曲轴搬运机械手控制系统设计说明书.doc

机械工学院毕业设计目录摘 要i第1章 绪论11.1 工业机器人（机械手）的概述11.1.1 工业机器手的发展11.1.2 工业机器人的分类21.1.3 工业机械手的应用31.2 国内外发展的状况31.3 本课题的预期结果4第2章 机械手的总体设计52.1 设计要求52.2 机械手的总体设计方案52.2.1 机械手的组成及各部分关系52.2.2总体设计任务52.3 总体设计方案拟定72.4 本章小结9第3章 机械手结构的设计103.1 机械手的主要结构103.2末端操作器的设计103.2.1 末端操作器的概述103.2.2 末端操作器结构的设计103.3 手腕的设计113.4 手臂的设计123.5 机身和机座的设计153.6 本章小结16第4章 机械手各部件载荷及结构尺寸计算174.1 设计要求分析174.2 手指夹紧机构的及尺寸设计174.2.1 手指夹紧机构载荷的计算174.3 手臂伸缩机构的及尺寸的确定224.4手臂俯仰机构结构尺寸的确定244.5手腕摆动机构的确定244.6 机身摆动机构的确定244.7强度校核244.8 弯曲稳定性校核254.9 本章小结26第5章 液压系统的设计275.1 液压缸或液压马达所需流量的确定275.1.1 液压缸工作时所需流量275.2 液压马达工作时的流量275.3 液压缸或液压马达主要零件的结构材料及技术要求285.3.1 缸体285.3.2 缸盖285.3.3 活塞295.3.4 活塞杆295.3.5 液压缸的缓冲装置295.3.6 液压缸的排气装置305.4 制定基本方案305.4.1 基本回路的选择305.5 液压元件的选择315.5.1 液压泵的选择315.5.2 液压泵所需电机功率的确定325.5.3 液压阀的选择335.5.4 液压辅助元件的选择原则335.5.5 油箱容量的确定355.5.6 液压原理图355.6本章小结37第6章 电气控制系统的设计386.1 电气控制的概述386.2 控制电路386.2.1 控制电路的组成386.2.2 继电器的选择386.2.3 接触器的选择396.3 电气系统的设计及原理406.4 电气系统的控制顺序416.5 本章小结42结 论43参考文献44致 谢45附 录46 摘 要 随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对电气的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键字：机械手；液压驱动；电气；自动；控制元件 i第1章 绪论1.1 工业机器人（机械手）的概述1.1.1 工业机器手的发展现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部安装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种unimate-vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国knka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士retab公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统fms(flexible manufacturing system)和柔性制造单元(flexible manufacturing cell)中重要一环。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造等领域中。1.1.2 工业机器人的分类 表1.1 机器人分类分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人机器人能适应环境变化，控制自身的行为学习控制型机器人机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中智能机器人以人工智能决定其行为的机器人关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式如上表1.1所示：1.1.3 工业机械手的应用工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械，电子，自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门。工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件和握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式亦各有不同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地，重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操作的机械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遥控的非自动的单循环的机械手等。实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期，频繁，单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它还能在高温，低温，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。1.2 国内外发展的状况国内工业机器人市场具有如下特征：（1）国内汽车业。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是自动化程度要求高、竞争相当激烈的行业。可以说，汽车工业的发展史近几年我国工业机器人增长的主要原动力之一。（2）沿海经济发达地区。国内相当数量的企业技术实力得到很大提高，生产设备更新换代，为了更好地适应市场经济发展的需要，提高生产率，提高产品质量和企业竞争力，改善工人劳动条件，企业对工业机器人的需求不断增加。（3）外商独资企业、中外合资企业。外商独资或中外合资企业自动化程度一般比较高，导致工业机器人的需求量较大。（4）国内一些现代化水平比较高的企业。国内一些汽车厂、军工企业、船舶行业等。1.3 本课题的预期结果在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成一条自动流水加工线。但在流水线上加工时，需要许多工人搬运工件，有时劳动强度较大。当生产效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种通过电气控制的搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线，并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，减轻工作量，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。而事实上，在生产领域真正用来加工的时间一般不大于整个生产时间的10，大部分时间是用在了工件的搬运、装夹等辅助工序上。从这个方面可以看出研制一种自动化搬运机械手的迫切性和重要性，它能大大提高生产的效率。 第2章 机械手的总体设计2.1 设计要求某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 使生产线发展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转手腕回转手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。工作对象为50100mm，重量为4060kg的曲轴，定位精度为1。2.2 机械手的总体设计方案2.2.1 机械手的组成及各部分关系机械手由三大部分（机械部分、液压部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、液压系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）、机座。驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（ptp）、连续轨迹控制方式（cp）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2.2总体设计任务(1) 结构形式的设计: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种。圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型，采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。综上，本次设计中采用圆柱回转坐标型。 (2) 自由度的确定：自由度(degrees of freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动p，旋转运动r。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即rppr型。(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于cad技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。综上，本次设计采用液压驱动。(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（ptp）2）连续轨迹控制方式（cp）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。 综上，本次设计采用点位控制。 另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用电气控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。 综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。2.3 总体设计方案拟定因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，如下图2.1所示： 1-机座 2-机身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指图2.1 机械手总体结构简图机座：起支撑机身的作用，同时与地面通过地脚螺栓固定承受着机械手整体的比较大的压力。由于体积大，所以用铸造，铸造材料为铸铁。机身：保证了整个机械手能够连接在一起从而保证机械手能够顺利的完成各项运动，由于体积大，所以用铸造，机身的材料为铸铁。机身分为上、下机身体，上、下机身通过螺栓连接在一起，摆动液压缸放在下机身里。用一根轴立柱通过键将摆动液压系统与机身连接在一起，通过液压缸摆动带动机身的摆动。俯仰手臂：与下机身通过销与相连，与手臂也通过销相连。起连接作用，同时，俯仰手臂的伸缩会控制手臂的上下摆动。手臂：通过销与上机身相连，液压系统控制了它的伸缩功能，与手腕通过法兰连接在一起。手腕：具有摆动功能，与手臂和手指相连。内置摆动液压缸。手指：具有夹紧工件的作用。自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。2.4 本章小结本章主要介绍机械手的总体设计方案，根据设计要求，选择机械手的结构设计方案、驱动方案、控制方案以及选择各个方案对机械手工作的影响，画出机械手结构的大体简图和重要的几个结构部分。根据工作时空间自由度的选择，大体结构，控制方式的选择，完成各个部分的工作性能。描绘机械手大体结构图为以下计算设计做准备。 第3章 机械手结构的设计3.1 机械手的主要结构机械手的机械结构主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）、机座。这些结构通过驱动系统、控制系统之间的相互联系结合在一起，实现机与电的结合。驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（ptp）、连续轨迹控制方式（cp）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。3.2末端操作器的设计3.2.1 末端操作器的概述工业机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手2）吸附式取料手3）专用操作器及转换器4）仿生多指灵巧手。夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。因为专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手的技术难度及成本要求都比较高，故在此不多做介绍。3.2.2 末端操作器结构的设计根据发动机曲轴结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。本设计是曲轴搬运机械手，搬运的对象是曲轴，所以要求使用v形手指，其中v形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。它通过单向液压缸进行加紧工作，主要是通过液压缸的4活塞杆推底端使手指夹紧，然后通过2弹簧进行复位。圆柱销3起到连接的作用，连接手指与手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夹紧平稳。结构如图3.1所示： 1-手指 2-弹簧 3-圆柱销 4-活塞杆 图3.1 v型手指结构图3.3 手腕的设计机器人手腕（如图3.2）是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。此处手腕需实现手部的翻转（roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。主要原理是手腕是由摆动液压缸控制，这样可以实现手腕的旋转，带动v形末端操作器。手腕通过法兰连接在手臂上，手腕由摆动液压缸控制进行旋转运动，通过进油带动液压缸，液压缸通过键连接带动手腕轴使手腕转动，摆动液压缸由电磁阀控制。电磁阀由电器控制回路控制。这样就将机械和电器结合到了一起。通过电控制机械，通过电控制机械手的手腕的旋转。机械手腕的转动时通过（如图3.2）2摆动液压缸带动，手指的夹紧运动通过4单向活塞杆向右推动手指部分的v型槽。然后由复位弹簧进行复位设置。手腕与手臂的连接由1法兰盘连接在一起。为了确保手腕与手臂在工作过程中具有稳定的自由度，手臂的结构为四导杆辅助液压缸运动。四导杆能保证机械手在伸缩的过程中保持稳定的同轴度，不至于使手臂收缩的过程中由于重力的作用而弯曲变形。每一个导杆平均分得一部分力，这样可以减轻一个杆工作时的压力。 1-法兰盘 2-摆动液压缸 3-弹簧 4-单向液压缸 5-手腕 6-连接螺栓孔 图3.2 手腕结构简图3.4 手臂的设计手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。这样是为了减小惯性，使运动精度高些。伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现。本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。机械手手臂伸缩由手臂里的液压缸来实现，回转运动时靠机身的回转，通过圆柱销的连接带动手臂的回转，俯仰运动时通过俯仰缸的伸缩来实现，手臂是机械手运动环节的重要部分，它是现实手指与机身连接的唯一枢纽。大部分要实现的运动都是通过手臂的传递完成的。本次设计采用内嵌式液压缸，液压缸的尺寸决定了手臂的大体尺寸。液压缸的设计是通过工件运动时受到的力决定的，本次设计的手臂的内嵌式液压缸如图3.3所示：1-出油孔 2-开口销孔 3-缸壁 4-圆柱销孔5-导向杆6-油塞 7-法兰 8-活塞杆 9-进油孔图3.3 四导向杆式手臂机构从图中可以比较清楚地看到手臂伸缩油缸结构及导向杆的安放方式以及手臂与其他部件的连接点。液压油通过进油孔进入，在液体压力的作用下活塞杆8向右运动，使手臂伸缩，导向杆5起到保证同轴度的作用，密封圈6起到保持缸内压力的作用，保证了液压缸的工作效率。手腕和手臂通过法兰连接在一起，法兰能保持他们的同轴运动，确保运动的精确性。法兰的结构简图如下3.4所示： 1-螺栓孔 2-螺钉图3.4 法兰盘的结构法兰盘与手腕通过螺栓连接，保证手臂、手腕同步运动。手臂俯仰运动采用单作用（单活塞杆）缸来驱动。直线油缸的缸底与机身通过铰链相连，而油缸活塞杆的伸出端则与臂部铰接，这样当压力油进入油缸时就驱动活塞杆往复运动，通过活塞杆的运动就使与其相连的手臂形成了俯仰的运动。当油从进油口进入时，右面的压力比左面的大，这时活塞杆向右运动，转化为手臂实现向下运动。由于俯仰油缸是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆往复运动的同时，缸体可在平面内摆动。手臂通过带孔销连接在机身上，以带孔销为支点，俯仰机构的上下运动就变成了手臂的上下运动，俯仰液压缸向上伸出时，手臂向下摆动，俯仰液压缸向下伸出时，手臂向上摆动，这样就实现了手臂的上下摆动。手臂俯仰机构的结构简图如3.5所示：1-进、出油孔 2-活塞 3-活塞杆 4-进、出油孔5-密封塞 6-缸盖 7-缸壁 8-排气孔图3.5 俯仰机构简图采用摆动马达来实现机身手臂的回转。摆动马达布置在机身下部，手臂部件用销轴与回转缸体上的耳叉连接，作为手臂俯仰运动的支点。回转缸的转轴和机身固定连接，摆动缸的动片与缸体相连，当摆动缸进压力油时，通过叶片的带动，缸体随之转动，从而实现机身的回转。这时就需要回转缸的转轴能承受比较大的转矩，转轴材料为q235。对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量地近，以减少偏重力矩。为减少转动惯量：1）可减少手臂运动件的轮廓尺寸2）减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在较小的前伸位置进行回转动作3）在驱动系统中设有缓冲装置。4）选择液压驱动时选择能调速度的换向阀。5）对于手臂或是回转的部分有些结构做成空心，减少回转运动的总重量。3.5 机身和机座的设计机身，又称为立柱，是支撑手臂的部件，并能辅助实现手臂的升降、回转或俯仰运动。它里面有摆动液压缸，通过摆动液压缸的转动带动键，通过键带动轴，进行转动。轴承支撑轴的旋转，它是机器人的基础部分，起支承作用。对固定机器人，直接连接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。本次设计的机械手上、下机身由螺栓连接，叶片带动回转缸的转轴，从而带动机身的回转运动。机座，起到支撑作用，它是固定机械手与地面之间的关键部分，用地脚螺钉连接在地面上，起到固定，支撑的作用。机构简图如3.6所示：1-弹性挡圈 2-地脚螺栓 3-立柱 4-机座 图3.6 机座示意图机器人机座可分为固定式和行走式两种，一般工业机器人的机座为固定式。固定式机器人的机身直接连接在地面基础上，也可以固定在机身上。此处要求机械手的工作范围比较小，故设计为固定式机器人，机身与机座用螺柱连接，机座用螺栓固定在地面基础上。机身设计要求：1）刚度和强度大，稳定性好2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死3）驱动方式适宜，结构布置合理。因为机身非常重要，机械手的各个部分是通过机身连接在一起的，机身决定了这些部分之间的相对精度。机座设计要求：1) 抗压强度高，不易发生形变，稳定性好2）机座与地相连部分的端面需精加工，保障其端面粗糙度。通过对机械手的结构设计，了解到机械手的总体结构由手指、手腕、伸缩手臂、俯仰手臂、机身、机座等几大部分组成。通过对他们的机构设计，机械手的大体形状已经初步形成。思路比较清晰。后续的图都根据机械手各个部分的结构进行画。3.6 本章小结 本章具体介绍机械手各个部分的结构设计方案以及各个部分的结构示意简图，手指张紧、手臂伸缩、手臂升降、手臂回转等部分之间的相互联系，他们之间组成机械手各个部件的相互作用以及工作原理。手臂伸缩和手臂俯仰机构内部的液压部分的工作原理，机身，机座的结构设计。将这些总装到一起就构成了一个机械手总体结构设计。第4章 机械手各部件载荷及结构尺寸计算4.1 设计要求分析本课题设计的曲轴搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂伸缩、俯仰、回转和手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。执行机构相应由手部抓取机构、手腕回转机构、手臂伸缩机构、手臂俯仰机构、手臂回转机构和各定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。它完成的动作循环为：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转手腕回转手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。4.2 手指夹紧机构的及尺寸设计 设计中采用四指v形结构，指面光滑，避免工件被夹持部位的表面受损。手指的驱动采用弹簧复位（单活塞杆）单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位。手指厚度根据需要夹持的工件设定，v形指合拢后的的尺寸为工件被夹持部位直径的外接正六边形，保证了机械手工作时的可靠性。4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部结构的主要依据。夹紧力必须克服工件重力所产生的载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧载荷fn计算： fng （4.1）式中： 安全系数，通常取1.22.0； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可估算： k2 = （4.2） 其中：重力加速度；运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算： （4.3） 运载工件时重力方向的最大上升速度，0.07。 系统达到最高速度的时间，一般取0.30.5。 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选 定。 0.91.1。 被抓取工件所受重力（n）。计算可得：n手指夹紧由单作用液压缸驱动实现，则手指夹紧缸的载荷为：600n分析液压缸 活塞杆受压时：图4.1 活塞杆受压示意图 （4.4） 活塞杆受拉时：图4.2 活塞杆受拉示意图 式中： 无杆活塞杆有效作用面积（）； 有杆活塞杆有效作用面积（mm2）； p1液压缸工作腔压力0.8mpa； p2背压力，液压缸回油腔压力，其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照下表4.1，此处选取背压0。 d油缸内径（）； d活塞杆直径（）。表4.1 执行元件背压力系统类型背压力/mpa简单系统或节流调速系统0.20.5回油路带调速阀系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计对单活塞杆缸，无杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率。手指夹紧采用的单作用活塞缸，由上面已知其载荷力大小。(1)液压缸内径及活塞杆外径的确定根据机构的工作情况，总机械载荷 f=fw+fm+fsf+ff+fb （4.5） 式中: fw按题目给定为600n； fm活塞上所受惯性力； fsf密封阻力； ff-导轨摩擦阻力； fb回油背压形成的阻力； fm 计算： fm = （4.6）式中： g液压缸所要移动的总重量，题目给定为3000n;(60kg+120kg+60kg)考虑到一些外在原因设计中总重量比工作中所需总重量多一些。所以选3000n g重力加速度，9.8m/s2 速度变化量，由题知， =0.07m/s； t启动或制动时间，一般为0.01s0.5s，因移动不重的重物，取t=0.01s将上式各值代入上式： fm=306.1n （4.7）fsf-的计算： fsf-=pf a1 （4.8） 式中：f 克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力（pa），如该液压缸选o形密封圈，设液压缸工作压力p16mpa，由相关设计手册查得pf 80时，导向套滑动面长度（0.61.0）。为了减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的2030倍。根据以上原则并联系实际工况取夹紧液压缸缸筒长度160。缸筒是液压缸中最重要的零件,它承受液体作用的压力,其臂厚需进行计算。活塞杆受轴向压缩负载时，为避免发生纵向弯曲，还要进行压杆稳定性验算。中、高压缸一般用无缝钢管作缸筒，大多数属薄壁微，即10时，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算壁厚，即： （4.11）式中：缸筒内最高工作压力；缸筒材料的许用应力，由下式