桶裝礦泉水碼垛機械手畢業(yè)設(shè)計說明書

1、桶裝礦泉水碼垛機械手畢業(yè)設(shè)計說明書目 錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc1643 摘要 PAGEREF _Toc1643 3 HYPERLINK l _Toc13362 1緒論 PAGEREF _Toc13362 4 HYPERLINK l _Toc5562 PAGEREF _Toc5562 4 HYPERLINK l _Toc29753 1.2 機械手的組成 PAGEREF _Toc29753 5 HYPERLINK l _Toc17507 1.3 機械手的分類 PAGEREF _Toc17507 8 HYPERLINK l _Toc29217 1.4 國內(nèi)外

2、發(fā)展狀況 PAGEREF _Toc29217 10 HYPERLINK l _Toc10915 2機械手的驅(qū)動方式、類型和參數(shù) PAGEREF _Toc10915 12 HYPERLINK l _Toc9883 2.1 驅(qū)動方式選取 PAGEREF _Toc9883 12 HYPERLINK l _Toc16934 2.2 機械手類型的選取 PAGEREF _Toc16934 13 HYPERLINK l _Toc350 2.3 機械手主要技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc350 15 HYPERLINK l _Toc3483 3 手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc3483 16 H

3、YPERLINK l _Toc19687 3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc19687 16 HYPERLINK l _Toc21089 3.2 機械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc21089 21 HYPERLINK l _Toc8892 4 小臂和大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc8892 30 HYPERLINK l _Toc245 4.1 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc245 30 HYPERLINK l _Toc16948 4.2 大臂的尺寸和機構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc16948 34 HYPERLINK l _Toc25876 5 腰部和基座

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc25876 40 HYPERLINK l _Toc8824 5.1 腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc8824 40 HYPERLINK l _Toc28050 5.2 回轉(zhuǎn)支撐軸承的選取 PAGEREF _Toc28050 40 HYPERLINK l _Toc96 5.3 力矩電機的選取 PAGEREF _Toc96 41 HYPERLINK l _Toc17081 6運動仿真 PAGEREF _Toc17081 44 HYPERLINK l _Toc30430 6.1 各機構(gòu)運動分析 PAGEREF _Toc30430 44 HYPERLIN

5、K l _Toc54 6.2 用表定義各運動副 PAGEREF _Toc54 46 HYPERLINK l _Toc20869 6.3 創(chuàng)建運動分析 PAGEREF _Toc20869 47 HYPERLINK l _Toc14721 6.4 回放結(jié)果并錄制播放文件 PAGEREF _Toc14721 47 HYPERLINK l _Toc16902 總結(jié)與體會 PAGEREF _Toc16902 49 HYPERLINK l _Toc16902 致 謝50 HYPERLINK l _Toc10872 參考文獻51摘 要機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新裝置。本次設(shè)計的是桶裝水

6、碼垛機械手，作用是碼垛桶裝水。它有六個自由度，主要采用液壓驅(qū)動，此外，還有力矩電機和伺服電機驅(qū)動。液壓缸選用的均是HSG型液壓缸。它主要由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部組成。本次設(shè)計選取了回轉(zhuǎn)支撐軸承來實現(xiàn)腰部和手腕的回轉(zhuǎn)運動。機構(gòu)設(shè)計完成之后，本次設(shè)計還對機械手對桶裝水的碼垛過程進行運動仿真，主要是分析各部分速度和加速度?！娟P(guān)鍵詞】機械手、碼垛、桶裝水、運動仿真AbstractThe robot is a new device developed in the process of mechanization and automation of production。The design

7、 of this is bottled water palletizing robot, the role of palletizing bottled water.It has six degrees of freedom, main hydraulic drive, In addition, there is a torque motor and servo motor drive.The hydraulic cylinder selection are HSG hydraulic cylinder.It is mainly composed by the base, waist, arm

8、, forearm, wrist and hand.The design selected Slewing bearing to the rotary motion of the waist and wrist.After the completion of the mechanical design, the design robot palletizing of bottled water motion simulation analysis of the various parts of velocity and acceleration.【Keywords】Robot；Palletiz

9、ing；Bottled Water；Movement simulation 1前言圖1.1 碼垛機械手1.1機械手概述機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機械手技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機械手

10、并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和

11、放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按過程控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“過程控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 機械手的組成 圖1-2 機械手的組成方框圖機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組

12、成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-2所示。(1)執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。1、手部即與物件接觸的部件。由于與對象接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與對象直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取對象的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和對象的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指

13、有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放對象的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，

14、根據(jù)被吸附的對象形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。3、手臂手臂是支承被抓對象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取對象，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂可能實現(xiàn)的運動如下:手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證

15、手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)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，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構(gòu)當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾

16、輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(2)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。(3)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由過程控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行

17、機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(4)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。1.3 機械手的分類機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(1)按使用范圍分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適

18、用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(2)按驅(qū)動方式分1、 液壓傳

19、動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液

20、壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。4、電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(3)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之

21、間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:1、工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。2、機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)

22、化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。3、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4、機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用

23、已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。6、當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。7、機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操

24、作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一

25、次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機

26、器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。2機械手的驅(qū)動方式、類型和參數(shù)對碼垛機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運對象，這就要求它們具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對

27、機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機械手是桶裝水碼垛機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。2.1 驅(qū)動方式選取 下表2.1為各種驅(qū)動方式的比較：表2.1 驅(qū)動方式的比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動機械傳動輸出功 率很大，壓力范圍為50140Pa大，壓力范圍為4860Pa，最大可達Pa 較大不太大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控

28、制不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜控制精度高，反應(yīng)靈敏響應(yīng)速 度 很高較高 很高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)性能好，傳動平穩(wěn)，但體積大安全性防爆性能較好，用液壓油作傳

29、動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差比較安全對環(huán)境的影 響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無工作時有噪音在工業(yè)機器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位過程控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等適用于中小負載，它的

30、主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。成 本液壓組件成本較高成本低成本高一般維修及使用 方便 方便 較復(fù)雜方便機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1、驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2、反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3、驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4、安全可靠；5、操作和維護方便；6、對環(huán)境無污染，噪聲要?。?、經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。綜合上述選情況，選取液壓傳動。2.2 機械手類型的選取機械手屬于空間

31、機構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)上的原因運動副通常只有轉(zhuǎn)動副和移動副。其中，用轉(zhuǎn)動副相連的的關(guān)節(jié)稱轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（記作R）；用移動副相連的關(guān)節(jié)則稱移動關(guān)節(jié)（記作P）。這些關(guān)節(jié)中，凡是單獨驅(qū)動的稱主動關(guān)節(jié)，反之則是從動關(guān)節(jié)。單獨驅(qū)動的主關(guān)節(jié)數(shù)目即是機械手的自由度數(shù)目。一般來說運動鏈的自由度和手部運動的自由度在數(shù)目上是相等的。如圖2-1所示的PUMA操作機屬6自由度開鏈串聯(lián)型。前3個關(guān)節(jié)具有3個自由度，功能是確定手部的空間位置。所以這3個關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的臂桿所構(gòu)成的機構(gòu)被稱為機械手的位置機構(gòu)，后3個關(guān)節(jié)主要是確定手部的空間姿態(tài)。所以這3個關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的桿件構(gòu)成的機構(gòu)被稱為姿態(tài)機構(gòu)。位置機構(gòu)可基本確定操作機的空間工作范圍

32、，所以前3個關(guān)節(jié)通常稱作操作機的主運動。操作機可根據(jù)前3個關(guān)節(jié)不同的運動組合形式進行分類。 1、直角坐標型機械手直角坐標型機械手是通過3個互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。其前3個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動型式如圖2-2所示。該類機易于實現(xiàn)高精度定位，空間軌跡易于求解，但具有相同的操作空間是，機體占空間較大。2、圓柱坐標型機械手 圓柱型坐標機械手是通過兩個移動副和一個轉(zhuǎn)動副來實現(xiàn)手部的空間位置變化,如圖2-3所示。有名的Versatran機器人就具有這樣的機械手，在相同的工作空間下，該種操作機所占的空間體積要小于直角坐標型操作機。該種機械手機構(gòu)簡單，便于幾何計算，通常用于搬運機械手。 3、球坐

33、標型機械手 球型坐標機械手是通過兩個轉(zhuǎn)動副和一個移動副來實現(xiàn)手部的空間位置變化。一般是腰關(guān)節(jié)可繞z軸轉(zhuǎn)動，大臂可在z-x平面俯仰，小臂可伸縮運動。這種機械手的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，但目前應(yīng)用較少。4、關(guān)節(jié)型機械手 關(guān)節(jié)型機械手是模擬人的上臂而構(gòu)成的。它的前三個關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)繞z軸轉(zhuǎn)動，臂的兩個關(guān)節(jié)繞平行于y軸的兩軸線轉(zhuǎn)動,如圖2-4所示。它利用順序的三次圓弧運動來改變手的空間位置，其機構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間大，還能繞過基座周圍的一些障礙物。這是機器人中使用最多的一種形式。PNMA、CINCINNATI T3、MOTOMAN、ABB、KUKA等名牌機器

34、人都采用這種形式的機械手。 為跟上時代步伐，為以后工作打基礎(chǔ)，本次設(shè)計選用垂直關(guān)節(jié)型機械手。 2.3 機械手主要技術(shù)參數(shù) （1）工件重量 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動，抓取力大，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為38公斤。（2）基本參數(shù) 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是腰部的旋轉(zhuǎn)、大臂的擺動和小臂的擺動。具體技術(shù)參數(shù)如下表所示：表2.2 機械手基本參數(shù)動作形態(tài)垂直關(guān)節(jié)型自由度5可搬質(zhì)量38kg位置重復(fù)精度1mm 動 作 范 圍腰部

35、旋轉(zhuǎn)300大臂擺動115小臂擺動140手腕伸縮0 最 大 速 度腰部旋轉(zhuǎn)110/s大臂擺動110/s小臂擺動110/s手腕旋轉(zhuǎn)110/s3手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計機械手的手部是用來抓持工件的部件，將直接影響到機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計時要注意的問題：1、結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計2、 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。它的大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。3、 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷4、應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準確定位。（1） 夾緊方案的確定機械手夾持器

36、有很多方式，包括滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器、連桿杠桿回轉(zhuǎn)型夾持器、齒輪齒條平行連桿平移式夾持器、左右旋絲桿平移型夾持器、內(nèi)撐式連桿杠桿夾持器等。根據(jù)夾持桶裝水的實際情況齒輪齒條平行連桿平移式夾持器，如下圖3-1所示： 圖3-1 齒輪齒條平行連桿平移式（2） 手部液壓缸的計算和選取液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。（3） 液壓缸輸出力液壓缸的輸出力式中：F液壓缸的輸出力 P對應(yīng)輸出力的工作壓強有效工作截面積分無桿腔和有桿腔：無桿腔： (3-21) 有桿腔： (3-22) 計算單活塞桿，計算的推力是

37、取單活塞桿時液壓缸拉力取（4） 液壓缸阻力 (3-23)Fe工作負載為0摩擦阻力 (3-24)Fi慣性負載 (3-25)式中， 為液壓缸所要移動的總重量，取為1000N；為重力加速度， ；為速度變化量，取0.2m/s；將各值帶入上式，得=102N;所以： （5）夾緊力Fn和驅(qū)動力Fp的關(guān)系如圖2-5所示，當(dāng)驅(qū)動器推桿往上運動時，兩滑塊向中間收攏，產(chǎn)生夾緊力，夾緊力和驅(qū)動力的關(guān)系： (3-26)式中， 手部夾緊力 液壓缸驅(qū)動力 齒輪分度圓半徑，為75mm 連桿長度,為200mm 連桿與豎直方向的夾角 當(dāng)和一定時，將隨增大而增大，當(dāng)時夾緊力為最小值。（6）夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計手

38、部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： (3-27)式中：安全系數(shù)，由機械手的工藝及設(shè)計要求確定,通常取1.22.0，取1.2；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，手指與工件位置：手指垂直放置 工件垂直放置；手指與工件形狀：圓弧型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，取=0.5，此處粗略計算被抓取

39、工件的重量求得夾緊力，（7） 理論驅(qū)動力和實際驅(qū)動力的計算根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： (3-28)當(dāng)為連桿與豎直方向的夾角，當(dāng)為0時，夾緊力最小，即當(dāng)為0能夾緊工件，則其它時候均能夾緊。 得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅(qū)動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.80.9，此處取0.88，則： （8） 手部液壓缸的選用 液壓缸選取HSG型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (3-29) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 液壓缸工

40、作時的總阻力，N - 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: (3-30) (3-31)式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預(yù)壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則: (3-32)由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: (3-33)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以：:查有關(guān)手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取: 內(nèi)徑 外徑其簡圖如下：圖3.2 HSG型活塞桿端外螺紋連接液壓缸3.2 機械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計機械手腕部是小臂和手臂的聯(lián)接部件，其作用是利用自身的活動度來確定手部夾持工件的空間狀態(tài)，也可以

41、說是確定手部的姿態(tài)。故腕部也稱作機械手的姿態(tài)機構(gòu)。 （1）腕部的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是豎直放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞Z軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為伺服電動機，因此我們選用伺服電動機。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用

42、作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。且體積小，驅(qū)動力矩大。（2）腕部的結(jié)構(gòu) 如下圖3-3所示，伺服電動機通過工字鋼固定在機架中間，通過聯(lián)軸器帶動圖3-3 手腕腕部旋轉(zhuǎn)，進而帶動手部旋轉(zhuǎn)。腕部相對機架間的旋轉(zhuǎn)是通過回轉(zhuǎn)支撐軸承中的薄壁交叉滾子軸承實現(xiàn)的?；剞D(zhuǎn)支承軸承是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，可以同時承受較大的軸向、徑向負荷和傾覆力矩。 其簡圖如下圖：圖3-4 薄壁交叉滾子軸承實物圖如下：圖3-5 薄壁交叉滾子軸承（3）手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手

43、腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: (3-34)式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().分析各阻力矩的計算:1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M：若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: (3-35)式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量; - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:

44、(3-36)式中: - 桶裝水對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； - 桶裝水的重量(N); - 桶裝水的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s); 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動件和桶裝水的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 + (3-37)式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 (3-38)式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 軸頸處的支承反力。（4） 伺服電動機的

45、選取測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （）兩桶桶裝水的質(zhì)量為38,質(zhì)量分布于軸線對稱的兩邊，重心到軸線的距離為135mm，那么轉(zhuǎn)動慣量： 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動慣量為: 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則： + 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于薄壁支撐軸承， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,。 所以，驅(qū)動手腕的驅(qū)動力矩: 由上述數(shù)據(jù)，選擇SD系列交流伺

46、服電動機中的SD15型伺服電動機，其簡圖如下：圖3-6 SD15型伺服電動機其技術(shù)參數(shù)如下表：表3.1 SD15型伺服電機的參數(shù) 型號最大輸出功率/W 額定電壓/V頻率/Hz空載轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩 外形尺寸/mm重量勵磁控制機殼外徑總長軸徑/KgSD15101101105015392150312284（5） 液壓缸輸出力液壓缸的輸出力式中：F液壓缸的輸出力 P對應(yīng)輸出力的工作壓強有效工作截面積分無桿腔和有桿腔：無桿腔： (3-39) 有桿腔： (3-40) 計算單活塞桿，計算的推力是取單活塞桿時液壓缸拉力?。?）液壓缸阻力 (3-41)Fe工作負載為0摩擦阻力 （3-42)Fi慣性負載

47、 (3-43)式中， 為液壓缸所要移動的總重量，取為1500N；為重力加速度， ；為速度變化量，取0.2m/s；將各值帶入上式，得=152.9N;所以： （7） 驅(qū)動手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的最大力計算 手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)需克服旋轉(zhuǎn)時與小臂接觸產(chǎn)生的摩擦力，與液壓缸接觸產(chǎn)生的摩擦力，設(shè)它們的摩擦系數(shù)均為0.1，、均為1500N，則： (3-44) 因為始終要保證手部和手腕與地面垂直，小臂上驅(qū)動手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸只是保證其精度，對其驅(qū)動力要求不大，因此只需克服摩擦力、，即： (3-45)式中， 為液壓缸驅(qū)動力 為旋轉(zhuǎn)時克服的摩擦力 為液壓缸的摩擦力（8） 驅(qū)動手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸的選用 液壓缸選取HSG

48、型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (3-46)式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 液壓缸工作時的總阻力，N - 液壓缸工作壓力，Pa因為選定的液壓缸與手部的驅(qū)動液壓缸為同一種類型，且其要求的驅(qū)動力遠大于此液壓缸的驅(qū)動力，因此同樣選?。簝?nèi)徑外徑其結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖3-7 HSG型活塞桿端為外螺紋耳環(huán)連接液壓缸4小臂和大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計它由執(zhí)行系統(tǒng)的動力關(guān)節(jié)和連桿等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的部件。小臂自身重量較大，還要承受

49、手腕、夾持器和桶裝水的重量，以及在運動中產(chǎn)生的動載荷，故其受力情況較復(fù)雜。（1） 小臂結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計本次設(shè)計的手臂如下圖：圖4-1 小臂其尺寸為：長寬高=800150150，它是手腕和大臂之間的連接件，其連接方式如下圖4-2：圖4-2 小臂連接方式（2）驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸的計算和選取液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。（3）液壓缸輸出力液壓缸的輸出力： (4-1)式中：F液壓缸的輸出力 P對應(yīng)輸出力的工作壓強有效工作截面積分無桿腔和有桿腔：無桿腔： (4-2) 有桿腔： (4-3)計算單活塞

50、桿，計算的推力是取單活塞桿時液壓缸拉力取（4） 液壓缸阻力 (4-4)式中，F(xiàn)e工作負載為0 摩擦阻力 (4-5) Fi慣性負載 (4-6)式中，為液壓缸所要移動的總重量，取為1000N； 為重力加速度， ； 為速度變化量，取0.2m/s； 將各值帶入上式，得=102N所以： （5） 小臂、手腕等全部重力Fn和驅(qū)動力Fp的關(guān)系當(dāng)液壓缸與水平方向的夾角為=30時，為機械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動力最大的時候，此時和驅(qū)動力的關(guān)系： (4-7)式中， 小臂、手腕、手部和桶裝水全部重力，估為1500N 液壓缸驅(qū)動力 液壓缸與水平方向的夾角,最大范圍時為30 液壓缸頭部和尾部的水平距離，為300mm 小

51、臂、手腕、手部和桶裝水整體的重心與液壓缸尾部的水平距 離,估為 1200mm 由上述數(shù)據(jù)可得： （6）驅(qū)動小臂液壓缸的選用液壓缸選取HSG型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (4-8)式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 液壓缸工作時的總阻力，N - 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: (4-9) (4-10)式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預(yù)壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù).

52、- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則: (4-11)由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: (4-12)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關(guān)手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取內(nèi)徑 外徑其簡圖如下：圖4-3 HSG型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接4.2 大臂的尺寸和機構(gòu)設(shè)計大臂是用來支撐和調(diào)整小臂、手腕和末端執(zhí)行器的位置的部件。手臂自身重量較大，還要承受小臂、手腕、末端執(zhí)行器和桶裝水的重量，以及在運動中產(chǎn)生的動載荷，故其受力情況較復(fù)雜。大臂一般安裝在機座上。（1） 大臂的設(shè)計要求大臂設(shè)計要求有以下幾點：1、大臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機械手完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。2、根據(jù)大臂所承受的載荷

53、和結(jié)構(gòu)特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料；如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身重量。3、盡量減小大臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減小轉(zhuǎn)動的動載荷與沖擊，提高手臂的響應(yīng)速度。4、要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。（2） 大臂的結(jié)構(gòu)、尺寸及材料下圖為大臂的結(jié)構(gòu)簡圖：圖4-4 大臂其尺寸為：長寬高=1500150150，材料選取Q235A。(3)驅(qū)動大臂的液壓缸的選取液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結(jié)構(gòu)

54、尺寸。(4) 液壓缸輸出力液壓缸的輸出力 (4-13)式中：F液壓缸的輸出力 P對應(yīng)輸出力的工作壓強有效工作截面積分無桿腔和有桿腔：無桿腔： (4-14) 有桿腔： (4-15)計算單活塞桿，計算的推力是取單活塞桿時液壓缸拉力取(5)液壓缸阻力 (4-16)Fe工作負載為0 摩擦阻力 (4-17)Fi慣性負載 (4-18)式中， 為液壓缸所要移動的總重量，取為3500N；為重力加速度， ；為速度變化量，取0.2m/s；將各值帶入上式，得=357N;所以： (6) 大臂的承載力Fn和驅(qū)動力Fp的關(guān)系 當(dāng)液壓缸與豎直方向的夾角為=30時，為機械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動力最大的時候，此時和驅(qū)動力的

55、關(guān)系： (4-19) 式中， 大臂、小臂、手腕、手部和桶裝水全部重力，估為3500N 液壓缸驅(qū)動力 液壓缸與豎直方向的夾角,最大范圍時為30 液壓缸頭部和大臂和基座連接點的水平距離，為400mm 大臂、小臂、手腕、手部和桶裝水整體的重心與液壓缸尾部的 水 平距 離,估為1800mm 由上述數(shù)據(jù)可得： (7) 手部液壓缸的選用 大臂的驅(qū)動選用雙液壓缸驅(qū)動，液壓缸選取HSG型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (4-20)式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N

56、 - 液壓缸工作時的總阻力，N - 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: (4-21) (4-22)式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 彈簧平均直徑，.- 彈簧有效圈數(shù).- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則: (4-23)由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: (4-24)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關(guān)手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取內(nèi)徑 外徑其簡圖如下： 圖4-5 HSG型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接液壓缸5 腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1 腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計本次設(shè)計的腰部和基座結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖5-1 基座 圖5-2 腰

57、部 腰部和基座之間用回轉(zhuǎn)支撐軸承連接。腰部的回轉(zhuǎn)運動為力矩電機直接驅(qū)動。力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機。這種電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力。力矩電機包括：直流力矩電機、交流力矩電機、和無刷直流力矩電機。它具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點，可直接驅(qū)動負載省去減速傳動齒輪，從而提高了系統(tǒng)的運行精度。 圖5-3 力矩電機5.2 回轉(zhuǎn)支撐軸承的選取 本次設(shè)計選取回轉(zhuǎn)支撐軸承為交叉圓錐滾子軸承，交叉圓錐滾子軸承的預(yù)過盈能使軸承具有較大的支撐剛性和回轉(zhuǎn)精度 ，其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖5-4： 圖5-4 交叉圓錐滾子軸承選取的交叉滾子軸承尺

58、寸如下表5.1：表5.1 交叉圓錐滾子軸承參數(shù) 軸承類型 子分類 國內(nèi)型號規(guī)格（dDT）重量(kg)回轉(zhuǎn)支撐軸承交叉圓錐滾子軸承 52873275 100 5.3 力矩電機的選取腰部回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，腰部的轉(zhuǎn)動軸與軸承處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: (5-1)式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(); - 慣性力矩();(1)腰部加速運動時產(chǎn)生的慣性力矩 若腰部起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: (5-2)式中:- 參與腰部轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣

59、量; - 腰部轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s);(2)腰部轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 (5-3)式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 處的支承反力(N)，估為4000N，為2000N。(3)選取電機 測定參與腰部轉(zhuǎn)動的的腰部的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： (5-4) （） 大臂、小臂、手腕和桶裝水的重心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動慣量為: (5-5) （4）腰部轉(zhuǎn)動軸的摩擦阻力矩為，對于回轉(zhuǎn)支撐軸承， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力

60、，粗略估計, (5-6) 所以，驅(qū)動腰部的驅(qū)動力矩: (5-7) 由上述結(jié)果可選YLJ系列力矩三相異步電動機，其技術(shù)參數(shù)如下表： 表5.2 YLJ電機技術(shù)參數(shù)型號中心高mm極數(shù)最大電流A堵轉(zhuǎn)時間minYLJ180-200/6180200610026運動仿真機械手的運動仿真設(shè)計中，主要是模擬腰部的轉(zhuǎn)動、大臂和小臂的俯仰運動、手腕的轉(zhuǎn)動和夾持器的夾持動作。6.1 各機構(gòu)運動分析在已裝好的組件中，在菜單命令中點選【應(yīng)用程序】主菜單中的【機構(gòu)】選項，進入機械仿真界面，單擊定義伺服電機，出現(xiàn)下圖6-1：點擊腰部的回轉(zhuǎn)軸線，點擊【運動軸】，然后點擊【輪廓】，出現(xiàn)下圖6-2： 圖6-1 圖6-2然后在【模】