自动上下料机械手设计

佳木斯大学本科毕业论文（设计）学术诚信承诺本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：_ 日期：_关于论文使用授权的说明本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：_ 导师签名：_ 日期：_第 V 页摘 要现如今机械制造行业发展迅速，企业非常注重生产的自动化技术，凭借自动化生产提高生产效率，确保产品的加工质量，工业机械手在自动化生产线中充当着重要的组成部分，代替了工人在高温，污染等恶劣环境里完成繁重的工作，并能在长时间作业的情况下保证产品质量。自动上料机械手替代人工上料，减少了人工的工作危险，确保产品质量，长时间高效率重复运转工作。本文将设计一台自动上料机械手。（1）本文设计自动上料机械手的手部、腕部、小臂、大臂和底座的结构，对各结构部件进行运动分析，利用绘图软件绘制运动原理图。（2）机械手的控制系统，传动方式，包括液压系统的拟定，液压元件的选择，保证加工过程中的平稳性与加工精度，实现安全准确抓取工件。（3）本文运用Solid Works软件进行三维建模和虚拟装配以及仿真分析的运动情况，通过运动仿真确定整机设计的合理性与安全性，最终达到高效、安全、简单实用的目的。关键词：上下料；机械手；液压系统；三维建模；仿真AbstractNow the rapid development of machinery manufacturing industry, enterprises are very focused on the production of automation technology, by virtue of automated production to improve production efficiency and ensure product quality, industrial robots in the automated production line as an important component, instead of workers in high temperature, pollution Harsh environment to complete the heavy work, and in the case of long-term operation to ensure product quality. Automatic loading robot instead of manual feeding, reducing the risk of manualwork to ensure product quality, long and efficient operation of repeated work.This article will design an automatic feeding robot.(1) This paper will design the structure of the hand, wrist, arm, arm and base of the automatic feeding robot, and analyze the motion of each structural part, and draw the motion schematic diagram with drawing software.(2) This paper will design the control system of the manipulator, transmission mode, including the hydraulic system development, the choice of hydraulic components to ensure the smoothness of the processing process and processing accuracy, to achieve safe and accurate grasp of the work piece.(3) The design uses Solid Works software for three-dimensional modeling and virtual assembly and simulation analysis of the movement, through the motion simulation to determine the rationality and safety of the whole design, and ultimately achieve efficient, safe, simple and practical purpose.Key words: loading and unloading; manipulator; hydraulic system; 3D modeling; simulation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 上下料机械手国内外发展现状21.2.1 上下料机械手的国外发展状况21.2.2 上下料机械手国内发展状况41.3 本文主要研究内容6第2章 自动上料机械手方案设计82.1 机械手本体结构方案设计82.2 驱动装置与控制系统方案设计92.3 自动上料机械手运动简图112.4 本章小结11第3章 抓取机构的设计123.1 手部的设计与计算123.1.1 对手部设计的要求123.1.2 拉紧装置原理133.2 腕部的设计计算153.2.1 腕部设计的基本要求153.2.2 腕部结构和驱动结构的选择153.3 臂部伸缩机构设计与计算163.4 本章小结18第4章 液压系统原理设计194.1 手部抓取液压缸194.2 腕部摆动液压回路204.3 小臂伸缩缸液压回路204.4 总体液压系统图214.4.1 工作过程224.4.2 确定电机规格224.5 本章小结22第5章 机身机座的结构设计235.1 电机的选择235.1.1 驱动臂部做升降运动的电机235.1.2 驱动机身做回转运动的电机：235.2 减速器的选择245.3 螺柱的设计与校核245.3.1 当量应力计算255.3.2 剪切强度计算255.3.3 弯曲强度计算255.4 机械手的控制255.5 本章小结26第6章 机械手的定位及稳定性分析276.1 常用的定位方式276.2 影响稳定性和定位精度的因素276.2.1 定位方式276.2.2 定位速度276.2.3 运动件的重量286.3 机械手运动的缓冲装置286.4 本章小结29第7章 三维设计307.1 机身结构307.2 手部结构317.3 腕部结构317.4 手腕部组合结构327.5 臂部结构327.6 仿真效果337.7 本章小结34结 论35致 谢36参考文献37附 录 139附 录 240附 录 141附 录 242.不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第1章 绪论1.1 研究的目的和意义随着我国工业化的迅速发展，材料的搬运，零部件的移动与装配已经普遍成为各个行业加工的基本环节。用人力上料不仅消耗体力，而且长时间重复操作会降低加工精度，针对这些问题，以自动上料机械手完成该步骤对提升制造企业的加工生产具有重大作用1。它最大程度上降低了劳动工作的浪费，使得生产高效率，准确保证加工精度。机械手研究初期，基本采取的传动方式为机械传动。其传动系统中包括变速箱、驱动桥等零件部分，这使得机械手体积大，运动存在不稳定性。与单纯的机械传动相比较，液压传动优点居多，首先体积小，质量轻，工人操作简易，使工人在工作过程中的危险指数下降，结构比较简单，价格低廉，更加容易维护与使用。进行更高级的控制操作，提升了人的工作价值，可在保证生产效率的同时确保生产质量，也可避免人为的操作失误2。为了更好的适应自动化生产线的需求，结合生产工艺，设计一台自动上料机械手，作为自动化生产系统中的一部分，参与生产工作，替代人工。工业4.0的概念现在被普遍传播，我国发布了机器人产业发展规划（2016-2020年），并进一步部署中国智造2025战略，使机器人研发制造技术成为我国目前的重要任务3。工业机器人能够确保产业基础能力，提升与国际制造业的竞争力，让产品的技术水平能够与国际同水平产品有强大的竞争力，在关键技术与零部件的生产有重大的突破，满足市场的需求3。工业机器人的主要目的在高温、有毒、易燃等强烈不适宜人们从事生产的环境下，代替人类进行作业，在保证生产工作的同时使人类的人身不受伤害。工业机器人目前大部分用来替换人类的部分工作，如上下料，搬运材料，码垛，装配等进行辅助生产，普遍应用于自动化生产线上4。自动上下料机械手参与工业生产，在生产加工过程中，加工效率得到提升，定位的准确性能够得到保证，加工精度能够满足生产要求，满足与机床等自动化生产线相结合，使各个结构紧凑，节省工件的运输时间。目前，我国机械手发展相对突出的发展方向为PC机的控制器，设计结构也不断紧凑，器件集成的情况相对明显，总体设计出的构架比较灵巧，安全性和可靠性更高。传感器应用于机械手中将会使机械手向更加方便智能的方向发展。如今在我国技术经济飞速发展的前提下，机械行业应用上下料机械手已成为一种趋势，充分发挥组装零件，搬运装卸工件，与数控机床组合发挥自动化生产，将工业生产形成一个有机的体系1,5。从最初的工业1.0人们开始进入机械制造产业的“蒸汽时代”，工业2.0的发展带领人类步入了具有各种分工的流水线批量生产模式和“气时代”，工业3.0逐渐应用电子信息技术，初步达到自动化生产水平，如今工业4.0时代，已经进入了应用信息物理融合系统6。全球机械制造行业的发展，已经成为各个国家技术争夺的制造点，如各国出台的相关发展战略，如德国工业4.0、日本机器人新战略、美国“先进制造伙伴计划”等国家级政策及机器人产业发展规划3。中国现在众多传统制造企业提出了“机器换人”计划，这使得工业机器人已经得到了行业的认可，但是随着智能水平的提高，工业机器人的发展逐步走向智能化，个性化的方向，以最快的速度对市场需求做出反应。汽车生产，加工塑料工件，金属加工生产等制造均采用工业机械手，生产线逐渐向模块化、智能化、标准化的方向发展 7。1.2 上下料机械手国内外发展现状1.2.1 上下料机械手的国外发展状况机械手首先是从美国开始设计生产的。1958年美国联合控制公司成功研发出一台工业机械手，在当时国内与国外使用的都是具有定位控制功能的机械手，缺少了“触觉”和“视觉”反馈功能。当前全球各个国家正积极研究设计带有“触觉”和“视觉”反馈功能的机械手，使它能对所选取的工件实现辨别，筛选必要的工件，并准确地夹持工件，进而确切地在机械生产中定位定向8。机械手固然还不比人手那样灵便，但它具备能不截重复工作，不知劳累，抓起托举重物的力气比人手力大的特点。这些特点使得人们在工业生产中解放出来，从事更高级的控制操作。正因如此，机械手已受到众多有关部门的高度重视，并普遍地得到了应用7。关于机械手的研究与设计正在飞速进行这，难度也逐渐增长。如瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Tchnology、American Robot、S-T Robotics。机器人已经成为了一种高新技术产业，发展前景在全球范围内具有良好的势头。在发达国家中，工程中的机械工程机械、汽车内部电子、电器制造行业都逐渐开始大规模运用机器人组装自动化生产线，提高产品质量，增加生产效率，减少员工人身伤害9。如今机器人使用频率相对较高的国家是韩国，平均能够达到每万人69个机器人的使用量；中国能够达到每万人49个，使用密度有很大的上升空间10。据2016 年上半年，牛津经济研究院 (Oxford Economics) 的研究结果表名，中国的每人次劳动力成本只比美国低 4%；日本劳动力成本为中国的 70% 至 80%；印度的单位劳动力资本仅为中国的30% 多。中国的劳动力成本的增加已经大大超出生产效率的增加；2003 年至2016 年，美国机械制造行业所产生的单位劳动力生产率已经增长了40%，即便同期中国机械制造行业业中单位劳动力生产率也增长近乎翻倍，但是美国仍比中国高出80%3。 图1-1FANUCRobotM-200iA 图1-2使用M-200iA进行车身搬运FANUC是日本的一个专注研究数控系统的公司，是全球目前较大的专业数控系统制造厂家，FANUC机器人产品系列至多能够达到240种，承载重量范围从0.5公斤到1.35吨不等，是全球第一个打破20万台机器人的公司。广泛应用在装配零部件、搬运工件材料、焊接工作、铸造工艺等各个不同的生产阶段。如图1-1所示。FANUC Robot M-200iA型号的重物搬运机器人，根据选用不同的生产要求有两种机型可供选择，FANUC Robot M-200iA/1200，是最大可搬运重量为1350kg的重负载型机器人。以前需要两个机器人共同协作完成搬运1吨的重物，如今只需要一台就可以完成搬运动作。FANUC Robot M-200iA/900L，使最大可搬运重量为900kg，手臂可达半径为4.7m的长臂型。上下可动的范围能够达到6.2m，可用机械手臂来代替汽车生产工厂内的专业升降装置进行车身搬运的作业，如图1-2所示。其手臂防尘与防水方面具备等同于IP67标准的耐环境性，使得即便使在严重污染的情况下也能够正常运作放心使用，并且机械手臂还引用了最新的R-30iA控制装置，控制系统方便操作，智能化，可使用最新的机器人控制功能11。图1-3 KUKA KR 1000 titan库卡是德国奥格斯堡的一家工程技术服务与自动化器械生产的机器人公司，也是全球顶级的工业机器人制造商。所涉及领域包括汽车制造、航空航天、轨道交通、一般工业领域等。自动化设备相对成熟，已经被全球众多豪华汽车品牌组装自动化设备生产线12。如图1-3所示。KUKA KR 1000 titan是重载型六臂机器人，可以安全、精确的从6.5米远处移动最重的部件和组件，具有开放式的运动系统。高动态性，能够保证在准确安全搬运部件的同时确保速度快，加速度灵活，节拍时间最佳；巨大的生产力，机器人精度高可提高生成质量，降低加工成本，干扰轮廓减少，增大了可有效使用的工作空间；灵活性好，作为卸码垛机器人或与线性轴结合使用，可增加回旋余地，不需要调整地基就能方便地集成到设备和系统中13。1.2.2 上下料机械手国内发展状况目前我国工业机器人生产行业的发展已经逐渐成熟，发展非常迅速。根据有效的数据表明，2015年我国工业机器人在国内销售市场上，销售量高达6.8万台，已经超越欧美销售市场，持续三年在全球的工业机器人市场中保持领先地位。依据中国机器人产业联盟的数据表明，2016年中国生产的工业机器人上半年共销售出19257台，相比较上年可比口径计算增加了37.7%，增长速度比上年同期增速了近10.2个百分点。从应用的范畴来看，2016年上半年与上年的应用范围基本相同，分布均匀。其中一个新亮点就是作业于金属等材料的铸造领域的上下料与搬运机器人，在众多的铸造企业中上下料工作相对辛苦，作业环境比较恶劣，应用机器人代替可加快生产，市场上对这方面的需求不断增多3。图1-4 RB系列搬运机器人国内在工业机器人研发方面，如图1-4所示。广州数控设备有限公司研发了自助知识产权的RB系列搬运工业机器人，作用范围主要是自动化生产线冲压工艺，机床加工上下搬运物料，重型器件的搬运工作。产品特点：高精度：定位精度能偶达到0.05mm，长时间高强度工作，定位精度不会受到影响；高性能：采取国内目前最高端的GSK-RC控制系统，使机器人能够辨别实际载荷，并且优化加速与减速，减少了操作控制的周期时间；凭借着内部设置的服务信息系统实时监视测量机器人运动情况与载荷承受情况；连续使用的时间更长；运动控制功能和碰撞监测功能避免工件和工具的损坏风险，具有良好的安全性；工作空间大：运用多关节垂直的串联结构，最长到达距离1595mm，最大载荷8kg；设计优化：本体采用轻重量、高强度、高刚性、高密度的结构进行布置，使得机身紧凑，刚性好，精度高14-15。 a）抓取物品 b）移动物品图1-5 基于STM32的语音控制机械手如图1-5所示。为基于STM32 的语音控制机械手，主要以STM32为控制平台，对四自由度机械手进行控制操作，可以进行系统调试，储存记忆机械手动作，进行语音识别控制，使机械手具备语音控制，人与机进行对话交流的功能。其核心处理器为STM32F407ZGT6 处理器，对机械手的动作进行存储记忆和调试。采用32路伺服舵机控制器对机械手实现控制，使其实现定位准确选用速度合理，并且能够时间延时断点发送指令，语音识别这项功能采用了ASR非自然语音识别技术，通过对关键词的识别，进行高效的特定语音识别控制。拿物品工作过程：识别语音模块命令“拿东西”，确认命令后，系统进行应答，发送指令0x01标识，对处理器控制平台预先调试，调出储存好的抓取物品的命令，加载抓取物品动作指令序列，传送至舵机控制板，机械手完成物品抓取16-18。在2016年4月26日，我国工业和信息化部、发展改革委和财政部委联合印发了机器人产业发展规划（2016-2020年）（下简称规划）。深入强调制造行业的进步发展需要自动化机器人作为关键支撑装备，也是国家发展科技创新与高端机械制造发展水平的重要性标志。规划指出要保证机器人的关键零部件和高端产品生产的质量具有可靠性，提高企业中间的竞争力和市场占有率。在2020年我国工业机器人的年产量能够达到10万台，使用密度能够达到150台以上，通过政策合理支配利用资源，发展人才提高创新意识，研发精神，扩展市场机器人产业业务19-24。规划强调了十大标志性实施重点产品，为机器人发展指导方向，如电弧焊机器人，重点实现能够根据轨迹焊缝跟踪，根据坡口的宽度进行焊接，具备高压感知的技术；洁净型机器人，发展方向实现在真空的条件控制传动润滑，偏差检测实现动态监测，能够校正检测及碰撞保护等技术方向；智能自主编程的工业机器人，自由度需要6个以上，加工工件范围能够在1m1m0.3m 以上，可以自动监测作业程序，环境，工艺要求，并自动生成程序，需要实现的工艺操作有打磨工件，喷涂染料，抛光工艺等；重载AGV，能够实现最大负载能力40000kg，举升行程：最大 100mm，防碰装置：激光防碰，辅助磁导航精度：10mm，举升装置：车体自举升，转弯半径：2m，最大速度：直线 20m/min；消防救援机器人，可代替人类，在特殊环境下完成搜救，灾情定位，排除障碍，灭火等任务；智能护理机器人，能够正确对有需要的人群进行照顾护理，能够感知识别，灵活自主移动，辅助需求者进行多样化的护理服务25-27。未来人类未知领域的探索，谁拥有了最先进的研发技术，谁就在未来的发展领域占有主动权。工业机器人的发展方向会趋向于智能化、网络化、仿生化，所应用的范围涉及会更加全面，遍及生活中。我们作为机器人的操作者，操作方式会越发方便简洁，机器人能够更好的帮助我们完成工作，在生活中，机器人无处不在，有他们在的生活会更加美好28。从2015年开始，工业机器人领域就得到了前所未有的关注，市场空间急剧增大，飞速发展的领域存在的问题也是不容忽视，需要逐步改进的，可靠性差，精度不高，应用领域受限，生产线组装能力不足，缺乏研发技术。通过大量采购进口工业机器人实现自动化生产线，对我国的生产发展受限，研发能力与技术水平没有达到世界先进水平，工业机器人的原创性没有得到发展，研发投入不够充足。国外工业机器人注重保护机器人的自主技术产权，在设计的同时增加了自锁功能，一旦进行破坏性拆解，零部件不能恢复原装，国内研究机构不能够进行逆向研究。工厂生产与研究者学习探索研究力争做到结合一致，保证现有技术的消化吸收。目前最主要问题就是“工业4.0”的发展缺乏数字化与网络技术的连接，需要解决各个机器之间信息协调共享、相互协调控制、智能生产，使工厂成为少人化或无人化的有机整体29-32。1.3 本文主要研究内容本设计主要是根据现有的机械手进行设计，满足自动化生产的需求，并结合三维建模运动仿真，验证设计可行性。它的驱动系统应用了液压装置和电机部分相结合，使得机构更加巧妙、合理。具体的设计内容分为以下几部分：（1）自动上料机械手方案的设计，确定最终合理的设计方案。（2）自动上料机械手的手部，臂部，腕部，的设计，以及相关参数的设计计算。（3）液压系统原理的设计和相关计算。（4）零部件的设计，基于Solid Works建立实体模型进行虚拟装配和运动仿真。（5）论文的撰写。（6）研究内容程序框图，如图1-1所示。自动上料机械手总体设计方案选择控制系统及确定驱动装置确定工作关系及额定载荷机械手工艺与动作分析自动上料机械手本体结构设计手部结构设计腕部结构设计大臂结构设计小臂结构设计液压系统设计液压元件选择三维建模与运动仿真绘制装配图及书写论文整理相关资料准备答辩图1-1 程序框图第2章 自动上料机械手方案设计自动上料机械手功能应该是能快速准确的拿取工件，并且还要有一定的承载能力，这样才能承受工件的重量。同时，机械手的旋转角度要有一定的范围，这样才能对不同位置的工件进行定位。根据对工件形状和所实现功能的分析，对机械手的本体结构进行方案设计。2.1 机械手本体结构方案设计自动上料机械手的自由度选择实现全方位定位设计。机械手本体结构包括手部，腕部，臂部，机身机座，自由度的分配需要根据各部分所实现的运动功能，手部需要夹持工件，设置一个自由度实现张开闭合来夹持工件。腕部需要连接手部和臂部，左右旋转使手部运动，需要一个自由度。臂部结构要完成上升下降运动，伸缩运动，左右回转运动，分配三个自由度分别实现相关功能。根据定位要求，实现全面安全定位，机身具备一个自由度，实现左右回转的动作。机械手本体结构自由度合理分配。机械手手部方案设计。所实现功能为夹持工件，工件形状为圆棒状材料，工件重量为10Kg，手部采用夹持式结构，需要具有一定的夹紧力满足夹起工件，不破坏工件形状与表面质量，不影响加工质量的条件。采用液压驱动系统，驱动手部结构夹紧与放松的工作。手部形状设计采用钳夹的结构，能够夹取工件，同时手部的架构运动可拆卸的设计，这种设计可以满足不同工件的上下料工作，使机械手的使用范围扩大。机械手腕部方案设计。腕部需要实现的运动为回转运动，并且辅助功能为调整手部夹持工件的方向。腕部起着连接手部与臂部的作用，位置在两者之间，在机械手作业时会受到手臂与臂部传递来的动载荷与静载荷。所以，腕部所选择的设计结构与自身重量以及动力载荷与臂部的相关结构都是有一定关联的。腕部需要一个自由度即可。它实现的左右回转。采用液压驱动方式。机械手臂部方案设计。本设计机械手臂部结构由大臂，小臂组成。所实现的运动学功能为上升下降运动，左右回转运动，大臂与小臂结合的伸缩运动，在运动过程自由度分配为三个，分别实现三种运动，使运动更加和谐。完成所需要的功能通过电-液结合的方式进行传动，上升下降运动采用电动机进行驱动运作，臂部伸缩运动需要大臂小臂相结合采取液压驱动。作业生产时，手臂部受到了来自手部与腕部传递来的动，静载荷，对臂部工作产生一定的影响。臂部所承担的运动相对较多，可见臂部结构的设计，定位作业的准确性，对机械手的生产加工性能影响较大。本体结构方案设计选择，如图2-1所示。图2-1 自动上料机械手本体结构方案图1-手部 2-腕部 3-臂部2.2 驱动装置与控制系统方案设计驱动装置的选择。本设计采取液压驱动装置。可通过对液压油与所产生压力进行控制实现对机械手运动速度与动作的操控，同时液压元件相对较小，安装结构简单，不占用大量空间，质量轻；在液压系统运作时，能够将工作过程中产生的热量传递走。防止高温危险，保护人工与机器安全，使温度对机械加工不产生主要影响，同时液压油具有的润滑作用，使液压元件在工作过程中相对润滑，使用寿命延长。在加工过程中，采用液压系统能够保证快速对指令做出响应，启动与制动，反向等功能能够快速反应，不会产生滞后的影响。液压控制系统力矩-惯量比较大，短时间快速加速，同时与其它的控制元件相比较，液压元件的刚度较大，忍耐震动，可高强度，长时间工作加工材料。自动上料机械手控制装置的选用。本设计采用的固定程序的控制方式。要求完成的工作为能够对预先设置的工作要求进行操作；对工作环境与工作要求，机器人自身的工作状态进行感知；能够给予控制者反馈一定的工作信息，方便操控者进行控制操作加工，对所编入的程序进行作业；具有一定的储存功能。编程语言可分为固定程序的编程语言控制和可变动程序控制语言两种控制方式。可变动程序控制是通过示教器进行信息指令的输入进行控制，在生产加工过程中，对环境约束工作约束更加明确。固定程序加工编程，编程的程序语言指令是固定的，单纯重复指令动作，不过控制更加便捷，便于加工与维修，所使用寿命较长，机械手在加工过程中工作稳定，安全指数较高。机械手面对众多的重复性操作，需要具有指定任务的计划工作及相关工作特点的描述，在编制固定程序时，操作者可对工作任务进行布置，其余的工作要求等因素可交给控制器完成。首先进行任务的规划，对工作要求及工作环境进行特殊指令的输入，描述相关工作轨迹，降低操作的难度，提高编程的工作可操纵性，对周围所需要的约束条件进行限定。然后对运动的轨迹进行计划。机械手控制器需要实现的功能，如图2-2机械手控制器功能所示。任务规划任务命令解释机器人轨迹生成轨迹运动学参数计算环境交互逻辑条件作业状态输出指令轨迹规划轨迹命令解释轨迹生成及参数调整轨迹离散化运动学逆解错误处理轨迹段描述、轨迹执行的逻辑条件机器人及环境状态环境信息（视觉、力传感器、接近传感器等）伺服规划伺服命令解释伺服周期细插补控制策略伺服系统接口输出故障处理驱动器电动机轨迹点运动学描述控制策略选择机器人信息（位置传感器等）控制命令驱动器状态机器人状态图2-2 机械手控制器功能图2.3 自动上料机械手运动简图图2-3 机构运动简图1-蜗杆减速器 2-平键套筒联轴器 3-电机 4-底座 5-导柱 6-齿轮泵 7-Y90S-4电机 8-联轴器 9-手臂 10-腕部 11-手部 12-螺柱 13-肋板2.4 本章小结本章提出了自动上料机械手的总体设计方案，本体结构主要由机身基座，大臂，小臂，腕部以及手部组成。手部一个自由度实现张合运动，采用夹持式结构；腕部一个自由度实现左右回转运动，采取液压驱动装置；臂部三个自由度，俯仰运动与升降运动由电动机驱动。伸缩运动由液压驱动系统驱动；总体采用液压驱动，可实现过载保护，平稳灵活，控制系统采用固定程序控制。设计方案确定，绘制机构运动简图，确定自动上料机械手控制器功能图。第3章 抓取机构的设计3.1 手部的设计与计算机械手的抓取机构组成部分包括手部、腕部以及臂部。手部需要有充足的工件物体约束能力，一定的开闭合范围、追求简单简洁的构造，总体重量轻，占用体积小，能够保证末端执行元件的工作精度。腕部结构需要完善结构，合理分布零部件、结构紧凑、能够满足工作条件。臂部手臂运动居多，受力较多、它的布局、灵活性、定位准确与受力情况会对机器人的性能产生直接的影响。3.1.1 对手部设计的要求（1）有适当的夹紧力。机械手手部在加工操作时，应该满足对工件具备一定的约束条件，保证对工件的夹持稳定性，不存在中途工件掉落的危险。并且对工件本身强度刚度不产生影响，表面加工精度不破坏的原则。运输刚性不同的工件过程中，约束力需要适应工件的运输要求，同时需要顾虑工件重量较大时所产生的自锁行与安全性。（2）有足够的开闭范围。夹持类的手部结构，都具有实现伸开闭合功能的装置。手部结构必须具有一定的伸开闭合角度和一定的伸开范围，这样才能有效地抓紧工件。运行工作时，手部结构张开与闭合的位置所产生的变化量以最大的变化为准，成为该手部结构的张开闭合范围。对于手部的结构来说，它的张开闭合范围，可以用手指闭合端距离和伸开与闭合所形成的角度来表达。通常，在满足其他条件的基础上，开闭范围应尽量大，如图3-1所示。图3-1 机械手开闭示例简图1-钳夹 2-拉紧装置（3）尽量使结构简明，质量较小，体积较小。机械手应该符合结构紧凑、重量较轻、效率高等要求。在能够满足自身结构要求强度与刚度的条件下，尽量满足机械手手部结构简单，质量较小，不占用过多体积的要求，便于减少机械手臂部的负担。（4）应该顾虑到手部的针对不同工件材料的使用要求，手部一般选用专门的相关结构，但是为了增加该机械手的使用广泛性，能够满足各种形状与尺寸的工件进行使用，使该机械手的通用化水平提高，所以，将手部的结构手指设计成可以调换的结构。（5）应该确保末端执行器的夹持精度。手部结构在搬运工件时，需要保证所运动位置的准确性。这适应了加工过程对方位的要求，有一些工件在机床上安装的位置要求较高，所以自动上料机械手的手部结构在夹紧工件后需要在位置上保持具有准确性。3.1.2 拉紧装置原理如图3-2所示。油缸右腔停止泵油后，手部会夹持住工件，油缸右腔进油时，手部会放下所搬运工件。图3-2 油缸示意图1-手部钳夹 2-弹簧 3-油缸右腔右腔推力为： (3-1)Fp=4908.7N依据钳夹夹紧的位置，确定当量夹紧力计算公式为： (3-2)其中，由公式(3-2)得：F1=1770N则实际加紧力为： (3-3)1实际=3424N经圆整 1=3500N计算手部活塞杆行程长L即 (3-4)=23.1mm经圆整取 =25mm 确定钳爪的 (3-5)式中： (3-6)由公式(3-5)、(3-6)得： mm取手部张开的夹角2=，则偏转角按最佳偏转角来确定:查表得 机械运动范围表如表3-1所示。表3-1 机械运动范围表伸缩运动(mm/s)上升运动(mm/s)下降运动(mm/s)回转运动(mm/s)Vmax50050080090Vmin50408030所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s手部右腔流量 (3-7)=1177.5mm3/s手部工作压强 (3-8)=1.78Mpa3.2 腕部的设计计算3.2.1 腕部设计的基本要求（1）对设计腕部结构进行优化，布局合理。腕部作为自动上料机械手的一个执行部分，又起到了连接手部和臂部与负担手部的作用，除了要满足力和左右回转运动的功能外，还需要有一定的强度、刚度。同时，还应该考虑到机械手的整体布局，让腕部可以和臂部、手部较好地连接。（2）结构设计简便，质量轻。腕部的结构处在臂部与手部之间，会受到来自臂部与手部的动、静载荷影响。腕部所选择的设计结构与自身重量以及动力载荷与臂部的相关结构都是有一定关联的。所以，在设计臂部的时候，应该尽可能让达到它结构更加紧凑，重量更轻的要求。（3）满足工作条件。自动上料机械手需要满足的工作条件为上料质量为10kg的工件，工作范围不大，工作环境为车间，环境要求相对较低，不存在高温，高压以及重度污染的环境中，环境因素对机械手腕部结构的影响较低。上料机械手要正常地工作必须要能适应特定的工作环境。（4）腕部具体结构。选择机械传动与液压传动相结合的腕部结构，如图3-3所示。图3-3 手部与腕部结构图1-腕部 2-手部3.2.2 腕部结构和驱动结构的选择本设计的腕部结构布局紧凑，运动回转灵活，一个自由度实现。选取液压驱动的方式。要求：回转,角速度以最大负荷计算：当工件夹起所处位置为水平时，液压摆动缸的工件所产生的扭矩最大，采取估算法进行计算，工件重量10kg，工件长度=650mm。计算扭矩M设工件重量集中在距离手部中心200mm处，即扭矩M为： (3-9)1=1.96()油缸及其配件的扭矩：=5kg =10cm由公式(3-9)得:M2=4.9()摆动缸摩擦力矩：=6()摆动缸总摩擦力矩： (3-10)=30.5() (3-11)式中： b叶片密度，这里取b=3cm；摆动缸内径, 这里取FA1=10cm；转轴直径, 这里取Fmm=3cm。由公式(3-11)公式得:P=0.88MpaQ=28ml/s3.3 臂部伸缩机构设计与计算手臂部件是机器人的重要部件。它能够工作或安装夹具，负担腕部和手部，并实现传动功能，带动手部与腕部工作。臂部的任务是辅助手部做空间运动。所以，通常情况下，臂部需要含有三个自由度来实现工作的功能要求，分别是左右回转运动、俯仰运动、手臂的伸缩。臂部的动作主要一开驱动装置和传动系统来完成，从受力分析的角度出发，受到来自手部与腕部的动、静载荷，臂部承受的力较多，比手部与腕部复杂，在设计过程中需要综合手部与腕部结构，大臂小臂实现伸缩功能，在构造上满足定位的准确性，定位精度和受力程度会对机器人性能产生一定的影响。在设计中要完成手的向上向下运动、前后伸缩的运动以及左右回转运动。机械手的精度最后会集中地表现在机械手手部的位置精度上。由此看出，在确定适合的定位装置，与导向功能就相对比较重要。手臂的伸缩速度为S=200mm/s，行程L=500mm/s手臂右腔流量由公式(3-7)得： (3-12)Q手臂右腔的工作压力由公式(3-8)得： (3-13)取工件重量和臂部活动零部件的总体重量，F=30kg，F摩=1000N。由公式 (3-13)得： P=0.24Mpa机构的工作参数如表3-2所示。表3-2 机构工作参数表机构名称工作速度行程工作压力流量手部抓紧60mm/s25mm1.79Mpa117.8ml/s腕部回转45 /s180 0.89Mpa28ml/s小臂伸缩200mm/s500mm0.28Mpa1000ml/s由初步计算选取液压泵P=1.79Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s选取CB-D型液压泵（齿轮泵）。该选用泵所产生的工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32-70ml/r之间，足够完成实现所需功能。验算腕部摆动缸： (3-14) (3-15)式中：机械效率取：0.85 (范围 0.850.9)容积效率取：0.85（范围 0.70.95）由公式(3-14)得：T=25.7()TM=30.5()由公式(3-15)得：W=0.784rad/s取腕部回转运动油缸需要工作压力P=1Mpa,流量Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓起缸工作压力P=2Mpa，流量Q=120ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.26Mpa，流量Q=1000ml/s3.4 本章小结本章对自动上料机械手的抓取机构进行设计，首先设计明确手部的设计要求，一个自动度实现张合运动，采用夹持式结构，抓取重物的重量为10kg，确定手部夹持工件的工作原理。第二进行腕部设计，需要实现回转运动回转,角速度以最大负荷计算。第三进行臂部伸缩机构的设计，满足三个自由度实现左右旋转、上升下降运动、手臂的伸缩，对其驱动结构进行设计计算。对手部抓紧，腕部回转，小臂伸缩各机构的工作参数进行计算分析。第4章 液压系统原理设计自动上料机械手运用的驱动装置为液压系统。液压系统作为机械手的动力来源，驱动机械手完成工作。液压系统具有占用空间小，使用寿命长的特点，液压系统包含三个方面，手部液压缸液压系统的设计、腕部液压回路。大臂小臂伸缩回路的设计。4.1 手部抓取液压缸手部抓取缸液压系统原理图如图4-1所示。 图4-1 手部抓取缸液压系统原理图1-单作用单杆弹簧复位缸 2-直动外控溢流阀 3-两位三通电磁换向阀 4-单向阀 5-可调节流阀泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取运行所需要的最大流量即Q=1300ml/s。因此，需要安装图4-1所示的调速阀，流量确定为7.3L/min，工作所产生压力p=2Mpa。采用： 溢流阀 调速阀 二位三通阀4.2 腕部摆动液压回路腕部运动摆动缸液压系统原理图如图4-2所示。图4-2 腕部摆动液压回路1-腕部回转器 2-调速阀 3-三位四通电磁换向阀工作压力P=1Mpa，流量Q=35ml/s采用： 调速阀 换向阀 溢流阀4.3 小臂伸缩缸液压回路图4-3 小臂伸缩缸液压回路1）两位三通电磁换向阀 2）调速阀 3）单向阀 4）臂部伸缩缸小臂伸缩缸液压原理图如图4-3所示。P=0.25Mpa，流量Q=1000ml/s： 调速阀 二位三通阀 溢流阀4.4 总体液压系统图图4-4 总体系统图4.4.1 工作过程自动上料机械手运作过程，首先臂部结构小臂进行伸长，手部抓取工件，然后腕部实现回转运动，小臂进行收缩，手部放下工件。如表4-1所示。表4-1 电磁铁动作顺序表1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长-+-手部抓紧-+-腕部回转-+-+-小臂收缩-手部放松-+-卸荷+-+4.4.2 确定电机规格液压泵选择型液压泵，额定压力，工作流量在之间。选取为额定流量的泵，为 (4-1)所以代入公式(4-1)得：N=16.8KN选取电动机型电动机，额定功率为17KW，转速为。4.5 本章小结本章设计了自动上料机械手手部抓取缸的液压回路、腕部摆动液压回路、小臂伸缩液压回路并绘制出了总的液压系统图，分析了在各项具体运动中也要回路的动作；确定了液压回路的工作过程的电磁阀的动作顺序，同时确定了驱动电机的规格型号型电动机，选取型液压泵额定压力，工作流量在之间。第5章 机身机座的结构设计机座是支撑机械手机身的必要组成的一部分。固定式机械手的机座直接与地面相连,可移动式