JX02-249@重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计
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机械毕业设计全套
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JX02-249@重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计,机械毕业设计全套
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毕业设计 (论文 )中期报告 题目 ：重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计 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 22 日 nts一、 设计（论文）进展状况 1. 完成与课题相关的英文资料的翻译。 2. 通过详细了解 搬运机器人各部分的设计原则，进行了 系统总体方案设计以及包括： 堆垛系统机构中搬运机械手、堆垛机械手、 传送带的初步设计计算。 此搬运 堆垛 机器人 由搬运机构、传送机构、堆垛机构、旋转机构四部分组成。四机构分别由各自的电机驱动，运动相对独立。 根据该课题所给的工作环境和工作要求，设计了 该搬运堆垛机构系统 的结构简图。 二、 存在问题及解决措施 问题： 1. 传动机构的设计计算 解决 措施： 通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、书籍等。 考虑到机构的可行性及操作的简便性选择的传动机构为 电机传动、 液压 传动（ 搬运机械手爪和堆垛机械手抓 ）。 2. 搬运机械手抓和堆垛机械手抓的设计 解决措施： 考虑到手爪夹取重量为 100Kg。 常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。 若 采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大，显然是不合适的。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。 3. 手部夹持力的计算 解决措施 ：搬运机械手爪和堆垛机械手爪 靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。 三、 后期工作安排 1 继续进行相关计算，根据计算结果校核 机械手的结构尺寸 ，调整相关结构和尺寸确定最终装配图。 第十一到第十五 周 2 将论文、 图纸交老师查阅。 第十六到 十七周 3 准备终期答辩。 第十八周 nts nts nts I 重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。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。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的 应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求， 并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。 关键词： 搬运机器人；液压系统；机械结构设计 nts II Heavy barrelled delivery stacking system design ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Through a detailed understanding of the robot in the industrial application, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robots hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures. The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And realize the operational handling robot. Keywords： Transfer robot； Hydraulic System； Mechanical Design nts III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 工业机器人简介 . 1 1 绪论 . 1 1.1 工业机器人简介 . 1 6.1 主要任务 . 20 6.2 技术要求 . 20 6.3 设计步骤 . 20 6.3.1 搜集资料 . 20 6.3.2 计算 . 21 6.3.3 装配图及零件图的绘制 . 21 6.4 设计感想 . 21 致 谢 . 24 6.3.1 搜集资料 . 20 6.3.2 计 算 . 21 6.3.3 装配图及零件图的绘制 . 21 6.4 设计感想 . 21 参考文献 . 24 致 谢 . 24 毕业设计（论文）知识产权声明 . 25 毕业设计（论文）独创性声明 . 26 nts1 绪论 1 1 绪论 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，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代 起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，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，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，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替 ,这一方面可以减轻工人的劳动强度 ,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人 是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在 1960 Versatran 和 Unimate 两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不上使用的搬运机器人逾 10 万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成 。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学、机械学、nts 2 电器液压气压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。 生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率 ,改善劳动条件 ,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段 ,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手， 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工 操作；其二、它能按照生产工 艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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，适用范围比较广的 “程序控制通用机械手”，简称通用 机械手 错误 !未找到引用源。 。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备 普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数nts 3 外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照结构形式的 不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部 分组成。 1.2 世界机器人的发展 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 机器人的分类方法有多种 , 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。 搬运 机械 人 的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性 。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机器人首先是从美国开始研制的， 1958 年美国联合控制公司研制 出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制，它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人则 能独立地完成工作过程中的任务 ,它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ CIM）要求机器人系统能和车 间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系nts 4 统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (1) 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、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、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3) 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大 提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使 遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (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 我国工业机器人的发展 有人认为，应用机器人只是为了节 省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 我国的工业机器人从 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操作机的设计制造技术、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nts 5 套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，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、成本也不低，而且质量、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，搞好系列化、通用化、模化设计，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。其中最为突出的是水下机器人， 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合 控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点： (1) 搬运机械手 性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降 。 (2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 :由关节模块、连杆模块用重组方 式构造 搬运机械手 整机 ;国外已有模块化装配 搬运机械手 产品问市。 (3) 搬运机械手的 控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化 ;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 搬运机械手 中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 搬运机械手 还应用了视觉、力觉等传感器， (5) 虚拟现实技术在 搬运机械手 中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控 机械手 操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵 搬运机械手 。 1.4 本文研究内容 1.4.1 机械手的技术参数 nts 6 对象：直径 300mm，高 400mm 的柱形桶装； 抓重： 100Kg(夹持式手部 )； 自由度数： 3 个（手抓张合、手臂上下、左右移动）； 坐标形式：直角坐标； 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。安全系数 K 一般可在 35.1 。 1.4.2 工作范围 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： 手臂升降行程 350mm 手臂水平运动行程 500mm 1.4.3 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。搬运机械手要完成整个搬运过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩，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： （ 1） 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间； （ 2） 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，应尽量选取较低的运动速度。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。 （ 3） 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。 搬运机械手的各 运动速度如下： 手臂伸缩速度： smmv /50臂伸； 手臂升降速度： smmv /50臂升； 手臂水平运动速度： smmv /50水平手指夹紧油缸的运动速度： smmv /50夹nts 7 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 悬挂式机械手 。机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，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、伸缩运动，工作范围较大。 nts2 结构方案 8 2 结构设计方案 2.1 总体的设计思路 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。具体到本设计，因为要 求搬运的加工工件的质量达 100Kg、直径为 300mm、高为 400mm 的圆桶， 同时考虑到数控机床布局的具体形式及对堆垛机的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 3 种运动 ,其中手臂的前后和升降运动为两个直线运动，综合考虑，机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择直角坐标形式，即一个手爪张合自由度和两个移动自由度，其特点是 :结构比较简单。 （ 1） 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务； （ 2） 分析机器人所在系统的工作环境； （ 3） 根据机器人的工 作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。 （ 4） 选择各部件（手部、臂部、基座）的具体结构，进行机器人总装图的设计； 2.2 拟采用的方案 2.2.1 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为 3自由度即：手 爪张合、臂部升降、臂部的伸缩。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结 构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。 由于本机械手是对 桶装成品 进行搬运 堆垛 ，它具有升降、伸缩、的自由度要求 ， 所以选用 直角 坐标型机械手。 2.2.2 驱动方式的选择 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维nts 9 修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低 。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运堆垛机构的驱动机构采用液压驱动。 2.2.3 手部的设计 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本 次设计的手部 选择夹持类回转型结构手部。 2.2.4 臂部的设计 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。因此，在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、升降运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。 本次设计实现臂部的左右移动、升降运动， 采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂 的左右移动和升降。 机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 2.2.5机座的设计 机座是 机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面或悬挂在支架上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用悬挂式机身结构。 2.2.6机械手的技术参数 （ 1） 抓重： 100Kg(夹持式手部 ) （ 2） 自由度数： 3 个（手抓张合、手臂上下、左右移动） （ 3） 坐标形式： 直角坐标 nts 10 （ 4） 手臂运动参数 手臂左右行程： 500mm 手臂上下行程： 350mm nts3 手部结构 11 3 手部结构 3.1概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式 不像 人手，它的手指形状也 不像 人的手指，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式 和其他型式。 根据设计要求，本文采用夹钳式的手部结构。 钳爪式手部结构由手指和传 动 机构 和驱动装置三部分 组成。其传 动 机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。 3.2 设计时应考虑的几个问题 （ 1） 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 （ 2） 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工 件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 （ 3） 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 V形面的手指，以便自动定心。 （ 4）应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 （ 5）应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工 件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 3.3 夹紧力的计算 nts 12 手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用 FN表示 ,可按下式 3-1 计算： N 1 2 3F K K K G （ 3.1） 式中： K1_安全系数 ,有机械手的工艺和设计要求确定，通常取 1.2 2.0； K2_工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算： 2=1 /K a g 其中， a _运载工 件时重力方向运动最大加速度； g _重力加速度， 2s/8.9 mg ； max/a v t 响 maxV_运载工件时重力方向的最大上升速度； t响 _系统达到最高速度的时间，一般取 0.03s0.5s； K3_方位系数 ，根据手指形状与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定； G_被抓取工件重力（ N）。 本设计 K1 取 1.8， 75.12.0/35.0/m a x 响tva ， 75.275.11/12 gaK 3K取 1，机械手所抓工件重 100kg; 根据公式计算 NGKKKF N48008.9100175.28.1321 3.4 夹紧缸的拉力的计算 实际所采用的液压缸驱动力大于 F。手爪的机械效率 ，取 85.0 。 NFF 5 6 0 085.0/ 实际 3.5 确定夹紧缸的直径 PdDF )(4/ 22 实际（ 3.2） nts 13 式中 D_活塞直径 (mm)； d_活塞杆直径 (mm)； P_驱动压力 (Pa)。 取活塞杆直径 Dd 5.0 , MPaP 5.1 。 )75.0/(42 PFD （ 3.3） mmPFD 244)75.0/(4 （ 3.4） 取液压缸内径为 mmD 250 ； 活塞杆直径 mmDd 1255.0 ； 活塞厚 mmDB 1002508.0)0.16.0( ； 缸筒长度 DL )32( ,取 mmL 500 ； 活塞行程，当抓取 300mm 工件时，手爪从张开 330mm 减少到 300mm，活塞移动的距离大约 50mm，取行程 mmS 50 。 nts5 液压系统的设计 14 4 臂 部的结构 4.1 概述 机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则： （ 1） 应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制； （ 2）机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没 有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间； （ 3）为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂 形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量； （ 4）机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构； （ 5）机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平 衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量； （ 6）机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 4.2 臂部具体设计方案及计算 根据机械手实际工作需要，确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。机械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）nts 15 组成。直线运过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中，大概 100Kg，属中型重量；同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全 性，对手臂的刚度有较高的要求。本设计选择液压驱动方式，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件。 具体的设计方案为：机械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动，通过 2 个相互垂直的液压缸来实现。其中 :大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降，小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。同时，因为控制和具体工作的要求，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的，所以在设计时另外增设了导向装置。目前常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。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性。本设计机械手的臂部剖面图如图 3-2 所示。 4.3 前后伸缩手臂的设计计算 4.3.1 前后伸缩手臂驱动力的计算 手臂作水平伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 : 回密摩惯 FFFFF (3.5) 式中 : 惯F_在起动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力 ; 摩F_摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处得摩擦阻力 ; 密F_密封装置处的摩擦阻力 (N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同； 回F_液压缸回油腔低压油液所造成的阻力； （ 1） 惯F的计算 )/( tgvGF 总惯（ 3.6） 式中 : 总G_参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； g _重力加速度，取 9.81 2m/s ； v _由静止加速到常速的变化量（ m/s）； t _启动过程时间（ s） ,一般取 0.010.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值。 由设计参数可知 smv /35.0 ，并取 st 1.0 nts 16 NtgvGF8 7 5 0)1.08.9/(35.08.92 5 0 0)/( 总惯 （ 2）摩F的计算 总摩 GF （ 3.7） 式中： 总G_参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； _当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面： )57.127.1( _摩擦系数，对于静 摩擦且无润滑时取 318.0 NGGF6 4 0 08.92 5 0 02.03.13.1总总摩（ 3）密F的计算 采用“ O”形密封圈，简化计算时，可视作 FF 03.0密 （ 3.8） （ 4）回F的计算 回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故 NF 0回所以由式（ 3-5）得驱动力 NFFFFFF1 5 6 0 0003.064008750 回密摩惯 4.3.2 前后伸缩液压缸的内径计算 手臂伸缩运 动的驱动力 F 由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径 d ，油缸经 D ,取 Dd 5.0 ,油液压力取 pa5105.1 ，则油缸内径计算如下： )75.0/(4)(4/1222PFDPdDF （ 3.9） nts 17 mmPFD36010)14.3105.175.0/(156004)75.0/(435 经查表工业机械手设计，选取液压缸内径 mmD 400 。 4.3.3 活塞杆直径 d 的计算 活 塞杆直径 mmDd 2005.0 ，经查表工业机械手设计表 4-5，选取活塞杆直径 mmd 200 。 4.4 上下伸缩手臂的设计计算 4.4.1 上下伸缩手臂驱动力的计算 手臂作上下伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 GFFFFF 回密摩惯（ 3.10） 式中 摩F_摩擦阻力，FFfF 33.02 摩 ， 取 16.0f ； G _零部件及工件所受总重力。 惯F、密F、回F的计算与前后伸缩手臂相同。 由式（ 3.3）得： NtgvGF6 3 0 0)1.08.9/(35.08.91 8 0 0)/( 总惯 易知 NF 0回，由式（ 3.4）知， FF 03.0密所以驱动力 NFFGFFFFF374008.91800003.033.06300 回密摩惯 4.4.2 上下伸缩液压缸的内径计算 油缸内经 D ,取 Dd 5.0 ,油液压力取 paP 5104 ， 由式（ 3.6）计算得： mmPFD390)75.0/(4 经查表工业机械手设计表 4-3，选取液压缸内径 mmD 400 。 4.4.3 活塞杆直径 d 的计算 活塞杆直径 mmDd 2005.0 ，经查表工业机械手设计表 4-5，选取活nts 18 塞杆直径 mmd 21 。 nts5 液压系统简介 19 5 液压系统简介 机械手的液压 传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积 式液压传动。 nts6 总结 20 6 总 结 我的毕业设计题目是“重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计”，本课题要求根据参数要求，设计一种搬运机器人。 6.1 主要任务 （ 1） 了解搬运机器人的功能、结构、用途以及发展状况； （ 2） 选择并分析搬运机器人的整体设计方案； （ 3） 根据设计参数和设计要求，进行机器人运动系统的设计计算； （ 4） 进行机器人运动学和静学分析计算，完成主要零部件强度校核验算； （ 5） 绘制装配图及关键零件工作图。 6.2 技术要求 （ 1）根据任务要求，进行搬运机器人结构与传动系统总体方案设 计，确定传动及执行系统的组成，绘制系统方案示意图。 （ 2）根据设计参数和设计要求，通过计算确定手部以及臂部的主要结构参数
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