搬运机器人毕业设计说明书(最终版)


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在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人作为
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自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应 用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要承担 着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论, 对原有的机械结构提出了新的改 进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的 工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机 器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及 包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动 源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通 过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。

关键词: 关键词:搬运机器人;液压系统;机械结构设计;操作

I

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Abstract
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In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Through a detailed understanding of the robot in the industrial application, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures. The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And realize the operational handling robot.

Keywords:Transfer robot;Hydraulic System;Mechanical Design;Operating

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III

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第1章 总 论
1.1 概述
搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手, 机械手的发展是由于它的积极作用
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正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的 要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要 的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产 率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大 量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污 染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果, 受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术 的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制 通用机械手”,简称通用机械手[4]。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性 较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工 作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用 机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以 根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之 外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机 (Manipulator) 。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后 来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。 工业中采用的锻造操作机也属 于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决 机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand” ,它是 为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧 凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样 一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分 都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、 关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构; 像肌肉那样使手臂运动的驱动-传 动系统; 像大脑那样指挥手动作的控制系统。 这些系统的性能就决定了机器人的性能。 一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成, 如图 1-1 所示。

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图 1-1 机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言 识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛” ,使它能识别物体和躲避障碍 物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不 是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能,机 器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关 系如图 1-2 所示。

图 1-2 机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。 执行机构是机器人赖 以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,按控 制系统的要求完成工作任务。

工业机器人的历史、 1.2 工业机器人的历史、现状及应用
机器人首先是从美国开始研制的,1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器 人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制 系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国 引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控制方式则为开 环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。 -2-

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第二代机器人正在加紧研制,它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉 能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息进行反馈,使机器 人具有感觉机能。 第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保 持联系, 并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制
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造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步, 针对于上述各个领域的机器人系 统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。 制造业要求机器人系统具有更大 的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计 算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研 究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平, 要求机器人系统具有开放结构和集成 各种外部传感器的能力。 美国工业机器人技术的发展,大致经历了以下几个阶段: (1)1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年,万能自动化公司制造的工业 机器人供用户做工艺试验。1967 年,该公司生产的工业机器人定型为 1900 型; (2) 1968-1970 年为实际应用阶段。 这一时期, 工业机器人在美国进入应用阶段, 例如,美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人;1969 年该公司又自行研 制出 SAM 新工业机器人,并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如,美国 克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件; (3)1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年,工业机器 人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工 业机器人会议。据当时统计,美国大约 200 台工业机器人,工作时间共达 60 万小时 以上,与此同时,出现了所谓了高级机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand) 发明了用小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如,万能自动公司制成了由 25 台机 器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能 力微型机器人[13]。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年,但是由于种种原因,工业机器 人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术,通过引 进、仿制、改造、创新,工业机器人将会获得快速的发展。

1.3 机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器 人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合, 从而改变目前机械制造的人工操 作状态,提高了生产效率。 就目前来看,总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势: a)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准 -3-

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化和模块化, 将机器人的各个机械模块、 控制模块、 检测模块组成结构不同的机器人; b)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发 多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合; c)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器 等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识
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别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越来越多的系统采 用微机进行控制。

1.4 本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机械手的运动机理。在此基础上,确定了搬运机械手的基本系统结构,对搬运机械手 的运动进行了简单的力学模型分析,完成了机械手机械方面的设计(包括传动部分、 执行部分、驱动部分)和简单的三维实体造型工作。

1.5 本章小结
本章主要内容是搬运机器人的现状、应用领域、发展趋势等方面,并通过对现在 工业生产中使用搬运机器人的主要工作种类的列举, 提出了未来搬运机器人的几种先 进的发展模式和本文的主要研究内容。

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第 2 章 搬运机器人的总体方案
该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人, 本章主要对搬运机器人的机械结
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构部分进行设计和分析。

2.1 总体设计的思路
设计机器人大体上可分为两个阶段: 1、系统分析阶段 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。根据系统的目标,明确所采用机器人的目的和任务; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。分析机器人所在系统的工作环境; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案。 如机器人的自由 度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容 许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。 2、技术设计阶段 错误! 未找到引用源。 根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范 错误! 未找到引用源。 围,选择机器人 的坐标形式; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。拟订机器人的运动路线和空间作业图; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。确定驱动系统的类型; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。选择各部件的具体结构,进行机器人总装图的设计; 错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。绘制机器人的零件图,并确定尺寸。 下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的方案见图 2-1。

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图 2-1 搬运机器人的总体方案图

2.2 自由度和坐标系的选择
机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独 立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件 自由度的总和为机器人的自由度数。 机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较 困难的,因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成,共有27个自由度。而生产实践 中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个(不包括手部) 。本次设计的搬运 机器人为5自由度即:手爪张合;腕部回转;臂部伸缩;臂部回转;臂部升降。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下: 1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图 2-2(a) 所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到 很高的位置精度(?m 级) 。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构 尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺 寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。 直角坐标机器人主要用于装配作业 及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式,龙门式,天车式三种结构[3]。 2.圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的,如图 2-2(b) 。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是 一个圆柱状的空间。 3.球坐标机器人结构 -6-

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球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的,如图 2-2 (c) 。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工 作空间是一个类球形的空间[3]。 4.关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图 2-2(d) 。关节型机器
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人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此 种机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这 种类型的机器人。 关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途,本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。

(a)直角坐标型 (b)圆柱坐标型 (c)球坐标型

(d)关节型

图 2-2 四种机器人坐标形式

2.3 搬运机器人的组成
搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 2.3.1 执行机构 (1)手部 手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构 简单) 。手部多为两指(也有多指) ;根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负 压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁 吸盘。 传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿 条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。 本次设计的搬运机器人手部执行部件如图 2-3、图 2-4。

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图 2-3 搬运机器人手部执行部件示意图

2-4 手部执行部件的机构运动简图

如图 2-3 的机构简图,手部执行依靠杆的伸缩运动来实现其张合运动,杆的动力 源来自后续驱动源的液压缸, 该液压缸采用的是伸缩式液压缸其工作原理示意图见图 2-5,该液压缸能够节省横向的工作空间。

图 2-5 伸缩式液压缸原理示意图

(2)腕部 腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的 动作范围, 并使机械手变的更灵巧, 适应性更强。 手腕有独立的自由度。 有回转运动、 上下摆动、 左右摆动。 一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求, 有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动 驱动手部搬运工件。 目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它的结构紧凑, 灵巧但回转角度小(一般小于 2700),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出 扭矩。因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设 计的搬运机器人的腕部是实现手部 1800 的旋转运动。 设计的搬运机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动, 运动参数是实现手部 回转的角度控制在 0 ~ 180 范围内,其基本的结构形式如图 2-6 所示。

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图 2-6 腕部回转基本结构示意图 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

腕部的驱动方式采用直接驱动的方式,由于腕部装在手臂的末端,所以必须设计 的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。 机器人手部的张合是由双作用单柱塞液压缸驱 动的;而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动 片连接在一起;当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。 (3)臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹 具) ,并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的: 把手部送到空间运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态 (方 位) ,则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基 本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现, 从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身 运动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精 度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部 的回转运动。手臂的运动参数:伸缩行程:1200mm;伸缩速度:83mm/s;升降行程: 300mm;升降速度:67mm/s;回转范围: 0 ~ 180 。机器人手臂的伸缩使其手臂的工 作长度发生变化,在圆柱坐标式结构中,手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的 圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 (4)机座 机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面 上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移、回转 和俯仰)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且,臂部的升降、回转或俯仰 等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多,机身的结构和受力越 复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构;臂部和机身的配 置型式采用立柱式单臂配置,其驱动源来自回转液压缸。 2.3.2 驱动机构 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方 便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂。气动驱动压力低,输出力较小如需要输 出力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成 -9-

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本低。电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且随着 材料性能的提高,电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液 压驱动的方式。 2.3.3 控制系统分类
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在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位 控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。

2.4 搬运机器人的技术参数
一、用途:用于车间搬运 二、设计技术参数: 1、抓重:20Kg(夹持式手部); 2、自由度数:5个自由度(手爪张合;腕部回转;臂部伸缩;臂部回转;臂 部升降5个运动); 3、坐标型式:圆柱坐标系; 4、最大工作半径:1600mm; 5、手臂最大中心高:1248mm; 6、手臂运动参数:伸缩行程:1200mm 伸缩速度:83mm/s 升降行程:300mm 升降速度:67mm/s 回转范围:0~180°; 7、手腕运动参数:回转范围:0~180°。

2.5 本章小结
本章从搬运机器人的实用方面入手,提出了一套总体设计方案,并根据机器人自 由度的要求选取圆柱坐标系为本次设计坐标系。同时,就搬运机器人的组成(执行机 构和驱动机构)以及现实作业,给出了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式; 并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后,给出了设计中所需的技术参数。

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第 3 章 手部夹持器的结构设计及计算
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3.1 手部夹持器
机器人的手部是机器人最重要的部件之一,从其功能和形态上看,分为工业机器 人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。 工业机器人的手部夹持器(亦称抓取机构)是用来握持工件或工具的部件,由于 被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样 的,大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的,按握持原理的不同, 常用的手部夹持器分为如下两类: 1.夹持式:包括内撑式与外夹式,常用的还有勾托式和弹簧式等。 2.吸附式:包括气吸式与磁吸式等。 在设计机器人末端执行器时,应注意以下问题: 1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的 出现,就可以增加一种机器人新的应用场所。因此,根据作业的需要和人们的想象力 而创造的新的机器人末端执行器,将不断的扩大机器人的应用领域。 2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的 负荷力。因此,要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。 3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很 复杂,甚至很难实现,例如,仿人的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。目前,能 用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出 发,应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器,加之以末端执行器的快速 更换装置,以实现机器人多种作业功能,而不主张用一个万能的末端执行器去完成多 种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。 4.通用性和万能性是两个概念,万能性是指一机多能,而通用性是指有限的末 端执行器,可适用于不同的机器人,这就要求末端执行器要有标准的机械接口(如法 兰) ,使末端执行器实现标准化和积木化。 5.机器人末端执行器要便于安装和维修,易于实现计算机控制。用计算机控制 最方便的是电气式执行机构。因此,工业机器人执行机构的主流是电气式,其次是液 压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节) 。

3.2 手部设计基本要求
手部的设计应满足以下基本要求: (1)应具有适当的夹紧力和驱动力应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机 - 11 -

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构所需的驱动力大小是不同的。 (2)手指应具有一定的张开范围手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭 合绕支点所转过的角度)θ,以便抓取工件。 (3)要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使 结构紧凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载。
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(4)应保证手抓的夹持精度应保证每个被夹持的工件,在手指内都有准确的相对 位置。这对一些有方位要求的场合更为重要,如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件,在机 床上安装的位置要求严格,因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。 (5)应考虑通用性和特殊要求,一般情况下,手部多是专用的,为了扩大它的使 用范围,提高它的通用化程度,以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要,通常采取手 指可调整的方法。如更换手指甚至更换整个手部。此外,还要考虑能适应工作环境提 出的特殊要求,如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。 根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器 。 为:双支点连杆杠杆式手部结构(见图2-3)

3.3 选择手抓的类型及夹紧装置
本次搬运机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数:手爪夹取重量为20Kg。 常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于 抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹 持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合 靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化 不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,驱动力需加在 手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的,因此不选择 这种类型。 通过综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧 装置选择常形式夹紧装置,它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。

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3.4 手爪的结构设计
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3.4.1 手爪的力学分析

图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图 1——手指 2——销轴 3——杠杆

在杠杆 3 的作用下,销轴 2 向上的拉力为 F,并通过销轴中心 O 点,手指 1 的滑 槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2, 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点,交 F1 和 F2 的延长线于 A 及 B。 由=0 得: 由=0 得:
F1 = F 2 cos α
F1 = ? F1'



得:

F1' = FN h
∵h=

a cos α

F=

b cos 2 α FN a
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(3.1)

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式中:

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a--手指的回转支点到对称中心的距离(mm); α--工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

由分析可知,当驱动力 F 一定时,角增大,则握力 FN 也随之增大,但如果角过 大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大,因此最好取,故本次设计选取。 根据给定的数据:抓取的重物为 20Kg
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钢与钢之间的静摩擦因数 ? 取为:?=0.15


即: 取 FN=1400N a=35mm 故: F= = b=50mm

b cos 2 α FN a
2 × 50 × COS 2 30 ×1400 35

=3000N

3.4.2 夹紧力和驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点 进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化 的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算: FN ≥ K1 K 2 K 3G 式中:——安全系数,通常 1.2~2.0; ——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 其中重力方向的最大上升加速度: ; ——运载时工件最大上升速度; ——系统达到最高速度的时间,一般选取 0.03~0.5s; ——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择; G——被抓取工件所受重力(N) 。 (3.2)

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表 3-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力 F (N) 液压缸工作压力 Mpa 小于 5000 5000~10000 10000~20000 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 0.8~1 1.5~2.0 2.5~3.0 表 (mm) 20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250 3-2 作用在活塞上外力 F(N) 液压缸工作压力 Mpa 20000~30000 30000~50000 50000 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0

液 压 缸 的 内 径 系 列 ( JB826-66 )

计算: 计算:
(1)取 a=35mm,b=50mm,,机械手达到最高响应时间为 0.5s,求夹紧力 FN 和驱 动力 F 和驱动液压缸的尺寸。 取 =1 +

0.1

0.5 =1.02 9.8

K 3 = 0.5 根据公式,将已知条件带入:
∴ FN =1.5×1.02×0.5×3400N=3100N

(2)根据驱动力公式得:

(3)取 (4)确定液压缸的直径 D: (3.3) 选取活塞杆直径 d=0.5D,根据表 3-1 选择液压缸压力油工作压力 P=0.8~1MPa,



4 × 3000 4F实际 = =18mm π × 0.8 × 10 5 × 0.75 πp (1 ? 0.52 )

根据表 3-2(JB826-66) ,选取液压缸内径为:D=20mm,则活塞杆内径为: d=D × 0.5=20 × 0.5=10mm,选取 d=10mm。

3.5 本章小结
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本章主要针对手部结构展开讨论,根据手部夹持器的结构形式(夹持式和吸附 式)及手部设计的基本要求选择手爪类型为双支点连杆杠杆手部。通过对手爪的力 学分析,计算出了手部实现抓取工件所需的夹紧力和驱动力。

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腕部结构设计及计算 第 4 章 腕部结构设计及计算
4.1 腕部设计的基本要求
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(1)力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的 结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设 计时,必须力求结构紧凑,重量轻。 (2)结构考虑,合理布局 腕部作为搬运机器人的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要 求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手 部的连接。 (3)必须考虑工作条件 对于本次设计, 搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为 20Kg 的物体, 因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对搬运机器人的腕 部没有太多不利因素。

4.2 腕部结构及选择
4.2.1 典型的腕部结构 (1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广 腕部回转,总力矩 M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用。回转角由动片和 静片之间允许回转的角度来决定(一般小于 270°) 。 (2)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270°的情况下,可采用齿条活塞 驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部。 (3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个 自由度。 (4)机-液结合的腕部结构。 4.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 本设计要求手腕回转,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个 自由度的回转驱动腕部结构,采用液压驱动。

4.3 腕部结构设计计算
腕部设计考虑的参数:夹取工件重量 20Kg;回转。

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4.3.1 腕部驱动力计算

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图 4-1 腕部支撑反力计算示意图

腕部回转时要克服的阻力: a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩: (4.1) 其中 f 为轴承摩擦系数取 f =0.1 b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩: (4.2) c. 克服启动惯性所需的力矩: (4.3) 假设给定的工件是一直径 D=70mm,长度 L=660mm,重量 G=200N 的棒料。按 照任务书要求实现腕部回转180°,现计算腕部所需的驱动力矩如下: 1)手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体,高为 60mm, 直径 100mm,其重力估算如下:

2)摩擦力矩: 3)启动过程所转过的角度,等速转动角速度 (4.4) 查取转动惯量公式有:

代入: - 18 -

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4.3.2 腕部驱动液压缸的计算
表 4-1 液压缸的内径系列(JB826-66)[6] ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200

(mm)
65 105 250 (mm) 150 180 180 160 194 194 180 219 219 200 245 245

表 4-2 标准液压缸外径(JB1068-67)[6] 液压缸外径 20 钢 45 钢 40 50 50 50 60 60 63 76 76 80 95 95 90 108 108 100 121 121 110 133 133 125 168 168 140 146 146

设定腕部的部分尺寸:根据表 4-1 设缸体内径 R=40mm,外径根据表 4-2 选择 80mm,这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为 100mm;动片 宽度 b=66mm,输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 4-2 所示。则回转缸工作压力:
P≥ 2M 2 × 61.11 = = 7.35Mpa ,选择 8Mpa b ( R 2 ? r 2 ) 0.066 × ( 0.0552 ? 0.02252 )

图 4-2 腕部液压缸剖截面结构示意图

4.4 液压缸盖螺钉的计算

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图 4-3 缸盖螺钉间距示意图 表 4-3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 工作压力 P(Mpa) 0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~5.0 5.0~10.0
[20]

螺钉的间距 t(mm) 小于 150 小于 120 小于 100 小于 80

缸盖螺钉的计算,如图 4-3 所示,t 为螺钉的间距,间距跟工作压强有关,见表 4-3,在这种联接中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力:

FQ0 = FQ + FQs '
液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 8 个螺钉,

(4.5)

πD
8

=

3.14 × 0.11 = 43.17 ≤ 80 8

所以选择螺钉数目合适 Z=6 个。 危险截面的面积:


(4.6)

所以: 螺钉材料选择 Q235,
(n=1.2~1.5)

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螺钉的直径:

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(4.7)

=0.008m
螺钉的直径选用 M10。

4.5 动片和输出轴间的连接螺钉
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动片和输出轴之间的连接结构见图 4-3,连接螺钉一般为偶数, 对称安装, 并用两 个定位销定位。连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧密。

于是得: D——动片的外径; f——被连接件配合面间的摩擦系数,刚对铜取 f=0.15。 螺钉的强度条件为:

(4.8)

(4.9) 或 带入有关数据得: (4.10)

螺钉材料选择 Q235,则 (n=1.2~1.5) 螺钉的直径: =0.008m 螺钉的直径选用 M10。

4.6 本章小结
本章主要内容为腕部结构的设计包括:腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。 首先,根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构;然后,按照给定 的技术参数进行设计计算;最后,确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及 选取各关键部位螺栓的计算。

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第 5 章 臂部结构的设计及有关计算
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工
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具) ,并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动:伸缩、回转和升降。本 章叙述手臂的伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一章祥述。 臂部运动的目的: 把手部送到空间运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态 (方 位) ,则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满 足基本要求,既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构 和各种传动机构来实现, 从臂部的受力情况分析, 它在工作中即直接承受腕部、 手部、 和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此,它的结构、工作范围、灵活性等直 接影响到机械手的工作性能。

5.1 臂部设计的基本要求
臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需要满足下列各项基本要求:

一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度。以臂部为例,一般结构 上较多采用悬臂梁形式(水平或垂直悬伸) 。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度 愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷 能力影响很大。 为提高刚度, 除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外, 尚应注意以下几方面。 (1) 根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸; (2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离; (3)合理布置作用力的位置和方向; (4)注意简化结构; (5)提高配合精度。

二、臂部运动速度要高,惯性要小
机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平。对 于高速度运动的机械手,其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内,大部分平 均移动速度为,平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下,减小自身重 量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此,机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量 具体有 4 个途径[8]: (1)减少手臂运动件的重量,采用铝合金材料; (2)减少臂部运动件的轮廓尺寸; (3) 减少回转半径 ρ, 再安排机械手动作顺序时, 先缩后回转 (或先回转后伸缩) , - 23 -

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尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作; (4)在驱动系统中设缓冲装置。

三、手臂动作应该灵活
为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式
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的机械手,其传动件、导向件和定位件布置合理,使手臂运动尽可能平衡,以减少对 升降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生机构卡死(自锁现象) 。为此,必须计算 使之满足不自锁的条件[9]。

四、位置精度要求高
一般来说,直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高;关节式机械手的位置精 度最难控制, 故精度差; 在手臂上加设定位装置和检测结构, 能较好地控制位置精度, 检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。 总结: 要求机械手的通用性要好, 能适合多种作业的要求; 工艺性好, 总结 除此之外, 便于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的 机械手还要设置防尘装置等。 以上要求是相互制约的, 应该综合考虑这些问题, 只有这样, 才能设计出完美的、 性能良好的机械手。

5.2 手臂的典型机构以及结构的选择
5.2.1 手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种: (1) 双导杆手臂伸缩机构; (2) 手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动;回转 运动,如手臂的左右摆动,上下摆动;符合运动,如直线运动和回转运动组 合,两直线运动的双层液压缸空心结构; (3) 双活塞杆液压缸结构; (4) 活塞杆和齿轮齿条机构。 5.2.2 手臂运动机构的选择 通过以上,综合考虑,本次设计选择液压缸伸缩机构,使用液压驱动,水平伸缩 液压缸选用伸缩式液压缸;竖直伸缩液压缸选用双作用活塞缸。

5.3 手臂直线运动的驱动力计算
首先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要 尺寸,再进行校核计算,修正设计。如此反复,绘出最终的结构图。 作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力, 应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力 - 24 -

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和惯性力等几个方面的阻力进行确定。 液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为: (5.1) 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算
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摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力是不同的,要根据 具体情况进行估算。

图 5-1 机械手臂部受力示意图

计算如下: :

∑M


A

=0

G总L = aFb

∑Y = 0
G总 + Fb = Fa 得 F摩 = Fa摩 + Fb摩 = ? ' Fa + ? ' Fb
? 2L + a ? ∴ F摩 = ? 'G总 ? ? a ? ? (5.2)

式中

---参与运动的零部件所受的总重力(含工件) N) ( ; L---手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m),参考

上一节的计算;
a---导向支撑的长度(m) ; ---当量摩擦系数,其值与导向支撑的截面有关;

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对于圆柱面:

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?---摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时: 钢对青铜:取 ?=0.1~0.15 钢对铸铁:取 ?=0.18~0.3
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选取: ,G=500N,L=1.49-0.028=1.21m, 导向支撑 a 设计为 0.016m。 将有关数据代入进行计算:
? 2L ? ? 2 × 1.414 + 0.16 ? F摩 = G? 、 ? ? = 500 × 0.3 × ? ? = 989.3N 0.16 ? a ? ? ?

5.3.2 手臂惯性力的计算 本设计要求手臂平动是 V=83mm/s;假定:在计算惯性力的时候,设置启动时间, 启动速度;
F惯 = F惯 = G总?v g ?t (5.3)

G总?v 1070 N × 0.083S = = 45.5 N 9.8 N Kg × 0.02 S g ?t

5.3.3 密封装置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用 O 型密封,当液压缸工作 压力小于 10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为: 。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:

5.4 液压缸工作压力和结构的确定
经过上面的计算,确定了液压缸的驱动力 F=1243.8N,根据表 3-1 选择液压缸的 工作压力 P=2MPa。 确定液压缸的结构尺寸: 确定液压缸的结构尺寸: 液压缸内径的计算,如图 5-2 所示

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图 5-2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔: (5.4) 当油进入有杆腔中: (5.5) 其中:为机械效率。 液压缸的有效面积:

故有:

(无杆腔) (有杆腔)[7]

(5.6) (5.7)

F=6210N, ,选择机械效率。 将有关数据代入:

D=

4F F 6210 η = 1.13 = 1.13 = 0.06460m π p1 η p1 0.95 × 2 ×106

根据表 4-1(JB826-66) ,选择标准液压缸内径系列,选择 D=65mm。 液压缸外径的设计: 液压缸外径的设计: 根据装配等因素,考虑到液压缸的臂厚在 7mm,所以该液压缸的外径为 80mm。

5.5 活塞杆的计算校核
一、活塞杆强度校核 活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求。对于杆长 L 大于 直径 d 的 15 倍以上,按拉、压强度计算: (5.8) 设计中活塞杆取材料为碳钢,故,活塞直径 d=20mm,L=1360mm,现在进行校核:

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结论: 结论:活塞杆满足强度要求。 二、活塞杆刚度校核

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图 5-3 刚度校核示意图

现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂 梁。 取:载荷 F=400N,悬臂 L=1730mm。 梁转角: 梁挠度: 其中:E 为材料的弹性模量:E=210Gpa I 为转动惯量:取 I= EI=24 (5.9) (5.10)



[18]

结论: 结论:悬臂活塞杆满足刚度要求。

5.6 本章小结
本章设计了搬运机器人的手臂结构,手臂采用液压驱动伸缩机构,对驱动的液压 缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计,同时对液压缸活塞杆的 强度和刚度进行了校核,校核结果均满足要求。

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第 6 章 机身结构设计及计算
机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动
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的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动 越多,机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可 以沿地面或架空轨道运动。

6.1 机身的整体设计
按照设计要求,机械手要实现手臂 1800 的回转运动,实现手臂的回转运动机构 一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑分析。 机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。常用的机身结 构有以下几种: (1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是 回转运动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大。 (2) 回转缸置于升降之上的结构。 这种结构采用单缸活塞杆, 内部导向, 结构紧凑。 但回转缸与臂部一起升降,运动部件较大。 (3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的 往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动。 分析: 分析: 经过综合考虑,本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个 运动,机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之下的机身结构。手臂部件与回转缸 的上端盖连接,回转缸的动片与缸体连接,由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴 与升降缸的活塞杆是一体的。具体结构见图 6-1。驱动机构是液压驱动,回转缸通过 两个油孔,一个进油孔,一个排油孔,分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回 转角度一般靠机械挡块来决定,对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度, 为满足设计要求,设计中动片和静片之间可以回转 1800。

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图 6-1 回转缸位于升降缸之下的机身结构示意图

机身回转机构的设计计算 6.2 机身回转机构的设计计算
(1)回转缸驱动力矩的计算 手臂回转缸的回转驱动力矩, 应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置 处的摩擦阻力矩相平衡: (6.1) 惯性力矩的计算: (6.2) 式中: ?ω ——回转缸动片角速度变化量,在起动过程中 ? ω = ω ;
? t——起动过程的时间(s);

——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量。 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为,则: (6.3) 式中: ——回转零件的重心的转动惯量。 (6.4) 回转部件可以等效为一个长 1200mm,直径为 60mm 的圆柱体,质量为 159.2Kg 设置 起动角度 ω =180,则起动角速度 ? ω =0.314,起动时间设计为 0.1s。

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略不计。 经过以上的计算。

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密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下,由于回油背差一般非常的小,故在这里忽

(2)回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽 b=60mm,选择液压缸的工作压强为 8Mpa。d 为输出
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轴与动片连接处的直径,设 d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算: (6.5) D=80mm 即设计液压缸的内径为 80mm,根据表 4-2 选择液压缸的基本外径尺寸 100mm(不是 最终尺寸),再经过配合等条件的考虑。 最终确定的液压缸的截面尺寸如图 6-2 所示,内径为 150mm,外径为 230mm, 输出轴径为 50mm。

连接螺栓

静片 液压缸盖连接螺钉

动片

图 6-2 回转缸的截面图

6.3 机身升降机构的计算
6.3.1 手臂偏重力矩的计算

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图 6-3 手臂各部件重心位置图

(1)、零件重量等

现在对机械手手臂做粗略估算:总共约为 33Kg =16.2Kg (2) 、计算零件的重心位置,求出重心到回转轴线的距离 ρ。

ρ 工件 =1720mm ρ 手和腕 =6mm ρ臂 =0.88mm

ρ= ρ=
所以,回转半径。 (3) 、计算偏重力矩

ρ工件G工件 + ρ手腕G手腕 + ρ臂G臂
G总

(6.6) =1500mm

ρ工件G工件 + ρ手腕G手腕 + ρ臂G臂
G总

M 偏 = G总 ρ

(6.7)

6.3.2 升降不自锁条件分析计算 手臂在的作用下有向下的趋势,而立柱导套有防止这种趋势; 由力的平衡条件有: - 32 -

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(6.8) 即: 所谓的不自锁条件为:
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即:

取=0.16 则:
∴ 当时, ,因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于 480mm。

(6.9)

6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算
(6.10)

式中:---摩擦阻力,参考图 6-3 -(6.11) G--零件及工件所受的总重。 (1)、的计算

设定速度为 ? V=4;起动或制动的时间差 ? t=0.02s;近似估算为 286.1Kg;将数 据带入上面公式有:

(2)、的计算



(3) 、液压缸在这里选择 O 型密封,所以密封摩擦力可以通过近似估算;最后 通过以上计算: 当液压缸向上驱动时:F=5000N 当液压缸向下驱动时:

6.4 轴承的选择分析
对于升降缸的运动,机身回转受轴承的影响。因此,这里要充分考虑这个问题。 对于本设计,采用一支点,双向固定,另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴 - 33 -

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结构图6-3。

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承,应能承受双向轴向载荷,故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的机身 本设计采用两个双向推力球轴承[20]的组合结构,这种结构可以承受双向轴向载 荷。
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6.5 本章小结
本章对机械手的机身进行了设计, 分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计 算。 同时, 也计算了升降立柱不自锁的条件(这是机身设计中不可缺少的部分)。 最后, 根据计算结果选用合适的轴承。

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第 7 章 搬运机器人运动学分析
7.1 机器人运动学基本概述
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a.机器人机构由一系列关节连接起来的连杆所组成。把关节坐标系固定在机器
人的每个连杆上,可以用齐次坐标变换来描述这些坐标系之间的相对位置和方向。 b.描述一个连杆相对于相邻连杆之间关系的齐次坐标变换矩阵记为 A 矩阵。一 b. 个 A 矩阵是描述连杆机构坐标系之间相对平移和旋转的齐次变换。 c.坐标系中的点向另一坐标系 OXYZ 变换,变换后的坐标为由下式计算: c. (7.1) (7.2) (7.3) 式中:

—坐标系的原点在坐标系 OXYZ 中的坐标; —坐标系的轴对坐标系 OXYZ 的 3 个方向余弦; —坐标系的轴对坐标系 OXYZ 的 3 个方向余弦; —坐标系的轴对坐标系 OXYZ 的 3 个方向余弦。
X=T 即: 并且
[3]

(7.4)

(7.5)

一个五自由度机器人有 5 个自由度 (每个连杆为一自由度) 机器人最后一个构件 。 (手 部)有 2 个自由度用来确定其位置,其余 3 个自由度用来确定其方向。用(7.5)式 的可以表示手部的位置和方向,这样机器人在它的活动范围内可以任意定位和定向。 (7.6)

d.A 矩阵 d. ①连杆的几何参数; ②关节变量角:的起始线为的延长线,终止线为的平行线; ③偏置量。 - 35 -

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图 7-1 杆件的长度及扭角

7.2 搬运机器人运动方程的建立

图 7-2 搬运机器人参考坐标系

(1) 设定机器人各个连杆的坐标系,如图 7-2 所示; (2) 确定各连杆的关节参数和关节变量,见表 7-1;

表 7-1A 矩阵的参数 连杆编号 i 1 2 关节变量 -90° 0° 0 0 300 1200 0 1 -1 0

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3 4 5

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0° 0° 90°

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0 0 0 0 0 70 1 1 0 0 0 1

(3) 求两连杆间的位姿矩阵:
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(4) 求机器人的运动方程:

(7.7) 把表 7-1 中的数据代入(7.7)式,最后求出所需的运动学方程。

7.3 搬运机器人的动作范围
为了表现手的位置,常将基准坐标系设定在机器人的基准轴或手臂的根部。通 常,用以描述空间任一点的位置,可以采用直角坐标系、球坐标系或圆柱坐标系。本 次设计中涉及的坐标系为圆柱坐标系, 其手臂的运动由两个直线移动和一个回转运动 所组成。其结构简图见图 7-3[9]。

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图 7-3 搬运机器人结构简图

本次设计的搬运机器人的运动形式可描述为: 1) 、臂: ; 2) 、手部:张合夹持物体的运动; 3) 、腕部: 绕水平方向的回转运动。 相比之下,圆柱坐标式的机械手,本体占据的空间较小而动作范围较大,同时具 有直观性强、结构简单等优点,常用于搬运和测量工件,将轴类零件插入纵向较深的 孔中之类的作业。但受到升降结构的限制,一般不能提升地面上或较低位置的物体, 在垂直方向升降范围有限。 圆柱坐标式搬运机器人的动作范围简图如图 7-4 所示

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图 7-3 搬运机器人动作范围示意图

7.4 本章小结
本章主要内容为搬运机器人的运动学分析, 给出了建立机器人运动方程的详细过 程,得出本次设计的搬运机器人的运动学方程。最后,叙述了机器人的运动范围的形 式以及它们各自的特点,给出了本次设计搬运机器人的动作范围。

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第8章 总 结
我的毕业设计题目是“搬运机器人结构设计与分析” ,本课题要求根据参数要求, 设计一种搬运机器人。
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8.1 主要任务
a)、了解搬运机器人的功能、结构、用途以及发展状况; b)、选择并分析搬运机器人的整体设计方案; c)、根据设计参数和设计要求,进行机器人运动系统的设计计算; d)、进行机器人运动学和静学分析计算,完成主要零部件强度校核验算; e)、利用三维造型软件对机器人进行整体造型和虚拟装配; f)、绘制装配图及关键零件工作图。

8.2 技术要求
a)、根据任务要求,进行搬运机器人结构与传动系统总体方案设计,确定传动 及执行系统的组成,绘制系统方案示意图。 b)、根据设计参数和设计要求,通过计算确定手部、腕部以及臂部的主要结构 参数。 c)、建立执行系统输入、输出之间的位移、速度和加速度关系,并编程进行数 值计算,绘制一个工作周期内各关节的位移、速度和加速度线图。 d)、利用三维造型软件对机器人进行整体造型和虚拟装配。 e)、绘制装配图及关键零件工作图。

8.3 设计步骤
本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论, 对原有的机械结构提出了新的改 进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的 工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机 器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及 包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动 源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通 过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。 设计过程的具体步骤如下: 8.3.1 搜集资料 根据任务书的主要任务和技术要求, 分析在做毕业设计的过程中所用到的具体的 理论知识,同时在刘老师的指点下,通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜 - 40 -

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集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过三个星期的深入学习,搜集了一大堆与毕 业设计相关的资料,在刘老师的指导下,摒弃了一些无关紧要的内容,保留了有参考 价值的资料作为备用。并把一些对课题有关的知识记在了工作日志上,尽量使我的资 料完整、精确、数量多,这有利于说明书的撰写。在这一过程中我了解到了搬运机器 人的机械结构, 并分析了不同的传动方案之间的优缺点为下一步总体方案的确定打下
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了基础。最后,根据搜集的资料写出了文献综述。 8.3.2 计算 根据所给的原始数据大致想清楚了自己设计的搬运机器人的总体结构, 即确定了 搬运机器人设计的总体方案,随后进行了初步的设计计算。 根据总体方案并结合原始数据对搬运机器人的各个部件展开了详细的设计计算, 具体设计计算过程包括: a)、传动机构的设计计算:考虑到机构的可行性及操作的简便性选择的传动机构 为液压传动 (液压传动容易控制; 压力高, 可获得大的输出力; 可实现连续轨迹控制; 维修方便) 。 b)、手部、腕部及臂部的设计计算:根据原始数据中夹持工件的重量 200N,首 先计算手部所需的夹持力,然后根据该夹持力计算所需的液压缸直径选取手部液压 缸。之后,根据手部的总重计算它的偏心力矩,选取腕部的回转液压缸。臂部分为水 平方向的伸缩臂和竖直方向的伸缩臂; 水平方向的伸缩臂选取伸缩式液压缸作为其驱 动的动力源,竖直方向的伸缩臂选择双作用单活塞液压缸作为其驱动的动力源。 c)、 各关节运动规律的分析与推导: 根据预定的运动轨迹设定各关节的运动尺寸, 运用 D-H 法列出机器人运动学的方程。最后,根据总体尺寸绘制出搬运机器人的运 动轨迹路线图。 8.3.3 装配图及零件图的绘制 ; 使用计算的数据绘制出搬运机器人大的整体装配图,并手绘出该装配图(A0 图) 8 张 CAD 零件图;三维实体造型图(见图 8-1) 。

8.4 设计感想
在整个毕业设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态, 首先我明白 了做学问要一丝不苟,对于出现的任何问题和偏差都不要轻视,要通过正确的途径去 解决,在做事情的过程中要有耐心和毅力,不要一遇到困难就打退堂鼓,只要坚持下 去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度,认真听取别人的 意见,这样做起事情来就可以事半功倍。 此次论文的完成既为大学四年划上了一个完美的句号。脚踏实地,认真严谨,实 事求是的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的 收益。我想这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,会对我未来的学习和 工作有很大的帮助。也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 - 41 -

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图 8-1 三维实体造型

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致 谢
感谢刘庆运老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导, 从最初
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的定题,到资料收集,到写作、修改,到论文定稿,他给了我耐心的指导和无私的帮 助。在最后阶段,刘老师耐心的帮助我检查图纸绘制过程中出现的错误,以及论文在 书写的过程中应注意的一些问题,再次感谢刘老师的帮助。 同时,感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助,是他们教 会了我专业知识,教会了我如何学习,教会了我如何做人。正是由于他们,我才能在 各方面取得显著的进步,在此向他们表示我由衷的谢意,并祝所有的老师培养出越来 越多的优秀人才,桃李满天下! !

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附 录 一:
主 要 符 号 表
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N ?m
mm

ρ
M偏
t

N ?m
mm N N N 度

FQ0 FQ
' FQs

φ启

ω
G

rad
N

s

附 录 二:
图纸另附图册

附 录 三:
英文翻译另装订成册

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参 考 文 献
[1] 孙树栋主编.工业机器人技术基础[M]. 西安:西北工业大学出版社,2006.
┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

[2] [日]森?政弘主编.机器人竞赛指南[M]. 北京:科学出版社,2002. [3] 谢存禧 张铁主编.机器人技术及其应用[M]. 北京:机械工业出版社,2008. [4] 吴振彪主编.工业机器人[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2004. [5] [俄]IO?M?索罗门采夫主编.工业机器人图册[M]. 北京:机械工业出版社,1993. [6] 臧克江主编.液压缸[M]. 北京:化学工业出版社,2009. [7] 张利平主编.液压传动系统及设计[M]. 北京:化学工业出版社,2005. [8] 范印越主编.机器人技术[M]. 北京:电子工业出版社,1988. [9] 丛明 徐晓飞撰写.玻璃基搬运机器人的设计[J](23-25).组合机床与自动化加工 技术.大连:大连理工大学,1001-2265(2008)10-0023-04. [10] 李成伟 朱秀丽撰写.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J] (81-84).机电工程. 北京:北京航空航天大学,1001-4551(2008)12-0081-04. [11] 李长春 孟宇撰写.基于机器人装卸物料的研究[J](19-21).现代制造技术与装配. 济南:济南大学,2007. [12] 陆祥生 杨秀莲主编.机械手理论及应用[M]. 北京:中国铁道出版社,1983. [13] 杜祥瑛主编.工业机器人及应用[M]. 北京:机械工业出版社,1986. [14] 马香峰主编.机器人机构学[M]. 北京:机械工业出版社,1991. [15] 张建民主编.机电一体化系统设计[M]. 北京:高等教育出版社,2007. [16] 毛平淮主编.互换性与测量技术基础[M]. 北京:机械工业出版社,2008. [17] 杨惠英 王玉坤主编.机械制图[M]. 北京:清华大学出版社,2002. [18] 刘鸿文主编.材料力学(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,2004. [19] 濮良贵 纪名刚主编.机械设计(第八版)[M]. 北京:高等教育出版社,2006. [20] 成大先主编.机械设计手册(第五版) [M]. 北京:化学工业出版社,2002.

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