卧式加工中心的机械手—装、卸刀手手臂和手部结构设计【开题报告】
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前 言随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类生活的各种领域，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。因此，一些发达国家不惜投入巨资进行研究开发。日、美、英等国都在研制机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展。1997年，日本本田公司率先研制出第一台拟人步行机器人样机，美国麻省理工学院研制出了拟人机器人科戈（COG），德国和澳洲共同研制出了装有52个汽缸，身高2米、体重150公斤的大型机器人。今年11月，日本科学技术振兴事业团宣布，已开发成功可模仿1岁婴儿行走的机器人“皮诺”。它全身有26个关节，脚心装有一个传感器，可测量重心；眼睛可分辨红、蓝、黄等颜色，可自测距离；能挥手，并能缓缓行走。我国也在这方面作了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了双足步行机器人，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。我的毕业设计选择的题目是“卧式加工中心的机械手装、卸刀手手臂和手部结构” ，此课题主要实现机械手装、卸刀手自动换刀的目的。由于时间仓促和作者的知识水平有限，论文中的错误和不足在所难免，请各位老师给予批评指正。第一章 概述1.1 机械手在生产中的作用 随着工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、运输或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工，装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 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”。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、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。机械手的结构型式开始比较简单，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，使用范围比较广的“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地改变工作程序，适应性比较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛应用。 1.2 国内外现状和发展趋势毋庸置疑，未来的机器人将会朝着三个方面发展： （1）与人类社会的生活更为密切地结合起来，以为人做出更多的服务作为要素 二十年后，家中扫除、清洁的工作或老人的护理保健的工作可能全由机器人取代。美国旧金山的医院已开始使用机器人为病人送药、配药的服务。美国的阿伊机器人公司的总裁接受媒体采访时表示，该公司生产的家用大扫除机器人产品，2002年只有一百二十万美元销售额，到2004年已猛增10倍以上。还有，家居的全自动化，无需驾驶的自动汽车，等等，实在无法一一计数或做出预计。 （2）仿生性，生物性的大趋向 以趣味性、生物性来制造机器狗、猫、鱼等动物。譬如三菱重工附属公司Ryomei Engineering研制成功的金色机械鱼“金鱼虎”长1公尺，重25公斤，是一只不小的巨鱼，能自动畅游于水中，可协助监察桥梁的保安和搜集鱼汛的情况，监视河水污染等。索尼公司研制的Aibo机器狗会对主人声音有情绪反应，已能够模仿喜怒哀乐和恐惧等情绪，将来可出现代替真正导盲犬的机器狗。另外，电影侏罗纪公园的恐龙机器人等也是例子。这类仿生性机器人还被广泛用于军事上的侦察救险、情报传送，甚至杀敌于无形的手段上去。美国夏威夷大学设有水下机器人研究中心，已具相当规模。今年八月初俄罗斯迷你潜艇在海底为渔网所缠，困于190米下的深海，就得助于英国的“天蝎”号救援艇之助而脱险的，“天蝎”号就是海底机器人。 （3）发展是人性化 今年三月至九月于爱知举行的万国博览会，被称为机器人的大集合之展览会，有人甚至将之称作“机器人万国博览会”，从中亦可看出这一产业优势及成果。在展场中，接待处、大会清扫工作、警备工作等，多以机器人的形式出现与取替。博览会期间还举办多项人与机器人有关的活动，其中最引人注目的还是人工智能及人性化的机器人的表演，譬如接待处的一位女性机器人能听、说六国语言，而且说话时眼、嘴皆会动，面部肌肉也有活动。大阪大学工学院在人工智能机器人的开发方面有不俗的成绩，石黑浩教授制作“Actroid Repliee”，以“电视台新闻播音员”的外貌现世，其手、头和上身皆可自如活动，外形逼真，惟妙惟肖。还有造型奇特有趣的高尔夫球机器人“坎迪5”，它内置整个高尔夫球场的3D地形和球会会员的资料，并设置有全球卫星定位系统，能作360度自如旋转，它的系统将愈加精密，并更具人性化，科学家预计在2020年完成其全部制作时，它可充当球童并可从旁给予击球建议。此外，尚有具“视觉”、“味蕾”的机器人，它的红外线测定可以对食物及饮品的成份、含量马上做出判定，譬如将一只苹果摆在其手臂前，可以打印出该只苹果的糖份、维生素含量等。最引人注目的是机器人管乐队的演奏，以机器人演奏真正的乐器，而且队形不断变换，演奏技术臻于上乘。东京大学于今年八月公布已开发出人的仿真性皮肤，可如人一样感受冷热、痛楚、温度反应，甚至一些人的皮肤未具有的功能都可以设定，这对仿造机器人的生命性又是一大进步。凡此种种，不一而足。1.3 机器人的分类目前工业机器人的分类还没有统一的分类标准，根据不同的要求可进行不同的分类。一、按驱动装置的动力源，机器人可分为：（1） 液动式 液压驱动机器人通常由液动机（各种汽缸，油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机器人的执行机构进行工作。通常它具有很大的抓举能力（高达几百公斤以上），其特点是结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动、防爆性好，但液压元件要求较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。（2） 气动式 其驱动系统通常由汽缸、气阀、气罐和空气压缩机组成，其特点是气源方便，动作迅速，结构简单，造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。（3） 电动式 电力驱动式目前机器人使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动能力较达（关节型的持重已达400kg），信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机以及交流伺服电机（其中直流伺服电机AC为目前主要的驱动形式）。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺杆传动和多杆机构等）。目前，有些机器人已经开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机的进行直接驱动的（DD），这既可以是机构简化，又可提高控制精度。其他还有采用混合驱动的，即液-气或电-液混合驱动。二、按用途分类又以下几种：（1） 搬运机器人 这种机器人用途很广泛，一般只需要点位控制。即被搬运零件无严格运动轨迹要求，只要求始点和终点的位姿准确。如机床上用的上下料机器人，工件堆垛机器人以及彩管搬运机器人等。（2） 喷涂机器人 这种机器人用于喷漆生产线上，重复位姿精度要求不高。但由于漆雾易燃，一般采用液压驱动或交流伺服电机驱动。（3） 焊接机器人这是目前使用最多的一类机器人，它又可分为点焊和弧焊两类。点焊机器人负荷大，动作快，工作点的位姿要求较严，一般要有6个自由度。弧焊机器人负载小，速度低，通常5个自由度即能完成焊接作业。为了更好地满足焊接质量对焊枪姿势的要求，伴随机器人的通用化和系列化，现在大多使用6自由度焊接机器人。弧焊对机器人的运动轨迹要求较严，必须实现连续路径控制，即在运动轨迹的每一点都必须实现预定的位置和姿态要求。 （4） 装配机器人 这类机器人都有较高的位姿精度，手腕具有较大的柔性。目前大多用于机电产品的装配作业。（5） 专门用途机器人这类机器人专门从事某一方面的工作。如医用护理机器人、航天用机器人、探海用机器人以及排险作业机器人等。三、按操作机的位置机构型式和自由度数量分类机器人操作机的位置机构形式始机器人的重要外形特征，故常用作分类的依据，按这一分类标准，机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球（极）坐标型、关节型机器人（或拟人机器人）。图1.1 直角坐标型（1） 直角坐标型（代号PPP） 机器人是通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器（手部）空间位置的改变，即沿x轴的纵向移动，沿y轴的横向移动和沿z轴的升降。这种类型机器人以IBM RS-1型为代表。这种机器人位置精度高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但占空比大（即机器人机构所占空间与动作空间之比），灵活性较差。如图4所示。（2） 圆柱坐标型（代号RPP） 机器人通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变。这种机器人以Versatran型为代表，这种机器人的位置精度仅次于直角坐标式，控制简单，避障性好，但结构庞大，两个移动轴的设计较复杂，难与其他机器人协调工作。如图5所示。（3） 球坐标型（代号RRP） 又称极坐标型。机器人手臂运动由1个直线运动和2个转动所组成，即沿x轴方向的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。这种机器人以Vnimate型为代表，机器人体积小，结构紧凑，起位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，能与其他机器人协调工作。见图6。图1.2 圆柱坐标型图1.3 球坐标型（4） 关节型机器人（代号RRR） 又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机器人由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱z轴旋转，形成腰关节，大臂和小臂形成肘关节，可使大臂回转和俯仰，小臂作俯仰。这种机器人以PUMA型为代表，机器人工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，能与其他机器人协调工作，目前应用越来越多。还有一种平面关节式，这种机器人以SCARA型为代表，采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节实现上下运动。平面关节型机器人结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。图1.4 关节型机器人这种机器人以PUMA型为代表，机器人工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，能与其他机器人协调工作，目前应用越来越多。还有一种平面关节式，这种机器人以SCARA型为代表，采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节实现上下运动。平面关节型机器人结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。另外，操作机本身的轴数（自由度数）最能反映机器人的工作能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机器人可分为4轴（自由度）、5轴（自由度）、6轴（自由度）和7轴（自由度）等机器人。上述的分类常以技术要求形式写在机器人特性表或说明书中。其他分类方法：除了以上的分类方法，其他的分类方法还有以下几种：按控制方法可分为：点位控制机器人和连续控制机器人。按负载大小可分为重型、中型、小型、微型机器人。按机座型式分为固定式和移动式机器人。按操作机运动链的型式可分为开链式、闭链式和局部闭链式机器人。按应用机能又可分为：顺序控制机器人、示教再现机器人、数值控制机器人、机能机器人等。总之，机器人的类型很多，可根据不同的要求进行分类。同时，对于一个具体的机器人，也可按不同的分类方法，属于几种类型。1.4 工业机器人的结构分析工业机器人通常有3个部分组成，即机械系统、控制系统、智能系统。机械系统又分为执行机构和驱动机构，前者一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座组成。手部可以是夹爪，也可以是焊枪，喷嘴；腕部是臂和手的连结部分，主要功能是改变手的姿态，一般为3自由度（也可以是两个或1个自由度），可在3个相交（或交错）方向转动，以便决定手部在空间的姿态，臂部通常为两杆两自由度（回转自由度或移动自由度），腰部为单自由度。臂和腰的作用是使手部在空间取任意位置，又称定位机构（国标称为手臂或主关节轴组）。这3个自由度的配置对机器人的工作空间和运动特点具有非常重要的作用。这是区分机构结构的重要依据。按配置特点，定位机构可有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型和关节型4大类。关节型有可以分为垂直关节型（臂平面呈铅垂面）和水平关节型（臂平面呈水平面）。图1.5 机器人的组成第二章 总体方案设计2.1 设计的主要内容 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。此设计在给定的程序指令下，配合刀库和主机实现所有加工工序的自动装、卸刀。 2.2 加工中心的分类按照机床的形态分类,分为卧式,立式,龙门式和万能加工中心。本次设计采用的是卧式加工中心,因而在此只讨论卧式加工中心。 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心.通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台.卧式加工中心一般具有3-5个运动坐标,常见的是三个直线运动坐标(沿X,Y,Z轴方向)加一个回转运动坐标(回转工作台),他能够使工件在一次装夹后完成除安装面与顶面以外的其余四个面的加工,最适合箱体类工件的加工。 卧式加工中心有多种形式,如固定立柱式或固定工作台式.固定立柱式的卧式加工中心的立柱固定不动,主轴箱沿立柱做上下运动,而工作台可在水平面内做前后,左右两个方向的运动;固定工作台式的卧式加工中心,安装工件的工作台是固定不动的(不做直线运动),沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴和立柱的移动来实现。 与立式加工中心相比较,卧式加工中心的结构复杂、占地面积大、重量大、价格也较高。2.3 加工中心刀库形式 加工中心刀库形式很多,结构也各不相同,最常用的有鼓盘式刀库,链式刀库和格子合适刀库盒式刀库。1) 鼓盘式刀库鼓盘式刀库结构紧凑,简单,在钻削中心上应用教多.一般存放刀具不超过32把。2) 链式刀库 在环形链条上装有许多刀座,刀座的孔中装夹各种刀具,链条由链轮驱动,链式刀库适用于刀库容量较大的场合,且多为轴向取刀.链式刀库有单环链式和多环链式等几种。如下图便为多环链式刀座： 图2.1 多环链式刀座3) 格子盒式刀库 刀具分几排直线排列,由纵,横向移动的取刀机械手完成选刀运动,将选取的刀具送到固定的换刀位置刀座上,由换刀机械手交换刀具.由于刀具排列密集,因此空间利用率高,刀具容量大。2.4 设计（论文）的主要的技术参数 抓重： 40公斤自由度数： 4个座标型式： 圆柱座标手架运动参数：拔、插刀行程（即滑座伸缩Z）： 155毫米（最大180毫米）升降行程（即找刀排Y）： 3420毫米（刀排间垂直方向距离为420毫米，共四排）回转角度（Q）： 180装、卸刀手手臂伸缩行程（X）： 195毫米手指夹持刀柄的直径： 100毫米位置检测与定位方式： 滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，由挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位缓冲方式： 滑座伸缩、装卸刀手手部伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路加速缓冲驱动方式： 液压控制方式： 数字控制（1）抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。（2）坐标形式和自由度数：说明机器人机身、手臂、手腕等共有的自由度数及它们组成的坐标分特征。（3）运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的变动量。根据运动行程范围和坐标形式就可以确定机器人的工作范围。 （4）定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标，在机械加工系统中大多数机器人的主要参数，只规定重复定位精度，它取决于定位方式和运动部件的精度和刚度，也与抓取重量、运动速度和空间分辨度有关，伺服型机器人的定位精度高于开关型机器人。2.5 驱动方式选择论证液压机械手的特点：（1）能得到较大的输出力矩，在相同截面积下液压的要比气压的大的多。液压机械手搬运重量可以达800，而气压只有30。（2）液压传动滞后现象小，反映灵敏，传动平稳，与空气相比油液的压缩性极小，传动平稳。气压传动易于得到较高速度，但空气粘性比油液低，传动冲击大，不利于精确定位。（3）输出力和运动速度控制较容易，输出力和运动速度在油缸结构尺寸下，主要决定游液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量控制阀，能比较方便的控制输出功率。（4）可达到较高的定位精度。一般液压机械手在速度低于400m/s，抓取较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，定位精度可达-0.0020.002，若用电液伺服系统控制，不仅定位精度高，而且连续定位，用于高速重附和的机械手。其它驱动方式：1）交流伺服电机驱动：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。2）步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。3）直线电机驱动：其驱动速度快，行程大，结构及控制系统结构简单，成本低，定位精度低。4）机械驱动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂等。多用于专用机械手的驱动。综合上述说明此次采用电液伺服控制，可以很好的完成工作。第三章 机械手各部位具体设计和校核3.1 设计的基本要求（1）当机械手工作时，机械手的伸缩机构是由双作用油缸带动手腕进行伸缩运动。在双作用油缸的两旁有两根导管，用做伸缩运动的导向，承受偏重力矩以及防止手腕绕油缸轴线的转动，在导向管内装有同向手腕的输油管。（2）机械手的回转和升降机构安装在底座上，他们支撑着手臂伸缩机构，手腕机构。手臂的回转是靠升降机构上部的回转油缸来完成的。活塞套筒带动手臂回转油缸和手臂伸缩机构做升降运动。装在活塞套筒内的花键轴，花键套是用做导向和防止活塞套筒的转动。（3）手腕的回转运动是由回转油缸来实现的。（4）在手臂伸缩和升降机构上，均装有位置检测器。手臂的伸缩和升降的直线位移通过齿条传送到电位器的轴上。将直线位移转换成电位器的角位移，此角位移转换成电压讯号输出给电气控制系统。（5）手臂和手腕回转位置的检测用电位器，直接装在手臂和手腕回转缸的主轴一端，与油缸主轴同步回转，把角位移转变成电压信号输出给电气控制系统。 3.2 手臂的具体设计3.2.1 手臂典型机构1、臂部伸缩机构行程小时，采用油（气）缸直接驱动；行程较大时，可采用油（气）缸驱动齿条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素选取。2、俯仰运动机构通常采用摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰。3、臂回转与升降机构手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。手臂典型运动的形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降，和横向（纵向）移动，回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动（俯仰）；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的组合。手臂的两种典型机构：.手臂作直线运动的典型机构.手臂回转运动结构。根据本次设计要求及特点采用的是手臂作直线运动的典型机构。手臂作直线运动的典型机构分以下几种结构：1）、双导向杆手臂伸缩机构2）、双层油缸空心活塞杆单杆导向结构3）、采用花键套导向的手臂升降结构4）、双活塞伸缩油缸结构5）、活塞杆和齿轮齿条机构此次设计的前后行走机构采用双导向杆导向，其导向截面为圆，导向杆对称，分布油缸两侧，两导向杆受力均衡，差别不大，可按一个导向杆来计算。前后移动油缸固定在悬挂支架的横梁上，由于行程较长，故采用双节伸缩油缸结构。其油缸体内装有活塞套和活塞杆，当压力油从孔进入油腔时，在压力油作用下推动活塞套连同活塞杆一起向又移动，当活塞套移至终点后，活塞杆从活塞套中伸出，其速度先慢后快，是用短油缸实现大行程运动的结构。3.2.2 手臂材料的选择 机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和短裂。从力学角度看，即要具有一定的硬度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制造手臂，其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯和碳素纤维；金属材料以轻合金为主。3.2.3 臂部设计需注意的问题 （1）承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。（2）刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。工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转刚度都比实心轴大得多，所以钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。（3）导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运动不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。（4）重量轻、转动惯量小。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，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。（5）合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。（6）偏重力矩要小。如臂部重心偏离支撑轴距离过大，所引起的偏力矩将严重影响系统运动的稳定性，因此，在结构中尽量使臂部中心过中心轴。3.2.4 前后移动机构具体设计本机构采用双导向杆导向，其导向杆截面为圆，导向杆对称，分布油缸两侧，两导向杆受力均衡，差别不大，可按一个导向杆计算。A）作水平前后直线油缸驱动力：臂部伸缩运动时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式计算：P=F+F kgf （3-1）式中F摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力。 F起动过程的惯性力；其大小按下式估算F= kgf （3-2）式中G臂部移动部件的总重量 kgf (由静力学公式计算) g重力加速度 m/s（9.8m/ s） v臂部运动速度 m/s (250mm/s) t起动时所需的时间，一般可取t=0.010.4 s (取t=0.4s)带入公式可计算出P=260.46NB）确定油缸尺寸根据当油液进入有杆腔时，确定油缸内径： （3-3）其中p为液压系统所需要的工作压力，由实际工作经验可取p=16Mpa, 机械效率=0.95，由活塞杆直径系列选取d=45mm，将各参考数据代入式中得出D=50mm3.3 手腕的设计（设计图中的手架）3.3.1 腕部设计的基本要求1力求机构紧凑，重量轻 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静，动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构，重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构，重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2综合考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了保证力和运动的要求，以及具有足够的强度，刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部和臂部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑，维修，调整等问题。3必须考虑工作条件 对于高温作业和在腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响。如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等。3.3.2 腕部典型结构1、具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构直接用回转油缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑，灵活等优点而被广泛采用，腕部结构采用一个回转油缸，实现腕部的旋转运动。回转叶片用螺钉销钉和转轴连接在一起，定片则和缸体连接。旋转角的极限值由动片，定片之间允许回转的角度来决定。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位，当要求任意点定位时，可用位置检测元件对所需位置进行检测并加以反馈控制。腕架用来和臂部连接。2、用齿条活塞驱动的腕部结构在要求大于270度转角的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。它的摆动角度比较大，传动平稳。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。3、具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构这种结构的腕部结构，使腕部具有绕垂直轴和水平轴转动的两个自由度。4、机液结合的腕部结构手腕回转由回转油缸驱动，其中回转油缸壳体相对不动，而动片与夹紧油缸的外客固联并一起回转。手腕上下摆动是由安装在手臂尾部的回转油缸，通过一对齿轮，链条，链轮及手腕上的链轮实现的。此手腕具有传动简单，结构紧凑和轻巧等特点。3.3.3 手腕回转机构设计腕部转动所需的驱动力矩可按下式计算：M=K（M+M+M）kgf.m （3-4）式中 M腕部转动驱动力矩 kgf.m K考虑驱动装置密封摩擦损失的系数，一般取K=1.11.2M腕部转动支承处的摩擦力矩 kgf.mM转动部件（工件、手部、腕部转动部分）重心对腕部回转轴线的偏置力矩 kgf.mM转动部件起动惯性力矩 kgf.m公式中M，M和M的大小是根据腕部的运动形式及结构配置的不同而异。因此，在分析计算时应按所选定的运动形式及具体各部件配置情况来进行。如腕部回转运动，部件配置见图，其计算如下：(1) 腕部支承处的摩擦力矩MM=（ND+ND） kgfm （3-5）式中 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承；对于滑动轴承，为简化计算，取 NN轴承处支反力 kgf DD轴径直径 m(2) 转动部件重心对腕部回转轴线的偏置力矩MM=Ge kgfm （3-6）式中 G工件重量 kgf 取工件最大质量30kge偏心距 m(3) 转动部件起动惯性力矩MM=J kgfm （3-7）式中 J转动部件对回转轴线的转动惯量 kgfmsw腕部回转角速度 1/st起动过程所需的时间 s代入数据，计算出腕部回转的驱动力，然后算出摆动油缸的缸体内孔半径。详细尺寸和结构见图纸。3.4 机械手夹持器（手指）机构的基本形成和特点机械手夹持器也叫做末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种定义：第一种定义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和手指部分叫做手。机器人的手部接近于第二种定义。3.4.1 夹持器的特点(1) 与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头。工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。(2) 是机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。(3) 通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量 方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。(4) 是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部（末端执行器）。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。3.4.2 夹持器的设计和选用手部（也称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，常用的手部，按其握持工件的原理可分为夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。吸附类中，有气吸式和磁吸式。本次设计要求用夹持类，手部包括活动手指和固定手指。在手臂伸出抓刀时，活动手指应能自由张开，抓住刀后，特别是在运刀过程中活动手指应夹紧并锁住，手指内有自锁机构。刀具在手指中不允许有转动，以免刀柄的键槽错位，固定手指上装有刀具定向键。3.5 主要液压元件的计算和校核3.5.1 液压缸（油缸）的计算对于活塞缸，缸的直径是指缸的内径。缸的内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。对单杆缸，无杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得：D= （3-8）有杆腔进液体或气体时，不考虑机械效率，可得：D= （3-9）式中：-背压，一般选取背压=0。这时，上面两式便可简化，即无杆腔进液体时：D= （3-10）有杆腔进油时：D= （3-11）若综合考虑排液对活塞产生的背压，活塞和活塞杆处密封及导套产生的摩擦力，以及运动件质量产生惯性力等的影响，一般取机械效率。活塞杆的杆径d可根据工作压力选取，见表8-1。当液压缸的往复速度比有一定要求时，杆径d可由下式计算。d= （3-12）液压缸的速比过大会使无杆腔产生过大的背压，速度比过小则活塞杆太细，稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表8-2所示。计算所得的液压缸内径D和活塞杆直径d应圆整为标准系列（可查液压设计手册）。液压缸的缸筒长度由活塞杆最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其它长度确定。其中活塞杆长度B=（0.6-1.0）D；导向套长度A=（0.6-1.0）d。为了减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20-30倍。缸的进出口直径d可用下式求得：= （3-13）表8-1 液压缸工作压力与活塞杆直径工作压力p/MP7推荐活塞杆直径d0.5-0.55D0.6-0.7D0.6-0.7D表8-2 液压缸往复速度比推荐值工作压力p/MP101.25-2020往复速比1.331.46,22式中：-液压缸配管内的流量，或工作压力下向气缸输入空气的流量； -液压缸配管内液体的平均流量（一般取=45m/s）。 计算得出的d数值需按液压或气压的相关标准进行圆整。3.5.2活塞杆的计算和校核（1）活塞杆直径的计算活塞杆杆的直径，除按上述述速度比或经验公式选取外，必要时还可以按下式进行强度校核: （3-14）式中：-活塞杆直径；-液压缸（油缸）的负载；-活塞杆材料的许用应力，=，为安全系数，一般取1.4,为材料抗拉强度。（2）活塞杆的强度校核活塞杆在稳定工况下，如果只受轴向的推力和拉力，可以近似地用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算： N/mm2 其中：F活塞杆的作用力，单位N； d活塞杆直径，单位m； 材料的许用应力，N/mm2, =100110N/mm2下面就手腕夹紧缸的活塞杆校核如下:F=147KN，d=42mm,则 （3-15）故，所以满足强度要求。（3）活塞杆的弯曲稳定性校核活塞杆受轴向压力作用时，有可能产生弯曲，当此轴向力达到临界值时，会出现压杆不稳定现象学，临界值的大小与活塞杆长和直径，以及缸的安装方式等有关。只有当活塞杆的计算长度l10d时，才进行活塞杆的纵向稳定性计算。其计算按材料力学的有关公式进行。使缸保持稳定性的条件为： （3-16）式中：F缸承受的轴向压力；-活塞杆不产生弯曲变形的临界压力；-稳定性安全系数，一般取=26。-可根据细长比的范围按下述有关公式计算：（1）当时： （3-17）（2），且=20120时： （3-18）式中：-安装长度，其值与安装形式有关；-活塞杆最小截面的惯性半径，=；-柔性系数，对钢取=85；-由缸支承方式决定的末端系数；-活塞杆材料物弹性模量,对钢取=2.06；-活塞杆最小截面的惯性矩；-由材料强度决的实验值，对钢取4.9；-活塞杆最小截面的截面积；-实验常数，对钢取=。（3）当细长比20时，缸具有足够的稳定性，不必校核。3.6 液压系统的设计机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置；它特别是在高温、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中能代替人作业，因此获得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。驱动系统多数采用电液（或气）机联合传动。本课题设计的通用程控机械手按照要求采用圆柱坐标式，全液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度，执行机构相应由手部、手腕、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和回转定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。 3.6.1 拟定液压系统原理图设计合理的液压系统才能确保全面、可靠地实现设计任务书中规定的各项技术指标，通常做法是先选定系统类型，分别选择各项要求的基本回路，最后再将各基本回路组合成完整的液压系统。由于影响液压系统方案的因素很多，设计中仍主要靠经验发完成。 1、基本回路的选择（1）调速回路：液压系统原理图的核心是调速回路，调速方案和调速回路对其它回路的选择具有决定性的影响。本系统是功率较小的，故选用简单的进油路接流阀调速。同样的道路选用单泵供油，力求较好的经济性。在机械手的主臂伸缩缸和手臂俯养或升降缸采用单伸出杆时，为了使往复运动速度一致时要采用两个单向截流阀来实现。若只用一截流阀调速时，则应将节流阀放到换向阀下面，并按有杆腔进油达到最大允许速度，但仍然符合设计要求。（2）换向回路：除闭式回路双向变量泵系统用泵换向外，一般系统均用换向阀换向。选择换向回路的核心是选择换向阀的形式，以实现对于换向精度及换向平稳性的要求。一般来说，换向性能要求高，应选用机动换向阀或液动换向阀，若对于换向性能无特别要求，应选用电磁阀。根据本设计液压系统要求，夹紧缸换向选用两位两通电磁阀，其他缸全部选用三位四通电磁换向阀。（3）缓冲回路。采用的是两位两通换向阀和节流阀并联组成。（4）压力控制回路：压力控制回路的种类很多，通常将调压、限压回路与油源回路合并考虑。卸荷回路和油源回路或换向回路合并考虑；而保压回路，减压回路，则需要根据要求单独考虑。2、液压阀的选择液压阀是控制或调节液压系统中液流压力、流量和方向的。液压阀性能的优劣，工作是否可靠，对整个液压系统能否正常工作将产生直接影响。根据本液压的设计要求，液压阀的选择按定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量的原则。3、液压辅助元件的选择（1）滤油器。的最大流量选取流量略大些的滤油器，滤油精度为网式的或线隙式即可。（2）油管和管接头。油管和管接头的通径与阀一致来选取。4、系统的安全可靠性为防止俯仰缸因自重自由下滑和伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平横。为保证夹紧缸夹持工件的可靠性，选用液控单向阀保压和锁紧。3.6.2 装、卸刀手手臂伸缩液压系统原理图机械手液压系统如图所示。液压系统各执行机构的动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀或电液动换向阀，按程序依次步进动作。电磁铁动作顺序见下表所示，由该表容易分析和了解液压系统在各工作情况下的油液流动路线。该液压系统的特点归纳如下： （1）采用双联叶片泵供油，它具有功率损失小，油箱的温升小，泵的寿命高，成本低等优点。双联叶片泵的工作是用溢流阀、卸荷阀、单向阀三个阀联合控制。 （2）在装、卸刀手手臂伸缩单独运动时，油缸所需油液流量较小，管路内油压上升到溢流阀所确定的压力。（3）执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，启动和停止时的惯性力矩就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。因此为达到机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。 设计总结本章分析了机械手的现状和未来的发展趋势，在简明的对机械手的用途和性能进行简单的描述。对机械手的总体参数进行了设计计算，并对其中的重要结构进行了校核，基本上完成了毕业设计题目，这同时也意味着大学四年的学习生活马上就要结束了。 这几个月的毕业设计期间，我刚开始很迷茫，对设计的事无从下手，通过老师的指导，才有了设计的方向。毕业设计是学生对专业知识的系统训练，是培养学生综合运用理论知识和技能的综合性工程实践训练，是培养大学生创造能力，独立工作能力，养成理论联系实际的工作作风和提高工程实践能力的重要途径，是提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节。因此，对于我们来说，这是一次非常好的锻炼机会。这次设计我深刻体会到了实际的设计工作要比自己想象的复杂得多，设计中要综合考虑多个方面多种因素，才能得到比较合理的设计结果。也许我设计得这个方案还存在一些不合理的地方，但它毕竟是我真正走向工业设计的第一步。这次毕业设计是大学所学专业及相关知识的综合运用，在毕业设计中，我对所学的各门专业课有了更深入的理解与把握。毕业设计的目的是使我们能够更加牢固地掌握所学过的知识，技能等等，提高我们分析和解决实际问题的能力，为将来在工作岗位上能够更好的发挥打下坚实的基础。总结一下我得整个设计工作过程中，有以下几点体会：（1）它锻炼了我们的实际工作能力。“学以制用”这是我们成长的必经之路。毕业设计只根据手头现有的资料是不够的，还应当到生产实际中调研，考察，设计过程本身就是不断发现问题和解决问题的过程。整个设计过程培养了我各个方面的能力，使我受益非浅。（2）在设计过程中我深刻体会到，掌握正确的设计方法，是非常重要的。同时我也认识到使用现代设计方法符合设计的发展方向。（3）在设计过程中培养了我计算机绘图的能力，使用计算机辅助设计是机械设计发展必然趋势，由于计算机辅助设计具有效率高工作量小，设计周期短，图纸清洁线条清晰等优点，所以掌握并灵活运用计算机辅助设计，是当今工程设计人员必须具有的能力。 致 谢在这次毕业设计中，我着重设计卧式加工中心的机械手的装、卸刀手的手部和手臂机构，毕业设计是对大学四年所学知识的综合性运用，是培养我们运用所学理论知识和技能，解决实际问题能力的一个重要环节，毕业设计的水平体现了一个大学生四年学习过程中的学习态度和对所学知识掌握与灵活运用的程度。它反映了一个学生的专业知识水平及其基本功是否扎实，也是对大学四年所学知识的加深和巩固，经过毕业设计是我在各方面受益匪浅，为今后的工作、学习奠定了良好的基础。通过毕业设计，锻炼了我独立解决实际问题以及对所学知识综合运用的能力。在设计过程中，首先要了解以前产品的工作原理以及其优缺点，然后经过对比分析，确定总体方案。在设计过程中，锻炼了我全面考虑问题，充分联系实际的能力。只有考虑问题全面周到，才能合理安排工艺流程和部件布置。在设计过程中的另一个收获是培养了我搜集查询和参阅分析资料的能力。尽管在这之前我们也曾搞过一些课程设计，但是在那些设计中，资料都是系统完整现成的。而在这次设计中我们需要自己动手，去查询翻阅，寻找自己所需的材料，使得在今后的工作中，不至于在查询资料方面无所适从，不知所措。总之
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