机械手课程设计

《机电系统》课程设计说明书课程设计任务书姓名班级学号设计题目简易型机械手的设计设计任务：〔1〕方案论证；在其根底上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。〔2〕驱动系统设计：根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。〔3〕控制系统设计：确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。〔4〕传感与测试系统设计：进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。〔5〕机械本体设计：进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。设计工作量:〔1〕设计说明书一份〔2〕CAD图纸5张〔3〕文档整理排版指导教师设计时间2011年1月3日～2011年1月21日目录第1章绪论……………11.1机械手概述……………11.2机械手的设计目的……………………31.3机械手的设计内容……………………41.4机械手的分类及其在生产中的应用……51.5机械手的应用意义……………………81.6机械手的技术开展方向………………9第2章设计方案的论证………………102.1机械手的总体设计…………………102.2机械手腰座结构的设计………………122.3机械手手臂结构的设计………………142.4工业机器人腕部的结构………………162.5机械手末端执行器〔手爪〕的结构设计………………182.6机械手的机械传动机构的设计…………212.7机械手驱动系统的设计………………262.8机器人手臂的平衡机构设计……………33第3章理论分析和设计计算…………343.1液压传动系统设计计算………343.2电机选型有关参数计算………43第4章控制系统的设计………………474.1可编程控制器PLC……………………474.2PLC的选型……………514.3机械手的工艺流程……………………534.4机械手的PLC控制系统程序…………57第5章机械手本体设计………………595.1机械手零部件设计…………………..595.2机械手总成和零件图…………...….…61致谢……………………62参考文献………………63第1章绪论1.1机械手的概述机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大局部组成。手部是用来抓持工件〔或工具〕的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动〔摆动〕、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反响的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。机械手通常常机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步开展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中开展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速开展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步开展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成局部。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的开展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的开展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和开展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等根底知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对开展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和开展一直比拟活泼，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的开展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的开展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、效劳业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速开展，机械手技术也得到飞速的多元化开展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改良的方向主要是将低本钱和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反响，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步开展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。1.2机械手的设计目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术根底课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求到达：〔1〕通过设计，把握有关课程〔机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等〕中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，是这些知识得到稳固和开展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械手的设计是有关专业根底课和专业课以后的综合性的专业课程设计。〔2〕工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比拟完整的机电一体化的整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的根本方法和步骤，为自动化机械设计打下良好的根底。〔3〕通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册及标准，熟悉有关国家标准和局部标准，以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必须具备的根本技能训练。〔4〕由于机械手设计工作量比拟大，为使学生在短时间内得到完整训练，同学以小组为单位，分工合作共同完成此次机械手设计任务，这样既节省了时间，有解决了量大，时间紧的矛盾，同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。1.3机械手的设计内容1.3.1机械手的方案论证根据国内外同类产品现状，设计课题方案。1.3.2机械手的总体设计在方案论证的根底上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。1.3.3驱动系统的设计根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。1.3.4控制系统的设计确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。1.3.5传感与测试系统的设计进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。机械本体设计进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。1.4机械手的分类及其在生产中的应用1.4.1机械手的分类〔1〕油田钻柱操作机械手本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时,手部保持水平平动。上手的腰部回转角度为310°，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30m；②钻杆重量为：40Kg/m，总重1200Kg；③钻铤〔七英寸直径〕重量为：180Kg/m，总重5400Kg。〔2〕硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比方在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以到达3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有平安系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在平安外表时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手〔含硬臂式、软索式〕还可以在用户现场气压缺乏的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。〔3〕软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。〔4〕T型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有平安系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在平安外表时，操作者不能释放工件。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。1.4.2机械手在生产中的应用在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效方法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要方法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1.热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身平安，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成局部。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的开展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、去除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.5机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产本钱，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件、防止人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可局部或全部代替人平安地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以防止由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。1.6机械手的技术开展方向目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产开展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点开展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地开展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个根本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，开展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反响能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的开展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反响外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪〔即距离传感器〕以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反响控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，到达自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的开展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的开展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。第2章设计方案的论证2.1机械手的总体设计机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1.直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能到达很高的位置精度〔μm级〕。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比拟小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器人构造比拟简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3.球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器人结构简单、本钱较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4.关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比拟大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图2-1四种机器人坐标形式设计具体采用方案图2-2具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小本钱、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比拟简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。2.2机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个局部进行详细设计。机械手腰座结构的设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动局部全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原那么：1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器〔电动、液压及气动〕及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6.为了减轻机器人运动局部的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动局部的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比〔大于100〕，同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：图2-3腰座结构图2.3机械手手臂的结构设计机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原那么；1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，那么其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小〔其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3〕，但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比拟有效的方法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂剩余的不平衡重量。6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。设计具体采用方案机械手的垂直手臂〔大臂〕升降和水平手臂〔小臂〕的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，平安性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比拟容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原那么是缸的直径取得大一点〔在整体结构允许的情况下〕，再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，假设仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比拟好的解决了结构、稳定性的问题。2.4机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动〔包括腰座的回转运动〕，给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，那么给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，那么机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，本钱也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用别离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。设计具体采用方案通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高平安和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕〔手臂手爪联结梁〕结构见图2-4。图2-4手爪联结结构2.5机械手末端执行器〔手爪〕的结构设计机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口〔如法兰〕，使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式〔在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节〕。机器人夹持器的运动和驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。机器人夹持器〔手爪〕的驱动方式主要有三种1.气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。机器人夹持器的典型结构1.楔块杠杆式手爪：利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。2.滑槽式手爪：当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪：这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧〔放松〕运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪：这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪：采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。设计具体采用方案结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：图2-5机械手末端执行手爪结构图2.6机械手的机械传动机构的设计工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：1.为了提高机器人的运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件的重量要轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，假设为负斜率那么易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。4.缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。5.选用最正确传动比，以到达提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。6.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7.适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼适宜。工业机器人常用的传动机构形式1.齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系统中齿轮传动设计的一些问题〔1〕齿轮传动形式及其传动比的最正确匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出那么为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区〔失动量〕，假设该死区是闭环系统中，那么可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造本钱，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。〔2〕各级传动比的最正确分配原那么。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原那么如下：a．输出轴转角误差最小原那么为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传动比应按“先小后大”的原那么分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，那么〔2-1〕式中：-----第个齿轮所具有的转角误差；-----第个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。那么四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差〔、、...、〕换算到末级输出轴上的总转角误差为〔2-2〕由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。b．等效转动惯量最小原那么利用该原那么设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。具体而言有几点：〔1〕对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原那么来处理。〔2〕对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，防止同期啮合以降低噪音和振动。〔3〕对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小原那么；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1:3，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。〔4〕对以比拟大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。2.谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大〔几十到几百〕，传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差异。3.螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠〔滑动摩擦〕和滚珠丝杠〔滚动摩擦〕，前者结构简单、加工方便、制造本钱低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低〔30%~40%〕。后者虽然结构复杂、制造本钱高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高〔92%~98%〕，其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标：〔1〕滚珠丝杠的精度等级；〔2〕滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值；〔3〕载荷条件〔静、动载荷〕以及载荷允许值；〔4〕滚珠丝杠的工作寿命；〔5〕滚珠丝杠的临界转速；〔6〕滚珠丝杠的刚度；减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的1/3。4.同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高〔可达98%〕、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动〔可达40m/s〕、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5.钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。6.链传动在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。7.钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，本钱较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。设计具体采用方案具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比拟，选择圆柱齿轮传动，为了保证比拟高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比〔大于100〕，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。2.7机械手驱动系统的设计机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种根本类型组合成复合式的驱动系统。这三类根本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比拟成熟的技术，它具有动力大、力〔或力矩〕与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换〔电能转换成液压能〕，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2.气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器〔交流变频器、直流脉冲宽度调制器〕的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，本钱上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比拟突出，因此在机器人中被广泛的使用。工业机器人驱动系统的选择原那么设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能标准、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的根底上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：1.物料搬运〔包括上下料〕使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。机器人液压驱动系统液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人的液压系统这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：〔1〕液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。〔2〕定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比拟大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。〔3〕对惯量比拟大的运动轴的液压缸两侧最好加设平安保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械结构。〔4〕液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储藏。2.伺服控制机器人的液压系统具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸，电-液步进马达，电-液步进液压缸，液压回转伺服执行器〔RSA-RotoryServeActuator〕等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是别离式，也可以是组合成为一体。如果是别离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达，也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀，通过机械反响，驱动转子运动的一种电-液伺服机构。它可安装在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。机器人气动驱动系统气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作平安可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器〔PLC〕。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几局部组成。1.气源由总压缩空气站提供。气源局部包括空气压缩机，储气罐，气水别离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是别离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不管是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4.气动执行机构多数情况下使用气缸〔直线气缸或摆动气缸〕。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外〔如手爪机构上用的〕，多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式〔如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等〕由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比拟多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。5.制动器气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。6.限位器气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机器人中应用比拟理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构〔插锁，滑块等〕将机器人运动机构锁定。再启动时，事先翻开锁紧机构。机器人电动驱动系统这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下所示：在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机〔力矩电机〕，反响式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现局部组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度，国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转变压器每转可达40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机〔DD驱动电机〕在快速高精度定位的装配机器人中已经得到应用。1.机器人驱动系统电机的选择机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表2-1：表2-1名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，快速反响性好，低速性好，调速比可达1：10e4范围，但低速输出力矩不大，转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳。无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下又称力矩电机，其转子较粗适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器表2-1续表反响步进电机将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器同步交流伺服电动机转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组可通过大电流，故起、制动转矩不降低，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比拟细主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中交流PWM变频调速器异步交流伺服电动机转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，机构简单，容量大，价格低定子由对称三相绕组组成，用于数控机床主轴等容量大的场合交流PWM变频调速器2.机器人电动驱动系统伺服驱动器〔1〕直流电机伺服驱动器直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制〔PWM〕伺服驱动器。其电源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。〔2〕步进电机驱动器步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几局部组成。脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电机按着一定的规律运动。功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。目前功率放大器多采用上下压驱动电路。这种电路有高、低压二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。而当到达步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压参加的时间长短由控制电路来实现。设计具体采用方案具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。2.8机器人手臂的平衡机构设计直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能到达平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。机器人平衡机构的形式通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：1.配重平衡机构这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比拟小的情况下采用这种平衡机构。2.弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。3.活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比拟大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。设计具体采用的方案因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能到达平衡。假设实际工作中平衡结果不满足，那么设置弹簧平衡机构进行平衡。第3章理论分析和设计计算3.1液压传动系统设计计算确定液压系统根本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：表3-1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动；小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格廉价高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比拟简单的节流阀来实现。液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用平安阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，防止液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图3-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的平安性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。图3-1机械手的液压系统原理图确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。〔1〕.计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为〔3-1〕式中，-----为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；------为活塞上所受的惯性力；------为密封阻力；------为导向装置的摩擦阻力；------为回油被压形成的阻力；=1\*GB3①的计算〔3-2〕式中，------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；------为重力加速度，；------为速度变化量；------启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s将各值带入上式，得：=1.02=2\*GB3②的计算〔3-3〕式中，-----克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；------为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：=283N=3\*GB3③的计算机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为〔3-4〕式中，------为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；------为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得：=98④的计算回油背压形成的阻力按下式计算〔3-5〕式中，-----为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。⑵.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足：〔3-6〕式中，-----为所需夹持力；-----平安系数，通常取1.2~2；-----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；-----方位系数，查表选取；-----被抓持工件的重量30；带入数据，计算得：；理论驱动力的计算：〔3-7〕式中，----为柱塞缸所需理论驱动力；----为夹紧力至回转支点的垂直距离；-----为扇形齿轮分度圆半径；-----为手指夹紧力；---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得计算驱动力计算公式为：〔3-8〕式中，-----为计算驱动力；---平安系数，此处选1.2；---工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得：而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有〔3-9〕式中，---为柱塞缸工作油压；----为柱塞截面积；经计算，所需的油压约为：⑶.液压缸主要参数确实定针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、平安性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用适宜的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的根本参数如下；表3-2手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力20520803~6注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。表3-3水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，在其轴向上并不承受显性的工作载荷〔因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向〕，轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比拟大的工作行程。同时具有比拟大的弯矩和比拟长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了到达这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。表3-4垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比拟大的倾覆力矩〔由加工工件的重力引起的〕。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。⑷.液压缸强度的较核①缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的较