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加工 中心 上下 装置 设计

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本科毕业设计 外文文献及译文 院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 1 外文文献 : 2011) 16:86 89 011 . H. Y. K. . of a is he a a s 25 it an to A is of of a is a To of of we an of is a is to in In an we in up a at we in on on 2 of a we a no or on of a a 1). a of is or of is on on of As 2, is on on is by a DC a of a is an of of s of an to We in on 2 on he of is of in of a in a is a of a is of of a 5 5, 2011 S. *) 271. K. . o. . in at 67 29, 2011 87 of a of is of of be by be it up an 2a, of = 0.3 m = m, is is of of as 3. is m, if it is .1 is a is a is to a is by a I A a is By nd rd is 文文献及译文 3 in nd rd is a AN a of an to of a rd 3 to rd st to nd to on rd to a a of m. of is of a To of of by a 3-D by a 3-D 1. 2. 3rd of a b of is by C on 9 of of of 3. 3D fi of a on a a b 8 to s of by .2 m/.2 m/s m of 4, 5, . of of of to .2 m/s. a of .5 s to a 3D” by a 3D by on 5, we of in D () () ( ( ) ( We fi in of by m of of 文文献及译文 4 of an by on on of a 9 of in to be as of at ni is of of i. be in We of on in by 9 on is on on o it be on an be by of of a a to of on on a BS a of by a .2 m/s2 .2 m/s m of of 7, of (2b). in of of is a in on in in no of to a of n to rd a An by a DC a 24-V at a m/s. of m. 4. 5. 6. of 7. in a b c d 8. he is 8. In 文文献及译文 5 a m, 4 he of a on on an a rd a of on an on rd a a we to in a to . , et 2009) of 009, 1. , et 2006) of of to of of 006 . , et 2006) of on of 267 1268 4. , , , et 2006) of of 006 . , , , et 2005) on a of of 005 . , , , et 2008) of of 008, 60 163 8. , , , et 2010) of a of 010, 55 463 9. , , , et 2010) of a of 文文献及译文 6 中文译文 : 人工生命的机器人（ 2011） 16:8689011 . H. Y. K. . 个新的修剪机器人的实验研究进展 在 日本只有一个商业产品。 这台 机螺旋 地 爬上一棵树使用电锯 修剪树枝 。然而，机器的重量（ 25 公斤）和 缓 慢 的 速度阻碍它 成为解决森林危机的 最佳解决方案。一个轻量级的平台是必需的，因为在日本，大部分山脉有陡峭的山坡，一个修剪机器人运输是一项艰巨的任务。以提前修剪机器人的艺术状态，我们 提出 一 个创新的修剪机器人 对于外面大多数的树都能高效工作 。 它的 轮 系 机构的设计 是为了适应于 混合爬山，即，机器人能够开关之间的直线和螺旋 爬 升。该方法保证了 机器人的 轻量化和高爬的速度特征在早期的出版物，我们介绍了基本的设计概念和描述的原型实验机器人了。此外，混合爬山法已经证明，该修剪机器人可以 高速的 爬上 爬 下 大 树。在这里，我们报告我们开发机器人的进展，专注于直爬， 善于 不平坦的表面上的 工作 ，和修剪。 2 先进的 修剪机器人随着建设轻修剪的终极目标机器人，我们已经开发了一种新型的爬山法，采用无压或抓机制，而是依靠机器人本身的重量，像 日本传统的伐木工不会爬树的时候（图 1）。该用的一套杆和绳子，这是所谓的 不握不住或抓住树 干 ，而他的质量中心位于树。是的，该可以用自己的重量停留在树上。基于这一新的林业产业的设计概念和要求，修剪机器人 有了很大的发展 。如图 2 所示，该机器人配备了四主动轮。轮 1 和 2 位于上侧 ， 轮 3 和 4 位于下侧。每个轮由直流伺服电机、蜗轮驱动 。 摘要 本文介绍了一个伐木工的发展 像修剪机器人。攀登主要是模仿在日本的登方法。机器人的主要功能包括 对 外面的树 进行修剪工作 ，和一个创新的爬山策略融合 直线和螺旋式攀升 的方式 。这种新颖的设计带来了轻量化和高爬升速度特征的修剪机器人。我们报告我们在发展机器人进展，针对直爬，不平坦的表面上的 工作、 修剪。 关键词 修剪机器人 爬壁机器人 1 引言 日本木材工业已经进入下降的原因 ， 木材价格下降和林业工人老龄化迅速。这导致了森林的破 坏 ，导致在暴雨和山体滑坡的 破坏 山村 地区 。然而，在一个适当的配平状态修剪树 是 值得在上面投资的， 因为其 形成 一个美丽的表面形成年轮。 一个修剪机器人的发展 对 可持续森林管理的创新是很重要的。研究开发 的 修剪机器人 15已经很少见了 。 2011 年 2 月 25 日 机械工程系，丰田民族院校丰田 471知县，日本 电子邮件： 崎 . K. 人与信息系统工程系，岐阜大学，岐阜县，日本 限公司，日本 外文文献及译文 7 雪蛤 业有限公司，岐阜县，日本 这部分工作是在第十六届国际研讨会在人工生命与机器人 项目展现的 ，日本，一月 27日 29日 ， 2011 年。 87 电池 ， 质量中心位于一个错误 的边缘 ，由于摩擦系数不明确、质量中心的位置可能被干扰。 例如，机 器人会倾斜，当它爬上一个不均匀的表面。在图 2a，质心定位参数 H = 和W = ，其中 H 为上轮和下侧面之间的距离轮，和 W 的表面之间的距离躯干和质量中心，如图 3 所示。分析表明机器人当 D 为 ，即使它倾斜约 德。控制器使用一个 构成 ， 配备了无线局域网。该控制器能够通信数据 /命令与个人电脑通过无线局域网。每一轮由速度 制。通过一个高通滤波器的速度反馈输入附加。通过与第二个原型比较，第三原型重量轻，除控制器和电池。同时，控制器和电源分布在外部的第二个原型。第三原型也配备一个无 线局域网和电锯。虽然的电锯细节在这里省略了，实验表明一个分支使用第三切削原型。 3 实验 三实验进行评估的第三个原型。第一个实验是对其基本性能。第二个实验是评价其在不平坦的表面 的 性 能。 第三实验表明机器人是否可以修剪树枝。所有的实验使用替代树在室内进行。替代树直径的是 的摩擦系数 有效的替代树大约是 是小于这一自然的树。收集实验数据 包括 ，该电机电流，机器人的位置和方向，机器人的测定 ， 测量电机电流 。 使用分流电阻。测定位置 的 一个三维位置测量装置（ 数字）。用三维定位测量定位传感 器（ 外文文献及译文 8 图 1。爬树方法使用 图 2。第三修剪机器人原型。照片图像。 B 像 还原机制具有非回驾驶性能。每个车轮的转向角度也由直流驱动 ,伺服电机和蜗轮减速机构。 在分析的基础上， 79 质量中心位于外树与控制器的重量 。 图 3。对一棵树的修剪机器人三维图。侧视图 。 俯视图 本性能 直爬实验进行评估 ， 机器人的基本性能。这四个预期的速度轮子是由梯形的简介。加速度 / 速度为 /秒 ， 车轮半径 ， 。 实验结 果显示在图。 4， 5，和 6。图 4 显示了机器人的速度。各自的速度从旋转编码器的值计算出轮。机器人能爬在 /秒。虽然有一个约 于控制法启动延迟，这是一个问题。图 5 显示移动的距离。 它 的 实现 是由一个三维位置测量设备，和移动的距离每轮计算 从价值上的旋转编码器。在图 5 中，我们发现三种类型的错误：在距离误差的感动每一轮的三维位置测量之间装置（ 间的误差；轮 1（或 3）和 2（或轮 4）（ 轮 1 和轮3 之间的误差（误差之间的 2 和 4 轮轮）（ 我们考虑了两这些错误的可能原因。第一个是差异在每一轮的变形。移 动的距离按 的半径为每个车轮 的每一圈 。车轮是由聚氨酯 合成的 管 ， 它是作用在它变形的力。 它的 变形量的大小取决于力。从理论上分析， 79级在第三原型的力量往往是如下。的正常力近质心变得大于在对面的力。因此，填充扶手椅外文文献及译文 9 形 = 认为是，在法国是正常的力的大小第一轮（ （ 以这样解释。我们认为原因是滑移（ 干上的车轮。图 6 显示了电流在轮毂电机，这是由并联测量电阻。理论分析也表明，在下侧切向力大于上面。图 6 倾向于理论分析 ， 不平坦的表面上安全使用的机器人 正常工作 ，它 必须在不平的树是强大的树干。总是会有由增长引起的颠簸一个修剪枝的遗迹。因此，直爬坡实验进行评估颠簸在树干修剪机器人的性 能 。这个实验在一个替代的凹凸进行。采用 料，和大于天然凹凸。在四轮所需的速度是由一个梯形了简介。加速度为 / 速度为 /秒，每 半径的车轮。 实验结果如图 7 所示，其中显示角度 1 的轨迹和 2（参见图 2B）。 2 角旋转对所有病例加方向，指示这个控制箱上升。这意味着，大众走向树中心。质量中心也走向了树当 1 角方向旋转正方向。这意味着减少摩擦力使机器人在树上。然而，在 2 个 轮子的电流和 4 均大于在实验中连续电流。因此，有没有危险的机器人跌倒。此外，这些角度回到原来的方向，即使角度 1 和 2 发生了当一轮了凹凸。这些结果显示了良好 的 性 能。 剪试验 进行实验，发现无论是第三原型可以修剪树枝。一个附加的电锯是由一个 24V 蓄电池直流电机驱动。机器人爬上螺旋的速度在 /秒的直径的树该目标分为 。 图 7。在每一种情况下滚角和俯仰角。一轮 1 过去的凹凸， B 轮 2 通过凹凸， C 轮 3 通过凹凸， D 轮 4 通过凹凸图 8。机器人与修剪修剪试验 ， 实验的场景如图 8 所示。在这个实验中， 树枝被切 断，只留下一个短暂的残这是小于 ，与树干没有受伤。 4 结论 一个伐木工像修剪的发育进程 ， 机器人已经被描述，针对直爬，其在不平坦的表面行为，修剪树枝。的实验表明，直爬第三原型给了一个很好的基本性能。攀爬的结果在不平坦的路面上试验中表现出良好的鲁棒性颠簸，因为真正的树最凸起的小比实验碰撞。此外，修剪试验 还表明第三的原型可以修剪树枝从一棵树。在今后的工作中，我们希望在实际环境中的机器人测试，试着做一些进一步的改进。 外文文献及译文 10 工具书类 1。张军军， 等人 2009 年开发 行道树爬壁机器人 木本 。 2009 促进了 程序， 107 的发展。 2。 ， 等人 2006 年发展了 结构测量 抓树 力 修剪 树，攀爬修剪机器人 木本 （日本）。2006 年开展 程序 与 机器人与机电一体化 会议。 3。 ， 等人 2006 年开发 攀树和修剪机器人木本。执行器布置在臂端 为了 旋转运动（日本）。 促进了 268 4。 , , ， 等人 （ 2006）评 估了 树枝修剪机器人地图构建系统 的绩效 （日本 ） 。 在 2006 年 开展了 程序和机器人机电一体化 会议。 5。 , , ， et 2005） 研究用于机器人的 修剪系统： 发展了 机器人样机 单元 （日本）。 开展了 机器人 2005 日本机械学会与机电一体化 会议。 6。圣隶 工 业。 。 2011 年 5 月可以访问 7。 , , ， 等人 （ 2008）分析与实验新型爬山法。 开展了 2008， 60163 的 议 。 8。 , , ， 等人 （ 2010） 开发 一个用其自身的重量 的 修剪机器人。 促进 455010， 63 行业的发展 9。 , , ，等人（ 2010）开发的一个 利用 自身的重量 的 修剪机器人（日本）。 促进着 古屋 的发展。 山东 学 院 毕业设计 (论文 ) 加工中心上下料装置设计 作 者 : 学 号： 学院 (系 ): 专 业 : 题 目 : 2016 年 月 摘要 加工中心上下料装置是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用加工中心上下料装置是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。加工中心上下料装置可以代替人手的繁重劳动，显著 减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用加工中心上下料装置是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 本课题的主要内容是采用加工中心上下料装置代替人来进行抓取作业，加工中心上下料装置可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题。解决问题 且在设计中融入 自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使加工中心上下料装置使用方便，结构简单。 关键词： 加工中心上下料装置 ；结构设计；步进电机 ；回转 is a of is to of an It is a of of in a or to in is of is of to of a of of of of in to to To of in to of 录 1 绪 论 . 1 工中心上下料装置的特点 . 1 工中心上下料装置的组成 . 2 行机构 . 2 动机构 . 2 制机构 . 3 文研究主要内容 . 3 2 加工中心上下料装置机构总体方案设计 . 5 工中心上下料装置的基本技术参数确定 . 5 由度 . 5 标形式的选择 . 5 格参数 . 7 效负载 . 7 动特性 . 7 作范围（工作半径） . 8 工中心上下料装置材料的选择 . 8 械臂的运动方式 . 9 工中心上下料装置的驱动元件 . 9 机构整体设计 . 10 3 加工中心上下料装置手抓结构设计 . 12 爪结构设计与校核 . 12 构分 析 . 13 算分析 . 14 机计算 . 17 轮齿条的设计计算 . 20 线滚动导轨副的计算、选择 . 31 齿轮的强度计算 . 33 . 33 轮齿跟弯曲疲劳强度计算 . 36 梁的强度与刚度的计算 . 38 压系统图 . 48 4 上下料装置电气 制系统设计 . 49 下料装置的工艺过程 . 49 制系统 . 49 定输入 /输出点数并选择 号 . 49 配 输入 /输出端子 . 50 需元器件明细表 . 51 制系统程序设计 . 51 总 结 . 55 致 谢 . 56 参考文献 . 57 1 1 绪 论 随着人类科技的进步，社会经济的发展，上下料装置学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，加工中心上下料装置作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到加工中心上下料装置的身影。加工中心上下料装置产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的加工中心上下料装置正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活 动的各个领域。加工中心上下料装置是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于加工中心上下料装置善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，加工中心上下料装置的出现又大大解放了人类的生产力。所以说加工中心上下料装置的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着加工中心上下料装置这一发展趋势，积极地进行着加工中心上下料装置的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用 的加工中心上下料装置或者是加工中心上下料装置。例如：日本的跳舞加工中心上下料装置、犬型加工中心上下料装置爱宝 (英国研制的履带式 “ 手推车 ” 及 “ 超级手推车 ” 排爆加工中心上下料装置；美国 动设计行进路线吸尘器加工中心上下料装置 海世博会使用过的福娃加工中心上下料装置等等。 由于加工中心上下料装置的迅猛发展，加工中心上下料装置进入学校教学是必然的。三自由度加工中心上下料装置作为是加工中心上下料装置的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造 、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。 工中心上下料装置的特点 1加工中心上下料装置能进行自动化生产，降低成本。就本次设计的加工中心上下料装置而言，它能不间断的搬运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。 2加工中心上下料装置能使产品品质稳定，减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于某些高精度产品，人工送取会产生人工污染。 2 3加工中心上下料装置能改善劳动条件，避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以 及工作空间狭窄的场合中，人工操作会有危险，加工中心上下料装置能代替人工作，改善了人们的劳动条件。 4加工中心上下料装置能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，以加工中心上下料装置代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 5加工中心上下料装置的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由度来达到迅速改变作业的可能性。这样加工中心上下料装置能满足各种各样的零件生产，在生产中发挥重大作用。 工中心上下料装 置的组成 工业加工中心上下料装置是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 行机构 一般加工中心上下料装置的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。 动机构 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点 ，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命 长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业加工中心上下料装置能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉、气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力 高可达 1点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，液压系统容易生锈。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂 , 很少采用。机械式用于简单的场合。 3 制机构 加 工中心上下料装置的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 工中心上下料装置 加工中心上下料装置 又叫喷 涂加工中心上下料装置 （ 是可进行自动抓取或喷涂其他涂料的 工业 加工中心上下 料装置 ， 1969 年由挪威 并入 团）发明。 加工中心上下料装置 主要由 加工中心上下料装置 本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的 加工中心上下料装置 还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用 5或 6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有 2 3 个自由度，可灵活运动。较先进的 加工中心上下料装置 腕部采用柔性手腕，既可向 各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。 加工中心上下料装置 一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。加工中心上下料装置 广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门 。 加工中心上下料装置 的主要优点 ： （ 1）柔性大 ， 工作范围大。（ 2）提高喷涂质量和材料使用率。（ 3）易于操作和维护 ， 可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（ 4）设备利用率高 ，加工中心上下料装置 的利用率可达 90% 文研究主要内容 通 过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了解加工中心上下料装置的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。具体设计方法如下： 1、查阅资料、结合所学专业课程，产生加工中心上下料装置结构设计的基本思路； 2、查阅各类机械机构手册，确定合理的加工中心上下料装置结构； 3、根据给定技术参数来选择合适的手部、腕部、臂部等部位； 4、重点对驱动机构及控制机构进行设计研究； 5、通过研究国内外情况，确定本设计课题的重点设计； 6、完成 2由此绘制零件图； 7、编写设计说明书； 8、检查并完善 本设计课题。 4 本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。 5 2 加工中心上下料装置机构总体方案设计 本文的重要任务是完成加工中心上下料装置的设计，本章内容是围绕加工中心上下料装置机构设计任务来展开，介绍加工中心上下料装置执行机构设计思路。 工中心上下料装置的基本技术参数确定 表示加工中心上下料装置特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择。 由度 自由度是指加工中心上下料装置所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自 由度。自由度表示了加工中心上下料装置灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。 加工中心上下料装置的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着加工中心上下料装置整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业加工中心上下料装置基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用加工中心上下料装置有 5 6 个自 由度即可满足使用要求（其中臂部有 3 个自由度，腕部和行走装置有 2 3个自由度），专用加工中心上下料装置有 5 个自由度即可满足使用要求。 标形式的选择 加工中心上下料装置的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的 9。 1 直角坐标型加工中心上下料装置：这类加工中心上下料装置就是如图 2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式加工中心上下料装置具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较 庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大，而且需架空线路。 2 圆柱坐标型加工中心上下料装置：这种加工中心上下料装置如图 2b）的回转型加工中心上下料装置，通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复 6 合而成。这种加工中心上下料装置，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，加工中心上下料装置侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大 ，两个移动轴的设计较为复杂。 3球坐标型加工中心上下料装置： 这类加工中心上下料装置如图 2c）的俯仰型加工中心上下料装置，其手臂沿 轴回转。这类加工中心上下料装置具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他加工中心上下料装置协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。 4关节坐标型加工中心上下料装置：如图 2d）的屈伸型加工中心上下料装置，主要由立柱、前臂和后臂组成。加工中心上下料装置的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑， 灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他加工中心上下料装置协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。 图 2. 1加工中心上下料装置的坐标形式 22 7 图 加工中心上下料装置基本形式示意图 9 格参数 用途：抓取 1、加工中心上下料装置运动自由度为 5 个。 2、运动范围为 5000 3、最大抓取力为 10 4、交流伺服电机驱动。 效负载 有效负载是指加工中心上下料装置操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，它表示了加工中心上下 料装置的负载能力。加工中心上下料装置的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与加工中心上下料装置运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。 动特性 速度和加速度是表明加工中心上下料装置运动特性的主要指标。它反映了加工中心上下料装置的使用效率和生产水平，加工中心上下料装置的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平越高。但速度越快产生的冲击和震动也越大，因此提高加工中心上下料装置的加减速速能力，保证加工中心上下料装置加速过程的平稳性是非常重要的。 8 对于本文中的加工中心 上下料装置，在没有负载时可以适当地加快其运动速度 ;而在其有负载时，末端执行器 (手爪 )通常要和物体直接接触，为了安全起见，务必要尽量减少手臂的运动速度。总的来说，加工中心上下料装置的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。 作范围（工作半径） 工业加工中心上下料装置的工作范围是根据工业加工中心上下料装置作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的 ,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响加工中心上下料装置的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各 关节轴转角的大小及变动范围的选择。 工中心上下料装置材料的选择 加工中心上下料装置 手臂的材料应根据手臂的实际工作情况来进行选择，在满足加工中心上下料装置的设计和运动要求前提下。从设计的理论出发，加工中心上下料装置手臂要进行各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料并要求有一定刚度。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生冲击和振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、强度、弹性进行综合考虑，以便有效地提高手臂的运动性能。此外，加工中心上下料装置手臂选用 的材料与一般的结构材料不同。加工中心上下料装置手臂是要受到控制的，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、成本、质量等性质一起考虑。 总之，选择加工中心上下料装置手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种加工中心上下料装置手臂常用的材料 7： (l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了很多倍、弹性模量大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料 ; (2)铝、铝合金及其它轻合金材料：其共同特点是重量轻 、弹性模量不大，但是材料密度小，但仍可与钢材相比 ; (3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金属连接的特殊部位。然而，国外已经设计出纯陶瓷的加工中心上下料装置臂了。 从本文设计的加工中心上下料装置的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等 9 因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件材料。 械臂的运动方式 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的加工中 心上下料装置的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 考虑到加工中心上下料装置的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型加工中心上下料装置。这类加工中心上下料装置一般由 2个肩关节和 1个肘关节进行定位，由 2个或 3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转， 另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类加工中心上下料装置运动学比较复杂，运动学的反解比较困难；确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。 工中心上下料装置的驱动元件 在加工中心上下料装置驱动系统中，电气驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动加工中心上下料装置的关节，来获得动力。电气驱动主要有步进 电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电动机以及最近几年出现的超声波 电机和 10】等几 种。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，每输入一个脉冲，步进电机就进行回转一定的角度，脉冲数与角度数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过脉冲频率同步，能够按照脉冲要求进行起动、停止、反转和制动变速，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在加工中心上下料装置中位置控制系统中得到了极大的应用。主要有永磁式、反应式、永磁感应子式三种。 直流伺服电机是用直流电供电的电动机。其功能是将输入的受控电压 /电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与普通动 10 力用直流电机相同。特点是稳定性好、可控性好、响应迅速、转矩大。一般有永磁式和电磁式，在加工中心上下料装置驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。 . 交流伺服电机的使用情况与直流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相比，结构简单、工作可靠、功率大、过载能力强、无电刷、维修方便，因而交流伺服电机是今后加工中心上下料装置用电机的主流。 低速电机主要用于系统精度要求高的加工中心上下料装置。为了提高功率效率比，伺服电机制成高转速 ，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率效率比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在加工中心上下料装置的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。 动机是一种小型大转矩 (大推力 )的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的加工中心上下料装置产品中。 通过 上述对几种加工中心上下料装置常用电机的分析和比较，综合考虑本文加工中心上下料装置臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的步进电机作为驱动电机。 机构整体设计 综合考虑加工中心上下料装置的作业任务和作业环境，采用了 5 个自由度的关节型加工中心上下料装置。整个机构的水平运动采用来实现，即整个机构装在一个上。整个执行机构是一个 4 自由度的串行机构，且臂与小臂关节的轴线相互平行。这种结构动作灵活，结构紧凑，工作空间大，占地面积小，在作业空间内手臂的干涉最小 ，关节需要的驱动力矩小，能量消耗较少，关节相对运动部位容易密封防尘。加工中心上下料装置部件组成由、立柱回转部件、臂、小臂、末端执行器（喷涂头）组成。 各部分的功能如下： 1) 底座，是加工中心上下料装置的基础部分，整个执行机构和驱动系统都安装在基座上。 2) 立柱是手臂的支撑部分，通过安装在底座上的步进电机驱动，立柱可以在机座上转动。 3) 手臂包括臂和小臂，是执行机构中的主要运动部件，以实现空间位置的 3 个坐 11 标分量的要求，用来支承腕关节，并使其在工作空间内运动 。为了使末端执行器能达到工作空间的任意位置，手臂和机身的运动设计上具有 4 个自由度。 4) 腕关节是连接手臂与末端执行器的部件，用于调整末端执行器的方向和姿态。手部一般是夹持装置，主要用来夹紧作业工具。 12 3 加工中心上下料装置手抓结构设计 课题加工要求 本课题拟对机床泵头体及壳体零件装夹，底面是圆形的，可采用夹持圆形工件的方法。 爪结构设计与校核 手爪种类 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的 夹紧力。通常与弹簧联合使用。 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 13 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情 况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为 50 a有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。 可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 c力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压上下料装置的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压上下料装置，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 液压缸右腔停止进油 时，液压缸右腔进油时松开工件。 构分析 上下料装置的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业加工中心上下料装置最常见的 14 一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时， 手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图 2部结构也采用液压驱动。 图 2手部装配图 算分析 因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 加工中心上下料装置手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度 视在重量就变化。设上下料装置手部纵向中心线上所加的驱动力为 P， P油缸有效截面积使用的液压 （方向沿手指的运动方向） 个手指以摩擦力 3 Q，工件重量为 G=. 如图 2件以加速度 使工件不掉下，下式必须成立 . 30Q m g m a 15 得2代入数据，得 0 . 3 1 9 . 80 . 1 4 . 2 52 0 . 1 5上下料装置部绕垂直轴以半径 件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图 2 切线方向： 30Q t m r 主法线方向： 2( ) 02n m r 2( ) 02n m r 副法线方向： 2( ) 02b m r 2( ) 02b m r 联立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g 代入数据，得 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3