畢業(yè)論文設計(液壓機械手裝配結構設計)

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p>　　專業(yè)名稱 機械設計制造及其制動化 </p><p>　　2014 年 5月 21日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 中文摘要

2、4</b></p><p>　　2. 英文摘要 4</p><p><b>　　第一章緒 論5</b></p><p>　　1.1 機器人概述5</p><p>　　1.2 機器人的歷史、現狀6</p><p>　　1.3 機器人發(fā)展趨勢8</p><p

3、>　　第二章 機械手的整體設計方案8</p><p>　　2.1 液壓機械手介紹8</p><p>　　2.2 液壓機械手的設計要點8</p><p>　　2.3 自由度及關節(jié)9</p><p>　　2.4 機械手的系統工作原理及組成9</p><p>　　第三章 液壓機械手設計參數的確定10<

4、/p><p>　　3.1 臂力的確定10</p><p>　　3.2 工作范圍的確定10</p><p>　　3.3 確定運動速度10</p><p>　　3.4 手臂的配置形式11</p><p>　　3.5 位置檢測裝置的選擇11</p><p>　　3.6 驅動與控制方式的選擇11

5、</p><p>　　第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與驗算11</p><p><b>　　4.1 概述11</b></p><p>　　4.2 驅動力的計算12</p><p>　　4.3 腕部的結構14</p><p>　　4.3.1概述14</p><p>

6、　　4.3.2 腕部的結構形式15</p><p>　　4.3.3手腕驅動力矩的計算15</p><p>　　4.3.4手腕回轉缸的尺寸及其校核17</p><p>　　第五章 手臂結構的設計與校核20</p><p><b>　　5.1概述20</b></p><p>　　5.2手臂直

7、線運動機構21</p><p>　　5.2.1 手臂伸縮運動21</p><p>　　5.2.2 手臂的升降運動21</p><p>　　5.2.3 手臂回轉運動22</p><p>　　5.2.4 手臂的橫向移動22</p><p>　　5.3 導向裝置23</p><p>　　5

8、.4 臂部運動驅動力計算24</p><p>　　5.4.1臂水平伸縮運動驅動力的計算24</p><p>　　5.4.2臂垂直升降運動驅動力的計算24</p><p>　　5.4.3臂部回轉運動驅動力矩的計算25</p><p>　　5.5 手臂伸縮油缸的設計與校核25</p><p>　　5.5.1尺寸校

9、核25</p><p>　　5.5.2計算作用在活塞上的總機械載荷26</p><p>　　5.6 手臂升降油缸的設計與校核26</p><p>　　5.7 手臂回轉油缸的設計與校核27</p><p>　　第六章液壓系統的設計32</p><p>　　6.1 液壓系統簡介32</p><

10、;p>　　6.2 液壓系統的組成32</p><p>　　6.3 機械手液壓系統的控制回路32</p><p>　　6.3.1壓力控制回路33</p><p>　　6.3.2速度控制回路33</p><p>　　6.3.2方向控制回路33</p><p>　　6.4 機械手的液壓傳動系統33</

11、p><p>　　6.4.1上料機械手的動作順序33</p><p>　　6.4.2自動上料機械手液壓系統原理介紹34</p><p>　　6.4.3上料機械手典型動作動作循環(huán)動作說明35</p><p>　　第七章 其它零部件的選擇設計33</p><p>　　7.1油缸的密封36</p><

12、p>　　7.1.1活塞式油缸的泄漏與密封36</p><p>　　7.1.2回轉油缸的泄漏與密封38</p><p>　　7.2 機械手的運動平穩(wěn)性與定位精度40</p><p>　　7.2.1 油缸的緩沖裝置40</p><p>　　7.2.2 緩沖裝置的設計原則40</p><p><b>

13、;　　結 論41</b></p><p><b>　　參考文獻42</b></p><p><b>　　附錄43</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p>　　液壓機械手裝配結構設計</p><p>&

14、lt;b>　　摘 要</b></p><p>　　在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。</

15、p><p>　　本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后選擇合適的傳動方式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統，包括數據采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現的目標包括：關節(jié)的伺服控制和制動問題

16、、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。</p><p>　　關鍵詞：機械手、示教編程、液壓、控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In the modern large-scale manufacturing industry, enterprise

17、s pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the </p><p>　　production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the </p><

18、;p>　　automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by </p><p>　　enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national lev

19、el of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength,

20、and most of these robots work in playback way.</p><p>　　In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to </p><p>　　carry material for a punch. First I will design

21、 the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I

22、will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the relia

23、bility of the</p><p>　　KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1、機器人概述</b></p><p>　　在現代工業(yè)中，生產過程的機械化

24、、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現機械化。機器人的出現并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。</p><p>　　“工業(yè)機器人”（I

25、ndustrial Robot）由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。</p><p>　　機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產中應用機械手可以提高生產的自

26、動化水平，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用

27、范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 </p><p>　　機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元

28、機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。&l

29、t;/p><p>　　機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物</p><p>　　等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。</p><p>　　要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、

30、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統和控制系統這三部分組成，如圖 1-1 所示。</p><p>　　圖1-1 機器人的一般組成</p><p>　　對于現代智能機器人而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言

31、識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。</p><p>　　圖1-2 機器人各組成部分之間的關系</p><p>

32、　　機器人的機械系統主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator)，相

33、當于本文中的執(zhí)行機構部分。</p><p>　　1.2 機器人的歷史、現狀</p><p>　　機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。</p><p>　　日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從

34、事機器人的研究。</p><p>　　目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。</p><p>　　第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。</p><p>　　

35、第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。</p><p>　　隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工

36、業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。</p><p>　　目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。</p><p>　　在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)

37、展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。</p><p>　　隨著現代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統的應用和研究對系統本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用

38、場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統的性能和智能水平，要求機器人系統具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封

39、閉系統的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統。</p><p>　　美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段：</p><p>　?。?）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為1900

40、型。</p><p>　?。?）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；</p><p>　　又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。</p><p&

41、gt;　?。?）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據當時統計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理

42、工學院研制了具有有“手眼”系統的高識別能力微型機器人。</p><p>　　其他國家，如日本、蘇聯、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產化機器人，技術水平很快趕上

43、美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。</p><p>　　我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。</p><p>　　1.3機器人發(fā)展趨勢</p><p>

44、　　隨著現代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率。</p><p>　　就目前來看，總的來說現代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：</p><p>　　a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測

45、模塊組成結構不同的機器人；</p><p>　　b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；</p><p>　　c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統進行問題求

46、解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統采用微機進行控制。</p><p>　　第2章 液壓機械手整體設計方案</p><p>　　2.1 液壓機械手介紹</p><p>　　液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且

47、氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。</p><p>　　液壓技術有以下優(yōu)點: </p><p>　　1、體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊； 2、能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度，并可實現無極調速； 3、換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便

48、地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換； 4、液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制； 5、由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長； 6、操縱控制簡便，自動化程度高； 7、容易實現過載保護。</p><p>　　2.2 液壓機械手的設計要點</p><p>　　1.2.2 課題的設計步驟</p><p>

49、;　　本課題將要完成的主要任務如下:</p><p>　　(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。</p><p>　　(2)選取機械手的座標型式和自由度。</p><p>　　(3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要

50、的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。</p><p>　　(4)液壓傳動系統的設計 本課題將設計出機械手的液壓傳動系統，包括液壓元器件的選取，液壓回路的設計，并繪出液壓原理圖。</p><p>　　(5)機械手的控制系統的設計 本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。</p>

51、<p>　　2.3自由度及關節(jié) </p><p>　　機器人具有四個自由度 ，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)，都為轉動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。</p><p>　　2.4 機械手的系統工作原理及組成</p><p>　　機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示。 </p><p>　　圖1-1機械手的系統工

52、作原理框圖</p><p>　　機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設

53、定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.</p><p><b>　　2．4．1執(zhí)行機構</b></p><p>　　包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。</p><p>　　2．4．1．1 手部 手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們

54、采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳

55、力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。</p><p>　　2．4．1．2、手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)</p><p>　　2．4．1．3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動

56、手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、液壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。</p><p>　　2．4．1．4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。</p><p>　　2．4．1．5、機

57、座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。</p><p>　　2．4．2驅動系統 驅動系統是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。</p><p>　　2．4．3控制系統 控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前工業(yè)機械手的控制系統一般

58、由程序控制系統和電器定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。</p><p>　　2．4．4位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給

59、控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。</p><p>　　第三章 液壓機械手設計參數的確定</p><p><b>　　3.1、臂力的確定</b></p><p>　　目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內現有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂

60、 =1650（N），安全系數K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數K=2。定位精度為±3mm。</p><p>　　3.2、工作范圍的確定</p><p>　　機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下：</p>

61、<p>　　手腕回轉角度0°~180°</p><p>　　手臂伸長量400mm</p><p>　　手臂回轉角度0°~210°</p><p>　　手臂升降行程300mm</p><p>　　3.3、確定運動速度</p><p>　　機械手各動作的最大行程確定之后

62、，可根據生產需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉，平移等一系列的動作，這些動作都應該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。</p><p>　　機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應考慮以下

63、要求：</p><p>　　1、給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間；</p><p>　　2、伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度，因為回轉運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系，應根據具體情況加以確定。</p><p>　　3、在工作拍節(jié)

64、短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅動系統要采取相應的措施，以保證動作的同步。</p><p>　　液壓上料機械手的各運動速度如下：</p><p>　　手腕回轉速度 V腕回 = 90°/s</p><p>　　手臂伸縮速度 V臂伸 = 300 mm/s</p><p>

65、;　　手臂回轉速度 V臂回 =90°/s</p><p>　　手臂升降速度 V臂升 = 70 mm/s</p><p>　　立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s</p><p>　　手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s</p><p>

66、　　3.4、手臂的配置形式</p><p>　　機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結構多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上

67、的機械手多為圓柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉運動，工作范圍較大。</p><p>　　3.5、位置檢測裝置的選擇</p><p>　　機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數字式。本機械手采用行程開關式。利用行程開關檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯合應用。在機械手中，用行程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應用也是最多的。</p><p&

68、gt;　　3.6、驅動與控制方式的選擇</p><p>　　機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。</p><p>　　控制系統也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數機械手均需進行專門的控制系統的設計。</p><p>　　驅動方式一般有四種：氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動

69、。</p><p>　　按照設計要求，本機械手采用的驅動方式為液壓驅動，控制方式為固定程序的PLC控制。</p><p>　　第四章 手部尺寸設計及校核</p><p><b>　　4.1、概述</b></p><p>　　手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械

70、手手臂的前端。機械手結構型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根據它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。</p>

71、<p>　　設計時應考慮的幾個問題</p><p>　　1、應具有足夠的握力（即夾緊力）</p><p>　　在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。</p><p>　　2、手指間應有一定的開閉角</p><p>　　兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾

72、的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。</p><p>　　3、應保證工件的準確定位</p><p>　　為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。</p><p>　　4、應具有足夠的強度和剛度<

73、;/p><p>　　手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。</p><p>　　5、應考慮被抓取對象的要求</p><p>　　應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定手指的形狀。</p><p>　　

74、4.2、驅動力的計算 </p><p>　　1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座</p><p>　　圖1 滑槽杠桿式手部受力分析</p><p>　　如圖所示為滑槽式手部結構。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO

75、2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據銷軸的力平衡條件，即 </p><p>　　∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0</p><p><b>　　P=2P1cosα</b></p><p>　　P1=P/2cosα<

76、/p><p>　　銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得</p><p><b>　　P1′h=Nb</b></p><p>　　因 h=a/cosα </p>&

77、lt;p>　　所以 P=2b(cosα)N/a</p><p>　　式中 a——手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。</p><p>　　α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。</p><p>　　由上式可知，當驅動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使

78、之結構加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。</p><p>　　這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設計基礎》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即：</p&

79、gt;<p>　　P實際=PK1K2/η</p><p>　　式中 η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95；</p><p>　　K1——安全系數，一般取1.2~2</p><p>　　K2——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。</p>

80、;<p>　　本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為308毫米/秒，移動加速度為616毫米/秒，工件重量G為350牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時，拉緊油缸的驅動力P和P實際計算如下：</p><p>　　根據鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式</p><p><b>　　N=0.5G

81、</b></p><p>　　把已知條件代入得當量夾緊力為</p><p><b>　　N=175（N）</b></p><p>　　由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式</p><p>　　P=2b(cosα)N/a 得</p><p>　　P=P計算=2*48(cos30°)

82、*175/44=286.4(N)</p><p>　　P實際=P計算K1K2/η</p><p>　　取η=0.85, K1=1.5, K2=1+616/9810≈1.1</p><p>　　則 P實際=286.4*1.5*1.1/0.85=556(N)</p><p>　　4.2.1、兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析</p&g

83、t;<p>　　圖2 帶浮動鉗口的鉗爪</p><p>　　鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯結,如圖示幾何關系,若設鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則</p><p><b>　　x=</b></p><p>　　當工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為</p&

84、gt;<p><b>　　=∣-∣ </b></p><p>　　其中l(wèi)=48mm ,b=6mm ,a=44mm ,2=120° ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm</p><p><b>　　代入公式計算得</b></p><p>　　最大定位誤差△=∣47.9-47.2∣=0.7＜0.8

85、</p><p><b>　　故符合要求.</b></p><p><b>　　4.3、腕部的結構</b></p><p><b>　　4.3.1、 概述</b></p><p>　　腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點：</p>

86、<p>　　1、結構緊湊，重量盡量輕。</p><p>　　2、轉動靈活，密封性要好。</p><p>　　3、注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調整等問題 </p><p>　　4、要適應工作環(huán)境的需要。 </p><p>　　另外，通往手腕油缸的管道盡量

87、從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。</p><p>　　4.3.2、腕部的結構形式</p><p>　　本機械手采用回轉油缸驅動實現腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為0°~180°.</p><p>　　如下圖所示為腕部的結構，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

88、油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。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缸體和指座一同轉動，即為手腕的回轉運動。</p><p>　　圖3 機械手的腕部結構</p><p>　　4.3.3、手腕驅動力矩的計算</p><p>　　驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承

89、孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算：</p><p>　　M驅=M慣+M偏+M摩 （N.m）</p><p>　　式中 M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩</p><p>　　M慣——慣性力矩 （N.m） </p><p>　　

90、M偏——參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片）對轉動軸線所產生的偏重力矩 （N.m） </p><p>　　M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） </p><p>　　圖4 腕部回轉力矩計算圖</p><p><b>　?、?、摩擦阻力矩M摩</b></p><p>　　M摩

91、 =（N1D1+N2D2） （N.m）</p><p>　　式中 f——軸承的摩擦系數，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1；</p><p>　　N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）；</p><p>　　D1 、D2 ——軸承直徑（m）</p><p>　　由設計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N

92、 N2=200N G1=350N e=0.010時</p><p>　　M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2</p><p>　　得 M摩 =2.50（N.m）</p><p>　?、凇⒐ぜ匦钠昧匾鸬钠昧豈偏</p><p>　　M偏 =G1 e （N.m）&l

93、t;/p><p>　　式中 G1——工件重量（N）</p><p>　　e——偏心距（即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，M偏為零</p><p>　　當e=0.010，G1=350N時</p><p>　　M偏 =3.5（N·m）</p><p>　?、?、腕部啟動時的慣性

94、阻力矩M慣 </p><p>　?、?、當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算M慣</p><p>　　M慣 =（J+J工件） （N·m） </p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　——手腕回轉角速度 （0.79/s）</p><p>　　T——手腕啟動過程中所用時

95、間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）</p><p>　　J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）</p><p>　　J工件——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kg·m） </p><p><b>　　按已知計算得</b></p><p>　　J=2.5，J工件 =6.25，=0.79

96、/ s,t=2</p><p>　　故 M慣 = 3.46（N·m）</p><p>　?、啤斨绬舆^程所轉過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：</p><p>　　M慣=（J+J工件） （N·m） </p><p>　　式中 ——啟動過程所轉過的角度（rad）;</p&

97、gt;<p>　　——手腕回轉角速度 （0.79/s）。</p><p>　　考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取</p><p>　　M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） </p><p>　　M = 1.2*（3.46+3.50+2.50） =10.75（N.m） </p><p>　

98、　4.3.4、手腕回轉缸的尺寸及其校核</p><p>　　在機械手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。動片封圈4把油腔分隔成兩個.當壓縮油從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。</p><p>　　1-定片 2-缸體 3-動片 4-動片風圈 5-回轉軸

99、a-進油口 b-出油口</p><p>　　圖4-3 回轉油缸簡圖</p><p>　　4.3.4.1、尺寸設計 設計油缸內徑為,半徑,軸徑,半徑,油缸運行角速度，加速度時間，回轉油缸的工作壓力為P=，動片寬度為。</p><p>　　單葉片回轉油缸的壓力P和驅動力矩M的關系為:</p><p><b>　　, 或</b&g

100、t;</p><p><b>　　由公式計算力矩：</b></p><p>　　4.3.4.2、尺寸校核 </p><p>　　1．測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：</p><p>　　工件的質量為,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量</p&

101、gt;<p>　　假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距</p><p><b>　　，其轉動慣量為:</b></p><p><b>　　則： </b></p><p>　　2．手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件

102、重心偏離轉動軸線,則</p><p>　　式中：—為手腕回轉部件的重量，</p><p><b>　　—為工件的重量，</b></p><p>　　4.3.4.3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為</p><p>　　由于是液壓傳動，潤滑比較好，根據經驗得知摩擦力矩很小，故忽略不計。</p><p&g

103、t;　　4.3.4.4、回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩</p><p>　　式中—為回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，</p><p>　　—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　式中—輸出軸與缸蓋密封處直徑，</p><p>　　—密封的有效長度（或密封寬度）</p&

104、gt;<p>　　—“O”形密封圈的截面直徑；</p><p>　　—“O”形圈在裝配時的壓縮率，對于回轉運動，,取</p><p><b>　　—摩擦系數，</b></p><p>　　—回轉油缸的工作壓力,</p><p>　　則： </p><p>　　—

105、為動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中： </p><p><b>　　— 回轉油缸直徑</b></p><p>

106、;　　— 回轉油缸與動片連接處直徑</p><p><b>　　由設計得：</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　?。簞悠鈴脚c油缸密封裝置處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中為動片的寬度，，，，和同上述。</p><p>　　則：

107、 </p><p>　　4.3.4.5、回轉油缸回油腔的背壓反力矩</p><p>　　其中為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為</p><p>　　則： </p><p>　　則手腕回轉油缸所需的驅動力矩為：</p><p>　　所以設計尺寸符合使用要求，安全。</p>

108、<p>　　第5章 手臂結構的設計與校核</p><p><b>　　5.1 概述</b></p><p>　　臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手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的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各

109、種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現，因此，它不僅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。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據機械手的抓取重量、運動形式、自由度數、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構型式。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求：</

110、p><p>　　① 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。</p><p>　?、?導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。</p><

111、;p>　?、?偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉軸所產生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉軸的轉動慣量。</p><p>　?、?運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應盡量減少小臂部運動部分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一

112、定的緩沖措施。</p><p>　　5.2手臂直線運動機構</p><p>　　機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現手臂往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構。</p><p>　　5.2.1手臂伸縮運動</p><p>　　這里實現直線往復運動是采用液壓

113、驅動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構中應用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結構。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復直線運動。導向桿3在導向套4內移動，以防止手臂伸縮時的轉動（并兼做手腕回轉缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平

114、穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。</p><p>　　圖5 雙導向桿手臂的伸縮結構</p><p>　　5.2.2、手臂的升降運動</p><p>　　如圖7所示為手臂的升降運動機構。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞桿4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵8實現。圖中6為位置檢測裝置。

115、</p><p>　　圖7 手臂升降和回轉機構圖</p><p>　　5.2.3、手臂回轉運動</p><p>　　實現手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖7所示，回轉運動由齒條活塞桿7驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵8帶動外套一起轉動實現手臂的回轉。