汽车工业用装装卸机械手结构设计【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 毕 业 设 计 题 目： 汽车工业用装装卸机械手结构设计 院 、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 年 月 日 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 学号： 学 院： 专业： 任务起止时间： 毕业设计（论文）题目： 汽车工业用装装卸机械手结构设计 毕业设计工作 内容： 1、 完成选题，下达毕业设计任务书 （第 1） 2、 查阅、收集、资料，了解曲轴搬运机械手及其发展的现状，完成开题报告（第 3） 3、 基本设计出发动机曲轴搬运机械手的主要功能的总体框架，对整个系统的实现过程有初步、系统地认识，总体思路基本明确 （第 5） 4、 完成系统设计，撰写毕业设计论文，完成图纸绘制 （第 9） 5、 上交所有毕业设计材料，做答辩准备 （第 1） 资料： 孟庆鑫 M尔滨工业大学出版社， 导教师意见： 签名： 年 月 日 系主任意见： 签名： 年 月 日 教务处制表 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 毕业设计（论文） 开 题 报 告 学生姓名 学 号 专 业 班 级 指导教师 *年 * 月 * 日 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 课题题目及 来源： 题目：汽车工业用装装卸机械手结构设计 来源：“机械结构设计”企业合作项目（指导教师制定题目） 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究意义 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机 器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 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，搬运工作由人工完成，不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题，严重影响了生产质量、生产效率和单位的经济效益。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，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。 国内研究现状 我国目前已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 多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 上获得规模应用，弧焊机器人以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术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距，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。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，品种规模多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量可靠性也不稳定。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 。 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 国外研究现状 国外 在机器人领域发展较快，近几年有如下几个趋势 : (1)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 2001 年的 美元降至 2007 年的 65万美元。 (2)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。 (3)工业机器人控制系统向基于 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、易操作性和可维修性。 (4)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及决策控制 ;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)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。 (6)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”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)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。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术及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。 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 其中最为突出的是水下机器人， 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。 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 课题研究的主要内容和方法，预期目标及研究过程中 研究步骤、方法及措施 ： 研究内容 研究内容： 根据给定的工况条件和基本要求，从机械原理和机械结构对搬运机械手进行具体的分析和设计。 对机械手的传动、驱动等主要部件进行选型和校核，并结合原理图等对整个系统的工作方法和原理进行描述。应该机械手有两个自由度，均为移动自由度，综合机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求，手臂运动均为直线运动，液压部分采用采用单活塞杆液压缸来实现直线往复运动。 设计大纲 第一引言 机械手的概念；机械手的简史；机械手的组成；机械手的生产应用简述 第二机械手的设计 机械手的总体设计；机械手的手部设计；机械手的手臂设计；机械手的驱动系统设计 第三液压系统设计与计算 确定液压系统基本方案；拟 定液压执行元件运动控制回路；液压源系统的设计；绘制液压系统图；确定液压系统的主要参数；选择液压元件；液压系统性能的验算 第四机械手控制系统的设计 机械手控制系统硬件设计；机械手的作业流程；机械手操作面板布置；控制器的选型；控制系统原理分析； 部接线设计 第五总结与展望，最后结束。 解决的问题 机 械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓 住 工件 或工具 的部件，根据被抓 住工件 的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式 。 机械手配件运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被 抓持物件的位置和姿势 。 本文应解决该曲轴搬运机械手的结构部件，液压部分以及电路控制部件设计。 预期目标 对汽车曲轴的生产常常需要将上料、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。 设计中 采用液压机构驱动机械手具有结 具有 结构简单 ，尺寸紧凑 ， 重量轻 ， 控制方便，驱动力大等特点。 设计中 拟用的 气控制与液压系统结合，技术成熟，易于实现，且保证了工件搬运过程中的快、准、稳，达到了预期设计目标。 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 研究步骤、方法及措施 第一阶段：准备阶段：了解工业机器人的现状和发展，查阅课题相关的国内外文献，拟订设计思路 。 第二阶段：设计阶段：确定总体设计方案，根据课题给定的工况条件和基本要求进行设计计算，确定主要参数，对所得数据结果进行分析、处理，对机械手系统的传动、驱动等主要部件进行选型和校核。 第三阶段：制图阶段：整理各类资料和数据，利用 图，分别做出系统的总装图及各部件的装配图和零件图。 第四阶段：总结阶段：撰写设计说明书，检查图纸，准备答辩。 课题研究所需的参考文献： 1孙桓，陈作模，葛文杰机械原理北京：高等教育出版社， 2006 2濮良贵，纪名刚机械设计北京：高等教育出版社， 2006 3徐福玲，陈尧明液压与气压传动北京：机械工业出版社， 2007 4刘鸿文材料力学北京：高等教育出版社， 2004 5张世昌，李旦，高航机械制造技术基础北京：高等教育出版社， 2007 6毛平淮互换性与测试技术北京：机械工业出版社， 2006 7杜志俊工业机器人的应用与发展趋势北京：机械工业出版社， 2002 8朱世强，王宣银机器人技术及其应用杭州：浙江大学出版社， 2006 9原魁工业机器人发展现状与趋势中国科学院自动化研究所， 2007 10萩原方彦（日）机 械实用手册科学出版社， 2007 年第 2 版 11周恩涛，周士昌液压驱动机械手的神经网络控制中国机械工程第 12 卷第 4 期， 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 2001 4 12张新聚，曹慧琴，杨雪程控通用机器人的设计液压与气动 2007 年第 2 期， 2007 13陈爱珍日本工业机器人的发展历史及现状机械工程师 2008 年第 7 期， 2008 14工业机器人发展现状浅谈自动化博览 2007 年 4 月刊， 2007 4 15赵臣，王刚我国工业机器人产业发展的现状调研报告机器人技术与应用， 16 . . 9 17 D. A 导教师审查意见： 指导教师签字 ： 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 购买设计文档后加 费领取图纸 I 汽车工业用装装卸机械手结构设计 摘 要 本设计 如今，随着工业技术几十年的发展，机械手在工业生产中得到了广泛的应用，它可以代替工人来进行各种循环单调，危险，以及高疲劳强度的工作，从而提高生产效率和质量，降低了生产作业中的安全隐患。 机 械手主要由手 部和运动机构组成。手部是用来抓 住 工件 或工具 的部件，根据被抓 住工件 的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式 。 机械手配件运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 本文介绍了过对曲轴搬运机械手的结构设计，详细讨论了机械手的手抓、手臂、机身等主要部件的设计与选择，并给出了所需要的参数和计算。 最后通过本次设计，将大学所学的知识进行了巩固和应用，提高了动手和动脑的能力。 关键词 机械手；液压驱动；液压缸； 购买设计文档后加 费领取图纸 is in a of it so as to to of is of is to or to of is a of of or to of of of of we of of 购买设计文档后加 费领取图纸 i 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 械手的概念 . 1 械手的简史 . 1 械手的组成 . 2 行机构 . 2 动机构 . 2 制机构 . 2 械手的生产应用简述 . 2 第 2 章 机械手的设计 . 4 械手的总体设计 . 4 械手的总体结构类型 . 4 械手的总体设计 . 5 械手的手部设计 . 5 部概述 . 5 部的设计方案 . 6 械手的手臂设计 . 7 臂概述 . 7 臂的设计 . 8 械手的驱动系 统设计 . 9 动系统概述 . 9 动系统的选择原则 . 9 器人液压驱动系统 . 10 动系统的设计方案 . 10 第 3 章 液压系统设计与计算 . 11 定液压系统基本方案 . 11 定液压执行元件运动控制回路 . 12 压源系统的设计 . 12 制液压系统图 . 12 定液压系统的主要参数 . 13 择液压元件 . 17 压系统性能的验算 . 18 第 4 章 机械手控制系统的设计 . 19 购买设计文档后加 费领取图纸 械手控制系统硬件设计 . 19 械手的作业流程 . 19 械手操作面板布置 . 20 制器的选型 . 20 制系统原理分析 . 21 部接线设计 . 22 结论 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 购买设计文档后加 费领取图纸 1 第 1章 绪论 械手的概念 机械手是指用于再现人手功能的技术装置。机械手是模仿着 人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、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工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成 各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。 尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 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，适用范围比较广的“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。 械手的简史 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。 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 万能自动 )。同年该公司和普鲁曼公司 购买设计文档后加 费领取图纸 2 合并成立万能自动公司（ ,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 械手，原意是灵活搬运。 1978 年美国 司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种工业机械手 ，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。 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。 械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 行机构 执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、 开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手 臂、动力源和各种执行机构的机架。本设计采用二指的构造，直线液压缸。 动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 制机构 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 械手 的生产应用简述 购买设计文档后加 费领取图纸 3 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。工业机械手是为实现这些工序而产生的。目前机械手常用于工业中快速抓取工件并将工件转移到下一个生产工序。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为设计对象。 购买设计文档后加 费领取图纸 4 第 2章 机械手的设计 械手的总体设计 械手的总体结构类型 工业机械手有很多种分类方法，目前还没有统一的分类标准，比如可以按机械手的结构坐标系提点分类，或者按机械手的驱动方式分类，也可以按机械手的用途分类。在这里我们按工业机器人的结构坐标系特点来进行分类。 工业机械手按结构坐标系特点可以分为直角坐标型，圆柱坐标型，球坐标型，关节型四种。如图 示。 图 业机械手按结构坐标分类 1 直角坐标型 直角坐标型也称为笛卡尔坐标型或台架型。这种 机器人有三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在 X,Y,Z 轴上的运动式独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此进行计算机操作控制简单；他可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；他的进度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。 2 圆柱坐标型 圆柱坐标机器人有两个滑动关节有两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置，在附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大且计算简单；直 线部分可以采用液压驱动，可以输出较大的动力。 3 球坐标型 球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕 购买设计文档后加 费领取图纸 5 中心轴旋转，在中心支架附近的工作范围很大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。 4 关节型 关节型机器人的关节全部可以旋转，类似于人的手臂，他是工业机器人中最常见的结构，工作范围较复杂。 械手的总体设计 图 械手工作布局图 在本设计中， 因为设计要求搬运的工件的质量要求为 20搬运直线距离为 1000虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中只需要做直线运动 ,其中手臂的升降和梁的平移为两个直线运动 ,机械手自由度数目取为 2，坐标形式选择直角坐标形式，即 X 轴 Y 轴两个移动自由度，其特点是 :结构比较简单 ,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图 示。 械手的手部设计 部概述 工业机器人的手部称为末端操作器，是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具进行操作的部件，他能够模仿人手的动作，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂的前端。工业机器人发展到现在，应用范围越来越广泛，被操作的工件的形状、尺寸、重量、材料以及表面状态各不相同，所以工业 购买设计文档后加 费领取图纸 6 机器人末端操作器是多种多样的，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有以下几种： 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。 部的设计方案 由于本设计所搬运的是发动机曲轴，所以选用夹钳式取料手。 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，在装配流水线上用的较为广泛。它一般由手指（手抓）、驱动机构、连接与支撑元件组成，工作机理类似于常用的手钳。 指的设计方案 手指是夹钳式取料手直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件是通过手指的张开与闭合实现的。机器人的手部一般有两个手指，个别有三个或多个手指，它们的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。指端的形状有 V 型指，平面指、尖指等。 由于本设计被夹持的工件形状为圆柱体，所以选用 V 型指，其特点是加持平稳可靠，加持误差小。如图 示。 动机构设计 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现加紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点，分为回转型和移动型。 本设计采用回转型传动结构，如图 示。驱动杆与连杆由销连接，当驱动杆做直线往复运动时，则通过两岸推动两杆手指各绕其支点做回转运动，从而使手指松开或闭合。该机构的活动环节较多，所以定位精度会差一些。 购买设计文档后加 费领取图纸 7 图 械手手指 图 械手传动结构 械手的手臂设计 臂概述 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送到指定的位置上，因而一般机器人手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右 购买设计文档后加 费领取图纸 8 回转和升降运动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现的，所以，它不仅仅承受被抓工件的重量，而且承受末端执行器和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度都直接影响机器人的工作性能。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； ；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选 用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠 、便于调整的轴承间隙调整机构。 对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 臂的设计 机械手的垂直手臂（小臂）升降和水平手臂（大臂）的伸缩运动都为直线运动。 直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达 20中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。 购买设计文档后加 费领取图纸 9 因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因 此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。 同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，尽量增加其刚度。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。 械手的驱动系统设计 动系统概述 工业机器人的驱动系统，按动力源可以分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可以将这三种基 本类型组合成一个复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。 由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。 具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中 采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。 动系统的选择原则 设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上 购买设计文档后加 费领取图纸 10 述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下： 括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。 求具有 点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。 器人液压驱动系统 液压系统自 1962 年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。 液压系统在机器人中所起的作用是通过电 号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。 动系统的设计方案 具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手的手臂驱动系统全部采用液压缸；而手爪通过液压柱塞缸活塞与中间驱动杆配 合来实现控制，即手爪在柱塞缸推力作用下推动驱动杆，通过端部销连接到手指进行松开和夹紧。 购买设计文档后加 费领取图纸 11 第 3章 液压系统设计与计算 定液压系统基本方案 液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表 3 表 3压缸与液压马达的特点与适用场合 名 称 特 点 适 用 场 合 双活塞杆液压缸 双向对称 双向工作的往复场合 单活塞杆液压缸 有效工作面积大、 双向不对称 往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进 柱塞缸 结构简单 单 向工作，靠重力或其它外力返回 摆动缸 单叶片式小于 360 双叶片式小于 180 小于 360 的摆动； 小于 180 的摆动 齿轮马达 结构简单、价格便宜 高转速、低转矩的回转运动 叶片马达 体积小、转动惯量小 高速低转矩、动作灵敏的回转运动 摆线齿轮马达 体积小、输出转局大 低速、小功率大转矩的回转运动 轴向柱塞马达 运动平稳、转矩大、转速范围宽 大转矩的回转运动 径向柱塞马达 转速低，结构复杂，输出转矩大 低速大转矩回转运动 本设计因为机械手的形式为直角坐标形式，具有两个自由度，均为移动自由度。同 时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求，以及计算机的控制的因素，手臂运动均为直线运动。因此，机械手的手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。 购买设计文档后加 费领取图纸 12 定液压执行元件运动控制回路 液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。 方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流 量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。 本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。 压源系统的设计 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。 油 液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。 本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀 确定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。 制液压系统图 本机械手的液压系统图如图 示， 它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸 缩缸 /的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。 其中，液压泵是由三相交流异步电动机 M 拖动；系统压力由溢流阀 1得失电决定了动力源的投入与摘除。 考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当 5电时，工作液体经由节流阀 入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当 6电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪的迅速松开。 另外，由于机械手垂直升降液压缸在工作时其下降方向与负荷重力作用 购买设计文档后加 费领取图纸 13 方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同 时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用 成的平衡回路向升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。 执行手爪柱塞缸垂直升降缸水平伸缩缸感应式位移传感器电液伺服阀图 械手的液压系统原理图 定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为 （ 3 式中 ， 为水平方向无外载荷，故为 0； 购买设计文档后加 费领取图纸 14 （ 1）（ 3 式中， G 为 100 g 2/81.9 v t 般为 取 各值带入上式，得：（ 2）1（ 3 式中，