畢業(yè)設計（論文）-送料機械手設計

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1、成都理工大學工程技術學院畢業(yè)論文 送料機械手設計 作者姓名： 專業(yè)名稱：機械工程及自動化 指導教師： 成都理工大學工程技術學院 學位論文誠信承諾書 本人慎重承諾和聲明： 1.本人已認真學習《學位論文作假行為處理辦法》（中華人民共和國教育部第34號令）、《成都理工大學工程技術學院學位論文作假行為處理實施細則（試行）》（成理工教發(fā)〔2013〕30號）文件并已知曉教育部、學院對論文作假行為處理的有關規(guī)定，知曉論文作假可能導致作假者被取消學位申請資格、注銷學位證書、開除學籍甚至被追究法律責任

2、等后果。 2.本人已認真學習《成都理工大學工程技術學院畢業(yè)設計指導手冊》，已知曉學院對論文撰寫的內(nèi)容和格式要求。 3.本人所提交的學位論文（題目： ），是在指導教師指導下獨立完成，本人對該論文的真實性、原創(chuàng)性負責。若論文按有關程序調(diào)查后被認定存在作假行為，本人自行承擔相應的后果。 承諾人（學生簽名）： 20 年 月 日 注：學位論文指向我校申請學士學位所提交的本科學生畢業(yè)實習報告、畢業(yè)論文和畢業(yè)設計報告。 送料機

3、械手 摘要 本課題研究的是工業(yè)生產(chǎn)中所使用的送料機械手。所謂機械手，簡單地說就是用機械來代替人工作業(yè)的一種工業(yè)產(chǎn)品。隨著科技的不斷發(fā)展，用機械來代替人工已經(jīng)成為了必然的發(fā)展趨勢。它的工作主要是按照控制系統(tǒng)的指令來完成指定的動作，從而完成生產(chǎn)任務。送料機械手的工作原理體現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動化，目前工業(yè)自動化還處于發(fā)展階段，機械手對其有不可替代的積極作用。工業(yè)機械手最直接的作用就是可以取代人工操作，可以提高生產(chǎn)效率，降低工作強度，減少意外事故的發(fā)生。因此，它難免會受到人們的關注。機械手在工業(yè)生產(chǎn)中主要作用于一些特殊的工件，比如：重工件、單一少品種。機械手還能在一些特殊領域工作，比如：高溫、深

4、水、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件。由此可見機械手的作用很突出，在工業(yè)領域有著不可忽視的地位，而且在當代這項技術并不太成熟。所以，致力于機械手的研究項目不失為一個很有前途的行業(yè)，我們有理由相信在不遠的將來工業(yè)機械手的發(fā)展前途是光明的。 關鍵詞：機械手，自動化，工業(yè)生產(chǎn) - Ⅰ - Abstract This topic research the feeding manipulator is used in industrial production. The so-called manipulator, simply is to use machine

5、ry to replace manual operation of a kind of industrial products. With the continuous development of science and technology, with machinery to replace manual has become the inevitable development trend. Its work is mainly in accordance with the instructions of the control system to complete the speci

6、fied action, so as to complete production tasks. Feeding manipulator principle embodies the automation of industrial production, the current industrial automation is still in the stage of development, the manipulator is irreplaceable for its positive role. Industrial manipulator is the most direct r

7、ole can replace manual operation, can improve the production efficiency, reduce working intensity, reduce the happening of the accident. Therefore, it will inevitably be the attention of people. Mechanical major role in industrial production in some special artifacts, such as: heavy pieces, a few va

8、rieties. In addition, the manipulator can work in some special fields, such as: high temperature, deep water, radioactive and other toxic, environmental pollution condition. This shows the role of the manipulator is very outstanding, in the industrial field has an important position, and the technol

9、ogy is not mature in the contemporary era. Therefore, dedicated to the research project of the manipulator can yet be regarded as a promising industry, we have reason to believe that is bright for industrial robots in the future. Keywords: mechanical arm, automation, industrial production -

10、Ⅱ - 目錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 目錄 Ⅲ 1?緒論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1?機器人的歷史、現(xiàn)狀 - 2 - 1.1.2機器人發(fā)展趨勢 - 4 - 1.1.3機械手組成、分類、應用 - 4 - 1.1.4本文主要的研究內(nèi)容 - 6 - 1.2本課題的內(nèi)容和要求 - 6 - 2 抓取機構設計 - 9 - 2.1手部設計計算 - 9 - 2.2腕部設計計算 - 12 - 2.3臂伸縮機構設計 - 13 - 3 液壓系統(tǒng)原理設計及草圖 - 16 - 3.1手部抓取缸 - 16 - 3.2腕部擺動液壓回路 - 18 - 3.3小臂伸

11、縮缸液壓回路 - 19 - 3.4總體系統(tǒng)圖 - 20 - Ⅲ 4 機身機座的結構設計 - 22 - 4.1電機的選擇 - 22 - 4.2減速器的選擇 - 24 - 4.3螺柱的設計與校核 - 24 - 5 機械手的定位與平穩(wěn)性 - 26 - 5.1常用的定位方式 - 26 - 5.2穩(wěn)定和定位精度的影響因素 - 26 - 5.3機械手運動緩沖裝置 - 27 - 6 機械手的控制 - 28 - 結論 - 31 - 參考文獻 - 32 - 致謝 - 33 - Ⅳ 前言 本課題的設計目的在于運用

12、所學到的機械工程理論設計出符合工業(yè)要求的工業(yè)機械手。通過設計，提升專業(yè)知識的運用，提升學生的工作能力。 本課題主要介紹了機械手的發(fā)展背景：機器人的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及發(fā)展前景；使用AutoCAD表述了機械手的結構簡圖、液壓原理圖；簡單介紹了機械手的控制系統(tǒng)。具體內(nèi)容包括：機械手的組成和分類，機械手的主要參數(shù)，液壓元件，電機規(guī)格及機構的參數(shù)；機身機座的電動機和減速器，螺栓的設計和校核，運用材料力學對所選零件確定當量應力，校核剪切強度，彎曲強度；介紹了機械手的定位并分析了影響機械手定位和穩(wěn)定性的相關因素；此外還簡要地介紹了機械手的控制系統(tǒng)。在設計中運用了我們所學的機械設計原理，作圖軟件，還有表格的

13、使用。通過本次設計展現(xiàn)了我們所學。能從中找出不足，通過學習，取長補短，提升個人專業(yè)能力。 目前，工業(yè)機械手處于一個迅速發(fā)展的階段。很多發(fā)達國家正在研發(fā)更高科技的機械手。所以，本課題是很有發(fā)展前景的。 - 1 - 1?緒論 1.1 課題背景? 1.1.1?機器人的歷史、現(xiàn)狀? 機器人開始在美國的發(fā)展：1958年,美國公司開發(fā)了第一個機器人關節(jié)控制。其結構特點是安裝在身體旋轉長臂,磁鐵安裝在工件的最后捕獲機構,教學模式的控制系統(tǒng)。 在工業(yè)機器人領域中，發(fā)展最快的當屬日本。從1969年引進美國的機器人后，日本就致力于機器人的研究。由此可見，日本工業(yè)

14、技術的先進也就不是沒有緣由的了。 由于現(xiàn)在的機器人技術并不發(fā)達，基本上都是第一代機器人。它的特點就是需要人工控制，只能按既定的方式工作，不能對突發(fā)情況做出反應。而且成本還高精度不夠。目前,第二代機器人是加強發(fā)展。它配備了微機控制系統(tǒng),感覺如視覺、觸覺,甚至與傾聽,思考的能力。其原理是研究安裝各種傳感器,信息反饋,導致機器人的感覺功能。第三代機器人能獨立完成任務的過程中工作。主要是與計算機有密切關系，運用到了先進的柔性制造系統(tǒng)。 工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大,顯示偉大的積極參與國際學術交流,學術交流,特別是歐洲和美國和其他國家進行很多。由于機器人的重要性，國際會議上工業(yè)機器

15、人ISIR決定每年定期召開一次會議以此來發(fā)展提升機器人的運用。 目前,工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄造、熱處理等,在數(shù)量、品種和性能還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在危險的操作(廣義),更多的灰塵、高溫、噪音和工作空間不適合手工操作環(huán)境中使用的工業(yè)機器人代替人工操作是顯著的。 在外國機械制造,工業(yè)機器人應用程序更重要的是,快速發(fā)展。目前主要用于機床、鍛壓,點焊,繪畫和其他作業(yè)。它只能根據(jù)工作程序完成之前制定的操作,不能處理緊急情況。因為它不能夠感應反饋,因此無法應對外部世界的變化。例如,當發(fā)生一些偏差,甚至會導致部分機器人本身的傷害。 現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展

16、和社會的巨大進步,在各領域應用的機器人系統(tǒng),研究系統(tǒng)本身要求的越來越多。制造要求機器人系統(tǒng)具有更靈活和更強大的編程系統(tǒng),適應不同的應用程序和多品種、小批量生產(chǎn)的要求。計算機集成制造(CIM)需求可以機器人系統(tǒng)和其他自動化設備在車間集成生產(chǎn)。研究人員要求機器人系統(tǒng)結構開放和集成各種外部傳感器的能力,所以它可以提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平。然而,商業(yè)化的專用控制器,機器人系統(tǒng)的結構與閉上主要控制計算機是由一個專門的控制計算機,由專業(yè)機器人離線編程工具的聲音來表達,使用特殊的微處理器、固化EPROM和控制算法,特殊的外部硬件和軟件系統(tǒng)集成是非常困難的甚至是不可能的。修改一個封閉系統(tǒng)的價格很難想象,

17、如果不是重新設計,在大多數(shù)情況下,技術上是不可能實現(xiàn)的目標。機器人系統(tǒng)的研究和使用開放結構是解決這些問題的基本方法。 工業(yè)機器人的發(fā)展,大致經(jīng)歷了以下幾個階段: (1)1963 - 1967測試定義階段。在1963 - 1966年,通用公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人自動化為用戶做測試過程。1967年,該公司生產(chǎn)的1900型工業(yè)機器人。 (2)1968 - 1970年的實際應用階段。在此期間,工業(yè)機器人進入應用階段在美國,例如,通用汽車(general motors)在1968年訂購了68工業(yè)機器人;1969年,公司由山姆新工業(yè)機器人、焊接和21的車身焊接自動生產(chǎn)線;另外一個例子,美國克萊斯

18、勒汽車公司的32條448臺沖床沖壓自動線與工業(yè)機器人傳輸工件。 自1970年以來機械手處于初步應用和技術發(fā)展階段。1970年4月,美國舉行了第一屆全國工業(yè)機器人。在本次展示中，200個工業(yè)機器人,工作時間,共計600000小時,與此同時,所謂的先進的機器人,例如:des蘭德公司(勝)的50個機器人發(fā)明了小型計算機控制系統(tǒng)。其他國家,如日本、蘇聯(lián),西歐,主要來自1967196 8年在美國“Versatran”和“通用機械手機器人基于發(fā)達國家開始。至于日本,在1967年,日本的豐田織機公司引進“Versatran”。在美國,川崎重工公司引進“尤尼梅特”,并獲得快速發(fā)展。通過引進技術,模仿

19、和創(chuàng)新。很快很快發(fā)展機器人定位、技術水平趕上美國,超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實踐,從1980年開始廣泛流行的時代。 雖然我國開始發(fā)展工業(yè)機器人只落后于日本5-6年,但工業(yè)機器人技術發(fā)展緩慢,究其原因是行動和語言上的不一致,有很多無法用言語來表達。應對這種情況,我們的國家已經(jīng)開始系統(tǒng)地介紹了工業(yè)機器人技術來自國外,通過引進和模仿,改革和創(chuàng)新,相信在不久的將來工業(yè)機器人將得到快速發(fā)展。 1.1.2機器人發(fā)展趨勢 機器人在未來的發(fā)展方向是運用先進技術改變現(xiàn)有的工作方式，加強生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率。目前，最有競爭力的技術是結合柔性制造系統(tǒng)的特點來實現(xiàn)生產(chǎn)的飛躍。 目前

20、,現(xiàn)代工業(yè)機器人的總體發(fā)展趨勢有以下: 提高機器人運動速度和精確度,減少機器人自身重量和空間,加快機器人的標準化。機器人因為其結構的不同會運用到不同的模塊領域中。 需要開發(fā)各種新型結構的不同類型的情況下,如微觀結構的發(fā)展,確保準確;開發(fā)更多聯(lián)合多自由度的手臂和手指;各種機器人的發(fā)展,以適應不同的場合; 開發(fā)各類傳感器和測試組件,例如,觸覺,視覺,聽覺,味覺,和距離傳感器,等等,為了完成這項工作需要使用模式識別、狀態(tài)檢測傳感器對象周圍環(huán)境信息,位置信息和狀態(tài)信息。同時,越來越多的控制系統(tǒng)采用計算機來控制，從而達到解決問題的根本目的。 1.1.3機械手組成、分類、應用 組成機械手

21、的三個系統(tǒng)主要是執(zhí)行機構系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 (1)執(zhí)行機構系統(tǒng)：手部、手腕、手臂、支柱、機座等部分,有些還設有行走機構。 手部:聯(lián)接機械手與工件接觸的部分。由夾緊式的不同，分為夾持式;接觸形式的不同,分為吸附式。比如，圓柱形工件材料的棒料,常采用夾持式。由手指和力傳導機制、手指和工件接觸力機構下班是通過手指夾緊力夾一個任務。 手腕：手部和手臂的連接部分,調(diào)整或改變工件的位置。 手臂:軸承部分的手和手腕改變立場支持工件的空間。 立柱:軸承部分的組件是手臂。該手臂的旋轉運動和升降運動有著緊密的關系。立柱部分廠采用固定式。 機座:機械手的基礎部分。機座安裝在框架上,起到支撐和連接

22、執(zhí)行結構組件和驅動系統(tǒng)的作用。 (2)傳動系統(tǒng):機械手的驅動系統(tǒng)驅動執(zhí)行運動的傳動裝置。常用傳動系統(tǒng)分為液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。 (3)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是機械手的命令系統(tǒng),起到控制傳動系統(tǒng)的作用。它會控制執(zhí)行機構滿足工作的需求,并檢測運行是否正常。一般常見的電氣和電子電路控制,計算機控制系統(tǒng)也越來越多。 由于工業(yè)機械手的功能是不同的,因此,機械手的分類也是不同的。 (1)根據(jù)工業(yè)機器人的特點可分為以下三類: a.用于專業(yè)機械手的處理工作,通過操作機械手的主要工藝設備,用來完成輔助操作。如裝卸工件和工具。 b.用于生產(chǎn)工業(yè)機械手可以完成流程的主要操作,如裝

23、配、焊接、繪畫、彎曲、切割等。 c.一般工業(yè)機械手:其廣泛的用途,可以完成各種過程操作。 (2)根據(jù)功能分類:專業(yè)機械手,機械手和示教呈現(xiàn) (3)根據(jù)傳動方式分:液壓機械手和氣力輸送機械手操縱者 (4)根據(jù)控制點:固定程序操縱器和可編程的操縱者 根據(jù)機械手不同的布局形式可分為：架空式機械手、附機式機械手、落地式機械手。此外，還有一些專用的機械手。比如安裝在自動線料道上或料道旁的輔助裝置，其主要實現(xiàn)工件上、下料，傳遞轉位、轉向等工作內(nèi)容。由于它們自身的缺陷只適用于運動單一、結構簡單、位置靈活及精度一般要求較低的工作環(huán)境。 機械手的適用范圍一般是作為輔助裝置來實現(xiàn)生產(chǎn)的

24、需要。一般用來傳遞機床上的工件，以及加工中心的刀具更換。 1.1.4本文主要的研究內(nèi)容 機械手的發(fā)展背景受到了人們對于高質量生活追求的強烈影響。在當今高端科學技術發(fā)展的前提下，工業(yè)生產(chǎn)的先進程度也被不斷提高。具體就體現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中各種機械手的運用?，F(xiàn)在機械手已經(jīng)成為最不可缺少的機械設備生產(chǎn)線的一員。工業(yè)機械手不僅可以提高生產(chǎn)過程的自動化,改善工作條件,而且可以避免發(fā)生個人安全事故,它減少了手工操作,高效地促進生產(chǎn)。所以本課題研究的內(nèi)容如下: (1)本文將設計一個四自由度的工業(yè)機器人,用于交付材料的沖壓設備,完成許多功能,如上料,轉位,翻轉,根據(jù)統(tǒng)一的自動線生產(chǎn)節(jié)奏和生產(chǎn)平臺來完成

25、上述操作。 (2)總體來說,本文主要設計機器人的機座,大臂,小臂,和機械手的結構。除此之外，需要選擇合適的傳動方式,驅動方式以此來建立機械手的結構平臺。在此基礎上,本文將簡單設計機械手的控制系統(tǒng)。研究思路和技術解決方案是身體工業(yè)機械手采用框架式,直角坐標系坐標,采用液壓驅動,齒輪泵,機身的旋轉,伸縮臂,手臂抬起,手腕旋轉四個自由度,機械停止定位的定位,定位精度為0.5 ~ 0.5毫米,行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制。 1.2本課題的內(nèi)容和要求 （1）原始數(shù)據(jù) 四自由度 臂轉動180o（-900——+900） 臂上下運動 500mm 臂伸長（收縮）500mm 手部轉動

26、 ±180o （2）技術要求 主要參數(shù)的確定： 1. 坐標形式：直角坐標系 2. 臂的運動行程：伸縮運動500mm，回轉運動180o。 3. 運動速度：滿足生產(chǎn)率的綱領要求。 4. 控制方式：起止設定位置。 5. 定位精度：±0.5mm。 6. 手指握力：392N 7. 驅動方式：液壓驅動。 （3）料槽形式及分析動作要求 A．料槽形式 本課題的工件的形狀屬于小型回轉體，根據(jù)設計的經(jīng)驗，針對這種形狀的零件一般采用自重輸送的輸料槽,如圖1.1所示。這個裝置的特點是結構單一，形狀簡單，成本低屬于經(jīng)濟實用型料槽而且能夠滿足設計需要。綜合考慮，所以本課題采用此種輸料槽。 圖

27、1.1機械手安裝簡易圖 B．動作要求分析如圖1.2所示 動作一：送料 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 預夾緊 手臂上升 手臂旋轉 小臂伸長 手腕旋轉 手臂轉回 圖1.2 要求分析 首先，對工件實施預夾緊，保證整個回轉的安全性。手臂上升過程，是沿著立柱做垂直的升降運動，此運動可以獲得較大的行程。升降過程中是通過電機帶動螺柱

28、旋轉完成的，獲得能量后，完成手臂的垂直運動。手臂的回轉過程是電機帶動減速器，進而帶動齒輪轉動，使機身旋轉。手腕和手臂的回轉運動是由回轉缸的工作而完成的。 2 抓取機構設計 2.1手部設計計算 一. 對手部設計的要求 1. 一個合適的夾緊力 為了確保穩(wěn)定可靠夾緊,小變形,手部在工作的時候應該有一個合理的夾緊力,不損傷工件加工表面。為較差剛度工件夾緊力應設計合理的大小,而且重型工件應考慮使用自鎖裝置。 2. 有大量的打開和關閉（合適的開閉范圍） 夾緊類手部的手臂有一定的開閉范圍。在工作中,一個手臂的最大張開量

29、和緊閉時的差值就是手臂的開閉范圍。打開和關閉角度范圍和手臂夾緊邊長度表示手臂開閉的變換范圍。手臂的開閉需求與許多因素有關,如工件的形狀和大小,手臂的形狀和大小。根據(jù)經(jīng)驗可以得出,在工作環(huán)境許可范圍內(nèi),開閉的范圍越大越好。如圖2.1所示。 3. 結構簡單,重量輕,體積小。 因為手腕的運動狀態(tài)不能固定,究其原因是結構上的問題。如果設計不合理，將直接影響到精度，穩(wěn)定性，生產(chǎn)效率，甚至可能出現(xiàn)安全事故。因此,在設計中,必須努力使手臂結構簡單,重量輕,體積小。 4. 手指應該有一定的強度和剛度,滿足設計要求。 5. 其他要求 夾緊時,需要選擇夾緊機械手,方法是根據(jù)工件的形狀,選

30、擇最常用的外卡式兩指鉗爪,采用正常關閉彈簧夾來夾緊。松開時,使用單作用氣壓缸,這種相對結構簡單,容易制造,也較為經(jīng)濟。 二、拉緊裝置原理 如圖2.1所示[4]：由圖分析可知，當油缸右腔停止進油時，彈簧力會夾緊工件；油缸右腔進油時，彈簧力會松開工件。 圖2.1 油缸示意圖 計算如下： 1. 右腔推力為 FP=（π／4）D2P （2-1） =（π／4）0.5225103 =4908.7N 2. 查資料取當量夾緊力計算公式為： F1=（2b／a）（cos30o）2N′

31、（2-2） 其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得： F1=（2b／a）（cos30o）2N′ =(2150/50)（cos30o）2392 =1764N 則實際加緊力F1實際=PK1K2/η （2-3） =17641.51.1/0.85=3424N 經(jīng)過圓整后，得F1=3500N 3. 求手部活塞桿行程長L,即 L=（D/2）tan30o （2-4）

32、=25×tan30o =23.1mm 經(jīng)過圓整后，取l=25mm 4. 確定“V”型鉗爪的L、β。 取L/R=3 （2-5） 式中： R=P/4=200/4=50 （2-6） 由公式（2-5）、（2-6）得：L=3×R=150 取“V”型鉗口的夾角2α=120o，偏轉角β按最佳偏轉角來確定， 查表得： β=22o39′ 5. 機械運動范圍（速度） （1）伸縮運動Vmax=50

33、0mm/s Vmin=50mm/s （2）上升運動Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （3）下降Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s （4）回轉Wmax=90o/s Wmin=30o/s 因此，手部驅動活塞速度取平均值：V=60mm/s 6. 手部右腔流量 Q=sv （2-7） =60πr2 =60×3.14×252 =1177.5mm3/s 7. 手部工作壓強 P= F1/S

34、 （2-8） =3500/1962.5=1.78Mpa 2.2腕部設計計算 腕部聯(lián)結了手部和臂部，抓住了面向對象主要由手腕的運動變化，手腕動作靈活，轉動慣性很小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，因此可以采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。 設計要求：回-90o~+90o 角速度W=45o/s 根據(jù)設計要求采用用最大負荷量計算：受力分析后得出，當工件處于水平位置的時候，擺動缸的工件扭矩最大，運用估算法，得工件重M=10kg，長度L=650mm。如圖2.2所示。 1. 計算扭矩M1[4

35、] 設定重力集中作用于離手指中心200mm處，那么扭矩M1為： M1=F×S （2-9） =10×9.8×0.2=19.6（N·M） 工件 F S F 圖2.2 腕部受力簡圖 2. 油缸及其配件

36、的估算扭矩M2[4] 已知F=5kg S=100mm 那么帶入公式2.9得 M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M） 3. 擺動缸的估算摩擦力矩M摩[4] 估算F摩=300（N），S=20mm 所以M摩=F摩×S=6（N·M） 4. 擺動缸的總摩擦力矩M[4] M=M1+M2+M （2-10） =19.6+4.9+6 =30.5（N·M） 5. 公式 T=P×b（ΦA12-Φ2）×106/8

37、 （2-11） 其中： b—葉片密度，這里取b=3cm； ΦA1—擺動缸內(nèi)徑, 這里取ΦA1=10cm； Φ—轉軸直徑, 這里取Φmm=3cm。 代入（2-11）公式，得 P=8T/b（ΦA12-Φ2）×106 =8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106 =0.89Mpa 又求得 W=8Q/（ΦA12-Φ2）b 所以， 流量 Q=W（ΦA12-Φ2）b/8 =（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8 =0.27×10-4m3/s =27ml/s 2.3臂伸縮機構設計 機械手的主要執(zhí)行部件是手臂。它的作用是支撐它們的手部和手腕,從而

38、實現(xiàn)它們在空間里面運動,進而實現(xiàn)機械運動。 手臂運動的意義在于，將手部放在空間任意位置上，不過有一定的運動范圍。分析手臂的受力情況,分析后可以看到,該受力處于空間中，受力較多。其中，臂部會直接承擔手腕、手部和工件動態(tài)和靜態(tài)加載的作用力。除此之外，這些機構的自身運動也比較復雜。所以，整個機構的受力是相當復雜的。 手部的位置精度反映了機械手的準確性。因此,更重要的是一個鏈接在整個設計中選擇正確的導向裝置和定位的手段。 本課題選定手臂的伸縮速度為200m/s，行程L為500mm。計算如下： 1. 手臂右腔流量Q，由公式（2-7）得[4] Q=SV =200×π

39、×402 =1004800mm3/s 1mm3/s=0.1/102m3/s 所以，四舍五入后，Q=1000ml/s 2. 手臂右腔工作壓力，由公式（2-8） 得[4] P=F/S （2-12） 式中：F：取工件重和手臂活動部件總重，估算后 F=10+20=30kg， F摩=1000N。 代入公式（2-12）得： P=（F+ F摩）/S =（30×9.8+1000）/π×402 =0.26Mpa 3

40、. 繪制機構工作參數(shù)表如表2.1所示： 表2.1機構工作參數(shù)表 4. 由初步計算選液壓泵[4] 由已經(jīng)計算所得，知所需液壓最高壓力 P=1.78Mpa 所需液壓最大流量 Q=1000ml/s 查資料后選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）作為本設計的泵。 此泵額定工作壓力為10Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，分析可知，可以滿足需要。 5. 校核腕部擺動缸： T=PD（ΦA12-Φ2）ηm×106/8 （2-13） W=8θηv/（ΦA12-Φ2）b

41、 （2-14） 式中：ηm—機械效率?。? 0.85～0.9 ηv—容積效率?。? 0.7～0.95 代入公式（2-13）得： T=0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8 =25.8（N·M） T

42、=120ml/s 小臂伸縮缸工作壓力PⅠ=0.25Mpa， 流量QⅠ=1000ml/s 3 液壓系統(tǒng)原理設計及草圖 3.1手部抓取缸 圖 3.1手部抓取缸液壓原理圖 1. 手部抓取缸液壓原理圖[6]如圖3.1所示 2. 泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q=1300ml/s。 因此，需裝圖3.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。采用： YF-B10B

43、溢流閥 2FRM5-20/102調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 3.2腕部擺動液壓回路 圖 3.2腕部擺動液壓回路 1. 腕部擺動缸液壓原理圖[6]如圖3.2所示 2. 工作壓力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 采用： 2FRM5-20/102調(diào)速閥 34E1-10B 換向閥 YF-B10B 溢流閥 3.3小臂伸縮缸液壓回路 圖 3.3小臂伸縮缸液壓回路 1. 小臂伸縮缸液壓原理圖[6]如圖3.3所示 2.

44、 工作壓力 P=0.25Mpa 流量 Q=1000ml/s 采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 3.4總體系統(tǒng)圖 圖 3.4總體系統(tǒng)圖 1. 總體系統(tǒng)圖[6]如圖3.4所示 2. 工作過程：小臂伸長——手部抓緊——腕部回轉——小臂回轉——小臂收縮——手部放松 3. 電磁鐵動作順序表 表3.1總體系統(tǒng)表 元件 動作 1DT 2DT 3DT

45、 4DT 5DT 小臂伸長 － + + - - 手部抓緊 － + - - - 腕部回轉 － + - + - 小臂收縮 － - - - - 手部放松 － - + - - 卸荷 ＋ ± ± ± ± 4. 確定電機規(guī)格： 根據(jù)上面的計算，液壓泵選取CB-D型液壓泵，它的額定壓力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵， 因此：傳動功率 N=P×Q/η （3-1） 式中：η取經(jīng)驗值為0.8 所以代入公式（3-1）得：

46、 N=10×80×103×106/60×0.8 =16.7KN 查資料后選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，轉速為2940r/min。 4 機身機座的結構設計 機座就是用來支撐整個機械手的底盤，機座聯(lián)接了軸承的傳動部件。通過機座，可以完成升降過程、手腕回轉。另外還安裝了驅動裝置。因此,手臂運動,機身結構和應力分布更為復雜。身體分為二類,一個可以固定,另也可以步行臂和機身配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題的機械手機座的設計難度不高，它的類型沒有特定的要求。分析后可知,機械手可以是獨

47、立的,也可以是有自己的一個完整的系統(tǒng)設備。方便在隨機位置和移動,也會有旅行的機制。臂安裝在框架柱在中間,大多出現(xiàn)在機械手的變換。臂部可以在框架柱舉重運動,以獲得一個更大的運動行程。上升過程由電機馬達驅動螺桿旋轉。螺栓聯(lián)接了向上和向下運動的手臂?；剞D馬達減速機轉動軸上的齒輪驅動帶動了手臂的旋轉機身運動,以此達到相應的設計要求的自由度。 圖4.1機身機座結構圖 4.1電機的選擇 本課題的機身部使用了兩種電機，分別是安裝在肋板上的電機，該電機帶動臂部做升降運動；另外是安裝在混凝土地基上的電機，該電機帶動機身做回轉運動。 1. 帶動臂部升降的電機[8] 初選上升速度 V=100mm/

48、s P=6KW 所以n=（100/6）×60=1000r/min 查閱資料后（一）選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表4.1 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)所示： 表4.1 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù) 額定功率KW 滿載時 堵轉電流 堵轉轉矩 最大轉矩 電流A 轉速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉矩 額定轉矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.

49、5 2.2 2.2 2、帶動機身回轉的電機[8]： 初選轉速 W=60o/s n=1/6r/s =10r/min 由于齒輪 i=3，減速器 i=30。所以n=10×3×30=900r/min （二）選擇Y90L-6型籠型異步電動機 綜合分析以及查資料后，電動機選用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為全封閉自扇冷卻，查表后確定該電機額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 如表4.2 Y90S-6電動機技術數(shù)據(jù)所示： 表4.2 Y90L-6電動機技術 4.2減速器的選擇 減速器[7]是獨立的閉式傳動裝置，它作

50、用于原動機和工作機二者之間。減速器的使用降低了轉速和增大了轉矩。 為了滿足工作需要，初選WD80型圓柱蝸桿減速器。 WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。 蝸桿的材料選擇38siMnMo調(diào)質 蝸輪的材料選擇ZQA19-4 中心矩a=80 Ms×q=4.0×11 （4-1） 傳動比i=30 傳動慣量I=0.265×10ˉ3kg·m2 4.3螺柱的設計與校核 螺桿是機械手的主要支承件部件，通過傳動系統(tǒng)使手臂完成升降運動。 螺桿的材料選擇[7]：降低成本且能滿足要求的材料最好選擇為鑄

51、鐵。 螺距 P=6mm 螺紋類型選擇梯形螺紋 螺紋的工作高度 h=0.5P =3mm 螺紋牙底b=0.65P=0.65×6=3.9mm 螺桿強度 [σ]= σ/3～5 =150/3～5 =30～50Mpa 螺紋牙許用剪切應力[τ]=40 許用彎曲強度[σb]=45～55Mpa 1、當量應力[7]，查資料得 （4-2） 式中 T——傳遞轉矩，單位N·mm [σ]——螺桿材料的許用應力

52、 所以代入公式（4-1），得σ=16471 pa 即16471pa＜535340pa 合格 2、剪切強度[7] Z=H/P=160/6 （旋合圈數(shù)） （4-3） τ=F/πd1bz （4-4） =200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3 =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa 合格 3、彎曲強度[

53、7] σb=3Fh/πd1b2z =3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6） =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 5 機械手的定位與平穩(wěn)性 5.1常用的定位方式 機械手定位的常用方法是采用機械擋塊。什么是機械擋塊定位呢？具體來說，就是在機械擋塊位置終端設置機械擋塊,當機械手運行放緩時,它接近終端位置時定位完成。 如果定位之前已經(jīng)開始慢下來,驅動壓力時定位沒有拆除,在這種情況下,機械擋塊定位可以實現(xiàn)重復精度高。通?？梢愿哂? / - 0.5毫米,如果關閉定位驅動石油

54、和消除工作壓力時,機械手可以停止聯(lián)系回一個小的距離,從而定位精度較低。 5.2穩(wěn)定和定位精度的影響因素 機器人可以準確、簡單地是一個三維空間定位的問題,包括三個XYZ坐標方向和角度。在一些相對簡單的情況下,一個值可能會影響定位的主要因素。定位誤差的影響因素類型如下: (1)定位方法 定位方式的影響因素在不同情況下各不相同。比如，在本課題采用的機械擋塊中,影響定位精度的因素是塊的大小和碰撞的速度大小。 (2)定位速度 定位速度對定位精度的影響很大。這是因為定位速度的不同,移動部件的能量耗散也會相應的不同,從而導致定位是不合理的。從經(jīng)驗方面考慮,為了減少定位誤差

55、應該合理地控制定位速度,還可以設置提高效率的緩沖裝置來提高緩沖性能。通過以上的設計來控制驅動系統(tǒng)使運動部件及時減速。 (3)準確性 機械手本身的制造精度和安裝機械手時的速度會影響定位的準確性。 (4)剛度 機械手的結構剛度和接觸剛度也會影響定位精度。低剛度易于機械振動時,定位精度普遍較低,高的相反。 (5)運動部件的重量 運動部件的重量,重量和一起被機械手本身的重量。 一方面，可以改變運動部件的自身重量。具體地說就是,增加運動部件重量,會降低定位精度;另一方面,減少運動部分重量,會提升定位精度。因此,在設計時不僅要減少移動部件本身的重量,并考慮工作

56、時掌握體重的變化,兩者缺一不可。 此外,驅動源和控制系統(tǒng)的精度也有一定程度的影響。經(jīng)過綜合考慮,這個主題定位精度是采用機械擋塊定位。 5.3機械手運動緩沖裝置 緩沖裝置分為內(nèi)緩沖區(qū)和外緩沖區(qū)兩種形式。內(nèi)緩沖區(qū)形成一個缸頭緩沖裝置和兩種緩沖電路。外緩沖區(qū)的形式有兩種彈性機械部件和液壓緩沖部件。內(nèi)緩沖區(qū)的優(yōu)點是結構簡單,設計緊湊。當放置位置在有限空間里時,外緩沖區(qū)的優(yōu)點是具有靈活的放置位置,設計簡單,緩沖性能良好等等,但是相對于內(nèi)緩沖區(qū)有著較大的結構。 這個課題使用的緩沖裝置是油缸緩沖裝置。當活塞運動遠離油缸端蓋一定距離可以形成活塞與端蓋之間的一個緩沖。通過節(jié)流閥的

57、原則使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力,減緩并最終停止運動,并避免剛性影響設備,稱為缸頭緩沖裝置。 在緩沖節(jié)流嘴有一個常數(shù)緩沖裝置,稱為常數(shù)節(jié)流式油缸頭緩沖裝置。缸頭設計常數(shù)節(jié)流緩沖裝置,Amax(最大加速度),Pmax(最大影響壓力緩沖室)和Vr(剩余速度)這三個參數(shù)影響著緩沖效率。通常采用的方法是選擇的第一個參數(shù),然后檢查剩下的兩個參數(shù)。 6 機械手的控制 機械手的控制系統(tǒng)是一個相當重要的組成部分。控制系統(tǒng)就像人的大腦一樣控制著機械手的手部、手腕、手臂和相關機械構件。主要控制內(nèi)容的行動序列,行動和路徑的位置,時間的行動。機械手使用而不是一個完整的某些

58、操作,通常需要函數(shù)如圖6.1所示。實現(xiàn)上述控制方式有各種各樣的方法。由程序控制的機械手可以分為兩類,即固定程序控制方法和變量控制方法。 這個課題采用固定程序控制機械手的運動。通常使用凸輪和杠桿機制來控制動作序列、時間和速度。一般常與傳動機構,結構簡單,維修方便,使用壽命長,工作更可靠。步驟適用于專用機械手控制程序少。 裝卸工件 狀別識別

59、 環(huán)境識別 操作機能 檢測、識別機能 控制機能 示教機能 動作控制機能 動作順序控制機能 運動控制機能 圖6.1機械手的控制機能 建立機器人最重要的就是建立一個機器人控制系統(tǒng)。機器人的控制系統(tǒng)關系到整個機械手的運動，所以對控制系統(tǒng)的設計要求較高?？傊诔杀竞涂冃献龅狡胶?。到目前為止,通用機器人控制系統(tǒng)硬件平臺大致可以分為兩類:基于VME總線歐洲信用卡由摩托羅拉公司推出了1981年,第一代32位總線)工業(yè)開放標準系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來,隨著個人電腦的迅速發(fā)展,性能和可靠性大

60、大提高,價格大大降低,PC為核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的接受機器人控制領域。 基于PC的控制系統(tǒng)一般包括單個PC控制方式,控制模型的PC + PC,PC +分布式控制器的控制方式,控制模型的PC + DSP運動控制卡,電腦+控制方式的數(shù)據(jù)采集卡,由于靈活的基于采集卡的控制模式,低成本,有利于回收在本文的設計中,程序和算法能夠獨立建立各種各樣的算法,以適應這一主題研究的需要。因此本文選擇控制方式的PC +數(shù)據(jù)采集卡。 完成機器人的設計和控制系統(tǒng)的硬件建設本設計不做詳細說明。以下將通過控制軟件的設計,計算機通過數(shù)據(jù)采集卡將命令發(fā)送信號到外部有條不紊地最后驅動機器人各關節(jié)的運動。經(jīng)

61、過一系列的設計運作后必須達到預期的功能有： (1)實時顯示各關節(jié)角,而且可以防止每個關節(jié)角超過預定的運動水平截面角范圍 (2)實現(xiàn)直流電機的伺服控制; (3)實現(xiàn)電動機的自鎖; (4)實現(xiàn)教學編程和在線修改程序; (5)可以設置參考點,使機器人在空間中有一個固定的參考位置,可以回參考點。 結論 幾個月的畢業(yè)設計終于到了說再見的階段，在這幾個月的設計學習過程中，我取得了長足的進步。特別是對機械行業(yè)有了更加深刻地理解，現(xiàn)對自己的設計做個簡短的總結。 我的畢業(yè)設計的課題是送料機械手的設計，在大三的實驗課上參與過機械手的拆裝實驗，所以對此

62、有一定的了解。本設計是一個有四個自由度的送料機械手，主要針對機械人的底座，大小臂，以及機械手的結構，對其傳動方式，驅動方式以及控制系統(tǒng)等等進行了設計。由于我個人能力的問題，本設計參考了很多資料，設計也缺乏創(chuàng)新。但通過本設計，讓我認識到自己的不足，也算有所收獲。就我個人想法，機械手這個設計還有很高的發(fā)展空間，機械化，自動化還有待提高。 通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機身材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。同時讓我對從事本行業(yè)工作有了更大的信心。 參考文獻 [1]徐灝.

63、機械設計手冊3[M]. 機械工業(yè)出版社,2000. [2]徐灝. 機械設計手冊4[M]. 機械工業(yè)出版社,2003. [3]徐灝. 機械設計手冊5[M]. 機械工業(yè)出版社,2010. [4]張建民. 工業(yè)機器人[M].北京理工大學出版社,1988. [5]工業(yè)機械手編寫組. 《工業(yè)機械手-機械結構上》[M]. 上?？茖W技術出版社,1978. [6]雷秀. 液壓與氣壓傳動[M]. 機械工業(yè)出版社,2005. [7]單輝祖. 材料力學（I）第3版[M].高等教育出版社,2009. [8]楊可楨,程光蘊,李仲生,錢瑞明. 機械設計基礎 第六版[M].高等教育出版社,2013. 致謝 我在尊敬的熊老師的悉心指導下完成了本課題的設計。我對老師嚴謹?shù)慕虒W態(tài)度和精益求精的工作作風很是欽佩，老師是我學習的榜樣。在此，我必須向老師表示由衷地感謝，并致以崇高的敬意。在整個設計中，我用到了很多我們學校開設的課程，感謝學校為我們安排的機械方面的課程，讓我們從中學習到很多機械知識。在這四年的大學學習和生活中，感謝各位老師以及各位同學的大力支持和各種幫助。同時感謝父母和親朋好友的關心照顧。最后，感謝成都理工大學工程技術學院，感謝2012級機械工程及自動化專業(yè)。 - 33 -