砖窑卸垛机器人本体的结构设计与优化毕业设计说明

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1、. . . . 砖窑卸垛机器人本体的结构设计与优化摘要：随着社会的发展需要，工业机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。本文首先简要介绍了工业机器人的概念，以与国外的发展状况。其次对砖窑的生产环境和工人工作环境做了简要的介绍，以与对卸垛机器人本体的组成和分类，本体的自由度和坐标形式，气压传动技术的特点，进行了概述。通过对对砖窑卸垛机器人本体进行总体方案设计，确定了本体的坐标形式和自由度，确定了本体的技术参数。同时，对本体结构上材料和部分零件进行了优化，设计出了机械本体上的手臂和手腕结构，计算了手臂和手腕伸缩，升降，转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩同时对本体使用

2、的气缸进行了计算并作出了选择。本次设计是在于很好地把处于科技前沿的技术成功应用于新兴的码垛和卸跺生产线，解放两百万的劳动人民，提高生产效率，可以达到利用新技术促进生产的目的。关键词：机器人本体；气压传动；结构设计；优化机械0701_何朝辉Abstract: With the social development needs, industrial robots have infiltrated our lives, work and economic aspects, and has played a significant role. This article first introduce

3、s the concept of industrial robots, as well as the development of domestic and foreign. Secondly, the production of brick kiln workers in the work environment and a brief introduction to the environment, as well as destocking composition and classification of the robot body, body, and coordinates in

4、 the form of freedom, the characteristics of air pressure drive technology, provides an overview. By pairs of the robot body kilns unshackling the overall design, to determine the coordinates of the body forms and degrees of freedom to determine the technical parameters of the body. Meanwhile, the s

5、tructure of materials and some body parts were optimized designed the mechanical arm and wrist on the body structure, calculation of the arm and wrist stretching, lifting, driving torque required for rotation and torque of rotary cylinder and the body Selection and calculation of the cylinder. This

6、design is very well put that in the technological forefront of the emerging technology successfully used in stamp production line stacking and unloading, the liberation of two million working people and improve the production efficiency can be achieved using new technology for production purposes. K

7、ey words: Robot body，pneumatic transmission，structural optimization目录第一章 综述1.1工业机器人概述.11.2 砖窑卸垛机器人本体的组成.31.2.1 卸垛机器人的分类.41.2.2液压传动卸垛机器人.41.2.3气压传动卸垛机器人.41.3国外发展状况.41.4 课题的提出与主要目的.6第二章 卸垛机器人本体结构的设计方案2.1 课题的主要任务.82.2卸垛机器人本体的用途与技术参数和设计方案.82.2.1本体的用途.82.2.2设计技术参数.82.2.3坐标型式与自由度.92.3 驱动系统的选择和设计.92.3.1选取液

8、压传动作为传动系统时候腕部和臂伸缩机构设计计算.92.3.2 气压传动的优点和缺点.152.3.3 最终选择气压传动系统情况下的手腕手臂结构设计与计算.162.4卸垛机器人的底座设计.212.4.1电机的选择.222.4.2减速器的选择.23第三章 手臂和手腕中气缸的尺寸设计与校核3.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核.24 3.1.1手臂伸缩气缸的尺寸设计.243.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核.243.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核.253.4 手腕回转缸的尺寸设计与校核.27第四章 砖窑卸垛机器人本体优化4.1 材料的优化选取.294.1.1 钢的分类.294.2 螺柱的设计和校核优化

9、.334.2.1 计算当量应力.334.2.2 计算剪切强度.344.2.3 计算弯曲强度.344.3 影响平衡性和定位精度的因素.344.4 导向装置.354.5 平衡装置.36总结.37致.38参考文献.39- 39 - / 43第一章 综述1.1工业机器人概述（工业机器人图片）工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控

10、制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以与非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“

11、工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以与轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以

12、它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。卸码垛机器人其实是卸垛机器人和码垛机器人的总称。如今，很多生产企业在包装的后期都会用到机器人来代替人工与自动化程度较低的设备，不仅可以节省人力成本，还可以更快速地将产品按照预定的形式进行高效地操作。在包装的卸垛和码垛环节也是如此。一些大型的饮料、乳品和食品生产企业都应用了高技术含量的卸垛与码垛设备。目前，中国已经有一些包装供应商可以提供高质量的卸垛与码垛设备，其质量甚至可以和国外先进的技术相媲美。 机器特点机身的主要移动部件(除臂部外)是由碳酸纤维铸成、重量轻、扭力大、韧性强，具有较高的机械性能和较强的抗震动能力。 底座采用CRP工艺制造，制

13、造过程中用CAD和FEM优化其设计，确保了最大的底座持重能力和最低的底座重量。 驱动系统采用机电一体化设计，所有轴都是由数字化交流伺服电机驱动，交流伺服驱动系统有过载、过流、缺相、超差等各种保护，性能安全可靠。 机器人的各部件结构精简、容易拆装。特殊的几何构造使机器只占用极少的空间就能发挥极大的工作能力、能够充分利用工作场地空间。 先进的设计令机器人能够高速、精确、稳定的运行，并易于维护。机器人运动的轨迹十分精确、重复定位精度小于0.35mm。1.2.砖窑卸垛机器人本体的组成砖窑卸垛机器人本体主要由执行机构、驱动系统、控制系统以与位置检测装置等所组成。(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等

14、部件，还增设行走机构。1、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)2、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置. 卸垛机器人的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。3、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。卸垛机器人的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。4、行走机构当卸垛机器人本体需要完成较远距离的操

15、作，或扩大使用围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现卸垛机器人的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。5、机座机座是砖窑卸垛机器人本体的基础部分，机器人执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动卸垛机器人执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。目前工业机器人的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定

16、的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度与时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.2.1卸垛机器人的分类工业机器人的各部件结构精简、容易拆装。特殊的几何构造使机器只占用极少的空间就能发挥极大的工作能力、能够充分利用工作场地空间。工业卸垛机器人的种类很多，关于分类的问题，目前在国尚无统一的分类标准，在此暂按使用围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按驱动方式分1.2.2液压传动卸垛机器人是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方来驱动执行机构运动的卸垛机器人。1.2.3

17、气压传动卸垛机器人是以气体压力来实现驱动执行机构运动的卸垛机器人。1.3国外发展状况（1）国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性

18、和可维修性。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模与决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是

19、这种系统成功应用的最著名实例。机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。（2）国发展现状：我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技

20、术与其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是

21、水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 课题的提出与主要目的我国从1958年开始研究发展蒸压灰砂砖,1960年从愿东德引进十六孔转盘式压砖机在建成蒸压

22、灰砂砖生产线,后来研制了八孔转盘式压砖机,大大促进了蒸压灰砂砖的发展,使之成为有砂、石灰资源而又缺乏黏土资源地区的主要墙体材料。 蒸压灰砂砖是以砂和石灰为主要原料,允许掺入颜料和外加剂,经坯料制备、压制成型、经高压蒸气养护而成的普通灰砂砖.蒸压灰砂砖(以下简称灰砂砖)是一种技术成熟、性能优良又节能的新型建筑材料,它适用于多层混合结构建筑的承重墙体。（砖厂图片）（工人工作场地）由于砖厂的工作条件是高温，灰尘大，工作负荷重，它的污染问题严重，烧砖的时候排放出一些有害气体如二氧化硫等等，烧砖时有一股刺鼻的味道很难闻，还有乌烟滚滚.，它的污染给工作人员带来许多身体健康的危害甚至威胁到了生命。据不完全统

23、计，每年工作在热砖装卸工作第一线的劳动人民达到200万。进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，砖窑卸垛机器人这个设计很好地把处于科技前沿的技术成功应用于新兴的码垛和卸跺生产线，解放两百万的劳动人民，提高生产效率，可以达到利用新技术促进生产的目的。第二章 卸垛机器人本体结构的设计方案2.1课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)选取卸垛机器人的坐标标型式和自由度(2)设计出卸垛机器人的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。(3)传动系统的设计可以选取气动

24、或者液压传动，2.2卸垛机器人本体的用途与技术参数和设计方案2.2.1 本体的用途本体主要用于配合整个身体的运动将手抓送到目标点，当手抓完成抓取以后再把手抓收回来，这样以达到设计者目的。2.2.2设计技术参数1、自由度数4个自由度2、座标型式圆柱座标3、最大工作半径1000mm4、手臂最大中心高5、手臂运动参数伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转围回转速度6、手腕运动参数回转围 回转速度7、驱动方式气压传动2.2.3坐标型式与自由度按机器人的不同运动形式与其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于卸垛机器人在上下料时手臂具有升降、收缩与回转运动，因此，采用圆柱座

25、标型式。相应的卸垛机器人具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。（如图2-2所示）2.3驱动系统的选择和设计因为砖厂的工作条件是高温，灰尘大，工作负荷重，它的污染问题严重，烧砖的时候排放出一些有害气体如二氧化硫等等，所以我们在选取驱动的时候必须得考虑到这些因素首先对液压传动分析：2.3.1选取液压传动作为传动系统时候腕部和臂伸缩机构设计设计计算（液压缸元件）1.腕部结构设计与计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部

26、结构。要求：伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。1、计算扭矩M1设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=FS （2.9）=109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F F S图2.3 腕部受力简图2、油缸（伸缩）与其配件的估算扭矩M24F=5kg S=10cm带入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3、摆动缸的摩擦力矩M摩4F摩=300（N）（估算值）S=20mm （估算值）M摩=F摩S=6（NM）4、摆动缸的总摩擦力矩MM=M1

27、+M2+M摩 （2.10）=30.5（NM） 5.由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （2.11）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸径, 这里取A1=10cm；mm转轴直径, 这里取mm=3cm。所以代入（2.11）公式P=8T/b（A1-mm）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因为W=8Q/（A1-mm）b所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s2.臂伸缩机构设计手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是

28、把手部送达空间运动围的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机器人抓取的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。手臂的伸缩速度为400m/s行程L=1200mm（1）、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Q=vs. =10040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =24000ml/s（2）、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得： P=F/S （2.12）式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。所以代入公式（2

29、.12）得： P=（F+ F摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa（3）绘制机构工作参数表如图2.4所示：图2.4机构工作参数表（4）由初步计算选液压泵所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=100ml/s选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之间，可以满足需要。（5）、验算腕部摆动缸：T=PD（A1-mm）m106/8 （2.13）W=8v/（A1-mm）b （2.14）式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式（2.13）得：T=0.890.0

30、3（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）TM=30.5（NM）代入公式（2.14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW/40.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力P=2Mpa 流量Q=120ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.25Mpa 流量Q=24000ml/s3.液压传动的优缺点以与工作原理4.液压传动的优点（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定围平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速

31、；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高；（7）容易实现过载保护。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门与堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置等等；船舶用的甲板

32、起重机械、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。5.液压传动的缺点（1） 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性与正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。6.液压传动

33、的基本原理液压传动的基本原理是在密闭的容器，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 液压传动是利用帕斯卡原理，帕斯卡原理是大概就是：在密闭环境中，向液体施加一个力，这个液体会向各个方向传递这个力，力的大小不变。 液压传动就是利用这个物理性质，向一个物体施加一个力，利用帕斯卡原理使这个力变大，从而起到举起重物的效果。液压传动在阀门行业也得到很大的应用，如阀门的机床制造加工设备、阀门液压试验设备、阀门的液压传动装置等。2.3.2气压传动的优点和缺点 1.气压传动的优点(1)介质提取和处理

34、方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质与补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器与其工艺流程不致突然中断。因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万

35、分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器与液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动与控制性能。(6)成本低廉。成本低，过载能自动保护。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对

36、于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。2.气压传动的缺点（1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。（2）因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于1040kN。（3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。（4）气动装置中的气信号传递速度在声速以比电子与光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。综合上面气压传动和液压传动的分析和比较，根据砖厂的生

37、产环境，和在制造过程中的成本上考虑，液压传动的成本较高，而且在使用过程中的维护很困难，危险性高，而气压传动的原件便宜，并且对环境没有危害，因为砖窑卸垛机器人的传动选用气压传动。2.3.3最终选择气压传动系统情况下的手腕手臂结构设计与计算（气压缸元件）1.手腕结构方案设计考虑到卸垛机器人的使用情况，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，卸垛机器人的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即

38、为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。3.手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径大部分卸垛机器人设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该卸垛机器人手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1000mm。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该卸垛机器人的定位精度为。4.手腕结构设计考虑到被抓取的砖块是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。5.手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的

39、作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使卸垛机器人适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与卸垛机器人加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于卸垛机器人抓取的工件是水平放置，同时考虑到用于抓取砖，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。6.手腕的驱动力矩的计算7.手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径

40、、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以与由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().,; - 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();（1）手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量

41、;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),- 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的

42、支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).（4）转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。8.回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:, 或2.4卸垛机器人的底座设计

43、设计中的卸垛机器人模型如图：机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减

44、速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。根据砖窑生产的环境和条件，一般卸垛机器人的工作负荷很大，工作时间长，移动的可能性不大，并且在转动的过程中受到的扭转力很大，因此我们应该选择将整个本体的底部固定在工作的地方，采取用螺丝和地面连接。这样固定可以保证工作时产生的扭矩力不让本体位置移动，可以更准确的抓取砖块。2.4.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。1、带动臂部升降的电机：10初选上升速度 V=100mm/s P=6KW所以n=（100/6）60=10

45、00转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.1 Y90S-4电动机技术数据所示：型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2图4.1 Y90S-4电动机技术数据2、带动机身回转的电机：10初选转速 W=60/s n=1/6转/秒=10转/分由于齿轮 i=3减速器 i=30所以n=10330=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机

46、采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.2 Y90S-6电动机技术数据所示：图4.2 Y90L-6电动机技术2.4.2减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增转矩，以满足工作需要。6初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011 （4.1）传动比I=30传动惯量0.26510kgm第三章 手臂和手腕中气缸的尺寸设计与校核3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校

47、核3.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选径为100/63，关于此气缸的资料参照气动元件厂公司一 .尺寸校核1.在校核尺寸时，只需校核气缸径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力： 测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。3.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核一. 尺寸设计气缸运行长度设计为=118mm,气缸径为

48、=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力二. 尺寸校核1测定手腕质量为80kg,则重力设计加速度，则惯性力考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。3.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核一. 尺寸设计气缸长度设计为,气缸径为,半径R=105mm,轴径半径,气缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强, 则力矩： 二 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,总驱动力矩 设计尺寸满足使用要求

49、。2.5.133.4手腕回转缸的尺寸与其校核一.尺寸设计气缸长度设计为,气缸径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩二尺寸校核1测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量。假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为:2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 +3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于

50、滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，3第四章 砖窑卸垛机器人本体优化4.1材料的优化选取材料的选取首先应该满足使用需求其次在考虑成本和重量，因为卸垛机器人的工作环境是高温，灰尘大，工作负荷重，烧砖的时候排放出一些有害气体如二氧化硫等等二氧化硫还有腐蚀性，因此在选材上面我们首先得考虑到这些条件，对于手臂和腕部会经常运动会产生摩擦，对材料的损耗很大，我们最好的选用钢材作为经常运动部件的材料。4.1.1钢

51、的分类 钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种： 1、按品质分类 (1) 普通钢（P0.045%，S0.050%） (2) 优质钢（P、S均0.035%） (3) 高级优质钢（P0.035%，S0.030%） 2.、按化学成份分类 (1) 碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。 (2) 合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）；b.中合金钢（合金元素总含量510%）；c.高合金钢（合金元

52、素总含量10%）。 3、按成形方法分类：(1) 锻钢；(2) 铸钢；(3) 热轧钢；(4) 冷拉钢。 4、按金相组织分类 (1) 退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。 (2) 正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。 钢材(3) 无相变或部分发生相变的 5、按用途分类 (1) 建筑与工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。 (2) 结构钢 a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)

53、冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。 b.弹簧钢c.轴承钢(3) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 (4) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。 (5) 专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。 6、综合分类 (1)普通钢 a.碳素结构钢：(a) Q195；(b) Q215(A、B)；(c) Q235(A、B、C)；(d) Q255(A、B)；(e) Q275。 b.低合金结构钢 c.特定用途的普通结构钢 钢材(2)优质钢（包括高级优质钢） a.结构

54、钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。 b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。 c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。 7、按冶炼方法分类 (1) 按炉种分 a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。 b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或 (a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。 c. 电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。 (2)按脱氧程度和浇注制度分 a.沸腾钢（F）；b.半镇静钢(b)；c.镇静钢(Z)；d.特殊镇静钢(TZ)。特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。而在一些化学介质（如酸类等