vs上下料裝置的機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目:VS1575自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)院(部:機(jī)電工程學(xué)院專業(yè):機(jī)械工程及自動(dòng)化班級(jí):機(jī)械073姓名:王龍啟學(xué)號(hào):2007071175指導(dǎo)教師:劉建華完成日期:2011年6月13日目錄摘要 (1ABSTRACT (21前言 (41.1課題背景 (41.2設(shè)計(jì)目的 (81.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) (82 機(jī)械手簡(jiǎn)介 (142.1機(jī)械手的分類 (142.2機(jī)械手的組成 (152.3機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) (173 設(shè)計(jì)要求 (183.1設(shè)計(jì)參數(shù) (183.2總體方案 (184 機(jī)械手手部設(shè)計(jì) (194.1設(shè)計(jì)要求 (194.2手部結(jié)構(gòu)選擇 (194.3手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 (194.3.1

2、手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 (194.3.2齒輪選擇 (214.3.3手部軸設(shè)計(jì)計(jì)算 (214.3.4軸承選擇 (225 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (235.1手部總重計(jì)算 (235.2連桿設(shè)計(jì) (236 手臂設(shè)計(jì)計(jì)算 (256.1手臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (256.2手臂懸臂梁設(shè)計(jì) (256.3導(dǎo)軌選擇 (266.4手臂伸縮液壓缸選擇 (267 機(jī)身設(shè)計(jì) (287.1機(jī)身總體結(jié)構(gòu)分析 (287.2機(jī)身主軸設(shè)計(jì) (287.3軸承校核 (307.4擺動(dòng)液壓馬達(dá)選擇 (317.5機(jī)身與臂部連接法蘭設(shè)計(jì) (328 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) (358.1系統(tǒng)工作壓力確定 (358.2液壓泵選擇 (358.3液壓系統(tǒng)動(dòng)作分析 (379 控制系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì) (399.1控制系統(tǒng)選擇 (399.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) (39結(jié)論 (41參考文獻(xiàn) (42鳴謝 (43山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書摘要空腹桁架鋼框架是在鋼框架的基礎(chǔ)上,通過(guò)取消框架中間的柱子來(lái)增大結(jié)構(gòu)的使用空間,同時(shí)為了不增大各個(gè)構(gòu)件的截面尺寸,在框架的隔層增設(shè)腹板柱形成空腹桁架與鋼框架組合的結(jié)構(gòu)體系。由于在鋼框架中增設(shè)腹板柱形成空腹桁架結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的水平剛度和豎向剛度,同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)的整體工作性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的大跨度。本文通過(guò)大量的算例分析,探討空腹桁架層的節(jié)間數(shù)、節(jié)間間距、腹板柱的剛度以及結(jié)構(gòu)的跨度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力性能、極限承載力及破壞模式的影響,分析表明:通過(guò)合理的桁架

4、層設(shè)計(jì),可以有效的提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度和水平剛度,以及結(jié)構(gòu)的極限承載力,并可以使結(jié)構(gòu)的塑性變形首先出現(xiàn)在腹板柱上,這有利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布,增加結(jié)構(gòu)的延性性能,充分發(fā)揮構(gòu)件的極限承載能力。自動(dòng)上下料機(jī)械手是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備, 用此機(jī)械手代替人手來(lái)搬運(yùn)物料,不但減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,還大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。技術(shù)附加值很高,應(yīng)用范圍很廣,作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè),將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)機(jī)械技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍,應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。本文主要論述了加工中心自動(dòng)上

5、下料機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。機(jī)械手的分類、組成及發(fā)展現(xiàn)狀,給出了自動(dòng)上下料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù),并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了選型和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文章對(duì)機(jī)械手的手部、腕部、臂部和機(jī)身進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。用PLC 作為主控制器,步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源,液壓系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和抓放動(dòng)作。關(guān)鍵詞:機(jī)械手自動(dòng)上下料PLC 液壓系統(tǒng)有限元分析1山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書ABSTRACTAutomatic loading and unloading robot is the most typical of the mechanical- electrical integration of digital equ

6、ipment, instead of manpower, this manipulator can not only reduce the labor intensity of the worker but also increase productivity significantly。High value- added technology, a wide range of applications, as the support of advanced manufacturing technology and information society of the new industri

7、es will be the future of production and social development play a more and more important role. Automatic machinery robot and technology is the combination of computers, control theory, institutions, information and sensor technology, artificial intelligence,and the formation of such multi- discipli

8、nary high- tech, contemporary research is extremely active, and the application of the in- creasingly wide range of areas.Manipulator is being composed of by four parts,the executing agency,driving system,control system and intelligent system.The article describes the classification, composition and

9、 development of the manipulator. It gives the motion parameters of the automatic up and down material manipulator. In the mean time ,it discusses how to choose the structure of the manipulator and gives a total design to the manipulator. And the article gives a detail design2山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書about the h

10、and, wrist, arm and body of the manipulator.Stepping motor is controlled by PLC, hydraulic system can control the movement, rotation, catch and release action of manipulator.Keyword : Robot Automatic loading and unloading PLC Hydraulic system3山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1前言1.1 課題背景(1隨著工業(yè)自動(dòng)化和科學(xué)技術(shù)的全面發(fā)展,生產(chǎn)效率對(duì)于現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)的

11、生產(chǎn)發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。傳統(tǒng)的機(jī)床由人工完成上下料,存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差等諸多的問(wèn)題。特別是對(duì)于一些高精密的加工中心,采用人工上下料不但定位精度低,而且容易對(duì)機(jī)床工作臺(tái)產(chǎn)生沖擊,甚至損壞機(jī)床工作臺(tái)。隨著機(jī)床用戶生產(chǎn)的發(fā)展,采用自動(dòng)化的操作手段以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本、減少人力資源的投入,已成為必然的趨勢(shì)。上下料裝置用于將已定向的工件搬運(yùn)到機(jī)床工作臺(tái)上。按工件坯料形式,上料裝置可分為用于板材、棒料和箱體類工件3種類型。板材自動(dòng)上下料裝置一般用于自動(dòng)沖床,運(yùn)用往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或傳送帶直接將板材推進(jìn)機(jī)床工作臺(tái);棒料自動(dòng)上下料裝置一般用于自動(dòng)車床,機(jī)床每加工完一個(gè)工件,便由自

12、動(dòng)上下料裝置將工件按所需長(zhǎng)度送料一次;箱體類工件的自動(dòng)上下料裝置一般用于自動(dòng)銑床和加工中心,運(yùn)用傳送帶或機(jī)械手將工件搬運(yùn)到機(jī)床工作臺(tái)的固定位置。上下料裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式取決于工件的形狀和上下料前后工件方位。常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。常見(jiàn)的自動(dòng)上下料裝置有自動(dòng)傳送帶、工業(yè)機(jī)械手等。機(jī)械手、工業(yè)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的動(dòng)作循環(huán),適用于外形較復(fù)雜、尺寸較大和較重的工件,以及在多品種自動(dòng)化生產(chǎn)中作為上下料機(jī)構(gòu)?？紤]到加工中心所加工工件的多樣性,要求自動(dòng)上下料裝置應(yīng)具有很好的柔性,以適應(yīng)不同形狀和尺寸的工件。因此,本次設(shè)計(jì)采用機(jī)械手作為加工中心的自動(dòng)上下料裝置。(2一、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概念工

13、業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成,是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作4山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(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)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍,應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng),而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置,既

14、有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備,也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。二、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上,第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣,成為主流安裝機(jī)型,第三代智能機(jī)器人已占有一定比重(占日本1998年安裝臺(tái)數(shù)的10%,銷售額的36%機(jī)械結(jié)構(gòu)1 已關(guān)節(jié)型為主流,80年代發(fā)明的使用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)機(jī)器人約占總量的1/3。90年代初開發(fā)的適應(yīng)于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人大量用于焊接和上、下料。2 應(yīng)

15、3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求,超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。如焊接樹10米長(zhǎng)、10噸以上大構(gòu)件的弧焊機(jī)器人群,采取螞蟻啃骨頭的協(xié)作機(jī)構(gòu)。3 CAD、CAE等技術(shù)已普遍用于設(shè)計(jì),仿真和制造中?？刂萍夹g(shù)1 大多數(shù)采用32位CPU,控制軸數(shù)多達(dá)27軸,NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。2 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟,實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)5山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書控制,正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。3 采用基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流,其成本低、具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)功能。驅(qū)動(dòng)技術(shù)1 80年代發(fā)展起來(lái)的AC侍服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。DD驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛地用于裝配機(jī)器人中。2

16、 新一代的侍服電機(jī)與基于微處理器的智能侍服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中,在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。應(yīng)用智能化的傳感器裝有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢(shì),不少機(jī)器人裝有兩種傳感器,有些機(jī)器人留了多種傳感器接口。通用機(jī)器人編程語(yǔ)言在ABB公司的20多個(gè)小型號(hào)產(chǎn)品中,采用了通用?；瘔K語(yǔ)言RAPID。最近美國(guó)“機(jī)器人工作空間技術(shù)公司”開發(fā)了Robot Script V.10通用語(yǔ)言,運(yùn)行于該公司的通用機(jī)器人控制器URC的Win NT/95環(huán)境。該語(yǔ)言易學(xué)醫(yī)用,可用于各種開發(fā)環(huán)境,與大多數(shù)WINDOWS軟件產(chǎn)品兼容。網(wǎng)絡(luò)通用方式大部分機(jī)器人采用了Ether網(wǎng)絡(luò)

17、通訊方式,占總量的41.3,其它采用RS-232、RA-422、RS-485等通訊接口。高速、高精度、多功能化目前,最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s。位置重復(fù)精度為正負(fù)0.01mm。但有一種速度競(jìng)達(dá)到80m/s;而另一種并連機(jī)構(gòu)的NC機(jī)器人,其位置重復(fù)精度大1微秒。集成化與系統(tǒng)化當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的另一特點(diǎn)是應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺(tái)以6山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體。跨國(guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品連接在一起,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”,為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。(3、技

18、術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展,機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)(FMS、CIMS中的群體應(yīng)用,工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展,以適應(yīng)“敏捷制造”(AgileManufacturing,滿足多樣化、個(gè)性化的需要,并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè),向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。感覺(jué)功能感覺(jué)功能方面將實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合,以檢測(cè)多變的外部環(huán)境,做出判斷和決策,其實(shí)質(zhì)類似于人的五官和身體的綜合感覺(jué)功能,包括視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)、壓覺(jué)、聽覺(jué)、味覺(jué)、臭覺(jué)、溫覺(jué)等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺(jué)功能繼承模塊等。控制智能化由引導(dǎo)教向NC,離線編程發(fā)

19、展,進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展,基于PC的開放式控制系統(tǒng)將機(jī)器人控制和車間一級(jí)控制的發(fā)展方向,國(guó)外專家預(yù)測(cè),2007年它將占30%。移動(dòng)功能的智能化為解決長(zhǎng)距離搬運(yùn)作業(yè)、大作業(yè)對(duì)象、多作業(yè)對(duì)象及極限作業(yè)等問(wèn)題,需開發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)(包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、行走、爬行、跳躍、飛行等。系統(tǒng)應(yīng)用與集成化支持以人為核心的生產(chǎn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群智能和多機(jī)通訊協(xié)議,開發(fā)能理解人的意志的“同事機(jī)器人”。國(guó)外專家預(yù)測(cè), 2000你后有可能IMS要走向MA(RS(多智能體系統(tǒng),而該系統(tǒng)中的“同事機(jī)器人”(Cobot將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機(jī)器人與人共7山東建

20、筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書存的諸多課題,正在興起一門新學(xué)科“軟機(jī)器人學(xué)”。安全可靠性由于大量不確定因素的存在,要實(shí)現(xiàn)智能化的安全可靠性,機(jī)器人必須具有對(duì)各種意外情況的應(yīng)變能力,及時(shí)采取預(yù)防措施和安全對(duì)策,包括硬件級(jí)、軟件級(jí)、應(yīng)用級(jí)和人機(jī)系統(tǒng)級(jí)的自診斷和自修復(fù)故障。微型化向微型化發(fā)展,開發(fā)毫米級(jí)機(jī)器人,用于微加工、醫(yī)學(xué)、宇宙和海洋開發(fā)等領(lǐng)域。就使用性和成本來(lái)看,毫米級(jí)最可行。多傳感器信息融合與配置技術(shù)(1機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用包括面向工藝過(guò)程的多傳感器融合和配置技術(shù);采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù);面向工藝要求的新型傳感器研制。(2機(jī)電一體化智能傳感

21、器包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污(自調(diào)整、自適應(yīng)的機(jī)電一體化傳感器研究;面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清污的自主運(yùn)動(dòng);調(diào)節(jié)控制系統(tǒng);機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1.2 設(shè)計(jì)目的目前,工廠生產(chǎn)線的數(shù)控機(jī)床大部分仍手工完成裝卸工件,其勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,而且還具有一定的風(fēng)險(xiǎn),未能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高效率,降低成本,研究柔性制造系統(tǒng),以適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的具體要求,利用機(jī)器人技術(shù),與實(shí)際機(jī)床結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)代替手工工作,以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。1.3 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)目前,無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)際,機(jī)器人的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱門領(lǐng)域,目8山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)

22、計(jì)說(shuō)明書前的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)大體總結(jié)如下:(1:在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面,傾向于模塊化和可重構(gòu)化發(fā)展。(2:工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)方面,大多采用一個(gè)開放的基于PC的控制系統(tǒng),便于標(biāo)準(zhǔn)化,網(wǎng)絡(luò)化,規(guī)范化的管理。以提高設(shè)備在集成,結(jié)構(gòu)緊湊,模塊化結(jié)構(gòu)化等方面的程度,大大提高了系統(tǒng)的可靠性,易用性和維護(hù)的方便。(3:機(jī)器人傳感器越來(lái)越發(fā)揮著重要的作用,除了傳統(tǒng)的位置,速度,加速度等傳感器,隨著視覺(jué),聽覺(jué),觸覺(jué)傳感器的推出,推動(dòng)著機(jī)器人向更加人性化與智能化方向發(fā)展從總體上講,大致可分為兩大類,一是復(fù)雜的多功能智能機(jī)器人,集成傳感器、控制器和多種控制算法,并應(yīng)用復(fù)雜的電氣和機(jī)械控制系統(tǒng)。另一種是以市場(chǎng)為導(dǎo)向,與成本效

23、益生產(chǎn)制造相掛鉤,對(duì)機(jī)器人的實(shí)用性,簡(jiǎn)便性,可靠性進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)制造。我國(guó)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)中國(guó)作為亞洲第三大的工業(yè)機(jī)器人需求國(guó),市場(chǎng)發(fā)展穩(wěn)定,汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域,隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)不斷深入和國(guó)際制造業(yè)中心向中國(guó)的轉(zhuǎn)移,我國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步加大,市場(chǎng)擴(kuò)展的速度也會(huì)進(jìn)一步提高。對(duì)于國(guó)外的先發(fā)、領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美、日兩國(guó),甚至比起韓國(guó)也落后一步,尤其是在青少年中遠(yuǎn)未開展機(jī)器人的組裝、制作的科學(xué)活動(dòng),這將關(guān)系到二、三十年后我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái),我們?cè)谘芯课幕瘎?chuàng)造性產(chǎn)業(yè)時(shí),發(fā)現(xiàn)國(guó)外正在興起一個(gè)與文化產(chǎn)業(yè)、科學(xué)技術(shù)有緊密

24、關(guān)系的未來(lái)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的研究、開發(fā)及制造,參與者除了傳統(tǒng)從事學(xué)術(shù)研究的科技工作者、大學(xué)研究梯隊(duì)、企業(yè)產(chǎn)品的專門研究人員之外,更有一大批的青少年積極加入此一新興的科學(xué)技術(shù)新潮流之中。以下是我們對(duì)國(guó)外此一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r的考察及思考。9山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書現(xiàn)狀:我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始在高校和科研單位全面開展工業(yè)機(jī)器人的研究,近20年來(lái)取得不少的科研成果。但是由于沒(méi)有和企業(yè)有機(jī)地進(jìn)行聯(lián)合,至今仍未形成具有影響力的產(chǎn)品和有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。目前國(guó)內(nèi)除了一家以組裝為主的中日合資的機(jī)器人公司外,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人尚停留在高?；蚩蒲袉挝唤M織的零星生產(chǎn),未能形成氣候。近10年來(lái),進(jìn)口機(jī)器人的價(jià)格大幅度

25、降低,對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展造成了一定的影響,特別是我國(guó)自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上根本無(wú)法與之競(jìng)爭(zhēng)。特別是我國(guó)在研制機(jī)器人的初期,沒(méi)有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè),使得國(guó)內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)的機(jī)器人過(guò)程中,只能依賴配套進(jìn)口的零部件,更削弱了我國(guó)企業(yè)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)機(jī)器人發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)受限于成本較高與國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力價(jià)格低廉的狀況,隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展,近幾年的國(guó)民生產(chǎn)總值年平均增長(zhǎng)率更是保持在9%左右,人民生活水平不斷地提高,勞動(dòng)力供應(yīng)格局已經(jīng)逐步從“買方”市場(chǎng)轉(zhuǎn)為“賣方”市場(chǎng)、由供遠(yuǎn)大于求轉(zhuǎn)向供求平衡。作為制造業(yè)主力的農(nóng)民工也從早期的僅解決溫飽問(wèn)題到現(xiàn)在對(duì)薪資和工作條件提出了更高的要求。這些情況使

26、得許多勞動(dòng)密集型企業(yè)為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率所采用的增加工人數(shù)量、延長(zhǎng)工人勞動(dòng)時(shí)間的方法變得成本高昂,同時(shí)也受到法律的限制和政策的阻礙。無(wú)論是企業(yè)還是社會(huì)都認(rèn)識(shí)到必須采取從改善機(jī)器設(shè)備入手,提高技術(shù)和資金的密集度來(lái)減少用工量以應(yīng)對(duì)這種改變?？傊?勞動(dòng)力過(guò)剩程度降低、單個(gè)工人成本上升、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量更高的要求、國(guó)家對(duì)裝備制造業(yè)的重視等變化改善了機(jī)器人的使用環(huán)境,工業(yè)機(jī)器人及技術(shù)在中國(guó)已逐步得到了政府和企業(yè)的重視。隨著機(jī)器人知識(shí)的廣泛普及,人們對(duì)于各種機(jī)器人的了解與認(rèn)識(shí)逐步深化,利用機(jī)器人技術(shù)提升我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平、從制造業(yè)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變,提高人民生活質(zhì)量成為全社會(huì)的共識(shí)。市場(chǎng)特征:(1. 以汽車制造業(yè)為主的

27、制造業(yè)發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。汽車10山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè),也是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)。在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人的最初應(yīng)用是在汽車和工程機(jī)械行業(yè),主要用于汽車及工程機(jī)械的噴涂及焊接。2000年開始,受國(guó)家宏觀政策調(diào)控及居民消費(fèi)水平提高的影響,我國(guó)汽車工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)高速增長(zhǎng)期。面對(duì)這種局面,國(guó)際汽車巨頭紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)并與我國(guó)企業(yè)合資設(shè)廠或擴(kuò)大原有生產(chǎn)規(guī)模,國(guó)內(nèi)企業(yè)也紛紛轉(zhuǎn)型或加大對(duì)汽車行業(yè)的投資,整個(gè)行業(yè)增產(chǎn)擴(kuò)能增加了對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),最近幾年國(guó)內(nèi)廠家所生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人有超過(guò)一半是提供給汽車行業(yè)的,海關(guān)進(jìn)出口增長(zhǎng)數(shù)據(jù)與汽車行業(yè)增長(zhǎng)數(shù)據(jù)具有較高

28、的相關(guān)度。可知,汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)的原動(dòng)力之一。(2沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)是工業(yè)機(jī)器人的主要市場(chǎng)。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的使用集中在廣東、江蘇、上海、北京等地,工業(yè)機(jī)器人的擁有量占全國(guó)的一半以上,這種分布態(tài)勢(shì)和增長(zhǎng)趨勢(shì)符合我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。我國(guó)經(jīng)濟(jì)最具活力的地區(qū)已經(jīng)從珠江三角洲地區(qū)擴(kuò)展到長(zhǎng)江三角洲地區(qū),而且長(zhǎng)江三角洲地區(qū)在制造業(yè)中所占的比重越來(lái)越大。(3. 外商獨(dú)資企業(yè)、中外合資企業(yè)和國(guó)有企業(yè)是工業(yè)機(jī)器人的主要客戶。工業(yè)機(jī)器人屬于技術(shù)含量高,價(jià)格相對(duì)昂貴的制造裝備,采用工業(yè)機(jī)器人較多的企業(yè),一般對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求較高,企業(yè)在市場(chǎng)上具有更高的影響力?，F(xiàn)階段,工業(yè)機(jī)器人使用量最多的仍是

29、外商獨(dú)資或中外合資企業(yè)。國(guó)有企業(yè)也在加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人的采購(gòu)用于技術(shù)改造,如汽車行業(yè)中的一汽、二汽、上汽等,它們的產(chǎn)品在市場(chǎng)上已經(jīng)具有了相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,它們對(duì)工業(yè)機(jī)器人有著較大的需求,同時(shí)采購(gòu)上它們能夠得到國(guó)家和政府的支持,因此制造業(yè)中的大中型國(guó)有企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人使用量一直很大,而且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將保持這種增長(zhǎng)勢(shì)頭。另外,我國(guó)的民營(yíng)企業(yè)正逐漸認(rèn)識(shí)到工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì),對(duì)工業(yè)機(jī)器人的采用量也在逐步增加,雖然裝備的數(shù)量上與以上企業(yè)仍存在較大差距,但是增長(zhǎng)的速度驚人,將很快成為工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的重要客戶。(4國(guó)內(nèi)進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人的國(guó)家和地區(qū)分布。20012004年我國(guó)進(jìn)口11山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明

30、書的工業(yè)機(jī)器人主要來(lái)自日本與臺(tái)灣,2004年日本對(duì)華出口金額占我國(guó)進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人金額的一半。目前,國(guó)際制造業(yè)中心正向中國(guó)轉(zhuǎn)移,用信息化帶動(dòng)工業(yè)化、用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的必由之路。作為先進(jìn)制造裝備之典型代表的工業(yè)機(jī)器人必將有一個(gè)大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間,市場(chǎng)前景廣闊;但我們也應(yīng)注意到國(guó)外機(jī)器人巨頭已經(jīng)全部涌入中國(guó),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇,所以中國(guó)未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不會(huì)一帆風(fēng)順。國(guó)家應(yīng)借鑒日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功做法,制定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)政策,這是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展成敗之關(guān)鍵。趨勢(shì):從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來(lái)看,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展,其發(fā)展趨勢(shì)主

31、要為:結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化;控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化;伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化;多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化;工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表,是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域,是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成,因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要有:(1工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修,而單機(jī)價(jià)格不斷下降。(2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢

32、測(cè)系統(tǒng)三位一體化;有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人。(3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化,網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日漸小巧,采用模塊化結(jié)構(gòu),大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。12山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(4機(jī)器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,視覺(jué)、力覺(jué)、聲覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一,紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域?？傮w趨勢(shì)是,從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移,從工業(yè)

33、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧,控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小,其智能也越來(lái)越高,并正朝著一體化方向發(fā)展。13山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書2 機(jī)械手簡(jiǎn)介2.1 機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手有多種分類方式,如按坐標(biāo)形式分類、按驅(qū)動(dòng)方式分類、按控制方式分類、按性能指標(biāo)分類、按發(fā)展程度分類等,本文只介紹前兩種分類方式。一、按坐標(biāo)形式分類通常機(jī)械手根據(jù)坐標(biāo)形式的不同可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。(1直角坐標(biāo)型機(jī)械手這一類機(jī)械手其手部空間位置的改變通過(guò)沿三個(gè)互相垂直的軸線的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),即沿X軸

34、的縱向移動(dòng),沿Y軸的橫向移動(dòng)及沿Z軸的升降。該形式機(jī)械手的位置精度高,控制簡(jiǎn)單、無(wú)耦合,蔽障性好,但結(jié)構(gòu)較龐大,動(dòng)作范圍小,靈活性差,難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào);移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,且占地面積大。(2圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手這種機(jī)械手通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變。圓柱形坐標(biāo)機(jī)械手的位置精度僅次于直角坐標(biāo)型,控制簡(jiǎn)單,壁障性好,但結(jié)構(gòu)也較龐大,難于其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作,兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。(3球坐標(biāo)型機(jī)械手這類機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)所組成,即沿手臂方向X 的伸縮,繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這類機(jī)械手占地面積較小,結(jié)構(gòu)緊湊,位置精度尚可,能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作,重量較輕,但壁障性

35、差,有平衡問(wèn)題,位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。(4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械手主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由前后臂14山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)最緊湊靈活性大,占地面積最小,工作空間最大,能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作,壁障性好,但位置精度較低,有平衡問(wèn)題,控制存在耦合,故比較復(fù)雜。二、按驅(qū)動(dòng)方式分類機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)、新型驅(qū)動(dòng)四種驅(qū)動(dòng)方式。(1氣壓驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便,動(dòng)作迅速,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性,致使工作速度的穩(wěn)定性較差。此類機(jī)械手只適用于抓舉力較小的場(chǎng)合。(2液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手能夠提供

36、較大的抓舉力,機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏,但對(duì)密封的要求較高,且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作,要求的制造精度較高,成本較高。(3電力驅(qū)動(dòng)電力驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩,直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,以獲得所需的位移、速度、加速度。電力驅(qū)動(dòng)具有無(wú)環(huán)境污染,易于控制,運(yùn)動(dòng)精度高,成本低,驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。(4新型驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉及光驅(qū)動(dòng)器等。2.2 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(1手部手部是直接與工件接觸的部分,一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型(多為回轉(zhuǎn)型,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。根據(jù)夾持原理可分為機(jī)械手爪、

37、磁力手爪和真空手15山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書爪三種。傳力機(jī)構(gòu)形式教多,常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。(2腕部腕部是連接手部和臂部的部件,并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位,以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍,并使機(jī)械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求,有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),可以不設(shè)腕部,而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前,應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓(氣缸,它的結(jié)構(gòu)緊湊,靈巧但回轉(zhuǎn)角度小(一般小于2700,并且要求嚴(yán)格密封

38、,否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下,采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。(3臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工作或夾具,并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位,則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此,一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求,即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降(或俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如液壓缸或者氣缸和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷,而且自身運(yùn)動(dòng)較為多,受力復(fù)雜。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和

39、定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。(4行走機(jī)構(gòu)有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu),我國(guó)的目前正處于仿真階段。二、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)16山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。三、控制機(jī)構(gòu)在機(jī)械手的控制上,有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制,也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制,采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置,并注意其加速度特性。2.3 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。自從

40、1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手開始,機(jī)械手領(lǐng)域得到了蓬勃的發(fā)展。機(jī)械手已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域。特別是工業(yè)機(jī)械手,越來(lái)越得到各個(gè)國(guó)家的重視,成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域不可或缺的一部分。目前機(jī)械手的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一,在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面,機(jī)械手的性能不斷得到提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修。機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸向模塊化和可重構(gòu)方向發(fā)展。第二,機(jī)械手的控制系統(tǒng)逐漸向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化,器件集成度提高。第三,傳感技術(shù)在機(jī)械手領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。視覺(jué)、力覺(jué)等各種新型傳感器不斷被應(yīng)用到機(jī)械手上,大大提高了機(jī)械手的各項(xiàng)性能。第四,在機(jī)械手研究領(lǐng)域虛

41、擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被大量采用,從開發(fā)到仿真,再到最后的模擬運(yùn)行,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得機(jī)械手的開發(fā)周期大大縮短。第五,對(duì)控制算法的研究得到了快速發(fā)展,各種優(yōu)異的控制算法不斷被開發(fā)出,使機(jī)械手逐漸向智能化方向發(fā)展。17山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書183 設(shè)計(jì)要求3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)上下料裝置(搬運(yùn)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)如下:(1抓重:600Kg (夾持式手部(2自由度數(shù):4個(gè)自由度(3座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)(4最大工作半徑: 1160mm(5手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程: 400mm(6手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)升降行程: 420mm(7機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍:00180(8手爪開合范圍:200816m m m m3.2 總體方案鑒于加工中心所加工工件

42、外形的多樣性,為了具有較好的柔性,本次設(shè)計(jì)的加工中心的自動(dòng)上下料裝置為四自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。由于所夾持箱體類工件重量較大,動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)選用PLC 。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用機(jī)身回轉(zhuǎn),腕部升降的結(jié)構(gòu)。在機(jī)身處安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸,在手臂處安裝一個(gè)伸縮液壓缸,在手腕處安裝一個(gè)升降液壓缸。山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書4 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)要求(1根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求1,抓重最大為600kg,則機(jī)械手抓取物料后應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖。(2所抓取的物料的體積大小不一,手爪應(yīng)具有一定開合角度及范圍,以便于抓取(3對(duì)于機(jī)械手結(jié)構(gòu),應(yīng)盡量使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、效率高,在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下,盡可能使

43、結(jié)構(gòu)緊湊,以利于減輕手臂的負(fù)載。(4對(duì)于自動(dòng)上下料裝置,應(yīng)盡量保證較高的精度要求。(5采用機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)形式,方便機(jī)械手在抓取物料時(shí)的精準(zhǔn)與效率。4.2 手部結(jié)構(gòu)選擇典型的手部結(jié)構(gòu)有以下幾種:(1回轉(zhuǎn)型包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。(2移動(dòng)型移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(3平面平移型。本設(shè)計(jì)采用自重式回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)。該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動(dòng)的重型工件,要求工件對(duì)手指的作用力的方向應(yīng)在手指回轉(zhuǎn)軸垂直線的外側(cè),使手指趨向閉合。用這種手部結(jié)構(gòu)來(lái)加緊工件是依靠工件本身的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的,工件越重握力越大。手指的開合動(dòng)作由鉸接活塞油缸實(shí)現(xiàn)。4.3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算手爪采用自重式手部結(jié)構(gòu)

44、,用液壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)手爪的張開與閉合。19山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20手爪結(jié)構(gòu)與尺寸如圖3-1所示,軸部所受支撐反力為:=手爪的極限位置如圖3-2、3-3所示,手爪開合范圍為:200816,開合角度為:54 。圖4-1手爪結(jié)構(gòu)圖圖4-2手爪最大開合位置山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 21 圖4-3手爪最大開合位置由開合范圍及手爪結(jié)構(gòu),所選用齒輪中心距為200mm, 齒數(shù)取100,模數(shù)為2,齒輪采用彈性擋圈固定,根據(jù)GB/T894.1-1986選用35號(hào)彈性擋圈。鍵型號(hào):10X20GB/T1096-2003軸的材料選用45號(hào)鋼,650B M Pa =,360S M Pa =。軸的彎矩圖如

45、圖4-4所示 圖4-4 手爪軸彎矩圖此手爪軸為心軸,軸可轉(zhuǎn)動(dòng),其最小直徑為:69M N m =165F b M Pa-=山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書22 軸有鍵槽,軸徑增加7,取30d m m4.3.4軸承選擇 由于軸轉(zhuǎn)速很低,選擇普通深溝球軸承即可。根據(jù)GB/T276-2003選擇軸承為61906號(hào)軸承。山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 235 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)估量各主要部件的重量,如表5-1所示:表5-1手部主要部件重量此機(jī)械手為4自由度機(jī)械手,手部無(wú)運(yùn)動(dòng)。直接采用連桿結(jié)構(gòu)將臂部法蘭與手部進(jìn)行連接。材料選用Q235,235M Pa=,選用兩根連桿,140002F G N=。考慮到其他工況等因素,連桿螺

46、紋選用M16。連桿只受拉力,面積應(yīng)為:22400017235FA m m m m=螺紋計(jì)算直徑: M16 普通六角頭螺栓,其中s 公稱為24,k 公稱為10.,螺紋長(zhǎng)度取為120,其所受應(yīng)力校核為:山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書244522444000b FM P a d=<螺栓強(qiáng)度符合要求。山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 256 手臂設(shè)計(jì)計(jì)算手臂懸臂梁如圖6-1所示:圖6-1手臂懸臂梁受力圖 由懸臂梁的撓度方程3B 3FLEI =-得槽鋼慣性矩應(yīng)為:3344940501FLI m cmE =其中,140502F G N=,1000L m m =,彈性模量210E G P a =。由熱軋槽鋼表(

47、GB707-88,選擇槽鋼型號(hào)為12.6號(hào)槽鋼,其山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書264391x I cm=,362.1x W cm=。梁所受彎曲應(yīng)力為:max 6xM Pa M Pa M PaW -=<=導(dǎo)軌采用自潤(rùn)滑式滑動(dòng)導(dǎo)軌,摩擦系數(shù)取0.15。作用在臂部液壓缸活塞桿上的外部載荷主要包括三個(gè)部分:導(dǎo)軌摩擦載荷fF ,慣性載荷aF ,液壓缸密封處的摩擦阻力mF ,分別計(jì)算如下:90sin171822f F G N=其中,為導(dǎo)軌的夾角,為90度。8100181010a G F N Ng t=其中,為速度變化量,t 為起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間。對(duì)于行走機(jī)械來(lái)說(shuō),一般取20.51.5m st =,本處取2

48、1m st=。(110.95(1718810126.4m m F F N=-=-+=其中,m =為液壓缸的機(jī)械效率,F 為作用在活塞上的外載荷總和,山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書27粗略計(jì)算時(shí)取f aF F F =+。綜合以上可得液壓缸活塞桿所受的外載荷為:a f mmF F F F N N+=由于所需推力較小,液壓缸活塞桿所受壓力較小,故選用輕型拉桿式液壓缸。額定壓力為7MPa ,液壓缸型號(hào)為:WY1-LB132C-3.5B450A 。液壓缸內(nèi)徑32mm ,活塞桿直徑14mm ,最大行程1000mm ,實(shí)際行程450mm 。山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 287 機(jī)身設(shè)計(jì)機(jī)身主軸的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖7

49、-1所示:圖7-1機(jī)身主軸示意圖機(jī)身旋轉(zhuǎn)慣性矩為:22228501850J m L kg m kg m=設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為0.05r s =,初始角加速度為0.1r s =,則機(jī)山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩為:08500.185M J N m N m=軸材料選用45鋼調(diào)制處理,600B M Pa =,360S M Pa =。 機(jī)身主軸所受彎矩為:810018100M G L N m N m=其中G 為手部重力與腕部重力之和,等于8100N 。 軸彎矩圖和扭矩圖如下圖7-2所示: 許用應(yīng)力值查得160b M Pa-=,0102.5b M Pa=。應(yīng)力校正系數(shù)為:1060b b -

50、=當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為:0.598550.15T N m =圖7-2軸彎矩圖和扭矩圖由圖可以看出,危險(xiǎn)截面位于右端軸承右端面處,最大當(dāng)量彎矩由第三強(qiáng)山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 30度理論:max 8100M n N m=危險(xiǎn)截面處的軸徑為:110d m m=軸承的受力示意圖如下圖7-3所示:圖7-3軸承受力示意圖如圖7-1所示,對(duì)N2取矩有:2120N n MF B M =-=有軸徑為120mm ,可查得軸承厚度C=23mm 。解得:1810017620.046n M N m F kNBm=21176r n F F kN=221.25tan 1.25176tan 1559s r F F kN kN=因?yàn)?/p>

51、重力向下壓緊,所以軸有左移的趨勢(shì),左端軸承壓緊。因此有:2259a s F F kN=12267.1a a s s F F F G F kN=+=+=山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書3110r F =軸承選擇圓錐滾子軸承,代號(hào)為32924(GB/T297-1994,各參數(shù)為:15=X =,01Y =,0318r C kN =。軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算如下:01010167.1r r a P X F Y F kN=+=0110r r P F =取以上兩者中較大者:0167.1r P kN=0202020.5176159147r r a P X F Y F kN kN kN =+=+=022176r r P

52、 F kN=取以上兩者中較大者:02176r P kN=因?yàn)?21r or P P >,所以校核軸承2(即右端軸承。由參考文獻(xiàn)查得安全系數(shù)為S =,因此軸承的額定靜載荷為:200201.2176211.2=318K N r r r C S P kN kN C '=<滾動(dòng)摩擦系數(shù)與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關(guān)。球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動(dòng)力潤(rùn)滑相近,其它滾子軸承則稍大。由參考文獻(xiàn)查得軸承的摩擦系數(shù)為:0.002=。因此,軸承的摩擦力為:21760000.002352r F F N N=山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書32軸承處的摩擦力矩為:2Bd MF N m N m

53、=總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為:021.1285106.12B T M M N m'=+=+=根據(jù)總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,選擇YMD 型單葉片擺動(dòng)液壓馬達(dá),型號(hào)為:YMD200-180.選擇平鍵連接。鍵參數(shù)如下:l=22mm,b=10mm,h=8mm,145p M Pa=.鍵校核如下:鍵所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為:(0.250.258221032145111.36p T hl d N m T ''=-=>鍵所傳遞的轉(zhuǎn)矩為機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩,大小為42.5N m 。軸徑為120mm ,根據(jù)GB/T1096-2003,鍵的寬度為32mm ,高度為18mm ,長(zhǎng)度選50mm 。鍵能傳遞的轉(zhuǎn)矩為:'=

54、>其中,法蘭的材料為鑄鐵50p M Pa=。山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 33每個(gè)臂上采用4個(gè)M16的螺栓進(jìn)行連接,螺栓所受的剪切力矩為:4050N m ,螺栓的布置如圖7-4所示。圖7-4機(jī)身與臂部連接螺栓布置圖每個(gè)螺栓所受的剪切力為:s T N m F Nl m =由參考文獻(xiàn),可計(jì)算出螺栓的許用剪切應(yīng)力為:3001003ss M Pa M PaS =其中,安全系數(shù)3s S =螺栓所受剪切應(yīng)力為:22sF M P a d m=<其中,螺栓抗剪界面數(shù)m=1. 螺栓強(qiáng)度符合要求。工作時(shí),螺栓在聯(lián)接接合面處受剪,并與被連接件孔壁互相擠壓聯(lián)接損壞的形式除螺栓被剪斷外,還可能有螺栓孔被壓潰的情況。同上,可計(jì)算出法蘭的許用擠壓應(yīng)力為:Bp p M Pa M PaS =山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書34法蘭材料為HT200,強(qiáng)度極