桶装矿泉水码垛机械手

目录TOC\o"1-3"\h\z\u1643摘要3133621绪论455621.1机械手概述4297531.2机械手的组成5175071.3机械手的分类8292171.4国内外开展状况10109152机械手的驱动方式、类型和参数1298832.1驱动方式选取12169342.2机械手类型的选取133502.3机械手主要技术参数1534833手部和腕部结构设计16196873.1手部结构设计16210893.2机械手腕部结构设计2188924小臂和大臂结构设计302454.1小臂结构设计30169484.2大臂的尺寸和机构设计34258765腰部和基座结构设计4088245.1腰部和基座的结构设计40280505.2回转支撑轴承的选取40965.3力矩电机的选取41170816运动仿真44304306.1各机构运动分析 44546.2用表定义各运动副46208696.3创立运动分析47147216.4回放结果并录制播放文件4716902总结与体会4916902致谢5010872参考文献51摘要机械手是在机械化、自动化生产过程中开展起来的一种新装置。本次设计的是桶装水码垛机械手，作用是码垛桶装水。它有六个自由度，主要采用液压驱动，此外，还有力矩电机和伺服电机驱动。液压缸选用的均是HSG型液压缸。它主要由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部组成。本次设计选取了回转支撑轴承来实现腰部和手腕的回转运动。机构设计完成之后，本次设计还对机械手对桶装水的码垛过程进行运动仿真，主要是分析各局部速度和加速度。【关键词】机械手、码垛、桶装水、运动仿真AbstractTherobotisanewdevicedevelopedintheprocessofmechanizationandautomationofproduction。Thedesignofthisisbottledwaterpalletizingrobot,theroleofpalletizingbottledwater.Ithassixdegreesoffreedom,mainhydraulicdrive,Inaddition,thereisatorquemotorandservomotordrive.ThehydrauliccylinderselectionareHSGhydrauliccylinder.Itismainlycomposedbythebase,waist,arm,forearm,wristandhand.ThedesignselectedSlewingbearingtotherotarymotionofthewaistandwrist.Afterthecompletionofthemechanicaldesign,thedesignrobotpalletizingofbottledwatermotionsimulationanalysisofthevariouspartsofvelocityandacceleration.【Keywords】Robot；Palletizing；BottledWater；Movementsimulation1前言图1.1码垛机械手1.1机械手概述机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活泼，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反响和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和效劳性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的局部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现平安生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比拟简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的开展，制成了能够独立的按过程控制实现重复操作，适用范围比拟广的“过程控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成图1-2机械手的组成方框图机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-2所示。(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与对象接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与对象直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比拟复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取对象的外表形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和对象的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构那么通过手指产生夹紧力来完成夹放对象的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的对象形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包局部)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓对象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取对象，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承当手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一局部，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动那么应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的根底局部，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(2)驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由过程控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(4)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反响给控制系统，并与设定的位置进行比拟，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。1.3机械手的分类机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(1)按使用范围分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。假设机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，本钱高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，本钱低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有开展前途。(3)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。假设欲控制的点数多，那么必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.4国内外开展状况国外机器人领域开展近几年有如下几个趋势:1、工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。2、机械结构向模块化、可重构化开展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。3、工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。4、机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人那么采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5、虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6、当代遥控机器人系统的开展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7、机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己根本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了局部机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”方案的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等根底技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的开展根底。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面那么刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的根底上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

2机械手的驱动方式、类型和参数对码垛机械手的根本要求是能快速、准确地拾-放和搬运对象，这就要求它们具有较高的精度、快速反响、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计机械手的原那么是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是桶装水码垛机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。2.1驱动方式选取下表2.1为各种驱动方式的比拟：表2.1驱动方式的比拟内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动机械传动输出功率很大，压力范围为50～140Pa大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa较大不太大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反响灵敏，可实现连续轨迹控制不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反响灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂控制精度高，反响灵敏响应速度

很高较高很高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题结构较复杂，结构性能好，传动平稳，但体积大平安性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差比拟平安对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无工作时有噪音在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位过程控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等适用于中小负载，它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。成本液压组件本钱较高本钱低本钱高一般维修及使用方便方便较复杂方便机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1、驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2、反响速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3、驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4、平安可靠；5、操作和维护方便；6、对环境无污染，噪声要小；7、经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。综合上述选情况，选取液压传动。2.2机械手类型的选取机械手属于空间机构，由于结构上的原因运动副通常只有转动副和移动副。其中，用转动副相连的的关节称转动关节〔记作R〕；用移动副相连的关节那么称移动关节〔记作P〕。这些关节中，但凡单独驱动的称主动关节，反之那么是从动关节。单独驱动的主关节数目即是机械手的自由度数目。一般来说运动链的自由度和手部运动的自由度在数目上是相等的。如图2-1所示的PUMA操作机属6自由度开链串联型。前3个关节具有3个自由度，功能是确定手部的空间位置。所以这3个关节和联接他们的臂杆所构成的机构被称为机械手的位置机构，后3个关节主要是确定手部的空间姿态。所以这3个关节和联接他们的杆件构成的机构被称为姿态机构。位置机构可根本确定操作机的空间工作范围，所以前3个关节通常称作操作机的主运动。操作机可根据前3个关节不同的运动组合形式进行分类。1、直角坐标型机械手直角坐标型机械手是通过3个互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置。其前3个关节为移动关节，运动型式如图2-2所示。该类机易于实现高精度定位，空间轨迹易于求解，但具有相同的操作空间是，机体占空间较大。2、圆柱坐标型机械手圆柱型坐标机械手是通过两个移动副和一个转动副来实现手部的空间位置变化,如图2-3所示。有名的Versatran机器人就具有这样的机械手，在相同的工作空间下，该种操作机所占的空间体积要小于直角坐标型操作机。该种机械构简单，便于几何计算，通常用于搬运机械手。3、球坐标型机械手球型坐标机械手是通过两个转动副和一个移动副来实现手部的空间位置变化。一般是腰关节可绕z轴转动，大臂可在z-x平面俯仰，小臂可伸缩运动。这种机械手的特点是结构紧凑，所占空间体积小，但目前应用较少。4、关节型机械手关节型机械手是模拟人的上臂而构成的。它的前三个关节是转动关节，腰关节绕z轴转动，臂的两个关节绕平行于y轴的两轴线转动,如图2-4所示。它利用顺序的三次圆弧运动来改变手的空间位置，其机构特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物。这是机器人中使用最多的一种形式。PNMA、CINCINNATIT3、MOTOMAN、ABB、KUKA等名牌机器人都采用这种形式的机械手。为跟上时代步伐，为以后工作打根底，本次设计选用垂直关节型机械手。2.3机械手主要技术参数〔1〕工件重量机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，抓取力大，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为38公斤。〔2〕根本参数运动速度是机械手主要的根本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是腰部的旋转、大臂的摆动和小臂的摆动。具体技术参数如下表所示：表2.2机械手根本参数动作形态垂直关节型自由度5可搬质量38kg位置重复精度1mm动作范围腰部旋转300°大臂摆动115°小臂摆动140°手腕伸缩0°最大速度腰部旋转110°/s大臂摆动110°/s小臂摆动110°/s手腕旋转110°/s3手部和腕部结构设计3.1手部结构设计机械手的手部是用来抓持工件的部件，将直接影响到机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：1、结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计2、手指应有一定的开闭范围。它的大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。3、手指应有足够的夹紧力，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷4、应能保证工件在手指内准确定位。〔1〕夹紧方案确实定机械手夹持器有很多方式，包括滑槽杠杆式回转型夹持器、连杆杠杆回转型夹持器、齿轮齿条平行连杆平移式夹持器、左右旋丝杆平移型夹持器、内撑式连杆杠杆夹持器等。根据夹持桶装水的实际情况齿轮齿条平行连杆平移式夹持器，如以下图3-1所示：图3-1齿轮齿条平行连杆平移式〔2〕手部液压缸的计算和选取液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件的运动速度和结构尺寸。〔3〕液压缸输出力〔4〕液压缸阻力式中，为液压缸所要移动的总重量，取为1000N；为重力加速度，；为速度变化量，取0.2m/s；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=102N;所以：〔5〕夹紧力Fn和驱动力Fp的关系如图2-5所示，当驱动器推杆往上运动时，两滑块向中间收拢，产生夹紧力，夹紧力和驱动力的关系：式中，手部夹紧力液压缸驱动力齿轮分度圆半径，为75mm连杆长度,为200mm连杆与竖直方向的夹角 当和一定时，将随增大而增大，当时夹紧力为最小值。〔6〕夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷〔惯性力或惯性力矩〕以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按以下公式计算：式中：—平安系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.2；—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数,，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值〔m/s〕；—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指垂直放置工件垂直放置；手指与工件形状：圆弧型指端夹持圆柱型工件，，为摩擦系数，取=0.5，此处粗略计算—被抓取工件的重量求得夹紧力，〔7〕理论驱动力和实际驱动力的计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：当为连杆与竖直方向的夹角，当为0时，夹紧力最小，即当为0能夹紧工件，那么其它时候均能夹紧。得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.8～0.9，此处取0.88，那么：〔8〕手部液压缸的选用液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中:-活塞杆上的推力，N-弹簧反作用力，N-液压缸工作时的总阻力，N-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中:-弹簧刚度，N/m-弹簧预压缩量，m-活塞行程，m-弹簧钢丝直径，m-弹簧平均直径，.-弹簧有效圈数.-弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，那么:由以上分析得单向作用液压缸的直径:代入有关数据，可得所以：:查有关手册圆整，根据实际情况，选取:内径外径其简图如下：图3.2HSG型活塞杆端外螺纹连接液压缸3.2机械手腕部结构设计机械手腕部是小臂和手臂的联接部件，其作用是利用自身的活动度来确定手部夹持工件的空间状态，也可以说是确定手部的姿态。故腕部也称作机械手的姿态机构。〔1〕腕部的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是竖直放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕Z轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为伺服电动机，因此我们选用伺服电动机。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反响，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。且体积小，驱动力矩大。〔2〕腕部的结构如以下图3-3所示，伺服电动机通过工字钢固定在机架中间，通过联轴器带动图3-3手腕腕部旋转，进而带动手部旋转。腕部相对机架间的旋转是通过回转支撑轴承中的薄壁交叉滚子轴承实现的。回转支承轴承是一种能够承受综合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。其简图如以下图：图3-4薄壁交叉滚子轴承实物图如下：图3-5薄壁交叉滚子轴承〔3〕手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:式中:-驱动手腕转动的驱动力矩();-惯性力矩();-参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M：假设手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，那么:式中:-参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;-工件对手腕转动轴线的转动惯量。假设工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中:-桶装水对过重心轴线的转动惯量；-桶装水的重量(N);-桶装水的重心到转动轴线的偏心距(cm),-手腕转动时的角速度(弧度/s);-起动过程所需的时间(s);—起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和桶装水的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩+式中:-手腕转动件的重量(N);-手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，那么.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩式中:，-转动轴的轴颈直径(cm);-摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,-轴颈处的支承反力。〔4〕伺服电动机的选取测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：〔〕两桶桶装水的质量为38,质量分布于轴线对称的两边，重心到轴线的距离为135mm，那么转动惯量：假设工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为:手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,那么：+手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于薄壁支撑轴承，，为手腕转动轴的轴颈直径，,,,为轴颈处的支承反力，粗略估计,。所以，驱动手腕的驱动力矩:由上述数据，选择SD系列交流伺服电动机中的SD15型伺服电动机，其简图如下：图3-6SD15型伺服电动机其技术参数如下表3.1：表3.1SD15型伺服电机的参数型号最大输出功率/W额定电压/V频率/Hz空载转速〔r/min〕额定转矩/N.m外形尺寸/mm重量励磁控制机壳外径总长轴径/KgSD15101101105015392150312284〔5〕液压缸输出力〔6〕液压缸阻力式中，为液压缸所要移动的总重量，取为1500N；为重力加速度，；为速度变化量，取0.2m/s；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=152.9N;所以：〔7〕驱动手腕绕小臂旋转的最大力计算手腕绕小臂旋转需克服旋转时与小臂接触产生的摩擦力，与液压缸接触产生的摩擦力，设它们的摩擦系数均为0.1，、均为1500N，那么：因为始终要保证手部和手腕与地面垂直，小臂上驱动手腕绕小臂旋转的液压缸只是保证其精度，对其驱动力要求不大，因此只需克服摩擦力、，即：式中，为液压缸驱动力为旋转时克服的摩擦力为液压缸的摩擦力〔8〕驱动手腕绕小臂旋转的液压缸的选用液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中:-活塞杆上的推力，N-弹簧反作用力，N-液压缸工作时的总阻力，N-液压缸工作压力，Pa因为选定的液压缸与手部的驱动液压缸为同一种类型，且其要求的驱动力远大于此液压缸的驱动力，因此同样选取：内径外径其结构简图如下：图3-7HSG型活塞杆端为外螺纹耳环连接液压缸4小臂和大臂结构设计4.1小臂结构设计它由执行系统的动力关节和连杆等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器的部件。小臂自身重量较大，还要承受手腕、夹持器和桶装水的重量，以及在运动中产生的动载荷，故其受力情况较复杂。〔1〕小臂结构和尺寸设计本次设计的手臂如以下图：图4-1小臂其尺寸为：长×宽×高=800×150×150，它是手腕和大臂之间的连接件，其连接方式如以下图4-2：图4-2小臂连接方式〔2〕驱动小臂旋转的液压缸的计算和选取液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件的运动速度和结构尺寸。〔3〕液压缸输出力〔4〕液压缸阻力式中，为液压缸所要移动的总重量，取为1000N；为重力加速度，；为速度变化量，取0.2m/s；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=102N所以：〔5〕小臂、手腕等全部重力Fn和驱动力Fp的关系当液压缸与水平方向的夹角为=30°时，为机械手的最大抓取范围，也是驱动力最大的时候，此时和驱动力的关系：式中，小臂、手腕、手部和桶装水全部重力，估为1500N液压缸驱动力液压缸与水平方向的夹角,最大范围时为30°液压缸头部和尾部的水平距离，为300mm小臂、手腕、手部和桶装水整体的重心与液压缸尾部的水平距离,估为1200mm由上述数据可得：〔6〕驱动小臂液压缸的选用液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中:-活塞杆上的推力，N-弹簧反作用力，N-液压缸工作时的总阻力，N-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中:-弹簧刚度，N/m-弹簧预压缩量，m-活塞行程，m-弹簧钢丝直径，m-弹簧平均直径，.-弹簧有效圈数.-弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，那么:由以上分析得单向作用液压缸的直径:代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，根据实际情况，选取内径外径其简图如下：图4-3HSG型活塞杆头外螺纹耳环连接4.2大臂的尺寸和机构设计大臂是用来支撑和调整小臂、手腕和末端执行器的位置的部件。手臂自身重量较大，还要承受小臂、手腕、末端执行器和桶装水的重量，以及在运动中产生的动载荷，故其受力情况较复杂。大臂一般安装在机座上。〔1〕大臂的设计要求大臂设计要求有以下几点：1、大臂的结构和尺寸应满足机械手完成作业任务提出的工作空间要求。2、根据大臂所承受的载荷和结构特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料；如常采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其弯曲刚度和扭转刚度，减轻自身重量。3、尽量减小大臂重量和相对其关节回转的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减小转动的动载荷与冲击，提高手臂的响应速度。4、要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。〔2〕大臂的结构、尺寸及材料以下图为大臂的结构简图：图4-4大臂其尺寸为：长×宽×高=1500×150×150，材料选取Q235A。(3)驱动大臂的液压缸的选取液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件的运动速度和结构尺寸。(4)液压缸输出力(5)液压缸阻力式中，为液压缸所要移动的总重量，取为3500N；为重力加速度，；为速度变化量，取0.2m/s；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=357N;所以：(6)大臂的承载力Fn和驱动力Fp的关系当液压缸与竖直方向的夹角为=30°时，为机械手的最大抓取范围，也是驱动力最大的时候，此时和驱动力的关系：式中，大臂、小臂、手腕、手部和桶装水全部重力，估为3500N液压缸驱动力液压缸与竖直方向的夹角,最大范围时为30°液压缸头部和大臂和基座连接点的水平距离，为400mm大臂、小臂、手腕、手部和桶装水整体的重心与液压缸尾部的水平距离,估为1800mm由上述数据可得： (7)手部液压缸的选用大臂的驱动选用双液压缸驱动，液压缸选取HSG型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa。根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中:-活塞杆上的推力，N-弹簧反作用力，N-液压缸工作时的总阻力，N-液压缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中:-弹簧刚度，N/m-弹簧预压缩量，m-活塞行程，m-弹簧钢丝直径，m-弹簧平均直径，.-弹簧有效圈数.-弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，那么:由以上分析得单向作用液压缸的直径:代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，根据实际情况，选取内径外径其简图如下：图4-5HSG型活塞杆头外螺纹耳环连接液压缸5腰部和基座结构设计5.1腰部和基座的结构设计本次设计的腰部和基座结构如以下图所示：图5-1基座图5-2腰部

腰部和基座之间用回转支撑轴承连接。腰部的回转运动为力矩电机直接驱动。力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。这种电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。力矩电机包括：直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。它具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点，可直接驱动负载省去减速传动齿轮，从而提高了系统的运行精度。图5-3力矩电机

5.2回转支撑轴承的选取本次设计选取回转支撑轴承为交叉圆锥滚子轴承，交叉圆锥滚子轴承的预过盈能使轴承具有较大的支撑刚性和回转精度，其结构简图如以下图5-4：图5-4交叉圆锥滚子轴承

选取的交叉滚子轴承尺寸如下表5.1：表5.1交叉圆锥滚子轴承参数轴承类型子分类国内型号规格〔d×D×T〕重量(kg)回转支撑轴承交叉圆锥滚子轴承528×732×751005.3力矩电机的选取腰部回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，腰部的转动轴与轴承处的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:式中:-驱动手腕转动的驱动力矩();-惯性力矩();(1)腰部加速运动时产生的惯性力矩假设腰部起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，那么:式中:-参与腰部转动的部件对转动轴线的转动惯量;-腰部转动时的角速度(弧度/s);-起动过程所需的时间(s);(2)腰部转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩式中:，-转动轴的轴颈直径(cm);-摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,-处的支承反力(N)，估为4000N，为2000N。(3)选取电机测定参与腰部转动的的腰部的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：〔〕大臂、小臂、手腕和桶装水的重心与转动轴线不重合，最大偏心距，其转动惯量为:〔4〕腰部转动轴的摩擦阻力矩为，对于回转支撑轴承，，为手腕转动轴的轴颈直径，,,,为轴颈处的支承反力，粗略估计,,所以，驱动腰部的驱动力矩:(5-7)由上述结果可选YLJ系列力矩三相异步电动机，其技术参数如下表：表5.2YLJ电机技术参数型号中心高mm输出力矩N.m极数最大电流A堵转时间minYLJ180-200/6180200610026运动仿真机械手的运动仿真设计中，主要是模拟腰部的转动、大臂和小臂的俯仰运动、手腕的转动和夹持器的夹持动作。6.1各机构运动分析在已装好的组件中，在菜单命令中点选【应用程序】主菜单中的【机构】选项，进入机械仿真界面，单击定义伺服电机，出现以下图6-1：点击腰部的回转轴线，点击【运动轴】，然后点击【轮廓】，出现以下图6-2：图6-1图6-2然后在【模】下边选取【摆线】，出现以下图6-3，并填写如图中的数据：点击【图形】下边，出现伺服电机带动腰部转动的位置图，如以下图6-4：图6-3图6-4然后选取【速度】，点击，出现速度图，如以下图6-5：然后选取【加速度】，点击，出现加速度图，如以下图6-6：图6-5图6-6然后【位置】【速度】【加速度】均选取，点击，出现以下图6-7：图6-7其中绿色线代表位置，蓝色线代表加速度，剩余那条线代表速度。由表2.2可知腰部的回转速度，大臂、小臂、手腕的俯仰速