搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為目前人類最偉大的發(fā)明之一，其中較具代表性的搬運(yùn)機(jī)器人可以進(jìn)行搬運(yùn)，碼垛及機(jī)床上下料等簡單但是會(huì)大量消耗人力的工作，不僅可以縮短時(shí)間、提高工作效率，而且在一定程度上保護(hù)工作人員的人身安全，給工廠企業(yè)減少人力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本論文將在綜述搬運(yùn)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展基礎(chǔ)上，通過全面分析設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于塑料垃圾桶制造廠用于搬運(yùn)產(chǎn)品的搬運(yùn)機(jī)器人。所設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)為AGV小車，基于小車結(jié)構(gòu)，并結(jié)合廠內(nèi)情況設(shè)計(jì)兩自由度的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)：豎直升降及水平伸縮。最終設(shè)計(jì)出由液壓驅(qū)動(dòng)，通過PLC控制的智能AGV搬運(yùn)機(jī)器人。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人；AGV小車；兩自由度；液壓驅(qū)動(dòng)；PLC目錄TOC\o"1-3"\h\u66711引言 引言研究背景隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為目前為止最偉大的發(fā)明創(chuàng)造之一，其中最突出的便是工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)如今機(jī)電一體化大力推動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人已然成為制造業(yè)不可缺少的設(shè)備之一。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在汽車制造業(yè)、化工、食品生產(chǎn)等生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在搬運(yùn)、噴涂、點(diǎn)焊等制造工藝的應(yīng)用越來越成熟。早期在工廠利用人力搬運(yùn)貨物產(chǎn)品，這種方法效率低下而且危險(xiǎn)較高，例如在化工行業(yè)有時(shí)需要搬運(yùn)重物或有毒物質(zhì)，對人身安全也有著一定的威脅。研究意義近幾年科學(xué)技術(shù)在飛速發(fā)展，智能化的產(chǎn)物也在我們的日常生活中慢慢普及，但是在以前科技沒這么發(fā)達(dá)的時(shí)候，在各個(gè)行業(yè)中都不可避免的會(huì)有一些搬運(yùn)工作，這種簡單重復(fù)且又費(fèi)力的工作浪費(fèi)人力且效率較低。現(xiàn)如今隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)減輕了極大的人力負(fù)擔(dān)，像搬運(yùn)，碼垛及機(jī)床上下料等簡單但是會(huì)大量消耗人力的工作都可以通過一小段程序控制機(jī)器人反復(fù)工作，不僅可以縮短時(shí)間、提高工作效率，而且在一定程度上保護(hù)工作人員的人身安全，給工廠企業(yè)減少人力成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。并且隨著智能化的普及，相信會(huì)有越來越多的高智能機(jī)器人產(chǎn)品投入到各行各業(yè)進(jìn)行工作。在前期準(zhǔn)備時(shí)間中，通過查閱資料、文獻(xiàn)了解了基礎(chǔ)的搬運(yùn)機(jī)器人普遍性的問題，例如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于垃圾桶制造廠產(chǎn)品搬運(yùn)機(jī)器人。搬運(yùn)機(jī)器人作為用來降低人力成本，提高工作效率的自動(dòng)化設(shè)備，它不僅應(yīng)能夠快速適應(yīng)環(huán)境，還應(yīng)具備高穩(wěn)定性、高安全性等性能。本課題通過對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)去提高搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)合產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在PLC控制的基礎(chǔ)上使搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)化、智能化，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本課題中的主要工作內(nèi)容。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國波斯頓動(dòng)力公司(BostonDynamics)是新一代機(jī)器人的先驅(qū)代表。該公司開發(fā)的搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)品有STRETCH、HANDLE機(jī)器人。STRETCH機(jī)器人屬于移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人，搭配視覺系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和貨物拾取。德國在20世紀(jì)70年代中后期推行了“改善勞動(dòng)條件計(jì)劃”政策，針對部分易接觸到有毒有害的工作崗位，強(qiáng)制使用機(jī)器人替換人工作業(yè)，該政策大力推進(jìn)了德國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。德國KUKA機(jī)器人公司，是全球知名的工業(yè)機(jī)器人制造商之一。其生產(chǎn)的重載搬運(yùn)機(jī)器人KR1000Titan是目前市面上比較強(qiáng)悍的機(jī)器人，其工作范圍達(dá)到3米，可以承受1000kg的負(fù)載，并且位置重復(fù)精度只有±0.1mm。瑞士ABB公司是全球四大機(jī)器人制造商之一，迄今為止已經(jīng)在53個(gè)國家安裝超過40萬臺(tái)的機(jī)器人。ABB的GoFaCRB15000協(xié)作機(jī)器人，其負(fù)載能力為5kg，工作范圍達(dá)到950mm。六個(gè)關(guān)節(jié)都搭配了力矩傳感器，可以識別機(jī)器人與人類或者物件的意外碰觸，可以擺脫物理圍欄的束縛，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同工作。我國搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展比歐美各國、日本都要晚。在1988年，我國第一套郵政樞紐搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)在北京郵政科學(xué)技術(shù)研究所被研發(fā)出來。幾年后的1992年，天津理工學(xué)院成功研制出利用光學(xué)導(dǎo)引的搬運(yùn)機(jī)器人，并且將光學(xué)導(dǎo)引搬運(yùn)機(jī)器人投入到核電站工作，1998年，紅河卷煙廠及昆明船舶設(shè)備公司聯(lián)合研制出了多模式激光導(dǎo)引搬運(yùn)機(jī)器人，近幾年來，經(jīng)過不斷研究和發(fā)展，國內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人制造技術(shù)逐漸成熟，逐漸向?qū)I(yè)化、智能化、集成化的方向發(fā)展，取得一定的成就。我國雖然擁有世界最大的工業(yè)機(jī)器人市場，但是由于國內(nèi)機(jī)器人起步較晚，國產(chǎn)的搬運(yùn)機(jī)器人并沒有占據(jù)市場優(yōu)勢，占比僅有20%，主要的份額被國外機(jī)器人占領(lǐng)。國產(chǎn)機(jī)器人比較有名的廠商有埃斯頓、新松、埃夫特、華中數(shù)控等[1]。雖然國內(nèi)針對機(jī)器人的研究起步較晚，但經(jīng)過幾年的發(fā)展，現(xiàn)階段針對搬運(yùn)機(jī)器人的基本研究也漸顯效果，隨著人工智能的發(fā)展，未來對機(jī)器人的智能化要求會(huì)越來越高，不僅要機(jī)器人能完成簡單的搬運(yùn)工作，而且還能夠根據(jù)適應(yīng)環(huán)境并且高質(zhì)量高效率的完成工作。因此，將來對高智能機(jī)器人的研究也是必不可少的。發(fā)展趨勢隨著時(shí)代科技的進(jìn)步，作為近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手在現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演了極其重要的角色。通過目前的研究內(nèi)容，可以預(yù)測在將來搬運(yùn)機(jī)器人將在以下四個(gè)方面的性能進(jìn)行完善加強(qiáng)。高負(fù)載：未來對于搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)載能力將會(huì)有很大的提高，其所能承受的重量會(huì)越來越大。不管在任何行業(yè)，尤其是化工行業(yè)對于重物的搬運(yùn)輸送將會(huì)越來越輕松。高可靠性：隨著機(jī)器人研究的深入，機(jī)器人的零件會(huì)越來越多，各零部件間的配合越緊密，整個(gè)系統(tǒng)也就會(huì)越來越完善，此時(shí)機(jī)器人的故障率就會(huì)大大降低。在搬運(yùn)機(jī)器人工作期間，其運(yùn)行的穩(wěn)定性十分重要，如若在工作期間機(jī)器人發(fā)生了較多的故障，可能會(huì)造成運(yùn)輸?shù)奈锪?、產(chǎn)品損壞，就會(huì)給企業(yè)、工廠造成很大的損失。因此，為了提高運(yùn)輸機(jī)器人的工作效率，減少企業(yè)、工廠的損失，在未來對機(jī)器人的穩(wěn)定性研究十分重要。和諧的人機(jī)交互：機(jī)器人在我們的生活當(dāng)中越來越常見，所以人能否與機(jī)器人和諧有效的交流溝通也越來越重要，這不僅可以使工作生活豐富起來，而且對效率的提高有很大的幫助。高智能：搬運(yùn)機(jī)器人的誕生解放了大量勞動(dòng)力，使得簡單而量大的搬運(yùn)工作不再需要投入大量的人力，隨著人工智能的發(fā)展，未來對機(jī)器人的智能化要求會(huì)越來越高，不僅要機(jī)器人能完成簡單的搬運(yùn)工作，而且還能夠根據(jù)適應(yīng)環(huán)境并且高質(zhì)量高效率的完成工作。因此，將來對高智能機(jī)器人的研究也是必不可少的。課題主要研究內(nèi)容搬運(yùn)機(jī)器人涉及領(lǐng)域眾多，包括力學(xué)，機(jī)械學(xué)，電器液壓氣壓技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)體系中的一項(xiàng)重要組成部分。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過系統(tǒng)編程完成各種預(yù)定的工作任務(wù)，在自身結(jié)構(gòu)和性能上有擁人和設(shè)備各自的優(yōu)勢，尤其體現(xiàn)出了人工智能和適應(yīng)性。其主要由三部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)組成[2]。執(zhí)行系統(tǒng)：搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是其本身非常重要的一部分，通常由手部、腕部、臂部以及機(jī)座組成。根據(jù)產(chǎn)品的特性設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的夾取機(jī)構(gòu)對搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。控制機(jī)構(gòu)：控制整個(gè)系統(tǒng)按照提前設(shè)定好的方式工作，常見的控制系統(tǒng)有PLC控制、單片機(jī)、專用運(yùn)動(dòng)控制器及PC+運(yùn)動(dòng)控制卡控制。在本課題中選用PLC控制系統(tǒng)，PLC的I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展，圖形化開發(fā)界面，抗干擾能力強(qiáng)，可進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)方案及其裝置決定了搬運(yùn)機(jī)器人的性能價(jià)格比。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)四種[3]。在本課題中，我將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)作為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，根據(jù)產(chǎn)品特性及工作場景設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，最后完成整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。由上述及《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》可知，搬運(yùn)機(jī)器人基本由四部分構(gòu)成：機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及智能化系統(tǒng)。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)中的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)投入場地及產(chǎn)品特性設(shè)計(jì)出合理穩(wěn)定的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是非常重要的；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以將液壓、氣壓或電力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，使機(jī)器人能夠完成水平伸縮、豎直升降及腰部回轉(zhuǎn)等動(dòng)作；控制系統(tǒng)也是搬運(yùn)機(jī)器人中十分重要的一環(huán)，人們可以按照預(yù)先預(yù)定好的工作內(nèi)容對機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，使得在日后投入工作當(dāng)中的搬運(yùn)機(jī)器人可以按照預(yù)定好的方式進(jìn)行工作，達(dá)到預(yù)想的效果；最后就是智能化系統(tǒng)，現(xiàn)如今科技高速發(fā)展，智能化也在慢慢普及，搬運(yùn)機(jī)器人作為自動(dòng)化工作的產(chǎn)物，最終向著高智能化的方向發(fā)展是必不可少的。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)主要由五大部分構(gòu)成，其中包括手部、腕部、臂部、機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)等部件，如圖1.1所示。圖1.1搬運(yùn)機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)手部是與工件直接接觸的部件。根據(jù)手部抓取工件方式的不同，可分為夾持式手部和吸附式手部，如圖1.2所示。由于被抓握工件的形狀、尺寸大小、重量和材料性能、表面情況等不同，手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是結(jié)合特定工件形狀或要求而設(shè)計(jì)出來的。常用的手部結(jié)構(gòu)有夾鉗式、氣吸式、電磁式及其他形式等。在進(jìn)行手部設(shè)計(jì)時(shí)，要緊密結(jié)合工件的參數(shù)特性去進(jìn)行設(shè)計(jì)，在確定手指的握力時(shí)，除了需要考慮工件的重量外，還應(yīng)考慮機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)或工作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，手指應(yīng)具有足夠的開閉角度，便于夾取及退出工件，對于手部的驅(qū)動(dòng)裝置，還應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力，通過上述因素的合理設(shè)計(jì)，使得手部結(jié)構(gòu)能夠在工作中穩(wěn)定運(yùn)行。圖1.2(a)回轉(zhuǎn)型內(nèi)撐式；(b)回轉(zhuǎn)型外夾式；(c)平移型外夾式；(d)勾托式；(e)彈簧式；（f）氣吸式；(g)磁吸式腕部結(jié)構(gòu)腕部是連接手部和臂部的部件，其主要作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間里的位置，使機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠完成復(fù)雜的動(dòng)作要求，如圖1.3所示。腕部處于臂部的最前端連接手部，使得工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)、靜載荷均有臂部承受，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能，因此，腕部設(shè)計(jì)要做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，布局要合理，考慮工作情況。腕部的基本運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種。圖1.3腕部結(jié)構(gòu)示意圖臂部結(jié)構(gòu)臂部是機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要執(zhí)行部件，如圖1.4。它的作用是連接并支撐腕部和手部（包括工件或產(chǎn)品），并帶動(dòng)它們進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部送到工作范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，如果要改變手部的位置則需要由腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。臂部的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況看，它在工作中直接承受腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多，因此它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活度以及夾取重量大小和定位精度等都要都會(huì)直接影響整體執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作性能。圖1.4雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)1-油缸體；2-活塞套；3-活塞桿行走機(jī)構(gòu)在本課題中搬運(yùn)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)選為AGV小車的形式，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩輪差速轉(zhuǎn)向，常見的幾種驅(qū)動(dòng)方式如圖1.5所示。圖1.5差速小車驅(qū)動(dòng)方式示意圖影響搬運(yùn)機(jī)器人的因素安全因素搬運(yùn)機(jī)器人作為時(shí)代無人自動(dòng)化工作的產(chǎn)物，在投入到工作當(dāng)中時(shí)一定要考慮其安全性能，因此在設(shè)計(jì)過程中，主要從以下幾部分增加系統(tǒng)安全性能[4][5]：增加安全回路：在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，會(huì)進(jìn)行豎直升降液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在運(yùn)行過程中，豎直液壓缸如果出現(xiàn)斷油情況會(huì)突然下降，從而引發(fā)安全事故，所以在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行安全回路的設(shè)計(jì)，斷油時(shí)斷開系統(tǒng)回路，以保證缸內(nèi)油壓使系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。增加調(diào)速緩沖回路：在液壓缸進(jìn)油或出油的過程中，如流速太快容易導(dǎo)致缸內(nèi)活塞與缸體碰撞，易導(dǎo)致液壓缸部件發(fā)生損壞，從而導(dǎo)致搬運(yùn)機(jī)器人無法正常運(yùn)行，所以在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了調(diào)速緩沖回路，通過節(jié)流閥及單向閥組成的回路對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。自鎖裝置：在進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，防止臂部所承受應(yīng)力過大而發(fā)生破壞導(dǎo)致安全事故，故在小車殼體與手部連接部件之間的豎直連桿中設(shè)計(jì)自鎖裝置，以幫助臂部分擔(dān)壓力起到系統(tǒng)保護(hù)作用。環(huán)境因素在平時(shí)工廠中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，難免會(huì)造成一些環(huán)境污染和噪音污染，所以在進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了噪音產(chǎn)生較小的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且要注意液壓系統(tǒng)中的密封問題，從根本上減少工作中對環(huán)境的污染。法律因素在搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行工作時(shí)，難免會(huì)進(jìn)行一些重物的搬運(yùn)，如若在運(yùn)行過程中發(fā)生故障而導(dǎo)致工件掉落或沒有按照預(yù)期的工作進(jìn)行時(shí)，周圍有人員存在的情況下就會(huì)對人身造成非常嚴(yán)重的威脅，故根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》、《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》、《起重機(jī)械安全監(jiān)察規(guī)定》等規(guī)定，在機(jī)器進(jìn)行工作的過程中，要設(shè)定一個(gè)絕對區(qū)域，任何人都不可以進(jìn)入?yún)^(qū)域當(dāng)中，若要進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)，則需要將機(jī)器斷電后方可進(jìn)入。其他因素在科技飛速發(fā)展的現(xiàn)在，需要越來越多的自動(dòng)化高智能產(chǎn)物去幫助人們解決惡劣環(huán)境或?qū)θ松碛芯薮笸{的工作任務(wù)，隨著現(xiàn)在無人化工廠越來越多的建設(shè)，像搬運(yùn)機(jī)器人這種高智能自動(dòng)化的設(shè)備會(huì)成為投入當(dāng)中的主要生產(chǎn)力，所以在本次課題當(dāng)中，我選擇搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)內(nèi)容。搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)通過《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》可知，根據(jù)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同的運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)形式可分為以下幾種[6]：直角坐標(biāo)型如圖2.1所示，其臂部的運(yùn)動(dòng)由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成，分別是沿著直角坐標(biāo)系的X軸、Y軸及Z軸完成動(dòng)作。這種坐標(biāo)形式的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直角坐標(biāo)型，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，適用的場合為在主機(jī)位置成行排列。圖2.1直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型如圖2.2所示，其臂部的運(yùn)動(dòng)通常由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)形式的機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)被稱為稱為圓柱坐標(biāo)型。它與直角坐標(biāo)型相比較而言，占地面積小且活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，并且能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用范圍較廣。但由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置受到結(jié)構(gòu)限制，所以不能抓取地面上的物體。圖2.2圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型機(jī)器人一般由三個(gè)自由度組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)，如圖2.3所示。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)能通過俯仰運(yùn)動(dòng)來抓取地面上的物體，為了使手部能適應(yīng)被抓取對象各個(gè)方位的要求，通常需要加上一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)來確定手部的姿態(tài)，其工作范圍大，占比空間小，但含有密封困難及作業(yè)死角的問題，并且操控不便，此外，臂部擺角的誤差通過手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大而產(chǎn)生偏差。圖2.3球坐標(biāo)型關(guān)節(jié)型多關(guān)節(jié)機(jī)器人和人的手臂構(gòu)成類似，其特點(diǎn)就是可以人手一樣靈活運(yùn)動(dòng)，如圖2.4所示。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間連接作為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間連接作為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)間均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，臂部的運(yùn)動(dòng)由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，為大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)、小臂俯仰運(yùn)動(dòng)和大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，遇到障礙物時(shí)，多關(guān)節(jié)機(jī)器人能繞過障礙物達(dá)到目標(biāo)處，對此，一般的極座標(biāo)或圓柱坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)器人是難以做到的。又如要求完成某些特殊運(yùn)動(dòng)（搖曲柄運(yùn)動(dòng))時(shí)，多關(guān)節(jié)機(jī)器人也更容易完成。多關(guān)節(jié)機(jī)器人還可象人手那樣，用最少的時(shí)間從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)。如果在多關(guān)節(jié)機(jī)器人手部和腕部裝上觸覺和力的傳感器，它就能做更多、更復(fù)雜的工作。圖2.4關(guān)節(jié)型上述四種坐標(biāo)形式主要結(jié)合在實(shí)際中的應(yīng)用情況來確定，根據(jù)機(jī)器人工作范圍，抓取工件形狀參數(shù)等條件，去選擇并設(shè)計(jì)出合理、合適的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以選擇一種坐標(biāo)形式去進(jìn)行機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可以選擇其中兩種坐標(biāo)形式組合應(yīng)用以達(dá)到預(yù)期的效果。在本課題中，因?yàn)橛行凶邫C(jī)構(gòu)的存在，并且結(jié)合產(chǎn)品的情況及工作場景，最終確定機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式為直角坐標(biāo)型，其具有兩自由度，即X方向上水平伸縮及Y方向上豎直升降。在搬運(yùn)過程中，機(jī)器人整體流程如下：機(jī)器人隨磁條移動(dòng)至產(chǎn)品旁；水平液壓缸使手指沿X方向伸出以確保能穩(wěn)定夾取產(chǎn)品；手部液壓缸控制手指夾緊產(chǎn)品；豎直液壓缸工作使手指沿Z方向上升到設(shè)定高度并進(jìn)行搬運(yùn)工作；搬運(yùn)到指定位置后豎直液壓缸Z方向下降將產(chǎn)品放好；手部液壓缸控制手指松開產(chǎn)品；水平液壓缸沿X方向縮回到初始位置，重復(fù)（1）。手部抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過查閱《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》及相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合產(chǎn)品參數(shù)、工作情況最終選擇夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，連接形式為連桿杠桿式，機(jī)構(gòu)簡圖如圖2.5所示。圖2.5手部機(jī)構(gòu)簡圖手部力學(xué)分析如圖2.6所示為連桿杠桿式受力圖，作用在拉桿4上的驅(qū)動(dòng)力為P驅(qū)動(dòng)，連桿3對拉桿的反作用力P1和P2，力的方向沿連桿兩銷軸中心連線，指向O點(diǎn)并與水平方向成α夾角(見圖2.6b)。圖2.6連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力情況1-調(diào)整墊片；2-手指；3-連桿；4-拉桿由拉桿的力平衡條件得受力分析如下：FFM因h=c可得P=由式(2.1)可知，若設(shè)計(jì)尺寸c、b及驅(qū)動(dòng)力P為一定值時(shí)，握力N和α角的正切值成反比?？梢姰?dāng)α角減小時(shí)，可獲得較大的握力。通過文獻(xiàn)查閱可知，當(dāng)夾角α=30°~40°為手指最佳夾緊角度，故本課題手部結(jié)構(gòu)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。手部握力及夾緊驅(qū)動(dòng)力計(jì)算由《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》查得，手指水平位置夾取垂直位置工件的握力計(jì)算如下：N=式中：f—摩擦系數(shù)，在本課題中手指與產(chǎn)品接觸位置采取橡膠套以確保能穩(wěn)定夾取產(chǎn)品，取摩擦系數(shù)f=0.8；G—夾取重力；實(shí)際驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際計(jì)算如下：P式中：P—計(jì)算驅(qū)動(dòng)力，式2.1；η—手部機(jī)械效率，一般取0.85~0.95；K1—安全系數(shù)，一般取1.2~2；K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦浪鉑式中：a—被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度；g—重力加速度，取g=9.8m/s2。握力計(jì)算：N=計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算：P=實(shí)際驅(qū)動(dòng)力計(jì)算：KP故取實(shí)際驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際=1110N。爪部夾緊液壓缸設(shè)計(jì)圖2.7活塞液壓缸結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上圖所示液壓缸結(jié)構(gòu)及手部結(jié)構(gòu)分析可得，在手部抓取工件時(shí)，無桿側(cè)進(jìn)油，使活塞桿對手部結(jié)構(gòu)施加驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)工件夾緊動(dòng)作。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》可知，液壓缸尺寸相關(guān)計(jì)算如下[7]：根據(jù)負(fù)載大小計(jì)算選定系統(tǒng)壓力表計(jì)算缸內(nèi)徑D如下式：D=3.57式中：D—液壓缸內(nèi)徑，m；F—液壓缸推力，kN；p—選定的工作壓力，在本課題中選定工作壓力為1MPa。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》可知，當(dāng)液壓桿受壓力，且工作壓力小于5MPa時(shí)，液壓桿直徑取d=(0.5~0.55)D。缸筒壁厚計(jì)算如下式：δ式中：δ—缸體壁厚，m；c1—缸筒外徑公差余量，m；c2—腐蝕裕量，m；δ0—缸筒材料要求的最小值，m，其數(shù)值應(yīng)如下式計(jì)算δ式中：Pmax—缸內(nèi)最高工作壓力，MPa；D—缸筒內(nèi)徑；σp—缸筒材料的許用應(yīng)力，MPa，其數(shù)值應(yīng)如下式計(jì)算σ式中：σb—缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；n—安全系數(shù)，通常取n=5。缸筒底部厚度計(jì)算公式如下：δ式中：D2—計(jì)算厚度外直徑，m。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》可知，液壓缸通常使用材料為30、45、20Mn等碳素鋼，或其他高強(qiáng)度合金鋼，在本課題中，工作中的缸內(nèi)壓力為1MPa，屬于低壓，故選擇液壓缸材料為45號鋼，抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa，密度為7.85g/cm3。手部液壓缸內(nèi)徑計(jì)算：D=3.57根據(jù)GB/T2348-2018流體傳動(dòng)系統(tǒng)及元件規(guī)定，計(jì)算出的內(nèi)徑數(shù)值應(yīng)根據(jù)規(guī)定向上圓整，故手部液壓缸內(nèi)徑D手部=40mm。手部液壓桿直徑計(jì)算：d=0.55根據(jù)GB/T2348-2018流體傳動(dòng)系統(tǒng)及元件可得，手部液壓桿也應(yīng)按照規(guī)定圓整，在此手部液壓桿直徑計(jì)算值剛好為圓整值，故手部液壓桿直徑d手部=22mm。手部液壓缸缸體厚度計(jì)算：δ取腐蝕裕量與公差余量之和為2.5mm。δ根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》中推薦液壓缸壁厚數(shù)據(jù)圓整得，手部液壓缸缸體厚度δ0=4mm。手部液壓缸壁厚驗(yàn)算：0.35故厚度合理。手部液壓缸底部計(jì)算：δ故圓整后取液壓缸底部厚度為δ1=4mm。水平伸縮液壓缸及豎直升降液壓缸計(jì)算過程相同，最終計(jì)算整理出各液壓缸數(shù)據(jù)如表2.1所示：表2.1各液壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)液壓缸名稱缸筒內(nèi)徑/mm液壓桿直徑/mm缸筒壁厚/mm缸底壁厚/mm手部液壓缸402244水平伸縮液壓缸502844豎直升降液壓缸603644液壓缸整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》，常用的液壓缸缸體結(jié)構(gòu)共有八類，根據(jù)重量及應(yīng)用去選擇合理缸體結(jié)構(gòu)十分重要，在本課題中，為了便于后期檢查維修等問題，選擇了容易拆卸的法蘭連接液壓缸，其主要結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：圖2.8水平伸縮液壓缸三維模型圖如圖，液壓缸前端蓋與缸體為法蘭連接，加工方便且拆裝簡易，后端蓋與筒體之間焊接。液壓缸內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)液壓缸內(nèi)部構(gòu)件主要有液壓桿、活塞、密封圈、導(dǎo)向套及防塵圈等等，這些結(jié)構(gòu)部件相互配合，形成了液壓缸內(nèi)部良好的密封環(huán)境及工作環(huán)境?；钊Y(jié)構(gòu)形式：缸內(nèi)液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關(guān)，活塞直徑應(yīng)與缸筒內(nèi)徑一致。所以在設(shè)計(jì)活塞時(shí)，主要任務(wù)是確定活塞的結(jié)構(gòu)型式。通過查閱相關(guān)資料可知，活塞種類分為整體式和組合式活塞，在本課題中選擇活塞形式為整體式活塞，如圖2.9所示。圖2.9整體式活塞唇型密封圈密封1-活塞；2-唇型密封圈；3-導(dǎo)向套活塞與活塞桿連接形式：活塞與活塞桿連接有多種型式，所有型式均需有鎖緊措施，為了防止活塞在工作時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致活塞掉落。同時(shí)在活塞與活塞桿之間需設(shè)置靜密封。在本課題中選擇活塞與活塞桿間連接為螺母型連接，活塞與螺母之間采用O型圈進(jìn)行密封?；钊芊饨Y(jié)構(gòu)：在液壓缸進(jìn)行工作的過程中，活塞與液壓桿由于液壓的作用而發(fā)生我們想進(jìn)行的動(dòng)作，所以為了液壓系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作，防止油沿著缸壁泄漏，在本課題中活塞與缸筒內(nèi)側(cè)采用Yx型密封圈進(jìn)行密封，如圖2.10所示。Yx型密封圈是主要用于像液壓缸活塞在缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封的密封圈，主要材料有橡膠、TPU等，在本課題中選擇材料為TPU，密封圈結(jié)構(gòu)尺寸由JB/ZQ4264孔用Yx型密封圈確定。圖2.10Yx型密封圈活塞規(guī)格設(shè)計(jì)計(jì)算：活塞寬度一般為活塞外徑的0.6~1.0倍，但也要根據(jù)密封件的型式、數(shù)量和安裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸而定。在本課題中，活塞長度按照1倍活塞外徑計(jì)算，活塞樣式如圖2.11所示。圖2.11活塞示意圖各液壓缸活塞規(guī)格尺寸如表2.2所示：表2.2各液壓缸活塞規(guī)格尺寸表液壓缸名稱活塞內(nèi)徑/mm活塞外徑/mm活塞寬度/mm動(dòng)密封槽深/mm動(dòng)密封槽寬/mm靜密封槽深/mm靜密封槽寬/mm手部液壓2水平液壓缸205050豎直液壓缸25606061642.5活塞與活塞桿連接處螺母選用：在本課題中，活塞與活塞桿連接處螺母選擇為I型六角螺母，其規(guī)格數(shù)據(jù)參考GB/T6171-2016。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》，活塞桿處螺紋尺寸如表2.3所示：表2.3活塞桿處螺紋尺寸規(guī)格表液壓缸名稱螺紋直徑與螺距螺紋長度/mm手部液壓缸M10×1.2516水平伸縮液壓缸M16×1.522豎直升降液壓缸M20×1.528導(dǎo)向套、防塵圈尺寸規(guī)格計(jì)算：活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿側(cè)端蓋內(nèi),用以對活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。導(dǎo)向套樣式如圖2.12所示：圖2.12導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)示意圖金屬導(dǎo)向套一般采用摩擦因數(shù)小、耐磨性好的青銅材料制作，非金屬導(dǎo)向套可以用尼龍、聚四氟乙烯+玻璃纖維和聚三氟氯乙烯材料制作。端蓋式直接導(dǎo)向型的導(dǎo)向套材料用青銅、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、氧化鑄鐵等制作。在本課題中選擇導(dǎo)向套材料為青銅材料。導(dǎo)向套的主要尺寸是支承長度，通常按活塞桿直徑、導(dǎo)向套的型式、導(dǎo)向套材料的承壓能力、可能遇到的最大承壓能力、可能遇到的最大承壓能力、可能遇到的最大寬度一般約為d/3，兩段的線間距離取2d/3，尺寸如圖2.13所示：圖2.13導(dǎo)向套尺寸配置示意圖設(shè)計(jì)計(jì)算后各液壓缸導(dǎo)向套尺寸如表2.4所示：表2.4各液壓缸導(dǎo)向套規(guī)格尺寸表液壓缸名稱總長度/mm每段長度/mm桿側(cè)槽寬/mm桿側(cè)槽深/mm缸側(cè)槽寬/mm缸側(cè)槽深/mm爪部液壓缸27.473.224.83水平液壓缸39104.534.83豎直液壓缸45124.537.55導(dǎo)向套與液壓缸、液壓桿之間采用O型圈密封，如圖2.14所示，規(guī)格尺寸由JB/ZQ4224-2006O型橡膠密封圈確定：圖2.14O型圈液壓缸前端蓋處防塵圈如圖2.15所示，其規(guī)格尺寸由GB/T10708.3-2002橡膠防塵密封圈確定，如表2.5所示。圖2.15防塵圈表2.5各液壓缸前端蓋防塵圈尺寸規(guī)格表液壓缸名稱D1/mmd1/mmS1/mmh1/mmL1/mmD/mm手部液壓缸3020.53.55530水平液壓缸3626.53.55536豎直液壓缸4434.53.55544水平伸縮液壓缸設(shè)計(jì)在本課題中，需要機(jī)器人可以做到水平伸縮以防止產(chǎn)品與車身發(fā)生磕碰導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生破壞，所以在水平方向上設(shè)置了液壓缸來幫助手部進(jìn)行X方向上的伸縮，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意以下問題：剛度問題：由于水平伸縮液壓缸作為連接手部和臂部的部分，所以在工作過程中不僅會(huì)受到夾取產(chǎn)品的壓力及手部構(gòu)件的壓力，還有在水平和豎直方向上運(yùn)動(dòng)的慣性力，所以對于水平液壓缸來講，它本身的剛度要足夠支撐機(jī)器人的各種動(dòng)作才能確保機(jī)器人能正常運(yùn)行。受力問題：如上述，水平伸縮液壓缸在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生慣性力，為了保證整體系統(tǒng)能夠長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，所以需要盡可能的減少水平液壓缸受到的慣性力沖擊。而且由于爪部抓取工件時(shí)會(huì)對水平液壓缸的液壓桿產(chǎn)生重力方向上的作用力，其偏心力矩可能會(huì)導(dǎo)致液壓桿產(chǎn)生變形，液壓桿與缸體發(fā)生磕碰摩擦，嚴(yán)重使液壓缸自鎖，所以要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證整體系統(tǒng)能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。水平液壓缸尺寸設(shè)計(jì)通過結(jié)合機(jī)器人工作情況，水平液壓缸在工作中不僅會(huì)受到產(chǎn)品的壓力，還有手部結(jié)構(gòu)部件的壓力，故結(jié)合這些數(shù)據(jù)計(jì)算出水平伸縮液壓缸尺寸如表2.1所示，水平伸縮行程為200mm。液壓缸所需驅(qū)動(dòng)力：P手臂伸縮時(shí)產(chǎn)生的慣性力：在工作過程中，水平液壓缸可分為三個(gè)階段，分別是：加速階段、勻速階段、減速階段，設(shè)計(jì)第一階段時(shí)間t1=1s，第二階段時(shí)間t2=2s，第三階段時(shí)間t3=1s，可得啟動(dòng)的速度差如下式計(jì)算：?加速減速階段加速度為：a=手臂伸縮慣性力公式為：F式中：m—臂部運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，kg；a—加速、減速階段加速度，m/s2。臂部受力情況如圖2.16所示：圖2.16臂部受力情況由圖可知，在機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)工作中，臂部主要受到工件重力G1，手指部件重力G2及手部夾緊液壓缸部件G3、G4。產(chǎn)品重力G1=600N，手指部件總重G2≈200N，手部夾緊液壓缸總重G3+G4≈300N，故臂部質(zhì)量可通過下式進(jìn)行計(jì)算：m=手臂伸縮時(shí)產(chǎn)生慣性力大小為：F水平液壓缸工作時(shí)摩擦力：水平伸縮液壓桿在工作時(shí)主要與液壓缸前端蓋及導(dǎo)向套接觸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故會(huì)與兩者產(chǎn)生摩擦力，在這里按最大靜摩擦力計(jì)算。端蓋的制造材料為45號鋼，導(dǎo)向套的制造材料為青銅，通過查閱資料可知，鋼對鋼的摩擦系數(shù)μ1=0.1，鋼對青銅的摩擦系數(shù)μ2=0.15?；钊麠U與前端蓋摩擦產(chǎn)生摩擦力：f活塞桿與導(dǎo)向套摩擦產(chǎn)生摩擦力：f總摩擦力：ff故設(shè)計(jì)水平伸縮液壓缸驅(qū)動(dòng)力滿足要求。豎直升降液壓缸豎直升降液壓缸在工作當(dāng)中主要受到手部構(gòu)件及水平液壓缸部件所施加的壓力，故結(jié)合這些數(shù)據(jù)計(jì)算出水平伸縮液壓缸尺寸如表2.1所示，水平伸縮行程為135mm。液壓缸所需驅(qū)動(dòng)力：P手臂升降時(shí)產(chǎn)生的慣性力：在工作過程中，升降液壓缸可分為三個(gè)階段，分別是：加速階段、勻速階段、減速階段，設(shè)計(jì)第一階段時(shí)間t1=1s，第二階段時(shí)間t2=2s，第三階段時(shí)間t3=1s，可得啟動(dòng)的速度差如下式計(jì)算：?加速減速階段加速度為：a=手臂升降慣性力公式為：F式中：m—臂部運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，kg；a—加速、減速階段加速度，m/s2。在機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)工作中，臂部主要受到工件重力G1，手指部件重力G2及手部夾緊液壓缸部件G3、G4。經(jīng)計(jì)算得：產(chǎn)品重力G1=600N，手指部件總重G2≈200N，手部夾緊液壓缸總重G3+G4≈300N，水平伸縮液壓缸總重G5+G6≈400N，故臂部質(zhì)量可通過下式進(jìn)行計(jì)算：m=手臂升降時(shí)產(chǎn)生慣性力大小為：F豎直升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力校核：FF故設(shè)計(jì)豎直升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力滿足要求。機(jī)身行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算由《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》可知，機(jī)身是機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)中直接支承和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。機(jī)身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。機(jī)身可以是固定一體的，也可以是機(jī)身與底座分開形式的，機(jī)身與底座為分開形式的結(jié)構(gòu)，即機(jī)座式結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以方便搬運(yùn)機(jī)械手臂的搬運(yùn)與移動(dòng)，而且可以在其底座上進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓其行走與工作環(huán)境[8]。在本課題中選擇的是機(jī)身與底座分開的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即手臂部件與機(jī)身通過螺栓連接，且車殼與車架也通過螺釘連接，可以方便后期檢查維修。將手臂部件連接到車殼上，車架連接行走機(jī)構(gòu)，車殼上半部分液壓系統(tǒng)由液壓驅(qū)動(dòng)完成夾取動(dòng)作，車架連接電機(jī)、減速器及減速鏈條與車輪連接實(shí)現(xiàn)靈活行走。在本課題中，行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為：四輪結(jié)構(gòu)，其中后兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，兩輪分別與兩個(gè)電機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，前兩輪設(shè)計(jì)為萬向輪，可以隨驅(qū)動(dòng)輪靈活轉(zhuǎn)向，通過這樣的設(shè)計(jì)做到讓搬運(yùn)機(jī)器人可以做到靈活行走，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)身完成搬運(yùn)工作。電機(jī)選擇在本課題中，設(shè)計(jì)行走速度為0.8m/s，通過JB/T10391-2008選擇Y系列交流異步電動(dòng)機(jī)，型號為Y90S-4，其主要參數(shù)如表2.6所示：表2.6電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)型號額定功率/kW轉(zhuǎn)速/(r/min)效率/%堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/倍最大轉(zhuǎn)矩/倍重量/kgY90S-41.1140078.02.32.325根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第4卷》，通過設(shè)計(jì)行走速度確定減速器選擇為單級減速器，齒輪比i=5.6。根據(jù)GB/T1243-2006設(shè)計(jì)鏈條傳動(dòng)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=3，與減速器相連一端小齒齒數(shù)為40，與驅(qū)動(dòng)輪輪軸連接一端大齒齒數(shù)為120，鏈號選擇05B。軸承選擇在本課題中，整個(gè)系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪去實(shí)現(xiàn)行走，所以軸承的選擇十分重要，輪軸通過軸承與輪子配合，機(jī)身大部分的力都會(huì)傳遞到軸承上去，所以在本課題中輪子與輪軸之間選擇軸承為圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承內(nèi)圈與外圈可進(jìn)行分離，并且游隙可調(diào)，其即可以承受軸向載荷，也可以承受縱向載荷，還可以承受軸向與縱向的聯(lián)合載荷。軸承結(jié)構(gòu)如圖2.17所示：圖2.17雙列圓錐滾子軸承示意圖在本課題中，驅(qū)動(dòng)輪軸承選擇雙列圓錐滾子軸承，接觸角系列2，萬向輪軸承選擇單列圓錐滾子軸承，接觸角系列2。由GB/T273.1-2011選擇驅(qū)動(dòng)輪軸承尺寸系列為2DC，萬向輪軸承尺寸系列為2BD。萬向輪為實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)軸承也是重要部件，在本課題中，萬向輪旋轉(zhuǎn)軸軸承選擇為平面推力球軸承，型號為51106，結(jié)構(gòu)如圖2.18，主要尺寸如表2.7所示：圖2.18平面推力球軸承示意圖表2.7平面推力球軸承主要尺寸表型號內(nèi)徑/mm外徑/mm厚度/mm51106304711搬運(yùn)機(jī)器人Ansys應(yīng)力仿真豎直升降液壓缸Ansys仿真在本課題中，豎直液壓缸設(shè)計(jì)安裝定位于車殼部分較靠后，所以在工作過程中會(huì)承受較大的手部、臂部部件及產(chǎn)品產(chǎn)生的偏心力矩，故在此對豎直升降液壓缸整體進(jìn)行Ansys應(yīng)力仿真分析，分析過程如下：首先將Solidworks三維模型導(dǎo)入到Ansys當(dāng)中，導(dǎo)入成功后添加部件所用材料屬性，如圖2.19、2.20所示：圖2.19模型導(dǎo)入圖2.20材料屬性定義進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2.21所示；網(wǎng)格質(zhì)量如圖2.22所示：圖2.21網(wǎng)格劃分圖2.22網(wǎng)格質(zhì)量接下來進(jìn)行力的添加，如圖2.23、2.24、2.25所示：圖2.23豎直液壓缸添加固定支撐圖2.24豎直液壓缸力矩添加圖2.25豎直液壓缸地球重力添加在本課題中，液壓缸所用材料為45號鋼，故在材料屬性添加中填入45號鋼的屬性，通過查閱資料可知，其拉伸屈服強(qiáng)度為350MPa，壓縮屈服強(qiáng)度為250MPa，極限拉伸強(qiáng)度為600MPa，極限壓縮強(qiáng)度為355MPa。在網(wǎng)格劃分模塊中，劃分網(wǎng)格質(zhì)量多數(shù)在0.88區(qū)域內(nèi)，故網(wǎng)格劃分合理，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為127379個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)量為77801個(gè)。在前處理模塊中，對豎直液壓缸后端蓋添加固定支撐、自身地球重力，在距豎直液壓缸325mm手部構(gòu)件重心位置添加800N的力使豎直液壓缸液壓桿產(chǎn)生扭矩，以最大程度模擬機(jī)器人在工作過程中的受力情況，最后通過軟件分析出豎直液壓缸應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，如圖2.26、2.27所示：圖2.26豎直液壓缸應(yīng)力分布情況圖2.27豎直液壓缸應(yīng)變分布情況由仿真模擬出應(yīng)力應(yīng)變分布情況可知，液壓缸受到最大應(yīng)力為100MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.00050383mm，均小于材料極限應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，所以豎直液壓缸的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的，由應(yīng)力仿真模擬圖可知，其最大應(yīng)力應(yīng)變部位在液壓桿與前端蓋接觸處，初步分析是由于力矩的存在導(dǎo)致的，故在設(shè)計(jì)過程中于車殼部分添加了水平伸縮導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，去幫助豎直液壓缸分擔(dān)部分壓力。水平伸縮液壓缸Ansys仿真模擬在工作過程當(dāng)中，水平液壓缸作為連接手部結(jié)構(gòu)去進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)的部件，它主要承受手指、手部夾緊液壓缸及工件的重力，故在仿真模擬中對其添加了600N的力，水平液壓缸整體通過固定架連接在豎直液壓缸上，故添加固定支撐在液壓缸外壁，具體分析情況如下圖所示：圖2.28水平液壓缸局部網(wǎng)格劃分情況圖2.29水平液壓缸網(wǎng)格質(zhì)量圖2.30水平液壓缸受力添加在網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格質(zhì)量大都分布在0.88區(qū)域內(nèi)，由此可見網(wǎng)格劃分合理，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為96054個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)量為56187個(gè)。之后對水平液壓缸進(jìn)行受力添加，將以上操作完成后便可以進(jìn)行等效應(yīng)力、應(yīng)變模擬分析，分析后應(yīng)力、應(yīng)變分布情況如下圖所示：圖2.31水平液壓缸應(yīng)力分布情況圖2.32水平液壓缸局部應(yīng)力分布情況圖2.33水平液壓缸應(yīng)變分布情況通過應(yīng)力分布情況圖可知，水平液壓缸主要受力點(diǎn)在液壓桿與液壓缸前端蓋接觸處，其最大值為2.0484Mpa；而通過應(yīng)變分布情況圖可知其最大應(yīng)變也是發(fā)生在液壓缸主軸與液壓缸前端蓋接觸處，最大值為1.0339×10-5mm，遠(yuǎn)小于材料極限值，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。通過等效應(yīng)力和應(yīng)變分布情況可知，本課題中選擇的水平伸縮液壓缸是可以滿足其整個(gè)設(shè)計(jì)要求的，但在今后的設(shè)計(jì)過程中需要額外考慮液壓缸主軸與液壓缸前端蓋接觸處的強(qiáng)度與剛度，因?yàn)樵摻佑|處是應(yīng)力分布最大的地方，如果軸過于細(xì)，則可能會(huì)導(dǎo)致其整個(gè)強(qiáng)度與剛度的不足，從而使整體結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，造成嚴(yán)重后果。Ansys模擬仿真的局限性Ansys通過受力情況進(jìn)行的模擬分析可以讓試驗(yàn)人員更直觀的看到在工作過程中整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，可以讓試驗(yàn)人員參考著分析結(jié)果去進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)加強(qiáng)。但經(jīng)過分析得到應(yīng)力應(yīng)變分布圖可以看出，Ansys主要是對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的模擬仿真，因此最終得到的結(jié)果只能作為參考，而不能作為結(jié)果投入到工作中去使用，如上述進(jìn)行的Ansys模擬仿真分析，僅僅只是對于兩液壓缸整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析并模擬計(jì)算，而液壓缸內(nèi)部的受力情況及狀態(tài)我們無法得知，因此在本課題中進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際略有偏差。綜上所述，使用Ansys去進(jìn)行模擬仿真可以作為直觀的參考，但不可以作為最終的判據(jù)。搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，搬運(yùn)機(jī)器人的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。在本課題中，選擇了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)中，共包括三個(gè)液壓缸，分別是：進(jìn)行手部Z方向升降動(dòng)作的豎直升降活塞液壓缸、進(jìn)行手部X方向伸縮動(dòng)作的水平伸縮活塞液壓缸及控制手指夾取工件動(dòng)作的手部活塞式液壓缸。在本課題中，豎直升降液壓缸選擇為活塞式液壓缸，即在有桿側(cè)與無桿側(cè)均可通過液壓進(jìn)行控制。在工作過程中，當(dāng)無桿側(cè)進(jìn)油，液壓桿在油壓作用下完成上升動(dòng)作；當(dāng)有桿側(cè)進(jìn)油時(shí)，液壓桿會(huì)完成下降動(dòng)作。水平伸縮液壓缸與豎直升降液壓缸相同也為活塞式液壓缸。當(dāng)無桿側(cè)進(jìn)油時(shí)，液壓桿在油壓作用下完成伸出動(dòng)作；當(dāng)有桿側(cè)進(jìn)油時(shí)，液壓桿完成縮回動(dòng)作。手部夾緊缸同樣適用活塞式液壓缸，在無桿側(cè)、有桿側(cè)均設(shè)置油孔。在工作過程當(dāng)中需要夾緊工件時(shí)，無桿側(cè)進(jìn)油，驅(qū)動(dòng)手指完成夾緊動(dòng)作；當(dāng)需要松開工件時(shí)，有桿側(cè)進(jìn)油，使液壓桿復(fù)位完成手指松開動(dòng)作。在本課題中選擇液壓驅(qū)動(dòng)為整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，故需要確定整個(gè)系統(tǒng)的液壓回路，由《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第5卷》可知，對液壓傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要做的是擬定液壓系統(tǒng)原理圖，液壓系統(tǒng)原理圖主要是根據(jù)主機(jī)動(dòng)作和性能要求分別選擇和擬定基本回路，然后將各個(gè)基本回路組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)原理圖主要有三部分組成，分別是：液壓系統(tǒng)圖、工藝循環(huán)動(dòng)作圖及元件明細(xì)表。液壓系統(tǒng)圖是用來表示整個(gè)液壓系統(tǒng)中各個(gè)控制閥元件以及在該部分運(yùn)動(dòng)時(shí)電磁鐵通電情況并對其進(jìn)行控制。第二部分是工藝循環(huán)順序動(dòng)作圖表，工藝循環(huán)順序動(dòng)作圖表的作用時(shí)是為了直觀的看出整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，其各個(gè)回路是如何對整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制的。第三部分是元件明細(xì)表，元件明細(xì)表的作用是看在整個(gè)液壓控制系統(tǒng)具體需要的元器件種類，對各種元器件結(jié)合總做情況及成本問題進(jìn)行比較，最終選擇合適的元器件。液壓系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)通過液壓系統(tǒng)圖可以讓工作人員直觀的看出整個(gè)液壓系統(tǒng)是怎樣運(yùn)作的，各部分的工作狀態(tài)等等，在設(shè)計(jì)時(shí)將個(gè)基本回路組成液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)問題：不許有多余元件，所使用的元件和電磁鐵的數(shù)量越少越好；注意各元件之間的連鎖關(guān)系，防止相互影響產(chǎn)生誤動(dòng)作；系統(tǒng)各個(gè)主要部位的壓力能夠隨時(shí)檢測，但是壓力表的數(shù)目要少；按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，元件符號按常態(tài)工況畫出，非標(biāo)準(zhǔn)元件用簡練的結(jié)構(gòu)圖示意。液壓控制回路選取換向回路：在本課題中，選擇PLC控制為控制系統(tǒng)，且液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力及流量不大，故選擇電磁換向閥為液壓系統(tǒng)中的換向回路，與PLC配合使機(jī)器人在該作出動(dòng)作是能精準(zhǔn)快速反應(yīng)。調(diào)速緩沖回路：根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、流量、功率的大小及系統(tǒng)對溫升、工作平穩(wěn)性等要求，選擇調(diào)速回路。調(diào)速回路主要通過節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速及兩者兼有的聯(lián)合調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)。在整體系統(tǒng)當(dāng)中，各個(gè)部分在工作當(dāng)中的壓力、流量各不相同，為了使執(zhí)行部件能夠滿足工作要求，故會(huì)在回路中增加調(diào)速回路。在本課題中選擇的調(diào)速回路為節(jié)流調(diào)速回路，如圖3.1為常見的雙向節(jié)流調(diào)速回路。圖3.1雙向節(jié)流調(diào)速回路順序控制回路：順序控制回路是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的執(zhí)行元件一次先后動(dòng)作的液壓控制回路，通常有壓力、行程和時(shí)間控制三種形式。在本課題中使用順序閥和壓力繼電器組合控制的順序動(dòng)作回路，順序閥控制的順序控制回路如圖3.2所示。圖3.2由順序閥控制的順序動(dòng)作回路鎖緊回路：在本課題中，搬運(yùn)機(jī)器人手指夾緊工件后，為防止液壓系統(tǒng)波動(dòng)而導(dǎo)致工件掉落，故在手部液壓缸回路當(dāng)中添加鎖緊回路使搬運(yùn)機(jī)器人能穩(wěn)定工作。在本課題中選擇液控單向閥作為鎖緊回路，如圖3.3所示。圖3.3由液控單向閥組成的鎖緊回路液壓系統(tǒng)圖繪制在選擇好功能回路后，結(jié)合整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)及工作缸情況，繪制出如圖3.4所示的液壓系統(tǒng)圖。圖3.4液壓系統(tǒng)圖工藝循環(huán)動(dòng)作圖表設(shè)計(jì)通過工藝循環(huán)動(dòng)作圖表可以讓人們更直觀的看出在做某一動(dòng)作時(shí)各元件的工作情況及工作順序，在擬定工藝循環(huán)順序圖表的時(shí)候應(yīng)該注意以下問題：液壓執(zhí)行元件的每個(gè)動(dòng)作成分，如始動(dòng)、每次換速、運(yùn)動(dòng)結(jié)束等，按一個(gè)工藝循環(huán)的工藝順序列出；在每個(gè)動(dòng)作成分的對應(yīng)欄內(nèi)，寫出該動(dòng)作成分開始執(zhí)行的發(fā)信元件代號。同時(shí)，在表上標(biāo)出發(fā)信元件所發(fā)出的信號是指令幾號，電磁鐵或機(jī)控元件(如行程減速閥、機(jī)動(dòng)滑閥)處于何種工作狀態(tài)：得電或失電、油路通或斷；液壓系統(tǒng)有多種工藝循環(huán)時(shí)，原則上是一種工藝循環(huán)-一個(gè)表，但若能表達(dá)清楚又不會(huì)誤解，也可適當(dāng)合并。結(jié)合課題內(nèi)容及設(shè)計(jì)情況，繪制出如表3.1所示的電磁鐵工作情況表：表3.1液控系統(tǒng)中電磁鐵工作順序表缸名稱動(dòng)作電磁鐵ABCDEF水平液壓缸伸出+伸出緩沖+縮回+縮回緩沖+豎直液壓缸上升+上升緩沖+下降+下降緩沖+手部液壓缸夾緊+松開卸荷+控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)中，控制系統(tǒng)是非常重要的，一個(gè)好的控制系統(tǒng)決定了整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的自動(dòng)化程度及智能程度?？刂葡到y(tǒng)在本課題中的作用主要是控制小車在點(diǎn)位之間往返、動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)中所需要的時(shí)間、運(yùn)動(dòng)過程中的速度等等[10]~[16]。常見的控制系統(tǒng)主要有四種，分別是：單片機(jī)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、專用運(yùn)動(dòng)控制器及PC＋運(yùn)動(dòng)控制卡控制系統(tǒng)。在本課題中選擇了PLC控制系統(tǒng)作為搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。PLC控制原理PLC是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)結(jié)合起來的現(xiàn)代化自動(dòng)控制裝置，其功能原理如圖4.1所示。PLC主要包括儲(chǔ)存器、輸出狀態(tài)寄存器、現(xiàn)場執(zhí)行元件、外部設(shè)備等多個(gè)部分組成，其各個(gè)部分均由總線相互連接。圖4.1PLC功能簡圖搬運(yùn)機(jī)器人工藝流程打開啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手臂回到初始狀態(tài)；搬運(yùn)機(jī)器人通過磁導(dǎo)航傳感器接受磁條信號，沿著磁條移動(dòng)至產(chǎn)品處；搬運(yùn)機(jī)器人檢測產(chǎn)品位置，手部水平伸出，手指夾緊產(chǎn)品后手部豎直上升使產(chǎn)品離地；機(jī)器人通過磁條傳感器接受磁條信號，將產(chǎn)品搬運(yùn)至終點(diǎn)；抵達(dá)位置后手部豎直下降，手指松開產(chǎn)品后水平縮回，機(jī)械手臂回到初始狀態(tài)并重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)。具體工藝流程如圖4.2所示：圖4.2搬運(yùn)機(jī)器人工藝流程圖PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)確定在本次課題中，應(yīng)用在搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)中的傳感器主要有以下幾種：壓力傳感器，其作用是用來檢測手指夾取產(chǎn)品時(shí)的夾緊力，以防壓力過大使產(chǎn)品破壞，或者壓力過小使產(chǎn)品夾不起來；磁導(dǎo)航傳感器，使小車可以根據(jù)提前布置好的磁條進(jìn)行磁導(dǎo)航，并在路線上布置RFID射頻卡，通過在車底安裝的讀卡器讀取分辨線路信息；光電傳感器，安裝在行進(jìn)方向上，其作用是用來檢測路徑中是否存在障礙物；位移傳感器，用來檢測液壓缸是否移動(dòng)至點(diǎn)。結(jié)合課題中搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)情況及實(shí)際工作情況，最終選擇西門子的S7-200SMART小型PLC，單體I/O點(diǎn)數(shù)達(dá)到60點(diǎn)，可滿足大部分小型自動(dòng)化設(shè)備的使用要求。定好PLC型號后，結(jié)合搬運(yùn)機(jī)器人的工作流程最終確定好系統(tǒng)的控制電路I/O分配表如表4.1所示，I代表輸入，Q代表輸出。表4.1控制電路I/O分配表輸入名稱輸入點(diǎn)地址編號輸出名稱輸出點(diǎn)地址編號壓力繼電器I0.0左輪電動(dòng)機(jī)接觸器Q0.0總停止開關(guān)I0.1右輪電動(dòng)機(jī)接觸器Q0.1左輪電動(dòng)機(jī)開關(guān)I0.2液壓泵電動(dòng)機(jī)接觸器Q0.2右輪電動(dòng)機(jī)開關(guān)I0.3A卸荷電磁閥Q0.3液壓泵電動(dòng)機(jī)開關(guān)I0.4B上升電磁閥Q0.4臂上升限位開關(guān)I0.5C下降電磁閥Q0.5臂下降限位開關(guān)I0.6D伸出電磁閥Q0.6臂伸出限位開關(guān)I0.7E縮回電磁閥Q0.7臂縮回限位開關(guān)I0.8F夾緊電磁閥Q0.8手指夾緊開關(guān)I0.9G自鎖裝置電磁鐵Q0.9手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)I1.0手動(dòng)前進(jìn)I1.1手動(dòng)后退I1.2手動(dòng)左轉(zhuǎn)I1.3手動(dòng)右轉(zhuǎn)I1.4手動(dòng)上升I1.5手動(dòng)下降I1.6手動(dòng)伸出I1.7手動(dòng)縮回I1.8手動(dòng)夾緊I1.9手動(dòng)松開I2.0搬運(yùn)機(jī)器人成本概算搬運(yùn)機(jī)器人作為企業(yè)、工廠用來代替人力去搬運(yùn)產(chǎn)品的設(shè)備，在整體設(shè)計(jì)過程中控制其成本是非常重要的，因此在課題設(shè)計(jì)過程中，選擇材料不僅要考慮剛性強(qiáng)度等問題，成本預(yù)算也要考慮在內(nèi)。材料成本在整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)選材過程中，除個(gè)別部件，例如手指連桿連接架，升降支撐架等使用的是高強(qiáng)度鋁合金等比較貴重的金屬外，其他部分在滿足強(qiáng)度的情況下選擇為30、45號鋼等較便宜的鋼材作為原材料。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)均為液壓驅(qū)動(dòng)，而沒有再去設(shè)計(jì)氣動(dòng)或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這主要為了節(jié)省再去設(shè)置氣缸或電機(jī)的成本，在許多機(jī)械臂中其抓取機(jī)構(gòu)多選為氣壓驅(qū)動(dòng)，而這需要再去另外設(shè)置一個(gè)氣缸供氣壓系統(tǒng)使用，這便會(huì)提高成本，增加整體系統(tǒng)的復(fù)雜程度。而全部使用液壓驅(qū)動(dòng)的話，整個(gè)系統(tǒng)中只需要設(shè)置一個(gè)總油缸便可以滿足搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的工作任務(wù)。另外在進(jìn)行零部件的加工制造過程中，如若想得到小的零部件表面粗糙度，那便需要投入更多的成本使用相應(yīng)的設(shè)備對零部件進(jìn)行表面打磨，而在本課題中，對于這活塞導(dǎo)向套等零件粗糙度要求不高的情況下，粗糙度Ra6.4能夠滿足要求就不用Ra3.2。不管是行走機(jī)構(gòu)或是液壓系統(tǒng)中都需要使用電機(jī)去產(chǎn)生動(dòng)力，所以在本課題中進(jìn)行電機(jī)選型時(shí)盡量選擇成本低的電動(dòng)機(jī)，在市面上AGV小車常用的電機(jī)多為無刷電機(jī)，但其市面上的平均價(jià)格為7000元，而異步電機(jī)的平均價(jià)格為1500元，故在本課題中的電機(jī)選擇為交流異步電機(jī)。人工成本搬運(yùn)機(jī)器人作為企業(yè)、工廠代替人力去搬運(yùn)產(chǎn)品的設(shè)備，它的出現(xiàn)大大節(jié)省了企業(yè)、工廠在這方面投入的人力成本，例如一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人的制造成本在3000~15000元，但這些成本便可以代替2名或更多的工人，并且工作年限一般在5~10年。而且對于搬運(yùn)機(jī)器人只需要一名工作人員去進(jìn)行監(jiān)控、檢查等工作，因此搬運(yùn)機(jī)器人作為當(dāng)代自動(dòng)化產(chǎn)物是很好的代替人力工作的設(shè)備，它不僅可以節(jié)約企業(yè)、工廠的人力成本，而且大大提升了工作效率，可以為企業(yè)、工廠帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。管理成本搬運(yùn)機(jī)器人作為機(jī)電一體化設(shè)備，其管理成本主要包括定期的保養(yǎng)、維修成本，以及零部件替換成本。搬運(yùn)機(jī)器人作為一個(gè)機(jī)器，其各個(gè)零件都有一定的壽命，一旦零部件即將達(dá)到它的壽命要求，那么帶來的后果是不可估量的，所以在搬運(yùn)機(jī)器人工作時(shí)要定期去檢查各零部件磨損情況，并且進(jìn)行定期保養(yǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)有零件損壞應(yīng)立即替換。而且在企業(yè)、工廠內(nèi)對于搬運(yùn)機(jī)器人使用狀況也應(yīng)該有相應(yīng)的管理體系，在搬運(yùn)機(jī)器人投入使用后應(yīng)立即建立起保存檔案，主要保存內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：時(shí)間記錄表：記錄每次停機(jī)維修保養(yǎng)的時(shí)間，從而預(yù)期估計(jì)其時(shí)間成本，作為后續(xù)工作的參考；維修記錄表：記錄每次維修時(shí)所替換的零部件，并記錄前零件損壞情況，以便估計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人的使用壽命；保養(yǎng)記錄表：記錄定期保養(yǎng)時(shí)的情況，并且對每次保養(yǎng)所用的油進(jìn)行記錄，以方便統(tǒng)計(jì)計(jì)算一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人所需的保養(yǎng)成本。在整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，對其整體成本控制也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，成本高的零部件不一定適合，在做設(shè)計(jì)的過程中力求的是最適合的零部件，而不是最貴最好的零部件。在設(shè)計(jì)過程中，整個(gè)系統(tǒng)主要所需的成本包括上述的材料成本、人工成本及管理成本，但這并不是全部，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)從多方面考慮，這樣才能設(shè)計(jì)出最合適、最合理，適合投入到工作當(dāng)中的設(shè)備。結(jié)論畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次十分難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，經(jīng)過這次比較完整的給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，與實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并且在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中不斷去學(xué)習(xí)新的知識，解決實(shí)際工程問題的本事，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)本事水平。在進(jìn)行本課題設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，通過查閱相關(guān)資料，了解了整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)組成，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)任務(wù)書，選擇合適的機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出合理的搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)選擇了連桿杠桿式機(jī)構(gòu)作為手部夾取機(jī)構(gòu)，通過查閱資料并根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算出手部夾緊所需要的夾緊力及驅(qū)動(dòng)力，然后選擇液壓系統(tǒng)作為機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)手部的夾緊、伸縮及升降動(dòng)作，根據(jù)各部分需要驅(qū)動(dòng)力情況設(shè)計(jì)計(jì)算缸徑、桿徑、活塞等零部件參數(shù)及螺栓螺母等標(biāo)準(zhǔn)件的選型，根據(jù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)車架、框架，并結(jié)合機(jī)器人工作情況設(shè)計(jì)出行走機(jī)構(gòu)。最后設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)各個(gè)傳感器之間的配合應(yīng)用，使搬運(yùn)機(jī)器人可以自動(dòng)運(yùn)行，并且可以做到低智能化。搬運(yùn)機(jī)器人作為現(xiàn)在自動(dòng)化設(shè)備的出現(xiàn)，日后一定會(huì)有更高智能，高效穩(wěn)定的搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的出現(xiàn)，我在本次課題設(shè)計(jì)中僅僅做到了簡單的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)也是較簡易的設(shè)計(jì)。希望在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，可以學(xué)到關(guān)于搬運(yùn)機(jī)器人更深層次的知識，可以設(shè)計(jì)出更加智能化、能出色完成人機(jī)交互的搬運(yùn)機(jī)器人。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)后，我認(rèn)識到自身不管是知識儲(chǔ)備或是實(shí)際應(yīng)用都還十分稚嫩，在日后進(jìn)入到工作崗位中需要學(xué)習(xí)的東西依然有很多。致謝大學(xué)四年轉(zhuǎn)瞬即逝，人們都說：“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功。”，最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)就像是展示我們大學(xué)生活所收獲到的舞臺(tái)，而我能站上這舞臺(tái)，是因?yàn)樵谄綍r(shí)得到了很多人的幫助，我在這里對他們致以最崇高的敬意。首先我要感謝的是我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師孔令超老師，孔令超老師作為我的指導(dǎo)老師，在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給予了我很多的幫助，過程中不懂得問題老師都會(huì)耐心的一一為我解答，給了我許多建設(shè)性的建議，并且在我一籌莫展的時(shí)候給予了我最大的鼓勵(lì)。正是因?yàn)榭琢畛蠋煹臒o私幫助及熱忱鼓勵(lì)，讓我順利整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。還要感謝我的校外企業(yè)指導(dǎo)教師許寧老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的專業(yè)上的難題他都給我提出了建設(shè)性的建議，讓我在畢設(shè)的過程中受益良多。其次，我還要感謝大學(xué)四年來的所有任課老師，在整個(gè)大學(xué)生活當(dāng)中，正是他們的傾囊相助，構(gòu)建起了我們堅(jiān)實(shí)的知識基礎(chǔ)，并且給我們的大學(xué)生活添加了許多色彩。每個(gè)老師都在平時(shí)的學(xué)習(xí)中給予了我一定的幫助，而這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程如此順利也離不開平時(shí)的學(xué)習(xí)積累，在此我再次鄭重感謝我的任課老師們。我還要感謝我的輔導(dǎo)員華旻老師和張啟君老師，兩位輔導(dǎo)員都給予過我很大的幫助，如果沒有她們的幫助、照顧，我的大學(xué)生活不會(huì)這么順利結(jié)束，在疫情爆發(fā)時(shí)我在校外，在我需要幫助時(shí)華旻老師都會(huì)第一時(shí)間通過微信幫我解決問題，在此我鄭重感謝華旻老師和張啟君老師在這大學(xué)四年來對我們無微不至的關(guān)心及照顧。最后我要感謝的便是我的母校以及親愛的同學(xué)們，母校讓我學(xué)會(huì)了“明德、明學(xué)、明事”，給我們提供了如此舒適的環(huán)境生活，以及無數(shù)的資源讓我們學(xué)習(xí)。各位同學(xué)