曲軸搬運機械手機電系統(tǒng)設計說明書

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………...........……………………………………………..I</p><p>　　Abstract……………………………………………...……..........……….………….……..II</p><p>　　第1章 緒論.........

2、...............................................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1 工業(yè)機器人（機械手）的概述...........................................................

3、.........................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1.1 工業(yè)機器手的發(fā)展..........................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1.2 工業(yè)機器人的分類............

4、..............................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.1.3 工業(yè)機械手的應用..........................................................................................錯誤!未定義

5、書簽。</p><p>　　1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀.........................................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.3 本課題的預期結果...................................

6、.................................................................4</p><p>　　第2章 機械手的總體設計.............................................................................................5</p><p>　　2.

7、1 設計要求....................................................................................................................5</p><p>　　2.2 機械手總體設計方案.............................................................

8、...................................5</p><p>　　2.2.1 機械手的組成及各部分關系....................................................................................5</p><p>　　2.2.2 總體設計任務......................

9、............................................................................5</p><p>　　2.2.3 總體方案擬定..................................................................................................7</p>

10、;<p>　　2.3 本章小結....................................................................................................................9</p><p>　　第3章機械手結構的設計分析.............................................

11、.......................................10</p><p>　　3.1 末端操作器的設計分析..........................................................................................10</p><p>　　3.2 末端操作器的概述...............

12、...................................................................................10</p><p>　　3.1.1 末端操作器結構的設計分析........................................................................10</p><p>

13、;　　3.1.2 末端操作器的設計........................................................................................10</p><p>　　3.3 手腕的設計.................................................................................

14、.............................11</p><p>　　3.4 手臂的設計..............................................................................................................12</p><p>　　3.5 機身和機座的設計..........

15、........................................................................................13</p><p>　　3.6 本章小結...................................................................................................

16、...............................15</p><p>　　第4章 機械手各部件載荷及結構尺寸計算..........................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.1 設計要求分析.............................................

17、.............................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.2 手指夾緊機構的及尺寸設計..................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>

18、;　　4.2.1 手指夾緊機構載荷的計算............................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.3 手臂伸縮機構的及尺寸的確定...........................................................................

19、...22</p><p>　　4.4 手臂俯仰機構結構尺寸的確定..............................................................................24</p><p>　　4.5 手腕擺動機構的確定...........................................................

20、...................................24</p><p>　　4.6 機身擺動機構的確定..............................................................................................24</p><p>　　4.7 強度校核....................

21、..............................................................................................24</p><p>　　4.8 彎曲穩(wěn)定性校核..........................................................................................

22、............25</p><p>　　4.9 本章小結..................................................................................................................26</p><p>　　第5章 液壓系統(tǒng)的設計.........................

23、......................................................................27</p><p>　　5.1 液壓缸或液壓馬達所需流量的確定......................................................................27</p><p>　　5.1.1 液壓缸工作

24、時所需流量................................................................................27</p><p>　　5.2 液壓馬達工作時的流量..........................................................................................28<

25、/p><p>　　5.3 液壓缸或液壓馬達主要零件的結構材料及技術要求..........................................28</p><p>　　5.3.1 缸體....................................................................................................

26、............28</p><p>　　5.3.2 缸蓋................................................................................................................29</p><p>　　5.3.3 活塞..............................

27、..................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.3.4 活塞桿.................................................................................................

28、...........錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.3.5 液壓缸的緩沖裝置........................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.3.6 液壓缸的排氣裝置.............................

29、...........................................................30</p><p>　　5.4 制定基本方案..........................................................................................................30</p><p&

30、gt;　　5.4.1 基本回路的選擇............................................................................................30</p><p>　　5.5 液壓元件的選擇..........................................................................

31、............................31</p><p>　　5.5.1 液壓泵的選擇................................................................................................31</p><p>　　5.5.2 液壓泵所需電機功率的確定................

32、........................................................32</p><p>　　5.5.3 液壓閥的選擇................................................................................................33</p><p>　　5.5.4

33、 液壓輔助元件的選擇原則............................................................................33</p><p>　　5.5.5 油箱容量的確定............................................................................................35

34、</p><p>　　5.5.6 液壓原理圖....................................................................................................35 5.6 本章小結...........................................................................

35、.......................................37</p><p>　　第6章 電氣控制系統(tǒng)的設計......................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.1 電氣控制的概述..............

36、........................................................................................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.2 控制電路............................................................................................

37、......................錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.2.1 控制電路的組成............................................................................................38</p><p>　　6.2.2 繼電器的選擇........................

38、........................................................................38</p><p>　　6.2.3 接觸器的選擇................................................................................................39</p>&

39、lt;p>　　6.2.4 斷路器............................................................................................................40</p><p>　　6.3 電氣系統(tǒng)設計及原理.......................................................

40、.......................................40</p><p>　　6.4 電氣系統(tǒng)的控制順序..............................................................................................41</p><p>　　6.5 本章小結................

41、..................................................................................................42</p><p>　　結論...............................................................................................

42、........................................43</p><p>　　參考文獻.............................................................................................................................44</p><p>　　致

43、謝.......................................................................................................................................45</p><p>　　附錄.........................................................

44、..............................................................................46</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展和自動化生產線在企業(yè)產品生產中的廣泛應用，機械手作為自動化生產線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進步。尤其是隨著機械結構的

45、優(yōu)化，氣動、液壓技術的成熟，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進和創(chuàng)新，機械手的動作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強度和難度、提高工作效率和質量、降低生產成本上做出了突出貢獻，機械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題是一個機、電結合較為緊密的實用性項目，文中對電氣的應用、機械結構的設計、控制方法的選擇等方面進行了必要的探討。最后，總結了全文，指出了機械手的改進措施、應用前景和

46、發(fā)展方向。</p><p>　　關鍵字：機械手；液壓驅動；電氣；自動；控制元件</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the development of science and technology，automated production line is widely used in enter

47、prise production, the manipulator as an important part of the automated production line also got considerable development and progress. Especially with the optimization of mechanical structures, pneumatic, hydraulic tech

48、nology matures, control elements development and control of continuous improvement and innovation, the action of the robot accuracy, control, flexibility and reliability has been a mar</p><p>　　Key Words: Ma

49、nipulator；The hydraulic pressure drive；Electric；Auto；Control components</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 工業(yè)機器人（機械手）的概述</p><p>　　1.1.1 工業(yè)機器手的發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)

50、代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部安裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。</p><p>　　1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控

51、示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。</p><p>　　1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸

52、縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。</p><p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。</p><p>　　美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成

53、本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。</p><p>　　德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制

54、。</p><p>　　瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。</p><p>　　日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14

55、535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。</p><p>　　第二代

56、機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。</p><p>　　第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexi

57、ble Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。</p><p>　　隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范圍還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造等領域中。</p><p>　　1.1.2 工業(yè)機器人的分類</p><p>　　表

58、1.1 機器人分類</p><p>　　關于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。一般的分類方式如上表1.1所示：</p><p>　　1.1.3 工業(yè)機械手的應用</p><p>　　工業(yè)機械手是伴隨工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展，特別是電子計算機的廣泛應用而迅速發(fā)展起來的一門新興技

59、術裝備。它綜合應用了機械，電子，自動控制等先進技術以及物理，生物等學科的基礎知識，以實現(xiàn)機械化與自動化的有機結合而廣泛應用在工業(yè)生產的各個部門。</p><p>　　工業(yè)機械手是工業(yè)生產發(fā)展中的必然產物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件和握持工具進行操作的自動化技術裝備。這種新穎技術裝備的出現(xiàn)和應用，對實現(xiàn)工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力，受到人們的廣

60、泛重視和歡迎。</p><p>　　工業(yè)上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結構形式亦各有不同，技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預定程序，自動地，重復循環(huán)地進行工作。此外，還有些非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結構上與工業(yè)機械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進行操作的隨動機械手和近期發(fā)展起來

61、的由人工進行操作的機械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遙控的非自動的單循環(huán)的機械手等。</p><p>　　實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業(yè)生產中經常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期，頻繁，單調的操作，采用機械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展

62、前途。</p><p>　　1.2 國內外發(fā)展的狀況</p><p>　　國內工業(yè)機器人市場具有如下特征：（1）國內汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術、資金密集型產業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展史近幾年我國工業(yè)機器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經濟發(fā)達地區(qū)。國內相當數量的企業(yè)技術實力得到很大提高，生產設備更新?lián)Q代，為了更好地適應市場經濟發(fā)展的需要，提高生產

63、率，提高產品質量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機器人的需求不斷增加。（3）外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導致工業(yè)機器人的需求量較大。（4）國內一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。</p><p>　　1.3 本課題的預期結果</p><p>　　在生產實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，

64、組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，需要許多工人搬運工件，有時勞動強度較大。當生產效率很高時，為了減少工人數量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種通過電氣控制的搬運機械手來代替工人實現(xiàn)工件的搬運上線，并且能滿足定位和重復定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數目，減輕工作量，同時也提高了生產效率并且精度也得到了保障。而

65、事實上，在生產領域真正用來加工的時間一般不大于整個生產時間的10％，大部分時間是用在了工件的搬運、裝夾等輔助工序上。從這個方面可以看出研制一種自動化搬運機械手的迫切性和重要性，它能大大提高生產的效率。</p><p>　　第2章 機械手的總體設計</p><p><b>　　2.1 設計要求</b></p><p>　　某生產線上搬運工件原由人

66、工完成, 勞動強度大、生產效率低。為了提高生產線的工作效率, 降低成本, 使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應現(xiàn)代自動化大生產, 針對具體生產工藝, 利用機器人技術, 設計用一臺搬運機械手代替人工工作。</p><p>　　該機械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機身回轉→手腕回轉→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機身回轉復位→手腕回轉復位→待料。</p>

67、<p>　　工作對象為50~100mm，重量為40~60kg的曲軸，定位精度為±1。</p><p>　　2.2 機械手的總體設計方案</p><p>　　2.2.1 機械手的組成及各部分關系</p><p>　　機械手由三大部分（機械部分、液壓部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制

68、系統(tǒng)）組成。</p><p>　　機械結構系統(tǒng)：機器人的機械結構又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。</p><p>　　驅動系統(tǒng)：驅動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的驅動形式有步進電機驅動、直流電機驅動、交流電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅動（例如超聲波驅動、磁致伸縮驅動、靜電驅動等）。</p>

69、;<p>　　控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。</p><p>　　2.2.2總體設計任務</p><p>　　(1) 結構形式的設計: 機械手常見的運動形式有1）直角坐標型2）圓柱坐標型3）球坐標（極坐標）型4）關節(jié)型（回轉坐標）型5）平面關節(jié)型五種。<

70、/p><p>　　圓柱坐標型是由三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。</p><p>　　直角坐標型，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結構簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。</p>&l

71、t;p>　　球坐標型，它由兩個轉動和一個直線組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作范圍大的特點，但是結構比較復雜。</p><p>　　關節(jié)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺

72、動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。</p><p>　　平面關節(jié)型，采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)，兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)控制上下運動。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。</p><p>　　綜上，本次設計中采用圓柱回轉坐標型。</p

73、><p>　　(2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，不包括末端操作器的開合度。在運動形式上分為為直線運動P，旋轉運動R。自由度數的多少反映了這種機械手能完成動作的復雜程度，根據對機械手必須完成的動作的研究，設計四個自由度的機械手即可完成所規(guī)定的工作任務。從機座到手腕，關節(jié)的運動方式為旋轉-直線-直線-旋轉，即RPPR型。</p>&l

74、t;p>　　(3) 驅動方式的選擇:1）驅動系統(tǒng)有液壓驅動2）氣壓驅動3）電機驅動4）機械聯(lián)動四種，其中液壓驅動和氣壓驅動較為通用。</p><p>　　液壓驅動：結構緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。而且液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。</p><p>　　氣壓驅動：具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、造價較低、維修方便、清潔等特點，適用

75、于中小負載的系統(tǒng)中，但對速度很難進行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實現(xiàn)伺服控制。</p><p>　　電機驅動：步進或伺服電機可用于程序復雜、運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手； 異步電機、直流電機適用于抓重大、速度低的專用機械手；電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。</p><p>　　機

76、械聯(lián)動：動作可靠，動作范圍小，結構比較復雜，適用于自由度少、速度快的專用機械手。</p><p>　　并且，同其他轉動方式相比較，傳動功率相同時，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實現(xiàn)無級變速，調速范圍大。運動件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術和計算機配合，能夠實現(xiàn)各種自動控制工作。液壓元件基本已經上系列化、通用

77、化和標準化，利于CAD技術的應用、提高工效，降低成本。容易達到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉距）。液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制。液壓裝置采用油液做介質，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機械效率，使用壽命長。</p><p>　　綜上，本次設計采用液壓驅動。</p><p>　　(

78、4) 控制方式的選擇:1）點位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。</p><p>　　點位控制的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿。控制時只要求工業(yè)機器人快速、準確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動，而對達到目標點的運動軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需時間。由于其控制方式易于實現(xiàn)，常應用于上下料、搬運、

79、點焊等工業(yè)機器人。</p><p>　　連續(xù)軌跡控制的特點是連續(xù)的控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度要求內運動，而且速度可控，軌跡光滑且運動平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術指標是工業(yè)機器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機器人。</p><p>　　力（力矩）控制方式常用于準確定位并要求使用適度的力或力矩

80、來完成裝配、抓放物體等工作。</p><p>　　智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據自身內部的知識庫相應做出決策。采用智能控制技術的機器人具有較強的環(huán)境適應性及自學能力，技術難度及成本要求都比較高。</p><p>　　綜上，本次設計采用點位控制。</p><p>　　另外該機械手的動作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用電氣控制機械手實現(xiàn)設計要求的工序動作

81、，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產率。</p><p>　　綜合上述，此次采用電-液伺服點位控制，可以很好的完成自動線工作。</p><p>　　2.3 總體設計方案擬定</p><p>　　因為本機械手工作范圍大，位置精度要求高?？紤]本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用懸臂式四自由度的機械手，如下圖2.1所示： </p><p>

82、　　1-機座 2-機身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指</p><p>　　圖2.1 機械手總體結構簡圖</p><p>　　機座：起支撐機身的作用，同時與地面通過地腳螺栓固定承受著機械手整體的比較大的壓力。由于體積大，所以用鑄造，鑄造材料為鑄鐵。</p><p>　　機身：保證了整個機械手能夠連接在一起從而保證機械手能夠順利的完成各項運動，由于體積大

83、，所以用鑄造，機身的材料為鑄鐵。機身分為上、下機身體，上、下機身通過螺栓連接在一起，擺動液壓缸放在下機身里。用一根軸立柱通過鍵將擺動液壓系統(tǒng)與機身連接在一起，通過液壓缸擺動帶動機身的擺動。</p><p>　　俯仰手臂：與下機身通過銷與相連，與手臂也通過銷相連。起連接作用，同時，俯仰手臂的伸縮會控制手臂的上下擺動。</p><p>　　手臂：通過銷與上機身相連，液壓系統(tǒng)控制了它的伸縮功能，

84、與手腕通過法蘭連接在一起。</p><p>　　手腕：具有擺動功能，與手臂和手指相連。內置擺動液壓缸。</p><p>　　手指：具有夾緊工件的作用。</p><p>　　自由度具體分配如下：</p><p>　　1）手臂回轉自由度。擬采用擺動油缸來實現(xiàn)，擺動缸的動片與缸體相連接，通過油液帶動葉片轉動，與之相連的缸體也發(fā)生轉動，從而實現(xiàn)機身的

85、回轉。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。</p><p>　　2）手臂俯仰自由度。機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油（氣）與連桿機構聯(lián)用來實現(xiàn)。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。</p><p>　　3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質量輕，因而在機器人手臂結構中應用較

86、多。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。</p><p>　　4）手腕回轉自由度。擬采用擺動液壓缸來實現(xiàn)。當注入壓力油時，油壓推動動片連同轉軸一起回轉。因為動片是固定在轉軸上的，故動片轉動時，轉軸也隨著其一起轉。而末端操作器與轉軸是固定在一起的，故轉軸一轉手部便一起轉，從而實現(xiàn)手腕的回轉運動。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。</p><p>&

87、lt;b>　　2.4 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹機械手的總體設計方案，根據設計要求，選擇機械手的結構設計方案、驅動方案、控制方案以及選擇各個方案對機械手工作的影響，畫出機械手結構的大體簡圖和重要的幾個結構部分。根據工作時空間自由度的選擇，大體結構，控制方式的選擇，完成各個部分的工作性能。描繪機械手大體結構圖為以下計算設計做準備。</p><p>　

88、　第3章 機械手結構的設計</p><p>　　3.1 機械手的主要結構</p><p>　　機械手的機械結構主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。</p><p>　　這些結構通過驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系結合在一起，實現(xiàn)機與電的結合。驅動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的驅動形式有步進電機驅動、直流電機驅動

89、、交流電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅動（例如超聲波驅動、磁致伸縮驅動、靜電驅動等）控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。</p><p>　　3.2末端操作器的設計</p><p>　　3.2.1 末端操作器的概述</p><p&g

90、t;　　工業(yè)機器人的末端操作器是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進行操作的部件，根據被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結構是根據特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉換器4）仿生多指靈巧手。</p><p>　　夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應用廣泛。它一般由手指、驅動機

91、構、傳動機構、連接與支承元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。</p><p>　　吸附式取料手靠吸附力取料，根據吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應用于大平面（單面接觸無法抓取）、易碎（玻璃、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。</p><p>　　因為專用操作器及轉換器和仿生多指靈巧手的技術難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。</p><p>　　

92、3.2.2 末端操作器結構的設計</p><p>　　根據發(fā)動機曲軸結構特點，本次設計的機械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。</p><p>　　夾鉗式取料手的手指的結構形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。本設計是曲軸搬運機械手，搬運的對象是曲軸，所以要求使用V形手指，其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點。它通過單向液壓缸進行加緊工作，主要是通過液壓缸的

93、4活塞桿推底端使手指夾緊，然后通過2彈簧進行復位。圓柱銷3起到連接的作用，連接手指與手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夾緊平穩(wěn)。結構如圖3.1所示：</p><p>　　1-手指 2-彈簧 3-圓柱銷 4-活塞桿 </p><p>　　圖3.1 V型手指結構圖</p><p><b>　　3.3 手腕的

94、設計</b></p><p>　　機器人手腕（如圖3.2）是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。此處手腕需實現(xiàn)手部的翻轉（Roll）動作,腕部結構主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉運動上。主要原理是手腕是由擺動液壓缸控制，這樣可以實現(xiàn)手腕的旋轉，帶動V形末端操作器。手腕通過法蘭連接在手臂上，手腕由擺動液壓缸控制進行旋轉運

95、動，通過進油帶動液壓缸，液壓缸通過鍵連接帶動手腕軸使手腕轉動，擺動液壓缸由電磁閥控制。電磁閥由電器控制回路控制。這樣就將機械和電器結合到了一起。通過電控制機械，通過電控制機械手的手腕的旋轉。</p><p>　　機械手腕的轉動時通過（如圖3.2）2擺動液壓缸帶動，手指的夾緊運動通過4單向活塞桿向右推動手指部分的V型槽。然后由復位彈簧進行復位設置。手腕與手臂的連接由1法蘭盤連接在一起。為了確保手腕與手臂在工作過程中

96、具有穩(wěn)定的自由度，手臂的結構為四導桿輔助液壓缸運動。</p><p>　　四導桿能保證機械手在伸縮的過程中保持穩(wěn)定的同軸度，不至于使手臂收縮的過程中由于重力的作用而彎曲變形。每一個導桿平均分得一部分力，這樣可以減輕一個桿工作時的壓力。</p><p>　　1-法蘭盤 2-擺動液壓缸 3-彈簧 4-單向液壓缸</p><p>　　5-手腕 6-連接螺栓孔</p&

97、gt;<p>　　圖3.2 手腕結構簡圖</p><p><b>　　3.4 手臂的設計</b></p><p>　　手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運動到給定的位置上。手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。</p><p>　　手臂一般有伸縮運動、左右回轉運動、升降（或俯仰）運動三個自由度。在

98、一般情況，手臂的伸縮和回轉、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。這樣是為了減小慣性，使運動精度高些。伸縮運動一般采用直線液壓缸驅動，俯仰運動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅動，而回轉運動則大多用回轉缸或齒條缸來實現(xiàn)。</p><p>　　本設計采用單作用（單活塞桿）缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在

99、伸縮運動時繞軸線轉動或產生變形，手臂的伸縮機構需設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。根據手臂的結構、抓重等因素，為了使抓取時不產生偏重力矩使抓取可靠，本設計中采用四根導向柱的臂伸縮結構。這種結構的特點是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時還可以防止產生過大的偏重力矩。</p><p>　　機械手手臂伸縮由手臂里的液壓缸來實現(xiàn)，回轉運動時靠機身的回轉，通過圓柱銷的連接帶動手臂的回轉，俯仰運動時通過俯仰缸的伸縮來實

100、現(xiàn)，手臂是機械手運動環(huán)節(jié)的重要部分，它是現(xiàn)實手指與機身連接的唯一樞紐。大部分要實現(xiàn)的運動都是通過手臂的傳遞完成的。本次設計采用內嵌式液壓缸，液壓缸的尺寸決定了手臂的大體尺寸。液壓缸的設計是通過工件運動時受到的力決定的，本次設計的手臂的內嵌式液壓缸如圖3.3所示：</p><p>　　1-出油孔 2-開口銷孔 3-缸壁 4-圓柱銷孔5-導向桿</p><p>　　6-油塞 7-法蘭 8-活塞

101、桿 9-進油孔</p><p>　　圖3.3 四導向桿式手臂機構</p><p>　　從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結構及導向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點。</p><p>　　液壓油通過進油孔進入，在液體壓力的作用下活塞桿8向右運動，使手臂伸縮，導向桿5起到保證同軸度的作用，密封圈6起到保持缸內壓力的作用，保證了液壓缸的工作效率。</p&g

102、t;<p>　　手腕和手臂通過法蘭連接在一起，法蘭能保持他們的同軸運動，確保運動的精確性。法蘭的結構簡圖如下3.4所示：</p><p>　　1-螺栓孔 2-螺釘</p><p>　　圖3.4 法蘭盤的結構</p><p>　　法蘭盤與手腕通過螺栓連接，保證手臂、手腕同步運動。</p><p>　　手臂俯仰運動采用單作用（單活塞

103、桿）缸來驅動。直線油缸的缸底與機身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當壓力油進個油缸時就驅動活塞桿往復運動，通過活塞桿的運動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運動。當油從進油口進入時，右面的壓力比左面的大，這時活塞桿向右運動，轉化為手臂實現(xiàn)向下運動。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿往復運動的同時，缸體可在平面內擺動。手臂通過帶孔銷連接在機身上，以帶孔銷為支點，俯仰機構的上下運動就變成了手臂的上下運動，俯

104、仰液壓缸向上伸出時，手臂向下擺動，俯仰液壓缸向下伸出時，手臂向上擺動，這樣就實現(xiàn)了手臂的上下擺動。手臂俯仰機構的結構簡圖如3.5所示：</p><p>　　1-進、出油孔 2-活塞 3-活塞桿 4-進、出油孔</p><p>　　5-密封塞 6-缸蓋 7-缸壁 8-排氣孔</p><p>　　圖3.5 俯仰機構簡圖</p><p>　　采用擺