桶裝礦泉水碼垛機(jī)械手

目錄TOC\o"1-3"\h\z\u1643摘要3133621緒論455621.1機(jī)械手概述4297531.2機(jī)械手的組成5175071.3機(jī)械手的分類8292171.4國內(nèi)外開展?fàn)顩r10109152機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、類型和參數(shù)1298832.1驅(qū)動(dòng)方式選取12169342.2機(jī)械手類型的選取133502.3機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)1534833手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16196873.1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16210893.2機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2188924小臂和大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)302454.1小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30169484.2大臂的尺寸和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)34258765腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4088245.1腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)40280505.2回轉(zhuǎn)支撐軸承的選取40965.3力矩電機(jī)的選取41170816運(yùn)動(dòng)仿真44304306.1各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 44546.2用表定義各運(yùn)動(dòng)副46208696.3創(chuàng)立運(yùn)動(dòng)分析47147216.4回放結(jié)果并錄制播放文件4716902總結(jié)與體會(huì)4916902致謝5010872參考文獻(xiàn)51摘要機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中開展起來的一種新裝置。本次設(shè)計(jì)的是桶裝水碼垛機(jī)械手，作用是碼垛桶裝水。它有六個(gè)自由度，主要采用液壓驅(qū)動(dòng)，此外，還有力矩電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(jì)選取了回轉(zhuǎn)支撐軸承來實(shí)現(xiàn)腰部和手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，本次設(shè)計(jì)還對(duì)機(jī)械手對(duì)桶裝水的碼垛過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，主要是分析各局部速度和加速度?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)械手、碼垛、桶裝水、運(yùn)動(dòng)仿真AbstractTherobotisanewdevicedevelopedintheprocessofmechanizationandautomationofproduction。Thedesignofthisisbottledwaterpalletizingrobot,theroleofpalletizingbottledwater.Ithassixdegreesoffreedom,mainhydraulicdrive,Inaddition,thereisatorquemotorandservomotordrive.ThehydrauliccylinderselectionareHSGhydrauliccylinder.Itismainlycomposedbythebase,waist,arm,forearm,wristandhand.ThedesignselectedSlewingbearingtotherotarymotionofthewaistandwrist.Afterthecompletionofthemechanicaldesign,thedesignrobotpalletizingofbottledwatermotionsimulationanalysisofthevariouspartsofvelocityandacceleration.【Keywords】Robot；Palletizing；BottledWater；Movementsimulation1前言圖1.1碼垛機(jī)械手1.1機(jī)械手概述機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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)代研究十分活潑，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反響和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)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)和效勞性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的局部動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)平安生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比擬簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的開展，制成了能夠獨(dú)立的按過程控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比擬廣的“過程控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jī)械手的組成圖1-2機(jī)械手的組成方框圖機(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)以及位置檢測裝置等所組成。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(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、手部即與物件接觸的部件。由于與對(duì)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(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與對(duì)象直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)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)比擬復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(duì)象的外表形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和對(duì)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(jī)構(gòu)那么通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放對(duì)象的任務(wù)。傳力機(jī)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(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)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(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的對(duì)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(jī)械手的澆包局部)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)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(duì)象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取對(duì)象，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承當(dāng)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)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局部，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。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)那么應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的根底局部，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。(3)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(4)位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反響給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比擬，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度到達(dá)設(shè)定位置。1.3機(jī)械手的分類機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。(1)按使用范圍分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動(dòng)換刀機(jī)械手。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)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(diǎn)位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。(2)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。假設(shè)機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，本錢高。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，本錢低。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壓機(jī)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(jìn)行工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有開展前途。(3)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。假設(shè)欲控制的點(diǎn)數(shù)多，那么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(jī)械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.4國內(nèi)外開展?fàn)顩r國外機(jī)器人領(lǐng)域開展近幾年有如下幾個(gè)趨勢:1、工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。2、機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化開展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、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(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向開展，便于標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)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(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演開展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的開展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7、機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)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)，目前己根本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了局部機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)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(jī)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(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(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(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、本錢也不低，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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”方案的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等根底技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的開展根底。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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面那么剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的根底上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。

2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、類型和參數(shù)對(duì)碼垛機(jī)械手的根本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)對(duì)象，這就要求它們具有較高的精度、快速反響、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)機(jī)械手的原那么是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是桶裝水碼垛機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)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(dòng)方式選取下表2.1為各種驅(qū)動(dòng)方式的比擬：表2.1驅(qū)動(dòng)方式的比擬內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)輸出功率很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)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(jí)調(diào)速，反響靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制不易控制，難以實(shí)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，反響靈敏，可實(shí)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，反響靈敏響應(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(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。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(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。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(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，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(dòng)平穩(wěn)，但體積大平安性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)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(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差比擬平安對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無工作時(shí)有噪音在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位過程控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)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(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等適用于中小負(fù)載，它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。成本液壓組件本錢較高本錢低本錢高一般維修及使用方便方便較復(fù)雜方便機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：1、驅(qū)動(dòng)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、反響速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；3、驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?、平安可靠；5、操作和維護(hù)方便；6、對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要?。?、經(jīng)濟(jì)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(dòng)。2.2機(jī)械手類型的選取機(jī)械手屬于空間機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)上的原因運(yùn)動(dòng)副通常只有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副。其中，用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的的關(guān)節(jié)稱轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)〔記作R〕；用移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)那么稱移動(dòng)關(guān)節(jié)〔記作P〕。這些關(guān)節(jié)中，但凡單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的稱主動(dòng)關(guān)節(jié)，反之那么是從動(dòng)關(guān)節(jié)。單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的主關(guān)節(jié)數(shù)目即是機(jī)械手的自由度數(shù)目。一般來說運(yùn)動(dòng)鏈的自由度和手部運(yùn)動(dòng)的自由度在數(shù)目上是相等的。如圖2-1所示的PUMA操作機(jī)屬6自由度開鏈串聯(lián)型。前3個(gè)關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，功能是確定手部的空間位置。所以這3個(gè)關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的臂桿所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)被稱為機(jī)械手的位置機(jī)構(gòu)，后3個(gè)關(guān)節(jié)主要是確定手部的空間姿態(tài)。所以這3個(gè)關(guān)節(jié)和聯(lián)接他們的桿件構(gòu)成的機(jī)構(gòu)被稱為姿態(tài)機(jī)構(gòu)。位置機(jī)構(gòu)可根本確定操作機(jī)的空間工作范圍，所以前3個(gè)關(guān)節(jié)通常稱作操作機(jī)的主運(yùn)動(dòng)。操作機(jī)可根據(jù)前3個(gè)關(guān)節(jié)不同的運(yùn)動(dòng)組合形式進(jìn)行分類。1、直角坐標(biāo)型機(jī)械手直角坐標(biāo)型機(jī)械手是通過3個(gè)互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置。其前3個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)型式如圖2-2所示。該類機(jī)易于實(shí)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(jī)體占空間較大。2、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手圓柱型坐標(biāo)機(jī)械手是通過兩個(gè)移動(dòng)副和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)手部的空間位置變化,如圖2-3所示。有名的Versatran機(jī)器人就具有這樣的機(jī)械手，在相同的工作空間下，該種操作機(jī)所占的空間體積要小于直角坐標(biāo)型操作機(jī)。該種機(jī)械構(gòu)簡單，便于幾何計(jì)算，通常用于搬運(yùn)機(jī)械手。3、球坐標(biāo)型機(jī)械手球型坐標(biāo)機(jī)械手是通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副來實(shí)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(dòng)，大臂可在z-x平面俯仰，小臂可伸縮運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手的特點(diǎn)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(jī)械手關(guān)節(jié)型機(jī)械手是模擬人的上臂而構(gòu)成的。它的前三個(gè)關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)繞平行于y軸的兩軸線轉(zhuǎn)動(dòng),如圖2-4所示。它利用順序的三次圓弧運(yùn)動(dòng)來改變手的空間位置，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)的工作空間大，還能繞過基座周圍的一些障礙物。這是機(jī)器人中使用最多的一種形式。PNMA、CINCINNATIT3、MOTOMAN、ABB、KUKA等名牌機(jī)器人都采用這種形式的機(jī)械手。為跟上時(shí)代步伐，為以后工作打根底，本次設(shè)計(jì)選用垂直關(guān)節(jié)型機(jī)械手。2.3機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)〔1〕工件重量機(jī)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(dòng)，抓取力大，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為38公斤?！?〕根本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的根本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是腰部的旋轉(zhuǎn)、大臂的擺動(dòng)和小臂的擺動(dòng)。具體技術(shù)參數(shù)如下表所示：表2.2機(jī)械手根本參數(shù)動(dòng)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(dòng)作范圍腰部旋轉(zhuǎn)300°大臂擺動(dòng)115°小臂擺動(dòng)140°手腕伸縮0°最大速度腰部旋轉(zhuǎn)110°/s大臂擺動(dòng)110°/s小臂擺動(dòng)110°/s手腕旋轉(zhuǎn)110°/s3手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部是用來抓持工件的部件，將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)載荷4、應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位?！?〕夾緊方案確實(shí)定機(jī)械手夾持器有很多方式，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(shí)際情況齒輪齒條平行連桿平移式夾持器，如以下圖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(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸?！?〕液壓缸輸出力〔4〕液壓缸阻力式中，為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為1000N；為重力加速度，；為速度變化量，取0.2m/s；啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01~0.5，取0.2s將各值帶入上式，得=102N;所以：〔5〕夾緊力Fn和驅(qū)動(dòng)力Fp的關(guān)系如圖2-5所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器推桿往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩滑塊向中間收攏，產(chǎn)生夾緊力，夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系：式中，手部夾緊力液壓缸驅(qū)動(dòng)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(shí)，將隨增大而增大，當(dāng)時(shí)夾緊力為最小值?！?〕夾緊力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)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(duì)工件的夾緊力可按以下公式計(jì)算：式中：—平安系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.2——2.0，取1.2；—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù),，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對(duì)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(jìn)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(jì)算—被抓取工件的重量求得夾緊力，〔7〕理論驅(qū)動(dòng)力和實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：當(dāng)為連桿與豎直方向的夾角，當(dāng)為0時(shí)，夾緊力最小，即當(dāng)為0能夾緊工件，那么其它時(shí)候均能夾緊。得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，那么：〔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(shí)的總阻力，其公式為:式中:-活塞桿上的推力，N-彈簧反作用力，N-液壓缸工作時(shí)的總阻力，N-液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: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(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，那么:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以：:查有關(guān)手冊(cè)圓整，根據(jù)實(shí)際情況，選取:內(nèi)徑外徑其簡圖如下：圖3.2HSG型活塞桿端外螺紋連接液壓缸3.2機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)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(dòng)度來確定手部夾持工件的空間狀態(tài)，也可以說是確定手部的姿態(tài)。故腕部也稱作機(jī)械手的姿態(tài)機(jī)構(gòu)?！?〕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(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)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(jī)械手抓取的工件是豎直放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為伺服電動(dòng)機(jī)，因此我們選用伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反響，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。且體積小，驅(qū)動(dòng)力矩大?！?〕腕部的結(jié)構(gòu)如以下圖3-3所示，伺服電動(dòng)機(jī)通過工字鋼固定在機(jī)架中間，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)圖3-3手腕腕部旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)手部旋轉(zhuǎn)。腕部相對(duì)機(jī)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(shí)現(xiàn)的。回轉(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(shí)承受較大的軸向、徑向負(fù)荷和傾覆力矩。其簡圖如以下圖：圖3-4薄壁交叉滾子軸承實(shí)物圖如下：圖3-5薄壁交叉滾子軸承〔3〕手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:式中:-驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩();-慣性力矩();-參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().分析各阻力矩的計(jì)算:1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M：假設(shè)手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，那么:式中:-參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;-工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。假設(shè)工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:式中:-桶裝水對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；-桶裝水的重量(N);-桶裝水的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);-起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);—起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和桶裝水的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩+式中:-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，那么.3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩式中:，-轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);-摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;,-軸頸處的支承反力。〔4〕伺服電動(dòng)機(jī)的選取測定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：〔〕兩桶桶裝水的質(zhì)量為38,質(zhì)量分布于軸線對(duì)稱的兩邊，重心到軸線的距離為135mm，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：假設(shè)工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長的棒料來說，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,那么：+手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于薄壁支撐軸承，，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，,,,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),。所以，驅(qū)動(dòng)手腕的驅(qū)動(dòng)力矩:由上述數(shù)據(jù)，選擇SD系列交流伺服電動(dòng)機(jī)中的SD15型伺服電動(dòng)機(jī)，其簡圖如下：圖3-6SD15型伺服電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)如下表3.1：表3.1SD15型伺服電機(jī)的參數(shù)型號(hào)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/N.m外形尺寸/mm重量勵(lì)磁控制機(jī)殼外徑總長軸徑/KgSD15101101105015392150312284〔5〕液壓缸輸出力〔6〕液壓缸阻力式中，為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為1500N；為重力加速度，；為速度變化量，取0.2m/s；啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01~0.5，取0.2s將各值帶入上式，得=152.9N;所以：〔7〕驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的最大力計(jì)算手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)需克服旋轉(zhuǎn)時(shí)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，那么：因?yàn)槭冀K要保證手部和手腕與地面垂直，小臂上驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸只是保證其精度，對(duì)其驅(qū)動(dòng)力要求不大，因此只需克服摩擦力、，即：式中，為液壓缸驅(qū)動(dòng)力為旋轉(zhuǎn)時(shí)克服的摩擦力為液壓缸的摩擦力〔8〕驅(qū)動(dòng)手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)的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(shí)的總阻力，其公式為:式中:-活塞桿上的推力，N-彈簧反作用力，N-液壓缸工作時(shí)的總阻力，N-液壓缸工作壓力，Pa因?yàn)檫x定的液壓缸與手部的驅(qū)動(dòng)液壓缸為同一種類型，且其要求的驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于此液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，因此同樣選?。簝?nèi)徑外徑其結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖3-7HSG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(jì)4.1小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)它由執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)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，還要承受手腕、夾持器和桶裝水的重量，以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷，故其受力情況較復(fù)雜?！?〕小臂結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的手臂如以下圖：圖4-1小臂其尺寸為：長×寬×高=800×150×150，它是手腕和大臂之間的連接件，其連接方式如以下圖4-2：圖4-2小臂連接方式〔2〕驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)的液壓缸的計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸?！?〕液壓缸輸出力〔4〕液壓缸阻力式中，為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為1000N；為重力加速度，；為速度變化量，取0.2m/s；啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01~0.5，取0.2s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(dòng)力Fp的關(guān)系當(dāng)液壓缸與水平方向的夾角為=30°時(shí)，為機(jī)械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動(dòng)力最大的時(shí)候，此時(shí)和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系：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(dòng)力液壓缸與水平方向的夾角,最大范圍時(shí)為30°液壓缸頭部和尾部的水平距離，為300mm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1200mm由上述數(shù)據(jù)可得：〔6〕驅(qū)動(dòng)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(shí)的總阻力，其公式為:式中:-活塞桿上的推力，N-彈簧反作用力，N-液壓缸工作時(shí)的總阻力，N-液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: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(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，那么:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，根據(jù)實(shí)際情況，選取內(nèi)徑外徑其簡圖如下：圖4-3HSG型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接4.2大臂的尺寸和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)載荷，故其受力情況較復(fù)雜。大臂一般安裝在機(jī)座上。〔1〕大臂的設(shè)計(jì)要求大臂設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)：1、大臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。2、根據(jù)大臂所承受的載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)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(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減小轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂的響應(yīng)速度。4、要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度?！?〕大臂的結(jié)構(gòu)、尺寸及材料以下圖為大臂的結(jié)構(gòu)簡圖：圖4-4大臂其尺寸為：長×寬×高=1500×150×150，材料選取Q235A。(3)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。(4)液壓缸輸出力(5)液壓缸阻力式中，為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為3500N；為重力加速度，；為速度變化量，取0.2m/s；啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01~0.5，取0.2s將各值帶入上式，得=357N;所以：(6)大臂的承載力Fn和驅(qū)動(dòng)力Fp的關(guān)系當(dāng)液壓缸與豎直方向的夾角為=30°時(shí)，為機(jī)械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動(dòng)力最大的時(shí)候，此時(shí)和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系：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(dòng)力液壓缸與豎直方向的夾角,最大范圍時(shí)為30°液壓缸頭部和大臂和基座連接點(diǎn)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(dòng)選用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)，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(shí)的總阻力，其公式為:式中:-活塞桿上的推力，N-彈簧反作用力，N-液壓缸工作時(shí)的總阻力，N-液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: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(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，那么:由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，根據(jù)實(shí)際情況，選取內(nèi)徑外徑其簡圖如下：圖4-5HSG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(jì)5.1腰部和基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的腰部和基座結(jié)構(gòu)如以下圖所示：圖5-1基座圖5-2腰部

腰部和基座之間用回轉(zhuǎn)支撐軸承連接。腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。力矩電機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。這種電機(jī)的軸不是以恒功率輸出動(dòng)力而是以恒力矩輸出動(dòng)力。力矩電機(jī)包括：直流力矩電機(jī)、交流力矩電機(jī)、和無刷直流力矩電機(jī)。它具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動(dòng)小等特點(diǎn)，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載省去減速傳動(dòng)齒輪，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行精度。圖5-3力矩電機(jī)

5.2回轉(zhuǎn)支撐軸承的選取本次設(shè)計(jì)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)簡圖如以下圖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(hào)規(guī)格〔d×D×T〕重量(kg)回轉(zhuǎn)支撐軸承交叉圓錐滾子軸承528×732×751005.3力矩電機(jī)的選取腰部回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:式中:-驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩();-慣性力矩();(1)腰部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩假設(shè)腰部起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，那么:式中:-參與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;-腰部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);-起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);(2)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩式中:，-轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);-摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;,-處的支承反力(N)，估為4000N，為2000N。(3)選取電機(jī)測定參與腰部轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：〔〕大臂、小臂、手腕和桶裝水的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:〔4〕腰部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的摩擦阻力矩為，對(duì)于回轉(zhuǎn)支撐軸承，，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，,,,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),,所以，驅(qū)動(dòng)腰部的驅(qū)動(dòng)力矩:(5-7)由上述結(jié)果可選YLJ系列力矩三相異步電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下表：表5.2YLJ電機(jī)技術(shù)參數(shù)型號(hào)中心高mm輸出力矩N.m極數(shù)最大電流A堵轉(zhuǎn)時(shí)間minYLJ180-200/6180200610026運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)中，主要是模擬腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂和小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)和夾持器的夾持動(dòng)作。6.1各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析在已裝好的組件中，在菜單命令中點(diǎn)選【應(yīng)用程序】主菜單中的【機(jī)構(gòu)】選項(xiàng)，進(jìn)入機(jī)械仿真界面，單擊定義伺服電機(jī)，出現(xiàn)以下圖6-1：點(diǎn)擊腰部的回轉(zhuǎn)軸線，點(diǎn)擊【運(yùn)動(dòng)軸】，然后點(diǎn)擊【輪廓】，出現(xiàn)以下圖6-2：圖6-1圖6-2然后在【?！肯逻呥x取【擺線】，出現(xiàn)以下圖6-3，并填寫如圖中的數(shù)據(jù)：點(diǎn)擊【圖形】下邊，出現(xiàn)伺服電機(jī)帶動(dòng)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的位置圖，如以下圖6-4：圖6-3圖6-4然后選取【速度】，點(diǎn)擊，出現(xiàn)速度圖，如以下圖6-5：然后選取【加速度】，點(diǎn)擊，出現(xiàn)加速度圖，如以下圖6-6：圖6-5圖6-6然后【位置】【速度】【加速度】均選取，點(diǎn)擊，出現(xiàn)以下圖6-7：圖6-7其中綠色線代表位置，藍(lán)色線代表加速度，剩余那條線代表速度。由表2.2可知腰部的回轉(zhuǎn)速度，大臂、小臂、手腕的俯仰速