個(gè)形狀簡單的零件，分別求出各簡單零件的轉(zhuǎn)動慣量。若零、部件沿臂部伸縮運(yùn)動方向上的軸向尺寸與其重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離比值不超過二分之一時(shí)，一般可把它當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來計(jì)算，這樣簡化計(jì)算的誤差不超過5%。經(jīng)過計(jì)算可得如下結(jié)果： = 4.7 初選系統(tǒng)工作壓力 壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限制的設(shè)備，壓力選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。選擇可參考一下兩表： 表4-1 按載荷選擇工作壓力 載荷/KN <5 5～10 10～20 20～30 30～50 >50 工作壓力/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5 表4-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力 機(jī)械類型 機(jī) 床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型工程機(jī)械 建筑機(jī)械 液壓鑿巖機(jī) 液壓機(jī) 大中型挖掘機(jī) 起重機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合 機(jī)床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32 從各方面綜合考慮，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，搬運(yùn)機(jī)械手的工作壓力選擇為8MPa。 第5章 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)部件即為液壓缸，總體結(jié)構(gòu)尺寸即為液壓缸尺寸。一般來說液壓缸是標(biāo)準(zhǔn)件,但有時(shí)也需來自行設(shè)計(jì),故需了解其主要尺寸的計(jì)算及強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算方法。對于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。 5.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定 手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。 (1)液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定 為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，下圖為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。 活塞桿受壓時(shí) 圖5-1 活塞桿受壓示意圖 （5-1） 活塞桿受拉時(shí) 圖5-2 活塞桿受拉示意圖 （5-2） 式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）； ——有桿活塞桿有效作用面積（）； ——液壓缸工作腔壓力8MPa； ——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表5-1，此處選取背壓0。 ——油缸內(nèi)徑（）； ——活塞桿直徑（）。 表5-1 執(zhí)行元件背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力/MPa 簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5 回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng) 0.4～0.6 回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5 用補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8～1.5 回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械 1.2～3 回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計(jì) 對單活塞桿缸，無桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得： D= （5-3） 有桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得： = （5-4） 這時(shí)，上面兩式便可簡化，即無桿腔進(jìn)液體時(shí)： = （5-5） 有桿腔進(jìn)油時(shí)： = （5-6） 若綜合考慮排液對活塞產(chǎn)生的背壓，活塞和活塞桿處密封及導(dǎo)套產(chǎn)生的摩擦力，以及運(yùn)動件質(zhì)量產(chǎn)生慣性力等的影響，一般取機(jī)械效率0.8或0.9?；钊麠U的桿徑可根據(jù)工作壓力選取，見表5-2。 表5-2 按工作壓力選取d/D 工作壓力/MPa ≤5.0 5.0～7.0 ≥7 / 0.5～0.55 0.62～0.70 0.7 當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比有一定要求時(shí)，桿徑可由下式計(jì)算。 = （5-7） 液壓缸的速比過大會使無桿腔產(chǎn)生過大的背壓，速度比過小則活塞桿太細(xì)，穩(wěn)定性不好。推薦液壓缸的速度比如表所示。 表5-3 按速比要求確定d/D 往復(fù)速比 1.15