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1、 搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì) 沈魯通 3140112032 設(shè)計(jì)目標(biāo)： 設(shè)計(jì)一個(gè)能智能搬運(yùn)物料的機(jī)器人，提高食品飲料搬運(yùn)過程自動(dòng)化水平，減少第一線工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，用先進(jìn)的方法和技術(shù)設(shè)備武裝食品飲料產(chǎn)業(yè)，提高食品飲料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)和管理素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)用機(jī)器換人的目的。 1 機(jī)器人的組成 機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成(如圖1-1所示)。這些部分之間的相互作用可用1-2所示的方框圖表示 圖1-1 機(jī)器人的組成 圖1-2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 1

2、.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)(也稱操作機(jī))是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等，如圖1-3所示。 圖1-3 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)器人直接進(jìn)行工作的部分，可以是各種夾持器。有時(shí)人們也常把渚如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器人的手部。 （2）腕部 腕部與手部相連，通常有3個(gè)自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動(dòng)手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。 （3）臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶動(dòng)腕部作平面運(yùn)動(dòng)。 （

3、4）腰部 腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再加上臂部的平面運(yùn)動(dòng)，就能使腕部作空間運(yùn)動(dòng)。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性，對(duì)機(jī)器人的定位精度有決定性的影響。 （5）基座 基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，有固定式和移動(dòng)式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性 1.2.2 驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動(dòng)器通常有電機(jī)(直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī))、液動(dòng)或氣動(dòng)裝置，目前使用最多的是交流伺

4、服電機(jī)。 1.2.3 控制系統(tǒng) 控統(tǒng)一般由控制計(jì)算機(jī)和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要完成編程、示教／再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況(傳感器信息)、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備(如電焊機(jī))之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 搬運(yùn)機(jī)器人各方向傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 2.1 搬運(yùn)機(jī)器人要解決的問題 通過機(jī)器人搬運(yùn)工程石板（長(zhǎng)a=800mm,寬b=400mm，高c=30mm，重G=20kg）（假定）完成（水平運(yùn)動(dòng)X=5.0m，垂直運(yùn)動(dòng)Y=0.6m，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R=90?）的動(dòng)作，如示意圖2-1所示。 圖

5、2-1 機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向 2.2 機(jī)器人各方向傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 2.2.1 水平和豎直方向直線運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式設(shè)計(jì) 能夠?qū)崿F(xiàn)直線傳動(dòng)的傳動(dòng)形式有； （1） 液壓傳動(dòng) 特點(diǎn)：液壓傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向；在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。但液壓傳動(dòng)中的泄漏和液體的可壓縮性，使這種傳動(dòng)無法保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比；由于液體粘性大，在流動(dòng)過程中有較大的能量損失（泄漏損失、摩擦損失等），因此，傳動(dòng)效率相對(duì)低，不適合做遠(yuǎn)距離傳動(dòng)和控制。 （2） 氣壓傳動(dòng) 特點(diǎn)：以空氣為工作介質(zhì)，來源方便，工作壓力較低，用后可直接排入大氣而無污染，處

6、理方便，潔凈環(huán)境；與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)反應(yīng)快、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)清潔、管路不易堵塞，不存在工作介質(zhì)變質(zhì)、補(bǔ)充和更換等問題；而且成本低，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。但因空氣的可壓縮性較大，使系統(tǒng)的動(dòng)作和工作速度穩(wěn)定性受負(fù)載變化的影響大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度控制和很高的定位精度；而且氣動(dòng)裝置的體積與液壓傳動(dòng)相比較大，產(chǎn)生的推力小。其主要原因是氣壓系統(tǒng)工作壓力低（0.5~0.8MPa），不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩。 （3） 齒輪齒條嚙合傳動(dòng) 特點(diǎn)：齒輪齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，它傳遞的功率大，速度范圍廣，效率高，工作可靠，壽命長(zhǎng)，機(jī)構(gòu)緊湊，能保證恒定的傳動(dòng)比。但是，這樣的

7、運(yùn)動(dòng)也可以反向驅(qū)動(dòng)，也就是齒條作直線運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機(jī)床導(dǎo)軌底下帶動(dòng)托板箱移動(dòng)的就是齒輪齒條傳動(dòng)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)需要外加鎖緊裝置，因?yàn)橹撝礄C(jī)構(gòu)不能自鎖，并且齒輪齒條不適用于兩軸中心距過大的傳動(dòng)及振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合。 （4） 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) 特點(diǎn)：用于距離較短的高精度定位；電機(jī)和滾珠絲杠只用聯(lián)軸器連接，沒有間隙。 2.2.2 R方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì) （1） 擺動(dòng)氣（液）缸 特點(diǎn)：擺動(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件。用于物體的轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、分類、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)器人的手臂動(dòng)作等。 （2） 齒輪傳動(dòng) 特點(diǎn)：功率和速度

8、范圍大，通用性強(qiáng)，工作可靠，效率高，對(duì)中心距誤差的敏感性小，易于制造和精確加工，可進(jìn)行變?yōu)榍邢骱托扌小? （3） 蝸桿傳動(dòng) 特點(diǎn)：蝸桿傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，但效率較低，適用于中小功率或間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合；當(dāng)它與齒輪傳動(dòng)同時(shí)應(yīng)用時(shí)，若蝸桿傳動(dòng)布置在高速級(jí)，使其傳遞較小的轉(zhuǎn)矩，以減小蝸輪尺寸，節(jié)約有色金屬，且傳動(dòng)效率較高。若蝸桿傳動(dòng)布置在低速級(jí)，則齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩較小，而是整個(gè)傳動(dòng)裝置的尺寸減小。（4） 帶傳動(dòng) 特點(diǎn)：帶傳動(dòng)靠摩擦力工作，承載能力較小，傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸較其它傳動(dòng)形式大，但傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖吸振，應(yīng)布置在高速級(jí)，使所傳遞的轉(zhuǎn)距小。 （5） 鏈傳動(dòng) 特點(diǎn)：鏈傳動(dòng)由于多邊形

9、效應(yīng)，瞬時(shí)傳動(dòng)比不斷變化，產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)，而使轉(zhuǎn)速不均勻，故不宜用于高速級(jí)，應(yīng)布置在低速級(jí)。 通過以上，綜合考慮，因?yàn)閿[動(dòng)的力矩不是很大，而且擺動(dòng)只是一個(gè)固定角度90?，所以R方向旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)選擇90?擺動(dòng)氣缸。 3 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 手部的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手

10、等。 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2所示。 圖2 機(jī)械手手指形狀 3.2 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表1。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： (1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； (2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行

11、頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； (3)驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； (4)安全可靠；對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要小； (5)操作和維護(hù)方便； (6)經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 表1 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 內(nèi) 容 驅(qū) 動(dòng) 方 式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為 50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa 較大 控制 性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控

12、制。 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制。 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu) 性能 及 體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小。 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題

13、。 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)。 防爆性能好，高于1000kPa時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差。 對(duì)環(huán)境 的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染。 排氣時(shí)有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人。 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具。 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器

14、人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等。 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及 使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 3.3 手部夾緊力的計(jì)算 擬定物料搬運(yùn)機(jī)器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如圖3所示結(jié)構(gòu)。 圖3 手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 手部機(jī)架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時(shí)由力學(xué)關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力 由公式，知所需的驅(qū)動(dòng)力 夾緊機(jī)構(gòu)采用絲杠傳動(dòng)原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋。 3.4 彈簧的計(jì)算[6]

15、 彈簧外形如圖4所示。 通過計(jì)算來確定彈簧的旋繞比、最大工作負(fù)荷、工作極限負(fù)荷、最小工作負(fù)荷、彈簧要求剛度、總?cè)?shù)、有效圈數(shù)、單圈剛度等一系列有彈簧有關(guān)的數(shù)據(jù)來確定彈簧是否合格。 圖4 手部彈簧 選用材料碳素彈簧鋼絲 彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負(fù)荷性質(zhì)來確定。 彈簧按負(fù)荷性質(zhì)分為三類： Ⅰ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在此以上的彈簧; Ⅱ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次或沖擊負(fù)荷的彈簧; Ⅲ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在次以下的彈簧。 旋繞比C ；或查表11－1－6 ，，，由表11－1－6查得 最大工作負(fù)荷，單位N， 工作極限負(fù)荷， 最小工作負(fù)荷