自動(dòng)上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

佳木斯大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）學(xué)術(shù)誠信承諾本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得佳木斯大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。簽名：_ 日期：_關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解佳木斯大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。簽名：_ 導(dǎo)師簽名：_ 日期：_第 V 頁摘 要現(xiàn)如今機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展迅速，企業(yè)非常注重生產(chǎn)的自動(dòng)化技術(shù)，憑借自動(dòng)化生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量，工業(yè)機(jī)械手在自動(dòng)化生產(chǎn)線中充當(dāng)著重要的組成部分，代替了工人在高溫，污染等惡劣環(huán)境里完成繁重的工作，并能在長時(shí)間作業(yè)的情況下保證產(chǎn)品質(zhì)量。自動(dòng)上料機(jī)械手替代人工上料，減少了人工的工作危險(xiǎn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，長時(shí)間高效率重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)上料機(jī)械手。（1）本文設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的手部、腕部、小臂、大臂和底座的結(jié)構(gòu)，對(duì)各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，利用繪圖軟件繪制運(yùn)動(dòng)原理圖。（2）機(jī)械手的控制系統(tǒng)，傳動(dòng)方式，包括液壓系統(tǒng)的擬定，液壓元件的選擇，保證加工過程中的平穩(wěn)性與加工精度，實(shí)現(xiàn)安全準(zhǔn)確抓取工件。（3）本文運(yùn)用Solid Works軟件進(jìn)行三維建模和虛擬裝配以及仿真分析的運(yùn)動(dòng)情況，通過運(yùn)動(dòng)仿真確定整機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與安全性，最終達(dá)到高效、安全、簡單實(shí)用的目的。關(guān)鍵詞：上下料；機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；三維建模；仿真AbstractNow the rapid development of machinery manufacturing industry, enterprises are very focused on the production of automation technology, by virtue of automated production to improve production efficiency and ensure product quality, industrial robots in the automated production line as an important component, instead of workers in high temperature, pollution Harsh environment to complete the heavy work, and in the case of long-term operation to ensure product quality. Automatic loading robot instead of manual feeding, reducing the risk of manualwork to ensure product quality, long and efficient operation of repeated work.This article will design an automatic feeding robot.(1) This paper will design the structure of the hand, wrist, arm, arm and base of the automatic feeding robot, and analyze the motion of each structural part, and draw the motion schematic diagram with drawing software.(2) This paper will design the control system of the manipulator, transmission mode, including the hydraulic system development, the choice of hydraulic components to ensure the smoothness of the processing process and processing accuracy, to achieve safe and accurate grasp of the work piece.(3) The design uses Solid Works software for three-dimensional modeling and virtual assembly and simulation analysis of the movement, through the motion simulation to determine the rationality and safety of the whole design, and ultimately achieve efficient, safe, simple and practical purpose.Key words: loading and unloading; manipulator; hydraulic system; 3D modeling; simulation目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 上下料機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 上下料機(jī)械手的國外發(fā)展?fàn)顩r21.2.2 上下料機(jī)械手國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r41.3 本文主要研究內(nèi)容6第2章 自動(dòng)上料機(jī)械手方案設(shè)計(jì)82.1 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)82.2 驅(qū)動(dòng)裝置與控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)92.3 自動(dòng)上料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡圖112.4 本章小結(jié)11第3章 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)123.1 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算123.1.1 對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求123.1.2 拉緊裝置原理133.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算153.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求153.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇153.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算163.4 本章小結(jié)18第4章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)194.1 手部抓取液壓缸194.2 腕部擺動(dòng)液壓回路204.3 小臂伸縮缸液壓回路204.4 總體液壓系統(tǒng)圖214.4.1 工作過程224.4.2 確定電機(jī)規(guī)格224.5 本章小結(jié)22第5章 機(jī)身機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)235.1 電機(jī)的選擇235.1.1 驅(qū)動(dòng)臂部做升降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)235.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)身做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)：235.2 減速器的選擇245.3 螺柱的設(shè)計(jì)與校核245.3.1 當(dāng)量應(yīng)力計(jì)算255.3.2 剪切強(qiáng)度計(jì)算255.3.3 彎曲強(qiáng)度計(jì)算255.4 機(jī)械手的控制255.5 本章小結(jié)26第6章 機(jī)械手的定位及穩(wěn)定性分析276.1 常用的定位方式276.2 影響穩(wěn)定性和定位精度的因素276.2.1 定位方式276.2.2 定位速度276.2.3 運(yùn)動(dòng)件的重量286.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置286.4 本章小結(jié)29第7章 三維設(shè)計(jì)307.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)307.2 手部結(jié)構(gòu)317.3 腕部結(jié)構(gòu)317.4 手腕部組合結(jié)構(gòu)327.5 臂部結(jié)構(gòu)327.6 仿真效果337.7 本章小結(jié)34結(jié) 論35致 謝36參考文獻(xiàn)37附 錄 139附 錄 240附 錄 141附 錄 242.不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印第1章 緒論1.1 研究的目的和意義隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展，材料的搬運(yùn)，零部件的移動(dòng)與裝配已經(jīng)普遍成為各個(gè)行業(yè)加工的基本環(huán)節(jié)。用人力上料不僅消耗體力，而且長時(shí)間重復(fù)操作會(huì)降低加工精度，針對(duì)這些問題，以自動(dòng)上料機(jī)械手完成該步驟對(duì)提升制造企業(yè)的加工生產(chǎn)具有重大作用1。它最大程度上降低了勞動(dòng)工作的浪費(fèi)，使得生產(chǎn)高效率，準(zhǔn)確保證加工精度。機(jī)械手研究初期，基本采取的傳動(dòng)方式為機(jī)械傳動(dòng)。其傳動(dòng)系統(tǒng)中包括變速箱、驅(qū)動(dòng)橋等零件部分，這使得機(jī)械手體積大，運(yùn)動(dòng)存在不穩(wěn)定性。與單純的機(jī)械傳動(dòng)相比較，液壓傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)居多，首先體積小，質(zhì)量輕，工人操作簡易，使工人在工作過程中的危險(xiǎn)指數(shù)下降，結(jié)構(gòu)比較簡單，價(jià)格低廉，更加容易維護(hù)與使用。進(jìn)行更高級(jí)的控制操作，提升了人的工作價(jià)值，可在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)確保生產(chǎn)質(zhì)量，也可避免人為的操作失誤2。為了更好的適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求，結(jié)合生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)上料機(jī)械手，作為自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的一部分，參與生產(chǎn)工作，替代人工。工業(yè)4.0的概念現(xiàn)在被普遍傳播，我國發(fā)布了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年），并進(jìn)一步部署中國智造2025戰(zhàn)略，使機(jī)器人研發(fā)制造技術(shù)成為我國目前的重要任務(wù)3。工業(yè)機(jī)器人能夠確保產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力，提升與國際制造業(yè)的競(jìng)爭力，讓產(chǎn)品的技術(shù)水平能夠與國際同水平產(chǎn)品有強(qiáng)大的競(jìng)爭力，在關(guān)鍵技術(shù)與零部件的生產(chǎn)有重大的突破，滿足市場(chǎng)的需求3。工業(yè)機(jī)器人的主要目的在高溫、有毒、易燃等強(qiáng)烈不適宜人們從事生產(chǎn)的環(huán)境下，代替人類進(jìn)行作業(yè)，在保證生產(chǎn)工作的同時(shí)使人類的人身不受傷害。工業(yè)機(jī)器人目前大部分用來替換人類的部分工作，如上下料，搬運(yùn)材料，碼垛，裝配等進(jìn)行輔助生產(chǎn)，普遍應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上4。自動(dòng)上下料機(jī)械手參與工業(yè)生產(chǎn)，在生產(chǎn)加工過程中，加工效率得到提升，定位的準(zhǔn)確性能夠得到保證，加工精度能夠滿足生產(chǎn)要求，滿足與機(jī)床等自動(dòng)化生產(chǎn)線相結(jié)合，使各個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省工件的運(yùn)輸時(shí)間。目前，我國機(jī)械手發(fā)展相對(duì)突出的發(fā)展方向?yàn)镻C機(jī)的控制器，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也不斷緊湊，器件集成的情況相對(duì)明顯，總體設(shè)計(jì)出的構(gòu)架比較靈巧，安全性和可靠性更高。傳感器應(yīng)用于機(jī)械手中將會(huì)使機(jī)械手向更加方便智能的方向發(fā)展。如今在我國技術(shù)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的前提下，機(jī)械行業(yè)應(yīng)用上下料機(jī)械手已成為一種趨勢(shì)，充分發(fā)揮組裝零件，搬運(yùn)裝卸工件，與數(shù)控機(jī)床組合發(fā)揮自動(dòng)化生產(chǎn)，將工業(yè)生產(chǎn)形成一個(gè)有機(jī)的體系1,5。從最初的工業(yè)1.0人們開始進(jìn)入機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的“蒸汽時(shí)代”，工業(yè)2.0的發(fā)展帶領(lǐng)人類步入了具有各種分工的流水線批量生產(chǎn)模式和“氣時(shí)代”，工業(yè)3.0逐漸應(yīng)用電子信息技術(shù)，初步達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)水平，如今工業(yè)4.0時(shí)代，已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)6。全球機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為各個(gè)國家技術(shù)爭奪的制造點(diǎn)，如各國出臺(tái)的相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、日本機(jī)器人新戰(zhàn)略、美國“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”等國家級(jí)政策及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃3。中國現(xiàn)在眾多傳統(tǒng)制造企業(yè)提出了“機(jī)器換人”計(jì)劃，這使得工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到了行業(yè)的認(rèn)可，但是隨著智能水平的提高，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展逐步走向智能化，個(gè)性化的方向，以最快的速度對(duì)市場(chǎng)需求做出反應(yīng)。汽車生產(chǎn)，加工塑料工件，金屬加工生產(chǎn)等制造均采用工業(yè)機(jī)械手，生產(chǎn)線逐漸向模塊化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展 7。1.2 上下料機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 上下料機(jī)械手的國外發(fā)展?fàn)顩r機(jī)械手首先是從美國開始設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。1958年美國聯(lián)合控制公司成功研發(fā)出一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手，在當(dāng)時(shí)國內(nèi)與國外使用的都是具有定位控制功能的機(jī)械手，缺少了“觸覺”和“視覺”反饋功能。當(dāng)前全球各個(gè)國家正積極研究設(shè)計(jì)帶有“觸覺”和“視覺”反饋功能的機(jī)械手，使它能對(duì)所選取的工件實(shí)現(xiàn)辨別，篩選必要的工件，并準(zhǔn)確地夾持工件，進(jìn)而確切地在機(jī)械生產(chǎn)中定位定向8。機(jī)械手固然還不比人手那樣靈便，但它具備能不截重復(fù)工作，不知?jiǎng)诶?，抓起托舉重物的力氣比人手力大的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得人們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中解放出來，從事更高級(jí)的控制操作。正因如此，機(jī)械手已受到眾多有關(guān)部門的高度重視，并普遍地得到了應(yīng)用7。關(guān)于機(jī)械手的研究與設(shè)計(jì)正在飛速進(jìn)行這，難度也逐漸增長。如瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Tchnology、American Robot、S-T Robotics。機(jī)器人已經(jīng)成為了一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景在全球范圍內(nèi)具有良好的勢(shì)頭。在發(fā)達(dá)國家中，工程中的機(jī)械工程機(jī)械、汽車內(nèi)部電子、電器制造行業(yè)都逐漸開始大規(guī)模運(yùn)用機(jī)器人組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)效率，減少員工人身傷害9。如今機(jī)器人使用頻率相對(duì)較高的國家是韓國，平均能夠達(dá)到每萬人69個(gè)機(jī)器人的使用量；中國能夠達(dá)到每萬人49個(gè)，使用密度有很大的上升空間10。據(jù)2016 年上半年，牛津經(jīng)濟(jì)研究院 (Oxford Economics) 的研究結(jié)果表名，中國的每人次勞動(dòng)力成本只比美國低 4%；日本勞動(dòng)力成本為中國的 70% 至 80%；印度的單位勞動(dòng)力資本僅為中國的30% 多。中國的勞動(dòng)力成本的增加已經(jīng)大大超出生產(chǎn)效率的增加；2003 年至2016 年，美國機(jī)械制造行業(yè)所產(chǎn)生的單位勞動(dòng)力生產(chǎn)率已經(jīng)增長了40%，即便同期中國機(jī)械制造行業(yè)業(yè)中單位勞動(dòng)力生產(chǎn)率也增長近乎翻倍，但是美國仍比中國高出80%3。 圖1-1FANUCRobotM-200iA 圖1-2使用M-200iA進(jìn)行車身搬運(yùn)FANUC是日本的一個(gè)專注研究數(shù)控系統(tǒng)的公司，是全球目前較大的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)制造廠家，F(xiàn)ANUC機(jī)器人產(chǎn)品系列至多能夠達(dá)到240種，承載重量范圍從0.5公斤到1.35噸不等，是全球第一個(gè)打破20萬臺(tái)機(jī)器人的公司。廣泛應(yīng)用在裝配零部件、搬運(yùn)工件材料、焊接工作、鑄造工藝等各個(gè)不同的生產(chǎn)階段。如圖1-1所示。FANUC Robot M-200iA型號(hào)的重物搬運(yùn)機(jī)器人，根據(jù)選用不同的生產(chǎn)要求有兩種機(jī)型可供選擇，F(xiàn)ANUC Robot M-200iA/1200，是最大可搬運(yùn)重量為1350kg的重負(fù)載型機(jī)器人。以前需要兩個(gè)機(jī)器人共同協(xié)作完成搬運(yùn)1噸的重物，如今只需要一臺(tái)就可以完成搬運(yùn)動(dòng)作。FANUC Robot M-200iA/900L，使最大可搬運(yùn)重量為900kg，手臂可達(dá)半徑為4.7m的長臂型。上下可動(dòng)的范圍能夠達(dá)到6.2m，可用機(jī)械手臂來代替汽車生產(chǎn)工廠內(nèi)的專業(yè)升降裝置進(jìn)行車身搬運(yùn)的作業(yè)，如圖1-2所示。其手臂防塵與防水方面具備等同于IP67標(biāo)準(zhǔn)的耐環(huán)境性，使得即便使在嚴(yán)重污染的情況下也能夠正常運(yùn)作放心使用，并且機(jī)械手臂還引用了最新的R-30iA控制裝置，控制系統(tǒng)方便操作，智能化，可使用最新的機(jī)器人控制功能11。圖1-3 KUKA KR 1000 titan庫卡是德國奧格斯堡的一家工程技術(shù)服務(wù)與自動(dòng)化器械生產(chǎn)的機(jī)器人公司，也是全球頂級(jí)的工業(yè)機(jī)器人制造商。所涉及領(lǐng)域包括汽車制造、航空航天、軌道交通、一般工業(yè)領(lǐng)域等。自動(dòng)化設(shè)備相對(duì)成熟，已經(jīng)被全球眾多豪華汽車品牌組裝自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)線12。如圖1-3所示。KUKA KR 1000 titan是重載型六臂機(jī)器人，可以安全、精確的從6.5米遠(yuǎn)處移動(dòng)最重的部件和組件，具有開放式的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。高動(dòng)態(tài)性，能夠保證在準(zhǔn)確安全搬運(yùn)部件的同時(shí)確保速度快，加速度靈活，節(jié)拍時(shí)間最佳；巨大的生產(chǎn)力，機(jī)器人精度高可提高生成質(zhì)量，降低加工成本，干擾輪廓減少，增大了可有效使用的工作空間；靈活性好，作為卸碼垛機(jī)器人或與線性軸結(jié)合使用，可增加回旋余地，不需要調(diào)整地基就能方便地集成到設(shè)備和系統(tǒng)中13。1.2.2 上下料機(jī)械手國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r目前我國工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，發(fā)展非常迅速。根據(jù)有效的數(shù)據(jù)表明，2015年我國工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)銷售市場(chǎng)上，銷售量高達(dá)6.8萬臺(tái)，已經(jīng)超越歐美銷售市場(chǎng)，持續(xù)三年在全球的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)中保持領(lǐng)先地位。依據(jù)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)表明，2016年中國生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人上半年共銷售出19257臺(tái)，相比較上年可比口徑計(jì)算增加了37.7%，增長速度比上年同期增速了近10.2個(gè)百分點(diǎn)。從應(yīng)用的范疇來看，2016年上半年與上年的應(yīng)用范圍基本相同，分布均勻。其中一個(gè)新亮點(diǎn)就是作業(yè)于金屬等材料的鑄造領(lǐng)域的上下料與搬運(yùn)機(jī)器人，在眾多的鑄造企業(yè)中上下料工作相對(duì)辛苦，作業(yè)環(huán)境比較惡劣，應(yīng)用機(jī)器人代替可加快生產(chǎn)，市場(chǎng)上對(duì)這方面的需求不斷增多3。圖1-4 RB系列搬運(yùn)機(jī)器人國內(nèi)在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)方面，如圖1-4所示。廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研發(fā)了自助知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RB系列搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人，作用范圍主要是自動(dòng)化生產(chǎn)線沖壓工藝，機(jī)床加工上下搬運(yùn)物料，重型器件的搬運(yùn)工作。產(chǎn)品特點(diǎn)：高精度：定位精度能偶達(dá)到0.05mm，長時(shí)間高強(qiáng)度工作，定位精度不會(huì)受到影響；高性能：采取國內(nèi)目前最高端的GSK-RC控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠辨別實(shí)際載荷，并且優(yōu)化加速與減速，減少了操作控制的周期時(shí)間；憑借著內(nèi)部設(shè)置的服務(wù)信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)情況與載荷承受情況；連續(xù)使用的時(shí)間更長；運(yùn)動(dòng)控制功能和碰撞監(jiān)測(cè)功能避免工件和工具的損壞風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的安全性；工作空間大：運(yùn)用多關(guān)節(jié)垂直的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最長到達(dá)距離1595mm，最大載荷8kg；設(shè)計(jì)優(yōu)化：本體采用輕重量、高強(qiáng)度、高剛性、高密度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，使得機(jī)身緊湊，剛性好，精度高14-15。 a）抓取物品 b）移動(dòng)物品圖1-5 基于STM32的語音控制機(jī)械手如圖1-5所示。為基于STM32 的語音控制機(jī)械手，主要以STM32為控制平臺(tái)，對(duì)四自由度機(jī)械手進(jìn)行控制操作，可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，儲(chǔ)存記憶機(jī)械手動(dòng)作，進(jìn)行語音識(shí)別控制，使機(jī)械手具備語音控制，人與機(jī)進(jìn)行對(duì)話交流的功能。其核心處理器為STM32F407ZGT6 處理器，對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行存儲(chǔ)記憶和調(diào)試。采用32路伺服舵機(jī)控制器對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)控制，使其實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確選用速度合理，并且能夠時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令，語音識(shí)別這項(xiàng)功能采用了ASR非自然語音識(shí)別技術(shù)，通過對(duì)關(guān)鍵詞的識(shí)別，進(jìn)行高效的特定語音識(shí)別控制。拿物品工作過程：識(shí)別語音模塊命令“拿東西”，確認(rèn)命令后，系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)答，發(fā)送指令0x01標(biāo)識(shí)，對(duì)處理器控制平臺(tái)預(yù)先調(diào)試，調(diào)出儲(chǔ)存好的抓取物品的命令，加載抓取物品動(dòng)作指令序列，傳送至舵機(jī)控制板，機(jī)械手完成物品抓取16-18。在2016年4月26日，我國工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和財(cái)政部委聯(lián)合印發(fā)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）（下簡稱規(guī)劃）。深入強(qiáng)調(diào)制造行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展需要自動(dòng)化機(jī)器人作為關(guān)鍵支撐裝備，也是國家發(fā)展科技創(chuàng)新與高端機(jī)械制造發(fā)展水平的重要性標(biāo)志。規(guī)劃指出要保證機(jī)器人的關(guān)鍵零部件和高端產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量具有可靠性，提高企業(yè)中間的競(jìng)爭力和市場(chǎng)占有率。在2020年我國工業(yè)機(jī)器人的年產(chǎn)量能夠達(dá)到10萬臺(tái)，使用密度能夠達(dá)到150臺(tái)以上，通過政策合理支配利用資源，發(fā)展人才提高創(chuàng)新意識(shí)，研發(fā)精神，擴(kuò)展市場(chǎng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)19-24。規(guī)劃強(qiáng)調(diào)了十大標(biāo)志性實(shí)施重點(diǎn)產(chǎn)品，為機(jī)器人發(fā)展指導(dǎo)方向，如電弧焊機(jī)器人，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)軌跡焊縫跟蹤，根據(jù)坡口的寬度進(jìn)行焊接，具備高壓感知的技術(shù)；潔凈型機(jī)器人，發(fā)展方向?qū)崿F(xiàn)在真空的條件控制傳動(dòng)潤滑，偏差檢測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠校正檢測(cè)及碰撞保護(hù)等技術(shù)方向；智能自主編程的工業(yè)機(jī)器人，自由度需要6個(gè)以上，加工工件范圍能夠在1m1m0.3m 以上，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)作業(yè)程序，環(huán)境，工藝要求，并自動(dòng)生成程序，需要實(shí)現(xiàn)的工藝操作有打磨工件，噴涂染料，拋光工藝等；重載AGV，能夠?qū)崿F(xiàn)最大負(fù)載能力40000kg，舉升行程：最大 100mm，防碰裝置：激光防碰，輔助磁導(dǎo)航精度：10mm，舉升裝置：車體自舉升，轉(zhuǎn)彎半徑：2m，最大速度：直線 20m/min；消防救援機(jī)器人，可代替人類，在特殊環(huán)境下完成搜救，災(zāi)情定位，排除障礙，滅火等任務(wù)；智能護(hù)理機(jī)器人，能夠正確對(duì)有需要的人群進(jìn)行照顧護(hù)理，能夠感知識(shí)別，靈活自主移動(dòng)，輔助需求者進(jìn)行多樣化的護(hù)理服務(wù)25-27。未來人類未知領(lǐng)域的探索，誰擁有了最先進(jìn)的研發(fā)技術(shù)，誰就在未來的發(fā)展領(lǐng)域占有主動(dòng)權(quán)。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向會(huì)趨向于智能化、網(wǎng)絡(luò)化、仿生化，所應(yīng)用的范圍涉及會(huì)更加全面，遍及生活中。我們作為機(jī)器人的操作者，操作方式會(huì)越發(fā)方便簡潔，機(jī)器人能夠更好的幫助我們完成工作，在生活中，機(jī)器人無處不在，有他們?cè)诘纳顣?huì)更加美好28。從2015年開始，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域就得到了前所未有的關(guān)注，市場(chǎng)空間急劇增大，飛速發(fā)展的領(lǐng)域存在的問題也是不容忽視，需要逐步改進(jìn)的，可靠性差，精度不高，應(yīng)用領(lǐng)域受限，生產(chǎn)線組裝能力不足，缺乏研發(fā)技術(shù)。通過大量采購進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)我國的生產(chǎn)發(fā)展受限，研發(fā)能力與技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到世界先進(jìn)水平，工業(yè)機(jī)器人的原創(chuàng)性沒有得到發(fā)展，研發(fā)投入不夠充足。國外工業(yè)機(jī)器人注重保護(hù)機(jī)器人的自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)，在設(shè)計(jì)的同時(shí)增加了自鎖功能，一旦進(jìn)行破壞性拆解，零部件不能恢復(fù)原裝，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)不能夠進(jìn)行逆向研究。工廠生產(chǎn)與研究者學(xué)習(xí)探索研究力爭做到結(jié)合一致，保證現(xiàn)有技術(shù)的消化吸收。目前最主要問題就是“工業(yè)4.0”的發(fā)展缺乏數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的連接，需要解決各個(gè)機(jī)器之間信息協(xié)調(diào)共享、相互協(xié)調(diào)控制、智能生產(chǎn)，使工廠成為少人化或無人化的有機(jī)整體29-32。1.3 本文主要研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要是根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，并結(jié)合三維建模運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用了液壓裝置和電機(jī)部分相結(jié)合，使得機(jī)構(gòu)更加巧妙、合理。具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容分為以下幾部分：（1）自動(dòng)上料機(jī)械手方案的設(shè)計(jì)，確定最終合理的設(shè)計(jì)方案。（2）自動(dòng)上料機(jī)械手的手部，臂部，腕部，的設(shè)計(jì)，以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。（3）液壓系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算。（4）零部件的設(shè)計(jì)，基于Solid Works建立實(shí)體模型進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。（5）論文的撰寫。（6）研究內(nèi)容程序框圖，如圖1-1所示。自動(dòng)上料機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案選擇控制系統(tǒng)及確定驅(qū)動(dòng)裝置確定工作關(guān)系及額定載荷機(jī)械手工藝與動(dòng)作分析自動(dòng)上料機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓元件選擇三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真繪制裝配圖及書寫論文整理相關(guān)資料準(zhǔn)備答辯圖1-1 程序框圖第2章 自動(dòng)上料機(jī)械手方案設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手功能應(yīng)該是能快速準(zhǔn)確的拿取工件，并且還要有一定的承載能力，這樣才能承受工件的重量。同時(shí)，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度要有一定的范圍，這樣才能對(duì)不同位置的工件進(jìn)行定位。根據(jù)對(duì)工件形狀和所實(shí)現(xiàn)功能的分析，對(duì)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。2.1 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的自由度選擇實(shí)現(xiàn)全方位定位設(shè)計(jì)。機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)包括手部，腕部，臂部，機(jī)身機(jī)座，自由度的分配需要根據(jù)各部分所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)功能，手部需要夾持工件，設(shè)置一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)張開閉合來夾持工件。腕部需要連接手部和臂部，左右旋轉(zhuǎn)使手部運(yùn)動(dòng)，需要一個(gè)自由度。臂部結(jié)構(gòu)要完成上升下降運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)，左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分配三個(gè)自由度分別實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。根據(jù)定位要求，實(shí)現(xiàn)全面安全定位，機(jī)身具備一個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)左右回轉(zhuǎn)的動(dòng)作。機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)自由度合理分配。機(jī)械手手部方案設(shè)計(jì)。所實(shí)現(xiàn)功能為夾持工件，工件形狀為圓棒狀材料，工件重量為10Kg，手部采用夾持式結(jié)構(gòu)，需要具有一定的夾緊力滿足夾起工件，不破壞工件形狀與表面質(zhì)量，不影響加工質(zhì)量的條件。采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)手部結(jié)構(gòu)夾緊與放松的工作。手部形狀設(shè)計(jì)采用鉗夾的結(jié)構(gòu)，能夠夾取工件，同時(shí)手部的架構(gòu)運(yùn)動(dòng)可拆卸的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以滿足不同工件的上下料工作，使機(jī)械手的使用范圍擴(kuò)大。機(jī)械手腕部方案設(shè)計(jì)。腕部需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且輔助功能為調(diào)整手部夾持工件的方向。腕部起著連接手部與臂部的作用，位置在兩者之間，在機(jī)械手作業(yè)時(shí)會(huì)受到手臂與臂部傳遞來的動(dòng)載荷與靜載荷。所以，腕部所選擇的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與自身重量以及動(dòng)力載荷與臂部的相關(guān)結(jié)構(gòu)都是有一定關(guān)聯(lián)的。腕部需要一個(gè)自由度即可。它實(shí)現(xiàn)的左右回轉(zhuǎn)。采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)械手臂部方案設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手臂部結(jié)構(gòu)由大臂，小臂組成。所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能為上升下降運(yùn)動(dòng)，左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大臂與小臂結(jié)合的伸縮運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程自由度分配為三個(gè)，分別實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)更加和諧。完成所需要的功能通過電-液結(jié)合的方式進(jìn)行傳動(dòng)，上升下降運(yùn)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)運(yùn)作，臂部伸縮運(yùn)動(dòng)需要大臂小臂相結(jié)合采取液壓驅(qū)動(dòng)。作業(yè)生產(chǎn)時(shí)，手臂部受到了來自手部與腕部傳遞來的動(dòng)，靜載荷，對(duì)臂部工作產(chǎn)生一定的影響。臂部所承擔(dān)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較多，可見臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，定位作業(yè)的準(zhǔn)確性，對(duì)機(jī)械手的生產(chǎn)加工性能影響較大。本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)選擇，如圖2-1所示。圖2-1 自動(dòng)上料機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)方案圖1-手部 2-腕部 3-臂部2.2 驅(qū)動(dòng)裝置與控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的選擇。本設(shè)計(jì)采取液壓驅(qū)動(dòng)裝置。可通過對(duì)液壓油與所產(chǎn)生壓力進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度與動(dòng)作的操控，同時(shí)液壓元件相對(duì)較小，安裝結(jié)構(gòu)簡單，不占用大量空間，質(zhì)量輕；在液壓系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，能夠?qū)⒐ぷ鬟^程中產(chǎn)生的熱量傳遞走。防止高溫危險(xiǎn)，保護(hù)人工與機(jī)器安全，使溫度對(duì)機(jī)械加工不產(chǎn)生主要影響，同時(shí)液壓油具有的潤滑作用，使液壓元件在工作過程中相對(duì)潤滑，使用壽命延長。在加工過程中，采用液壓系統(tǒng)能夠保證快速對(duì)指令做出響應(yīng)，啟動(dòng)與制動(dòng)，反向等功能能夠快速反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生滯后的影響。液壓控制系統(tǒng)力矩-慣量比較大，短時(shí)間快速加速，同時(shí)與其它的控制元件相比較，液壓元件的剛度較大，忍耐震動(dòng)，可高強(qiáng)度，長時(shí)間工作加工材料。自動(dòng)上料機(jī)械手控制裝置的選用。本設(shè)計(jì)采用的固定程序的控制方式。要求完成的工作為能夠?qū)︻A(yù)先設(shè)置的工作要求進(jìn)行操作；對(duì)工作環(huán)境與工作要求，機(jī)器人自身的工作狀態(tài)進(jìn)行感知；能夠給予控制者反饋一定的工作信息，方便操控者進(jìn)行控制操作加工，對(duì)所編入的程序進(jìn)行作業(yè)；具有一定的儲(chǔ)存功能。編程語言可分為固定程序的編程語言控制和可變動(dòng)程序控制語言兩種控制方式?？勺儎?dòng)程序控制是通過示教器進(jìn)行信息指令的輸入進(jìn)行控制，在生產(chǎn)加工過程中，對(duì)環(huán)境約束工作約束更加明確。固定程序加工編程，編程的程序語言指令是固定的，單純重復(fù)指令動(dòng)作，不過控制更加便捷，便于加工與維修，所使用壽命較長，機(jī)械手在加工過程中工作穩(wěn)定，安全指數(shù)較高。機(jī)械手面對(duì)眾多的重復(fù)性操作，需要具有指定任務(wù)的計(jì)劃工作及相關(guān)工作特點(diǎn)的描述，在編制固定程序時(shí)，操作者可對(duì)工作任務(wù)進(jìn)行布置，其余的工作要求等因素可交給控制器完成。首先進(jìn)行任務(wù)的規(guī)劃，對(duì)工作要求及工作環(huán)境進(jìn)行特殊指令的輸入，描述相關(guān)工作軌跡，降低操作的難度，提高編程的工作可操縱性，對(duì)周圍所需要的約束條件進(jìn)行限定。然后對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行計(jì)劃。機(jī)械手控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能，如圖2-2機(jī)械手控制器功能所示。任務(wù)規(guī)劃任務(wù)命令解釋機(jī)器人軌跡生成軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算環(huán)境交互邏輯條件作業(yè)狀態(tài)輸出指令軌跡規(guī)劃軌跡命令解釋軌跡生成及參數(shù)調(diào)整軌跡離散化運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解錯(cuò)誤處理軌跡段描述、軌跡執(zhí)行的邏輯條件機(jī)器人及環(huán)境狀態(tài)環(huán)境信息（視覺、力傳感器、接近傳感器等）伺服規(guī)劃伺服命令解釋伺服周期細(xì)插補(bǔ)控制策略伺服系統(tǒng)接口輸出故障處理驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)軌跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)描述控制策略選擇機(jī)器人信息（位置傳感器等）控制命令驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)機(jī)器人狀態(tài)圖2-2 機(jī)械手控制器功能圖2.3 自動(dòng)上料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡圖圖2-3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖1-蝸桿減速器 2-平鍵套筒聯(lián)軸器 3-電機(jī) 4-底座 5-導(dǎo)柱 6-齒輪泵 7-Y90S-4電機(jī) 8-聯(lián)軸器 9-手臂 10-腕部 11-手部 12-螺柱 13-肋板2.4 本章小結(jié)本章提出了自動(dòng)上料機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，本體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)身基座，大臂，小臂，腕部以及手部組成。手部一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)張合運(yùn)動(dòng)，采用夾持式結(jié)構(gòu)；腕部一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采取液壓驅(qū)動(dòng)裝置；臂部三個(gè)自由度，俯仰運(yùn)動(dòng)與升降運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；總體采用液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，平穩(wěn)靈活，控制系統(tǒng)采用固定程序控制。設(shè)計(jì)方案確定，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，確定自動(dòng)上料機(jī)械手控制器功能圖。第3章 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)組成部分包括手部、腕部以及臂部。手部需要有充足的工件物體約束能力，一定的開閉合范圍、追求簡單簡潔的構(gòu)造，總體重量輕，占用體積小，能夠保證末端執(zhí)行元件的工作精度。腕部結(jié)構(gòu)需要完善結(jié)構(gòu)，合理分布零部件、結(jié)構(gòu)緊湊、能夠滿足工作條件。臂部手臂運(yùn)動(dòng)居多，受力較多、它的布局、靈活性、定位準(zhǔn)確與受力情況會(huì)對(duì)機(jī)器人的性能產(chǎn)生直接的影響。3.1.1 對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求（1）有適當(dāng)?shù)膴A緊力。機(jī)械手手部在加工操作時(shí)，應(yīng)該滿足對(duì)工件具備一定的約束條件，保證對(duì)工件的夾持穩(wěn)定性，不存在中途工件掉落的危險(xiǎn)。并且對(duì)工件本身強(qiáng)度剛度不產(chǎn)生影響，表面加工精度不破壞的原則。運(yùn)輸剛性不同的工件過程中，約束力需要適應(yīng)工件的運(yùn)輸要求，同時(shí)需要顧慮工件重量較大時(shí)所產(chǎn)生的自鎖行與安全性。（2）有足夠的開閉范圍。夾持類的手部結(jié)構(gòu)，都具有實(shí)現(xiàn)伸開閉合功能的裝置。手部結(jié)構(gòu)必須具有一定的伸開閉合角度和一定的伸開范圍，這樣才能有效地抓緊工件。運(yùn)行工作時(shí)，手部結(jié)構(gòu)張開與閉合的位置所產(chǎn)生的變化量以最大的變化為準(zhǔn)，成為該手部結(jié)構(gòu)的張開閉合范圍。對(duì)于手部的結(jié)構(gòu)來說，它的張開閉合范圍，可以用手指閉合端距離和伸開與閉合所形成的角度來表達(dá)。通常，在滿足其他條件的基礎(chǔ)上，開閉范圍應(yīng)盡量大，如圖3-1所示。圖3-1 機(jī)械手開閉示例簡圖1-鉗夾 2-拉緊裝置（3）盡量使結(jié)構(gòu)簡明，質(zhì)量較小，體積較小。機(jī)械手應(yīng)該符合結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、效率高等要求。在能夠滿足自身結(jié)構(gòu)要求強(qiáng)度與剛度的條件下，盡量滿足機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較小，不占用過多體積的要求，便于減少機(jī)械手臂部的負(fù)擔(dān)。（4）應(yīng)該顧慮到手部的針對(duì)不同工件材料的使用要求，手部一般選用專門的相關(guān)結(jié)構(gòu)，但是為了增加該機(jī)械手的使用廣泛性，能夠滿足各種形狀與尺寸的工件進(jìn)行使用，使該機(jī)械手的通用化水平提高，所以，將手部的結(jié)構(gòu)手指設(shè)計(jì)成可以調(diào)換的結(jié)構(gòu)。（5）應(yīng)該確保末端執(zhí)行器的夾持精度。手部結(jié)構(gòu)在搬運(yùn)工件時(shí)，需要保證所運(yùn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確性。這適應(yīng)了加工過程對(duì)方位的要求，有一些工件在機(jī)床上安裝的位置要求較高，所以自動(dòng)上料機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)在夾緊工件后需要在位置上保持具有準(zhǔn)確性。3.1.2 拉緊裝置原理如圖3-2所示。油缸右腔停止泵油后，手部會(huì)夾持住工件，油缸右腔進(jìn)油時(shí)，手部會(huì)放下所搬運(yùn)工件。圖3-2 油缸示意圖1-手部鉗夾 2-彈簧 3-油缸右腔右腔推力為： (3-1)Fp=4908.7N依據(jù)鉗夾夾緊的位置，確定當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為： (3-2)其中，由公式(3-2)得：F1=1770N則實(shí)際加緊力為： (3-3)1實(shí)際=3424N經(jīng)圓整 1=3500N計(jì)算手部活塞桿行程長L即 (3-4)=23.1mm經(jīng)圓整取 =25mm 確定鉗爪的 (3-5)式中： (3-6)由公式(3-5)、(3-6)得： mm取手部張開的夾角2=，則偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定:查表得 機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍表如表3-1所示。表3-1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍表伸縮運(yùn)動(dòng)(mm/s)上升運(yùn)動(dòng)(mm/s)下降運(yùn)動(dòng)(mm/s)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(mm/s)Vmax50050080090Vmin50408030所以取手部驅(qū)動(dòng)活塞速度V=60mm/s手部右腔流量 (3-7)=1177.5mm3/s手部工作壓強(qiáng) (3-8)=1.78Mpa3.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1）對(duì)設(shè)計(jì)腕部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，布局合理。腕部作為自動(dòng)上料機(jī)械手的一個(gè)執(zhí)行部分，又起到了連接手部和臂部與負(fù)擔(dān)手部的作用，除了要滿足力和左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能外，還需要有一定的強(qiáng)度、剛度。同時(shí)，還應(yīng)該考慮到機(jī)械手的整體布局，讓腕部可以和臂部、手部較好地連接。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡便，質(zhì)量輕。腕部的結(jié)構(gòu)處在臂部與手部之間，會(huì)受到來自臂部與手部的動(dòng)、靜載荷影響。腕部所選擇的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與自身重量以及動(dòng)力載荷與臂部的相關(guān)結(jié)構(gòu)都是有一定關(guān)聯(lián)的。所以，在設(shè)計(jì)臂部的時(shí)候，應(yīng)該盡可能讓達(dá)到它結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕的要求。（3）滿足工作條件。自動(dòng)上料機(jī)械手需要滿足的工作條件為上料質(zhì)量為10kg的工件，工作范圍不大，工作環(huán)境為車間，環(huán)境要求相對(duì)較低，不存在高溫，高壓以及重度污染的環(huán)境中，環(huán)境因素對(duì)機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)的影響較低。上料機(jī)械手要正常地工作必須要能適應(yīng)特定的工作環(huán)境。（4）腕部具體結(jié)構(gòu)。選擇機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示。圖3-3 手部與腕部結(jié)構(gòu)圖1-腕部 2-手部3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇本設(shè)計(jì)的腕部結(jié)構(gòu)布局緊湊，運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)靈活，一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)。選取液壓驅(qū)動(dòng)的方式。要求：回轉(zhuǎn),角速度以最大負(fù)荷計(jì)算：當(dāng)工件夾起所處位置為水平時(shí)，液壓擺動(dòng)缸的工件所產(chǎn)生的扭矩最大，采取估算法進(jìn)行計(jì)算，工件重量10kg，工件長度=650mm。計(jì)算扭矩M設(shè)工件重量集中在距離手部中心200mm處，即扭矩M為： (3-9)1=1.96()油缸及其配件的扭矩：=5kg =10cm由公式(3-9)得:M2=4.9()擺動(dòng)缸摩擦力矩：=6()擺動(dòng)缸總摩擦力矩： (3-10)=30.5() (3-11)式中： b葉片密度，這里取b=3cm；擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取FA1=10cm；轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取Fmm=3cm。由公式(3-11)公式得:P=0.88MpaQ=28ml/s3.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算手臂部件是機(jī)器人的重要部件。它能夠工作或安裝夾具，負(fù)擔(dān)腕部和手部，并實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能，帶動(dòng)手部與腕部工作。臂部的任務(wù)是輔助手部做空間運(yùn)動(dòng)。所以，通常情況下，臂部需要含有三個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)工作的功能要求，分別是左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、手臂的伸縮。臂部的動(dòng)作主要一開驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)來完成，從受力分析的角度出發(fā)，受到來自手部與腕部的動(dòng)、靜載荷，臂部承受的力較多，比手部與腕部復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合手部與腕部結(jié)構(gòu)，大臂小臂實(shí)現(xiàn)伸縮功能，在構(gòu)造上滿足定位的準(zhǔn)確性，定位精度和受力程度會(huì)對(duì)機(jī)器人性能產(chǎn)生一定的影響。在設(shè)計(jì)中要完成手的向上向下運(yùn)動(dòng)、前后伸縮的運(yùn)動(dòng)以及左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的精度最后會(huì)集中地表現(xiàn)在機(jī)械手手部的位置精度上。由此看出，在確定適合的定位裝置，與導(dǎo)向功能就相對(duì)比較重要。手臂的伸縮速度為S=200mm/s，行程L=500mm/s手臂右腔流量由公式(3-7)得： (3-12)Q手臂右腔的工作壓力由公式(3-8)得： (3-13)取工件重量和臂部活動(dòng)零部件的總體重量，F(xiàn)=30kg，F(xiàn)摩=1000N。由公式 (3-13)得： P=0.24Mpa機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)如表3-2所示。表3-2 機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表機(jī)構(gòu)名稱工作速度行程工作壓力流量手部抓緊60mm/s25mm1.79Mpa117.8ml/s腕部回轉(zhuǎn)45 /s180 0.89Mpa28ml/s小臂伸縮200mm/s500mm0.28Mpa1000ml/s由初步計(jì)算選取液壓泵P=1.79Mpa所需液壓最大流量 Q=1000ml/s選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）。該選用泵所產(chǎn)生的工作壓力為10Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32-70ml/r之間，足夠完成實(shí)現(xiàn)所需功能。驗(yàn)算腕部擺動(dòng)缸： (3-14) (3-15)式中：機(jī)械效率?。?.85 (范圍 0.850.9)容積效率?。?.85（范圍 0.70.95）由公式(3-14)得：T=25.7()TM=30.5()由公式(3-15)得：W=0.784rad/s取腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)油缸需要工作壓力P=1Mpa,流量Q=35ml/s圓整其他缸的數(shù)值：手部抓起缸工作壓力P=2Mpa，流量Q=120ml/s小臂伸縮缸工作壓力P=0.26Mpa，流量Q=1000ml/s3.4 本章小結(jié)本章對(duì)自動(dòng)上料機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)明確手部的設(shè)計(jì)要求，一個(gè)自動(dòng)度實(shí)現(xiàn)張合運(yùn)動(dòng)，采用夾持式結(jié)構(gòu)，抓取重物的重量為10kg，確定手部夾持工件的工作原理。第二進(jìn)行腕部設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn),角速度以最大負(fù)荷計(jì)算。第三進(jìn)行臂部伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)、上升下降運(yùn)動(dòng)、手臂的伸縮，對(duì)其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)手部抓緊，腕部回轉(zhuǎn)，小臂伸縮各機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。第4章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)裝置為液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)作為機(jī)械手的動(dòng)力來源，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成工作。液壓系統(tǒng)具有占用空間小，使用壽命長的特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)包含三個(gè)方面，手部液壓缸液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、腕部液壓回路。大臂小臂伸縮回路的設(shè)計(jì)。4.1 手部抓取液壓缸手部抓取缸液壓系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示。 圖4-1 手部抓取缸液壓系統(tǒng)原理圖1-單作用單桿彈簧復(fù)位缸 2-直動(dòng)外控溢流閥 3-兩位三通電磁換向閥 4-單向閥 5-可調(diào)節(jié)流閥泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取運(yùn)行所需要的最大流量即Q=1300ml/s。因此，需要安裝圖4-1所示的調(diào)速閥，流量確定為7.3L/min，工作所產(chǎn)生壓力p=2Mpa。采用： 溢流閥 調(diào)速閥 二位三通閥4.2 腕部擺動(dòng)液壓回路腕部運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)缸液壓系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示。圖4-2 腕部擺動(dòng)液壓回路1-腕部回轉(zhuǎn)器 2-調(diào)速閥 3-三位四通電磁換向閥工作壓力P=1Mpa，流量Q=35ml/s采用： 調(diào)速閥 換向閥 溢流閥4.3 小臂伸縮缸液壓回路圖4-3 小臂伸縮缸液壓回路1）兩位三通電磁換向閥 2）調(diào)速閥 3）單向閥 4）臂部伸縮缸小臂伸縮缸液壓原理圖如圖4-3所示。P=0.25Mpa，流量Q=1000ml/s： 調(diào)速閥 二位三通閥 溢流閥4.4 總體液壓系統(tǒng)圖圖4-4 總體系統(tǒng)圖4.4.1 工作過程自動(dòng)上料機(jī)械手運(yùn)作過程，首先臂部結(jié)構(gòu)小臂進(jìn)行伸長，手部抓取工件，然后腕部實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，小臂進(jìn)行收縮，手部放下工件。如表4-1所示。表4-1 電磁鐵動(dòng)作順序表1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長-+-手部抓緊-+-腕部回轉(zhuǎn)-+-+-小臂收縮-手部放松-+-卸荷+-+4.4.2 確定電機(jī)規(guī)格液壓泵選擇型液壓泵，額定壓力，工作流量在之間。選取為額定流量的泵，為 (4-1)所以代入公式(4-1)得：N=16.8KN選取電動(dòng)機(jī)型電動(dòng)機(jī)，額定功率為17KW，轉(zhuǎn)速為。4.5 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了自動(dòng)上料機(jī)械手手部抓取缸的液壓回路、腕部擺動(dòng)液壓回路、小臂伸縮液壓回路并繪制出了總的液壓系統(tǒng)圖，分析了在各項(xiàng)具體運(yùn)動(dòng)中也要回路的動(dòng)作；確定了液壓回路的工作過程的電磁閥的動(dòng)作順序，同時(shí)確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的規(guī)格型號(hào)型電動(dòng)機(jī)，選取型液壓泵額定壓力，工作流量在之間。第5章 機(jī)身機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)座是支撐機(jī)械手機(jī)身的必要組成的一部分。固定式機(jī)械手的機(jī)座直接與地面相連,可移動(dòng)式