毕业设计（论文）-曲轴搬运机械手的研究与设计.doc

目录第1章 绪论11.1 工业机器人（机械手）的概述11.1.1 工业机器人的发展11.1.2 工业机器人的分类11.1.3 工业机械手的应用21.2 设计问题的提出2第2章 机械手的总体设计32.1 机械手的组成及各部分关系概述32.2 机械手的设计分析32.2.1 设计要求32.2.2 总体设计任务分析32.2.3 总体方案拟定5第3章 机械手结构的设计分析63.1 末端操作器的设计分析63.1.1 末端操作器的概述63.1.2 末端操作器结构的设计分析63.2 手腕的设计分析63.3 手臂的设计分析63.4 机身和机座的设计分析7第4章 机械手各部件的载荷计算84.1 设计要求分析84.2 手指夹紧机构的设计84.2.1 手指夹紧机构载荷的计算84.3 手臂伸缩机构载荷的计算94.4 手臂俯仰机构载荷的计算104.5 手腕摆动机构载荷力矩的计算104.6 机身摆动机构载荷力矩的计算124.7 初选系统工作压力12第5章 机械手各部件结构尺寸计算及校核145.1 手指夹紧机构结构尺寸的确定145.4 手腕摆动机构的确定175.5 机身摆动机构的确定175.5 强度校核175.6 弯曲稳定性校核18第6章 液压系统的设计206.1 液压缸或液压马达所需流量的确定206.3 液压缸或液压马达主要零件的结构材料及技术要求216.3.1 缸体216.3.2 缸盖216.3.3 活塞216.3.4 活塞杆226.3.5 液压缸的缓冲装置226.3.6 液压缸的排气装置226.4 制定基本方案226.4.1 基本回路的选择226.5 液压元件的选择236.5.1 液压泵的选择236.5.2 液压泵所需电机功率的确定246.5.3 液压阀的选择246.5.4 液压辅助元件的选择原则256.5.5 油箱容量的确定266.5.6 液压原理图27结论29参考文献30致谢31曲轴搬运机械手的研究与设计摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器The Manipulator For Moving The Engines CrankAbstract: With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the workers labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator.Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)41第一章 绪论1.1研究背景和课题来源工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸方面具有举足轻重的地位。本课题中设计开发的曲轴搬运机械手来源于神龙汽车有限公司曲轴加工生产线。该公司的发动机曲轴在加工过程中，需要在不同的生产线之间进行搬运，目前的搬运工作由人工完成，不可避免地存在着劳动强度大、生产安全难以保障、定位精度不高等问题，严重影响了曲轴的生产质量、生产效率和单位的经济效益。基于上述考虑，该公司委托实验室为其研制开发一套搬运机械手来代替人工完成曲轴在两条生产线之间的转移。1.2本课题的意义在现实生活中，机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，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。这种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，机器人是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机械手已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成了一门新兴的学科-机械手工程。机械手是由于它的积极作用正日益为人们所认识而得以迅速发展起来的：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成各种动作；其三，它能操作必要的机具代替人类进行焊接和装配等。它的发展大大改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产效率，加快了实现工业生产自动化的步伐。因而，广泛受到各先进工业国家的高度重视，并投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，尤其受到了机械工业和铁路部门的青睐。本课题主要研究如何利用机械手的操作来完成发动机曲轴在两个生产线之间的搬运和定位的问题。该项目具有实用性、可靠性、经济性、推广性、智能性等特点。一是实用性。能够完成企业两条自动化生产线上的工件的搬运动作。二是可靠性。比起人工完成搬运，安全可靠，机械手能按照事先设定的程序进行动作，不会受工人的身体状况、精神状态、情绪等的影响。三是经济性。整个项目的完成可以使企业降低成本、提高生产率。三是推广性。这类机械手应用非常广泛，经过一定的调整和改进可以完成工厂、企业里大部分工件、装备等的移动。四是智能性。该机械手采用PLC作为核心控制元件，并配有人机交互装置，可以对系统本身的故障进行自诊断，并显示出错误位置和原因，为工作人员进行故障排除提供帮助，还可以对工作过程进行实时监控，遇到故障时自动报警。1.3机器人的发展、分类与应用1.3.1机器人的发展（1）机器人的定义“机器人”一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人中。在剧本中，作家塑造了一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人类服务的机器人奴仆“Robota”，捷克语中“robota”的意思是卑贱的劳动力，在该剧中机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。目前，机器人虽然已经被广泛应用，而具越来越受到人们的重视，然而机器人确实还没有一个统一的严格准确的定义。不同的国家不同的学者给出的定义不尽相同。虽然基本原则一致，但欧美国家的定义限定多一些，日本给出的定义宽松一些，这样就使得可称机器人的范围大小不同。在科技界，由于机器人还在不断发展，新的机型、新的功能不断涌现，科学家们也是仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。最根本的原因是机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人的定义的模糊，才给人们充分的想象和创造空间。其实，自机器人诞生之日起人们就不断尝试着说明到底什么是机器人。而随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机”。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。ISO8373对工业机器人做了详细、具体的定义：“机器人是具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或以上的可编程轴在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动”。（2）全球机器人的发展状况机器人是多学科技术综合的产物，它不像有些产品经历孕育、成长、成熟到衰亡的过程，而是随着人类的进步、发展不断完善。人类的进化经历了百万年，而机器人的诞生到现在不到40年。机器人的发展经历了几个阶段：第一阶段是技术准备期。1949年，由于需要研制新型军用飞机，这种飞机零件是用机械加工出来的。美国空军发起了对数控铣床的研制。这项研究工作在于把成熟的伺服技术与当时新近发展的数字计算机技术结合起来。1951年，美国麻省理工学院（MIT）开发成功第一代数控铣床，从而开辟机械电子相结合的新纪元。1954年，美国戴沃乐最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司-Unimation(Universal Automation)公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。与此同时，另一家美国公司-AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran(VersatileTransfer)机器人。它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。一般认为这两个机器人是世界最早的工业机器人，其控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类人的手和臂组成。第二阶段是产业孕育期。从第一台机器人诞生开始，到能进行小批量生产结束。美国从1962年开始到1974年，历经12年，已拥有1200台机器人，主要是满足汽车工业的需求。日本川崎重工业公司1967年从美国引进机器人，与美国缔结了国际性合作协议。1969年，日本试制出全部国产的第一台机器人“川崎尤尼麦特”。当时，日本劳动力严重匮乏，这大大促进了机器人的发展。到1973年，日本的机器人产量已达2500台。前苏联于1963年研制出第一台工业机器人，1972年起将机器人研制纳入国家计划，其科学院及部属研究所负责基础理论和基础技术，生产部门负责生产以及应用推广。到1976年，前苏联已拥有机器人510台，其产品多为圆柱坐标式，用液压或气动来驱动。前西德在20世纪60年代末引进机器人，1970年第一批工业机器人在前西德诞生。到1976年时，前西德已拥有250台机器人。这些机器人主要活跃在对人有危险或有害的岗位上。第三阶段是产业形成期。这一时期生产企业不断成熟，开始进入批量生产，并初步形成市场。当时美国由于消费水平的提高，市场需要大量高质量的产品。于是，工人工4时成本上升，而工业机器人的成本相对低很多，这显然刺激了机器人产业的发展。到1980年，美国已拥有3500台机器人。同一时期，日本政府也大力支持机器人制造工业，制造厂家维持在120家左右。1976年，机器人年产量已达7200台。前苏联从1976年起，由于政府重视、国家集中统一领导，到1980年已拥有机器人6800台。前西德历经6年，也拥有3500台机器人。第四阶段为产业发展期。机器人生产企业和市场发展都比较成熟。美国一批大公司相继加入机器人制造行列，如通用汽车、通用电气、IBM等公司。日本机器人公司已有几百家之多，使用机器人数占全世界的50以上。全世界机器人总数已达到近80万台。第五阶段为机器人智能化时期。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人。当前，与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”。进入21世纪，高级机器人即遥控机器人和特种机器人的发展、多种机器人和操作者之间的协调控制以及通过网络建立大范围机器人遥控系统已成为发展趋势。随着遥控及智能化技术的发展，还将出现各种各样的服务机器人，它们将使人真正脱离第一线作业。（3）我国机器人的发展状况我国的机器人历史更为久远，早在古代就有了机器人的记载。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只鸟，并有“三日不下”之说。汉代，大科学家张衡发明了计里鼓车，该车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮。我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，1972年我国开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术与研究得到了政府重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊和搬运机器人。1986年，国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从20世纪90年代初期起，我国掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。工器人技术在实践中前进了一大步，先后研制了焊接、装配、喷漆、切割、包装等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。目前，我国机器人技术研究主要体现在以下五个方面：一是示教再现型工业机器人；二是智能机器人；三是机器人化机械；四是以机器人为基础的重组装配系统；五是多传感器信息融合与配置技术。1.3.2机器人的分类关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式如下表1-1 机器人分类表分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作适应控制型机器人机器人能适应环境变化，控制自身的行为学习控制型机器人机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中智能机器人以人工智能决定其行为的机器人我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类：即工业机器人和特种机器人。依据具体应用的不同，工业机器人又常常以其主要用途命名。如：焊接机器人、装配机器人、搬运机器人、喷漆机器人等。而特种机器人则是除工业机器人之外的，用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。1.3.3机器人的应用随着机器人技术和航空航天技术的不断发展，在特种机器人中，有些分支发展很快，以独立的体系进一步发展。如服务机器人、水下机器人、空间机器人等等。随着世界经济和技术的发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。伴随着人类文明的进步，由机器人代替人完成危险、恶劣环境下的作业是社会发展的必然趋势，世界上许多国家都在积极进行特种机器人的开发研究工作。机器的产生本身己经大大提高了劳动生产率和产品的质量。随着机器人的产生和大量应用，很多领域的单一、重复的机械工作已经开始由机器人(机械手)来完成。如：用于飞机、轮船、大型油罐、高层建筑等的日本的清洗机器人；用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道铺设和检查等的美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人；用于军事领域的美国的NAVPLAB自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车(DARDS)，德国NV4爆炸物处理机器人等等。机器人的应用给人类带来了许多便利，满足了社会生产的需要。目前，机器人的应用主要包括以下几种：（1）工业机器人工业机器人是机器人家族中的重要成员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。工业机器人一般用于在机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、上下料、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业。工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。此外，工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。1990年世界通用工业机器人年销量为8.1万台，1997年达到8.4万台。2003年增加到12万台，增长率约为10。如图1.1所示为正在作业的焊接机器人。图1.1弧焊机器人（2）服务机器人随着机器人技术的发展，机器人的应用领域越来越广泛，已不再局限于传统的制造业。服务机器人就是机器人家族中的一个新成员，但他的应用范围却很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。1999年末，世界全部服务机器人至少为6600台。如图1.2所示为消防机器人。图1.2消防机器人（3）水下机器人随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源日益减少。为了生存和发展，海洋开发势在必行。海底世界不仅压力非常大，而且没有光线，环境非常恶劣。不论是沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘探和开采，都很难完成5。于是人类开始发展水下机器人，以不断为人类解开大海之迷。如图1.3所示为我国的探索者号水下1000米机器人。图1.3“探索者”号水下机器人4）微型机器人微型机器人和微操作系统是在细微空间或狭窄空间内进行精密操作、检测或作业的机器人系统。它在核电站细小管道、发动机等狭窄空间检测、军用侦察、医疗等领域有广泛的用途；并且在生命科学、精密组装和封装等方面有广阔的应用前景。如图1.4所示为微型飞行器。图1.4微型飞行器（5）军用机器人历史上，高新技术大多首先出现在战场上，机器人也不例外。随着机器人技术的快速发展，军用机器人武器的研制也备受重视。二战以后，现代军用机器人的研究首先从美国开始，他们研制出了地面军用机器人、无人机等。近十几年来，在连续不断的局部战争的推动下，军用机器人的发展产生了质的飞跃。各个国家都在开发研制军用机器人，以壮大自己的军事实力。如图1.5所示为德国的排爆机器人。图1.5德国的排爆机器人（6）空间机器人空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人。包括内层空间飞行机器人和外层空间探测作业机器人等。如图1.6所示为美国火星探测机器人。除此之外，还有仿人机器人、娱乐机器人、农林业机器人和机器人化机器等。第2章 机械手的总体设计2.1 机械手的组成及各部分关系概述机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）。驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2 机械手的设计分析2.2.1 设计要求某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 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, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转180度手腕回转90度手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。2.2.2 总体设计任务分析(1) 结构形式的设计: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种。圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型，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，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。综合上述各类型特点和本机械手的设计要求，故本次设计中采用回转坐标型。 (2) 自由度的确定：自由度(Degrees of Freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动P，为旋转运动R。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即RPPR型。(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于CAD技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。综上，经过比较，本次设计采用液压驱动。(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（PTP）2）连续轨迹控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。综上，本次设计采用点位控制。另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用PLC控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。2.2.3 总体方案拟定因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，简图下所示： 图2-1 机械手结构简图自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。第3章 机械手结构的设计分析3.1 末端操作器的设计分析3.1.1 末端操作器的概述工业机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手2）吸附式取料手3）专用操作器及转换器4）仿生多指灵巧手。夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。因为专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手的技术难度及成本要求都比较高，故在此不多做介绍。3.1.2 末端操作器结构的设计分析根据发动机曲轴结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。其中V形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。3.2 手腕的设计分析机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。此处手腕需实现手部的翻转（Roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。3.3 手臂的设计分析手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现。本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。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，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。简图如下：图3-1 四导向杆式手臂机构简图从图中可以比较清楚地看到手臂伸缩油缸结构及导向杆的安放方式以及手臂与其他部件的连接点。手臂俯仰运动采用单作用（单活塞杆）缸来驱动。直线油缸的缸底与机身通过铰链相连，而油缸活塞杆的伸出端则与臂部铰接，这样当压力油进个油缸时就驱动活塞杆往复运动，通过活塞杆的运动就使与其相连的手臂形成了俯仰的运动。由于俯仰油缸是采用底部耳环摆动式直线缸，所以在活塞杆往复运动的同时，缸体可在平面内摆动。采用摆动马达来实现手臂的回转。摆动马达布置在机身上部，手臂部件用销轴与回转缸体上的耳叉连接，作为手臂俯仰运动的支点。回转缸的转轴和机身固定连接，摆动缸的动片与缸体相连，当摆动缸进压力油时，通过叶片的带动，缸体随之转动，从而实现机身的回转。对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量地近，以减少偏重力矩。为减少转动惯量：1）可减少手臂运动件的轮廓尺寸。2）减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在较小的前伸位置进行回转动作。3）在驱动系统中设有缓冲装置。3.4 机身和机座的设计分析机身，又称为立柱，是支撑手臂的部件，并能辅助实现手臂的升降、回转或俯仰运动。它是机器人的基础部分，起支承作用。对固定机器人，直接连接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上。机器人机座可分为固定式和行走式两种，一般工业机器人的机座为固定式。固定式机器人的机身直接连接在地面基础上，也可以固定在机身上。此处要求机械手的工作范围比较小，故设计为固定式机器人，机身与机座用螺柱连接，机座用螺栓固定在地面基础上。机身设计要求：1）刚度和强度大，稳定性好2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死3）驱动方式适宜，结构布置合理。第4章 机械手各部件的载荷计算4.1 设计要求分析本课题设计的曲轴搬运机械手采用关节型坐标系、全液压驱动，具有手臂伸缩、俯仰、回转和手腕回转四个自由度，以及手指的抓取动作。执行机构相应由手部抓取机构、手腕回转机构、手臂伸缩机构、手臂俯仰机构、手臂回转机构和各定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。它完成的动作循环为：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转180度手腕回转90度手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。4.2 手指夹紧机构的设计设计中采用四指V形结构，指面光滑，避免工件被夹持部位的表面受损。手指的驱动采用弹簧复位（单活塞杆）单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位。手指厚度根据需要夹持的工件设定，V形指合拢后的的尺寸为工件被夹持部位直径的外接正六边形，保证了机械手工作时的可靠性。4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部结构的主要依据。夹紧力必须克服工件重力所产生的载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力计算： （4-1）式中： 安全系数，通常取1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可估算：= （4-2）其中：重力加速度；运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算： （4-3）运载工件时重力方向的最大上升速度，0.07。系统达到最高速度的时间，一般取0.30.5。方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。0.91.1。被抓取工件所受重力（）。计算可得：手指夹紧由单作用液压缸驱动实现，则手指夹紧缸的载荷为：1604.3 手臂伸缩机构载荷的计算 手臂伸缩采用双作用液压缸实现，臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还在克服启动过程中的惯性力。其驱动力可可按下式计算： （4-4）式中： 各支承处的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： （4-5）式中： G运动部件所受的重力（）； 外载荷作用于导轨上的正压力（），其大小可按下式计算： （4-6） 摩擦系数，取0.1，详见机械设计手册表23.4-1；启动过程中的惯性力（），其大小可按下式估算： （4-7）式中： 重力加速度，取9.8；速度变化量（）。如果臂部从静止状态加速到工作速度时，则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。启动或制动时间（），一般为0.1。对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取0.51.5。经过计算得：=4.4 手臂俯仰机构载荷的计算当手臂从水平位置成仰角时或从角度恢复为水平时的加速或减速过程，铰接活塞杆的载荷（即俯仰直线缸驱动力）达到最大。其在垂直方向上的最大线速度为0.07，加速时间为0.1，由于升降过程一般不是等加速运动，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。则手臂俯仰油缸载荷： （4-8）式中： 手臂俯仰缸所支撑的重量（），由下式可得： 手臂俯仰缸的活塞杆的加速度。经过计算得：4.5 手腕摆动机构载荷力矩的计算设计采用摆动液压缸实现，缸盖通过法兰与手臂活塞杆联接，结构如图所示：图4-1 手部结构简图手腕回转运动驱动力矩，应根据抓紧工件时运动产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。回转动时，由于起动过程中不是等加速运动，所以最大驱动力矩比理论上平均值大一些，计算时一般取1.3倍。计算时还要考虑液压马达的机械效率（0.90.99），驱动力矩按下式计算： （4-9）式中：摩擦力矩(包括各支承处的摩擦力矩)（）；起动时惯性力矩（），一般按下式计算： （4-10）其中： 臂部对其回转轴线的转动惯量（）；速度变化量（）；回转运动起动或制动所需的时间（），一般为0.10.5。对轻载低