WJ058-袋装化肥搬运机械手的设计【原创设计】
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外文出处： 附件 1：外文原文 in as is an of It be to in a of in of in s of a of to in of of NC it is in NC or to to of up is is a s to of is a an of is a of be be to of be to an in to in a in of in s in to to a of as as to s up in of to or of is to of to a or of In a In of is is of in it of a as as a 4 is to of of to in as to of a to be in a to a to as 1. do (of 2. is is of to 3. of is be 4. to is of 5. it to it in 1. As of in of in as of 2. As of be in to is to of do or a of be a on of is is of be In is is of of it to It be in to in of a of is as of by 1. by is to to to of be up A to be as 2. to be by 3. s is to to of a is up a be so to of to is It is an a It be to of to of It is is to do of It in of to a to to as in is of or to up in as is of of a . of in of a of In as of of a a of to of is as as it to of I do of of to (1) in is (2) In in it be to in t be to (3) be to to (4) be in as so (5) (6), as is a of of a to of of a of it be a or to of in or of of in 0th 40, of in a to 50 to to as an in of so on to by of of of of be of in of a or It in to of in to is in or as or of of in do a by as is to as by of is or to by of a of as as so of a of or to to of by is of a in of is a of In as of of a a of to of of of to in it be in NC At a in an of in a or a it to a of is to to to At s to is a of of of of a on of of is 附件 1：外文资料翻译译文 机械手 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。工业机械手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。随着工业自动化的发展 , 出现了数控加工中心 ,它在减轻工人的劳动强度的同时 , 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序 , 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费 工、效率低 ; 后者因设计复杂 , 需较多继电器 ,接线繁杂 , 易受车体振动干扰 ,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器 制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 , 保证了系统运行的可靠性 ,降低了维修率 , 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 1 工业机械手的概述 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个 不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起 我们重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故 ，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 ;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是 在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生产实际中。 为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点： 过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念） 路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。 一般为 4 8 公斤 /每平方厘米 )，因此对动元件的材质和制造精度要求可以降低。 的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。 不会变质，管路不易堵塞。 但是也有它美中不足的地方： 使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。 出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。 用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点： 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生 严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在 12吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护 . 2 机械手的组成 机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1. 执行机构 机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。 2. 传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等 几种形式。 3. 控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。 3 机械手的分类和特点 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机 械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。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。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 主要特点： (1) 机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真 空搬运机、 真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。 (2) 悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等） (3) 导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机） 4 工业机械手的应用 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断 重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5) 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程 及生物医学方面的研究和试验。 助力机械手 :又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备 ,属于一种非标设计的系列化产品。针对客户应用需求，量身定制的个案创作。 一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取 毕业设计 (论文 )开题报告 题 目 袋装化肥搬运机械手的设计 学生姓名 班级学号 专业 机械设计制造及其自动化 一、 研究目的和意义 毕业设计是大学四年来对我们所掌握知识的一个综合考虑，所以选择一个合适的毕业课题是很重要的。而一个既要有硬件设计，又要涉及到软件编程的毕业设计课题是再好不过的。 它可以检验我们在大学时期的学习情况以及综合应用能力，通过实物的制作，可以很好的锻炼我们的动手能力。 伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的 需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。例如现在搬运袋装化肥，成袋化肥重达百斤，如果只靠人工去搬运的话，这个劳动强度可想而知，还有在搬运过程中有可能有擦伤，摩擦等意外伤害的产生，因此机械手就这样诞生了。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机器手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人工操作；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 ；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。应用 制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 二、 已了解的国内外研究现状 目前国内工业机械手主要用 于机床加工，铸锻，热处理等方面，数量，品种，性能方面都不能满足生产发展的需要，因此，国内主要扩大机械手运用范围，重点发展铸锻，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在运用专业机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手，计算机控制机械手和组合式机械手等。国内外对发展这 一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，运用领域也在不断的扩大。所以我们今天就以袋装化肥搬运机械手为研究对象，制造出既节省人力，又节约时间的搬运机械手，有 很大的现实意义。 在国外机械制造业中，工业机械手运用较多，发展较快。目前主要用于机床，模锻压机的上下料，以及点焊，喷漆等作业中，它可按照事先指定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件机械手本身的损害。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其具有一定的传感能力，能反馈外界的条件的变化，做出相应的变更。 三、设计内容 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体 化自动装置。 机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现快进、慢进、快退、慢退的运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关（ 生的通断信号传输到 制器，通过 部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括 ：回原位、手动、单步、单周期、连续，来满足生产中的各种操作要求。其运动过程正好符合化肥搬运的动作要求，所以我们就以其为研究内容来展开。 四、研究方法及技术路线 采用可编程序控制器对机械手实现自动控制。控制系统硬件由开关、按钮、行程开关、可编程控制器和输入输出继电器构成。软件采用模块式结构，回原位、手动、单步、单周期、连续，用选择开关来选择动作种类。可实现机械手的下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退动作，以实现袋装化肥的正常搬运。 本题目将设计一种袋装化肥搬运机械手，要 搬运的袋装化肥重量为 40克，每次搬运一袋，工作循环为 30 秒，工作范围为 3000 设计原始参数： 搬运的袋装化肥重量为 40 每次搬运一袋，工作循环为 30s； 工作范围为 3000 设计中要遵循用最简洁的方法，实现高度自动化的 五、时间安排 第 1 2 周： 熟悉设计任务及要求，查阅并分析 毕业设计 有关文献资料，制定设计方案， 撰写开题报告； 第 3 4 周：毕业实习、绘制任务书中规定的设计产品图，翻译外文资料； 第 5 6 周： 细化设计方案，学习相关标准， 根据 技术要求确定袋装化肥搬运机械手机械结构； 第 7 8 周：绘制袋装化肥搬运机械手的总装图和相关零件图； 第 9 10 周：整理、总结设计结果，撰写毕业论文，并将题目、摘要和关键词翻译成英文； 第 11 12 周：修改毕业论文， 装订毕业设计 论文； 第 13 周：将答辩内容 制作 加毕业答辩。 六、预期成果 1、毕业论文一份。 2、图纸折合 2 张，其中包括装配图 1 张。 七、参考文献 1郭洪武 J. 中国西部科技 ,2012 (10) 2张伟 J. 中国新技术新产品 ,2015(18) 3袁贵栋 ,李翠英 . 柔性自动生产线多功能抓取及传送机械手系统 J. 制造技术与机床 , 2012(09) 4程远 由度机械手动力学分析与仿真 J. 科技通报 , 2012(08) 5王建军 J. 机械设计与制造 ,2012(09) 6姜倩倩 . 板簧搬运机械手控制系统及轨迹规划研究 D. 山东理工大学， 2012 7檀杰 D. 武汉理工大学， 2011 8秦颖 ,李涛 ,张智勇 ,邹敢 J. 中南大学学报 (自然科学版 ),2013(9张郭 ,韩亚军 动搬运机器人的设计与研究 2015(10) 指导教师批阅意见 指导教师 (签名 )： 年 月 日 毕业设计 (论文 ) 袋装化肥搬运机械手的设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2016 年 月 日 I 摘 要 本课题主要根据目前化肥厂生产的化肥大多都是袋装的，都是工人搬运装车，由于工人的工作量大，工人劳动强度高，一些有毒物质对人体造成伤害，为了改善这种情况， 本题目将设计一种 袋装化肥搬运机械手，要搬运的袋装化肥重量为 40次搬运一袋，工作循环为 30秒，工作范围为 3000 本课题研究的袋装化肥搬运机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力 ,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料袋装化肥搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数 ,可代替人工在高温危险区进行作业。 关键词： 机械手 , 袋装化肥搬运机械手 ，抓取，提升 on to of to in to be to a to 0kg a a 0 000to to be in on in at in 录 摘 要 . I . 录 . 绪论 . 1 械手发展简史 . 1 械手的定义 . 2 装化肥搬运机械手的组成 . 3 装化肥搬运机械手的应用 . 3 题背景及目的 . 3 2 设计任务分析及总体方案 . 4 械手设计原则 . 4 械手分类 . 5 械手主要组成 . 5 械手结构布置要求及平稳性与定位精度 . 5 结构布置要求 . 5 响平稳性及定位精度的因素 . 6 路布置及效验 . 7 械手常用位置检测元件 . 7 路布置方法 . 7 3 机械手的结构设计 . 8 座 . 9 部 . 10 速机构 谐波齿轮减速器 . 10 轮减速器 . 10 轮蜗杆减速器 . 10 波齿轮减速器 . 10 械手的手臂 . 12 械手的手臂设计时应注意的问题 . 13 压缸 . 14 压传动的优点 . 15 压传动的缺点 . 16 部 . 16 爪 . 16 机 . 19 动机容量选择三项基本原则 . 19 装化肥搬运机械手电动机的选择 . 20 4 驱动部件设计及计算 . 21 压系统 . 21 压传动装置的组成 . 21 压系统中在机械手中主要实现的辅助功能 . 22 压泵的计算 . 22 传动电机的选择 . 25 5 主要零部件的计算 . 30 部液压缸的选择计算 . 30 杆的计算 . 32 V 杆的校核 . 33 险螺栓组联结校核 . 34 臂的校核 . 36 结论 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 41 1 1 绪论 械手发展简史 机械手是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备。它是给汤机学的一个 重要组成部分。可通过编程成功的完成各种任务是其最重要的特点，它将任何机器的优点集于一身， 及其突出的展示了人的智能性、适应性。在现代生产中，机械手被大量的 运用到自动化生产中，虽然机械手现阶段还不如人手灵活，但它能做不断重复的劳动和工作，不用考虑危险性和疲劳，抓举比人手更有力等等优点，因此，机械手越来越受到人们的重视，应用范围也越发广泛。最先研制机械手的国家是美国。在 1958 年的时候，美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手。这种机械手的结构很简单：一个旋转臂装在机器本体上，带有电磁块的物品抓放机构安装在顶部，控制系统是示教再现的。1962 年，该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械 手。取名为 照坦克炮塔的运动系统，臂可以俯仰、伸缩、回转等等，动力源为液压系统；用磁鼓作为控制系统的存储装置。它是球坐标通用机械手发展起来的基础。几乎同时，美国的另外一家设备公司也试制了一种名为 机械手。这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也为示教再现型。出现在六十年代初的这两种机械手，成为后来国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国斯坦福大学、 司和麻省理工学院联合研制了一种 机械手，采用小型电子 计算机作为控制的主体，主要用于装配工作，定位误差小于 1邦德国的 产了一种机械手，主要用于焊接，它采用的是关节型结构，用 2 程序来控制。 目前，大部分的机械手还处在第一代的阶段，大部分依靠人工来进行控制；改进的方向主要是提高工作精度，降低生产成本。第二代的机械手正在研制中。整个系统使用微机来进行控制，具有视觉以及触觉能力，甚至具有听和想的能力。它的机身上装各种传感设备，把接收到的信息反馈出去，使机械手拥有了感觉的功能。 我国给汤机技术起步比较晚，大概始于 20 世纪 70 年代末。机械手领域 也是这个 期开始涉及的。近年来，我国在这一方面发展迅速，在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短。压铸在工作时，定模与动模的挤压撞击力极大，熔炉中金属液体温度很高，另外噪声巨大，工人在如此恶劣的环境下长时间工作是极其危险的。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。因此，将机械手应用于该领域，可以降低工人的劳动强度，减少危险， 也可以提高设备的生产效率和自动化水平，具有很强的现实意义。 目前，工业机械手 的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给工业机械手下的定义：工业机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机械手作如下定义： 3 装化肥搬运机械手的组成 执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。 袋装化肥搬运机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。 手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。 时间、速度和加速度等参数。 袋装化肥搬运机械手与主机及其它有关装置之间的联系 3。 装化肥搬运机械手的应用 按袋装化肥搬运机械手布局形式分可分为：架空式袋装化肥搬运机械手、附机式袋装化肥搬运机械手、落地式袋装化肥搬运机械手三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的袋装化肥搬运机械手，他们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。 袋装化肥搬运机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动 生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置 3。 毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的： 4 （ 1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。 （ 2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资 料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。 （ 3）检验综合素质与实践能力。 2设计任务分析及总体方案 机械手是一种模仿人手部分动作 ,按照预先设定的程序、轨迹或其它要求，实现抓取、搬运工件或者操纵工具的自动化装置。 总体设计的任务：包括 执行系统、驱动系统、控制系统 的设计及参数计算，最后绘出草图。总体设计后要进行各部件的强度、刚度、驱动力验算。 手架能作任何角度的伸缩和转动 5 压、气压驱动 该机械手是独立的自动化机械装置。通用性高，机械手结构比较复杂。手臂可作前后伸缩、上下升降和水平左右摆动三个动作，手臂可以绕 60 度 力驱动，液压驱动。 压式、气动式、机械式 用机械手、通用机械手 位控制、连续轨迹控制 角坐标式、圆柱坐标式、球 座坐标式、关节式 机械手主要是由执行系统，驱动系统，控制系统三大部分组成。 1、执行部分 执行系统是机械手的机械传动结构部分。它包括手、手腕、手臂和机座等部件。 2、驱动系统 驱动系统是驱动执行系统的动力装置。驱动系统有液压驱动，气压驱动，电力驱动和机械驱动等方式。 3、控制系统 控制系统是支配执行系统按规定程序动作得到电气控制装置。控制系统所控制的因素包括执行系统各部的动作、动作顺序、位置、时间和速度等。 结构布置要求 机械手 工作中运动速度较高，在结构布置上应保证运动平稳，这样可提高机械手使 6 用的可靠性，并可延长使用寿命，在结构上要注意以下几点： 1） 臂部要防止偏重 通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、手部结构时要尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。偏重将会产生附加的弯矩引起立柱和导向的变形，工作中引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断的变化，特别是高速及速度突然变化时更为明显，这将引起机械手的振动，严重时会造成卡死。防止偏重过大可采取的措施如下： 并尽量减少偏心载荷。 臂部平衡。 应加强导向支撑，尽力减轻偏重对运动的影响。 2） 加强臂部刚度 选取臂部结构时要注意各个方向的刚度。提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度。臂部的刚度决定于臂部的结构和导向形式。 3） 改进缓冲装置和提高配合精度 机械手缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。冲击有两种：一种是机械冲击，它是臂部运动中与定位装置相撞而产生，用可靠缓冲装置来消除。另一种是液压系统动作时产生的冲击 。这种冲击作用于管路之中，仍会引起机械手振动，要靠改进液压系统设计来叫解决。 提高部件的配合精度，减少间隙都有利于运动平稳。 在生产中要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因素，设计合理结构，以满足要求 ： （）惯性力的影响 机械手速度变突，加（减）速度不连续，会产生巨大惯性冲击力，致使工件滑移，部件松动，零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接降低定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动规律变 化。同时，在保证刚度前提下减轻机械手运动部件的重量。 （）结构刚度的影响 零件结构刚性低，配合间隙大以及整机固有频率低时，受较小惯性冲击就发生振动，不但降低定位精度，而且降低机械寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率以及承受惯性载荷的能力。 7 （）定位方法的影响 常用定位方法中电气开关定位的精度最低，伺服定位较高，机械挡块定位精度最高。 （）控制系统的影响 电控系统误差，阀类泄露，检测元件失灵，挡块偏移等都会降低定位精度。 （）驱动源的影响 液压、气压、电压和油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时 ，用蓄能器、稳压器等稳定压力和电压，用加热器冷却器控制油温。 1）模拟型：行程开关、电位器、旋转变压器、感应同步器； 2）数字型：光栅、编码器 模拟型检测装置元件成本低，使用条件不严格。数字型检测元件制造、安装精度要求高。数字型检测元件有利于数字存贮和数字运算，便于和计算机连接。 靠近动作点进行 1:1 的直接检测 ,是较理想的方法 ,但有时由于运动的限制 ,直接安装检测元件有困难。 采用间接进行测量，它可利用油缸附近 的传动机构按其位移量进行间接测量。这种情况要尽量防止传动间隙影响检测精度。 机械手长采用内部走管，多利用缸壁或活塞杆钻孔通油，在异向杆中装伸油管通油，在立柱中钻孔安装回转配油盘等 采用活动软管通油比较简单方便，要注意加工精度和装配质量以防泄漏。软管还能吸收液压冲击能。但容易碰断和缠绕，要采用防护措施。 8 通常腕部，手部采用内部走管，便于臂部运动。臂部和机身之间则采用软管连接。 配油盘是回转机构内部通油的方法。当配油盘油路较多时，要注意配合精度和装配质量，防止内泄漏。 伸缩油管结构简单。 在使用中常碰到油的补泄问题，当油路处于封闭状态时，臂部伸缩运动伸缩油管运动，管内油的容积发生变化。不进行补偿（伸出时）和溢出（收缩时），将会影响执行系统的动作稳定。 3机械手的结构设计 袋装化肥搬运机械手的组成主要有：机座、腰部、支撑架、大臂、小臂、手腕、手爪等部分组成。如下图 9 图 装化肥搬运机械手总图 1）机座 2）腰部 3）支撑架 4）大臂 5）小臂 6）手腕 7）液压缸 8）手爪 该袋装化肥搬运机械手的工作原理是利用夹板的夹持力将袋夹紧，这种力是液 压提供的，吊杆两侧的液压缸同时作用在连杆上，连杆推动推板，推板将化肥袋夹紧。吊杆可以空间转动一定角度，这样就可以对不同角度的化肥袋进行抓取。化肥袋的空间搬运是由安装在转台以及大小臂上的伺服电机驱动的，安装在转台上的电机是负责机器人的空间转动的，而大小臂上的电机负责机械手移动空间位置的，吊杆上端的电机始终保持机械手的垂直方向。整个运动是由一套程序进行控制的。袋装化肥搬运机械手是关节型连杆机构与数控机床伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入后，机械等可以离开人的辅助而独立运动。这种机器人也可以接受示教而 完成各种简单的任务。示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置的序列。 座 机座支撑着整个机器人的重量，机座一般是由铸造而成，与地脚螺栓相连接，是整个机器人的基础，其内部一般装有电机，减速装置及传动装置等。 10 袋装化肥搬运机械手机座由铸造而成，内部装有四通公司 120压泵、谐波减速器等装置。 腰部是整个机器人的驱动旋转部分，由专门的交流伺服电机来 驱动，可以完成在水平面内的旋转运动，腰部的主要部件是安装在机座上的旋转台。 袋装化肥搬运机械手腰部旋转台为一转盘，通过角接触轴承与底座配合连接，可实现实现整台机械的 360 度旋转。 谐波齿轮减速器 机器人实用的减速机构包括普通齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星齿轮减速器和谐波齿轮减速器等。另外还有 线针轮传动和滚动螺旋传动。下面详细比较一下各种减速机构的优点和缺点： 齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用范围很广。 齿轮减速器按其减速齿轮的级 数可分为单级、两级、三级和多级的；按其轴在空间的布置可分为立式和卧式的；按其运动简图的特点可分为展开式、同轴式和分流式的等。 可以设计一对满足所需传动比（减速比）齿轮，达到所需的减速比。直齿轮可以实现平行轴传动，斜齿轮可以实现角度轴传动。同时齿轮减速器还可与电机组成减速器电机。 蜗轮蜗杆比起齿轮减速机构来，可以实现更大的传动比。在实现较大传动比的同时，工作平稳，无噪声，结构比较紧凑，还可以实现自锁。 其中谐波齿轮减速器在工业机器人中应用最为广泛，谐波齿轮传 动机构是依靠柔性件产生的弹性变形波来进行动力及运动传递的机构。其基本构件，有波发生器，柔性齿轮及刚性齿轮。常用的波发生器是一个安装有柔性轴承的椭圆形凸轮。其原理是，假定 11 发生器为主动，当它在柔轮内旋转时，迫使柔轮发生变形，以使其齿进入或退出刚轮的齿间。在发生器长轴方向，柔轮与刚轮完全啮合；而在其短轴方向，则完全脱开。由于发生器的连续转动，柔轮上的齿依次和刚轮啮合，从而使柔轮沿刚轮转过的节圆弧长应相等。但柔轮的齿数比刚轮略少（一般齿数差为 2），从而使柔轮产生了与发生器转向相反的低速转动，而达到改变转速和转矩的目 的。由于在波发生器旋转时柔轮上某齿分度圆与刚轮分度圆的间隙呈谐波形随时变化，故称其为谐波传动。 与一般的齿轮传动相比，谐波传动有如下特点： (1) 结构简单，体积小，重量轻。 谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少 50%，体积和重量均减少 1/3左右或更多 (2) 传动比范围大 单级谐波减速器传动比可在 50 300 之间，优选在 75 250 之间； 双级谐波减速器传动比可在 3000 60000之间； 复波谐波减速器传动比可在 200 140000 之间。 (3) 同时啮合的齿数多。 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 2 7%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有 1 2对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 (4) 承载能力大。 谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 (5) 运动精度高。 由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 (6) 运动平稳，无冲击，噪声小。 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过 12 程中齿面接触，滑移调整 。 (7) 齿侧间隙可以调整。 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 (8) 传动效率高。 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（ u=60效率约在 65 96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。 (9) 同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴 和 低速轴位于同一轴线上。 (10) 可实现向密闭空间传递运动及动力。 采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。 图 波减速器传动原理图 不可移动机器人的工作范围，主要是靠大、小臂来体现的，一般来说，机器人的 所有臂的水平和垂直伸展是机器人的最大工作范围。其中，臂的截面形状、材料、长度等，由工作的实际情况来确定，一般的，可以选取型钢，也可以根据需要加工成其他形状。该搬运机器人的第一臂的取材是槽钢，宽为 h=100二臂的选材为空心圆柱。 13 手臂部是机械手的主要执行部件 ,其作用是支承手部。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。手臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点： （ 1）刚度要好 要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。实践证 明，空心杆比实心杆刚度大得多。常用钢管作臂部和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。 （ 2）偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的总重量对其支承或回转轴所产生的力矩。它对臂部的升降运动和转动，均将产生影响，设计时应使臂部各部分的质量分布合理，以减少其偏重力矩。 （ 3）重量要轻，惯量要小 由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少在运动状态变化时所产生的冲击，必须采取有效的缓冲装置外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。 （ 4）导向性要好 为了防止臂部在直线移动中沿运动轴线发生相对转动，以保 证手部的正确方向和准确定位，必须有导向装置。其结构应根据臂部的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。 袋装化肥搬运机械手大臂由槽钢和两个连接件焊接组成，如图 用 7070连接件为锻件，材料为 图 臂的构成图 14 1）连接件 2）热轧槽钢 3）连接件 该搬运机器人小臂由一根圆形钢管、两个方形连接板和八块肋板焊接而成，如图 形钢管的采用使得机械手既可以减轻重量，又可以其外观造型美观。选择材料为 图 臂 机构图 1）连接板 2）肋板 3）圆形钢管 液压传动和机械传动相比，具有许多优点，因此，在机械工程中，液压传动被广泛应用。液压传动是以液体作为工作介质来进行能量传递的一种传动形式，它通过能量转换装置（液压泵），将原动机（如电动机）的机械能转变为液压的压力能，然后通过密封管道、控制元件等，由一能量装置（如液压缸、液压马达）将液压的压力能转变为机械能，以驱动负载和实现执行机构所需的直线或旋转运动。 15 图 压缸结构图 液压传动与其他传动方式相比主要有以下几项优点： 1）在同样的体积下，液压装置能比电气装置产生更多的动力，因为液压系统的压力可以比电枢磁场中的磁力大出 30 2）在同样的功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的 12%左右。 3）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快、液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时可达 500次/分钟，实现往复直线运动时可达 1000次分钟。 4）液压装置能在大范围 内实现无级调速（调速范围可达 20000），它还可以在运动的过程中进行调速。 5）液压传动易于自动化，这是因为他对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。 6）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在失速状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能自行润滑，使用寿命较长。 16 7）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件 的排列布置也具有较大的机动性。 8）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 1）液压传动采用液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免要有泄露。同时液体具有可压缩性，管路等也会产生弹性变形，因液压传动一般不宜用在传动比要求严格的情况。 2）泄露引起容积损失。此外，液体通过阀口、管路、等均有阻力损失，这会影响传动效率和传动性能，而且不适应于远距离传动。 3）当油液温度和粘度变化或负载变化时，往往不易保持运动速度的稳定。在低速和高温的情况下，采用液压传动有一定的困难。 4）油液渗入 空气产生噪音、震动和爬行。 机械手的手部是用来抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。 手部是承担抓取化肥袋的机构，由夹板传力机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料，形状，尺寸以及一些特性的不同，此机械手部分为夹板式。 1）手指应具有足够的加紧力。在考虑手指的加紧力时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生 的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。 2）各构件要有足够的刚度的强度。 3）构件要简单，修理方便。 17 4）应尽可能结构紧凑。使之重量轻，动作灵活。 ）手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外。还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷。 ）手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。 ）应保证工件在手指内准确定位。 ）结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 ）根据应用条件考 虑通用性。 袋装化肥搬运机械手手爪为夹板式手爪，由两对连杆、一对支撑杆、一对推板、及一对橡胶垫组成，如图 撑杆与两液压缸相连，在液压缸地推动下带动推板的运动实现对化肥的夹持，橡胶垫附着在推板上，起到保护化肥袋不被划破和防滑的作用。 图 爪的组成 18 1）液压缸 2）连杆 3）连杆 4）支撑板 5）推板 6）橡胶垫 手指对工件的夹紧力可按下式计算： 1 2 3 (式中 1 安全系数（通常取 ） 2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， 3 方位系数 被抓持工件的重量 2 a/g (m/s m/s 手指夹持工件所需要驱动力的大小，在同 一夹紧力的条件下，随所采用的传动结构的不同而异。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平衡原理来进行的。 a/b +a) (根据受力的平衡条件可得驱动力为 : P=2 (=2Na/b +a) (械手的手腕 机械手的手腕连接于手和手臂之间 ,用于调整手的方向 实现对不同角度化肥袋进行抓取。此处通过轴承实现手部吊杆与小臂的连接，使手部总是竖直的夹持化肥袋。通过在手腕上安装的伺服电机控制机械手的转动以实现不 19 同角度化肥袋的搬运。 为了实现手部垂直夹持化肥袋，在小臂与手部之间通过机体架安装一伺服电机，控制手部的方向。为实现对各个方向化肥袋的夹持，需要本机械手爪能旋转一定角度，此处通过机体架安装另一伺服电机实现。 在机电传动系统中，选择一台合适的电动机 是极为重要的。电动机选择主要是容量的选择，如果电动机得容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，是生产效率降低，另一方面，电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则不仅使设备投资费用增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数（对异步电动机而言）都会下降。 选择电动机容量应根据以下三项基本原则进行。 电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度 于或略小于电动机绝缘的最高工作温度 a，即 a 2过载能力 电动机在运行时，必须具有一定的过载能力。特别是在短期工作时，电动机的热惯性很大，电动机在短期内承受高于额定功率的负载功
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