多工位冲床专用机械手机械设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 第 一章 .二章 体设计 .三章 时具体问题 .四章 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 .五章 .论 . 谢 .考文献 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 绪 论 题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机 械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 一个重要组成部分。把冲床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好 地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 计目的 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的冲床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实 施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 目前，在国内很多工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率 ,降低成本 ,并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，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 本机械手实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸 载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A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。 B工业机器人控制系统向基于 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。 C 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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教 编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 多工位冲床机械手能模拟人手，用在冲床中某些固定程序起到抓取、搬运物件的作用，这样在提高了加工效率的同时还保障了冲床加工的安全性。 工业机器人 由机械手 （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 可进行人形 操作、自动控制、 多次 编程、在三维空间完成各种作业的 机电 自动化生产买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 设备。特别适合多品种、容积可变的柔性生产。 其结构稳定，并能 提高产品质量，提高生产效率， 在 改善劳动条件和产品的快速更新换代 方面 起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、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。机器人技术的应用，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人不是在简单意义上代替手工劳动，而是综合了人类的知识和机械电子专业机械设备的 化身，既有人们对环境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，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 机械手是模仿人手的一部分动作，根据给定的程序，跟踪和用于自动捕获，自动机械装置的操纵或操作要求。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高产量和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤特别是高温、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，取代的人的正常工作更是 显著。 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 示。 图 械手的组成方框图 (一 )执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指 (或手爪 ) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手控制系统 驱动系统 被抓取工件 执行机构 位置检测装置 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单 ，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。 吸附式手部主 要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电吸磁力 )吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 2、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 )。 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。工业机械手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。 手臂可能实现的运动如下 : 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 尾槽等导向型手臂运动 基本运动 复合运动 直线运动与回转运动的组合 (即螺旋运动 ) 两直线运动的组合 (即平面运动 ) 回转运动 :如水平回转、左右摆动运动 直线运动 :如伸缩、升降、横移运动 两回转运动的组合 (即空间曲面运动 )。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 式。 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，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因 工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分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。 6、机座 机座是机械手的基础部分，机械手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 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制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、电 力传动和机械传动等四中形式。 （三）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手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、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置 反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 3。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第二章 机械手的总体设计 械手总体结构的设计 图 械手的四种表现形式 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器 人有可能达到很高的位置精度（但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间 是一个圆柱状的空间。 3. 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 4. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 械手总体结构的具体设计 方案 图 械手工作布局 具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量 3时考虑到冲压机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考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。该机械手在工作中需要 3 种运动 ,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动 ,另一个为手臂的回转运动 ,综合考虑，机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择直角坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是 :结构比较简单 ,手臂运动范围大 ,且有较高的定位准确度。 械手腰座结构的设计 工业机器 人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： 保证机器人在工作时整体安装的稳定性。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度 与刚度的保证。 包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 械手腰座设计的具体采用方案 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭 矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 10），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。 械手手臂的结构设计 机械手手臂的设计要求 机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 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。 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 械手手臂设计的具体采用方案 机械的稳定手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。考虑到机械手的动态性能及运动性、安全性，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。 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，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 械手腕部的结构设计 机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间 运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的， 3 个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 水平液压缸支承板手臂手爪联结梁执行手爪图 腕结构 械手的手部结构方案设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。 谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用 来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达 98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传 动（可达 40m/s）、传动比可达 10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采 用精密套筒滚子链来传动。 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。 计具体采用方案 具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿 轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 10），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。 器人各类驱动系统的特点 工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。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。 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。 业机器人驱动系统的选择原则 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： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 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。 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。 机器人液压驱动 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 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。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。 这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面： （ 1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。 （ 2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。 （ 3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械结构。 （ 4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。 具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电 电 液伺服阀，电 以上各类阀买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 件与液压动力机构可组成电 电 压回转伺服执行器（ 各种电 据结构设计的需要，电 液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。 在机器人的驱动系统中，常用的电 液伺服液压缸和电 可以用电 压回转执行器是一种由伺服电机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安 放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电 可安装在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。 机器人气动驱动系统 气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小 型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。 气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构； 3自由度；负荷在 200度 300s；重复定位精度为 +/5制装置目前多数选用可编程控制器（ 在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。 由总 压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。 由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 气动阀的种类很多，在工业机器人的气 动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。 多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。 为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降 低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。 气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达 s，如果气缸以 1m/磁气阀以较大关闭时间 70么气缸活塞两个停点的距离约为 70个停 点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多 6。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。 气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于 20机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限 位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。 机器人电动驱动系统 这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在 100驱动原理方块图如下所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组 永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。 速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度，国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转变压器每转可达 40个脉冲，这种直接驱动的电机（ 快速高精度定位的装配机器人中已经得到应 用。 机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号 计具体采用方案 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。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直 手臂，故大小臂均采用液压驱动 缓冲的字面意思是减缓冲击力。除了真正的冲击力外，缓冲还有抽象的意义。凡是使某种事物的变化过程减慢或减弱进行都可以叫缓冲。比如让化学反应不那么剧烈的物质就叫 缓冲剂 。缓冲的程度不同，可用减缓的百分数来表达。 本设计机械手设计中的缓冲均采用液压缓冲器进行缓冲。 液压缓冲器就是一种从外部控制的能量吸收 装置。借液压阻尼作用对在作惯性滑行的 车皮进行缓冲减速至停止。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 第三章 设计时具体问题 第四章 手臂运动的尺寸设计与 校核 臂伸缩气缸的尺寸设计 手臂伸缩气缸采用烟台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 寸系列初选内径为 100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件 。 图 缸局部示意图 寸校核 需校核气缸内径 1D =63径 R=足使用要求即可 ,设计使用压强 , 则驱动力： 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 )(6N 测定手腕质量为 50计加速度 )/(10 ，则惯性力 1 )(5001050N 定摩擦系数 2.0k , )( 总受力 10)(600100500N 0所以标准 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 衡装置 通常，机械手所采用的平衡机构主要有以下几种： 这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。 弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。 活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都 增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。 在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。 臂升降气缸的尺寸设计与校核 寸设计 气缸运行长度设计为 l =30缸内径为 1D =110径 R=55缸运行速度，加速度时间 t =强 p=驱动力 20 . 26 )(3799 N 寸校核 1测定手腕质量为 80重力 )(8001080N 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 1， 设计加速度 )/(5 ，则惯性力 1 )(400580N 3. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 1.0k ， )( 总受力 1)(124040400800N 0所以设计尺寸符合实际使用要求 。 寸设计 气缸运行长度设计为 l =150缸内径为 1D =110径 R=55缸运行速度，加速度时间 t =强 p=驱动力 20 . 26 )(3799 N 寸校核 1测定手腕质量为 80重力 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 )(8001080N 2， 设计加速度 )/(5 ，则惯性力 1 )(400580N 定一摩擦系数 1.0k ， )( 总受力 1)(124040400800N 0所以设计尺寸符合实际使用要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 第五章 理论分析和设计计算 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 压缸和液压马达的特点及适用场合