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办公打印机整箱码垛机械手的设计【气动】【四自由度】【5张图纸】【优秀】

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关键词：: 办公打印机整箱码垛机械手设计气动自由度图纸

资源描述：

办公打印机整箱码垛机械手的设计

33页 16000字数+说明书+开题报告+5张CAD图纸

中期.doc

办公打印机整箱码垛机械手的设计开题报告.doc

办公打印机整箱码垛机械手的设计论文.doc

手臂伸缩手腕回转部分.dwg

手臂升降回转.dwg

活塞杆.dwg

缸体.dwg

装配图.dwg

摘要

　　　工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。目前工业机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及码垛等重复性并且劳动强度较大的工作。本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点及国内外发展状况，本文主要对机械手进行了总体结构设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的手部结构、腕部结构及机械手的升降臂和回转臂结构，研究了机械手的气动系统。

关键词：工业机器人;机械手;码垛

1 绪论1

1.1 课题背景及研究意义1

1.2 国内外相关研究情况1

1.2.1 国内机器人研究情况1

1.2.2 国外机器人研究情况2

1.3 机械手的组成和分类2

1.3.1 机械手的组成2

1.3.2 机械手的分类5

1.4 本课题研究的主要内容6

1.5完成本课题的工作方案及进度计划7

1.6毕业设计的工作量要求7

2 机械手的设计方案8

2.1 机械手的座标型式与自由度8

2.2 机械手的手部结构方案设计8

2.3 机械手的手腕结构方案设计8

2.4 机械手的手臂结构方案设计8

2.5 机械手基座部分设计8

2.6 机械手的驱动方案设计9

2.7 机械手的技术参数9

3 手部结构设计10

3.1 夹持式手部10

3.2 手部设计的基本要求10

3.2.1 应具有适当的夹紧力和驱动力10

3.2.2 手指应具有一定的开闭范围10

3.2.3 应保证工件在手指内的夹持精度10

3.2.4 要求结构紧凑、重量轻、效率高10

3.2.5 应考虑通用性和特殊要求11

3.3 手部驱动气缸的设计11

4 手腕结构设计14

4.1 手腕的自由度14

4.2 手腕的驱动力矩的计算14

4.2.1 腕部回转支承处的摩擦力据14

4.2.2 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩14

4.2.3 克服启动惯性所需的力矩15

4.2.4 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩15

5 臂部结构设计17

5.1 臂部设计的基本要求17

5.1.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻17

5.1.2 臂部运动速度要高，惯性要小17

5.1.3 手臂动作应该灵活17

5.2 手臂伸缩与手腕回转部分18

5.2.1 结构设计18

5.2.2 导向装置18

5.2.3 手臂伸缩驱动力的计算19

5.3 手臂升降和回转部分19

5.3.1 结构设计19

5.4 手臂伸缩、升降用液压缓冲器20

5.5 手臂回转用液压缓冲器20

6 基座结构设计22

7 结论23

参考文献24

致谢26

设计技术参数:

　　抓重:6.5kg

　　自由度数:4个自由度

　　坐标型式:圆柱坐标

　　最大工作半径:3000mm

　　手臂最大中心高:

　　手臂运动参数: 伸缩行程：500mm

　　　　　　　　　　　升降行程：660mm

　　　　　　　　　　　回转范围：

　　　　　　　　　　　回转速度：

　　手腕运动参数: 回转范围：

　　　　　　　　　　　回转速度：

　　手指夹持范围:250mm*380mm*220mm

　　定位方式：可调机械挡块

　定位精度:

　缓冲方式：液压缓冲器

　驱动方式:气压传动

　控制方式:点位程序控制

　　　(一)执行机构

　　　包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

　　　1、手部

　　　即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

　　　手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。

　　　而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。

　　　附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

　　　对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

　　　对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

　　　用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

　　　此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。

　　　2、手腕

　　　是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。

　　　3、手臂

　　　手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。

　　　手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。

　　　导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。

　　　4、立柱

　　　立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

　　　5、行走机构

　　　当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

　　　6、机座

　　　机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

　　　(二)驱动系统

　　　驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四中形式。

　　　（三）控制系统

　　　控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

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内容简介：: 毕业设计（论文）中期报告题目：办公打印机整箱码垛机械手的设计系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师 2013年3月20日1.设计（论文）进展状况1.1 查阅了机械专业相关的基础课程和工业机器人，参考相关文献，并且完成一篇于本设计课题相关的外文翻译。1.2 通过分析机械手的原理，确定了机械手的类型为圆柱坐标式机械手，并进行了机械手手部的设计及基本的计算。1.3 确定其他部件如手腕手臂的结构，确定驱动方式。1.3.1 手部驱动力计算本课题机械手的手部结构为齿轮齿条式手部传动示意图，其驱动力为，其工件质量m=6.5kg，b=150mm，R=24mm。摩擦系数为f=0.1。（1）根据手部结构的：（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：所以：（3）实际驱动力：因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取a=2g时，则：所以: 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。1.3.2气缸的直径本气缸属于单项作用气缸。根据力平衡原理，单项作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：式中：活塞杆上的推力，N 弹簧反作用力，N 气缸工作时的总阻力，N 气缸工作压力，Pa弹簧反作用力按下式计算：式中：弹簧刚度，N/m 弹簧预压缩量，m 活塞行程，m 弹簧钢丝直径，m 弹簧平均直径，m 弹簧外径，m 弹簧有效圈数弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。1.3.3缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:2 存在问题及解决措施在计算中，还存在很多问题，公式的运用不熟练，因为是设计，其中有许多尺寸并不是确定的，需要自己的选择，在后面的设计中加强这方面的能力。绘图方面同样需要加强，因为计算并未完成，所以绘图方面并没有开展，但因为对绘图工具的长时间不使用，有了一些陌生，同样需要加强绘图能力。最后需要对机械手的控制方式进行设计，因对其不熟悉，需加强学习。3 后期工作安排第9周-第10周：完成计算剩余的内容。第11周-第12周：完成装配图和零件图。第13周-第14周：完成毕业论文，写说明书。第15周：准备答辩。指导教师签字：年月日毕业设计（论文）开题报告题目：办公打印机整箱码垛机械手的设计系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师 2013年12月20日1、毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。1.1 课题名称办公打印机整箱码垛机械手的设计1.2 课题研究背景和意义随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流作为现代经济的重要组成部分和工业化进程中最为经济合理的综合服务模式，正在全国范围内得以迅速发展。自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。码垛机械手是完成自动化立体仓库中最重要的设备之一，是货物堆放到立体仓库的前端设备，它能够把单一的物料码放到一起，便于运输，提高了生产效率。它将已装入容器的纸箱，装入大袋的化工产品、水泥、粮食等按一定排列码放在木质（或塑料）托盘上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。可大大地减少劳动人员和降低劳动强度，是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。1.3 国内外相关研究情况最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为46轴机器人，主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式，均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计，具有较高的机械性能和抗震能力；驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器，取消了腕部关节驱动电机和平衡块，大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件，还设计了真空吸持、夹持、义式等多种形式的智能末端执行器。这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统，令机器人能够高速、精准、稳定可靠地运行。如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件，可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时，遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制，被动安全功能可实现机器人进行负载识别。日本FANUC M410i系列码垛机器人软件体系也非常强大，PalletTool /PalletPROTM用于码垛设置、仿真和操作;Supports Collision GuardTM用于减少机器人、夹持器、箱/袋以及外围设备的碰撞损坏;基于网络的软件工具用于远程联机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统，用于引导机器人完成拆垛和检查工作。我国的工业机器人从上世纪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20余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人也已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域狭窄，生产线系统技术与国外相比仍有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200多台，仅占全球已安装台数的万分之四。形成以上现象的主要原因是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是迎合客户的要求，即“一个客户，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，成本高，而且质量和可靠性不稳定。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，完善系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。2 本课题研究的主要内容和研究方法或措施。2.1 主要内容（1）了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用、基本结构和工作原理。（2）了解并分析办公打印机下线搬运码垛的工作路线。（3）完成该机械手的结构设计和主要部件的设计计算。（4）应用软件绘制所设计机械手的装配图。2.2 研究方法（1）收集相关资料，并对现有的资料进行研究分析，进而分析自己完成本课题还存在那方面的困难，除了现有的知识外还应该具备那些新的知识。（2）向指导老师咨询有关问题和上网查文献资料。（3）设定并计算机械手的相关参数。（4）画出装置草图并进行相关修改。（5）用计算机绘制装配图和零件图。（6）模拟调试后对整个机械手进行完善。2.3机械手的组成码垛的作用是将装箱的产品有规律地码放在垛盘上，以便入库和出厂。码垛机械手的工作原理是在高速干包生产线上，通过输箱链道将箱子有规律地集中到整理平台上，外形尺寸和垛盘相等，上下层排列方式不同，机械手从整理平台上将整层的箱子抓起、上升、旋转到垛盘上方、下降、放到垛盘上，码到规定的层数，完成一垛的码垛。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。如下图所示： (1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。手部即与物件接触的部件。由于与对象接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。手臂手臂是支承被抓对象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取对象，并按预定要求将其搬运到指定的位置. 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (2)驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。根据设计要求选用直接驱动，没有远距离传动的必要。 (3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由过程控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (4)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。机械手的手部是用来抓持工件的部件，将直接影响到机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计手指应有一定的开闭范围。它的大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。手指应有足够的夹紧力，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷应能保证工件在手指内准确定位。本设计题目中的打印机为已装箱的惠普1020激光打印机，其基本参数如下表述示：对象尺寸（mm）对象重量（kg）垂直行程mm半径（米）？250*380*220【注】6.5500-17503【注】参照惠普激光打印机1020参数：产品尺寸 242*370*209 产品重量 5.8kg搬运码垛行程：水平方向：伸缩行程500mm纵向（即铅锤方向）升降行程：660mm3、本课题研究的重点及难点，前期已开展工作对绘图软件的掌握不熟练，可能会影响绘图，但会努力学习，以便尽快熟练的使用绘图工具。由于没有实际工作经验，在很多参数的选择上，可能会出现考虑不充分的问题，但会尽量参考资料，选择合适的参数。查找资料，准备机械手的设计前期准备。 4、完成本课题的工作方案及进度计划 13周：调研并收集资料。 36周：确定设计方案和整体结构特点。 711周：完成结构设计计算。 1215周：完成机械手结构设计的总装配图。 1618周：完成论文撰写，准备答辩。毕业设计（论文）的工作量要求：毕业设计论文一篇，不少于10000字；（1）实验（时数）或实习（天数）：2周（2）图纸（幅面和张数）：A0图纸（折合）2张；（3）其他要求：外文翻译不少于3000字，参考文献不少于15篇。五、指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师：年月日六、所在系审查意见：系主管领导：年月日参考文献1 濮良贵，纪名刚主编，机械设计（第八版），高等教育出版社，2006.52 刘明保，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报.2004.1.1.3 孙桓，陈作模，葛文杰主编，机械原理（第七版），高等教育出版社，2006.54 刘鸿文主编，材料力学（第四版），高等教育出版社，2004.15 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社.19926 胡洪国，高建华，杨汝清.码垛技术综述J.组合机床与自动化加工技术，2000(6):7- 97 毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师,2008(7):5一78 孙立宁.机器人技术国内外发展状况J .国内外机电一体化技术，2002(4):29- 419 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.410 蔡自兴.机器人原理及其应用.湖南:中南工业大学出版社.1988 11 黄雪梅，赵明扬，陈书宏.机器人生产线仿真系统开发相关技术研究J.组合机床与自动化加工技术2003(3): 30一3312 范印越.机器人技术.北京:电子工业出版社.198813 韩秋实主编.机械制造技术基础(第二版)M.北京.机械工业出版社,200414 朱世强，王宣银.机器人技术及其应用M.杭州:浙江大学出版社，200115 马纲，王之栋，韩松元.一种新型搬运码垛机械手的设计J.机械设计与制造，2000(4):26- 2716 BRANTMARK H.kan,HEMMINGSON Eric.FlexPicker with PickMaster Revolutionizes Picking OperationsJ. Industrial Robot: An International Journal,2001, 28(5):414- 41917 John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,198918 Gao F,Li W M.New kinematic strctures for 2-,3-,4-,and 5-DOF parallel manipulator designs.Mechanism and machine Theory,2002,37:1395-1411 本科毕业设计（论文）题目：办公打印机整箱码垛机械手的设计系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号指导教师 20013年5月办公打印机整箱码垛机械手的设计摘要工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。目前工业机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及码垛等重复性并且劳动强度较大的工作。本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点及国内外发展状况，本文主要对机械手进行了总体结构设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的手部结构、腕部结构及机械手的升降臂和回转臂结构，研究了机械手的气动系统。关键词：工业机器人;机械手;码垛Design of the Automatic Manipulator for Office printers palletizingAbstract Industrial robot technology and applications to some extent,reflect the extent of a countrys level of industrial automation,with the development needs of industrial automation,mechanical hand more and more important in industrial appliations.Current industrial robot is mainly responsible for the welding,coating,handling,and palletizing and other repetitive work and the labor intensity greatly.This paper briefly introduces the concept of industrial robots,composition and classification of the manipulator,the characteristics of peneumatic technology development status of home and abroad.This paper makes an overall design of mainpulator,determine the technical parameters of manipulator.Meanwhile,design and calculation of the manipulator lifting arm and rotating arm structure,design of manipulator han structure.Research of the pneumatic manipulator system.Keywords: industrial robot;manipulator;palletizing目录1 绪论1 1.1 课题背景及研究意义1 1.2 国内外相关研究情况1 1.2.1 国内机器人研究情况1 1.2.2 国外机器人研究情况2 1.3 机械手的组成和分类2 1.3.1 机械手的组成2 1.3.2 机械手的分类5 1.4 本课题研究的主要内容6 1.5完成本课题的工作方案及进度计划7 1.6毕业设计的工作量要求72 机械手的设计方案8 2.1 机械手的座标型式与自由度8 2.2 机械手的手部结构方案设计8 2.3 机械手的手腕结构方案设计8 2.4 机械手的手臂结构方案设计8 2.5 机械手基座部分设计8 2.6 机械手的驱动方案设计9 2.7 机械手的技术参数93 手部结构设计10 3.1 夹持式手部10 3.2 手部设计的基本要求10 3.2.1 应具有适当的夹紧力和驱动力10 3.2.2 手指应具有一定的开闭范围10 3.2.3 应保证工件在手指内的夹持精度10 3.2.4 要求结构紧凑、重量轻、效率高10 3.2.5 应考虑通用性和特殊要求11 3.3 手部驱动气缸的设计114 手腕结构设计14 4.1 手腕的自由度14 4.2 手腕的驱动力矩的计算14 4.2.1 腕部回转支承处的摩擦力据14 4.2.2 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩14 4.2.3 克服启动惯性所需的力矩15 4.2.4 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩155 臂部结构设计17 5.1 臂部设计的基本要求17 5.1.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻17 5.1.2 臂部运动速度要高，惯性要小17 5.1.3 手臂动作应该灵活17 5.2 手臂伸缩与手腕回转部分18 5.2.1 结构设计18 5.2.2 导向装置18 5.2.3 手臂伸缩驱动力的计算19 5.3 手臂升降和回转部分19 5.3.1 结构设计19 5.4 手臂伸缩、升降用液压缓冲器20 5.5 手臂回转用液压缓冲器206 基座结构设计227 结论23参考文献24致谢261 绪论1 绪论1.1 课题背景及研究意义随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流作为现代经济的重要组成部分和工业化进程中最为经济合理的综合服务模式，正在全国范围内得以迅速发展。自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。码垛机械手是完成自动化立体仓库中最重要的设备之一，是货物堆放到立体仓库的前端设备，它能够把单一的物料码放到一起，便于运输，提高了生产效率。它将已装入容器的纸箱，装入大袋的化工产品、水泥、粮食等按一定排列码放在木质（或塑料）托盘上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。可大大地减少劳动人员和降低劳动强度，是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。1.2 国内外相关研究情况1.2.1 国内机器人研究情况我国的工业机器人从上世纪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20余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人也已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域狭窄，生产线系统技术与国外相比仍有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200多台，仅占全球已安装台数的万分之四。形成以上现象的主要原因是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是迎合客户的要求，即“一个客户，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，成本高，而且质量和可靠性不稳定。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，完善系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。但从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。28毕业设计（论文）1.2.2 国外机器人研究情况最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为46轴机器人，主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式，均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计，具有较高的机械性能和抗震能力；驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器，取消了腕部关节驱动电机和平衡块，大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件，还设计了真空吸持、夹持、义式等多种形式的智能末端执行器。这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统，令机器人能够高速、精准、稳定可靠地运行。如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件，可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时，遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制，被动安全功能可实现机器人进行负载识别。日本FANUC M410i系列码垛机器人软件体系也非常强大，PalletTool /PalletPROTM用于码垛设置、仿真和操作；Supports Collision GuardTM用于减少机器人、夹持器、箱/袋以及外围设备的碰撞损坏；基于网络的软件工具用于远程联机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统，用于引导机器人完成拆垛和检查工作。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1.1机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四中形式。（三）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.4 本课题研究的主要内容搬运码垛作业在现代企业的物流管理过程中占有重要的地位，尤其是我国的办公产品生产企业已基本实现自动化流水生产，但办公产品整机下线时的搬运码垛作业仍要依靠人工来完成这项工作，存在劳动强度大、效率低、安全性差等弊端，以不能满足现代生产发展，针对此类问题本课题研究并设计一种用于办公打印机下线搬运码垛的专用机械手。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器：介质清洁，管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题。(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.5完成本课题的工作方案及进度计划13周：调研并收集资料；46周：确定设计方案和整体结构特点； 711周：完成结构设计计算；1215周：完成机械手结构设计的总装配图；1618周：完成论文撰写，准备答辩。1.6毕业设计的工作量要求毕业设计论文一篇，不少于10000字；实验（时数）或实习（天数）：2周；图纸（幅面和张数）：A0图纸（折合）2张；其他要求：外文翻译不少于3000字，参考文献不少于15篇。2 机械手的设计方案2 机械手的设计方案对本机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计本机械手的原则是：充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是已装箱打印机下线操作的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在工作时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。2.2 机械手的手部结构方案设计因为本次设计的机械手为已装箱打印机下线专用机械手，所以把机械手的手部结构设计成夹持式手部。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本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(或俯仰)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移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手基座部分设计毕业设计（论文）基座是机械手的第一个回转关节，机械手的运动部分全部安装在基座上，它承受了机械手的全部重量。2.6 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.7 机械手的技术参数一、用途: 办公打印机整箱码垛二、设计技术参数: 抓重:6.5kg 自由度数:4个自由度坐标型式:圆柱坐标最大工作半径:3000mm 手臂最大中心高: 手臂运动参数: 伸缩行程：500mm升降行程：660mm回转范围：回转速度：手腕运动参数: 回转范围：回转速度：手指夹持范围:250mm*380mm*220mm 定位方式：可调机械挡块定位精度: 缓冲方式：液压缓冲器驱动方式:气压传动控制方式:点位程序控制3 手部结构设计3 手部结构设计手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以机械手的手部结构是多种多样的，大部分手部结构根据特定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，大致可分为夹持式和吸附式两大类。3.1 夹持式手部夹持式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。3.2 手部设计的基本要求3.2.1 应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。3.2.2 手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于抓取或退出工件。3.2.3 应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。3.2.4 要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。毕业设计（论文）3.2.5 应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.3 手部驱动气缸的设计1、手部驱动力计算本课题机械手的手部结构如图3.1所示，其工件质量m=6.5kg，b=150mm，R=24mm。摩擦系数为f=0.1。 3.1 活动式手部（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：（3.1）（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：所以：（3）实际驱动力：（3.2）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取a=2g时，则：所以: 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。2、气缸的直径本气缸属于单项作用气缸。根据力平衡原理，单项作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：（3.3）式中：活塞杆上的推力，N 弹簧反作用力，N 气缸工作时的总阻力，N 气缸工作压力，Pa弹簧反作用力按下式计算：（3.4）（3.5）（3.6）式中：弹簧刚度，N/m 弹簧预压缩量，m 活塞行程，m 弹簧钢丝直径，m 弹簧平均直径，m 弹簧外径，m 弹簧有效圈数弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: （3.7）由以上分析得单向作用气缸的直径: （3.8）代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: （3.9）式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:4 手腕结构设计4 手腕结构设计因为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。所以，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。故而，腕部的设计，必须做到结构紧凑，重量轻。同时腕部作为机械手的执行结构，又承担连接和支承作用，除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，应解决好腕部与臂部和手部的连接。4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整工件的方位，故而它具有独立的自由度，能够使机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才能满足工作需要。所以，手腕设计成回转机构，选用回转气缸来达到运动需求。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力据必须克服手腕启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件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。4.2.1 腕部回转支承处的摩擦力据（4.1）式中、轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求得、轴承直径（m）轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.01-0.02，对于滑动轴承=0.14.2.2 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩（4.2）式中工件重量手腕转动件重量工件重心到手腕回转轴线的垂直距离手腕转动件到手腕回转轴线的垂直距离毕业设计（论文）4.2.3 克服启动惯性所需的力矩（4.3）或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度按下式（4.4）式中工件对手腕回转轴线的转动惯量手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量手腕回转过程的角速度启动过程中所需时间，一般取0.05-0.3s 启动过程中所转过的角度查均质物体的转动惯量表，得： 4.2.4 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸如图4.1所示，它的工作原理为，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个，当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时针方向回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J气缸的压力p和驱动力矩M的关系为: （4.5）图4.1 单叶片回转气缸式中：回转气缸的驱动力据回转气缸的工作压力缸体内壁半径输出轴半径动片宽度上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P1与背压P2之差。则手腕转动时的转动力矩即为： 5 臂部结构设计5 臂部结构设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既承受手部和工件的静、动载荷，而且自身运动有较多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。5.1 臂部设计的基本要求5.1.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。（2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3）合理布置作用力的位置和方向。（4）注意简化结构。（5）提高配合精度。5.1.2 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000-1500mm/s,最大回转角速度设计在180/s内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在90/s。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有4个途径：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3）减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4）驱动系统中设有缓冲装置。5.1.3 手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬毕业设计（论文）臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。5.2 手臂伸缩与手腕回转部分5.2.1 结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，气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作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应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。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向。该机械手的手臂结构主要由双作用式气缸、导向杆、定位拉杆和两个可调定位块等组成。双作用式气缸的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔进入双作用式气缸的两腔时，空心活塞套杆带动手腕回转缸和手部一同往复移动。在空心活塞套杆中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸，一根把压缩空气通往手部的夹紧气缸。在双作用式气缸1缸体上方装置着导向杆，用它防止活塞套杆在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确的方向运动。为了保证手嘴伸缩的快速运动。在双作用式气缸的两个接气管口出分别串联了快速排气阀.手臂伸缩运动的行程大小，通过调整两块可调定位块的位置而达到。手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现。手腕回转是由回转气缸5实现，并采用气缸端部节流缓冲，其结构见剖面图;在附图中所示的接气管口a、b是接到手腕回转气缸的;d是接到手部夹紧气缸的。直线气缸1内的三根气管采用了伸缩气管结构，其特点是机械手外观清晰整齐，并可避免气管的损伤，但加工工艺性较差。另外活塞套杆6做成筒状零件可增大活塞套杆的刚性，并能减少充气容积，提高气缸活塞套杆的运动速度。5.2.2 导向装置气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作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应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。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.2.3 手臂伸缩驱动力的计算在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油(或压缩空气)输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为: （5.1）式中手臂在起动过程中的惯性力摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力) 密封装置处的摩擦阻力，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力5.3 手臂升降和回转部分5.3.1 结构设计手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。转柱上钻有六条气路，在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸，手部夹紧气缸和手臂伸缩气缸，转柱下端的气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体上升，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同上移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆、缓冲撞铁向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。上升行程大小通过调整可调定位块来实现。手臂下降靠自重实现。手臂回转装置由回转缸体、转轴、定片、回转定位块、回转中间定位块和回转用液压缓冲器等组成。当压缩空气通过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手臂亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块和回转中间定位块的位置而定。5.4 手臂伸缩、升降用液压缓冲器手臂伸缩、升降用的是两级节流阻尼的液压缓冲器，其工作原理相同，结构略有差异，手臂伸缩用液压缓冲器结构和工作原理如下所示。在缓冲器缸体1上，装置了可调节流阀a和b，每个节流阀各自并联两只单向阀组成第一级缓冲油路，由可调节流阀c单独组成第二级缓冲油路。当手臂运动到定位前的减速位置时(对于伸缩运动定位前的20-40mm;对于升降运动定位前的15-30mm)，运动部件接触缓冲器油缸的活塞杆5，使油缸左腔里的油液通过节流阀a、单向阀d、e(见原理图)流到油缸的右腔，油液受阻产生阻力抵消运动件(手臂)的部分驱动力和惯性力，使手臂减速运动。当活塞杆5的活塞堵住油口A时，左腔的油液经油口B和节流阀c流到右腔，油液继续受阻，手臂继续减速并最后定位。缓冲器的级冲行程范围为0-39mm(第一级缓冲行程范围为0-28mm; 第二级缓冲行程范围为28-39mm)。第一级缓冲的阻尼力可分别调节节流阀来实现，第二级缓冲的阻尼力可以调节节流阀c来实现。当缓冲行程为30mm时，该缓冲器可以达到平均减速度约为24m/s2，阻尼时间约为0.03s。5.5 手臂回转用液压缓冲器工作原理如下所示，手臂回转运动的液压缓冲器是双缸两级节流阻尼管路连接式的液压缓冲器，缓冲器第一级节流阻尼由单向节流阀完成，第二级节流阻尼由装在缓冲油缸端盖上的可调缓冲阀完成。挡块气缸1的活塞杆作为中间位置定位用，其动作由双电磁铁滑阀A控制。每当手臂旋转要求有中间定位点时，挡块气缸活塞杆作一次伸缩运动，其动作时间与手臂回转动作的指令时间无关。图示为手臂回转中间定位块在某工位即将碰到挡块气缸活塞杆时的位置。当手臂转动到该工位即将停止时，回转中间定位块碰挡块气缸1，使挡块气缸向左移动，左边缓冲油缸2中的油经过两次节流回到气一液转换缸3中，从而起到缓冲作用.当此工位工作完毕，发出信号双电磁铁滑阀A换向，挡块气缸1上部进气使活塞杆下降，同时压缩空气通过电磁滑阀B进入气一液转换缸3的右腔，使压力油进入处于定位状态的左边缓冲油缸2中，使活塞杆伸出把挡块气缸1推回到中间位置，为下一工位的定位缓冲做好准备.在手臂从第一工位转到第二工位或再转到第三工位，亦可重复上述两次缓冲动作过程，因此此液压缓冲器可以实现多个定位点的缓冲和定位。经实践使用，效果较好。挡块气缸从定位缓冲位置回到中间位置的这一复位动作在0.2s以内。这个液压缓冲器的缓冲行程最大为40mm。缓冲油缸的阻尼力在第一段行程0-24范围时，调节单向节流阀4,阻尼力约为1500-2000N;在第二段行程24-40mm范围时，调节阻尼螺钉，阻尼力约为700-1000N。6 基座结构设计6 基座结构设计基座是机械手的第一个回转关节，机械手的运动部分全部安装在基座上，它承受了机械手的全部重量，在设计机械手基座时，要注意以下设计原则：（1）基座要有足够大的安装基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。（2）基座要承受机械手的全部重量和载荷。因此机械手的基座和腰部轴及轴承的机构要有足够大的强度和刚度，及保证承载能力。（3）机械手的腰部应是它的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此要保证设计中腰部轴承及传动链有足够的强度和相当高的精度。（4）为了保证机械手的外部电缆不随机械手的运动而摆动，在设计过程中要解决好固定端与运动端的联接问题。（5）腰部的回转要有相应的驱动装置。（6）腰部结构要便于安装调整。腰部与机械手手臂的联接要有可靠的定位基准面，以保证各个关节的位置精度。（7）为了减轻机器人运动部

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