液压传动机械手的设计（全套CAD图纸+说明书论文）
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0 45 K5清华科技 007 - 0214 06/18 275 第 12卷 ,第 3号 ,2007年 6月 最优运动设计的一个二自由度平面并联机械手 * 吴军，李铁民，刘辛军，王立平 制造工程研究所，精密仪器和机械学系，清华大学，北京 100084,中国 摘要：封闭了优化设计的运动学 2 自由度平面并联机械手的解决方案。基于工作空间提出了优化设计。与此同时，一个全球性的，全面介绍了空调指数评估运动设计。最好的并联机械手是纳入一个五自由度混合机工具包括一个二自由度旋转机头和一个长移动工作台。结果表明，平 面并联机械手的基础试机工具可以成功地用于机叶片和导叶的水力涡轮机。 关键词 :平面并联机械手 ;全球调节指数 ;混合机工具 介绍 并行机制能够非常快速和准确的运动，具有较高的平均刚度，且特征是在他们的工作空间，具有较低的惯性 ,可以操纵重载荷比串行、同行。因此 ,并行机制在为平台的计算机数控加工的同时也被众多研究者全面研究和制造。高夫斯图尔特的该是最受欢迎的平行运动机配置，当并联运动机床首次开发。并应用在机器人技术社区易感性的范围，从高速操纵 【 1】 来力扭矩传感 【 2】 。但是高夫斯图尔特平台对制造业的应用程序也有一 些缺点，比如它的相对小的有用的工作区 , 复杂的直接运动学和设计困难。 并联机构少于 6自由度是相对容易的设计及其运动学可以用封闭的形式描述。因此，并行机械手少于 6自由度，特别是 2或 3自由度 ,已经越来越引起关注 【 3。而在 2个或 3个平移自由度扮演重要角色的行业里，平行机械手能够适用于并联机器 【 6】 挑选和地方应用 【 7】 和其他领域。大多数现有的 2自由度平面平行机械手是著名的五杆机构，用的是棱镜执行机构或外卷的致动器 【 8、 9】 。这机械手输出是平移运动的一种点和末端效应器取向不能保持不变。 运动学设计方法的一个关 键部分是平行机制运动的设计理论。优化设计可以基于不同评估标准，括刚度 【 10】 、敏捷、或一个全球调节指数 【 11、 12】 。因此 ,没有一个是被广泛接受的设计方法。黄等、艾尔 【 13】 ，提出了一种混合的方法基于调节指数。而 J【 14】 给了一个全球刚度索引类似全球调节指数。 本文描述了一个平面并联机械手的分析。机械手的两个平移自由度不同，从传统的五杆机构在一个平行四边形结构用在每个链的运动学进行了分析，得到一个最佳的运动设计。尽量减少全局 ,全面调节指数，结果给最优链路长。 一个五自由度混合机工具的开发是由一个 串并联结构和并联机械手结合 1自由度平移工作台和一个二自由度旋转铣头。为制造企业混合机工具使用平面并联机械手一直用磨叶片和导叶的水力涡轮表明混合机工具是合适的。 1、结构描述 二自由度并联机械手的图 1 所示。这个机制是由一个龙门框架 ,一个移动的平台 ,两个主动滑块 ,两个运动链。每个链建设作为一个平行四边形。按照设计 ,机械手是在约束一个平行四边形链接和另一个单一的链接的足够移动平台 ,拥有 2 平移自由度。两个平行四边形链被用来增加刚度 ,使结构对称。 收到 :2006订 :2006国家 自然科学基金资助的中国 (第 50305016 号 )和国家高科技研究和振 (863)计划的中国 (004 005 *电子邮件 :话 :86 图 1运动学模型 运用 P1 2(见图 1)被添加到机制来提高负载能力和加速度的致动器。独立驱动的滑块由两个伺服电机在列上沿着导轨滑动安装在列 ,因此移动平台由纯粹的平移运动在一个平面组成。 2、 运动学和奇 异性 因为运动的两个链接的每个运动链是相同的平行四边形结构 ,链模型可以简化为一个链接 i( i= 1, 2)见图 1。 基坐标系 个移动的坐标系统 Oy 是固定在移动平台。 r r 2 位置矢量的起源 O与关于这个坐标系 定义为 r O= x y T (1) 位置矢量 位置在 O - x y是 r r 0 T (2) r r 0 T (3) 然后这个位置向量 基坐标系 O- 以表示为 270 清华大学科学与技术 ,2007年 6月 ,12(3):269 - 275 = r (4) 各关节的位置矢量 置在 r (5) r (6) 因此 ,约束方程关联第 i 运动链可以写成 li i=1, 2b (7) 在 l,n 表示长度和链接的单位向量 ,分别。 以 2 规范双方的 (7)给了 y l =y (8) y 2 =y (9) 为配置图 1 所示 ,逆运动学正解 y l =y+ (10) y 2 =y+ (11) 从方程式。 (10)和 (11),该解决方案直接运动学的机械手可以表示为 (12) 在 a=, b=, c=, f =Rr+b+c, x= ay+b+c (13) 为配置见图 1,“” (12)应该只 有“ -”。 方程 (7)-(13)表明 ,直接和逆运动学的机械手可以描述在封闭形式。 以衍生品的 (10)和 (11)关于时间给了 胡军 (吴军 )et 优运动设计的一个二自由度平面 271 (14) (15) 方程 (14)和 (15)可以重新排列在矩阵形式 (16) 在 (17) 因为奇异性导致损失的可控制性和退化的自然刚度的操纵者 ,他们必须避免在任务的工作区。 奇点可以分为直接运动学奇异点 ,逆运动学奇异性 ,结合奇异性 15,可以区分机械手的雅可比行列式。当其中一个链接是水平的 ,机械手逆运动学的经 验奇点。 直接运动学奇异点时发生的一个链接链和一个链接的其他链是共线。因为l1+2 2显示了一个例子 ,每个类型的奇点。在实际应用中 ,通过限制避免了奇异性任务的工作区。 图 2 奇异的配置 3、工作空间分析 工作区为二自由度平面的并联机械手是一个区域的平面所取得的工作空间参考点 O的移动平台。 方程 (10)和 (11)可以重写为 ()2+(= (18) (x+(= (19) 因此 ,可达工作空间的参考点 O是交叉点的子工作区关联两个运动链见图 3。 图 3 机械手工作空间 任务工作空间是一个 部分的可达工作空间。在实际应用中 ,这个任务的工作区通常定义为一个矩形区域的可达工作空间。 让最大限度的角度和 ,链接 i = 1,2)和垂直轴 ,用 yi,yi, O到达点 1达到下限和的值最大 ,即 yi=yi, 样 , 当 O到达点 y2, 一个垂直的线通过 2。 4的正上方 (见图 3)。 该地区 2 4 然后构成任务的工作区 ,作为一个矩形的宽度 h,注明 4、最优运动设计 这个小节的目标是确定机械手参数所需的工作区。优化设计的范围可以表达为 :给定 r、 b, 和霍夫重量 ,确定 R,总长度为的滑块。 从方程式 (10),(11)和 (17),机械手的性能与 R 或 际上 ,因为较小的值 r 导致较小的机械手。通常 ,r 取决于轴 ,轴承 ,和工具维度在他移动平台。因此 , 当移动平台到达下限 ,见图 4,以下参数关系可 以被获得 （ 20） （ 21） 其中 d 的距离左列到左极限任务的工作区。 在实际应用中 ,该等于 善系统性能和刚度。因此 （ 22） 272 清华大学科学与技术 ,2007 年 6 月 ,12(3):269 - 275 图 4机械手的优化设计 因此 , 对于 l1=1到 动距离的滑块在导轨应 (24) 当移动平台从点 3传播沿 滑动距离的滑块 (25) 因此 ,总旅程的滑块 (26) 因为优化设计基于任务的工作区不考虑灵巧和刚度的机械手 ,链接长度不是最优。最优长度的链 球 ,综合指数 条件数的雅可比行列式作为当地的性能指标评估速度、精度和刚度映射特征变量之间的联合和移动平台。这个条件数 被定义为 (27) 在 和 是最大和最小奇异值的导数与给定的姿势有关。和 可以由求解特征方程 WU et of a 2 - . 273 (28) I 代表一个单位矩阵的订单 2。这里研究了并联机械手 , (29) 在和 因为 一个总体的能指标作为绩效测量的最优运动设计 , （ 30） 注意 ,本身不能充 分描述总体的整体运动学性能由于其无法描述之间的差异的 最大值与最小值。黄 et 。提出了一种全局 ,综合条件指数为目标函数在运动设计。目标函数可以表示为 （ 31） 在和 )和 )代表最大值与最小值的 K 在任务工作空间和 表重量放在的比率到。 和可以计算的数值 （ 32） 在 的价值评估在节点 (m,n)(m1) (n1)同样网状的 5、 应用程序 一个二自由度平面并联机械手结合工作台有一个平移自由度在 z 轴和一个铣头和两个旋转自由度约 与双轴铣头 ,该工具可以获得任何想要的取向在任务工作空间 ,它的高灵活性可以自由移动的工作台沿 使机床制造长的工件。 任务的工作区 b = 1600 毫米宽度和 h = 1000毫米高。 机械手也有 80, 10,r = 75 毫米。奇点理论分析表明 ,并联机械手的奇异性不能发生任务工作空间。 最优设计基于任务的工作区结果在 R = 后通过计算最小化目标函数其他设计参数。图 5表明 ,有最小值 1 = 2060 毫米为 于 (26),它可以被获得为 米。 图 5 为不同链接最小化长度 条件数的雅可比行列式的并联机械手在机床是图 6 所示。条件数的分布是对称的 好的运动性能是通过平衡和 之间的矛盾。 机床是由清华大学在中国轧机一系列叶片和导叶的水力透平发电机组并应用在哈尔滨电机有限公司。原型图 7所示。 274 清华大学科学与技术 ,2007年 6月 ,12(3):269 - 275 图 6 条件数的雅可比行列式的 床 图 7 合 机工具 型机床 后成功的应用在对各种加工任务 ,哈尔滨电机有限公司需要一个混合机工具机非常大的叶片和导叶的水力涡轮机发电机组。 当时另一个重型机床 (基于二自由度并联机械手。新的类似于第一个机在结构与一个更大的 工作区和一些其他的包括修改两个额外的盖表固定的列和一个辅助盘固定在顶部的铣头。双方的盖表联系辅助托盘覆盖着薄铜板。辅助盘接触两个盖板和幻灯片之间的铣头动作。因此 ,覆盖表限制变形的铣头和提高机床刚度正常的平面 机械手运动。四个括号也添加到新机床提高刚度。 两个额外的非旋转铣头被设计来取代二自由度铣头 ,安装在侧面或底部的移动平台。这种重型机床是那么一个三自由度的机器可以机纵向或横向。 务的工作区在新的并联机械手别被设计为一个长方形宽度 b = 3000 毫米和高度 h = 1800 毫米与 , 。这个机械手不能达到奇异 最优设计基于任务的工作区结果在 R = 米有最小值 3550毫米 ,当 可以从 (26)。主要设计参数表 1中列出。 表 1的结果 参数 数值 3550 3550 r 550 4010.7 的分布为优化设计显示在图 8。分布表明 ,条件数也是对称所以 x 轴和运动性能是最优的 。 图 8条件数的雅可比行列式的 机床的 是由清华大学正在很快的建造与机床的动力学和控制 胡军 (吴军 )et 优运动设计的一个二自由度平面 275 的测试。 图 9 6 、结论 运动学设计的一个二自由度平面并联机械手已被调查。调查显示如下。 (1) 两列之间的距离通常是通过优化设计基于工作区。 (2) 一个全球性的 ,综合性能指标 ,包括均值和条件数的范围的雅可比行列式在任务工作空间 ,可以用来有效地优化运动设计。 (3) 平面并联机械手建立机床被成功用于机叶片和导叶的水力涡轮机。另一个重型机床基于并联机械手被建立更大的加工任务。 参考文献 1 , , . 模糊滑模控制的快速并行机器人。在 :器人与自动化国际会议上 ,1995:1178 - 1183。 2 , , , . 静态和动态行为的高刚度 台力 /力矩传感器。机器人系统杂志 ,1995,12(12):883 - 893。 3 吴 J,李 T M,唐 棒轨迹跟踪控制的一个平面并联机构。 j &工艺。 ),2005年 ,45(5):642 - 646。 (在中国 ) 4 , . 平行 x - y 机制与驱动冗余应用为高速和活跃的刚度。在 :器人与自动化国际会议上。鲁汶。比利时 ,1998:2295 - 2300。 5 刘 X J,王 王 J s. 运动学、动力学和空间合成二自由度平动机械手的一本小说。 智能和机器人系统杂志 ,2004 年 ,41(4):205 - 224 6 小王 J S,唐 析和空间设计的一种新型的混合机工具。国际期刊的机床和制造 ,2003年 ,43(7):647 - 655 7 黄 T,李 Z X,李 M, G, 志机械设计 ,2004,126(3):449 - 455。 8 高 F, 刘 X J,A 制和机理论 ,1998,33(6):661 - 668。 9 990,8(4):355 - 362。 10 , :第 11 届世界大会在机制和机科学。北京 :中国机械出版社 ,2004:1633 - 1637。 11 M. 优化设计的机器人机械手使用灵巧指 数。机器人和自治系统 ,1992,9(4):213 - 226。 12 M, . 一个全球性能指数的运动优化机器人机械手。 志机械设计 ,1991,113(3):220 - 226。 13黄 T, 李 M, 李 Z X, G, J. 最优运动设计的二自由度并联机构工作空间边界的形状规整与指定条件指数。 器人和自动化 ,2004,20(3):538 - 543。 14 刘 X J、金 Z L,高 f 自由度球面并联机制对于调节和刚度指标。机制和机理论 ,2000,35(9):1257 - 1267。 15 M, . 奇异性分析的闭环运动链。 器人和自动化 ,1990,6(3):281 - 290。 。 0076/18 2, , 007 of a 2U 吴 军), 李铁民), 刘辛军), 王立平) 00084, to of a 22on a to is a 5a 2a be to a of by in as to . to be in in be in , , or ,9. is of a on is of of be on 0, or a 1,12. et 13a on a 14a 20062006by 50305016) 863) 2004005To be 86 007, 12(3): 26970 to of a in a is in to an by a A 5a a a 1a 2to of a to is is 1. is of a a is as a As is to to 1 P P (1) to to of by on to on a 2in a 2 of of to be as a ( 1, 2i = ) as 1. is to y 2 A is on of 2r is R is of to is y=r (1) of 1=r (2) 2=r (3) of in be as = + (4) of 1r (5) 2y=r (6) be as rr n, 1, 2i = (7) of of q. (7) )2211yy l + (8) ()2222 + (9) 1, of )2211yy l + (10) 吴 军) et of a 2 271()2222 + (11) (10) 11), of be 22221112(2 2 ) 4( 1)( )2( 1)af y f a l y +=+(12) 2,2( )2221,4( )2212,4( ),f + x ay b c=+ (13) as 1, ” q. (12) be ”. 7)-(13) of be in q. (10) q. (11) to )1221=+ (14) ()2222=+ (15) 14) 15) be in 2y xy y = J (16) is )()22122211+=+J (17) to a of of of be in be as 5, be by of is an of a a of 22+ , in of of In by 2 is a of by of of 10) 11) be )22211()x rR yy l += (18) ( )222()x rR yy l+ + = (19) of of as 3. 3 he is a of In is as a in 007, 12(3): 26972 of , ( 1, 2i = ) be by of O Q B is 1, . O Q 2, = . A Q of at Q . 3Q is Q (3). 234up as a of b h , by 4 on he of is to a of be r, b, h of R 1,l 2l , of (10), (11), 17), is r to r r be as as of r to r on on r be by as 4, be = (20) (21) d is to of In 1l l to )+=(22) 4 of 2+ (23) 2, Q Q x of in 222211r lR r=+(24) Q Q y of (25) of 2,+ (26) on of of in he of is as is 11= (27) of a U 吴 军) et of a 2 2731 be by )2 = (28) a of . 22 22222 2222()84st st st + + + +=+ + + +(29) x =x =. a is as in (30) a of to to . et 7a as in be 2()=+ (31) ) ) = ) ) in . be 11=, ) (32) is at , )mn 1)M (1)N 5 2a a OF in z a x z to a 5 in z to of is as a b =1600 mm in h = 1000 mm in D, =5r = in of on by . a l =2060 mm . q. (26), it be 345.2 5 he of of in is 6. of is x is by . 6 of he in o, to a of 007, 12(3): 26974 7. 7 o to on is to in a on an on of of is as of to of to to to on or of is a 3or as a b =3000 mm in h = 1800 mm in D, D. in on a l =3550 mm . , be q. (26). . of 3550 550 50 010.7 he is 8. is to x is 8 of 9 is s to be 9 U 吴 军) et of a 2 2756 he of a 2is as (1) is by on (2) A of of in be to (3) to a on is 1 , , . of a 1995: 11782 , , , . of a 1995, 12(12): 8833 , M, Q. of a J. & , 2005, 45(5): 642(4 , . 1998: 22955 J, M, S. of a 2004, 41(4): 2056 S, Q. of a 2003, 43(7): 6477 , X, , G, M. of a 2004, 126(3): 4498 , J, A. of 1998, 33(6): 6619 McC 毕业设计（论文）任务书 院 系（教研室） 系（教研室）主任 : （签名） 年 月 日 学生姓名 : 学号 : 专业 : 1 设计（论文）题目及专题： 液压传动机械手的 设计 2 学生设计（论文）时间： 自 3 月 5 日开始至 5 月 30 日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料： 1. 手腕回转角 度 115，手臂伸长量 150臂回转角度 115， 手臂升降行程 170臂横向运动行程 100 4 设计（论文）完成的主要内容： 1. 传动系统简图 2. 液压控制系统设计和计算； 3 总体装配图的设计； 4 控制原理图的设计 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： 1. 传动系统图；单片机控制系统原理图 ， 液压控制系统图，总体装配图 ； 6 发题时间： 20年 1 月 8 日 指导教师： （签名） 学 生： （签名） 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 压传动机械手的设计 机械设计制造及其自动化 指导老师： 摘 要 本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、 制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；在 制回路中，采用的型为 按下连续启动后， 指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。 本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。 关键词 机械手、液压、控制回路、 买后包含有 纸和论文 ,咨询 he of of of to In of of LC in of to a of to of of on up in 买后包含有 纸和论文 ,咨询 录 1 前言 业机器人简介 1） 界机器人的发展 1） 国工业机器人的发展 2） 要设计的机械手 2） 力的确定 2） 作范围的确定 2） 定运动速度 3） 臂的配置形式 3） 置检测装置的选择 4） 动与控制方式的选择 4） 2 手部结构 5） 述 5） 计时应考虑的几个问题 5） 动力的计算 5） 支点回转式钳爪的定位误差的分析 8） 3 腕部的 结构 9） 述 9） 部的结构形式 9） 腕驱动力矩的计算 10） 4 臂部的结构 13） 述 13） 臂直线运动机构 13） 臂伸缩运动 14） 导向装置 14） 臂的升降运动 15） 臂回转运动 16） 臂的横向移动 16） 部运动驱动力计算 17） 水平伸缩运动驱动力的计算 17） 垂直升降运动驱动力的计算 18） 部回转运动驱动力矩的计算 18） 5 液压系统的设计 20） 压系统简介 20） 压系统的组成 20） 械手液压系统的控制回路 20） 压力控制回路 20） 速度控制回路 21） 向控制回路 21） 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 械手的液压传动系统 21） 料机械手的动作顺序 22） 动上料机械手液压系统原理介绍 22） 械手液压系统的简单计算 24） 作用单杆活塞油缸 25） 杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 27） 叶片回转油缸 29） 泵的选择 30） 定油泵电动机功率 N 31） 6 制回路的设计 32） 磁铁动作顺序 32） 场器件与 部等效继电器地址编号的对照表 33） 现场器件的实际连接图 34） 形图 35） 令程序 36） 7 结束语 41） 8 参考文献 42） 9 致 谢 43） 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 前言 业机器人简介 几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（ 犹太传说中的泥土巨人等等，这些 美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。 到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。 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 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 界机器人的发展 国外机器人领域发展近几年有如下几个 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 91 年的 10 3 万美元降至 97 年的 6 5 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。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 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 。 国工业机器人的发展 有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设 带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 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，弧焊机器人已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，我国已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。其中最为突出的是水下机器人， 6000 米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。 要设计的机械手 力的确定 目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为 大为 8000N。本液压机械手的臂力为 N 臂 =1650（ N），安全系数 K 一般可在 ，本机械手取安全系数 K=2。定位精度为 1 作范围的确定 机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹 分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。购买后包含有 纸和论文 ,咨询 机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角 度 115 手臂伸长量 150臂回转角度 115 手臂升降行程 170臂水平运动行程 100 确定运动速度 机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取 决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。 机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间； 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、 定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。 液压上料机械手的各运动速度如下： 手腕回转速度 V 腕回 = 40/s 手臂伸缩速度 V 臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度 V 臂回 = 40/s 手臂升降速度 V 臂 升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度 V 柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度 V 夹 = 50 mm/s 臂的配置形式 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形 式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。 动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的， 要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。 控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 参考工业机器人表 9表 9照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的 制。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 手部结构 述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并 安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式 等，这里采用滑槽杠杆式。 计时应考虑的几个问题 应具有足 够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状， 选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 V形面的手指，以便自动定心。 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 动力的计算 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 图 1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 其力的方向垂直于滑槽中心线 指向O 点 ， 延长线交 A 及 B， 由于 为直角三角形 ， 故 。 根据销轴的力平衡条件，即 ,2; P=21=P/2轴对手指的作用力为 手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡条件，即 )=0 得 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 1h= h=a/所以 P=2b( N/a 式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力 P 一定时， 角增大则握力 N 也随之增加，但 角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 =3040。这里取角 =30度。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表2知， V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 N=合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的 惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即： P 实际 = 式中 手部的机械效率，一般取 安全系数，一般取 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， 近似按下式估计， +a/g，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度， g 为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米 /秒，移动加速度为 1000 毫米/秒 2 ，工件重量 G 为 98 牛顿， V 型钳口的夹角为 120,=30时，拉紧油缸的驱动力 P 和 P 实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（ N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b( N/a 得 P=P 计算 =2*45/27(2 *49=) P 实际 =P 计算 取 = +1000/9810买后包含有 纸和论文 ,咨询 P 实际 =38(N) 支点回转式钳爪的定位误差的分析 图 2 带浮动钳口的钳爪 钳口与钳爪的连接点 E 为铰链联结 ,如图示几何关系 ,若设钳爪对称中心 O 到工件中心 O的距离为x,则 x= 22 )s 当工件直径变化时 ,x 的变化量即为定位误差 ,设工件半径 R 由 化到 ,其最大定位误差为 = 22 )s x /( - 22 )s ( 其中 l=45b=5a=272 =120 ,50入公式计算得 最大定位误差 = =符合要求 . 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 腕部的结构 述 腕部是连接手部与臂部的部 件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： 结构紧凑，重量尽量轻。 转动灵活，密封性要好。 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。 部的结构形式 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115. 如下图所示为腕部的结构，定片与 后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 3 机械手的腕部结构 腕驱动力矩的计算 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、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重 合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M 驱 =M 惯 +M 偏 +M 摩 （ 式中 M 驱 驱动手腕转动的驱动力矩 M 惯 惯性力矩 （ M 偏 参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （ M 摩 手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （ 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 4 腕部 回转力矩计算图 摩擦阻力矩 M 摩 M 摩 =2f（ 2 （ 式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取 f=动轴承取 f= 轴承支承反力 （ N） ； 轴承直径 （ m） 由设计知 00N 00N 8N e=M 摩 = 200*00*（ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 =G1 e （ 式中 工件重量（ N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合购买后包含有 纸和论文 ,咨询 ， M 偏 为零 当 e=8N 时 M 偏 = Nm） 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 当知道手腕回转角速度 时，可用下式计算 M 惯 M 惯 =（ J+J 工件 ）t（ Nm） 式中 手腕回转角速度 （ 1/s） T手 腕启动过程中所用时间（ s），（假定启动过程中近为加速运动） J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（ kg J 工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量 （ kg 按已知计算得 J=J 工件 = =t=2 故 M 惯 = Nm） 当知道启动过程所转过的角度 时，也可以用下面的公式计算 M 惯： M 惯 =（ J+J 工件 ）22 （ Nm） 式中 启动过程所转过的角度（ ; 手腕回转角速度 （ 1/s）。 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 M = M 惯 +M 偏 +M 摩 ） （ M = = 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 臂部的结构 述 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运 动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅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。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静 力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。 臂直线运动机构 机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞 缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 臂伸缩运动 这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸 1 的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆 2（即手臂）作往复直线运动。导向杆 3 在导向套 4 内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸 6 及手部 7 的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受 弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 5 双导向杆手臂的伸缩结构 导向装置 液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上 应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。 双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。 如图 5 所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图 示，在导向杆 1 的尾端用支承架 4 将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承 2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板 3 的支承面上滚动。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 6 双导向杆手臂结构 臂的升降运动 如图 6 所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠 4 做上下运动，活塞缸体 2 固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒 3 做升降运动。其导向作用靠立柱的平键 9 实现。图中 6为位置检测装置。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 7 手臂升降和回转机构图 臂回转运动 实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回
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