磚窯卸垛機器人本體的結構設計與優(yōu)化

1、磚窯卸垛機器人本體的結構設計與優(yōu)化摘要：隨著社會的發(fā)展需要，工業(yè)機器人已經滲透了我們的生活、工作和經濟方面，并且起到了很大的作用。本文首先簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，以及國內外的發(fā)展狀況。其次對磚窯的生產環(huán)境和工人工作環(huán)境做了簡要的介紹，以及對卸垛機器人本體的組成和分類，本體的自由度和坐標形式，氣壓傳動技術的特點，進行了概述。通過對對磚窯卸垛機器人本體進行總體方案設計，確定了本體的坐標形式和自由度，確定了本體的技術參數。同時，對本體結構上材料和部分零件進行了優(yōu)化，設計出了機械本體上的手臂和手腕結構，計算了手臂和手腕伸縮，升降，轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩同時對本體使用的氣缸進行了計

2、算并作出了選擇。本次設計是在于很好地把處于科技前沿的技術成功應用于新興的碼垛和卸跺生產線，解放兩百萬的勞動人民，提高生產效率，可以達到利用新技術促進生產的目的。關鍵詞：機器人本體；氣壓傳動；結構設計；優(yōu)化機械0701_何朝輝Abstract: With the social development needs, industrial robots have infiltrated our lives, work and economic aspects, and has played a significant role. This article first introduces the c

3、oncept of industrial robots, as well as the development of domestic and foreign. Secondly, the production of brick kiln workers in the work environment and a brief introduction to the environment, as well as destocking composition and classification of the robot body, body, and coordinates in the fo

4、rm of freedom, the characteristics of air pressure drive technology, provides an overview. By pairs of the robot body kilns unshackling the overall design, to determine the coordinates of the body forms and degrees of freedom to determine the technical parameters of the body. Meanwhile, the structur

5、e of materials and some body parts were optimized designed the mechanical arm and wrist on the body structure, calculation of the arm and wrist stretching, lifting, driving torque required for rotation and torque of rotary cylinder and the body Selection and calculation of the cylinder. This design

6、is very well put that in the technological forefront of the emerging technology successfully used in stamp production line stacking and unloading, the liberation of two million working people and improve the production efficiency can be achieved using new technology for production purposes. Key word

7、s: Robot body，pneumatic transmission，structural optimization目錄第一章 綜述1.1 工業(yè)機器人概述.11.2 磚窯卸垛機器人本體的組成.31.2.1 卸垛機器人的分類.41.2.2 液壓傳動卸垛機器人.41.2.3 氣壓傳動卸垛機器人.41.3 國內外發(fā)展狀況.41.4 課題的提出及主要目的.6第二章 卸垛機器人本體結構的設計方案2.1 課題的主要任務.82.2 卸垛機器人本體的用途及技術參數和設計方案.82.2.1 本體的用途.82.2.2 設計技術參數.8 2.2.3 坐標型式與自由度.9 2.3 驅動系統(tǒng)的選擇和設計.92.3.

8、1選取液壓傳動作為傳動系統(tǒng)時候腕部和臂伸縮機構設計計算.92.3.2 氣壓傳動的優(yōu)點和缺點.152.3.3 最終選擇氣壓傳動系統(tǒng)情況下的手腕手臂結構設計與計算.162.4卸垛機器人的底座設計.212.4.1電機的選擇.222.4.2減速器的選擇.23第三章 手臂和手腕中氣缸的尺寸設計與校核3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核.24 3.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計.243.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核.243.3 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核.253.4 手腕回轉缸的尺寸設計與校核.27第四章 磚窯卸垛機器人本體優(yōu)化4.1 材料的優(yōu)化選取.294.1.1 鋼的分類.294.2 螺柱的設計

9、和校核優(yōu)化.334.2.1 計算當量應力.334.2.2 計算剪切強度.344.2.3 計算彎曲強度.344.3 影響平衡性和定位精度的因素.344.4 導向裝置.354.5 平衡裝置.36總結.37致謝.38參考文獻.39 第一章 綜述1.1工業(yè)機器人概述（工業(yè)機器人圖片）工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機

10、構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)

11、機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它

12、在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。卸碼垛機器人其實是卸垛機器人和碼垛機器人的總稱。如今，很多生產企業(yè)在包裝的后期都會用到機器人來代替人工及自動化程度較低的設備，不僅可以節(jié)省人力成本，還可以更快速地將產品按照預定的形式進行高效地操作。在包裝的卸垛和碼垛環(huán)節(jié)也是如此。一些大型的飲料、乳品和食品生產企業(yè)都應用了高技術含量的卸垛及碼垛設備。目前，中國已經有一些包裝供應商可以提供高質量的卸垛及碼垛設備，其質量甚至可以和國外先進的技術相媲美。 機器特點機身的主要移動部件(除臂部外)是由碳酸纖維鑄成、重量輕、扭力大、韌性強，具有較高的機械性能和較強的抗震動能力。 底座采用CRP工藝制造，制造

13、過程中用CAD和FEM優(yōu)化其設計，確保了最大的底座持重能力和最低的底座重量。 驅動系統(tǒng)采用機電一體化設計，所有軸都是由數字化交流伺服電機驅動，交流伺服驅動系統(tǒng)有過載、過流、缺相、超差等各種保護，性能安全可靠。 機器人的各部件結構精簡、容易拆裝。特殊的幾何構造使機器只占用極少的空間就能發(fā)揮極大的工作能力、能夠充分利用工作場地空間。 先進的設計令機器人能夠高速、精確、穩(wěn)定的運行，并易于維護。機器人運動的軌跡十分精確、重復定位精度小于0.35mm。 1.2.磚窯卸垛機器人本體的組成磚窯卸垛機器人本體主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等

14、部件，還增設行走機構。1、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)2、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置. 卸垛機器人的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。3、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。卸垛機器人的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。4、行走機構當卸垛機器人本體需要完成較遠距離的操

15、作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現卸垛機器人的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。5、機座機座是磚窯卸垛機器人本體的基礎部分，機器人執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動卸垛機器人執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機器人按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)

16、定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機器人的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。1.2.1卸垛機器人的分類工業(yè)機器人的各部件結構精簡、容易拆裝。特殊的幾何構造使機器只占用極少的空間就能發(fā)揮極大的工作能力、能夠充分利用工作場地空間。工業(yè)卸垛機器人的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按驅動方式分1.2.2液壓傳動卸垛機器人是用液體作為工作介質來傳遞能量和進行控制的傳動方來驅動執(zhí)行機構運動的卸垛機器人。1.

17、2.3氣壓傳動卸垛機器人是以氣體壓力來實現驅動執(zhí)行機構運動的卸垛機器人。1.3國內外發(fā)展狀況（1）國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、

18、易操作性和可維修性。機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機

19、器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。（2）國內發(fā)展現狀：我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工

20、業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最

21、為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 課題的提出及主要目的我國從1958年開始研究發(fā)展蒸壓灰砂磚,1960年從愿東德引進十六孔轉盤式壓磚機

22、在北京建成蒸壓灰砂磚生產線,后來研制了八孔轉盤式壓磚機,大大促進了蒸壓灰砂磚的發(fā)展,使之成為有砂、石灰資源而又缺乏黏土資源地區(qū)的主要墻體材料。 蒸壓灰砂磚是以砂和石灰為主要原料,允許摻入顏料和外加劑,經坯料制備、壓制成型、經高壓蒸氣養(yǎng)護而成的普通灰砂磚.蒸壓灰砂磚(以下簡稱灰砂磚)是一種技術成熟、性能優(yōu)良又節(jié)能的新型建筑材料,它適用于多層混合結構建筑的承重墻體。（磚廠圖片）（工人工作場地）由于磚廠的工作條件是高溫，灰塵大，工作負荷重，它的污染問題嚴重，燒磚的時候排放出一些有害氣體如二氧化硫等等，燒磚時有一股刺鼻的味道很難聞，還有烏煙滾滾.，它的污染給工作人員帶來許多身體健康的危害甚至威脅到了生

23、命。據不完全統(tǒng)計，每年工作在熱磚裝卸工作第一線的勞動人民達到200萬。進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現在大量的缺工現象，迫切要求我們提高勞動生產率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，磚窯卸垛機器人這個設計很好地把處于科技前沿的技術成功應用于新興的碼垛和卸跺生產線，解放兩百萬的勞動人民，提高生產效率，可以達到利用新技術促進生產的目的。 第二章 卸垛機器人本體結構的設計方案2.1課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(1)選取卸垛機器人的坐標標型式和自由度(2)設計出卸垛機器人的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。(3)傳動系統(tǒng)的

24、設計可以選取氣動或者液壓傳動，2.2卸垛機器人本體的用途及技術參數和設計方案2.2.1 本體的用途本體主要用于配合整個身體的運動將手抓送到目標點，當手抓完成抓取以后再把手抓收回來，這樣以達到設計者目的。2.2.2設計技術參數1、自由度數4個自由度2、座標型式圓柱座標3、最大工作半徑1000mm4、手臂最大中心高5、手臂運動參數伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉范圍回轉速度 6、手腕運動參數回轉范圍 回轉速度7、驅動方式氣壓傳動2.2.3坐標型式與自由度按機器人的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于卸垛機器人在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉

25、運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的卸垛機器人具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。（如圖2-2所示）2.3驅動系統(tǒng)的選擇和設計因為磚廠的工作條件是高溫，灰塵大，工作負荷重，它的污染問題嚴重，燒磚的時候排放出一些有害氣體如二氧化硫等等，所以我們在選取驅動的時候必須得考慮到這些因素首先對液壓傳動分析：2.3.1選取液壓傳動作為傳動系統(tǒng)時候腕部和臂伸縮機構設計設計計算（液壓缸元件）1.腕部結構設計與計算腕部是聯結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活

26、動度的回轉缸驅動的腕部結構。要求：伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度以最大負荷計算：當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。如圖2.3所示。1、計算扭矩M1設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1為：M1=FS （2.9）=109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F F S圖2.3 腕部受力簡圖2、油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M24F=5kg S=10cm帶入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3、擺動缸的摩擦力矩M摩4F摩=300（N）（估算值）S=20mm （估算值）M摩=F摩S=6（NM）4、擺動缸

27、的總摩擦力矩MM=M1+M2+M摩 （2.10）=30.5（NM） 5.由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （2.11）其中： b葉片密度，這里取b=3cm；A1擺動缸內徑, 這里取A1=10cm；mm轉軸直徑, 這里取mm=3cm。所以代入（2.11）公式P=8T/b（A1-mm）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因為W=8Q/（A1-mm）b所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s2.臂伸縮機構設計手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動

28、。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。 機器人抓取的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。手臂的伸縮速度為400m/s行程L=1200mm（1）、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Q=vs. =10040 =mm/s =0.1/10m/s =24000ml/s（2）、手臂右腔工作壓力，公式（2.8） 得： P=F/S （2.12）式中：F取工件重和手臂活動部件總重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。所

29、以代入公式（2.12）得： P=（F+ F摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa（3）繪制機構工作參數表如圖2.4所示：圖2.4機構工作參數表（4）由初步計算選液壓泵所需液壓最高壓力 P=1.78Mpa所需液壓最大流量 Q=100ml/s選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）此泵工作壓力為10Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之間，可以滿足需要。（5）、驗算腕部擺動缸：T=PD（A1-mm）m106/8 （2.13）W=8v/（A1-mm）b （2.14）式中：m機械效率?。?0.850.9v容積效率?。?0.70.95所以代入公式（2.13）得：T=

30、0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）TM=30.5（NM）代入公式（2.14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW/40.785rad/s因此，取腕部回轉油缸工作壓力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s圓整其他缸的數值：手部抓取缸工作壓力P=2Mpa 流量Q=120ml/s小臂伸縮缸工作壓力P=0.25Mpa 流量Q=24000ml/s3.液壓傳動的優(yōu)缺點以及工作原理4.液壓傳動的優(yōu)點（1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊；（2）能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度

31、，并可實現無極調速；（3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換；（4）液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制；（5）由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；（6）操縱控制簡便，自動化程度高；（7）容易實現過載保護。液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此它的應用非常廣泛，如一般工業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機械、提升裝置、軋輥調整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發(fā)電廠渦輪機調速裝置

32、等等；船舶用的甲板起重機械、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的控制裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。5.液壓傳動的缺點（1） 液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技

33、術水平。6.液壓傳動的基本原理液壓傳動的基本原理是在密閉的容器內，利用有壓力的油液作為工作介質來實現能量轉換和傳遞動力的。其中的液體稱為工作介質，一般為礦物油，它的作用和機械傳動中的皮帶、鏈條和齒輪等傳動元件相類似。 液壓傳動是利用帕斯卡原理，帕斯卡原理是大概就是：在密閉環(huán)境中，向液體施加一個力，這個液體會向各個方向傳遞這個力，力的大小不變。 液壓傳動就是利用這個物理性質，向一個物體施加一個力，利用帕斯卡原理使這個力變大，從而起到舉起重物的效果。液壓傳動在閥門行業(yè)也得到很大的應用，如閥門的機床制造加工設備、閥門液壓試驗設備、閥門的液壓傳動裝置等。2.3.2氣壓傳動的優(yōu)點和缺點 1.氣壓傳動的優(yōu)

34、點(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題.(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現過載保護，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。因空氣的粘度很?。?/p>

35、約為液壓油動力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴重污染環(huán)境。(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)成本低廉。成本低，過載能自動保護。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分

36、被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。2.氣壓傳動的缺點（1）由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩(wěn)定性稍差。但采用氣液聯動裝置會得到較滿意的效果。（2）因工作壓力低（一般為0.31.0MPa），又因結構尺寸不宜過大，總輸出力不宜大于1040kN。（3）噪聲較大，在高速排氣時要加消聲器。（4）氣動裝置中的氣信號傳遞速度在聲速以內比電子及光速慢，因此，氣動控制系統(tǒng)不宜用于元件級數過多的復雜回路。綜合上面氣壓傳動和液壓傳動的

37、分析和比較，根據磚廠的生產環(huán)境，和在制造過程中的成本上考慮，液壓傳動的成本較高，而且在使用過程中的維護很困難，危險性高，而氣壓傳動的原件便宜，并且對環(huán)境沒有危害，因為磚窯卸垛機器人的傳動選用氣壓傳動。2.3.3最終選擇氣壓傳動系統(tǒng)情況下的手腕手臂結構設計與計算（氣壓缸元件）1.手腕結構方案設計考慮到卸垛機器人的使用情況，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。2.手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，卸垛機器人的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來

38、實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現。3.手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑大部分卸垛機器人設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統(tǒng)計和比較，該卸垛機器人手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1000mm。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數之一。該卸垛機器人的定位精度為。4.手腕結構設計考慮到被抓取的磚塊是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。5.手腕的自由度手腕是連

39、接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使卸垛機器人適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與卸垛機器人加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于卸垛機器人抓取的工件是水平放置，同時考慮到用于抓取磚，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。6.手腕的驅動力矩的計算7.手腕轉動時所需的驅動力矩手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處

40、的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉時受力狀態(tài)手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: 式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩();- 慣性力矩();- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩().,; - 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩();（1）手腕加速運動時所產生的慣性力矩M悅若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: 式中:- 參與手腕轉

41、動的部件對轉動軸線的轉動慣量;- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉動時的角速度(弧度/s);- 起動過程所需的時間(s); 起動過程所轉過的角度(弧度)。（2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕轉動件的重量(N);- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則.（3）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm);- 摩擦系數，對于滾

42、動軸承，對于滑動軸承;,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，根據,得:同理，根據(F),得:式中:- 的重量(N), 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).（4）轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。8.回轉氣缸的驅動力矩計算在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:

43、, 或 2.4卸垛機器人的底座設計設計中的卸垛機器人模型如圖：機身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的,臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題機械手的機身設計成機座式，這樣機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的

44、上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求。根據磚窯生產的環(huán)境和條件，一般卸垛機器人的工作負荷很大，工作時間長，移動的可能性不大，并且在轉動的過程中受到的扭轉力很大，因此我們應該選擇將整個本體的底部固定在工作的地方，采取用螺絲和地面連接。這樣固定可以保證工作時產生的扭矩力不讓本體位置移動，可以更準確的抓取磚塊。2.4.1電機的選擇機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。1、帶動臂部升降的電機：10初選上升速度 V=100mm/s P=6K

45、W所以n=（100/6）60=1000轉/分選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如圖4.1 Y90S-4電動機技術數據所示：型號額定功率KW滿載時堵轉電流堵轉轉矩最大轉矩電流A轉速r/min效率%功率因素額定電流額定轉矩額定轉矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2圖4.1 Y90S-4電動機技術數據2、帶動機身回轉的電機：10初選轉速 W=60/s n=1/6轉/秒=10轉/分由于齒輪 i=3減速器 i=30所以n=10330=900轉/分選擇

46、Y90L-6型籠型異步電動機電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如圖4.2 Y90S-6電動機技術數據所示：圖4.2 Y90L-6電動機技術2.4.2減速器的選擇減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增轉矩，以滿足工作需要。6初選WD80型圓柱蝸桿減速器。WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為38siMnMo調質蝸輪的材料為ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011 （4.1）傳動比I=30傳動慣量0.26510kgm第三章 手臂和手腕中氣缸的尺寸設計與校

47、核3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核3.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產的標準氣缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為100/63，關于此氣缸的資料參照煙臺氣動元件廠公司 一 .尺寸校核1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強, 則驅動力： 測定手腕質量為50kg,設計加速度，則慣性力 2.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數, 總受力 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求要求。3.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核一. 尺寸設計氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力 二. 尺寸校核1測定手腕質量為80kg,則重力 設計加速度，則慣性力 考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數， 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。3.3 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核一. 尺寸設計氣缸長度設計為,氣缸內徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： 二 尺寸校核1測定參