碼垛機(jī)器人三維設(shè)計(jì)（含SW三維圖+CAD圖紙+說(shuō)明書(shū)）

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This topic requires a robot that can be moved automatically, enabling quick and accurate handling of the stack to the designated area. This paper mainly carries on the design research to the handling manipulator. Industrial robots are developed in recent decades as a high-tech automatic production equipment. Industrial robots are also an important branch of industrial robots. His characteristic is that it can be programmed to complete the various expected operations, both in the structure and performance of both the advantages of the machine and the machine, especially in the human intelligence and adaptability. The accuracy of the operation of the robot and the ability to complete the operation in the environment, in the field of national economy has a wide range of development space. Keywords: industrial， manipulator handling grab 第1章 緒論 1.1 課題研究的目的意義 窗體頂端 1962年，機(jī)械鑄造公司制造成為一個(gè)nc實(shí)踐教學(xué)操縱器。經(jīng)銷(xiāo)商叫Unimate。復(fù)制罐轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)，俯仰功能，采用液壓驅(qū)動(dòng);帶有磁鼓存儲(chǔ)設(shè)備的控制系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多球面坐標(biāo)型通用機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司是一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)，它可以實(shí)現(xiàn)靈活的操作，機(jī)械手的中心支柱在其原有的功能基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂，升降，定標(biāo)。雖然兩個(gè)操縱器出現(xiàn)在60年代初，但是外國(guó)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展的基礎(chǔ)。 在1978年的斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了許多類(lèi)型的工業(yè)機(jī)械手關(guān)節(jié)型，具有小型電子計(jì)算機(jī)控制，用于裝配線作業(yè)，定位誤差小于1 mm，這使得機(jī)械手的發(fā)展到新的高度。窗體底端 本項(xiàng)目來(lái)源于某糖廠生產(chǎn)的糖包運(yùn)輸線末端需要機(jī)械手搬運(yùn)堆垛時(shí)，糖包需要快速準(zhǔn)確的移動(dòng)到指定區(qū)域按規(guī)律進(jìn)行堆垛，現(xiàn)今現(xiàn)場(chǎng)操作基本都是手動(dòng)完成，這樣操作不安全、速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以設(shè)計(jì)一套抓取搬運(yùn)機(jī)械手來(lái)替代工人進(jìn)行快速準(zhǔn)確的工作迫在眉睫，機(jī)械手可減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。這一課題需要一個(gè)能自動(dòng)搬運(yùn)的機(jī)械手，能實(shí)現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的搬運(yùn)堆垛到指定區(qū)域。 此外，專(zhuān)業(yè)學(xué)生的機(jī)電一體化，將在現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，電子技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合與融合，豐富的內(nèi)容，覆蓋面，跨學(xué)科性，并導(dǎo)致學(xué)生獲得他們所學(xué)到的關(guān)于現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)的課程知識(shí)能力的基礎(chǔ)的綜合利用。另一方面，通過(guò)CAD軟件的研究和應(yīng)用，可以提高繪圖效率和表面質(zhì)量，進(jìn)一步提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，以及后來(lái)進(jìn)入現(xiàn)代機(jī)電設(shè)計(jì)領(lǐng)域良好的基礎(chǔ)。 機(jī)器人機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，主要解決的關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)將直接影響到未來(lái)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的影響。 具體設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下： （1）結(jié)構(gòu)形式：多關(guān)節(jié)機(jī)械手； （2）物料尺寸：L*W*H=500*300*150mm； （3）質(zhì)量：10Kg； （4）驅(qū)動(dòng)方式：伺服電機(jī)； （5）最大作業(yè)范圍1500mm； （6）重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度：±0.10mm； （7）工作效率：5c/min； （8）環(huán)境溫度:0-60℃； （9）安裝方式:地面安裝。 1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r 窗體頂端 1962年，機(jī)械鑄造公司制造成為一個(gè)nc實(shí)踐教學(xué)操縱器。經(jīng)銷(xiāo)商叫Unimate。復(fù)制罐轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)，俯仰功能，采用液壓驅(qū)動(dòng);帶有磁鼓存儲(chǔ)設(shè)備的控制系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多球面坐標(biāo)型通用機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司是一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)，它可以實(shí)現(xiàn)靈活的操作，機(jī)械手的中心支柱在其原有的功能基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂，升降，定標(biāo)。雖然兩個(gè)操縱器出現(xiàn)在60年代初，但是外國(guó)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展的基礎(chǔ)。 在1978年的斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了許多類(lèi)型的工業(yè)機(jī)械手關(guān)節(jié)型，具有小型電子計(jì)算機(jī)控制，用于裝配線作業(yè)，定位誤差小于1 mm，這使得機(jī)械手的發(fā)展到新的高度。窗體底端 1962年，機(jī)械鑄造公司制造成為一個(gè)nc實(shí)踐教學(xué)操縱器。經(jīng)銷(xiāo)商叫Unimate。復(fù)制罐轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)，俯仰功能，采用液壓驅(qū)動(dòng)；帶有磁鼓存儲(chǔ)設(shè)備的控制系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多球面坐標(biāo)型通用機(jī)械手。 美國(guó)還通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了操縱器的可靠性和穩(wěn)定性，從而降低了成本。如果HuiPuMan機(jī)械手建立試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能試驗(yàn)。準(zhǔn)備意味著故障時(shí)間（注意：平均故障時(shí)間是一個(gè)設(shè)備可靠性的度量，它顯示了第一次故障之前的平均經(jīng)過(guò)時(shí)間），從400小時(shí)增加到400小時(shí)，可以將精度提高到0.1 mm 。 1970年，德國(guó)開(kāi)始應(yīng)用操縱器，設(shè)計(jì)這個(gè)的目的主要是用于一些工礦比較惡劣的條件下，代替人工來(lái)作業(yè)，比如起重，運(yùn)輸，焊接和準(zhǔn)備上下料等。接頭結(jié)構(gòu)用于德國(guó)西門(mén)子和程序控制，使焊接機(jī)械手的功能。 現(xiàn)代日本是一個(gè)擁有最大工業(yè)操縱者的國(guó)家，這是增長(zhǎng)最快的應(yīng)用。從美國(guó)介紹了兩種典型的機(jī)械手，日本在此基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新，做機(jī)器人更容易實(shí)用。數(shù)據(jù)顯示，1979年，從事機(jī)械手方面研究的企業(yè)或單位等已經(jīng)到達(dá)80多個(gè)之多。1976年，大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)對(duì)機(jī)械手的研究已經(jīng)超過(guò)了42％的占比。 1979年日本產(chǎn)值443億元的機(jī)械手，生產(chǎn)14535臺(tái)。其中，固定程序、可變動(dòng)的占據(jù)了一半之多，涉及金額高達(dá)228億日元，這個(gè)數(shù)據(jù)是1978年的兩倍。帶有操縱器輸出值的記憶功能的研究約合在67億日元，這相比與1978年，已經(jīng)增長(zhǎng)了一半。智能操縱器約17億日元，六次到1979年，累計(jì)生產(chǎn)56900套機(jī)械手。這個(gè)數(shù)字占了世界。約占70％，年均增長(zhǎng)率達(dá)50％?60％。汽車(chē)行業(yè)是使用機(jī)械手最多的行業(yè)，其次是電機(jī)行業(yè)，在其次是電器行業(yè)。到1990年將有550000個(gè)機(jī)器人在工作。 自1980年代以來(lái)，進(jìn)入國(guó)家的操縱者和獲得進(jìn)一步發(fā)展。作為一個(gè)整體，為了滿足現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展的需要，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)更傾向于滿足以下特點(diǎn)：活動(dòng)范圍廣，工作靈活，操作控制方便，可滿足需求不同行業(yè)。比如說(shuō)，日本的安川機(jī)械手公司設(shè)計(jì)的機(jī)械手，具有不要同的關(guān)節(jié)，根據(jù)同步的作業(yè)條件選擇對(duì)應(yīng)的多關(guān)節(jié)工作機(jī)械手，通過(guò)對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的改變，實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)任務(wù)。如：噴漆、焊接、檢測(cè)等等。 條件允許的情況下，還應(yīng)該大力研究伺服，存儲(chǔ)器等，并具有人手的性能，如觸摸，視覺(jué)，考慮和計(jì)算機(jī)組合，逐漸成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)的基本單位，從而進(jìn)一步縮小并受到德國(guó)和日本等機(jī)器人國(guó)外國(guó)家的快速發(fā)展，兩者之間的差距。 1.3 機(jī)械手的組成與分類(lèi) 1.3.1機(jī)械手的組成 通常來(lái)說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三個(gè)部分共同組成機(jī)器人整體。 和人和類(lèi)似的手臂動(dòng)作功能的本體結(jié)構(gòu)。可以在空間中進(jìn)行抓取物體或其他操作，由機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置組成。 機(jī)器人包括末端執(zhí)行器，臂，手腕，框架和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 這里是部分結(jié)構(gòu)的介紹。 （1）執(zhí)行結(jié)構(gòu)一般位于機(jī)械手的末端，稱(chēng)之為手爪。機(jī)器人是直接用來(lái)抓住(或吸附)工件或維護(hù)特殊工具(如槍支、扳手、焊接工具)操作部分，它能模仿人手的動(dòng)作。爪是安裝在前面的胳膊，它的結(jié)構(gòu)和大小可以根據(jù)不同的需求而設(shè)計(jì)的。夾具機(jī)械設(shè)備一般可分為三類(lèi)，分別為吸附終端執(zhí)行器和特殊工具。重要的是要強(qiáng)調(diào)的是，我需要完整的機(jī)器人的重量處理功能設(shè)計(jì)，可以在一定條件下焊接。 （2）手腕：連接到臂和部件的末端執(zhí)行器。由于手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以更靈活，更廣泛的實(shí)現(xiàn)提升手柄。 （3）手臂：臂用于支撐手腕和部件末端的執(zhí)行器。它包括驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置，定位裝置和原始檢測(cè)等。 （4）基座是機(jī)器人的基本部分，一般分為固定和移動(dòng)兩種，用于支持。直接支持臂部分，從而實(shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)。 1.3.2機(jī)械手的分類(lèi) 工業(yè)機(jī)械手按一般意義來(lái)說(shuō)，有幾種分類(lèi)方式：可按應(yīng)用用途、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)分類(lèi)。 按用途分機(jī)械手可分為通用機(jī)械手與專(zhuān)業(yè)機(jī)械手兩大類(lèi)。 (1)通用機(jī)械手 通用機(jī)械手最大的操縱控制器是獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，此外，通用機(jī)械手操作范圍、高定位精度和通用性。因此，您可以調(diào)整他們的行動(dòng)計(jì)劃，機(jī)械手應(yīng)用在不同的場(chǎng)合。目前，通用機(jī)器人生產(chǎn)中小型生產(chǎn)更多的應(yīng)用程序。根據(jù)其控制通用機(jī)械手定位以不同的方式可分為兩種:簡(jiǎn)單、伺服式容易”打開(kāi)和關(guān)閉控制定位，只有位置控制，伺服類(lèi)型可能有點(diǎn)。 （2）專(zhuān)用機(jī)械手? 與通用機(jī)械手相比，特殊機(jī)械手有更少的工作行動(dòng)的特點(diǎn)，單一的工作對(duì)象，定位精度低。它可以用于大量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床、加工中心、自動(dòng)上下。 2.按驅(qū)動(dòng)方式分? （1）液壓機(jī)械手 使用液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手。 其特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)態(tài)磁化率高。 因?yàn)槁┯蛯?duì)機(jī)械手的工作性能影響很大。 所以機(jī)械手是嚴(yán)格的密封。 此外，不能在高溫或低溫下工作。 （2）氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 使用壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是:小的輸出，氣動(dòng)快速行動(dòng)，快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 由于空氣的性質(zhì)是可壓縮的，這種機(jī)械手的沖擊功大，速度穩(wěn)定，相對(duì)于液壓機(jī)械手，氣動(dòng)機(jī)械手更適合在高溫和輕負(fù)荷的環(huán)境中工作。? (3)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)械手? 機(jī)器人由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)是簡(jiǎn)單的，因?yàn)樗恍枰环N中間切換機(jī)制。另外，該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度快，行程長(zhǎng)。雖然應(yīng)用不多，但很有發(fā)展前途。? 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 窗體頂端 1962年，機(jī)械鑄造公司制造成為一個(gè)nc實(shí)踐教學(xué)操縱器。經(jīng)銷(xiāo)商叫Unimate。復(fù)制罐轉(zhuǎn)塔運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)臂旋轉(zhuǎn)，俯仰功能，采用液壓驅(qū)動(dòng);帶有磁鼓存儲(chǔ)設(shè)備的控制系統(tǒng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多球面坐標(biāo)型通用機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司是一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)，它可以實(shí)現(xiàn)靈活的操作，機(jī)械手的中心支柱在其原有的功能基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂，升降，定標(biāo)。雖然兩個(gè)操縱器出現(xiàn)在60年代初，但是外國(guó)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展的基礎(chǔ)。 在1978年的斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了許多類(lèi)型的工業(yè)機(jī)械手關(guān)節(jié)型，具有小型電子計(jì)算機(jī)控制，用于裝配線作業(yè)，定位誤差小于1 mm，這使得機(jī)械手的發(fā)展到新的高度。窗體底端 為了更好的完成本次設(shè)計(jì)內(nèi)容，首先需要查閱盡可能多的相關(guān)資料，充分了解相關(guān)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理。然后按照 本次的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)多關(guān)節(jié)型物料搬運(yùn)機(jī)械手。 主要需要設(shè)計(jì)機(jī)械手的腰部基座，這部分為機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以在水平面內(nèi)任意角度旋轉(zhuǎn)，以滿足機(jī)械手在基座一定的半徑范圍內(nèi)作業(yè)。以及機(jī)械手的大臂、小臂。主要設(shè)計(jì)任務(wù)有： 1.根據(jù)已知袋裝物料如大米等的尺寸、重量及工作要求，研究設(shè)計(jì)出抓取機(jī)械手。 2.該設(shè)計(jì)重點(diǎn)是機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)，機(jī)械手需水平面內(nèi)360度旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)物料袋平放時(shí)所處的任何角度。 3.繪制抓取搬運(yùn)機(jī)械手的裝配圖和關(guān)鍵零部件圖,編寫(xiě)完善的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 第2章 總體方案 2.1 總體設(shè)計(jì)方案 1.行走機(jī)構(gòu) 2.行走電機(jī) 3.貨叉 4.貨叉伸縮電機(jī) 5.減速機(jī) 6.升降電機(jī) 7.立柱 2-1圖 方案一簡(jiǎn)圖 方案一中，碼垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括門(mén)架結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)。底座由由兩端的行走輪支架及鋼板焊接成的矩形梁構(gòu)成，起支撐整體重量的作用。立柱截面為空心矩形，具有良好的強(qiáng)度，節(jié)省材料，還有減震的作用。貨叉沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，承受載荷后，會(huì)對(duì)立柱與貨叉結(jié)合處產(chǎn)生極大的力矩，所以在立柱兩側(cè)加工有垂直導(dǎo)向槽，可以通過(guò)導(dǎo)向輪對(duì)載貨臺(tái)起到一定的支撐作用。也能防止貨叉前后移動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有四個(gè)行走輪，支撐整個(gè)碼垛機(jī)的全部載荷 ,帶動(dòng)碼垛機(jī)沿天地軌方向運(yùn)動(dòng)。 1.基座 2.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.大臂轉(zhuǎn)軸 4.大臂 5.連桿 6.腕軸 7.小臂 8.夾緊機(jī)構(gòu) 9 夾爪 2-2圖 方案二簡(jiǎn)圖 窗體頂端 方案二中，碼垛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械手關(guān)節(jié)主要有基部，腰部，肘部，手腕和手握五部分：旋轉(zhuǎn)接頭底部的腰部安裝在伺服電機(jī)底座上，驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)彎頭：大臂由伺服電機(jī)齒輪減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而推動(dòng)彎頭上方大臂結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)；手腕，前臂旋轉(zhuǎn)：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速電機(jī)。 方案一結(jié)構(gòu)的碼垛機(jī)價(jià)格相對(duì)便宜，在高度方向可以向上擴(kuò)展到很高的作業(yè)范圍，整個(gè)碼垛機(jī)的作業(yè)空間更大。適用于立體倉(cāng)儲(chǔ)中的碼垛。方案二結(jié)構(gòu)的碼垛機(jī)通用性更強(qiáng)，反應(yīng)速度更快?？紤]到本次碼垛對(duì)象為袋裝物體，它的比較柔軟，不具有固定的形狀，比較松軟。方案一的貨叉結(jié)構(gòu)在處理這種貨物時(shí)，并不占優(yōu)優(yōu)勢(shì)。二方案二中的夾爪結(jié)構(gòu)則更能快速靈活的獎(jiǎng)袋裝物料迅速抓起、放下，完成指定的碼垛工作。所以本次設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇方案二的結(jié)構(gòu)。主要在結(jié)構(gòu)輕量化和可靠性方面進(jìn)行深入優(yōu)化。 2.2 各部分結(jié)構(gòu)方案 基座：基座主要用于固定機(jī)械手，是機(jī)械手擁有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的根基，這樣，既可以保證機(jī)械手的穩(wěn)定性，又可以保證機(jī)械手的精度?；话闶褂煤附咏Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又便于制造。如圖2-1所示。 圖2-3 基座結(jié)構(gòu)圖 腰部：腰部安裝在基座上，主要其支撐轉(zhuǎn)的作用，保證機(jī)械手在水平面內(nèi)可以任意角度旋轉(zhuǎn)。由于上面的重量全部幾種在腰部，所以腰部的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)選優(yōu)能夠傳遞足夠大的扭力。初步設(shè)計(jì)使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以比較大。支撐軸承選擇推力球軸承和深溝球軸承組合，既可以保證轉(zhuǎn)速又可以保證來(lái)自轉(zhuǎn)軸軸向的重力。電機(jī)選擇大扭矩的伺服電機(jī)，以保證轉(zhuǎn)向的精度。如圖2-2. 圖2-4 腰部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人的手臂需要在一定的速度下，并且有一定負(fù)載的情況下，完成一定空間的運(yùn)動(dòng)。這部分結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)加減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)手臂的旋轉(zhuǎn)。 圖2-5 肘部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人手臂部分的運(yùn)動(dòng)（包括腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）給予機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，并且在機(jī)器人臂中的手腕末端，然后給予機(jī)器人末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)的工作空間。 圖2-6 手腕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人夾持器和機(jī)器人夾具。 一般工業(yè)機(jī)器人，大多是雙手指。本設(shè)計(jì)中的加持部件主要用于抓取袋裝物料，根據(jù)袋裝物料的尺寸800x500x250設(shè)計(jì)一款專(zhuān)門(mén)的取料搬運(yùn)夾爪，夾爪的動(dòng)力主要有氣缸來(lái)提供，氣缸通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為夾爪的擺動(dòng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)袋裝物料的取放。 圖2-7 氣動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 第3章 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 手部的動(dòng)力有氣缸來(lái)提供，氣缸的選型是否合理直接影響到夾爪的夾緊力。下面，對(duì)手部氣缸的選型計(jì)算做詳細(xì)的介紹。 1、預(yù)選氣缸 根據(jù)工作環(huán)境、受力形式確定使用何種氣缸：圓形氣缸、方形氣缸、滑臺(tái)氣缸、帶導(dǎo)桿氣缸。這里，為了節(jié)約空間，便于安裝。選定氣缸的類(lèi)型為方形薄型氣缸。同時(shí)，為了便于控制，需要選擇帶磁環(huán)的氣缸，加裝氣缸形成感應(yīng)器，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)回路。 速度分析：經(jīng)驗(yàn)時(shí)間：夾爪的動(dòng)作時(shí)間計(jì)算，為了方便計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，行程小于30mm的按0.2秒計(jì)算，行程在30~200mm之間的，按0.5秒計(jì)算 2、?受力分析-選擇氣缸缸徑 負(fù)載率：氣缸的負(fù)載率η是氣缸活塞桿的軸向載荷力F與氣缸的理論輸出力F0的比值。 Η= F / F0×100％，氣缸的負(fù)載系數(shù)η與負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)：靜載荷<70％; 氣缸速度50?500mm / s：<50％; 氣缸速度> 500mm / s：<30％預(yù)選氣缸的負(fù)載率η基于負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力P，P應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。 已知F，η和P，可知?dú)飧纵敵隽?，?jù)此選定缸徑D。 由公式得 再根據(jù)氣缸的面積計(jì)算公式， 推出氣缸直徑的計(jì)算公式 去安全系數(shù)2，則氣缸缸徑選擇為D=15.5x2=31mm。 3、耗氣量計(jì)算 氣缸的耗氣量有兩種：最大耗氣量和平均耗氣量。平均耗氣量用于選用空壓機(jī)、計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)成本。最大耗氣量用于選定空氣處理原件、控制閥及配管尺寸等。最大耗氣量與平均耗氣量之差用于選定氣罐的容積。 最大耗氣量是氣缸以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的空氣流量，可以表示成： qr=0.046*D^2*um 缸徑D為40mm，最大速度為300mm/s，使用壓力為0.6Mpa，則 氣缸的最大耗氣量qr=0.046*40^2*300*(0.6 0.102)=968.76(L/min) 第一：一個(gè)循環(huán)動(dòng)作的體積=2×缸徑對(duì)應(yīng)的截面積×行程，在根據(jù)節(jié)拍可得到常壓下的單循環(huán)流量，在乘以（使用壓力 1）即為工作時(shí)期內(nèi)的排氣量。 第二：最大耗氣量=缸徑（cm計(jì)）平方再乘以系數(shù)10（此時(shí)使用壓力為0.6MPa，最大速度為300mm/s） 3.2各關(guān)節(jié)電機(jī)的選型計(jì)算 對(duì)于屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)器人，伺服系統(tǒng)相當(dāng)重要。被要求的專(zhuān)用服務(wù)器系統(tǒng)具有快速，準(zhǔn)確和穩(wěn)定，即命令輸入的準(zhǔn)確和快速的輸出響應(yīng)變化。一般我們將電機(jī)按照原理的不同分為兩類(lèi)，分為稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)多用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。而伺服電機(jī)則被普遍的應(yīng)用在閉環(huán)伺服系統(tǒng)之中。雖然說(shuō)來(lái)那個(gè)這在控制模式上十分的類(lèi)似，都是使用脈沖信號(hào)。但從使用性能和應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，二者又有著極大的差別之處。第一，兩者的控制精度有差異，AC伺服電機(jī)的控制精度相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)講，有著明顯的優(yōu)勢(shì)，其控制精度更高。第二點(diǎn)表現(xiàn)在頻率特性上，步進(jìn)電機(jī)在低速狀態(tài)下使用使，特別容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，稱(chēng)之為低頻振動(dòng)。而伺服電機(jī)在每一個(gè)速度運(yùn)行，都不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。第三，力矩的差異。步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著運(yùn)行速度的升高而變小，這種現(xiàn)象在高速狀態(tài)下表現(xiàn)的尤為明顯，所以，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不宜太大。伺服電機(jī)則在任何轉(zhuǎn)速下的輸出力矩都保持不變。第四，過(guò)載能力的不同。步進(jìn)電機(jī)一旦發(fā)生過(guò)載就會(huì)掉步，所以，我們說(shuō)步進(jìn)電機(jī)不具備過(guò)載能力，交流伺服電機(jī)則具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。第五，速度相應(yīng)性能的差異，步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)相對(duì)緩慢，通常從0加速到工作狀態(tài)，需要200毫秒左右的時(shí)間。而交流伺服電機(jī)則只需要幾個(gè)毫秒的時(shí)間。所以，可以用于快速啟停的控制之中。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能上優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求高精度運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，功率輸出穩(wěn)定，過(guò)載能力強(qiáng)，響應(yīng)快，因此選用交流伺服電機(jī)作為電源。 1、確定機(jī)械手各部分的質(zhì)量 2、確定各軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速要求如下： （1）肘關(guān)節(jié)：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，轉(zhuǎn)角范圍； （2）腰關(guān)節(jié)：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，轉(zhuǎn)角范圍； （3）腕關(guān)節(jié)：轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，轉(zhuǎn)角范圍； 3、計(jì)算各部分的最大轉(zhuǎn)矩 （1）腰部的轉(zhuǎn)矩： =[2x1.5+13x0.3+10.5x1.0]x1.2 =20.88KgN （2）大臂的轉(zhuǎn)矩： =[2x1.5+13x0.3+10.5x1.0]x1.2 =20.88KgN （3）小臂的轉(zhuǎn)矩： =[2x1.5+10.5x1.0]x1.2 =16.2KgN 4、各關(guān)節(jié)的減速機(jī)及傳動(dòng)比 （1）腰部采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，減速比為1：30； （2）大臂的電機(jī)使用了減速臂為1：50的減速機(jī)； （3）小臂的電機(jī)使用了減速臂為1：50的減速機(jī)； 5、電機(jī)功率的計(jì)算 （1）腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率： （2）大臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率： （3）小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率： 伺服電機(jī)采用安川電機(jī)，根據(jù)下表選取 各個(gè)電機(jī)的型號(hào)選擇如下： 腰部旋轉(zhuǎn)電機(jī)：SGMPH-15A 大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)：SGMPH-08A 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)：SGMPH-04A 小臂旋轉(zhuǎn)電機(jī)：SGMPH-02A 3.3蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.確定蝸桿的計(jì)算功率 式中 K——使用場(chǎng)合系數(shù)，每天工作8小時(shí),輕度震動(dòng) 由《機(jī)械工程手冊(cè)》查得： K＝1.2； K——制造精度系數(shù)，取7級(jí)精度，查得： K＝0.9； K——材料配對(duì)系數(shù)，齒面滑動(dòng)速度 < 10m/s,由《機(jī)械工程手冊(cè)》查得： K＝0.85。 代入數(shù)據(jù)得 以等于或略大于蝸桿計(jì)算功率所對(duì)應(yīng)的中心距作為合理的選取值根據(jù)《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2·5－22a 選取蝸桿的中心距：a＝100mm 蝸桿傳動(dòng)幾何參數(shù)設(shè)計(jì) 準(zhǔn)平行二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的幾何參數(shù)和尺寸計(jì)算表 中心距：由《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）,標(biāo)準(zhǔn)選取 a=100mm 蝸輪齒數(shù)：由《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）,選取 蝸桿頭數(shù)：由《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）,選取 齒數(shù)比： u＝＝30 蝸桿齒頂圓直徑：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16,選取 =45mm 蝸輪輪緣寬度：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16,選取 b=37mm 蝸輪齒距角： ＝ 蝸桿包容蝸輪齒數(shù)： K＝=5 蝸輪齒寬包角之半： ＝0.5（K－0.45）= 蝸桿齒寬：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16,選取 =53mm 蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16，選取 =59mm 蝸桿齒頂圓弧半徑：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16，選取 R=82mm 成形圓半徑：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16,選取 =65mm 蝸桿齒頂圓最大直徑：《機(jī)械工程手冊(cè)/傳動(dòng)設(shè)計(jì)卷》（第二版）表2.5－16，選取 =53.8mm 蝸輪端面模數(shù)： m＝=mm 徑向間隙： =0.5104mm 齒頂高： h=0.75 m=2.233mm 齒根高： h= h+ C=2.7434mm 全齒高： h= h+ h=4.9764mm 蝸桿分度圓直徑： ＝（0.624＋）a ＝40.534mm 蝸輪分度圓直徑： ＝2a－＝301.466mm 蝸輪齒根圓直徑： d＝－2 h=298.9792mm 蝸桿齒根圓直徑： d＝－2 h=35.05， 判斷：因?yàn)?28.12mm,滿足要求 蝸桿平均導(dǎo)程角： ＝ 分度圓壓力角： = 蝸輪分度圓齒厚： 數(shù)據(jù)帶入公式得 5.508mm 齒側(cè)隙：查表4-2-6得 3.4蝸桿的設(shè)計(jì)校核 影響環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的主要承載能力的主要因素有兩點(diǎn)：1、蝸桿齒面的膠合影響2、渦輪齒根的剪切強(qiáng)度的影響。所以，在校核的時(shí)候，需要在確定好傳動(dòng)功率的前提之下，然后對(duì)渦輪齒根的強(qiáng)度進(jìn)行校核。 這里給出校核的計(jì)算方法： 校核： 其中 —— 作用于蝸輪齒面上的及摩擦力影響的載荷; —— 蝸輪包容齒數(shù) —— 蝸桿與蝸輪嚙合齒間載荷分配系數(shù); ——蝸輪齒根受剪面積; 公式中各參數(shù)的計(jì)算 （1）的計(jì)算 = ——作用在蝸輪輪齒上的圓周力， ——蝸桿喉部螺旋升角 ，4.5 —— 當(dāng)量齒厚， 滑動(dòng)速度 = =2.01m/s 根據(jù)滑動(dòng)速度查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3－3－9得 將數(shù)據(jù)帶入公式得 =N （2）計(jì)算得 = 5 （3）蝸輪齒根受剪面積 —— 蝸輪齒根圓齒厚； 由上可知 —— 蝸輪端面周節(jié)； —— 蝸輪理論半包角； —— 蝸輪分度圓齒厚所對(duì)中心角。 數(shù)據(jù)帶入公式得 =7.03mm 由上可得 對(duì)于錫青銅齒圈,取 查手冊(cè)取鑄錫磷青銅，砂模鑄造，抗拉強(qiáng)度=225MPa ， 則 < 故得出結(jié)論，符合強(qiáng)度要求。 3.5輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)》表6－1選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì) =650 2、軸徑的初步計(jì)算 由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)》表6－2，取A＝112，根據(jù)公式 ， 其中 —— 軸的轉(zhuǎn)速，30r/min —— 軸傳遞的功率，1.1kw —— 計(jì)算截面處的軸的直徑 將數(shù)據(jù)代入公式得 3.確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 （1）滾動(dòng)軸承的選擇，考慮到使用過(guò)程中，軸承既受到來(lái)自軸向的作用力，又會(huì)受到來(lái)自于軸向的作用力。所以，設(shè)計(jì)用深溝球軸承和推力球軸承組合，將型號(hào)確定后列在下面： 深溝球軸承6032zz兩只，d×D×T=160×240×38mm 深溝球軸承6015zz兩只，d×D×T=75×115×20mm 推力球軸承51315一只。 d×D×T= 75×135×44mm （2） 確定軸上安裝渦輪位置的外徑=65mm，另外，使用軸套對(duì)渦輪的端面和軸承之間進(jìn)行定位，有上述計(jì)算可知，蝸輪輪緣的寬度是37mm，故確定蝸輪輪轂寬度為100mm，為了使渦輪牢靠的被壓緊在軸上，4-5段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取L=50mm。 （3）蝸輪右端采用軸肩定位，軸肩高度0.07d，取=6mm，則軸環(huán)處直徑=77mm，軸環(huán)寬度，取 =12mm，=12mm，=68mm。 （4）軸承端蓋的總寬度確定為28mm。為了便于拆裝、對(duì)內(nèi)部驚醒潤(rùn)滑脂的添加，可以確定端蓋的外端面到聯(lián)軸器之間的間距L=22 mm， （5）計(jì)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，軸上平鍵的規(guī)格為10x8x55 彎曲應(yīng)力 剪切應(yīng)力 材料為45鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知:? 抗拉強(qiáng)度極限，彎曲疲勞極限，扭轉(zhuǎn)疲勞極限 查看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得材料等效系數(shù)：，ff? 在經(jīng)過(guò)磨削加工的過(guò)程中，軸的表面的質(zhì)量系數(shù) 鍵槽的應(yīng)力集中系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：， 大于軸鍵槽處截面的許用安全系數(shù)[S]=1.5~1.8，故危險(xiǎn)界面安全。 結(jié) 論 本次的設(shè)計(jì)能夠順利的完成，離不開(kāi)老師的悉心指導(dǎo)。設(shè)計(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)很多之前以為很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，當(dāng)你深入去思考，實(shí)際去做的時(shí)候，并不是那么的簡(jiǎn)單。每一個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)決定到整個(gè)項(xiàng)目的成敗。本次的機(jī)械手設(shè)計(jì)，在總體方向的把握上已經(jīng)做的比較不錯(cuò)，能夠抓住重點(diǎn)，從實(shí)際出發(fā)，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。但由于時(shí)間有限，跟人水平的局限，設(shè)計(jì)中還是會(huì)存在一些不足之處，比如說(shuō)，各處運(yùn)動(dòng)部件的極限位置限制的設(shè)置并沒(méi)有做詳細(xì)的介紹。在各個(gè)關(guān)節(jié)的減速機(jī)的選用上，由于選用的是標(biāo)準(zhǔn)間，加上時(shí)間倉(cāng)促，沒(méi)有做說(shuō)明。為了是機(jī)械手的作業(yè)效率更高，需要在機(jī)械手的調(diào)試、運(yùn)行初期對(duì)機(jī)械手的平衡性作分析，進(jìn)一步做出改善方案。以保持良好的平衡性能。 機(jī)械手的極限限位對(duì)于機(jī)械手的保護(hù)很重要，他可以在限位感應(yīng)器時(shí)效的情況下，依靠外界增加的硬限位塊來(lái)組織運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)一步位移。從而避免運(yùn)動(dòng)部件超出形成發(fā)生撞機(jī)或者機(jī)械性損傷。所以，還需要進(jìn)一步對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的研究，并了解各種限位設(shè)計(jì)的原理。對(duì)取料搬運(yùn)機(jī)械手增加一道硬件保護(hù)。另外，在調(diào)試和使用初期，對(duì)機(jī)械手的平衡型進(jìn)一步的改善，必要的情況下，增加平衡塊，以保證機(jī)械手的高效運(yùn)行。 謝 辭 畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段期間里，一方面將大學(xué)階段所學(xué)的相關(guān)知識(shí)重新溫故了一遍，另一方面，將書(shū)本的上的只是應(yīng)用到了實(shí)際之中。畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)方案比較，理論設(shè)計(jì)與計(jì)算，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，工程制圖，編寫(xiě)設(shè)計(jì)規(guī)范的培訓(xùn)，使個(gè)人的理論水平和實(shí)踐能力有了飛躍，在設(shè)計(jì)，分析，實(shí)踐能力等方面鍛煉個(gè)人，同時(shí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到充分鞏固和加強(qiáng)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，指導(dǎo)我的老師給了很多專(zhuān)業(yè)幫助。在設(shè)計(jì)準(zhǔn)備的早期階段，教師非常關(guān)注我的主題，指出主題選擇的方向，有助于分析主題和實(shí)踐的可行性，項(xiàng)目需要注意潛在的問(wèn)題；在方案選擇中，對(duì)于我需要指出的是，掌握知識(shí)范圍的關(guān)鍵，困難的原理和幫助我分析相應(yīng)的知識(shí)，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行。因?yàn)槲乙院蟮墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是他們灌輸我看到更多的人的技能，留給我未來(lái)生活的足跡更深的印象，我真誠(chéng)地感謝所有的老師幫助我。此外，非常感謝許多其他學(xué)生，他們的許多想法，并建議一個(gè)偉大的靈感給我。在這謝謝你！由于時(shí)間和個(gè)人知識(shí)和能力水平有限，論文將不可避免地有一些缺陷或錯(cuò)誤，請(qǐng)教師評(píng)論。非常感謝！ 參 考 文 獻(xiàn) [1]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)?[M].北京工業(yè)出版社，2004：188~199? 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