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編 號(hào) 無(wú)錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 機(jī) 電 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 0923195 學(xué)生姓名： 白文杰 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） 2012 年 5 月 25 日 無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 94 學(xué) 號(hào)： 0923195 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無(wú) 錫 太 湖 學(xué) 院 機(jī) 械 系 機(jī) 電 一 體 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 工業(yè)機(jī)器人對(duì)于人類來(lái)說(shuō)是當(dāng)今世界最為突出的發(fā)明之一，人類對(duì)機(jī)器 人深入的進(jìn)行研究。在上個(gè)世紀(jì)的 70 年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、 傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究也進(jìn)入了高速發(fā)展 的階段，成為綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互四 大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。機(jī)器人應(yīng) 用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 本課程通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，幫助自身加深對(duì)的理解和提高對(duì)其專業(yè) 知識(shí)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)機(jī)器人、傳動(dòng)、實(shí)體建模、有限元分析 等方面的相關(guān)內(nèi)容的運(yùn)用能力。 3、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ①了解工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)原理，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的總體方案設(shè)計(jì)； I ③完成有關(guān)零部件的選型計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； ④熟練掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合 A0 不少 于 2.5 張； ⑤完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 94 班 姓名 白文杰 五、開(kāi)始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名 系主任 簽名 2013 年 11 月 12 日 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) II 摘 要 在生產(chǎn)過(guò)程工業(yè)機(jī)械手是模擬人手動(dòng)作的機(jī)械設(shè)備，它可以替代人工搬運(yùn)重物或單 調(diào)，在高粉塵，高溫，有毒，易燃，放射性和其他相對(duì)較差的工作環(huán)境。機(jī)器人可用于 在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化抓住并移動(dòng)工件自動(dòng)化設(shè)備，它是在生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化， 開(kāi)發(fā)出一種新的類型的設(shè)備。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)的廣泛使用機(jī)器人 的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的高科技領(lǐng)域已成為迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，它更促進(jìn)機(jī)器人的發(fā) 展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能夠代替人類完成 危險(xiǎn)、減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度、重復(fù)枯燥的工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。 本設(shè)計(jì)是關(guān)于三自由度的圓柱形機(jī)械手。利用 Auto CAD 軟件對(duì)制件進(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖。 其包括夾持器、小臂、大臂和底座。明確合理的設(shè)計(jì)思路，確定了機(jī)械手工作原理并對(duì) 然夾持器、氣缸、步進(jìn)電機(jī)、軸承進(jìn)行了校核計(jì)算并附帶了簡(jiǎn)圖并對(duì)零件的質(zhì)量、重心、 慣性主軸和慣性力矩進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，可以大大減輕在設(shè)計(jì)過(guò)程中繁瑣計(jì)算及校核步 驟。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣缸，校核。 III Abstract Industrial manipulator is the mechanical equipment which is used in the production process and simulate to the behave of hands with electrical integration. It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production process and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology which is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the working principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculation and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking IV 目錄 摘 要 .....................................................................III ABSTRACT ...................................................................IV 目錄 ........................................................................V 1 緒論 ......................................................................1 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 .................................................1 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 .........................................................1 1.3 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容 .....................................................2 1.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)的作用 .......................................................2 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類和組成 .................................................2 2 手部的設(shè)計(jì) ................................................................5 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方案 ...............................................5 2.1.1 運(yùn)動(dòng)方案 ............................................................5 2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和位置檢測(cè)裝置的選擇： ......................................5 2.2 手部設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算 ...................................................6 2.2.1 機(jī)械手的基本要求 ....................................................6 2.3 手部力的計(jì)算 ...........................................................7 2.3.1 夾緊力的計(jì)算 ........................................................7 2.3.2 手爪驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) ..................................................8 2.3.3 手部誤差的分析 .....................................................10 3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) ...........................................................12 3.1 機(jī)械小臂設(shè)計(jì) ..........................................................12 3.1.1 小臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ...................................................12 3.1.2 小臂驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) .................................................13 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計(jì)算 .................................................14? 3.1.4 氣缸的選用 ........................................................14 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................14 3.1.6 小臂剛度校核 .......................................................15 3.1.7 端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 ...........................................15 3.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................17 3.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)和要求 ...................................................17 V 3.2.2 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 .......................................................17 3.2.3 大臂驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) .................................................17 3.2.4 氣缸的選擇 .........................................................18 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................18 3.2.6 大臂剛度校核 .......................................................19 4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .............................................................20 4.1 軸承的設(shè)計(jì) ............................................................20 4.1.1 軸承的選擇 .........................................................20 4.1.2 軸承的計(jì)算： .......................................................20 4.1.3 軸承的壽命校核： ...................................................21 4.2 電機(jī)的基本情況和選擇 ..................................................22 4.2.1 電機(jī)的選則與計(jì)算 ...................................................22 4.2.2 注意事項(xiàng) ...........................................................23 4.2.3 工作原理 ...........................................................24 4.2.4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) .....................................................24 4.3 諧波減速器 ............................................................24 4.3.1 諧波減速器的簡(jiǎn)介 ...................................................24 4.3.2 諧波減速器的設(shè)計(jì) ...................................................25 4.4 腰座的結(jié)構(gòu) ............................................................26 5 總 結(jié) ..................................................................28 致 謝 ....................................................................29 參考文獻(xiàn) ...................................................................30 附 錄 .....................................................................31 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 0 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的基本部分。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)與機(jī)械制造，機(jī)電 工程等專業(yè)聯(lián)系一起。通過(guò)這次設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析能力，機(jī)電一體化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的設(shè)計(jì)能力提升。來(lái)學(xué)習(xí)一些生產(chǎn)時(shí)的設(shè)計(jì)方法。 工業(yè)機(jī)械手是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)。這體現(xiàn)了人類智能和適 應(yīng)性，機(jī)械手能在各個(gè)環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各個(gè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用。 可編程控制和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)更高級(jí)?？刂聘拥撵`敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化，機(jī)械制造等我們學(xué)習(xí)的專業(yè)中一個(gè)重要 的環(huán)節(jié)，是學(xué)完有關(guān)專業(yè)課和教學(xué)基礎(chǔ)課程的一次專業(yè)的綜合設(shè)計(jì)。學(xué)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過(guò)這次學(xué)習(xí)得到了掌握生場(chǎng)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)技 能。 經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，可以把有聯(lián)系的課程（氣動(dòng)技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理，測(cè)試技術(shù)， 危機(jī)計(jì)算機(jī)原理等）中我們所知道的理論性知識(shí)加以運(yùn)用，從而得到鞏固和發(fā)展，讓理 論和實(shí)際得到了更好的結(jié)合。所以說(shuō)機(jī)械手設(shè)計(jì)是一門比較綜合的設(shè)計(jì)。 經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析機(jī)械設(shè)計(jì)的能力，樹(shù)立了正確的設(shè)計(jì)思想和思 維，掌握了機(jī)電一體化一些機(jī)電產(chǎn)品的步驟和基本設(shè)計(jì)方法，這樣為今后自動(dòng)化的設(shè)計(jì) 打下了良好的基礎(chǔ)。 通過(guò)本次的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生熟練的去掌握和運(yùn)用一些相關(guān)的知識(shí)，比如參考 資料還有范文章結(jié)構(gòu)。是學(xué)生具有一個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該具有的基本設(shè)計(jì)技能 [1]。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 現(xiàn)在對(duì)于國(guó)內(nèi)的情況，機(jī)械手大部分的使用在各個(gè)領(lǐng)域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機(jī)床的加工上。當(dāng)然我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中會(huì)有很多的困難。比如說(shuō)：形式復(fù)雜和環(huán)境 溫度過(guò)于高這些都影響著生產(chǎn)。但我們可以提供這方面的技術(shù)解決困難，讓機(jī)械手更好 的工作為了更好的得機(jī)械手的能力，我們要提高它的性能和速度。在其它行業(yè)和工業(yè)部 門，也隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。 現(xiàn)在對(duì)于國(guó)外在行業(yè)中運(yùn)用機(jī)械手有很多。美國(guó)首先把機(jī)械手運(yùn)用于搬運(yùn)一些對(duì)人 體具有傷害的放射性物質(zhì)。國(guó)外實(shí)質(zhì)上是使用的是定位控制機(jī)械手，他沒(méi)有視覺(jué)上和觸 覺(jué)上的反饋。世界各地正在積極地研究視覺(jué)和觸覺(jué)上有反饋的機(jī)械手，讓他能夠準(zhǔn)確的 來(lái)定位工件的位置和準(zhǔn)確的夾持工件。為了判斷機(jī)械手抓取的是否是工件，她有視覺(jué)傳 感器輸入 三個(gè)方向的視覺(jué)的信息，因此，在計(jì)算機(jī)圖形分析，以確定是否抓取工件。目前主要運(yùn) 用在機(jī)床，壓力機(jī)的下料和橫斷壓力機(jī)的下料，以及噴漆和點(diǎn)焊等作業(yè)。在國(guó)外發(fā)展機(jī) 械手的趨勢(shì)是加大力度研制具有某種智能能力的機(jī)械手。讓其具有一定的傳感的能力， 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 1 對(duì)于外界的變化能夠反饋，并相應(yīng)的做出反應(yīng)和變更。如果有一個(gè)位置稍有偏差，即是 能夠自我糾正，但也可以檢測(cè)，強(qiáng)調(diào)視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能的研究。已經(jīng)取得了一些成果。 世界高端工業(yè)機(jī)器人，高精密，高速，多軸，輕量級(jí)的趨勢(shì)。符合要求的微米和亞微米 級(jí)的定位精度，它的運(yùn)行速度可達(dá)到 3M/S 的新產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)六軸負(fù)載 2KG 生產(chǎn)系統(tǒng)量 已超過(guò)總重量為 100KG。更重要的是，機(jī)器人手的柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合， 從根本上改變當(dāng)前系統(tǒng)的手動(dòng)操作的機(jī)械制造狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)器人和小型化再小型 化，其應(yīng)用將超過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，向電子，生物，生命及科學(xué)，航空和航天等高端產(chǎn) 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容 機(jī)電一體化技術(shù)是集合機(jī)械工程、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等形成的一種綜合的技 術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品種類比較多，但由于他們形式和復(fù)雜程度還有功能的不同， 做工的機(jī)械本體部分是最基本的，必不可少的因素。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)在內(nèi)容和知識(shí)還 有深度上都是適中的。 我們所要設(shè)計(jì)的是擬定整體的方案，驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的方案。根據(jù)自由度選擇 和合適的參數(shù)選擇合適的手部和腕部還有臂和機(jī)身的結(jié)構(gòu)。完成各部分的計(jì)算。工業(yè)機(jī) 械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪制。氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析。最后寫上說(shuō)明書。 1.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)的作用 機(jī)械手的廣泛運(yùn)用可以歸納為以下幾方面： 1）建造軸類、盤類、環(huán)類的自動(dòng)線。一般采用的都是機(jī)械手在傳送帶之間或機(jī)床之 間傳送工件。深井泵廠自動(dòng)生產(chǎn)線在沈陽(yáng)和大連軸承 4 軸和 5 軸加工自動(dòng)馬達(dá)線軸等， 已成為國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)線。 2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面。各種的半自動(dòng)化機(jī)床都有夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松 開(kāi)等反面的功能。不過(guò)還需要人去上下料。如果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化只需要一個(gè)人去看管機(jī)器。 現(xiàn)在機(jī)械手在這方面運(yùn)用的有很多。一些國(guó)產(chǎn)機(jī)在出廠時(shí)附帶機(jī)械手，安裝機(jī)器人的用 戶提供了條件。 3）國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn) 3T，5T，10T 鍛造錘，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)爐下部，兩個(gè)機(jī)器人放置在爐子前 有一定的角度，從而使材料的自動(dòng)化。 總的來(lái)說(shuō)：對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替危險(xiǎn)的事物和對(duì)人有害的操作，長(zhǎng)時(shí)間工作 對(duì)人有害的場(chǎng)所，對(duì)于機(jī)械手是沒(méi)有影響的。只要合理的設(shè)計(jì)，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質(zhì)、滅火等環(huán)境中都能自如的工作。 機(jī)械手的持久度和耐勞性能強(qiáng)，可以把人們從單調(diào)的勞動(dòng)中解救出來(lái)。甚至擴(kuò)大了 人的功能，他進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修、檢修即能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)的工作，有與機(jī)械手工 作精確度高，可以避免認(rèn)為的操作錯(cuò)誤。 機(jī)械手靈活性好，能適應(yīng)產(chǎn)品的變化。因?yàn)闄C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)程序和運(yùn)動(dòng)位置能夠十分 靈活的改變。因?yàn)樗淖杂啥?，又能提供迅速改變作業(yè)內(nèi)容。在小批量生產(chǎn)中，起著重 要的作用。采用機(jī)械手能明顯提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類和組成 按規(guī)格分類：微型的——重量在 1kg 以下； 小型的——重量在 10kg 以下 ；中型的 ——重量在 50kg 以下；大型的——重量在 200kg 以下。 按功能分類： （1）簡(jiǎn)易型工業(yè)機(jī)械手。有兩個(gè)固定的程序，近年來(lái)普遍采用可編程控制器組成控 制系統(tǒng)。這種機(jī)械手氣動(dòng)的和液動(dòng)的為主，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且價(jià)格便宜。運(yùn)用于一 些簡(jiǎn)單的單機(jī)搬運(yùn)工作已經(jīng)足夠了，所以這種的工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量很多。 （2）記憶再現(xiàn)性工業(yè)機(jī)械手。這種機(jī)械手的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)人工領(lǐng)了一遍，然后記錄 原始的程序存儲(chǔ)器，所以機(jī)器人可以重復(fù)上述動(dòng)作。 （3）智能機(jī)械手。是由傳感器控制的，具有視覺(jué)，還有觸覺(jué)，還有行走功能和熱覺(jué)。 按用途分類：專用機(jī)械手和通用機(jī)械手。獨(dú)立的控制系統(tǒng)，專用機(jī)械手，這種機(jī)械 手的動(dòng)作固定的對(duì)象變量，可靠，適用于大批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)。通用機(jī)械手的工作 范圍大、通用性強(qiáng)。適用于中和小批量生產(chǎn) [2]。 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)組成。如圖 1.1 圖 1.1 機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)它主要有夾持器、臂部、腰座和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 傳力機(jī)構(gòu)有很多的形式，比如有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜鍥杠桿式、絲杠螺 母式、彈簧式和重力式。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要組成部分手臂可以有 3 個(gè)自由度，可以采用的是圓柱型坐標(biāo)系、直角 坐標(biāo)系。球坐標(biāo)系和多關(guān)節(jié)四種坐標(biāo)系，這四種方式。圓柱型坐標(biāo)占的空間比較小，工 作范圍也小但是他慣性大并且不能抓物體的底面。直角坐標(biāo)工作范圍下而且占的空間大， 最關(guān)鍵是自由度少。球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)式占有的空間小、慣性小嗎、動(dòng)力小、工作范圍也 小還能抓一個(gè)底面的物體，唯一的缺點(diǎn)就是多關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，一般很少用到。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)動(dòng)這四種方式。液動(dòng)輸出高，臂力可以達(dá)到 1000N 以上，能夠?qū)崿F(xiàn)連環(huán)的控制，是工業(yè)機(jī)械手的用途更加的廣泛。氣動(dòng)式不僅速度快、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單而且成本低。有較高的定位精度但是臂力在 300N 以下。所以不同的場(chǎng)合適合用不 同的驅(qū)動(dòng)方式。 控制機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 工件 位置檢測(cè)裝置 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 3 控制系統(tǒng)有連續(xù)型控制和點(diǎn)控制兩種方式。大多數(shù)的點(diǎn)位控制都用的是插銷板和可 編程控制器和計(jì)算機(jī)來(lái)控制。用磁盤磁帶等來(lái)記錄程序。主要控制其坐標(biāo)的位置，并注 意其加速度的特性。 這邊將設(shè)計(jì)圓柱型機(jī)械手，圓柱型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易上手。圓柱形機(jī)械手簡(jiǎn)圖 1.2 ` 1——手爪 2——?dú)飧?1 3——?dú)飧?2 4——?dú)飧?3 5——諧波減速器 6——步進(jìn)電 機(jī) 圖 1.2 圓柱型機(jī)械手簡(jiǎn) 這設(shè)計(jì)為具有一個(gè)指導(dǎo)原則。畢業(yè)設(shè)計(jì)的原則是：使命陳述為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的 具體設(shè)計(jì)要求，充分考慮機(jī)器人的工作環(huán)境和過(guò)程的具體要求。符合技術(shù)要求的基礎(chǔ)上， 盡可能多地具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的通用元件配件，以降低成本， 同時(shí)提高了可靠性。本著科學(xué)，經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，還要考慮設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè) 計(jì)的特點(diǎn)，在大學(xué)所學(xué)到的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理，氣動(dòng)，電氣傳動(dòng)與控制， ，電 子技術(shù)，自動(dòng)控制，機(jī)械系統(tǒng)仿真盡可能的設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用知識(shí)，設(shè)計(jì)對(duì)鞏固和加強(qiáng)， 考慮到個(gè)人能力水平和大學(xué)水平的知識(shí)客觀現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，充分發(fā)揮個(gè)人的積極性，樸實(shí) 的，現(xiàn)實(shí)做設(shè)計(jì) [3]。 1 2 3 4 5 6 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 手部的設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方案 2.1.1 運(yùn)動(dòng)方案 機(jī)器人為了工作有一執(zhí)行機(jī)構(gòu)被稱之為手爪。手不直接用于裝夾工件的手結(jié)構(gòu)是多 樣的，有不同的材料屬性，以及不同的表面條件。方案設(shè)計(jì)圖 2.1 圖 2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)方案 方案一：采用較大的回轉(zhuǎn)半徑，在相同轉(zhuǎn)速的條件下，由于回轉(zhuǎn)的角度較小，故所 需的時(shí)間較短；但他也有它自身的缺點(diǎn)，他回轉(zhuǎn)臂較長(zhǎng)。這樣回轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量和偏重力矩比較大；可以考慮使用配重塊來(lái)調(diào)整，但會(huì)影響整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并 且增加整機(jī)的重量。 方案二：采用較小的回轉(zhuǎn)半徑，可以減少其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩。在 相同轉(zhuǎn)速的條件下，由于回轉(zhuǎn)的角度較大，故所需的時(shí)間較長(zhǎng)，但可以考慮適當(dāng)提高轉(zhuǎn) 速來(lái)滿足要求。 綜上兩種方案，決定采用方案二。 設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)主要參數(shù) ： （1）抓取重量 200N。 （2）的最大工作范圍：根據(jù)所選擇的形式的運(yùn)動(dòng)，按最大的自由度來(lái)決定。 （3）運(yùn)動(dòng)速度：根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際情況進(jìn)行確定。 （4）定位精度：采用機(jī)械擋塊定位機(jī)構(gòu)，定位精度±3mm。 2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和位置檢測(cè)裝置的選擇： （1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （2）腰座回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有更好的控制性，還有定位 精確，小體積等特點(diǎn)。 （3）剩余的移動(dòng)考慮氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低能量 工 件 傳送帶 工件 傳送帶 方案 1 方案 2 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 5 （4）位置檢測(cè)裝置 （5）行程檢測(cè)裝置使用行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械擋塊，它是通常使用的運(yùn)動(dòng)少低速專用機(jī)械 手和較高的使用壽命，成本相對(duì)于便宜等。 （6）腰座的角位移一般采用位置傳感起來(lái)檢測(cè)。 結(jié)構(gòu)布置上的要求： 臂部要防止偏重；加強(qiáng)臂部剛度；改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度。 設(shè)計(jì)方法： 在整體設(shè)計(jì)完成的主要參數(shù)是確定的，設(shè)計(jì)中的整體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。在設(shè)計(jì)過(guò)程中 進(jìn)行檢查的每個(gè)部分上的部件的質(zhì)量，密度，體積，重心，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性主軸計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，可以很好的減少在設(shè)計(jì)過(guò)程中繁瑣的計(jì)算和檢查程序。 根據(jù)機(jī)械手部分的相互關(guān)系，采用從：末端執(zhí)行器→小臂→大臂→機(jī)座的順序進(jìn)行 設(shè)計(jì) [4]。 2.2 手部設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算 2.2.1 機(jī)械手的基本要求 （1）要有夾緊力和驅(qū)動(dòng)力，手部力量要適當(dāng)，過(guò)小就夾持不住，松動(dòng)、脫落。 那么結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，耗能大。 （2）手指要有足夠的角度開(kāi)閉，一邊抓取和退出工件。 （3）要有準(zhǔn)確的夾持精度，有準(zhǔn)確的相對(duì)位置 （4）要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 （5）還要考慮到適應(yīng)環(huán)境的特殊性。比如說(shuō)在高溫環(huán)境下、沖擊力比較大的環(huán)境、 腐蝕性比較輕的環(huán)境下。 這次設(shè)計(jì)的是：采用滑槽杠桿式，雙支點(diǎn)夾持物體，運(yùn)用力矩原則把手閉合，持體。 基本結(jié)構(gòu)的分析 ]5[ 本次采用的是滑槽桿手爪 圖 2.2 圖 2.2 滑槽手爪 表示支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離單位為 mm。 表示支點(diǎn)到工件中心的距離單位為a b mm。 表示手爪夾緊時(shí)滑槽方向與兩支點(diǎn)間的夾角。 表示銷中心的位置到支點(diǎn)中心距? c b 2 1 a c 連 桿 工件 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 離。 在杠桿 3 向下的力的作用，銷軸會(huì)有一個(gè)向上拉力為 F,則滑槽對(duì)銷軸有方作用力。 圖 2-3 手爪受力分析 由 得 ??0F (2.1)21F 由 得 Y (2.2)?cos1 →力矩等于零得 ?OM (2.3)bFN1 (2.4) ?cosa 將（2.4）式 (2.5)2? 式中的 表示支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離單位為 mm。 表示支點(diǎn)到工件中心的距離單位a b 為 mm。 表示手爪夾緊時(shí)滑槽方向與兩支點(diǎn)間的夾角。? 分析表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F 是常數(shù)，角度的增大，握力也增加，但角度太一般的原因的 桿的行程太大，增加手的結(jié)構(gòu)的，所以最好 = ~?034 2.3 手部力的計(jì)算 2.3.1 夾緊力的計(jì)算 增加手指夾緊力工件手主要的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。大小，方向和作用點(diǎn)，必須加以分析和計(jì) 算。一般的狀況下，需要克服靜載荷和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的工件的負(fù)荷狀態(tài)下工件原料的重力而 所產(chǎn)生的慣性力，這樣工件保持一個(gè)穩(wěn)定的夾緊的狀態(tài) 。]6[ 工件被手指夾緊的夾緊力可按下式計(jì)算： (2.6)GKFN321? 式中 ——安全系數(shù)，一般取 1.2~2.0；1K ——?jiǎng)虞d系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。2 ga12?? (2.7) F F2 F1 C F1 FN ? 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 7 其中 a 是重力方向上升時(shí)所產(chǎn)生的最大加速度；g 是重力方向向下加速度一般取 9.8 或 1sm// (2.8)maxt v?? ——運(yùn)載時(shí)上升的最大速度；maxv ——系統(tǒng)所要達(dá)到最高速度時(shí)所需的時(shí)間，一般選取 0.03~0.5s；t ——方位系數(shù)，它是依照手指和工件位置不同來(lái)進(jìn)行選擇； 3K 查《機(jī)械工程手冊(cè)》 ， 0.9～1.1，取 =1；?3K3K G——被抓取的工件所受到的重力（N） 。 .NG20? 手爪的各個(gè)尺寸 機(jī)械手所能達(dá)到最高的響應(yīng)時(shí)間ma50?b15? 是 0.5s，求夾緊力 和驅(qū)動(dòng)力 和驅(qū)動(dòng)氣缸的尺寸。F （1）設(shè) =1.5 =100mm/s =0.5s 工件在重力方向移動(dòng)速度為 0.1mm1axVst 將數(shù)據(jù)代入式（2-7）中得動(dòng)載荷系數(shù) = =1.02；取 =1 gaK??12 0.5983K 根據(jù)(2-6)公式，將已知條件 1,2.,.3? =1.5×1.02×1×200=306.3N；所以得到夾緊力為 306.3N。NF 查《機(jī)械工程手冊(cè)》表 56.2-4 的連桿傳動(dòng)的和部分結(jié)構(gòu)，根據(jù)前面所示的機(jī)械手]2[ 結(jié)構(gòu)，并對(duì)照表 56.2-4，選取 (2.9) ??? 1F )(sin N??SabP ---連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率.? ---杠桿的傾斜角.? 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式；取 ，取 ,而 ， ， 則得如下驅(qū)動(dòng)85.0??o9015?b0a03?? 力。 N 08.1247 85.0 136)903sin(si 5F )si(in 2N? ?????????abP 根據(jù)計(jì)算得手爪的驅(qū)動(dòng)力為 .P1 2.3.2 手爪驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) 氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成 (1)缸筒的內(nèi)徑的大小表示了氣缸的輸出力的大小。活塞在靜止缸上應(yīng)該做的往復(fù)運(yùn) 動(dòng)滑動(dòng)，內(nèi)筒的表面粗糙度應(yīng)可以實(shí)現(xiàn) 。umRa8.0 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 (2)端蓋上進(jìn)氣和排氣和進(jìn)氣系統(tǒng)，氣口上方，一些設(shè)備仍然在蓋上還具有緩沖機(jī)構(gòu)。 桿側(cè)的端蓋具有從活塞向外，以防止泄漏，并防止外部的灰塵混合罐的密封和防塵密封。 桿側(cè)的端蓋上面還設(shè)制有導(dǎo)向套，以方便提高氣缸的導(dǎo)向的精度，另一方面也承受了少 量的橫向負(fù)載，并且減小了活塞桿其伸出時(shí)侯的下彎曲量，這樣就大大的延長(zhǎng)氣缸的使 用壽命。為減輕導(dǎo)向套的重量并防止生銹，通常使用的是鋁合金壓鑄。 (3)活塞它在汽缸里面是一受到壓力作用的零件。設(shè)計(jì)活塞密封圈是為了防止活塞左 邊和右邊發(fā)生串氣。活塞環(huán)的磨損有明顯的效果，減少活塞密封圈的磨損，提高指導(dǎo)， 減少摩擦。耐磨環(huán)長(zhǎng)使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹(shù)脂等材料。密封圈尺寸是決 定活塞寬度的必要因素。如果說(shuō)滑動(dòng)部分過(guò)于短小，容易引起早期的卡死和磨損。常用 鋁合金和鑄鐵來(lái)制造活塞。 (4)活塞桿則是氣缸中最重要的受力零件了。在正常情況下，它是利用高碳鋼，硬鉻 電鍍表面，提高了耐磨損性，其密封 。]7[ (5)靜止不動(dòng)的部分的密封即使靜密封，相反來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)或者反復(fù)來(lái)回運(yùn)動(dòng)的部件的密 封也就是所謂的動(dòng)密封。 單個(gè)動(dòng)作就是一端只有一個(gè)活塞桿，只從一個(gè)方向的一端的氣體進(jìn)行輸出，輸出功率 大，靠彈簧復(fù)位雙作用是指由的活塞兩側(cè)進(jìn)行交替的供氣，由兩個(gè)方向輸出力。 沖擊氣缸：是一種新型元件。它能夠把壓縮氣體的壓力轉(zhuǎn)換成活塞前后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能， 因此完成作功效果。沖擊氣缸其中增加帶有了噴口以及泄流口的中蓋。中蓋把氣缸分成 三個(gè)部分，分別是儲(chǔ)氣腔、頭腔和尾腔這三部分。它應(yīng)用廣泛，主要的運(yùn)用于沖孔、下 料和成型等多樣性的工作。擺動(dòng)氣缸從葉片來(lái)回?cái)[動(dòng)，將被分離成兩個(gè)腔的兩腔交替地 供應(yīng)，從而使輸出軸作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。工作環(huán)境的基礎(chǔ)上的力的大小來(lái)確定進(jìn)一步的推力和 拉力桿尺寸。若選擇的汽缸徑小了，那么輸出力將不夠，氣缸就不能夠正常的工作。如 果缸徑過(guò)大，笨重的消耗增加的移動(dòng)設(shè)備，成本絞高，則就會(huì)造成很大的浪費(fèi)。在設(shè)計(jì) 時(shí)，減少氣缸的尺寸，則應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)。 (1)一般采用鑄鐵缸體，如果完全消除后廠鑄造過(guò)程中，為了生活中的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生， 它必須經(jīng)過(guò)時(shí)效處理。時(shí)效時(shí)間過(guò)短，加工好的汽缸在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中還會(huì)變形。 (2)汽缸運(yùn)轉(zhuǎn)是非常復(fù)雜的，不僅要被安裝在一個(gè)氣缸的各個(gè)組成部分在其中的靜載 荷的重量和其他外部和內(nèi)部和外部的氣體壓力差，還要經(jīng)受冷態(tài)下的連接管道缸動(dòng)力的 作用，蒸出的靜止的定子部分反應(yīng)，氣缸塑性變形引起的泄漏。 (3)如果增加或減少氣缸的負(fù)載是太快了，特別是對(duì)于一個(gè)快速啟動(dòng)，停止和溫暖缸 不正確，工作條件的變化，溫度的變化，停機(jī)打開(kāi)保溫層時(shí)存在過(guò)早等現(xiàn)象，氣瓶和法 國(guó)蘭花會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱變形和熱應(yīng)力。 (4)氣缸焊接或機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致從處理后，如果不進(jìn)行回火氣缸被淘汰，這將導(dǎo)致更 大范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力的氣缸在操作過(guò)程中產(chǎn)生永久變形。 (5)在安裝過(guò)程中，由于在氣缸的相反側(cè)的維修技術(shù)問(wèn)題的蒸汽分離器包絡(luò)不適當(dāng)膨 脹間隙，壓紙或不適當(dāng)?shù)陌惭b耳朵膨脹間隙，運(yùn)行后的氣缸的變形力的巨大膨脹。 (6)汽缸所使用得密封劑質(zhì)量不好、型號(hào)不對(duì)或者是雜質(zhì)較多的話；如果氣缸內(nèi)的密 封劑與硬質(zhì)粒子中的雜質(zhì)，將導(dǎo)致密封面很難合在一起。 (7)汽缸的螺栓的緊力不夠或是螺栓的材質(zhì)不夠強(qiáng)度的話。螺栓主要使汽缸結(jié)合面的 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 9 嚴(yán)密性主要靠。螺栓的應(yīng)力會(huì)松弛，在起?；蚴窃鰷p負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和高溫會(huì)造成 環(huán)境下，螺栓的預(yù)緊力就會(huì)逐漸減小在應(yīng)力不足的環(huán)境下。不充分的強(qiáng)度的螺栓材料， 在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，汽缸的膨脹力和氣缸的熱應(yīng)力的作用下被拉長(zhǎng)，螺栓會(huì)產(chǎn)生塑性變形， 緊固力將是不足的，導(dǎo)致在氣缸泄漏現(xiàn)象 。]5[ 根據(jù)《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》 得氣缸的外徑公式 ，]3[ (2.10)224dpFD???? 式中： ---驅(qū)動(dòng)力為拉力。 。 2F N08.172P ---負(fù)載率。 ---工作壓力。?p 與 的關(guān)系，現(xiàn)在設(shè) ， 。5.0??MPa 5.p ---活塞桿直徑。一般取 ，取 。將各個(gè)只帶入式d 32/?Dd25.0/?Dd (2.10)中得： mpFD 92)4(5.015.014.38.27 26 ???????? 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)，圓整后取 。則 ?；钊麠U穩(wěn)定性校m9?D 3/Dd 核：由于活塞桿受拉時(shí)工作，故可不校核其。手爪氣動(dòng)缸如圖 2.4 圖 2.4 夾持器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)缸 2.3.3 手部誤差的分析 在夾持不同直徑的圓棒料時(shí) ,手指的形心或工件軸心位置會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際上 ,因?yàn)?夾持不同的工件，其尺寸不同從而將會(huì)導(dǎo)致它的軸心的位置發(fā)生變化這些變化可認(rèn)為是 夾持誤差 ,將取其中最大的誤差來(lái)評(píng)價(jià)夾持精度。夾持誤差是由手指在夾持的過(guò)程中位姿 決定 ,它將會(huì)直接影響到整個(gè)的機(jī)械手的定位精度。當(dāng)然 ,為了提高夾持精度，其中比較 有效方法是手指結(jié)構(gòu)可、更換手部或者運(yùn)用自位手指機(jī)構(gòu) 。但這類手指結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。 為了讓手指方便簡(jiǎn)單的去工作，采用固定式的機(jī)械手夾持物件，但其工作的環(huán)境要求比 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 較高的 。]6[ 為了保證手抓張開(kāi)角為 ，o60 機(jī)械手的夾持范圍為 Φ60~Φ120mm。夾持誤差不超過(guò)±3mm. 分析如下：工件的平均 半徑： = =45mm；手指長(zhǎng) L=150mm，V 型夾角CPR2603?021?? 偏轉(zhuǎn)角 （2.11）??sinco1LCP?? 由式（2.1）：β = = =69.73°1iRcp1?o60sin54? 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： β=69.73° 計(jì)算理論平均 150×sin60°cos69.73°=45.00mm；因?yàn)? ???cLi0min0maxR＞＞ 22max2max21 asinLcosin)si( ?????? ??R ?????22 25073.69sin150 5073.69csi1)( 22 2.si .cos6in)( ?? 132.6622996 131.5274278 1.13487??? 所以 =1.13487<3 夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。? 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 11 3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械小臂設(shè)計(jì) （1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。 機(jī)身和機(jī)械手臂的承載能力，一般取決于它的剛度。一般的手臂都是采用水平的或 垂直懸伸的方式。那么很顯然的就知道，當(dāng)手臂的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)那么它的剛度就會(huì)越差， 臂的剛度會(huì)隨著臂的伸長(zhǎng)或縮短而不斷地變化的。手臂的剛度對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和 運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量都有一定的影響。 （2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。機(jī)械手手臂的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一是機(jī)械手的運(yùn) 動(dòng)速度，它主要反應(yīng)的是其生產(chǎn)的水平，這個(gè)其實(shí)主要是根據(jù)生產(chǎn)的節(jié)奏來(lái)確定的。機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是勻速運(yùn)動(dòng)。在做變速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候?qū)嵲谑直蹎?dòng)和停止的一段時(shí)間 它做的是變速運(yùn)動(dòng)。一般在啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止時(shí)間的加速度不能夠太大否者會(huì)發(fā) 生沖擊和震動(dòng)等效果。 （3）手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活。為了讓手臂動(dòng)作靈敏，可以盡量使用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩 擦，減少件與件之間的摩擦阻力。 （4）機(jī)器人的臂的結(jié)構(gòu)和大小應(yīng)該滿足的操作任務(wù)，工作空間。 （5）加載臂和其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料的手和手臂的結(jié)構(gòu)合理的選擇，以 減少手臂本身的重量。 （6）應(yīng)該有可能減輕重量的臂相對(duì)的旋轉(zhuǎn)接頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并偏向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它可 以減少負(fù)載驅(qū)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)力矩，從而降低了操作的動(dòng)態(tài)載荷和沖擊，響應(yīng)手臂運(yùn)動(dòng)速 度提高。 3.1.1 小臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 小臂的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：圖 3.1 Z1 圖 3.1 小臂的整體結(jié)構(gòu) 小臂部在搬運(yùn)工件時(shí)做得收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服摩擦力和慣性力，其驅(qū)動(dòng)力可按下式 計(jì)算： （千克力） （3.1）kgfFPmq?? 手爪氣 缸 氣缸 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 式中： ---摩擦阻力。其中包括導(dǎo)軌支承間的摩擦阻力，活塞與缸壁及密封處的mF 摩 擦阻力。則 N 465.90F.31m 2??????得 密 封 處活 塞 與 缸 壁導(dǎo) 軌 mF? ---起動(dòng)過(guò)程的慣性力。其大小按下式計(jì)算：gF （3.2）kgftvGg ? 其中： ---臂部移動(dòng)部件的總重量。 缸導(dǎo) 桿手 爪工 件 GG??? N 62.35 8.93.26.4890???? 氣 缸導(dǎo) 桿手 爪工 件 注：上式中的手爪、導(dǎo)桿、氣缸的質(zhì)量都是由質(zhì)量特征求得。其密度均為： ，導(dǎo)桿取 。g/cm 8.7?m ? ---重力加速度。 ---臂部運(yùn)動(dòng)速度。取 。v/s 2.0?v ---起動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間，一般可取 ?，F(xiàn)取 。t s 5.01?t s 3.0?t 故 。N 3.2 3.05 ??tgvGF 所以 。495.1 0.46.9 ???mqP 3.1.2 小臂驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì) 根據(jù)《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》 ，有]3[ （拉力作功） 24dpFD???? （3.3） 式中： ---驅(qū)動(dòng)力為拉力。 。2F495.21?PF ---負(fù)載率。? ---工作壓力。 與 的關(guān)系，設(shè) ， 。 p?p.0?MPa .?p ---活塞桿直徑。d 一般取 ，取 。3.02./??D25./?Dd 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 13 m 4)(5.015.014.349.2 26???????DdpFD?? 根據(jù)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 圓整后取 。 則 ][ 4? 1/?Dd 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計(jì)算? 按薄壁圓筒公式計(jì)算：選用手爪驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算： （3.4）(Pa) /][ m2 npDbs?? 式中： ---缸筒內(nèi)徑， 。D 0.929 ---工作壓力 的 1.5 倍，即 。sppMPa185?ps ---缸筒材料的許用應(yīng)力 。][?)(a ---缸筒材料的抗拉強(qiáng)度 。 b P 選 45 鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》得 。 ---安全系數(shù)，一般取 ]6[ Pa 598?b?n ，取 ，則 則86??n7?n .43/7/][?nb? (m) 107. 1085.2 . ]2[46????spD 根據(jù)計(jì)算 。 （45 剛無(wú)縫鋼管）m 4?][ 3.1.4 氣缸的選用 氣缸類型：活塞式單作用氣缸； 安裝形式：通用型； 氣缸行程：按所需行程增加 10～20mm; 運(yùn)動(dòng)速度：設(shè)置調(diào)速元件，如節(jié)流閥等； 潤(rùn)滑：除了潤(rùn)滑氣缸，氣缸應(yīng)注意合理潤(rùn)滑的氣源潤(rùn)滑器的入口，根據(jù)油的量調(diào)整。 根據(jù)上式的計(jì)算我們了解到氣缸中 。則選擇的參數(shù)如下:4,23,9maxax???dD m 5 ),( 63d 10?? 故 此 值 盡 量 取 大 些彎 剛 度考 慮 到 后 面 的 小 臂 的 抗D 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 取安全系數(shù) ，校核條件：]14[ 10?stn （3.5）stcrPn? 無(wú)錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 臨界力 （3.6）2lEIPcr?? 其中：彈性模量 ?；钊麠U截面的慣性力矩：Ga10 （3.7）64dI 則 12430.8266)10(1.3I ??????? 活塞桿桿長(zhǎng)為 。0m.l 故 N976.54380.1.421432 1292 ??lEIPcr 所以 規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)為 ，而 所以挺stnn???8645.917 10stn?n 桿滿足穩(wěn)定要求。 3.1.6 小臂剛度校核 最大彎力距 mN 62.350.1)89.326.489.20(M max ??????? 抗彎截面系數(shù) 33 01.57)16(4????dW? 力臂最大的許用應(yīng)力 Mpa86.92.8ax?? 查相關(guān)手冊(cè) 45 剛的彎曲應(yīng)力為]1[ pa10][? 因?yàn)?，所以滿足要求max?? 3.1.7 端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 (1) 缸體材料選擇無(wú)縫鋼管，然后端蓋的連接鏈路多使用半環(huán)連接其優(yōu)點(diǎn)是加工和裝 拆方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是開(kāi)缸環(huán)槽強(qiáng)度減弱。 (2) 缸蓋螺栓的計(jì)算 為保證連接的緊密性，螺栓間距 應(yīng)適當(dāng)。0t 表 3-1 工作壓力與螺栓間距關(guān)系表 工作壓力/ Mpa /mm0t 1.6? 150mm 1.6~4? 120mm 4~10 100mm 10~16 80mm 16~20 60mm 20~30 40mm 這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺栓在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 為工作載荷 和殘余預(yù)緊力 之FSOF 和 （3.8） OSF?? 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 15 式中： ——工作載荷， = SFSFZ pDP42?? （3.9） ——螺釘中心所在圓的直徑； ——驅(qū)動(dòng)力；0DP ——螺栓數(shù)目 = （3.10）ZZ0tD? ——剩余預(yù)緊力， ；0FSF)6.~2(? 計(jì)算： D=90mm， =100mm，P= ，螺栓直徑 ，間距與工作壓力有關(guān)，見(jiàn)0DMpa3.0md? 表格 3-1 間距應(yīng)小于 150mm，試選螺釘數(shù)為 8 個(gè)： 則將 代入式中 Z= ，得 =39<150，滿足要求； 8,30?Z0tD?0t 則 = =794.8N；SFZ pP42? 因?yàn)?，那么我將選擇 ；F)6.0~2(0? NFS4.3975.0? 21843970?S 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》螺栓直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算 （3.11） ????JFd??1 式中 ——計(jì)算載荷， ；JFJ3.? ——許用抗拉應(yīng)力， ；?????nS ——螺栓材料的屈服點(diǎn)，材料選擇 45 鋼，則屈服強(qiáng)度為 352MPa；S n——安全系數(shù)，n=1.2~2.5，此處取 n=2； ——螺紋內(nèi)徑， =d 1.224S，d 為螺栓公稱直徑，S 為螺距。1d1d? 根據(jù)上式公