毕业论文-搬运机器人结构设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 前言 1.1 工业机器人简介 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（Taloas)，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的人 形操作，可自动控制，可被重新编程，在三维空间完成各种任务的机电一体化自动化生 产设备。特别适合于多品种，多样化的柔性生产。其稳定性对提高产品质量，提高生产 效率，改善劳动条件和产品的升级换代迅速，起着非常重要的作用。 机器人并不是简单意义上代替人工的劳动，但人的专业知识和拟人化机特种机电设 备，既有人对环境状态的快速反应和分析能力，但机器的结合可以是一个漫长连续操作， 精确度高，抗恶劣环境，在一定意义上，它也是机器进化的产物，它是工业和非工业行 业的重要生产和服务设备，是先进制造技术不可缺少的自动化设备。 1.2 世界上工业机器人的发展 国外的工业机器人发展近期有如下几个趋势： （1）. 工业机器人的参数不断提高（高速、高精、高可靠性、便于操作和维修） ，而 单机价格不断下降，平均单机价格已经从 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，可重构化开发。例如关节模块中的伺服电机，减速机， 检测系统三位一体；关节模块，连杆模块重组机器人机； （3） 工业机器人控制系统的一个开放的基于 PC 的控制器方向，促进规范化，网络 化，设备集成度提高，控制柜变得日趋小型化和模块化结构，大大提高了系统的可靠性， 易用性和可维护性。 （4） 机器人中的传感器作用越来越重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感 器，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人使用睡眠视觉，声 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 音触觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，在产品配置技术已经 成熟应用的多传感器融合系统。 （5） 虚拟现实技术中的作用在机器人仿真，预演用于过程控制的发展，如遥控机 器人操作者产生的感觉来操纵机器人远程操作环境的暴露。 （6） 现代远程机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，但正在致力于运营商 和机器人的交互控制，即远程和本地自治系统构成一个完整的监控远程操作系统，智能 机器人出来的实验室成实用阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人成功应用这样一 个系统是最有名的例子。 (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。 1.3 我国的工业机器人发展概述 有些人认为，机器人只是为了节省劳动力，而中国有丰富的劳动力资源，开发机器 人不一定符合中国国情。这是一种误解。在中国，社会主义制度的优越性决定了机器人 可以充分发挥自己的优势。它不仅能带来高度的中国的经济建设生产力和巨大的经济利 益，同时也为我国空间开发，海洋开发和利用核能源等新兴领域的发展作出了突出贡献。 在国家的支持下，中国的工业机器人从在 80 年代的“计划”的科学和技术开始，通过 的“七月”，“八月”科学和技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，在控制 系统的硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产的一些关键部件的机器人开 发一幅画，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人；其中有超过 20 家企业的 130 余台套喷漆 机器人在近 30 自动喷漆生产线（站）到大规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的 焊装线。但是，总体而言，中国的工业机器人技术和其工程应用的水平和国外比有一定 的距离，如：可靠性低于国外产品;机器人应用工程启动晚，窄应用，技术和生产线系统 在国外比有差距;在应用规模，中国已经安装了约 200 国内工业机器人，在世界各地安装 的单位，数量的万分之四。最主要的原因是没有形成机器人产业之上，目前的机器人生 产都是根据用户的请求，“一个客户，一个重新的设计”，不同规格，数量小，低度零部 件通用化，交货周期长，成本不低，但质量，可靠性不稳定。是一个迫切需要解决的关 键技术产业化初期，产品的一个全面的计划，提高系列化，通用化，模具设计，并积极 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人成果处于世界领先水平，还开发出直接遥 控机器人手臂的协调控制机器人，爬壁机器人，机器人和其他飞机管;在机器人视觉，触 觉，触觉，良好的睡眠和其他基础设施的开发和应用技术等方面开展了很多工作，有一 定的发展基础。但是，在多传感器信息融合控制技术，远程和本地自治系统遥控机器人， 智能装配机器人，机器人机械等方面的开发和应用还刚刚起步，与国外先进水平有很大 差距，你需要原来的得分一个集中的系统研究的基础上，以形成一个实用的系统配套技 术和产品，要想在“十五”后期跻身于世界先进行列的立场。 1.4 本文设计的机械手 1.4.1 臂力的确定 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 0.15N， 最大为 8000N。本机械手的臂力为 N 臂=1650（N） ，安全系数 K 一般可在 1.53，本机械手取安 全系数 K=2。定位精度为 1mm。 1.4.2 工作范围的确定 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。本机械手的动作范围确定如下： 手腕回转角度 115 手臂伸长量 150mm 手臂回转角度 115 手臂升降行程 170mm 手臂水平运动行程 100mm 1.4.3 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。搬运机器人要完成整个搬运过程，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： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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： 手腕的旋转速度 V 腕回 = 40 /s 手臂的伸展速度 V 臂伸 = 50 mm/s 手臂的旋转速度 V 臂回 = 40 /s 手臂的升降速度 V 臂升 = 50 mm/s 立柱的移动速度 V 柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的速度 V 夹 = 50 mm/s 1.4.4 手臂的配置形式 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，机座底部安装履带行 走机构，以满足搬运需要，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。 1.4.5 驱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 9-6 和表 9-7，按照设计要求，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 PLC 控制。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章第二章 手部结构手部结构 2.1 概述 机械手是直接用于抓取和夹住工件或夹紧零件的特殊工具， 它具有模仿人手的功能， 安装在机器人手臂的前端。机器人结构类型确实不像人，这是不象一个人的手指的手指 的形状，它确实没有手掌，所以在结构和类型的手根据其使用场合和夹紧的工件的形状， 大小的移动，重量，材料和其他部件被抓取和手的结构设计，颚式，气吸式，电磁式和 其他类型可分为不同的类型。钳爪形手结构由手指和力机构。功率传输更多的机构形式， 如溜槽杆，棒杆，楔形杆，齿条和小齿轮，弹簧杆等，其中使用滑槽杆。 2.2 设计时应考虑的几个问题 应具有足够的握力（锁紧力） 在设计手部结构时，除了考虑工件重量，也要可以考虑转动或在操作过程中的惯性 力和振动，以保证工件不会产生松动或脱落。 手指应该有一定的开闭角度 两个手指打开和关闭的角度的两个极限位置被称为夹紧手指的开合角度。手指开合 角度，确保工件能顺利进入或脱开。如果夹紧不同直径的工件，工件的最大直径应予以 考虑。 应确保定位准确的工件 手指和工件保持精确的相对位置必须爬形状的工件，选择手指的形状。例如，使用 与“V”形的脸手指自定心的圆柱形工件。 应具有足够的强度和刚度 除了工件保持由手指的反应，而且还由机器人在运动过程中的惯性力和振动是需要 有足够的强度和刚度，以防止断裂或弯曲变形，但其结构应进行简单，紧凑，重量轻。 应考虑被抓取的对象的要求 工件的形状应该抓住，抓住不同部位的数量，抓取到手指的形状设计，并确定。 2.3 驱动力的计算 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1. 手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图 1 滑槽杠杆式手部受力分析 图中显示手槽的结构。在杠杆 3 的力的作用下销轴 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 1 P、2P， 其力的方向垂直于滑槽中心线 1 OO 和 2 OO并指向O点， 1 P和 2 P的延长线交 12 OO于A及B，由于 1 OOA和 2 O OA均为直角 三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 12 0,0 xy FPPF 1 2cosPP 1 /2cosPP 销轴对手指的作用力为 1 P。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 01 0mF得 1 P hN b 因 / c o sha 所以 2 2 ( c o s)/PbNa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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。 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 2-1 可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式0.5NG，综合前面驱动 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： 12/ PPK K 实际 式中 手部的机械效率，一般取 0.850.95； 1 K安全系数，一般取 1.22 2 K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， 2 K可近似按下式估计， 2 1/Ka 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 0 . 5NG 把已知条件代入得当量夹紧力为 49NN 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 2 2 ( c o s)/PbNa 计算 2 2 45/27(cos30 )49122.5PN PP 实际 计算 12/ K K 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 取0.85， 1 1.5K ， 2 1 1000/98101.1K 则122.5 1.5 1.1/0.85238PN 实际 2.4 两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 22 (/sin)xlRba 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 max R变化到 min R时，其 最大定位误差为 = 22 ( max/sin)lRba 22 )sinmin/(abRl 其中 minmax 45,5,27,2120 ,15,30lmm bmm ammRmm Rmm 代入公式计算得 最大定位误差 =44.2-44.7=0.50.8 故符合要求. 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第三章第三章 腕部的结构腕部的结构 3.1 概述 从支承部的手部，手的手腕和臂连接。设计手腕应注意以下几点： 结构紧凑，重量越轻越好。 转动灵活，密封性要好。 也要注重解决手的手腕，手臂连接，位置检测，管道布局和润滑，维修，调整等 问题。 必须要能适应工作得环境需要。 3.2 腕部的结构形式 该机器人采用旋转气缸驱动，实现旋转运动手腕，结构紧凑，体积小，但密封不良， 回转角度为 115 . 下图显示了在手腕上的结构，包含有固定板和盖，旋转滚筒和前盖螺丝。当旋转滚 筒的两个腔室被引入压力油，驱动器动片与夹紧缸体，是指座椅一起旋转，即手腕的旋 转运动。 图 3 机械手的腕部结构 3.3 手腕驱动力矩的计算 驾驶手腕克服转动惯量的的手腕旋转轴的支承孔的摩擦力矩，可动片的孔，固定片， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 盖等摩擦转矩和启动时产生的驱动扭矩的转动手腕的密封装置，由于重力的中心的旋转 轴线不重合产生的转矩由强调。在手腕下列公式计算所需的驱动转矩计算： M驱动力=M惯性力+M偏重力+M摩擦力（N m） 式中 M驱动力用来驱动手腕转动的力矩 M惯性力惯性力矩（N m） M偏重力参与转动的所有零件的总质量（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（N m） M摩手腕转动轴与固定处的摩擦力矩（N m） 图 4 腕部回转力矩计算图 摩擦阻力矩M摩擦力 M摩擦力 = 1122 () 2 f N DN D （N m） 式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取0.02f ，滑动轴承取0.1f ； 1 N、 2 N 轴承支承反力 （N） ； 1 D、 2 D 轴承直径（m） 由设计知 12121 0.035 ,0.054 ,800 ,200 ,98 ,0.020Dm Dm NN NN GN e时 M摩0.1 (200 0.035 800 0.054)/2 得 M摩2.5N m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏= 1 Ge（N m） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 式中 1 G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时，M偏为零 当0.02e ， 1 98GN时 1 . 9 6MNm 偏 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()JJ t 工件 式中 手腕回转角速度 （/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 J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量 按已知计算得2.5J ，6.25J 工件 ， 2 0.3/m m，2t 故 M惯1.3N m 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） 2 2 式中 启动过程所转过的角度 手腕回转角速度。 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 1 . 11 . 2 ()MMMM 惯偏摩 1 . 2( 2 . 51 . 9 61 . 3)6 . 9MN m 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章第四章 臂部的结构臂部的结构 4.1 概述 机械臂的主要执行单位，其作用是支持的手臂和手腕，将被转移到工件抓取特定的 位置和方向，这是一般的机器人手臂的自由，即伸缩臂有三个度，调头上下运动。回转 和起重臂的运动是通过立柱。列是在臂的横向移动的横向移动。各种动作的臂由驱动机 构通常是各种传动机构来实现的，因此，它不仅承担被抓取工件的重量，下的手，手腕 和臂的自身重量。臂结构，范围工作，灵活性和伟大的渔获小（即，手臂） ，并因此直接 影响定位精度机器人的工作性能，所以你必须爬的机器人的重量，运动形式，自由度， 移动速度下和定位精度的要求来设计的臂的结构类型。在同一时间，在设计中必须考虑 的力臂，气缸和导向装置连接的内部管道和手腕的表格和其他因素的影响。因此设计臂 部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为了防止臂在运动过程中的过度变形的臂的横截面形状是一个合 理的选择。蝴蝶结形横截面的弯曲刚度一般大于圆形横截面的中空管的弯曲刚度和扭转 刚度远大于实心轴。因此通常使用的臂和钢导杆，与梁和支撑板。 导向性要好 为了防止在一条直线上移动，沿该轴的运动的相对运动的臂，或 设置的导向装置，一个正方形或设计，比如样条臂的形式。 偏重力矩要小 侧重于所谓的转矩装置支承的旋转轴，其产生的静态转矩臂的 重量。要增加机器人的速度，以尽量减少臂移动部分的重量，以减少在旋转臂的转动惯 量的转矩和强调。 运动要平稳、定位精度要高 手臂运动的速度越高，重量越大，定位之前，运 动不平滑的影响更大的惯性力引起的，定位精度不高。故应尽量减少运动部件的重量的 小臂上，结构紧凑，重量轻，并采取措施的缓冲区。 4.2 手臂直线运动机构 伸缩机械臂，升降和横向运动属于直线运动，实现臂往复直线运动的体制形式是较 常用的活塞油（气）缸，活塞缸机架和齿轮传动机构，丝杠螺母机构和活塞缸和联动。 4.2.1 手臂伸缩运动 在这里实现所述活塞的直线往复运动是由液压缸驱动的。由于活塞缸的体积小，重 量轻，因此，机器人臂机构申请。如图所示为两个导杆的伸缩臂结构。手臂和手腕的板 安装在提升缸的上端，当两个腔室的压力油引入的双作用缸 1，然后推入杆 2（即臂）作 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 往复直线运动。导杆导套 4 内移动时，为了防止旋转的伸缩臂（和满足的手腕和手旋转 滚筒 6 7 夹紧缸与石油管道） 。由于伸缩臂油缸安装在两个导杆导杆弯曲，拉伸和压缩杆 之间的效果，所以受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓材料，行 程较长。 图 5 双导向杆手臂的伸缩结构 4.2.2 导向装置 液压驱动的伸缩机械臂携带（或向下）移动，以防止臂绕轴转动，以确保手指的正 确方向，并从一个大的弯矩作用在活塞杆，为了提高刚性的臂，臂的结构的设计中，必 须采用适当的导向。而应最大限度地减少的重量和旋转中心的臂的移动部件的结构设计 和布局，它被安装在臂的形式，具体的结构重量和其他因素来确定抓取的转动惯量。导 向装置，目前使用一个导杆，两个导杆，4 个导杆和其他导向装置，机器人使用一个双导 杆导向机构。 双导杆伸缩气缸排列在两侧手臂和手部和腕部迎合输油管道。臂的膨胀和收缩，以 防止导杆延伸的弯曲变形的大的行程，所述导杆的末尾可以是另外的辅助支撑框架，为 了提高导向杆的刚性。 为了防止导杆延伸的弯曲变形，在图 5 中所示，一个大的行程的伸缩臂，所述导杆 的末尾可以是另外的辅助支撑框架，以提高刚性导杆。图 4.3.2 示出的导杆 1 与支撑框架 4 连接的两个导杆，支撑框架 2 两个滚动轴承安装在两侧，随着膨胀汽缸的后端时，沿移 动导杆杆支撑框架上的支撑表面的支撑板 3 的辊的滚动轴承。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 6 双导向杆手臂结构 4.2.3 手臂的升降运动 图 7 示出了臂机构的升降运动。当提升缸的压力油通过的上部和下部腔室，所述活 塞向上移动和向下杆 4 做的活塞缸 2 被固定在旋转轴。 活塞杆套 3 做升降运动的带动下。 通过指导立柱平键 9 实施其作用。 图 7 手臂升降和回转机构图 4.3 手臂回转运动 臂机构的旋转运动来实现各种各样的形式，常用的旋转滚筒，齿轮传动装置，链轮 传动机构，连杆机构。在机械臂与齿条汽缸型旋转机构，如图 6 所示，活塞杆 8 的旋转 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 运动由驱动齿轮齿条，传动轴和气缸与油一起旋转，然后通过气缸来驱动上的平坦的外 套键 9 转动旋转臂实现。 4.4 手臂的横向移动 如图 7 所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸 5 来驱动的，回转 缸体与滑台 1 用螺钉联结，活塞杆 4 通过两块连接板 3 用螺钉固定在滑座 2 上。当活塞 缸 5 通压力油时，其缸体就带动滑台 1，沿着燕尾形滑座 2 做横向往复运动。 图 8 手臂横向移动机构 4.5 臂部运动驱动力计算 手臂的驱动力的运动（包括转矩）计算，应考虑到臂遭受的整个负载。机器人的操 作，在主臂的负荷受到惯性力，重力和摩擦力。 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 水平臂做伸展运动时，首先克服的摩擦阻力，包括气缸和活塞导杆和轴承套筒等之 间的摩擦阻力之间的摩擦，而且还克服了在启动过程中的惯性力。其驱动力 q P可按下式 计算： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 qmg PFF 式中 m F各支承处的摩擦阻力； g F启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： g W Fa g 式中 W手臂伸缩部件的总重量； g重力加速度（9.8m/s 2 ）; a启动过程中的平均加速度（m/s 2 ） ， 而 a t v v速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度v时，则这 个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t启动过程中所用的时间，一般为 0.010.5s。 当80 ,1098 ,500/ m FN WNvmm s 时， 10980.5 8080 112192 9.80.5 q PN 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力 m F和惯性力 g F之外，还要克服臂部运动部件的 重力，故其驱动力 q P可按下式计算： qmg PFFW 式中 m F各支承处的摩擦力； g F启动时惯性力可按臂伸缩运动时的情况计算； W臂部运动部件的总重量； 上升时为正，下降时为负。 当40 m FN，100 g FN，1098WN时 4 01 0 01 0 9 81 2 3 8 q PN 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩 来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些， 一般取平均值的 1.3 倍。故驱动力矩 q M可按下式计算： 1 . 3() qmg MMM 式中 m M各支承处的总摩擦力矩； g M启动时惯性力矩，一般按下式计算： g MJ t 式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量 回转手臂的工作角速度 t回转臂启动时间 当84 m MN m， 0.8 832 0.2 g MN m 1 . 31 1 61 5 0 . 8 q MNm 对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较 大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动 惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分 别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。可以参考工业机器人表 4-1。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第五章第五章 液压系统的设计液压系统的设计 5.1 液压系统简介 机器人是为工作介质的液压动力传递流体的压力。马达驱动的泵输出的压力油供给 的机械能转化为压力能的马达油。压力油通过的管道，和一些控制和调节进入气缸装置， 推杆的运动，使伸缩臂，起重及其他运动时，流体压力能转换成机械能。臂在运动中克 服摩擦阻力的大小，而将工件夹紧钳手的握力须维持活塞杆和活塞的流体压力和相关的 有效工作区的大小。 ARM 做各种运动取决于在气缸密封数量的流体体积流量。这意味 着移动体积变化的压力油的液压动力传递被称为排量的液压传动，液压驱动机械手属于 液压传动位移。 5.2 液压系统的组成 液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵 是供给油压的液压系统，电机输出的机械能转换为压力能的流体，与整 个液压系统的压力油驱动器。 液动机 外部压力油驱动工作部件的运动部件。 ARM 直线运动，流体的动机是 为了武装伸缩缸。的流体的旋转运动是公知的动力马达油，小于 360 的旋转角的液体动 力，通常被称为旋转滚筒 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序 阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。 5.3 机械手液压系统的控制回路 操纵器的液压系统，根据程度的自由度机器人的数量，液压系统可以是简单的或复 杂的，但不超过基本控制回路的总数。这些基本的控制电路，它具有的各种功能，如工 作压力调整泵的卸荷，扭转运动，运行速度调节和同步运动。 5.3.1 压力控制回路 调压回路 在定量泵的液压系统中，为了控制系统的最大工作压力，一般在油 泵溢流阀出口附近，用它来调节系统压力和多余的液体溢流槽。 卸荷回路 机械手不工作时，燃料箱，泵电动机不停止的情况下，为了降低油 泵的功率损耗，以节省电源，减少热量的产生系统，泵必须在低负荷下工作的，所以使 用卸荷回路。该机器人采用两个电磁阀控制溢流阀远程控制端口卸荷回路。 减压回路 为了使机器人的液压系统中的分压降低或稳定，减压阀与串联的前 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 一分支，以获得较低的压力比系统所要求的压力。 平衡与锁紧回路 在液压系统中，以防止任何垂直的机构，通过其自身重量下 降，可以垂直体重平衡的电路的平衡。 为了使机器人手臂的移动过程中，在任何位置停止，以防止发生由于外力的位移， 可以锁相环油箱返回线路脱落的活塞停止移动，并拧紧。该机器人采用单向阀，以实现 任意位置做平衡阀锁定回路。 油泵出口处接单向阀 泵出口止回阀。它的作用是双重的：首先是对泵进行保 护。液压系统，泵的压力流体供给到系统中，以驱动气缸动作的演技。一旦使电机停止 转动，机油泵不再，中原和一些高压流体系统具有一定的能量，将迫使泵的转动方向相 反，从而在噪声，加速泵的磨损。额外的油泵，单向阀，关闭系统和高压泵油的接触时 间，从而在口中，发挥作用，保护汽缸。第二个是，以防止空气夹带系统。在关机时， 单向阀和泵切断系统可以防止系统来自油泵的油流回油箱，避免了对空气的混合，以确 保顺利启动。 5.3.2 速度控制回路 液压机械臂各种体育速度控制，主要是改变流入钢瓶问：控制方法有两类：一类是 采用定量泵，即利用节流流截面来改变电机的油进入气缸或流;另一种是采用变排量泵， 更换机油泵容积。本机械手采用定量油泵节流调速回路。 根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向节流阀、LCI 型单向节流阀或 QI 型单向调速阀等进行调节。 节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和 流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。 使用的节流阀节流，当负载的变化会引起气缸的速度变化，从而使速度稳定性差。 其原因是，在负载变化将导致液压缸速度的变化，高速稳定性较差。其原因是，负载变 化引起的压力油入口和出口节流的变化，从而通过节流阀，以及所述变速缸的流量。 与负载控制阀可自动调节的变化和无负荷变化时，通过气缸的流速稳定的速度稳定性 要求的场合，它是适合于实现节流控制阀。 5.3.3 方向控制回路 用于控制各汽缸的液压系统的机器人，运动和电机的方向打开或关闭油，通常是由 两个通，两个三，二位三通电磁阀及电动液压滑阀，电控系统发送的电信号来控制电磁 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 阀换向，电机油舱和换油实现直线往复运动和正向和反向旋转。 目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D 型）和 直流电磁阀（E 型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有 380V 或 36V） ，直 流电磁阀的使用电压一般为 24V（或 110V） 。这里采用交流电磁阀。AC 电磁阀，起动性 能好，换向时间短，接线简单，价格低廉，但是当烟雾不容易烧坏，可靠性差，减刑有 一定的影响，使换向频率端，寿命较短。 5.4 机械手的液压传动系统 映射的液压系统的液压操纵器的一个主要设计。各种液压组件的液压系统图，以满 足要求的机器人运动的有机连接图。它通常包括一些典型的压力控制，流量控制，方向 控制电路组成一些特殊用途的电路。 画出的液压系统图的一般顺序是：首先确定在燃料箱和泵，然后在中间配置的控制 调节回路的组件和相应的其他辅助设备，从而构成整个液压系统和液压系统图形符号， 绘制液压原理。 5.4.1 自动机械手液压系统原理介绍 图 9 机械手液压系统图 液压系统原理如图 9 所示。该系统选用功率 N =7.5 千瓦的电动机，带动双联叶片泵 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 YB-35/18 ，其公称压力为 60 10 5帕，流量为 35 升/分+18 升/分=53 升/分，系统压力调 节为 30 10 5帕，油箱容积选为 250 升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时 供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有 小油泵供油，大泵自动卸荷。 手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀 （QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。 设置有单向阀序列的臂提升缸滑，可以调整顺序阀保持打开状态，在活塞上的弹簧 力时，活塞杆和轴承流体在压力下所造成的武器等权重。提升缸的上部腔室，工作油的 泵的输出压力油进入，以使该阀处于增加的压力的作用，活塞向下移动。当活塞上升时， 通过单向阀进入下腔的流体压力的升降油缸阀不被阻碍的顺序，使单向阀，以克服臂的 重量等，为了防止下降， 滑手指夹紧缸带单向阀，当手指夹紧工件系统压力波动保证手指工件的牢固。当反 向进油时，油箱的油通过控制阀打开顶端单向的，从而使油折回，油箱。 在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前 串有减压阀（J-10） ，使定位油缸获得适应压力为 1518 10 5 帕 ，同时还给电液动滑阀 （或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流 阀来调节。 此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现 的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。 5.5 机械手液压系统的简单计算 计算的主要内容是， 根据所需要的输出的致动器力和速度的大小来决定的气缸内的流 动速率和结构，液压系统是必需的，以确定总的油流来选择泵的马达泵的规格和选择的 功率。确定各控制阀，并通过该装置的流量和压力的辅助参数。 在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使 输出轴得到小于 360 的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 。 5.5.1 双作用单杆活塞油缸 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图 流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，使活塞以速度 1 v运动时所需输入油缸的流量 1 Q为 1 Q 2 1 40 D v 对于手臂伸缩油缸： 3 1 0.98/Qcms，对于手指夹紧油缸： 3 1 1.02/Qcms，对于手 臂升降油缸： 3 1 0.83/Qcms。 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 1 P即油缸的驱动力为： 2 11 4 PD P 对于手臂伸缩油缸： 1 196PN， 对于手指夹紧油缸： 1 126PN， 对于手臂升降油缸： 1 320PN 当压力油输入有杆腔，使活塞以速度 2 v运动时所需输入油缸的流量 2 Q为： 22 22 () 40 QDdv 对于手臂伸缩油缸： 3 1 0.87/Qcms， 对于手指夹紧油缸： 3 1 0.96/Qcms，对于 手臂升降油缸： 3 1 0.72/Qcms 油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力 2 P即油缸的驱动力为： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 22 21 () 4 PDdP 对于手臂伸缩油缸： 1 172PN， 对于手指夹紧油缸： 1 108PN ，对于手臂升降油 缸： 1 305PN 计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为 PPPPPP 工导回封惯 其中 P 工为工作阻力 P 导导向装置处的摩擦阻力 P 封密封装置处的摩擦阻力 P 惯惯性阻力 P 回背压阻力 8 31 2 56 68 02 0 85 6 2PN 确定油缸的结构尺寸 油缸内径的计算 油缸工作时， 作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所 受的总机械载荷平衡，即 1 PP（无杆腔）= 2 P（有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算 1 4 1 . 1 3 1 PP D PP 厘米 （无杆腔） 对于手臂伸缩油缸：50Dmm， 对于手指夹紧油缸：30Dmm ，对于手臂升降 油缸：80Dmm，对于立柱横移油缸：40Dmm 或 2 41 1 PP d D P 厘米 （有杆腔） 油缸壁厚的计算： 依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 P D 计 厘米 P 计 为计算压力 油缸材料的许用应力。 对于手臂伸缩油缸：6mm， 对于手指夹紧油缸：17mm，对于手臂升降油 缸：16mm，对于立柱横移油缸: 17mm 活塞杆的计算 可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的 强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即 2 4 P d 即 4 () P dcm 对于手臂伸缩油缸：30dmm， 对于手指夹紧油缸：15dmm，对于手臂升降油 缸：50dmm，对于立柱横移油缸：16dmm 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 图 11 齿条活塞缸计算简图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 流量、驱动力的计算 2 133 D d Q 当103Dmm，40dmm，0.95/rad s时 952QN 作用在活塞上的总机械载荷P PPPPP 工回封惯 其中 P 工 为工作阻力 P 封 密封装置处的摩擦阻力 P 惯 惯性阻力 P 回 背压阻力 6 61 0 82 0 83 8 2PN 油缸内径的计算 根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 4P D p 45Dmm 5.5.3 单叶片回转油缸 在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简 称回转油缸，其计算简图如下： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 12 回转油缸计算简图 流量、驱动力矩的计算 当压力油输入回转油缸， 使动片以角速度运动时， 需要输入回转油缸的流量Q为： 22 3 () 400 b Dd Q 当100Dmm，35dmm，35bmm，0.95/rad s时 3 0 . 0 2/Qms 回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M： 22 () 8 b P Dd M 得0.8MN m 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩M MMMMM 工回封惯 其中 M工 为工作阻力矩 M封 密封装置处的摩擦阻力矩 M惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 回转油缸回油腔的背反力矩 2 . 30 . 8 51 . 2 21 . 0 85 . 4 5MN m 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 回转油缸内径的计算 回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： 2 8M Dd bp 30Dmm 5.5.4 油泵的选择 一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要 的油泵工作压力P泵 和最大流量Q泵来确定。 确定油泵的工作压力P泵 P泵 PP 式中P油缸的最大工作油压 P 压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元 件的局部损失和管道的沿程损失。 P泵= 5 60 10 Pa 确定油泵的Q泵 油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最 大，并考虑系统的总泄漏来确定 Q泵 = KQ最大 其中K一般取 1.101.25 Q泵=53 升/分 5.5.5 确定油泵电动机功率N 612 PQ N 式中 P油泵的最大工作压力 Q所选油泵的额定流量 油泵总效率 N=7.5（千瓦） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第六章第六章 PLC 控制回路的设计控制回路的设计 6.1 电磁铁动作顺序 表 1 电磁铁的动作顺序表 序 号 电 磁 铁 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 8DT 9DT 10DT 11DT 12DT 13DT 14DT 1 插定位 销 + 2 手臂前 伸 + + 3 手指张 开 + + 4 手指闭 合 + 5 手臂上 升 + + 6 手臂回 缩 + + 7 立柱横 移 + + 8 手腕回 转 + + 9 拔定位 销 10 手臂回 转 + 11 插定位 销 + 12 手臂前 伸 + 13 手臂中 停、大 泵卸荷 + + 14 手指张 开 + + 15 手指闭 合 + 16 手臂缩 回 + + 17 手臂下 + + 动作 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 降 18 手腕反 转 + + 19 拔定位 销 20 手臂反 转 + 21 立柱回 移 + 22 待料卸 荷 + + 23 注：+表示电磁铁线圈通电 6.2 根据机械手的动作顺序表， 选定电磁阀、开关等现场器件相对应的 PLC 内部等效继电器的地址编号，其对照表 如下： 表 2 现场器件与 PLC 内部等效继电