自動上下料機械手設計

佳木斯大學本科畢業(yè)論文（設計）學術誠信承諾本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得佳木斯大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。簽名：_ 日期：_關于論文使用授權的說明本人完全了解佳木斯大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。簽名：_ 導師簽名：_ 日期：_第 V 頁摘 要現(xiàn)如今機械制造行業(yè)發(fā)展迅速，企業(yè)非常注重生產(chǎn)的自動化技術，憑借自動化生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量，工業(yè)機械手在自動化生產(chǎn)線中充當著重要的組成部分，代替了工人在高溫，污染等惡劣環(huán)境里完成繁重的工作，并能在長時間作業(yè)的情況下保證產(chǎn)品質(zhì)量。自動上料機械手替代人工上料，減少了人工的工作危險，確保產(chǎn)品質(zhì)量，長時間高效率重復運轉工作。本文將設計一臺自動上料機械手。（1）本文設計自動上料機械手的手部、腕部、小臂、大臂和底座的結構，對各結構部件進行運動分析，利用繪圖軟件繪制運動原理圖。（2）機械手的控制系統(tǒng)，傳動方式，包括液壓系統(tǒng)的擬定，液壓元件的選擇，保證加工過程中的平穩(wěn)性與加工精度，實現(xiàn)安全準確抓取工件。（3）本文運用Solid Works軟件進行三維建模和虛擬裝配以及仿真分析的運動情況，通過運動仿真確定整機設計的合理性與安全性，最終達到高效、安全、簡單實用的目的。關鍵詞：上下料；機械手；液壓系統(tǒng)；三維建模；仿真AbstractNow the rapid development of machinery manufacturing industry, enterprises are very focused on the production of automation technology, by virtue of automated production to improve production efficiency and ensure product quality, industrial robots in the automated production line as an important component, instead of workers in high temperature, pollution Harsh environment to complete the heavy work, and in the case of long-term operation to ensure product quality. Automatic loading robot instead of manual feeding, reducing the risk of manualwork to ensure product quality, long and efficient operation of repeated work.This article will design an automatic feeding robot.(1) This paper will design the structure of the hand, wrist, arm, arm and base of the automatic feeding robot, and analyze the motion of each structural part, and draw the motion schematic diagram with drawing software.(2) This paper will design the control system of the manipulator, transmission mode, including the hydraulic system development, the choice of hydraulic components to ensure the smoothness of the processing process and processing accuracy, to achieve safe and accurate grasp of the work piece.(3) The design uses Solid Works software for three-dimensional modeling and virtual assembly and simulation analysis of the movement, through the motion simulation to determine the rationality and safety of the whole design, and ultimately achieve efficient, safe, simple and practical purpose.Key words: loading and unloading; manipulator; hydraulic system; 3D modeling; simulation目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究的目的和意義11.2 上下料機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 上下料機械手的國外發(fā)展狀況21.2.2 上下料機械手國內(nèi)發(fā)展狀況41.3 本文主要研究內(nèi)容6第2章 自動上料機械手方案設計82.1 機械手本體結構方案設計82.2 驅(qū)動裝置與控制系統(tǒng)方案設計92.3 自動上料機械手運動簡圖112.4 本章小結11第3章 抓取機構的設計123.1 手部的設計與計算123.1.1 對手部設計的要求123.1.2 拉緊裝置原理133.2 腕部的設計計算153.2.1 腕部設計的基本要求153.2.2 腕部結構和驅(qū)動結構的選擇153.3 臂部伸縮機構設計與計算163.4 本章小結18第4章 液壓系統(tǒng)原理設計194.1 手部抓取液壓缸194.2 腕部擺動液壓回路204.3 小臂伸縮缸液壓回路204.4 總體液壓系統(tǒng)圖214.4.1 工作過程224.4.2 確定電機規(guī)格224.5 本章小結22第5章 機身機座的結構設計235.1 電機的選擇235.1.1 驅(qū)動臂部做升降運動的電機235.1.2 驅(qū)動機身做回轉運動的電機：235.2 減速器的選擇245.3 螺柱的設計與校核245.3.1 當量應力計算255.3.2 剪切強度計算255.3.3 彎曲強度計算255.4 機械手的控制255.5 本章小結26第6章 機械手的定位及穩(wěn)定性分析276.1 常用的定位方式276.2 影響穩(wěn)定性和定位精度的因素276.2.1 定位方式276.2.2 定位速度276.2.3 運動件的重量286.3 機械手運動的緩沖裝置286.4 本章小結29第7章 三維設計307.1 機身結構307.2 手部結構317.3 腕部結構317.4 手腕部組合結構327.5 臂部結構327.6 仿真效果337.7 本章小結34結 論35致 謝36參考文獻37附 錄 139附 錄 240附 錄 141附 錄 242.不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印第1章 緒論1.1 研究的目的和意義隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展，材料的搬運，零部件的移動與裝配已經(jīng)普遍成為各個行業(yè)加工的基本環(huán)節(jié)。用人力上料不僅消耗體力，而且長時間重復操作會降低加工精度，針對這些問題，以自動上料機械手完成該步驟對提升制造企業(yè)的加工生產(chǎn)具有重大作用1。它最大程度上降低了勞動工作的浪費，使得生產(chǎn)高效率，準確保證加工精度。機械手研究初期，基本采取的傳動方式為機械傳動。其傳動系統(tǒng)中包括變速箱、驅(qū)動橋等零件部分，這使得機械手體積大，運動存在不穩(wěn)定性。與單純的機械傳動相比較，液壓傳動優(yōu)點居多，首先體積小，質(zhì)量輕，工人操作簡易，使工人在工作過程中的危險指數(shù)下降，結構比較簡單，價格低廉，更加容易維護與使用。進行更高級的控制操作，提升了人的工作價值，可在保證生產(chǎn)效率的同時確保生產(chǎn)質(zhì)量，也可避免人為的操作失誤2。為了更好的適應自動化生產(chǎn)線的需求，結合生產(chǎn)工藝，設計一臺自動上料機械手，作為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的一部分，參與生產(chǎn)工作，替代人工。工業(yè)4.0的概念現(xiàn)在被普遍傳播，我國發(fā)布了機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年），并進一步部署中國智造2025戰(zhàn)略，使機器人研發(fā)制造技術成為我國目前的重要任務3。工業(yè)機器人能夠確保產(chǎn)業(yè)基礎能力，提升與國際制造業(yè)的競爭力，讓產(chǎn)品的技術水平能夠與國際同水平產(chǎn)品有強大的競爭力，在關鍵技術與零部件的生產(chǎn)有重大的突破，滿足市場的需求3。工業(yè)機器人的主要目的在高溫、有毒、易燃等強烈不適宜人們從事生產(chǎn)的環(huán)境下，代替人類進行作業(yè)，在保證生產(chǎn)工作的同時使人類的人身不受傷害。工業(yè)機器人目前大部分用來替換人類的部分工作，如上下料，搬運材料，碼垛，裝配等進行輔助生產(chǎn)，普遍應用于自動化生產(chǎn)線上4。自動上下料機械手參與工業(yè)生產(chǎn)，在生產(chǎn)加工過程中，加工效率得到提升，定位的準確性能夠得到保證，加工精度能夠滿足生產(chǎn)要求，滿足與機床等自動化生產(chǎn)線相結合，使各個結構緊湊，節(jié)省工件的運輸時間。目前，我國機械手發(fā)展相對突出的發(fā)展方向為PC機的控制器，設計結構也不斷緊湊，器件集成的情況相對明顯，總體設計出的構架比較靈巧，安全性和可靠性更高。傳感器應用于機械手中將會使機械手向更加方便智能的方向發(fā)展。如今在我國技術經(jīng)濟飛速發(fā)展的前提下，機械行業(yè)應用上下料機械手已成為一種趨勢，充分發(fā)揮組裝零件，搬運裝卸工件，與數(shù)控機床組合發(fā)揮自動化生產(chǎn)，將工業(yè)生產(chǎn)形成一個有機的體系1,5。從最初的工業(yè)1.0人們開始進入機械制造產(chǎn)業(yè)的“蒸汽時代”，工業(yè)2.0的發(fā)展帶領人類步入了具有各種分工的流水線批量生產(chǎn)模式和“氣時代”，工業(yè)3.0逐漸應用電子信息技術，初步達到自動化生產(chǎn)水平，如今工業(yè)4.0時代，已經(jīng)進入了應用信息物理融合系統(tǒng)6。全球機械制造行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為各個國家技術爭奪的制造點，如各國出臺的相關發(fā)展戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、日本機器人新戰(zhàn)略、美國“先進制造伙伴計劃”等國家級政策及機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃3。中國現(xiàn)在眾多傳統(tǒng)制造企業(yè)提出了“機器換人”計劃，這使得工業(yè)機器人已經(jīng)得到了行業(yè)的認可，但是隨著智能水平的提高，工業(yè)機器人的發(fā)展逐步走向智能化，個性化的方向，以最快的速度對市場需求做出反應。汽車生產(chǎn)，加工塑料工件，金屬加工生產(chǎn)等制造均采用工業(yè)機械手，生產(chǎn)線逐漸向模塊化、智能化、標準化的方向發(fā)展 7。1.2 上下料機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 上下料機械手的國外發(fā)展狀況機械手首先是從美國開始設計生產(chǎn)的。1958年美國聯(lián)合控制公司成功研發(fā)出一臺工業(yè)機械手，在當時國內(nèi)與國外使用的都是具有定位控制功能的機械手，缺少了“觸覺”和“視覺”反饋功能。當前全球各個國家正積極研究設計帶有“觸覺”和“視覺”反饋功能的機械手，使它能對所選取的工件實現(xiàn)辨別，篩選必要的工件，并準確地夾持工件，進而確切地在機械生產(chǎn)中定位定向8。機械手固然還不比人手那樣靈便，但它具備能不截重復工作，不知勞累，抓起托舉重物的力氣比人手力大的特點。這些特點使得人們在工業(yè)生產(chǎn)中解放出來，從事更高級的控制操作。正因如此，機械手已受到眾多有關部門的高度重視，并普遍地得到了應用7。關于機械手的研究與設計正在飛速進行這，難度也逐漸增長。如瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Tchnology、American Robot、S-T Robotics。機器人已經(jīng)成為了一種高新技術產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景在全球范圍內(nèi)具有良好的勢頭。在發(fā)達國家中，工程中的機械工程機械、汽車內(nèi)部電子、電器制造行業(yè)都逐漸開始大規(guī)模運用機器人組裝自動化生產(chǎn)線，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加生產(chǎn)效率，減少員工人身傷害9。如今機器人使用頻率相對較高的國家是韓國，平均能夠達到每萬人69個機器人的使用量；中國能夠達到每萬人49個，使用密度有很大的上升空間10。據(jù)2016 年上半年，牛津經(jīng)濟研究院 (Oxford Economics) 的研究結果表名，中國的每人次勞動力成本只比美國低 4%；日本勞動力成本為中國的 70% 至 80%；印度的單位勞動力資本僅為中國的30% 多。中國的勞動力成本的增加已經(jīng)大大超出生產(chǎn)效率的增加；2003 年至2016 年，美國機械制造行業(yè)所產(chǎn)生的單位勞動力生產(chǎn)率已經(jīng)增長了40%，即便同期中國機械制造行業(yè)業(yè)中單位勞動力生產(chǎn)率也增長近乎翻倍，但是美國仍比中國高出80%3。 圖1-1FANUCRobotM-200iA 圖1-2使用M-200iA進行車身搬運FANUC是日本的一個專注研究數(shù)控系統(tǒng)的公司，是全球目前較大的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)制造廠家，F(xiàn)ANUC機器人產(chǎn)品系列至多能夠達到240種，承載重量范圍從0.5公斤到1.35噸不等，是全球第一個打破20萬臺機器人的公司。廣泛應用在裝配零部件、搬運工件材料、焊接工作、鑄造工藝等各個不同的生產(chǎn)階段。如圖1-1所示。FANUC Robot M-200iA型號的重物搬運機器人，根據(jù)選用不同的生產(chǎn)要求有兩種機型可供選擇，F(xiàn)ANUC Robot M-200iA/1200，是最大可搬運重量為1350kg的重負載型機器人。以前需要兩個機器人共同協(xié)作完成搬運1噸的重物，如今只需要一臺就可以完成搬運動作。FANUC Robot M-200iA/900L，使最大可搬運重量為900kg，手臂可達半徑為4.7m的長臂型。上下可動的范圍能夠達到6.2m，可用機械手臂來代替汽車生產(chǎn)工廠內(nèi)的專業(yè)升降裝置進行車身搬運的作業(yè)，如圖1-2所示。其手臂防塵與防水方面具備等同于IP67標準的耐環(huán)境性，使得即便使在嚴重污染的情況下也能夠正常運作放心使用，并且機械手臂還引用了最新的R-30iA控制裝置，控制系統(tǒng)方便操作，智能化，可使用最新的機器人控制功能11。圖1-3 KUKA KR 1000 titan庫卡是德國奧格斯堡的一家工程技術服務與自動化器械生產(chǎn)的機器人公司，也是全球頂級的工業(yè)機器人制造商。所涉及領域包括汽車制造、航空航天、軌道交通、一般工業(yè)領域等。自動化設備相對成熟，已經(jīng)被全球眾多豪華汽車品牌組裝自動化設備生產(chǎn)線12。如圖1-3所示。KUKA KR 1000 titan是重載型六臂機器人，可以安全、精確的從6.5米遠處移動最重的部件和組件，具有開放式的運動系統(tǒng)。高動態(tài)性，能夠保證在準確安全搬運部件的同時確保速度快，加速度靈活，節(jié)拍時間最佳；巨大的生產(chǎn)力，機器人精度高可提高生成質(zhì)量，降低加工成本，干擾輪廓減少，增大了可有效使用的工作空間；靈活性好，作為卸碼垛機器人或與線性軸結合使用，可增加回旋余地，不需要調(diào)整地基就能方便地集成到設備和系統(tǒng)中13。1.2.2 上下料機械手國內(nèi)發(fā)展狀況目前我國工業(yè)機器人生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，發(fā)展非常迅速。根據(jù)有效的數(shù)據(jù)表明，2015年我國工業(yè)機器人在國內(nèi)銷售市場上，銷售量高達6.8萬臺，已經(jīng)超越歐美銷售市場，持續(xù)三年在全球的工業(yè)機器人市場中保持領先地位。依據(jù)中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)表明，2016年中國生產(chǎn)的工業(yè)機器人上半年共銷售出19257臺，相比較上年可比口徑計算增加了37.7%，增長速度比上年同期增速了近10.2個百分點。從應用的范疇來看，2016年上半年與上年的應用范圍基本相同，分布均勻。其中一個新亮點就是作業(yè)于金屬等材料的鑄造領域的上下料與搬運機器人，在眾多的鑄造企業(yè)中上下料工作相對辛苦，作業(yè)環(huán)境比較惡劣，應用機器人代替可加快生產(chǎn)，市場上對這方面的需求不斷增多3。圖1-4 RB系列搬運機器人國內(nèi)在工業(yè)機器人研發(fā)方面，如圖1-4所示。廣州數(shù)控設備有限公司研發(fā)了自助知識產(chǎn)權的RB系列搬運工業(yè)機器人，作用范圍主要是自動化生產(chǎn)線沖壓工藝，機床加工上下搬運物料，重型器件的搬運工作。產(chǎn)品特點：高精度：定位精度能偶達到0.05mm，長時間高強度工作，定位精度不會受到影響；高性能：采取國內(nèi)目前最高端的GSK-RC控制系統(tǒng)，使機器人能夠辨別實際載荷，并且優(yōu)化加速與減速，減少了操作控制的周期時間；憑借著內(nèi)部設置的服務信息系統(tǒng)實時監(jiān)視測量機器人運動情況與載荷承受情況；連續(xù)使用的時間更長；運動控制功能和碰撞監(jiān)測功能避免工件和工具的損壞風險，具有良好的安全性；工作空間大：運用多關節(jié)垂直的串聯(lián)結構，最長到達距離1595mm，最大載荷8kg；設計優(yōu)化：本體采用輕重量、高強度、高剛性、高密度的結構進行布置，使得機身緊湊，剛性好，精度高14-15。 a）抓取物品 b）移動物品圖1-5 基于STM32的語音控制機械手如圖1-5所示。為基于STM32 的語音控制機械手，主要以STM32為控制平臺，對四自由度機械手進行控制操作，可以進行系統(tǒng)調(diào)試，儲存記憶機械手動作，進行語音識別控制，使機械手具備語音控制，人與機進行對話交流的功能。其核心處理器為STM32F407ZGT6 處理器，對機械手的動作進行存儲記憶和調(diào)試。采用32路伺服舵機控制器對機械手實現(xiàn)控制，使其實現(xiàn)定位準確選用速度合理，并且能夠時間延時斷點發(fā)送指令，語音識別這項功能采用了ASR非自然語音識別技術，通過對關鍵詞的識別，進行高效的特定語音識別控制。拿物品工作過程：識別語音模塊命令“拿東西”，確認命令后，系統(tǒng)進行應答，發(fā)送指令0x01標識，對處理器控制平臺預先調(diào)試，調(diào)出儲存好的抓取物品的命令，加載抓取物品動作指令序列，傳送至舵機控制板，機械手完成物品抓取16-18。在2016年4月26日，我國工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和財政部委聯(lián)合印發(fā)了機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）（下簡稱規(guī)劃）。深入強調(diào)制造行業(yè)的進步發(fā)展需要自動化機器人作為關鍵支撐裝備，也是國家發(fā)展科技創(chuàng)新與高端機械制造發(fā)展水平的重要性標志。規(guī)劃指出要保證機器人的關鍵零部件和高端產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量具有可靠性，提高企業(yè)中間的競爭力和市場占有率。在2020年我國工業(yè)機器人的年產(chǎn)量能夠達到10萬臺，使用密度能夠達到150臺以上，通過政策合理支配利用資源，發(fā)展人才提高創(chuàng)新意識，研發(fā)精神，擴展市場機器人產(chǎn)業(yè)業(yè)務19-24。規(guī)劃強調(diào)了十大標志性實施重點產(chǎn)品，為機器人發(fā)展指導方向，如電弧焊機器人，重點實現(xiàn)能夠根據(jù)軌跡焊縫跟蹤，根據(jù)坡口的寬度進行焊接，具備高壓感知的技術；潔凈型機器人，發(fā)展方向?qū)崿F(xiàn)在真空的條件控制傳動潤滑，偏差檢測實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，能夠校正檢測及碰撞保護等技術方向；智能自主編程的工業(yè)機器人，自由度需要6個以上，加工工件范圍能夠在1m1m0.3m 以上，可以自動監(jiān)測作業(yè)程序，環(huán)境，工藝要求，并自動生成程序，需要實現(xiàn)的工藝操作有打磨工件，噴涂染料，拋光工藝等；重載AGV，能夠?qū)崿F(xiàn)最大負載能力40000kg，舉升行程：最大 100mm，防碰裝置：激光防碰，輔助磁導航精度：10mm，舉升裝置：車體自舉升，轉彎半徑：2m，最大速度：直線 20m/min；消防救援機器人，可代替人類，在特殊環(huán)境下完成搜救，災情定位，排除障礙，滅火等任務；智能護理機器人，能夠正確對有需要的人群進行照顧護理，能夠感知識別，靈活自主移動，輔助需求者進行多樣化的護理服務25-27。未來人類未知領域的探索，誰擁有了最先進的研發(fā)技術，誰就在未來的發(fā)展領域占有主動權。工業(yè)機器人的發(fā)展方向會趨向于智能化、網(wǎng)絡化、仿生化，所應用的范圍涉及會更加全面，遍及生活中。我們作為機器人的操作者，操作方式會越發(fā)方便簡潔，機器人能夠更好的幫助我們完成工作，在生活中，機器人無處不在，有他們在的生活會更加美好28。從2015年開始，工業(yè)機器人領域就得到了前所未有的關注，市場空間急劇增大，飛速發(fā)展的領域存在的問題也是不容忽視，需要逐步改進的，可靠性差，精度不高，應用領域受限，生產(chǎn)線組裝能力不足，缺乏研發(fā)技術。通過大量采購進口工業(yè)機器人實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線，對我國的生產(chǎn)發(fā)展受限，研發(fā)能力與技術水平?jīng)]有達到世界先進水平，工業(yè)機器人的原創(chuàng)性沒有得到發(fā)展，研發(fā)投入不夠充足。國外工業(yè)機器人注重保護機器人的自主技術產(chǎn)權，在設計的同時增加了自鎖功能，一旦進行破壞性拆解，零部件不能恢復原裝，國內(nèi)研究機構不能夠進行逆向研究。工廠生產(chǎn)與研究者學習探索研究力爭做到結合一致，保證現(xiàn)有技術的消化吸收。目前最主要問題就是“工業(yè)4.0”的發(fā)展缺乏數(shù)字化與網(wǎng)絡技術的連接，需要解決各個機器之間信息協(xié)調(diào)共享、相互協(xié)調(diào)控制、智能生產(chǎn)，使工廠成為少人化或無人化的有機整體29-32。1.3 本文主要研究內(nèi)容本設計主要是根據(jù)現(xiàn)有的機械手進行設計，滿足自動化生產(chǎn)的需求，并結合三維建模運動仿真，驗證設計可行性。它的驅(qū)動系統(tǒng)應用了液壓裝置和電機部分相結合，使得機構更加巧妙、合理。具體的設計內(nèi)容分為以下幾部分：（1）自動上料機械手方案的設計，確定最終合理的設計方案。（2）自動上料機械手的手部，臂部，腕部，的設計，以及相關參數(shù)的設計計算。（3）液壓系統(tǒng)原理的設計和相關計算。（4）零部件的設計，基于Solid Works建立實體模型進行虛擬裝配和運動仿真。（5）論文的撰寫。（6）研究內(nèi)容程序框圖，如圖1-1所示。自動上料機械手總體設計方案選擇控制系統(tǒng)及確定驅(qū)動裝置確定工作關系及額定載荷機械手工藝與動作分析自動上料機械手本體結構設計手部結構設計腕部結構設計大臂結構設計小臂結構設計液壓系統(tǒng)設計液壓元件選擇三維建模與運動仿真繪制裝配圖及書寫論文整理相關資料準備答辯圖1-1 程序框圖第2章 自動上料機械手方案設計自動上料機械手功能應該是能快速準確的拿取工件，并且還要有一定的承載能力，這樣才能承受工件的重量。同時，機械手的旋轉角度要有一定的范圍，這樣才能對不同位置的工件進行定位。根據(jù)對工件形狀和所實現(xiàn)功能的分析，對機械手的本體結構進行方案設計。2.1 機械手本體結構方案設計自動上料機械手的自由度選擇實現(xiàn)全方位定位設計。機械手本體結構包括手部，腕部，臂部，機身機座，自由度的分配需要根據(jù)各部分所實現(xiàn)的運動功能，手部需要夾持工件，設置一個自由度實現(xiàn)張開閉合來夾持工件。腕部需要連接手部和臂部，左右旋轉使手部運動，需要一個自由度。臂部結構要完成上升下降運動，伸縮運動，左右回轉運動，分配三個自由度分別實現(xiàn)相關功能。根據(jù)定位要求，實現(xiàn)全面安全定位，機身具備一個自由度，實現(xiàn)左右回轉的動作。機械手本體結構自由度合理分配。機械手手部方案設計。所實現(xiàn)功能為夾持工件，工件形狀為圓棒狀材料，工件重量為10Kg，手部采用夾持式結構，需要具有一定的夾緊力滿足夾起工件，不破壞工件形狀與表面質(zhì)量，不影響加工質(zhì)量的條件。采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動手部結構夾緊與放松的工作。手部形狀設計采用鉗夾的結構，能夠夾取工件，同時手部的架構運動可拆卸的設計，這種設計可以滿足不同工件的上下料工作，使機械手的使用范圍擴大。機械手腕部方案設計。腕部需要實現(xiàn)的運動為回轉運動，并且輔助功能為調(diào)整手部夾持工件的方向。腕部起著連接手部與臂部的作用，位置在兩者之間，在機械手作業(yè)時會受到手臂與臂部傳遞來的動載荷與靜載荷。所以，腕部所選擇的設計結構與自身重量以及動力載荷與臂部的相關結構都是有一定關聯(lián)的。腕部需要一個自由度即可。它實現(xiàn)的左右回轉。采用液壓驅(qū)動方式。機械手臂部方案設計。本設計機械手臂部結構由大臂，小臂組成。所實現(xiàn)的運動學功能為上升下降運動，左右回轉運動，大臂與小臂結合的伸縮運動，在運動過程自由度分配為三個，分別實現(xiàn)三種運動，使運動更加和諧。完成所需要的功能通過電-液結合的方式進行傳動，上升下降運動采用電動機進行驅(qū)動運作，臂部伸縮運動需要大臂小臂相結合采取液壓驅(qū)動。作業(yè)生產(chǎn)時，手臂部受到了來自手部與腕部傳遞來的動，靜載荷，對臂部工作產(chǎn)生一定的影響。臂部所承擔的運動相對較多，可見臂部結構的設計，定位作業(yè)的準確性，對機械手的生產(chǎn)加工性能影響較大。本體結構方案設計選擇，如圖2-1所示。圖2-1 自動上料機械手本體結構方案圖1-手部 2-腕部 3-臂部2.2 驅(qū)動裝置與控制系統(tǒng)方案設計驅(qū)動裝置的選擇。本設計采取液壓驅(qū)動裝置?？赏ㄟ^對液壓油與所產(chǎn)生壓力進行控制實現(xiàn)對機械手運動速度與動作的操控，同時液壓元件相對較小，安裝結構簡單，不占用大量空間，質(zhì)量輕；在液壓系統(tǒng)運作時，能夠?qū)⒐ぷ鬟^程中產(chǎn)生的熱量傳遞走。防止高溫危險，保護人工與機器安全，使溫度對機械加工不產(chǎn)生主要影響，同時液壓油具有的潤滑作用，使液壓元件在工作過程中相對潤滑，使用壽命延長。在加工過程中，采用液壓系統(tǒng)能夠保證快速對指令做出響應，啟動與制動，反向等功能能夠快速反應，不會產(chǎn)生滯后的影響。液壓控制系統(tǒng)力矩-慣量比較大，短時間快速加速，同時與其它的控制元件相比較，液壓元件的剛度較大，忍耐震動，可高強度，長時間工作加工材料。自動上料機械手控制裝置的選用。本設計采用的固定程序的控制方式。要求完成的工作為能夠?qū)︻A先設置的工作要求進行操作；對工作環(huán)境與工作要求，機器人自身的工作狀態(tài)進行感知；能夠給予控制者反饋一定的工作信息，方便操控者進行控制操作加工，對所編入的程序進行作業(yè)；具有一定的儲存功能。編程語言可分為固定程序的編程語言控制和可變動程序控制語言兩種控制方式?？勺儎映绦蚩刂剖峭ㄟ^示教器進行信息指令的輸入進行控制，在生產(chǎn)加工過程中，對環(huán)境約束工作約束更加明確。固定程序加工編程，編程的程序語言指令是固定的，單純重復指令動作，不過控制更加便捷，便于加工與維修，所使用壽命較長，機械手在加工過程中工作穩(wěn)定，安全指數(shù)較高。機械手面對眾多的重復性操作，需要具有指定任務的計劃工作及相關工作特點的描述，在編制固定程序時，操作者可對工作任務進行布置，其余的工作要求等因素可交給控制器完成。首先進行任務的規(guī)劃，對工作要求及工作環(huán)境進行特殊指令的輸入，描述相關工作軌跡，降低操作的難度，提高編程的工作可操縱性，對周圍所需要的約束條件進行限定。然后對運動的軌跡進行計劃。機械手控制器需要實現(xiàn)的功能，如圖2-2機械手控制器功能所示。任務規(guī)劃任務命令解釋機器人軌跡生成軌跡運動學參數(shù)計算環(huán)境交互邏輯條件作業(yè)狀態(tài)輸出指令軌跡規(guī)劃軌跡命令解釋軌跡生成及參數(shù)調(diào)整軌跡離散化運動學逆解錯誤處理軌跡段描述、軌跡執(zhí)行的邏輯條件機器人及環(huán)境狀態(tài)環(huán)境信息（視覺、力傳感器、接近傳感器等）伺服規(guī)劃伺服命令解釋伺服周期細插補控制策略伺服系統(tǒng)接口輸出故障處理驅(qū)動器電動機軌跡點運動學描述控制策略選擇機器人信息（位置傳感器等）控制命令驅(qū)動器狀態(tài)機器人狀態(tài)圖2-2 機械手控制器功能圖2.3 自動上料機械手運動簡圖圖2-3 機構運動簡圖1-蝸桿減速器 2-平鍵套筒聯(lián)軸器 3-電機 4-底座 5-導柱 6-齒輪泵 7-Y90S-4電機 8-聯(lián)軸器 9-手臂 10-腕部 11-手部 12-螺柱 13-肋板2.4 本章小結本章提出了自動上料機械手的總體設計方案，本體結構主要由機身基座，大臂，小臂，腕部以及手部組成。手部一個自由度實現(xiàn)張合運動，采用夾持式結構；腕部一個自由度實現(xiàn)左右回轉運動，采取液壓驅(qū)動裝置；臂部三個自由度，俯仰運動與升降運動由電動機驅(qū)動。伸縮運動由液壓驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動；總體采用液壓驅(qū)動，可實現(xiàn)過載保護，平穩(wěn)靈活，控制系統(tǒng)采用固定程序控制。設計方案確定，繪制機構運動簡圖，確定自動上料機械手控制器功能圖。第3章 抓取機構的設計3.1 手部的設計與計算機械手的抓取機構組成部分包括手部、腕部以及臂部。手部需要有充足的工件物體約束能力，一定的開閉合范圍、追求簡單簡潔的構造，總體重量輕，占用體積小，能夠保證末端執(zhí)行元件的工作精度。腕部結構需要完善結構，合理分布零部件、結構緊湊、能夠滿足工作條件。臂部手臂運動居多，受力較多、它的布局、靈活性、定位準確與受力情況會對機器人的性能產(chǎn)生直接的影響。3.1.1 對手部設計的要求（1）有適當?shù)膴A緊力。機械手手部在加工操作時，應該滿足對工件具備一定的約束條件，保證對工件的夾持穩(wěn)定性，不存在中途工件掉落的危險。并且對工件本身強度剛度不產(chǎn)生影響，表面加工精度不破壞的原則。運輸剛性不同的工件過程中，約束力需要適應工件的運輸要求，同時需要顧慮工件重量較大時所產(chǎn)生的自鎖行與安全性。（2）有足夠的開閉范圍。夾持類的手部結構，都具有實現(xiàn)伸開閉合功能的裝置。手部結構必須具有一定的伸開閉合角度和一定的伸開范圍，這樣才能有效地抓緊工件。運行工作時，手部結構張開與閉合的位置所產(chǎn)生的變化量以最大的變化為準，成為該手部結構的張開閉合范圍。對于手部的結構來說，它的張開閉合范圍，可以用手指閉合端距離和伸開與閉合所形成的角度來表達。通常，在滿足其他條件的基礎上，開閉范圍應盡量大，如圖3-1所示。圖3-1 機械手開閉示例簡圖1-鉗夾 2-拉緊裝置（3）盡量使結構簡明，質(zhì)量較小，體積較小。機械手應該符合結構緊湊、重量較輕、效率高等要求。在能夠滿足自身結構要求強度與剛度的條件下，盡量滿足機械手手部結構簡單，質(zhì)量較小，不占用過多體積的要求，便于減少機械手臂部的負擔。（4）應該顧慮到手部的針對不同工件材料的使用要求，手部一般選用專門的相關結構，但是為了增加該機械手的使用廣泛性，能夠滿足各種形狀與尺寸的工件進行使用，使該機械手的通用化水平提高，所以，將手部的結構手指設計成可以調(diào)換的結構。（5）應該確保末端執(zhí)行器的夾持精度。手部結構在搬運工件時，需要保證所運動位置的準確性。這適應了加工過程對方位的要求，有一些工件在機床上安裝的位置要求較高，所以自動上料機械手的手部結構在夾緊工件后需要在位置上保持具有準確性。3.1.2 拉緊裝置原理如圖3-2所示。油缸右腔停止泵油后，手部會夾持住工件，油缸右腔進油時，手部會放下所搬運工件。圖3-2 油缸示意圖1-手部鉗夾 2-彈簧 3-油缸右腔右腔推力為： (3-1)Fp=4908.7N依據(jù)鉗夾夾緊的位置，確定當量夾緊力計算公式為： (3-2)其中，由公式(3-2)得：F1=1770N則實際加緊力為： (3-3)1實際=3424N經(jīng)圓整 1=3500N計算手部活塞桿行程長L即 (3-4)=23.1mm經(jīng)圓整取 =25mm 確定鉗爪的 (3-5)式中： (3-6)由公式(3-5)、(3-6)得： mm取手部張開的夾角2=，則偏轉角按最佳偏轉角來確定:查表得 機械運動范圍表如表3-1所示。表3-1 機械運動范圍表伸縮運動(mm/s)上升運動(mm/s)下降運動(mm/s)回轉運動(mm/s)Vmax50050080090Vmin50408030所以取手部驅(qū)動活塞速度V=60mm/s手部右腔流量 (3-7)=1177.5mm3/s手部工作壓強 (3-8)=1.78Mpa3.2 腕部的設計計算3.2.1 腕部設計的基本要求（1）對設計腕部結構進行優(yōu)化，布局合理。腕部作為自動上料機械手的一個執(zhí)行部分，又起到了連接手部和臂部與負擔手部的作用，除了要滿足力和左右回轉運動的功能外，還需要有一定的強度、剛度。同時，還應該考慮到機械手的整體布局，讓腕部可以和臂部、手部較好地連接。（2）結構設計簡便，質(zhì)量輕。腕部的結構處在臂部與手部之間，會受到來自臂部與手部的動、靜載荷影響。腕部所選擇的設計結構與自身重量以及動力載荷與臂部的相關結構都是有一定關聯(lián)的。所以，在設計臂部的時候，應該盡可能讓達到它結構更加緊湊，重量更輕的要求。（3）滿足工作條件。自動上料機械手需要滿足的工作條件為上料質(zhì)量為10kg的工件，工作范圍不大，工作環(huán)境為車間，環(huán)境要求相對較低，不存在高溫，高壓以及重度污染的環(huán)境中，環(huán)境因素對機械手腕部結構的影響較低。上料機械手要正常地工作必須要能適應特定的工作環(huán)境。（4）腕部具體結構。選擇機械傳動與液壓傳動相結合的腕部結構，如圖3-3所示。圖3-3 手部與腕部結構圖1-腕部 2-手部3.2.2 腕部結構和驅(qū)動結構的選擇本設計的腕部結構布局緊湊，運動回轉靈活，一個自由度實現(xiàn)。選取液壓驅(qū)動的方式。要求：回轉,角速度以最大負荷計算：當工件夾起所處位置為水平時，液壓擺動缸的工件所產(chǎn)生的扭矩最大，采取估算法進行計算，工件重量10kg，工件長度=650mm。計算扭矩M設工件重量集中在距離手部中心200mm處，即扭矩M為： (3-9)1=1.96()油缸及其配件的扭矩：=5kg =10cm由公式(3-9)得:M2=4.9()擺動缸摩擦力矩：=6()擺動缸總摩擦力矩： (3-10)=30.5() (3-11)式中： b葉片密度，這里取b=3cm；擺動缸內(nèi)徑, 這里取FA1=10cm；轉軸直徑, 這里取Fmm=3cm。由公式(3-11)公式得:P=0.88MpaQ=28ml/s3.3 臂部伸縮機構設計與計算手臂部件是機器人的重要部件。它能夠工作或安裝夾具，負擔腕部和手部，并實現(xiàn)傳動功能，帶動手部與腕部工作。臂部的任務是輔助手部做空間運動。所以，通常情況下，臂部需要含有三個自由度來實現(xiàn)工作的功能要求，分別是左右回轉運動、俯仰運動、手臂的伸縮。臂部的動作主要一開驅(qū)動裝置和傳動系統(tǒng)來完成，從受力分析的角度出發(fā)，受到來自手部與腕部的動、靜載荷，臂部承受的力較多，比手部與腕部復雜，在設計過程中需要綜合手部與腕部結構，大臂小臂實現(xiàn)伸縮功能，在構造上滿足定位的準確性，定位精度和受力程度會對機器人性能產(chǎn)生一定的影響。在設計中要完成手的向上向下運動、前后伸縮的運動以及左右回轉運動。機械手的精度最后會集中地表現(xiàn)在機械手手部的位置精度上。由此看出，在確定適合的定位裝置，與導向功能就相對比較重要。手臂的伸縮速度為S=200mm/s，行程L=500mm/s手臂右腔流量由公式(3-7)得： (3-12)Q手臂右腔的工作壓力由公式(3-8)得： (3-13)取工件重量和臂部活動零部件的總體重量，F(xiàn)=30kg，F(xiàn)摩=1000N。由公式 (3-13)得： P=0.24Mpa機構的工作參數(shù)如表3-2所示。表3-2 機構工作參數(shù)表機構名稱工作速度行程工作壓力流量手部抓緊60mm/s25mm1.79Mpa117.8ml/s腕部回轉45 /s180 0.89Mpa28ml/s小臂伸縮200mm/s500mm0.28Mpa1000ml/s由初步計算選取液壓泵P=1.79Mpa所需液壓最大流量 Q=1000ml/s選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）。該選用泵所產(chǎn)生的工作壓力為10Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在32-70ml/r之間，足夠完成實現(xiàn)所需功能。驗算腕部擺動缸： (3-14) (3-15)式中：機械效率取：0.85 (范圍 0.850.9)容積效率?。?.85（范圍 0.70.95）由公式(3-14)得：T=25.7()TM=30.5()由公式(3-15)得：W=0.784rad/s取腕部回轉運動油缸需要工作壓力P=1Mpa,流量Q=35ml/s圓整其他缸的數(shù)值：手部抓起缸工作壓力P=2Mpa，流量Q=120ml/s小臂伸縮缸工作壓力P=0.26Mpa，流量Q=1000ml/s3.4 本章小結本章對自動上料機械手的抓取機構進行設計，首先設計明確手部的設計要求，一個自動度實現(xiàn)張合運動，采用夾持式結構，抓取重物的重量為10kg，確定手部夾持工件的工作原理。第二進行腕部設計，需要實現(xiàn)回轉運動回轉,角速度以最大負荷計算。第三進行臂部伸縮機構的設計，滿足三個自由度實現(xiàn)左右旋轉、上升下降運動、手臂的伸縮，對其驅(qū)動結構進行設計計算。對手部抓緊，腕部回轉，小臂伸縮各機構的工作參數(shù)進行計算分析。第4章 液壓系統(tǒng)原理設計自動上料機械手運用的驅(qū)動裝置為液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)作為機械手的動力來源，驅(qū)動機械手完成工作。液壓系統(tǒng)具有占用空間小，使用壽命長的特點，液壓系統(tǒng)包含三個方面，手部液壓缸液壓系統(tǒng)的設計、腕部液壓回路。大臂小臂伸縮回路的設計。4.1 手部抓取液壓缸手部抓取缸液壓系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示。 圖4-1 手部抓取缸液壓系統(tǒng)原理圖1-單作用單桿彈簧復位缸 2-直動外控溢流閥 3-兩位三通電磁換向閥 4-單向閥 5-可調(diào)節(jié)流閥泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取運行所需要的最大流量即Q=1300ml/s。因此，需要安裝圖4-1所示的調(diào)速閥，流量確定為7.3L/min，工作所產(chǎn)生壓力p=2Mpa。采用： 溢流閥 調(diào)速閥 二位三通閥4.2 腕部擺動液壓回路腕部運動擺動缸液壓系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示。圖4-2 腕部擺動液壓回路1-腕部回轉器 2-調(diào)速閥 3-三位四通電磁換向閥工作壓力P=1Mpa，流量Q=35ml/s采用： 調(diào)速閥 換向閥 溢流閥4.3 小臂伸縮缸液壓回路圖4-3 小臂伸縮缸液壓回路1）兩位三通電磁換向閥 2）調(diào)速閥 3）單向閥 4）臂部伸縮缸小臂伸縮缸液壓原理圖如圖4-3所示。P=0.25Mpa，流量Q=1000ml/s： 調(diào)速閥 二位三通閥 溢流閥4.4 總體液壓系統(tǒng)圖圖4-4 總體系統(tǒng)圖4.4.1 工作過程自動上料機械手運作過程，首先臂部結構小臂進行伸長，手部抓取工件，然后腕部實現(xiàn)回轉運動，小臂進行收縮，手部放下工件。如表4-1所示。表4-1 電磁鐵動作順序表1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長-+-手部抓緊-+-腕部回轉-+-+-小臂收縮-手部放松-+-卸荷+-+4.4.2 確定電機規(guī)格液壓泵選擇型液壓泵，額定壓力，工作流量在之間。選取為額定流量的泵，為 (4-1)所以代入公式(4-1)得：N=16.8KN選取電動機型電動機，額定功率為17KW，轉速為。4.5 本章小結本章設計了自動上料機械手手部抓取缸的液壓回路、腕部擺動液壓回路、小臂伸縮液壓回路并繪制出了總的液壓系統(tǒng)圖，分析了在各項具體運動中也要回路的動作；確定了液壓回路的工作過程的電磁閥的動作順序，同時確定了驅(qū)動電機的規(guī)格型號型電動機，選取型液壓泵額定壓力，工作流量在之間。第5章 機身機座的結構設計機座是支撐機械手機身的必要組成的一部分。固定式機械手的機座直接與地面相連,可移動式