機電一體化畢業(yè)設計（論文）-三自由度工業(yè)機器人的設計.doc

山東大學機電一體化工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文）工業(yè)機器人摘 要 本文是關于三自由度工業(yè)機器人的設計。首先對工業(yè)機器人做了簡單的概述；接著根據(jù)要求擬定了整體的設計方案，然后對主要的零部件結(jié)構(gòu)和尺寸進行了設計，其中重點對手爪、小臂、立柱及底座的結(jié)構(gòu)和采用的驅(qū)動方式進行了設計(手爪和小臂采用組合式液壓缸完成了左右伸縮運動，立柱采用柱塞式液壓缸完成了上下垂直運動，底座采用擺動液壓缸完成了旋轉(zhuǎn)運動)，最后簡單設計了液壓泵、電機的選擇和機器人的控制。工業(yè)機器人在工作中不僅提高了工作效率，而且能大大減少人為所造成的成本浪費，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)的面貌。 關鍵詞：工業(yè)機器人，三自由度，液壓缸industrial robot designabstractthis text is concerning the industrial robot of three freedom degrees of design.did to in brief and all say to the industrial robot first;immediately after according to request to draft an overall design project, then carried on a design to the main parts structure and the size, among them, the point designed hand claw, small arm and sign the drive of structure and adoption of pillar and base method(hand claw and small arm adopted a sectional liquid to press an urn to complete or so flexible sport and signed the pillar adoption pillar fill type a liquid to press an urn to complete top and bottom perpendicular sport, base adoption swing the liquid pressed an urn of completion to revolve sport) and at last in brief designed the control that the liquid press the choice of pump, electrical engineering and robot.the industrial robot not only raised a work efficiency, but also can consumedly reduce the cost waste result in by factitiousness in the work and it was starting change a modern industrial feature.key words: industrial robot, three freedom degree, the liquid presses an urn6目錄前 言1第1章 概述31.1 機器人概述31.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀51.3 機器人發(fā)展趨勢7第2章 工業(yè)機器人的總體設計92.1 工業(yè)機器人總體方案擬定92.2 驅(qū)動方式的選擇9第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計123.1 手部的設計123.1.1 手爪的設計123.1.2 手部螺栓的選擇143.2 小臂的結(jié)構(gòu)與設計153.2.1 小臂的結(jié)構(gòu)153.2.2 伸縮液壓缸的設計163.3 立柱的結(jié)構(gòu)與設計183.3.1 立柱的結(jié)構(gòu)183.3.2 柱塞式液壓缸的設計183.4 底座回轉(zhuǎn)臺的設計203.5 擺動液壓缸的設計223.6 液壓泵、電機的選擇22結(jié)論25謝 辭26參考文獻27前 言隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，自動化控制系統(tǒng)有著廣泛的應用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工，大大降低了勞動力，并且大大增加了工作效率和降低了產(chǎn)品的成本，對現(xiàn)代社會發(fā)展起到非常重要的作用，但現(xiàn)在的工業(yè)機器人只是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。還有它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（cim）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eprom中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。由于種種原因，我國的工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。國內(nèi)通過“七五”機器人技術攻關，已具備了生產(chǎn)國產(chǎn)機器人的基礎，但國產(chǎn)機器人無論在技術上，還是可靠性上，都與國外機器人差相當一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開放型的自主科研道路。本設計根據(jù)所需的要求和實踐理論分析，設計了整個系統(tǒng)由液壓驅(qū)動的三自由度機器人，使工件經(jīng)一條流水線運送至指定位置，機械手在規(guī)定時間內(nèi)把工件沿指定路線搬運到另一條流水線上，再由這條流水線將工件運走。 第1章 概述1.1 機器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。“工業(yè)機器人”（industrial robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“mechanical hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。圖1-1 機器人的一般組成機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀機器人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器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機器人正在加緊研制。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，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。第三代機器人（機器人）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fmc(flexible manufacturing cell) 中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議isir決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（cim）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eprom中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出sam新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“versatran”和“unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“versatran”,川崎重工公司引進“unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。1.3 機器人發(fā)展趨勢國內(nèi)各行各業(yè)對機器人的需求將越來越多，國內(nèi)市場將穩(wěn)步增長，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，我國機器人近幾年發(fā)展的形式將會怎樣呢？根據(jù)我們的分析將會呈現(xiàn)如下幾個特點：1從國際市場來看，機器人工業(yè)是一種高投入低贏利的產(chǎn)業(yè)，市場競爭極為激烈，機器人工業(yè)必須上一定規(guī)模才有利潤可言，才有必需的開發(fā)投入，才能走上良性循環(huán)的發(fā)展道路。世界上機器人產(chǎn)量最大的三家公司年產(chǎn)機器人數(shù)均超千臺以上，其中abb公司達到9000臺，安川電機公司近2500臺，kuka公司近2000臺，從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，大公司、大企業(yè)通過與外國機器人公司合資合作，引進技術和資金，逐步規(guī)?；a(chǎn)機器人，把國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)推向一個新的階段，其中有代表性的，如首鋼集團公司與安川電機公司合資的首鋼莫托曼公司、唐山電子設備廠與松下電器公司合資的唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司、東風汽車公司與德國kuka公司合作、濟南二機床公司與美國isi機器人公司合作等等。這些合資合作的開展，將會有效地推動中國機器人工業(yè)的進步，全面促進中國機器人工業(yè)水平的提高，但是它也會和其他外國機器人公司一樣，沖擊中國機器人市場，影響具有自主開發(fā)能力的中國機器人產(chǎn)業(yè)的形成，也會使國內(nèi)其他的機器人生產(chǎn)廠家面臨一種嚴峻的挑戰(zhàn)。2由注重機器人單機開發(fā)過渡到成套開發(fā)機器人應用系統(tǒng)生產(chǎn)機器人多的大型公司，可以憑借規(guī)模優(yōu)勢，占據(jù)較大的市場份額，形成規(guī)模效益，而一些中小公司要想在激烈的市場競爭中求得生存，必須具有自己的特色。國外許多中小公司把自己的市場定位在機器人系統(tǒng)集成或某些有特長領域，從而形成自己的局部優(yōu)勢，在市場中求得生存和發(fā)展，如奧地利igm公司以向用戶提供大型機器人焊接系統(tǒng)著稱，機器人在系統(tǒng)中只占售價的1/3左右，賣單臺機器人贏利甚微，而賣機器人系統(tǒng)卻贏利可觀。意大利comau公司以承接壓機生產(chǎn)線見長，在這里，機器人系統(tǒng)是促銷售的關鍵。我國國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家規(guī)模大都較小，甚至談不上規(guī)模，而國內(nèi)一般企業(yè)又沒有能力將機器人有效地集成到生產(chǎn)系統(tǒng)中去，因此，那些進行系統(tǒng)集成并向用戶提供一條龍服務的公司，在機器人市場中將有較強的競爭力。國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家中北京機械工業(yè)自動化研究所，以承接涂裝自動化生產(chǎn)線見長，累計產(chǎn)值近2000萬元，中國科學院沈陽自動化研究所承接焊接生產(chǎn)線，累計產(chǎn)值近5000萬元，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所的機器人碼垛生產(chǎn)線正在產(chǎn)業(yè)化，累計產(chǎn)值超千萬元。3機器人開發(fā)走開放型科研之路國內(nèi)通過“七五”機器人技術攻關，已具備了生產(chǎn)國產(chǎn)機器人的基礎，但國產(chǎn)機器人無論在技術上，還是可靠性上，都與國外機器人差相當一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開放型的自主科研道路。1）多方籌措開發(fā)資金，通過政府部門投資、用戶單位投資、自我積累、外商投資、銀行貸款等形式，籌措國產(chǎn)機器人的開發(fā)資金。2）消化和利用國外機器人技術、資料、樣機和關鍵元器件，為我所用。3）選擇引進國外質(zhì)量可靠的機器人零部件和元器件。4）大力開展國內(nèi)合作，利用國內(nèi)技術優(yōu)勢，開發(fā)具有中國技術特色的國產(chǎn)機器人產(chǎn)品。5）注意機器人產(chǎn)品的高可靠性，使國產(chǎn)機器人的可靠性與國外機器人具有可比性，同時要做到低成本、易操作。山東大學機電一體化工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文）第2章 工業(yè)機器人的總體設計 2.1 工業(yè)機器人總體方案擬定本設計為三自由度工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作，以實現(xiàn)自動化，減少人工勞動量,本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結(jié)。如2-1圖所示其為兩傳送帶上的工件搬運：工件經(jīng)流水線1運送至指定位置，機械手在規(guī)定時間內(nèi)把工件沿弧線3搬運到流水線2上，再有流水線2將工件運走。圖2-1 工件搬運圖2.2 驅(qū)動方式的選擇機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表2-1表2-1三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140pa大，壓力范圍為4860較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除dd電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kpa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無續(xù)表2-1三種驅(qū)動方式的特點對照在工業(yè)機器人中應用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如ac伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復雜機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4）安全可靠；5）操作和維護方便；6）對環(huán)境無污染，噪聲要??；7）經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。經(jīng)上述分析此工業(yè)機器人采用液壓驅(qū)動的方式。其中，機座采用擺動液壓缸同完成驅(qū)動旋轉(zhuǎn)動作，小臂及手爪采用伸縮組合液壓缸完成動作，大臂采用柱塞式液壓缸完成升降動作。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設計3.1 手部的設計3.1.1 手爪的設計（一）、最大夾緊力計算查表知鋼和鋼之間的摩擦系數(shù)為物重 （3-1）最大夾緊力f由公式得， （3-2）=100/0.15666.7n手指加緊力計算 （3-3） 其中：k1為安全系數(shù)，1.2-2，；k2為工作情況系數(shù)，可按k2=1.1-2.5，或估算（a為機械手在搬運工件過程的機速度）；k3位方位系數(shù)，即當手爪處在不同位置夾取工件，不同放置位置時的系數(shù)，按1.5計算；g為被抓取工件的重量。 (二)、受力分析圖3-1 受力分析圖 如3-1圖，在活塞桿推力作用下，由于為水平方向力，可算出活塞桿推力f（三）、手部夾緊v型塊結(jié)構(gòu)及尺寸圖3-2 v型塊結(jié)構(gòu)圖如圖3-2其中塊與支座端用m10螺栓連接。塊與手部活塞通過兩個m6螺栓及連接塊連接。根據(jù)所夾取工件的大小取兩v型塊張開角度均為120度。（四）結(jié)構(gòu)設計及強度計算圖3-2中2所示指座在工作中用來定位并承受v型塊及自身重力和活塞的推力，因此其強度必須滿足工況需要。利用抗彎強度校核計算指座系數(shù), （3-4）而 選取材料 q235，其抗彎強度 ，則對于矩形截面來說 （3-5）取指座厚度為，寬度為，即能完全能夠滿足工況要求。從而得手抓的具體形狀如圖3-3所示。圖3-3 手爪結(jié)構(gòu)圖1指端部螺栓 2指架 3連接螺栓 4活塞桿 5連接塊3.1.2 手部螺栓的選擇經(jīng)計算型塊固定處螺栓受切應力最大為 選擇材料q235， 4.6級螺栓，查表得其抗剪強度為48mpa根據(jù)螺栓抗剪強度計算螺栓直徑 圓整為 由于塊自身重力不大，圓整后根據(jù)配合要求取m10 x 40的螺栓即可完全滿足使用要求。塊處兩螺栓主要用于連接活塞與塊，并受到所夾取的工件因重力而產(chǎn)生的剪應力。經(jīng)計算塊固定處螺栓受切應力最大為 f=150n選擇材料q235， 4.6級螺栓，查表得其抗剪強度為20根據(jù)螺栓抗剪強度計算螺栓直徑 圓整為 根據(jù)配合要求取m6 x 30的螺栓即完全滿足。3.2 小臂的結(jié)構(gòu)與設計3.2.1 小臂的結(jié)構(gòu)小臂采用液壓驅(qū)動，可水平伸縮距離400，移動速度約0.2。在此設計中與手抓共同采用伸縮套筒組合液壓缸驅(qū)動。如圖3-4所示：圖3-4 組合液壓缸該伸縮缸是兩級夾緊液壓缸，其中小臂2的活塞就是手抓夾緊缸1的缸筒。伸縮缸逐個伸出時，有效工作面積逐漸減小，當輸入流量相同時，外伸速度逐漸增大；當負載恒定時液壓缸的工作壓力逐次增高?？蛰d縮回的順序是從手抓夾緊缸1缸到小臂缸2缸，收縮后液壓缸總長度較短，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于安裝空間受到限制而要求很長的場合。在此用做兩傳送帶上的圓柱型工件搬運工作非常合適。3.2.2 伸縮液壓缸的設計根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來確定活塞桿的直徑經(jīng)分析液壓缸的最大工作力為f = 666.7n由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅(qū)動液壓缸的活塞桿選用材料45鋼 查表得，由 (3-6)取 得 又得 活塞桿穩(wěn)定校核歐拉公式 （3-7）由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取 查表得 ht-15的彈性模量 取 又 （3-8）為了更安全，取 =7 得 （3-9）而得根據(jù)gb/t-2348-1993圓整得 液壓缸參數(shù)確定由 得缸內(nèi)徑 根據(jù)gb/t-2348-1993圓整得由得活塞寬度導向套長端蓋厚度外徑根據(jù)gb/t-2348-1993 選取由伸縮套筒液壓缸特點知此液壓缸外缸徑即為小臂外缸的活塞桿.根據(jù)此特點來設計外缸尺寸如下:在考慮尺寸配合上內(nèi)徑取即手抓外缸徑上活塞直徑為根據(jù)伸縮套筒液壓缸構(gòu)造特點外缸端蓋厚度取3.3 立柱的結(jié)構(gòu)與設計3.3.1 立柱的結(jié)構(gòu)根據(jù)所設計機器人特點,立柱大臂須帶動橫梁上所有部件及工件升降.因此,考慮到精簡機器人元件,減低成本,將活塞桿端部直接與橫梁托板連接起來,這樣既減少了使用元件,又減輕了總體重量、節(jié)約了成本,同時也減小了立柱活塞桿所承受的壓力.由于其需要較大的活塞桿來完成這一動作,綜合比較各種液壓缸特點,在此選用柱塞式液壓缸.3.3.2 柱塞式液壓缸的設計根據(jù)設計的橫梁各部分形式通過計算,得出活塞桿工作時所承受的總壓力為 由于工作時有液壓油及慣性力的存在，故取f時要大些。根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來確定活塞桿長度要求初算活塞桿直徑經(jīng)分析液壓缸的最大工作力取由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅(qū)動液壓缸的活塞桿選用材料45號鋼 查表得 ，由式（3-6） 取 得又 得活塞桿穩(wěn)定校核 歐拉公式 由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取 查表得 ht-15的彈性模量 取 又式（3-8）為了更安全，取 得而 得根據(jù)gb/t-2348-1993圓整得 液壓缸參數(shù)確定由得缸內(nèi)徑根據(jù)gb/t-2348-1993圓整得由得活塞桿密封圈外徑為導向套長上端蓋厚度3.4 底座回轉(zhuǎn)臺的設計1.計算轉(zhuǎn)動慣量將橫梁等效成74700的均勻直桿，估算出其總質(zhì)量為（包括工作時的夾持的工件）其轉(zhuǎn)動慣量為 （3-10） 由于其形心距立柱有效距離為 由平行軸定理得出橫梁相對立柱形心的轉(zhuǎn)動慣量 （3-11） 將立柱視為901200的均勻圓柱，估算其質(zhì)量則其轉(zhuǎn)動慣量為 （3-12） 則底座托盤以上整體的轉(zhuǎn)動慣量為 2.起動轉(zhuǎn)矩計算（一）、立柱角速度計算若要求立柱在0.1秒內(nèi)速度由0增大到15r/min，則 （3-13）角速度= 0.5/0.1= (二)、起動轉(zhuǎn)矩 （3-14）3.最小軸徑計算與鍵校核（一）、最小軸徑計算根據(jù)軸的抗扭強度計算最小軸徑,選擇材料45號鋼，查表得其抗扭強度由于 （3-15）又截面系數(shù) （3-16）所以 又軸有一個鍵槽就削弱抗扭強度3%，故 圓整得 3.5 擺動液壓缸的設計（一）.外徑計算此液壓馬達是用于驅(qū)動立柱往復回轉(zhuǎn)180的機構(gòu)，由公式 （3-17）取馬達容積高軸徑工作壓力背壓工作效率 則取 （二）.葉片設計葉片設計如下圖，帶鍵槽的通孔套在底座托盤軸徑為38的軸上，與之配合。葉片厚度為10mm。（三）.緊固及連接方案上下缸蓋與缸筒之間采用毛氈密封，并用8個m8的螺釘緊固；至于缸體與底座的連接，用8個m10的螺栓連接，為防止兩組螺栓孔削弱缸體上端蓋的強度，特將兩組螺栓孔錯開45。3.6 液壓泵、電機的選擇(一).流量計算、手爪驅(qū)動缸流量計算若要求手爪在1秒內(nèi)抓取并夾緊工件，則手爪運動速度 則手爪驅(qū)動缸的流量 /4 （3-18） (二)、橫梁驅(qū)動缸的流量計算 (三)、立柱液壓缸的流量計算 (四)、底盤液壓缸流量計算= 則總流量為 (二).選擇液壓泵為實現(xiàn)用一個液壓泵給這幾個液壓缸供油，需要選擇一個大流量的液壓泵，根據(jù)液壓泵產(chǎn)品列表選擇cb-32型液壓泵，其相關參數(shù)為額定排量 32.1 ml/r 額定轉(zhuǎn)速 1500 r/min額定壓力 10 mpa額定功率 9.8 kw質(zhì)量 6.4 kg算得其額定流量 滿足此液壓系統(tǒng)流量要求。(三).選擇電機根據(jù)液壓泵功率選擇合適的電機，查電機產(chǎn)品列表選擇y160m-4 型電機，其相關參數(shù)如下：額定功率 11 kw滿載轉(zhuǎn)速 1460 r/min額定電壓 380 v機械效率 88%22 結(jié)論本次設計所做的主要工作有：1總體方案的確定