圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1、 . 27/31圓柱坐標(biāo)式三自由度機(jī)械手摘 要機(jī)器人不僅是一種自動(dòng)化的機(jī)器。機(jī)器人是一種可重新編程的、多功能的、機(jī)械手,為實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)設(shè)計(jì)成通過(guò)可改變的程序動(dòng)作來(lái)移動(dòng)材料、零部件、工具或是其他專用裝置。 本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是一種圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手,該裝置具有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)(兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，也就是所說(shuō)的三個(gè)自由度。該機(jī)構(gòu)中立柱可相對(duì)于機(jī)座旋轉(zhuǎn)180度，回轉(zhuǎn)速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動(dòng)速度約0.2/s，機(jī)械手可上下垂直運(yùn)動(dòng)，其垂直升降量1000，移動(dòng)速度約0.15/s，機(jī)械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑圍：30120。本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)液壓缸

2、）驅(qū)動(dòng)，水平伸縮運(yùn)動(dòng)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，垂直升降運(yùn)動(dòng)仍采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標(biāo)式，工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械手CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OF THREE DEGREES OF FREEDOMABSTRACTA robot is not simply another automated machine.A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tool, or specialized devices through vari

3、able programmed motions for the performance of a variety of task.This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has threedegrees of freedom. The bodies of the column can be

4、 compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the m

5、oving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical.According to the issue demands ,besides, careful thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts ro

6、tating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders.KEY WORDS：Three degrees of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l

7、_Toc326143375前言 PAGEREF _Toc326143375 h 1HYPERLINK l _Toc326143376第1章概述 PAGEREF _Toc326143376 h 2HYPERLINK l _Toc3261433771.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 PAGEREF _Toc326143377 h 2HYPERLINK l _Toc3261433781.1.1 機(jī)械手的組成 PAGEREF _Toc326143378 h 2HYPERLINK l _Toc3261433791.1.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與分類 PAGEREF _Toc326143379 h 3HYPERLINK l

8、 _Toc3261433801.1.3 機(jī)械手的主要參數(shù) PAGEREF _Toc326143380 h 4HYPERLINK l _Toc3261433811.1.4 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc326143381h 5HYPERLINK l _Toc3261433821.2 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展 PAGEREF _Toc326143382 h 5HYPERLINK l _Toc3261433831.3 工業(yè)機(jī)械手在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用 PAGEREF _Toc326143383 h 6HYPERLINK l _Toc326143384第2章總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc32614

9、3384 h 8HYPERLINK l _Toc3261433852.1 總體設(shè)計(jì)的思路 PAGEREF _Toc326143385 h 8HYPERLINK l _Toc3261433862.1.1 思路 PAGEREF _Toc326143386 h 8HYPERLINK l _Toc3261433872.2 總體方案的確定 PAGEREF _Toc326143387 h 8HYPERLINK l _Toc3261433882.2.1 方案 PAGEREF _Toc326143388 h 8HYPERLINK l _Toc326143389第3章機(jī)械手相關(guān)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 PAGEREF _T

10、oc326143389 h 9HYPERLINK l _Toc3261433903.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 PAGEREF _Toc326143390 h 9HYPERLINK l _Toc3261433913.1.1手指夾緊力的計(jì)算 PAGEREF _Toc326143391 h 9HYPERLINK l _Toc3261433923.1.2 手部液壓缸的選取 PAGEREF _Toc326143392 h 11HYPERLINK l _Toc3261433933.1.3 水平伸縮缸尺寸計(jì)算 PAGEREF _Toc326143393 h 13HYPERLINK l _Toc3261433

11、943.1.4 垂直升降液壓缸主要參數(shù)的確定 PAGEREF _Toc326143394 h 14HYPERLINK l _Toc3261433953.2 升降手臂的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326143395 h 16HYPERLINK l _Toc3261433963.3 立柱與托盤的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326143396 h 17HYPERLINK l _Toc3261433973.4 液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)與計(jì)算PAGEREF _Toc326143397 h 19HYPERLINK l _Toc3261433983.5 液壓泵、電機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc32614339

12、8 h 21HYPERLINK l _Toc3261433993.6 機(jī)械手的控制 PAGEREF _Toc326143399 h 22HYPERLINK l _Toc326143400第4章相關(guān)的校核 PAGEREF _Toc326143400 h 23HYPERLINK l _Toc3261434014.1 手爪扇形齒輪與齒條強(qiáng)度校核 PAGEREF _Toc326143401 h 23HYPERLINK l _Toc326143402結(jié)論 PAGEREF _Toc326143402 h 24HYPERLINK l _Toc326143403辭 PAGEREF _Toc326143403

13、h 25HYPERLINK l _Toc326143404參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc326143404 h 26前 言機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，可以說(shuō)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同時(shí)，也是為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中,需求能夠解放人的一種工具。那么這種工具就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世

14、界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。另一方面，人們有各種各樣的好的想法，它也歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以與制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)的總結(jié)和運(yùn)用。它是基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的統(tǒng)一，是理論和實(shí)踐相結(jié)合，這加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和靈活運(yùn)用。通過(guò)查閱大量的資料，學(xué)到了很多在課堂上學(xué)不到的知識(shí)和掌握了一部分新的理念，為我們走向工作崗位奠定了一定的知識(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，也是檢驗(yàn)我們掌握所學(xué)知識(shí)的深度和力度第1章概述1.1工業(yè)機(jī)械手的概述工業(yè)機(jī)器手的用途十分廣泛，它對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，提高勞動(dòng)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證工人的安

15、全都具有重要的意義，尤其對(duì)于那些有毒、高危、多粉塵、油漆、深水作業(yè)的工作環(huán)境和有放射等惡劣環(huán)境條件下的作業(yè)，使用工業(yè)機(jī)械手和機(jī)器人更具有顯著的優(yōu)越性，在FMS中要實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的正常運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)坯料進(jìn)入車間到加工成成品零件的全過(guò)程，使各個(gè)環(huán)節(jié)都能進(jìn)行自動(dòng)連接 ，以與機(jī)床刀具的自動(dòng)調(diào)換，機(jī)械手都將起的重要的作用。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用圍會(huì)越來(lái)越廣。1.1.1機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、軌跡、和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。在 工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)稱為“機(jī)械手”。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以與位置檢測(cè)裝

16、置等所組成，各部分之間的相互關(guān)系如1-1所示。 工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng) 工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng) 位置檢測(cè)裝置圖1-1機(jī)構(gòu)相互關(guān)系圖1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。(1)手部（或稱抓取機(jī)構(gòu)）是與物體接觸的部件，主要是抓取和放置物件的作用。(2)手腕 是連接手部和手臂的部件，可以調(diào)整和改變工件方位。(3)手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。(4)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(yùn)動(dòng)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。(5)機(jī)座 是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，起

17、支承和連接的作用。有時(shí)為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用圍，可以增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)四種形式。3、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，用來(lái)控制動(dòng)作的順序（程序）、位置和時(shí)間、速度和加速度等。4、位置檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，可隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.1.2機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與分類1、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)械手以與與其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置，有臂部、腕部等部件以與整機(jī)的各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的

18、合成來(lái)確定。機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作，必須要配有一個(gè)原動(dòng)件，當(dāng)各個(gè)原動(dòng)件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件隨之作確定的運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)和位置的確定性。2、機(jī)械手的分類機(jī)械手按不同的標(biāo)準(zhǔn)可有不同的分類方法，如按用途可分為用機(jī)械手和專用機(jī)械手；按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手和機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手；按控制方式可分為點(diǎn)位控制機(jī)械手和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，大多按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式將機(jī)械手分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式四種。此設(shè)計(jì)選用的是圓柱坐標(biāo)。1.1.3機(jī)械手的主要參數(shù)機(jī)械手的主要參數(shù)是說(shuō)明機(jī)械手的規(guī)格和具體指標(biāo)，一般包括以下幾項(xiàng)：1、抓取重

19、量抓取重量（又稱臂力）是機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)物件的最大重量，它對(duì)其他參數(shù)如行程圍、運(yùn)動(dòng)速度、坐標(biāo)形式和緩沖裝置的設(shè)計(jì)均有影響，是機(jī)械手最基本的參數(shù)。2、運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度反應(yīng)了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)周期和工作效率，很多機(jī)械手由于速度低而限制了它的使用圍。影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)是手臂伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。速度大小與機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、定位方式、抓取重量和行程距離有關(guān)系。3、行程圍機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)行程對(duì)使用性能有較大的影響。一般來(lái)說(shuō)，通用機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)應(yīng)盡量可能大些，回轉(zhuǎn)行程圍應(yīng)大于180，使機(jī)械手具有一定的通用性；手臂伸縮行程與工作半徑要適宜，太大會(huì)增加手臂伸縮量，相應(yīng)的偏重力矩和

20、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也增加，且剛性降低，對(duì)于定位精度也難以保證。4、定位精度定位精度是衡量機(jī)械手工作質(zhì)量的又一指標(biāo)，是機(jī)械手是運(yùn)動(dòng)部件從某一起始位置運(yùn)動(dòng)到預(yù)期的另一位置時(shí)所達(dá)到的實(shí)際位置的準(zhǔn)確程度。定位精度的高低取決于位置控制方式以與機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件本身的精度和剛度，并和抓取重量、運(yùn)動(dòng)速度等因素也有密切關(guān)系。定位精度包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度兩種，一般所說(shuō)的定位精度是指重復(fù)定位精度。1.1.4機(jī)械手的結(jié)構(gòu)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)）本體是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，各運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)形式取決于它的使用場(chǎng)合和各種不同的作業(yè)要求。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類型特征，用它的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式有和自由度表示；機(jī)械手的空間活動(dòng)圍用它的工作空間來(lái)表示

21、。1、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的手部、手腕、手臂和機(jī)座等的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（方位），決定了手部所夾持的工件或工具在空間的位置和姿態(tài)。機(jī)械手的自由度越多，其動(dòng)作的靈活性和通用性就越好，但是其結(jié)構(gòu)和控制就越復(fù)雜。在決定機(jī)械手的自由度時(shí)，不計(jì)入手部的抓取動(dòng)作，因?yàn)檫@個(gè)動(dòng)作并不改變工件或工具的位置與姿態(tài)。2、手的工作空間與坐標(biāo)所謂工作空間，是指機(jī)械手正常運(yùn)作時(shí)，手腕參考點(diǎn)或者機(jī)械接口坐標(biāo)系原點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)之一。機(jī)械手工作空間與其具有的自由度數(shù)目以與

22、所選用的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的類型與配置有關(guān)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)所形成的變化量，如直線移動(dòng)的距離、回轉(zhuǎn)角度的大小，都將影響工作空間的大小。機(jī)械手的坐標(biāo)系按右手定則決定。1.2工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展機(jī)器人(機(jī)械手)的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開(kāi)始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都

23、在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作，生產(chǎn)過(guò)程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。第一批工業(yè)機(jī)器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬(wàn)能自動(dòng)”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。 1962 年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬(wàn)能搬動(dòng)”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。近百年來(lái)發(fā)展起來(lái)的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體

24、機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來(lái)發(fā)展方向是有知覺(jué)、有思維、能與人對(duì)話。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺(jué)能力 , 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人 , 它不僅具有感覺(jué)能力 , 而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作 。 1.3工業(yè)機(jī)械手在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機(jī)器人是繼動(dòng)力機(jī)、計(jì)算機(jī)

25、之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具。機(jī)器人的應(yīng)用是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志?？v觀目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)異常迅猛；從銷售量上更是充分說(shuō)明了這個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。在中國(guó)市場(chǎng)上占有35市場(chǎng)份額的ABB公司2004年在中國(guó)賣出了600臺(tái)機(jī)器人。而該公司在過(guò)去9年中一共才在中國(guó)大陸市場(chǎng)銷售了2000臺(tái)機(jī)器人。專家預(yù)測(cè)，中國(guó)機(jī)器人2005年擁有量將增至7600臺(tái)，到2010年擁有量將達(dá)到17300臺(tái)，到2015年，市場(chǎng)容量將達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)(套)。據(jù)悉，汽車制造、工程機(jī)械與電機(jī)、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國(guó)今后對(duì)機(jī)器人需求最大的部門，其中所需機(jī)器人的品種以點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、

26、沖壓等為主。近年來(lái)我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)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(guó)外比有差距。我國(guó)目前從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對(duì)較少，工業(yè)機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求量，長(zhǎng)期大量依靠從國(guó)外引進(jìn)。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的0.4%。產(chǎn)生以上差距，有關(guān)專家認(rèn)為主要是我國(guó)沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本較多，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。2004年中國(guó)國(guó)際機(jī)器人

27、展覽會(huì)于11月1-4日舉行，會(huì)后分析報(bào)告數(shù)據(jù)表明，與會(huì)的專業(yè)觀眾只占43%，非專業(yè)觀眾占57%；而90.3%的專業(yè)觀眾為了了解、收集產(chǎn)品信息，其余的大多沒(méi)有填寫具體參觀目的；專業(yè)觀眾中只有21%的工業(yè)制造業(yè)人員，其余主要以科研單位為主，國(guó)參展單位展出的多是面向教育應(yīng)用和處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)中的機(jī)器人，且產(chǎn)品略顯不成熟。這充分表明我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還停留在純技術(shù)層面，離市場(chǎng)化還有很長(zhǎng)一段距離。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個(gè)愛(ài)好者的激情和科研單位的單方努力，機(jī)器人就不能只作為展覽會(huì)上的表演者。研制單位必須和需求緊密結(jié)合，讓機(jī)器人走進(jìn)工廠和家庭，實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。把發(fā)展中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)納入政府重要產(chǎn)業(yè)政

28、策中，引導(dǎo)和扶持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。第2章總體設(shè)計(jì)方案2.1 總體設(shè)計(jì)的思路2.1.1思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：1、系統(tǒng)分析階段(1)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。(2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。(3)根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、所能抓取的重量。2、技術(shù)設(shè)計(jì)階段(1)確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；(2)選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；(3)繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。2.2總體方案的確定2.2.1方案提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)一下本課題的要求：設(shè)計(jì)一種圓柱坐標(biāo)式三自由度工業(yè)機(jī)械手，要

29、求該裝置具有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)（兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。該機(jī)構(gòu)中立柱可相對(duì)于機(jī)座旋轉(zhuǎn)180度，回轉(zhuǎn)速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動(dòng)速度約0.2/s，機(jī)械手可上下垂直運(yùn)動(dòng)，其垂直升降量1000，移動(dòng)速度約0.15/s，機(jī)械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑圍：30120。根據(jù)課題要求經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考和請(qǐng)教指導(dǎo)老師，本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)液壓缸）驅(qū)動(dòng)，水平伸縮運(yùn)動(dòng)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，垂直升降運(yùn)動(dòng)仍采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。第3章機(jī)械手相關(guān)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1手指夾緊力的計(jì)算手部是機(jī)械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件

30、，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)作。設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）手指握力的大小要適宜確定手指的握力（即夾緊力）時(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以與傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。（2）應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開(kāi)手指開(kāi)合式手指應(yīng)具有足夠大的開(kāi)角度來(lái)適應(yīng)較大的直徑圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開(kāi)工件。移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)圍。（3）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且自身重量輕因受到被夾工件的反作用力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力、振

31、動(dòng)等的影響，要求機(jī)械手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。（4）動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部方便根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經(jīng)過(guò)分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。1、夾持式手部夾持式手部對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。2、結(jié)構(gòu)夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被

32、夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。根據(jù)所夾取的零件半徑（30120的圓柱形棒料）經(jīng)分析取扇型齒輪的齒頂圓半徑R=47，模數(shù)m=4，=23。齒條齒數(shù)取=23。手指夾緊力的計(jì)算公式：(3-1)為抓取的工件重量最大為10Kg ，為安全系數(shù)取1.22,暫取5，為工作情況系數(shù)，可按=1.12.5此取=2，為方位系數(shù)，即為當(dāng)爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數(shù)，根據(jù)查取的公式： =0.5tan，粗略計(jì)算約等于0.91.1此處取1。根據(jù)公式（3-1）計(jì)算得:1.521109.8N=29

33、4N因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)采用移動(dòng)型齒輪齒條手部結(jié)構(gòu)，查資料知其夾緊力為驅(qū)動(dòng)力的一半，即:=0.5 (3-2)所以，=588N，此處考慮其他因素取600N。3、手腕手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變手部的方位。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，若有特殊要求可增加手腕左右擺動(dòng)或橫向移動(dòng)。機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)時(shí)要注意下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）可以有手臂完成的動(dòng)作，盡量不設(shè)置手腕。（2）手腕結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單化，對(duì)不需要三維自由度的手腕，可采用兩個(gè)或一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此設(shè)計(jì)可以不要手腕，動(dòng)作可以由手臂完成。圖 3-1機(jī)械手手部簡(jiǎn)圖3.1.2手部液壓缸的選?。?）、初算活塞桿

34、直徑經(jīng)分析液壓缸的最大工作力為F = 1451N由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞桿選用材料HT-15則得= 650 ，由 =/(3-3)取 = 3得： = 216.7N又= N/A (3-4)得： = 2.79（2）、壓桿穩(wěn)定性校核歐拉公式 = EI/() （3-5）由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 = 0.7根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取 L = 200則得 HT-15的彈性模量E = 115160Gpa 取 E = 115Gpa又F=EI/() (3-6)為了更安全，取 = 6 得Imax= ()F/E而I = dd/64(3-7)得 = 64()F/（E） = 0.0341根據(jù)GB/T

35、-2348-1993圓整得：d = 35 （3）、液壓缸參數(shù)確定由d = (0.61) D得缸體徑D = 35/0.6 = 58.33根據(jù)GB/T-2348-199311圓整得D = 65則選用T5160-1型夾緊油缸液壓缸行程：S =（282-162）=120 根據(jù)表GB/T-2348-1993 圓整得S = 125 （4）、選擇調(diào)速閥查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇YF型溢流閥，技術(shù)規(guī)格為通徑mm 額定流量L/min調(diào)速圍Mpa螺紋聯(lián)結(jié) 重量kg10 2 0.57 YF-L10B2.4表3-1溢流閥技術(shù)規(guī)格3.1.3水平伸縮缸尺寸計(jì)算1.選擇調(diào)速閥：選用ZFRM型調(diào)速閥，技術(shù)規(guī)格如下圖框所示表3-2調(diào)速

36、閥技術(shù)規(guī)格通徑mm工作壓力Mpa調(diào)速圍 重量160.5-310-16011.32.液壓缸壁直徑計(jì)算D=(3-8)=0.1301即D=130.1取D=1303.考慮伸縮缸與夾緊缸配合，取活塞直徑d=70。4.活塞行程查表得 S=5005.缸頭厚度計(jì)算h=(3-9)（1）、選擇材料 TQ-400 =400=250（2）、F= （q值取其屈服極限） (3-10) =31689+675885N=707574N（3）、 (3-11) =0.000899=0.899（4）、缸頭法蘭按T5016-1型夾緊缸缸頭2倍尺寸制造。3.1.4垂直升降液壓缸主要參數(shù)的確定1、查表文獻(xiàn)11得液壓缸活塞桿外徑尺寸系列表3

37、7.7-2 取活塞桿直徑為25。工程液壓缸的技術(shù)規(guī)格，液壓缸缸徑AL為40，速度比=1.33，推力為20.11kN，拉力15.08kN。2、液壓缸缸蓋與密封根據(jù)參考資料11表19-13和GB3452.1-92 O型圈用（徑）=28.7，公差0.30，為密封截面直徑，=5.300.13氈圈密封（徑）=36 D（外徑）=403、缸底厚度計(jì)算根據(jù)參考資料16公式37.3-29(3-12)已知=0.04=16=0.01（缸底油孔直徑） =1000.0110取h=104、缸底油孔直徑的計(jì)算根據(jù)參考資料16式37.9-1管子油口徑dd1130(3-13)Q為液體流量，V為流速對(duì)于壓油管V36/s，這里V取

38、5/s由(3-14)為液壓缸輸出速度，AL活塞直徑得：(3-15)已知：=0.15 /s, =0.0007512.87由文獻(xiàn)1得: 公稱直徑故d取10采用卡套式直通管接頭鋼管外徑為22，管接頭連接螺紋M221.5采用推薦管路通過(guò)流量為1000GB3755.1-83公稱壓力P=16圖3-2升降液壓缸簡(jiǎn)圖3.2 升降手臂的設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的作用是把物料運(yùn)送到工作圍的給定位置上。手臂一般能夠完成伸縮運(yùn)動(dòng)、左右回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動(dòng)（即俯仰）運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式有直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以與二者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。手臂是支持手部和手腕的部件，它需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其結(jié)構(gòu)

39、、工作圍、靈活性以與抓重大小、定位精度等對(duì)機(jī)械手性能影響很大，因此在 設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式時(shí)，除了應(yīng)考慮上述因素外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、應(yīng)使手臂剛度大、重量輕，保證手臂準(zhǔn)確工作并具有一定的定位精度。2、應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性小、動(dòng)作靈活。應(yīng)使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確、導(dǎo)向性好。3、輸油（氣）管道的布置合理，不妨礙機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)且使手臂外形整齊，結(jié)構(gòu)緊湊。4、其他要求，如高溫作業(yè)，應(yīng)考慮熱輻射的影響;粉塵場(chǎng)合應(yīng)設(shè)有防塵裝置。本設(shè)計(jì)的手臂是垂直直線運(yùn)動(dòng)。手臂的伸縮、升降與橫向（或縱向）移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。常用的實(shí)現(xiàn)手臂直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以與活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。下

40、圖所示為采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)的手臂結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向并使手臂移動(dòng)的距離和速度有定值的增加。活塞桿左移時(shí)，與之相連的齒輪也左移，并使運(yùn)動(dòng)齒條一起移動(dòng)。由于齒輪與固定齒條相嚙合，因而齒輪在移動(dòng)的同時(shí)，又迫使其在固定齒條上滾動(dòng)，并將此運(yùn)動(dòng)傳給運(yùn)動(dòng)齒條，從而使運(yùn)動(dòng)齒條又左移一距離。因手臂固結(jié)于運(yùn)動(dòng)齒條上，所以手臂的行程和速度均為活塞桿行程和速度的兩倍。因手臂的移動(dòng)速度約為0.15/s,所以活塞桿的速度為0.075/s。3.3立柱與托盤的設(shè)計(jì)立柱是支承水平液壓缸和機(jī)械手的部件，立柱設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)乎到機(jī)械手的工作。此設(shè)計(jì)的立柱經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算，最后采用如下圖的立柱。立柱與托盤是一體的，用鑄造生產(chǎn)。托盤與液

41、壓缸的連接用四個(gè)GB528-M24螺栓進(jìn)行連接。立柱與底座的連接采用四個(gè)M24的螺釘進(jìn)行連接。具體尺寸見(jiàn)下圖3-4。圖3-4立柱與托盤簡(jiǎn)圖3.4 液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將立柱與托盤以上的部分等效成402000的均勻直桿，估算出其總質(zhì)量為（包括工作時(shí)的夾持的工件）= 50其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = ml12 （3-16）= 50212 16.67由于其形心距立柱有效距離為d = 140由平行軸定理得出橫梁相對(duì)立柱形心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量= +（3-17） = （16.67 + 500.14）= 17.65將立柱與托盤視為502000的均勻圓柱，估算其質(zhì)量m = 30 則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = /2（3-18

42、） = 300.05 = 0.075則底座托盤以上整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為總 = + （3-19） =（17.65 + 0.075） =17.7252、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算（1）立柱角速度計(jì)算若要求立柱在0.1秒速度由0增大到15r/min，則 = n/30（3-20）= 15/30= 0.5/s角速度=/t（3-21）= 0.5/0.1= 5 /s(2)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 = = 17.7255 278.283、馬達(dá)外徑計(jì)算此液壓馬達(dá)是用于驅(qū)動(dòng)立柱往復(fù)回轉(zhuǎn)180的機(jī)構(gòu)，采用擺動(dòng)液壓馬達(dá)。由公式 T = b(D-d)(P2-P1) /8（3-22）取馬達(dá)容積高b = 50軸徑d = 35工作壓力= 3背壓= 1馬達(dá)工

43、作效率 = 0.9則 D = 104.8查表GB/T 2348-1993 取D = 1254、葉片設(shè)計(jì)葉片設(shè)計(jì)如下圖，帶鍵槽的通孔套在底座托盤軸徑為100的軸上，與之配合。葉片厚度為10。5、緊固與連接方案上下缸蓋與缸筒之間采用毛氈密封，并用8個(gè)M8的螺釘緊固；至于缸體與底座的連接，用4個(gè)M24的螺栓連接，為防止兩組螺栓孔削弱缸體上端蓋的強(qiáng)度，特將兩組螺栓孔錯(cuò)開(kāi)453.5液壓泵、電機(jī)的選擇1、流量計(jì)算(1)、手爪驅(qū)動(dòng)缸流量計(jì)算若要求手爪在0.1秒抓取并夾緊工件，則手爪運(yùn)動(dòng)速度= /t（3-23） = 0.125/0.1/s = 1.25/s則手爪驅(qū)動(dòng)缸的流量 = V1A1100060 = 1.

44、250.02100060/4 = 2.355 /min(2)、橫梁驅(qū)動(dòng)缸的流量計(jì)算= V2A2100060 = 0.20.063100060/4 = 37.4 /min(3)、立柱液壓缸的流量計(jì)算= V3A3100060/4 = 0.150.02100060/4 = 2.826 /min(4)、底盤液壓缸流量計(jì)算 = b(D -d )/8m = 0.5(1 -0.35 )15/80.9 = 0.9141 /min則總流量為 = Qv1 + Qv2 + Qv3 + Qv4 = 2.355 + 37.4 + 2.826 + 0.9141 = 43.4951/min2、選擇液壓泵為實(shí)現(xiàn)用一個(gè)液壓泵給這幾個(gè)液壓缸供油，需要選擇一個(gè)大流量的液壓泵，根據(jù)液壓泵產(chǎn)品列表選擇CB-32型液壓泵，其相關(guān)參數(shù)為額定排量 32.1 ml/r 額定轉(zhuǎn)速 1500 r/min額定壓力 10 額定功率 9.8 質(zhì)量 6.4算得其額定流量=32.115001000 = 48.15 /min滿足此液壓系統(tǒng)流量要求。3、選擇電機(jī)根據(jù)液壓泵功率選擇合適的電機(jī)，查電機(jī)產(chǎn)品列表選擇Y160-4 型電機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如下：額定功率 11滿載轉(zhuǎn)速 1460 r/min額定電壓 380