前言當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)之一就是機(jī)械技術(shù)，電子技術(shù)和信息技術(shù)的結(jié)合，機(jī)器人就是這種結(jié)合的產(chǎn)物之一?，F(xiàn)代機(jī)器人都是由機(jī)械發(fā)展而來(lái)。與傳統(tǒng)的機(jī)器的區(qū)別在于，機(jī)器人有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因而有一定的智能，人類可以編制動(dòng)作程序，使它們完成各種不同的動(dòng)作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高?，F(xiàn)在機(jī)器人已成為一個(gè)龐大的家族，科學(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要，把機(jī)器人設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和外形，以便讓他們?cè)谔厥鈼l件下出色地完成任務(wù)。機(jī)器人成了人類最忠實(shí)可靠的朋友，在生產(chǎn)建設(shè)和科研工作中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。搬運(yùn)機(jī)器人不但能夠代替人的某些功能，有時(shí)還能超過(guò)人的體力能力。可以24小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以承受各種惡劣環(huán)境。 因此，搬運(yùn)機(jī)器人是人體局部功能的延長(zhǎng)和發(fā)展。 21世紀(jì)是敏捷制造的時(shí)代，搬運(yùn)機(jī)器人在敏捷制造系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。1 緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊研制，它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)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，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)，它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)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FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起1。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型；2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件；3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)2。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。1.2 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人我國(guó)工業(yè)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過(guò)二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線相關(guān)的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)年需求量在3000臺(tái)左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)市場(chǎng)上工業(yè)機(jī)器人總共擁有量盡萬(wàn)臺(tái)，占全球總量的0.56%，其中完全國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人(行業(yè)規(guī)模比較大的前三家工業(yè)機(jī)器人企業(yè))行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人目前主要以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用為主，年出口量為100臺(tái)左右，年出口額為0.2億元以上。 目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬用、噴漆、檢測(cè)、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機(jī)械行業(yè)，主要用于汽車及工程機(jī)械的噴涂及焊接。目前，由于機(jī)器人技術(shù)及研發(fā)的落后，工業(yè)機(jī)器人還主要應(yīng)用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年國(guó)內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機(jī)器人有超過(guò)一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)的原動(dòng)力之一。搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：1)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；3)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人為5自由度即：手爪張合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多2。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。(a)直角坐標(biāo)型 （b）圓柱坐標(biāo)型 （c）球坐標(biāo)型 （d）關(guān)節(jié)型圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式Fig 2-1 four robot coordinate form2.2 搬運(yùn)機(jī)器人的組成搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇夾持類回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)手部。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。圖2-2搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes如圖2-2的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，手部執(zhí)行依靠桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng)，桿的動(dòng)力源來(lái)自后續(xù)驅(qū)動(dòng)源的液壓缸，該液壓缸采用的是伸縮式液壓缸，該液壓缸能夠節(jié)省橫向的工作空間。2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮冢?，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部是實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的腕部的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-3所示。圖2-3腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手部的張合是由雙作用單柱塞液壓缸驅(qū)動(dòng)的；而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1200mm；伸縮速度：83mm/s；升降行程：300mm；升降速度：67mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。4）機(jī)座機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對(duì)可移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，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。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來(lái)自回轉(zhuǎn)液壓缸。2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。液壓驅(qū)動(dòng)壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜3。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有：異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。2.3 搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1) 用途：用于車間搬運(yùn)2) 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：a) 抓重：20Kg(夾持式手部)；b) 自由度數(shù)：5個(gè)自由度（手爪張合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降5個(gè)運(yùn)動(dòng)）；c) 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；d) 最大工作半徑：1600mm；e) 手臂最大中心高：1248mm；f) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：1200mm；伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉(zhuǎn)范圍：0180；g) 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍：0180。3 機(jī)器人的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 手部設(shè)計(jì)3.1.1 機(jī)器人手部的功能機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同4。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1) 夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2) 吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題：1) 機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2) 機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3) 機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專用性是矛盾的。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。3.1.2 手部設(shè)計(jì)的基本要求1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；根據(jù)任務(wù)要求并考慮到實(shí)際操作中手部的工作方式本次設(shè)計(jì)選擇的手部夾持器為：雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)。3.1.3 選擇手爪的類型及夾緊裝置本次搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手爪夾取重量為20Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部，分為夾持和吸附兩大類。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于夾持平板方料，其理論夾持誤差零4。若采用典型的平移型手指，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常形式夾緊裝置，它靠液壓缸的伸縮作用下實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合。3.1.4 手爪及其液壓缸的設(shè)計(jì)1) 手爪的力學(xué)分析圖 3-1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析示意圖Fig. 3-1 leveraged sliding channel hand structure、stress analysis schemes1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，手指滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)。 由得: 由得: 由 得: （3-1）式中: a-手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（mm)；-工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，角增大，則握力FN也隨之增大，但如果角過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大和手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好取，故本次設(shè)計(jì)選取。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)：抓取的重物為20Kg鋼與鋼之間的靜摩擦因數(shù)取為：=0.15即: 取=700N a=35mm b=50mm故： =1500N2) 夾緊力和驅(qū)動(dòng)力及液壓缸的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： （3-2）式中：安全系數(shù)，通常1.22.0；工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦?其中a為重力方向的最大上升加速度； F理論驅(qū)動(dòng)力（N）。 表3-1液壓缸的工作壓力Tab 3-1 the hydraulic cylinder pressure of work作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力/Mpa 作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力/Mpa小于5000 0.81 2000030000 2.04.0500010000 1.52.0n 3000050000 4.05.01000020000 2.53.0 >50000 5.08.0表3-2 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） Tab 3-2 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 8590 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250計(jì)算：a) 取a=35mm，b=50mm，機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力FN和驅(qū)動(dòng)力F和驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。取 根據(jù)公式，將已知條件帶入： b）取 c) 確定液壓缸的直徑D： (3-3)選取活塞桿直徑d=0.5D，根據(jù)表3-1選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa， 根據(jù)表3-2（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=80mm。對(duì)于無(wú)速比要求的雙作用液壓缸，可按下式初步定活塞桿直徑 則 3.2 腕部設(shè)計(jì)3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能5。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。3）必須考慮工作條件對(duì)于本次設(shè)計(jì)，搬運(yùn)機(jī)器人的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)質(zhì)量為20Kg的物體，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的腕部沒有太多不利因素。3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)的選擇1)典型的腕部結(jié)構(gòu) a) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用,回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于270）。b) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部6。c) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。d) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。2) 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。3.2.3 腕部及其液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)：夾取工件重量20Kg；回轉(zhuǎn)。1) 腕部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算圖3-2腕部支撐反力計(jì)算示意圖Fig. 3-2 the wrist support counterforce calculation schemes腕部回轉(zhuǎn)時(shí)要克服的阻力：a) 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： (3-4)其中為軸承摩擦系數(shù)取=0.1b) 克服由于工件重心偏置所需的力矩：(這里假定為0) （3-5）c) 克服啟動(dòng)慣性所需的力矩： （3-6）假設(shè)給定的工件是一直徑D=70mm，長(zhǎng)度L=660mm，重量G=200N的棒料。按照任務(wù)書要求實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)180，現(xiàn)計(jì)算腕部所需的驅(qū)動(dòng)力矩如下：a）手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)200mm，直徑100mm，其重力估算如下： b）摩擦力矩： c) 啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ，啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間，一般取0.05-0.3s，此處取0.12s，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 (3-7)查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：代入： 2) 腕部驅(qū)動(dòng)液壓缸的計(jì)算表3-3 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）Tab 3-3 hydraulic cylinder of inner series (JB826-66) （mm）20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 8590 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250設(shè)定腕部的部分尺寸：為減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)，選用：根據(jù)表3-3設(shè)缸體內(nèi)徑R=50mm，考慮到實(shí)際裝配問(wèn)題后，動(dòng)片寬度b=40mm，輸出軸r=30mm.基本尺寸示如圖3-3所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：，選擇3.5Mpa圖3-3腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3-3 wrist hydraulic cylinder profile section structure schematic drawing3.3 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。3.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求：1) 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化7。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：a) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；c) 合理布置作用力的位置和方向；d) 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；e) 提高配合精度。2) 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000-1500mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個(gè)途徑：a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料；b) 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸；c) 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作；d) 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。3) 手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。4) 位置精度要求高一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。5) 設(shè)計(jì)合理合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀?？偨Y(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問(wèn)題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。3.3.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1) 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：a) 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；b) 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c) 雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d) 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2) 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過(guò)以上，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇液壓缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng)，水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸。3.3.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算首先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所要克服的摩擦力和慣性力等幾個(gè)方面的阻力進(jìn)行確定。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式可表示為： (3-8)1) 手臂摩擦力的分析與計(jì)算摩擦力的計(jì)算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖3-4機(jī)械手臂部受力示意圖Fig. 3-4 the mechanical arm department stress schemes計(jì)算如下：得 得 (3-9)式中 -參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）；L-手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計(jì)算；a-導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）；-當(dāng)量摩擦系數(shù);選?。?，G=500N，L=1.49-0.28=1.21m，導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.16m。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算：2) 手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是V=83mm/s；假定：在計(jì)算慣性力的時(shí)候，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間(一般為0.01-0.5)，啟動(dòng)速度； (3-10) 經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 3.3.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=2630.45N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa。確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖3-5所示圖3-5雙作用液壓缸示意圖Fig. 3-5 dual action hydraulic cylinder schemes當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： （3-11）其中：為機(jī)械效率，d=0.5D故有： (3-12)F=2630.45N，選擇機(jī)械效率。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：根據(jù)表3-3（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=70mm。液壓缸外徑的設(shè)計(jì)：根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為80mm?；钊麠U的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。 則可選取活塞桿直徑為35mm系列。3.4 機(jī)身設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。3.4.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種8：1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。2) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。3) 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。分析：經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。具體結(jié)構(gòu)見圖3-6。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)。圖3-6回轉(zhuǎn)缸位于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3-6 rotary cylinder is located in the fuselage structure under lifting cylinder diagram3.4.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算1）回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡： (3-13)慣性力矩的計(jì)算： (3-14)式中：回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量，在起動(dòng)過(guò)程中=；t起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s)；手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則： (3-15)式中： 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 (3-16)回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1500mm，直徑為80mm的圓柱體，質(zhì)量為150Kg設(shè)置起動(dòng)角度=180，則起動(dòng)角速度=0.314，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s，。 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下。經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算 。2）回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強(qiáng)為8Mpa。d為輸出軸的直徑，設(shè)d=50mm，則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過(guò)下列計(jì)算： (3-17)即設(shè)計(jì)液壓缸的內(nèi)徑為110mm，再經(jīng)過(guò)配合等條件的考慮。最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖3-7所示，內(nèi)徑為125mm，外徑為180mm，輸出軸徑為50mm。圖3-7回轉(zhuǎn)缸的截面圖Fig. 3-7 rotary cylinder section graph3.4.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算1) 手臂偏重力矩的計(jì)算圖 3-8手臂各部件重心位置圖Fig. 3-8 arm parts focus locationsa) 零件重量等現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算：和總共約為22Kgb) 計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。 (3-18)所以，回轉(zhuǎn)半徑。c) 計(jì)算偏重力矩 (3-19)2) 升降不自鎖條件分析計(jì)算手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而立柱導(dǎo)套有防止這種趨勢(shì)；由力的平衡條件有： (3-20)即： 所謂的不自鎖條件為：即： 取f=0.16則： (3-21)當(dāng)時(shí)，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于449.12mm，取h=500mm。3) 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 (3-22)式中：-摩擦阻力，參考圖3-8 (3-23)G-零件及工件所受的總重。a）的計(jì)算設(shè)定速度為V=67；起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差t=0.02s；近似估算為250Kg；將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：b）的計(jì)算當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)： 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)： 3.4.4 升降液壓缸尺寸確定由公式（3-11）得可得升降缸內(nèi)徑D由表3-1得p=1.5MPa，d=0.5D根據(jù)表3-3，D=85mm對(duì)于無(wú)速比要求的雙作用液壓缸，可按下式初步定活塞桿直徑9則 取d=45mm3.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5.1 確定工作狀況及主要參數(shù)由上面的計(jì)算已經(jīng)得出負(fù)載狀況如表3-4表3-4工工作階段負(fù)載Tab 3-4 work load value phase工況 負(fù)載值 F/N（M/N.m） 推力F/N(M/N.m)手部夾緊 3176 3528.9手腕轉(zhuǎn)動(dòng) 10.9 12.1臂部伸縮 2630.45 2922.7機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng) 576.8 640.9機(jī)身升降 5488.188 6097.99液壓缸機(jī)械效率根據(jù)執(zhí)行原件負(fù)載（F或M）及速度（v或）的值，可以確定執(zhí)行原件的有效功率N的數(shù)值，即 (3-24)有效的系統(tǒng)輸入功率N為 (3-25) 式中p、 Q為系統(tǒng)的壓力和流量根據(jù)公式(3-24) 、(3-25)可得出各個(gè)狀態(tài)的流量和功率根據(jù)上述液壓缸直徑及流量計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步估算液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率值，如表3-5所示。表3-5 工作階段的壓力、流量和功率值Tab 3-5 working stages pressure、 flow and power value工況 壓力 /MPa 流量 /（L /min） 功率/kW手部夾緊 1 15 0.25手腕轉(zhuǎn)動(dòng) 3.5 0.5 0.03臂部伸縮 1 14.4 0.24機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng) 8 1.5 0.2機(jī)身升降 1.5 16.4 0.413.5.2 液壓元件的選擇1) 泵的最大工作壓力根據(jù)液壓泵的最大工作壓力計(jì)算方法，液壓泵的最大工作壓力可表示為液壓缸最大工作壓力與液壓泵到液壓缸之間壓力損失之和11。選取進(jìn)油路上的總壓力損失為0.5MPa則泵的最高工作壓力可估算為P=8+0.5=8.5MPa。2）泵的選擇在整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中，液壓油源應(yīng)向液壓缸提供的最大流量出現(xiàn)在機(jī)身升降工作階段，為16.4L/min，若整個(gè)回路中總的泄漏量按液壓缸輸入流量的10%計(jì)算12，則液壓油源所需提供的總流量為：據(jù)據(jù)以上液壓油源最大工作壓力和總流量的計(jì)算數(shù)值，上網(wǎng)或查閱有關(guān)樣本，最終確定選取YB定量葉片泵。3）電機(jī)選擇由于液壓缸在機(jī)身升降時(shí)功率最大，壓力為1.5MPa，流量為16.4L/min，根據(jù)次數(shù)值查閱電機(jī)廠品目錄，最終選定Y802-44）油箱油箱容積按式（3-26）估算， （3-26）V為有效容積，是與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值，取7，液壓泵額定流量。按GB2876-81規(guī)定，取靠近的標(biāo)準(zhǔn)值圖 3-9液壓原理圖Fig. 3-9 hydraulic principle diagram 1機(jī)身升降缸、2手部液壓缸、3機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)缸、4手腕轉(zhuǎn)動(dòng)缸、5臂部液壓缸3.5.3 系統(tǒng)性能驗(yàn)算液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在工作時(shí)，有壓力損失、容積損失和機(jī)械損失，這些損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高，導(dǎo)致油的粘度下降、油液變質(zhì)、機(jī)器零件變形等，影響正常工作13。為此，必須控制溫升T在允許的范圍內(nèi)，如一般機(jī)床DT = 25 30 ；數(shù)控機(jī)床DT 25 ；粗加工機(jī)械、工程機(jī)械和機(jī)車車輛DT= 35 40 。液壓系統(tǒng)的功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱，單位時(shí)間的發(fā)熱量f（kW）可表示為 （3-27）式中 系統(tǒng)的輸入功率（即泵的輸入功率）（kW）； 系統(tǒng)的輸出功率（即液壓缸的輸出功率）（kW）。輸出功率為各部分功率和輸入功率為 油箱散熱面積為油液升溫 （3-28），則溫升沒超出允許范圍，液壓系統(tǒng)不需設(shè)置冷卻器。4 控制系統(tǒng)4.1 PLC的主要特點(diǎn)1) 高可靠性a) 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。b) 各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。c) 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。d) 對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。e) 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。f) 大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。2) 豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖