1、畢 業(yè) 設 計 搬箱機械手結構設計畢 業(yè) 設 計 任 務 書搬箱機械手結構設計搬箱機械手結構設計摘要鑒于目前我國的發(fā)展狀況，對外對內(nèi)經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，對于物流運輸越來越依賴，運輸?shù)淖詣踊岣邔τ谀壳皣鴥?nèi)發(fā)展情況的提高至關重要。因此工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)、運輸中更多更靈活的運用就是最好的提高方法。工業(yè)機器人種類繁多功能各不同。根據(jù)本設計需要，參考紙箱重量、紙箱尺寸，工作范圍合理選擇傳動與驅(qū)動裝置，從而設計出一種搬運紙箱的機械手。最終完成任務實現(xiàn)了預期目標設計出可靠可行的搬箱機械手。本機械手結構簡單、制造、裝配方便成本較低、占空間較小、工作范圍較大、運動靈活、操作簡便，可大批量生產(chǎn)用于搬運工作，柔性度

2、較高，可匹配多種負載。本題目涉及到理論力學、機械設計、工程材料、工程制圖、互換性測量、液壓與氣壓傳動、機械原理、計算機輔助設計等方面的知識內(nèi)容。關鍵詞： 機械手；搬箱；結構設計The structural design ofmanipulator for moving boxAbstractIn view of the present state of development in China.The internal and external economic prosperity.More and more dependent on logistics and transport.Tran

3、sportation automation's improvment of the domestic development is essential to improve the current situation.So it's the best way to use industrial robot in industrial production and transportation more and flexibler.Industrial robots have a lot of variety and feature.According to the design

4、 requirement and weight、size of boxes,working range choose the transmission and drive device in reason to design out a manipulator for moving boxes.At last complete the task and achieve the desired objectives to design reliable and feasible to move the box manipulator.The manipulator is simple,easy

5、to manufacture and rig out,low price .Can be used for handling high-volume work and many situation.The completing design manipulator has the small covered area,big working range,simple structure,low cost,merits of the vivid movement and simple operation etc.Therefore,it's suitable for use in rea

6、lity production.Keywords： Manipulator;Moving box;Structure design目錄摘要Abstract1 緒論 .11.1 工業(yè)機器人定義. 11.2 工業(yè)機械手的組成與分類 . 11.2.1 工業(yè)機械手的組成 . 11.2.2 工業(yè)機械手的分類 . 11.3 選題背景 . 21.4 設計目的 . 22 總體設計方案論證 .32.1 機械手的總體方案 . 32.1.1 機械手總體結構方式 . 32.1.2 確定方案 . 42.2 機械手腰部方案確定 . 42.2.1 機械手腰部結構設計要求 . 42.2.2 確定方案 . 42.3 機械手手臂

7、方案確定 . 52.3.1 機械手手臂結構設計要求 . 52.3.2 確定方案 . 52.4 機械手手腕連接方式 . 62.5 機械手手部方案確定 . 62.5.1 機械手手部設計要求 . 62.5.2 機械手夾持器的運動和驅(qū)動方式 . 62.5.3 機械手夾持器的典型結構 . 62.5.4 確定方案 . 72.6 機械手機械傳動方案確定 . 72.6.1 機械手傳動結構設計應注意的問題 . 72.6.2 機械手傳動機構常見形式 . 72.6.3 確定方案 . 82.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)方案確定 . 82.7.1 機械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 . 82.7.2 確定方案 . 92.8 機械手手臂平衡

8、機構選擇 . 103 主要結構設計計算 . 113.1 液壓缸氣缸設計計算 . 113.1.1 手部氣缸設計計算 . 113.1.2 手臂液壓缸設計計算 . 133.1.3 升降液壓缸設計計算 . 153.2 電機選型參數(shù)計算 . 163.2.1 相關參數(shù)的計算 . 163.2.2 電機型號選擇 . 183.3 齒輪傳動強度校核 . 19結論 .21參考文獻 .22 致謝 .錯誤！未定義書簽。1 緒論1.1 工業(yè)機器人定義機器人是一個擁有很多自由度的，能夠?qū)崿F(xiàn)許多模擬人動作和肢體結構功能的機器；工業(yè)機器人則是在實際生產(chǎn)中應用的機器人。1.2 工業(yè)機械手的組成與分類1.2.1 工業(yè)機械手的組成各

9、類工業(yè)機器人一般都由操作機（執(zhí)行機構）、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)組成。(1) 操作機（執(zhí)行機構）操作機具有和人臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。1) 末端執(zhí)行器（手部） 是執(zhí)行最重要動作的操作機部件，能裝配夾持機構、執(zhí)行機構等構件。夾持器可分為機械加緊、真空抽吸、液壓張緊和磁力等多種。2) 手腕 是用來支承并調(diào)整手部姿態(tài)，擁有23個自由度的起連接作用的部件，可增大手部的轉(zhuǎn)動范圍。有的專用機器人可以沒有手腕而直接降末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。常采用齒條傳動及輪系結構。3) 手臂 是由操作機的連接桿件和關節(jié)組成，用于支持和協(xié)調(diào)手腕及末端執(zhí)行器的位

10、置。手臂有時不止一條，還可以包括肘關節(jié)和肩關節(jié)。一般將靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)稱為小臂，靠近機座的稱為大臂。手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的運動范圍。4) 腰部 稱為立柱，是承載手臂的元件，手臂依靠它來位移，用來擴大手臂地工作半徑。5) 機座 是固定不動并承受各種應力、力的的元件。分為固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝行走機構，可擴大機器人的工作范圍；行走機構多為滾輪或履帶，分為有軌與無軌兩種。近些年來發(fā)展的步行機器人，其行走機構多為連桿機構。(2) 驅(qū)動裝置機器人的驅(qū)動設備用來驅(qū)動機器人工作，根據(jù)能量源的不同分為電子式、液壓式和氣壓式三種，其中執(zhí)行機構電動機、液壓缸和氣缸可

11、以與操作機直接相連，也可通過齒輪、諧波減速器和鏈條裝置等傳動機構與操作機連接。(3) 控制裝置控制系統(tǒng)根據(jù)動作要求可分為開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。很多工業(yè)機器人采用計算機控制，一般分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的功能是識別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關節(jié)伺服系統(tǒng)執(zhí)行給定的指令。1.2.2 工業(yè)機械手的分類(1) 按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1) 專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等

12、特點。- 1 -2) 通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大定位精度高通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。(2) 按驅(qū)動方式分1) 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。2) 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。3) 機械傳動機械手即由機械傳動機構驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準

13、確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。4) 電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，故機械結構簡單。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(3) 按控制方式分1) 點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。2) 連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。1.3 選題背

14、景鑒于目前我國的發(fā)展狀況，對外對內(nèi)經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，對于物流運輸越來越依賴，運輸?shù)淖詣踊岣邔τ谀壳皣鴥?nèi)發(fā)展情況的提高至關重要。因此工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)、運輸中更多更靈活的運用就是最好的方法。鑒于現(xiàn)如今工業(yè)的自動化程度體現(xiàn)了一個國家的整體工業(yè)現(xiàn)代化水平，因此對于工業(yè)自動化的多樣性、靈活性等體現(xiàn)明顯的工業(yè)機械手就成為世界主流的發(fā)展方向。工業(yè)的現(xiàn)代化體現(xiàn)一個國家是否強大，能否抵御外敵讓百姓過上和平快樂安逸富足的生活。目前中國消費者網(wǎng)上購物的次數(shù)是歐洲消費者的4倍，是美國和英國消費者的兩倍左右。在2012年前3季度，中國網(wǎng)上購物市場交易規(guī)模達7788億元人民幣，超2011年的全年總數(shù);2013年網(wǎng)上零

15、售總額將占整體社會消費品零售總額6%左右。由此可見，市場對于工業(yè)機械手的需求量如此之大，如此大的產(chǎn)業(yè)需要有充沛的“后勤”保障，對于機械手的設計是非常有意義的。1.4 設計目的現(xiàn)在，機械手以不僅僅應用于生產(chǎn)在物流領域里也應用廣泛。為了能夠靈活迅速的運輸商品不僅需要快速的傳送軌道，還要有穩(wěn)定靈活的搬運機器人完成運輸不同階段的交接。本次設計就是要設計一個搬運紙箱的機械手，在結構上力求簡單實用滿足結構剛度和強度要求，來完成目前繁忙的搬運工作，節(jié)約了勞動力的同時提高了搬運效率，減少諸多不確定且對人體健康不利的因素。運用大學四年學習的專業(yè)知識完成本次畢業(yè)設計，體現(xiàn)出機械設計制造及其自動化專業(yè)學生的素質(zhì)也是

16、本次畢業(yè)設計的目的之一。- 2 -2 總體設計方案論證2.1 機械手的總體方案2.1.1 機械手總體結構方式工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標式，圓柱坐標式，球坐標式，關節(jié)型結構四種。各個結構的特點與形式，介紹如下。(1) 直角坐標式機械手如圖2-1，其手臂的運動方式由直線位移構成，即沿X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。它特點是結構簡單，定位精度高，適用于的場合是主機的坐標規(guī)律排列。但是它的占地面積較大而工作范圍較小且運動不太靈活導致它的使用率不高。圖2-1 直角坐標機械手 圖2-2 圓柱坐標機械手(2) 圓柱坐標式機械手如圖2-2，其手臂運動方式由直線位移和旋轉(zhuǎn)擺動構成，即朝X軸的遠近

17、位移，朝Z軸的上下位移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。它占用底層水平二維空間小、工作空間大、機構不復雜可以完成比較高的定位精度應用廣泛。(3) 球座標式機械手如圖2-3，其手臂的運動方式由直線位移和圓周擺動構成，即X軸的位移、繞Y軸的俯仰、繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。這種機械手動作靈活、工作范圍大、占地面積小。它適用于沿伸縮方向向圓周外側(cè)作業(yè)的傳動形式。(4) 關節(jié)式機械手如圖 2-4，其機械手可以做幾個自由度的旋轉(zhuǎn)，它由大臂和小臂以及腰部組成，大小兩臂的連接為肘關節(jié)，大臂與立柱的鏈接為肩關節(jié)，各關節(jié)均由鉸鏈構成以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，手臂的運動系由三個回轉(zhuǎn)運動所組成，即大臂的俯仰、小臂的俯仰、大臂的回轉(zhuǎn)。它工作范圍大、動作靈活、通用

18、性強，能夠繞過機體與工作主機抓取物體。它的手指控制位置精度不高，需要多個關節(jié)同時轉(zhuǎn)動來提供姿態(tài)并且其輔助設施、結構都較很復雜。- 3 -圖2-3 球坐標機械手 圖2-4 關節(jié)式機械手2.1.2 確定方案具體到本設計，設計為搬運尺寸522419122、毛重5kg紙箱，用傳送帶運輸，考慮在滿足要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。根據(jù)動作要求，把紙箱從一個傳送帶上抓取下來放到更大的紙箱中進行裝箱，在裝箱的過程中要求有X軸的伸縮來排列紙箱，要求有繞Z軸的旋轉(zhuǎn)來完成從傳送帶上去下紙箱并進行裝箱，要求要有沿Z軸的升降來完成對紙箱進行層層碼垛，并且結構簡單為宜便于安裝維修，同時對于手部的設計

19、要求可以根據(jù)紙箱的不同位置可以用不同的姿態(tài)來完成抓取，即手腕處要求有一個繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。綜上所述，要求的自由度為3個外加一個手腕的旋轉(zhuǎn)自由度，所以選擇圓柱坐標式即一個繞Z軸的旋轉(zhuǎn)、一個沿Z軸的上下移動、一個沿X軸的伸縮，其特點是：結構比較簡單，手臂運動范圍大，且有較高的定位準確度。2.2 機械手腰部方案確定2.2.1 機械手腰部結構設計要求(1)要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性(2)腰部承受機器人全部重力和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力。(3)腰部軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此，腰部與手臂的連接要有可靠的定位基準面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動

20、間隙的調(diào)整機構。2.2.2 確定方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式只有電機減速機構以及擺動液壓缸或液壓馬達。因為電動機驅(qū)動系統(tǒng)采用低轉(zhuǎn)動慣量、大轉(zhuǎn)矩交直流伺服電動機及其配套的伺服驅(qū)動器，又具有不需要能量轉(zhuǎn)換、使用方便控制靈活等特點。考慮到腰座的回轉(zhuǎn)對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。經(jīng)考慮采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。選用一級齒輪傳動來減小齒側(cè)間隙導致的誤差，并且為了減少空間加強機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰部升降的驅(qū)動形式采用液壓升降，因為液壓缸既是驅(qū)動元件又是執(zhí)行元件，并且液壓缸的液壓桿自帶導程無需額外的光杠輔助導程，液壓

21、缸的強度也很大可以保證機械手因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，且動力大能夠承受機械手的全部重量，技術成熟并且便于用計算機實現(xiàn)直接控制。腰部具體結構如圖2-5所示。- 4 -1.齒輪 2.圓錐滾子軸承 3.鎖緊螺母 4.回轉(zhuǎn)電機 5.升降液壓缸圖2-5 機械手腰部結構2.3 機械手手臂方案確定2.3.1 機械手手臂結構設計要求(1)手臂的結構設計要符合動作需求。(2)根據(jù)手臂所受載荷和結構特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度材質(zhì)材料。(3)要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精準性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。2.3.2 確定方案手臂的運動是沿X軸的伸縮運動，是直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是

22、氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。氣壓傳動的運動平穩(wěn)性不高，對于本次設計的精度考慮不宜采用，電機驅(qū)動精度高但是電機本身無法直接完成動作需要另外的執(zhí)行元件，因此結構比較復雜且成本較高。液壓驅(qū)動穩(wěn)定性好，精度較高，主要是液壓元件既是驅(qū)動元件又是可以執(zhí)行元件較之電動元件結構簡單節(jié)約了空間，而且液壓缸有良好的剛度符合本次設計對于機械手手臂剛度的要求。液壓缸的驅(qū)動力較大，能夠提供很好的伸縮運動的動力。對于不同級別的負載更換元件也比較方便。所以手臂采用液壓缸驅(qū)動。- 5 -2.4 機械手手腕連接方式通過對實際情況分析，機械手手部與手臂連接無需自由度，采用固連即可。本設計通過中心孔帶有螺紋的法

23、蘭與手部用螺栓連接，手臂與法蘭螺紋連接并通過鎖緊螺母使手部保持豎直狀態(tài)。具體設計結構如圖2-6所示。1.法蘭 2.鎖緊螺母 3.活塞桿圖2-6 手腕連接方式2.5 機械手手部方案確定2.5.1 機械手手部設計要求(1)末端執(zhí)行器要能夠?qū)崿F(xiàn)動作需要的夾持力以及按要求可以達到的位置精度。(2)應盡可能使末端執(zhí)行器的結構簡單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂的負荷。提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。(3)夾持范圍要與工件相適應，動作要快速靈活。(4)結構應簡單、重量輕、強度可靠、易磨損處應便于更換。2.5.2 機械手夾持器的運動和驅(qū)動方式工業(yè)機器人中應用的夾持器多為雙指手抓式，按其手爪的運動

24、方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型。回轉(zhuǎn)型手爪又可分為單支點回轉(zhuǎn)型和雙支點回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式。機械式夾持器按驅(qū)動方式可分為電動（或電磁）、液壓和氣動三種。2.5.3 機械手夾持器的典型結構(1)楔塊杠桿式夾持器利用楔塊與連桿的相對運動來實現(xiàn)手爪的張、緊來完成抓取工件的動作。(2)連桿杠桿式夾持器這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧一起使用。(3)齒輪齒條平行連桿式夾持器這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。(4)平行杠桿式夾持器采用平行四邊形機構，不需要導軌就可以

25、保證手爪的兩手指保持平行運動，但是比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。- 6 -2.5.4 確定方案結合具體的工作情況，本次設計任務為搬運兩側(cè)為平面的紙箱，因此選擇齒輪齒條平行連桿式夾持器較為合適，通過對齒條的驅(qū)動可以使帶有齒輪的連桿繞定軸轉(zhuǎn)動，通過平面機構帶動夾塊的移動實現(xiàn)對紙箱的夾緊，由于這種夾持方式對紙箱的夾緊力有限所以在夾持器下方選擇有帶翻邊的夾塊。具體設計結構如圖2-7所示。1.平行連桿 2.吊環(huán) 3.扇形齒輪連桿 4.諧波減速器 5.回轉(zhuǎn)電機圖2-7 末端夾持器結構圖2.6 機械手機械傳動方案確定2.6.1 機械手傳動結構設計應注意的問題(1)為了提高并控制機械手的運動速度及

26、準確度，要求機械手各元件的質(zhì)量小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，質(zhì)量輕，體積小。(2)傳動部件應盡量降低靜摩擦力，保證小的正斜率動摩擦否則會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，傳動精度失準。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。(3)采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施縮小反向死區(qū)誤差。2.6.2 機械手傳動機構常見形式(1) 帶傳動帶傳動又分為平帶傳動、V帶傳動和多楔帶傳動1) 平帶傳動應用較多的情況為傳動中心距較大的情況。常用的平帶有橡膠布帶、縫合棉布帶、棉織帶和毛織帶等數(shù)種。其中以橡膠布帶應用廣泛。- 7 -2) V帶傳動V帶傳動的結構更緊湊，V帶已經(jīng)大量標準化

27、生產(chǎn)且可以承受較大的傳動比等優(yōu)點，因而V帶傳動的應用最廣泛。3) 多楔帶傳動結構尺寸小，傳動平穩(wěn)，常用于傳遞功率較大，有要求結構緊湊的場合。(2) 鏈傳動由于沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，鏈傳動比帶傳動更能保持準確的平均傳動比；傳動效率高，能達到98%；又因鏈條與鏈輪之間不用張得很緊，所以作用于軸上的壓力較小；在同樣使用條件下，鏈傳動的承載能力也比帶傳動強；適于遠距離傳動，中心距可達十幾米；鏈傳動的結構較為緊湊，且成本低廉，可在溫度較高、濕度較大、有油污、腐蝕等惡劣條件下工作。(3) 齒輪傳動齒輪傳動的特點：1.效率高2.結構緊湊3.工作可靠、壽命長4.傳動比準確、恒定5.適用的速度和功率范圍廣6.

28、要求加工精度和安裝精度較高，制造時需要專用工具和設備，因此成本比較高。7.不適合在兩軸中心距大的情況下使用。(4) 蝸桿傳動可以達到大的傳動比，噪音小，傳動穩(wěn)定可靠，具有自鎖能力，但是安裝時對中心距的尺寸精度要求較高。2.6.3 確定方案具體到此次設計兩個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，末端夾持器直線運動應用氣動方式無需傳動機構轉(zhuǎn)換，手臂直線自由度采用液壓缸驅(qū)動直接當作執(zhí)行元件無需傳動機構簡化結構并且增強剛度，腰部的旋轉(zhuǎn)用步進電機驅(qū)動，必須要有傳動機構來減速并增大扭矩。經(jīng)分析采用圓柱齒輪，利用一級齒輪傳動來減小齒輪傳動因尺側(cè)間隙導致的傳動誤差，故齒輪需要更高的強度來完成既定的動作。2.7 機械手驅(qū)

29、動系統(tǒng)方案確定2.7.1 機械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點機械手關節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣壓式和電動式。(1) 液壓驅(qū)動機械手的驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動有以下幾個優(yōu)點：1）液壓容易達到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，可以獲得較高的位置精度。3）液壓傳動中比較容易控制速度和力并使之自動化。4）液壓的介質(zhì)為油液，具備潤滑和防銹能力，可以增加使用年限和提高機械效率。液壓系統(tǒng)的不足之處是：油液的黏度隨溫度變化而變化影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；造價較高；容易引起故障(2) 氣動驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點是：1）壓縮空氣黏度小容易達到高速

30、2）動力來源易取得，可集中控制3）空氣可應用于高溫工作的情況- 8 -4）氣壓元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低 它的不足之處是：1）壓縮空氣常用壓力為0.40.6Mpa較低。2）空氣壓縮性大工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很難3）除水問題處理不當會使鋼類零件生銹，導致機械手失靈，排氣還會造成空氣污染。(3) 電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。普通交、直流電動機驅(qū)動如果不加減速器無法提供足夠的有效力矩，且運動不易控制，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出較小的力矩，慣性小易于控制，可以實現(xiàn)速度與位置的精確控制

31、，用于中小型機器人更合適。不同驅(qū)動各種特點見表2-1。表2-1各種驅(qū)動方式在不同方面的特點比較特點驅(qū)動方式輸出力 壓力高，可獲得大的輸出力控制性能 輸出力大，穩(wěn)定，容易控制，可無級調(diào)速 可高速，沖擊大，精確定位困難，阻尼差，低速難控制 控制性能交差，慣性大，不易精確定位 響應快，定位精度高，控制系統(tǒng)復雜維修使用 維修方便，液體對溫度變化敏感 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境下使用，泄漏無污染 維修使用方便結構體積 在輸出力相同的情況下比氣壓驅(qū)動體積小使用范圍 中小型及重型機器人制造成本 液壓元件成本較高，油路比較復雜 結構簡單，能源方便，成本低液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動壓力低，輸出力小體積較大中小型機

32、器人電動驅(qū)動異步、直流電機 步進、伺服電機輸出力較大需要減速裝置，體積較大 速度低，特重大的機器人 程序復雜，運動軌跡要求嚴格成本低輸出力較小或較大 維修使用較復雜體積較小 成本較高2.7.2 確定方案具體到本設計，考慮到腰部的回轉(zhuǎn)關聯(lián)末端執(zhí)行器的定位精度，所以應用定位精度高并且響應速度快的步進電機。回轉(zhuǎn)下方的升降元件用液壓元件，考慮到承載能力以及垂直布置，可以利用重力實現(xiàn)下降，所以選用柱塞缸。手臂無法利用重力且對于驅(qū)動力要求不是非常大選用單活塞液壓缸。末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)也要求高定位精度，快速的反應能力、靈活的轉(zhuǎn)動，輸出力要求不高選用步進電機。考慮到夾持器的驅(qū)動氣壓元件垂直放置而且對于工作環(huán)境要

33、求較高，由于液壓元件的漏油是無法避免的元件的結構導致無法經(jīng)常拆卸維護，所以選用單作用活塞桿式氣壓缸。氣缸通過活塞桿帶動齒條使扇形齒輪轉(zhuǎn)動來完成手爪的擴張合攏。- 9 -2.8 機械手手臂平衡機構選擇除了關節(jié)坐標機械手都可以通過合理布局，使手臂自身可能達到平衡。關節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷，同時縮短啟動時間。本設計采用圓柱坐標結構，由于手部結構較多而且還有負載，考慮到機械手自身結構根據(jù)實際情況選擇配重塊平衡機構。- 10 -3 主要結構設計計算3.1 液壓缸氣缸設計計算3.1.1 手部氣缸設計計算(1)手爪氣缸驅(qū)動力的計算紙箱重量G=5kg ，摩擦系數(shù)為f=0.201)根

34、據(jù)手部結構，其驅(qū)動力為:FPR FN= 2lcos （3-1）2lcosFN2140cos15245=705(N) 得FP=R94式中，F(xiàn)N為沿水平方向X軸作用于紙箱的力，NFP為氣缸沿Z軸的驅(qū)動力，Nl 為連桿的長度，mR為扇形齒輪的節(jié)圓半徑，m為連桿與豎直方向的夾角2)實際驅(qū)動力:KK FP實際FP12 （3-2） 因為傳遞力的機構為齒輪齒條機構，故取機械效率=0.94，并取K1=1.5。若被a抓取工件的最大加速度a=3g，則:K2=1+=4 g1.54=4.5(KN) FP實際=7050.94夾持工件時所需驅(qū)動力為4.5KN(2)氣缸的直徑的設計 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，

35、氣缸活塞桿的輸出力需要克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:D2P-Ft-Fz （3-3） F1=4式中，F(xiàn)1 活塞桿上的推力，NFt 彈簧反作用力，NFz氣缸工作時的總阻力，NP 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用計算:Ft=Gf(1+s) （3-4） Gf=Gd134D1n4 （3-5） Gd1 Gf= (3-6) 38D1n- 11 -式中，Gf彈簧剛度，N/ml 彈簧預壓縮量，ms 活塞行程，md1彈簧鋼絲直徑，mD1彈簧平均直徑，mn 彈簧有效圈數(shù)G 彈簧材料剪切模量，一般取 G=79.4109Pa在設計中，必須考慮負載率的影響，則:F1=D2p4-Ft (3-7)由以上分析

36、得單向作用氣缸的直徑: D=代入有關數(shù)據(jù)，可得 44(F1+Ft) (3-8) p479.4109(3.510-3)= Gf=3-338D1n8(3010)15.46(N/m) =3677Ft=Gf(1+s)=3677.466010-3=220.6(N)所以D=Gd14(490+220.6)4(F1+Ft)= pn0.5106=68.23(mm)查機械手冊圓整，得D=70mm由d/D=0.30.5，可得活塞桿直徑:d=（0.30.5)D=2135mm圓整后，取活塞桿直徑d=20mm校核，按公式F1/(/4d2)有:d(4F1/)0.5其中，=120MPa，F(xiàn)1=750N則:d(4490/120

37、)0.5=2.2820滿足設計要求。(3)缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:(3-9)式中，缸筒壁厚，mmD液壓缸內(nèi)徑，mmP實驗壓力，取Pp=1.5P, Pa p材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:- 12 -=DPp/2=706105/(23106) =7(mm)取=7.5mm，則缸筒外徑為:D1=70+7.52=85(mm)3.1.2 手臂液壓缸設計計算做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性、密封等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。(1) 液

38、壓缸活塞的阻力的計算F= F1±F2+F3±F4+F5+F6 (3-10) 式中，F(xiàn)1作用在活塞桿上的工作阻力，N，無F2液壓缸在啟動制動換向時的慣性阻力，F(xiàn)2=Ma,NM活塞及運動部件總質(zhì)量，kga 加速度，m/s2F3除液壓缸外運動元件的摩擦阻力，N，無F4運動部件自重，NF5活塞缸活塞及活塞桿處的密封摩擦力，一般由缸體的機械效率來表示，通常取m=0.95，NF6回油背壓阻力，N，取0.05F1) 手臂慣性力的計算本設計手臂平動是v=0.3m/s,在計算慣性力的時候,設置啟動時間t=0.5s，啟動速度v=v=0.3m/s,GvF2=慣 (3-11) gtGv1960.3

39、F2=慣=12N gt9.80.52) 運動部件自重G=mg=196N (3-12)3) 密封裝置的摩擦阻力F5=(1-0.95)F=0.05F (3-13)經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力（阻力）：F=F2+F4+F5+F6=12+196+0.05F+0.05F=231.1N(2) 液壓缸工作壓力和結構的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=231.1N，查表選擇液壓缸的工作壓力P=0.8MPa1) 確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖3-1所示：圖3-1 雙作用液壓缸示意圖- 13 -當油進入無桿腔，F(xiàn)=P=p1D24 (3-14)當油進入有桿腔中，(D2-d2)F=

40、P=P1 (3-15) 4液壓缸的有效面積： F=P p1故有 D=D=4F （3-16） P9F （有桿腔） （3-17） 2P式中，P活塞的驅(qū)動力，NP1油缸的工作壓力，MPad活塞桿直徑，mm,本案初設d=D/2D油缸內(nèi)徑，mm油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取=0.96據(jù)上述計算，F(xiàn)=2311N P=0.8MPa，按有桿腔進行計算，其結果必然滿足無桿腔的力學要求。將有關數(shù)據(jù)代入： D=9F=65.6mm 2P查表油缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-93），選擇標準液壓缸內(nèi)徑， D=72mm活塞桿直徑d=72/2=36mm2) 液壓缸外徑的設計本案液壓缸考慮到具體結構，最小壁厚不小于3

41、mm，而驅(qū)動力又偏低，故最大壁厚不超過10mm。按中等壁厚進行計算(16>D/>3.2)：P計D =+C(2.3-P計) （3-18）式中，強度系數(shù)(當為無縫鋼管時取值為1)C計入管壁公差及侵蝕的附加厚度油缸材料的許用應力(MPa)；=b/n，其中b為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般n=35一般常用缸體材料的許用應力 為：鍛鋼 =110120MPa鑄鋼 =60MPa無縫管 =100110MPa代入數(shù)據(jù)：PD+C=3.6mm =(2.3-P)- 14 -圓整為4mm，即缸體外徑80mm3.1.3 升降液壓缸設計計算(1) 計算升降液壓缸的總機械載荷根據(jù)機構的工作情況液壓缸所受的總機

42、械載荷為：F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb （3-19）式中，F(xiàn)w外加的載荷；Fm活塞上所受的慣性力；Fsf密封阻力；Ff導向裝置的摩擦阻力；Fb回油被壓形成的阻力；1）Fm的計算Gv （3-20） gt式中，G液壓缸的負載總重，取為50kg；g重力加速度， 9.80m/s2；v速度變化量,v=0.2m/s；t啟動或制動時間，一般為0.010.5s，取0.2s將各未知數(shù)帶入上式，得：Fm=5.1N Fm=2）Fsf的計算Fsf=pfA1 （3-21）式中，pf克服液壓缸活塞及活塞桿處密封摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 MPa，查相關機械手冊取0.2MPa ；A1 為進油工作腔有效面積；啟動時： Fsf=157.1N運動時： Fsf=101N3）Fb的計算回油背壓形成的阻力按下式計算：Fb=pbA2 （3-22）式中，pb為回油背壓，一般為0.30.5MPa，取0.3MPaA2為有桿腔活塞面積，兩邊差動比取2；A2=(D2-d2)÷4=(1002-80