本科机械手毕业设计论文

1 绪论

1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强[1]。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2 设计目的

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

1.3 国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大

体趋势如下[2]： (1) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。

(2) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(3) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

(5) 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.4 设计原则

这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

2 设计方案的论证

2.1 机械手的总体设计

2.1.1 机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下[3]。

(1) 直角坐标机器人结构

直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

(2) 圆柱坐标机器人结构

圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

(3) 球坐标机器人结构

球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1(c)。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

(4) 关节型机器人结构

关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1(d)。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型

图2-1 四种机器人坐标形式

2.1.2 设计具体采用方案

图2-2 机械手工作布局图

具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。

2.2 机械手腰座结构的设计

进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求

工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了

机器人的全部重量[4]。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：

(1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。

(2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

(3) 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。

(4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

(5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。

(6) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.2.2 设计具体采用方案

腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动[5]。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：

图2-3 腰座结构图

2.3 机械手手臂的结构设计

2.3.1 机械手手臂的设计要求

机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动[6]。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；

(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。

(2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。

(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。

(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 (5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的[7]。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。

(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

2.3.2 设计具体采用方案

机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.4 机械手腕部的结构设计

机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态[8]。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

2.4.1 机器人手腕结构的设计要求 (1) 机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案[9]。

(2) 机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

(3) 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。

(4) 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。

(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

(6) 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.4.2 设计具体采用方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

水平液压缸支承板手臂手

爪联结

梁

执行手爪

图2-4 手爪联结结构

2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计

2.5.1 机械手末端执行器的设计要求

机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求[10]。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。

搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。

加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。

测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；

(1) 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。

(2) 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

(3) 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多

种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。 (4) 通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。

(5) 机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）[11]。

2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式

机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种[12]。机器人夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种

(1) 气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

(2) 电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

(3) 液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.5.3 机器人夹持器的典型结构

(1) 楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

(2) 滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

(3) 连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

(4) 齿轮齿条式手爪

本科毕业设计说明书（论文）

(5) 平行杠杆式手爪第 11 页共 45 页这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多[13]。

2.5.4 设计具体采用方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：

图2-5 手爪的结构形式

2.6 机械手的机械传动机构的设计

2.6.1 工业机器人传动机构设计应注意的问题

机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构[14]。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。

在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：

(1) 为了提高机器人的运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件的重量要

轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。

(2) 在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

(3) 系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。

(4) 缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

(5) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

(6) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。

(7) 适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适[15]。

2.6.2 工业机器人常用的传动机构形式

(1) 齿轮传动机构

在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

机器人系统中齿轮传动设计的一些问题

(a) 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。

(b) 各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原则如下： (c) 输出轴转角误差最小原则[16]。为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为max，则

maxk/i(kn) （2-1）

i1

式中：k-----第k个齿轮所具有的转角误差；

i(kn)-----第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。

则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（1、2、...、8）换算到末级输出轴上的总转角误差为

max1234567（2-2） 8 ii2i3i4i3i4i4

由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。

(d) 等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。

具体而言有几点：

(a) 对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。

(b) 对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。

(d) 对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。

(2) 谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

(3) 螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%～40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%～98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置[17]。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标：

(a) 滚珠丝杠的精度等级；

(b) 滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值；

(d) 滚珠丝杠的工作寿命；

(e) 滚珠丝杠的临界转速；

(f) 滚珠丝杠的刚度；

减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的1/3。

(4) 同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。

(5) 钢带传动

钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。

(6) 链传动

在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

(7) 钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

2.6.3 设计具体采用方案

具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7 机械手驱动系统的设计

2.7.1 机器人各类驱动系统的特点

工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可

(1) 液压驱动系统这三种基本类型组合成复合式的驱动系统[18]。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。

(2) 气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。

(3) 电动驱动系统

由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。

2.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则

设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择[19]。一般情况下：

(1) 物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。

(2) 用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。

2.7.3 机器人液压驱动系统

液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获

得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。

液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。

(1) 程序控制机器人的液压系统

这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：

(a) 液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。

(b) 定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。

(d) 液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。

(2) 伺服控制机器人的液压系统

具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸，电-液步进马达，电-液步进液压缸，液压回转伺服执行器（RSA-Rotary Serve Actuator）等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。

在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液

伺服摆动马达，也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电-液伺服机构[20]。它可安装在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。

2.7.4 机器人气动驱动系统

气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。

气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置[21]。气动驱动系统大体由以下几部分组成。

(1) 气源由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。

(2) 气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。

(3) 气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。

(4) 气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器

人的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。

(5) 制动器气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。

(6) 限位器气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。

2.7.5 机器人电动驱动系统

这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下所示：

在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。

速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度，国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转变压器每转可达

人中已经得到应用。

(1) 机器人驱动系统电机的选择 40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机（DD驱动电机）在快速高精度定位的装配机器

机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号[22]。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表2-1：

表2-1 续表 (2) 机器人电动驱动系统伺服驱动器

本科毕业设计说明书（论文）

(a) 直流电机伺服驱动器第 21 页共 45 页

直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其电源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。

PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。

(b) 步进电机驱动器

步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部分组成。

脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电机按着一定的规律运动。

功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间长短由控制电路来实现。

2.7.6 设计具体采用方案

具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。

而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8 机器人手臂的平衡机构设计

本科毕业设计说明书（论文）第 22 页共 45 页直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡[23]。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1 机器人平衡机构的形式

通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：

(1) 配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

(2) 弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

(3) 活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2 设计具体采用的方案

因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

3 理论分析和设计计算

3.1 液压传动系统设计计算

3.1.1 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

表3-1

本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。 [24]

要方式是采用比较简单的节流阀来实现。

3.1.3 液压源系统的设计本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

3.1.4 绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-1所示，

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

图3-1 机械手的液压系统原理图

3.1.5 确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

(1) 计算液压缸的总机械载荷

根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为

FFwFmFsfFfFb （3-1）

式中 Fw-----为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；

Fm------为活塞上所受的惯性力；

Fsf------为密封阻力；

Ff------为导向装置的摩擦阻力；

Fb------为回油被压形成的阻力。

(a) Fm的计算

FmGv （3-2） gt

式中 G------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；

g------为重力加速度， 9.81m/s2；

v------为速度变化量；

t------启动或制动时间，一般为0.01～0.5s，取0.2s

将各值带入上式，得：Fm=1.02N

(b) Fsf的计算

FsfpfA1 （3-3）

式中 pf-----克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力

MPa，查相关手册取=0.2 MPa；

A1------为进油工作腔有效面积。

启动时： Fsf565N

运动时： Fsf=283N

机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为

FfGf （3-4）

式中 G------为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；

f------为摩擦系数，取f=0.1。

带入数据计算得： Ff=98N

(d) Fb的计算

回油背压形成的阻力按下式计算

FbpbA2 （3-5）

式中 pb-----为回油背压，一般为0.3MPa～0.5 MPa，取=0.3 MPa

A2-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2。

将各值带入上式有，Fb424N

分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为

F1088N。 (2) 手爪执行液压缸工作压力计算

手爪要能抓起工件必须满足：

Nk1k2k3G （3-6）

式中 N-----为所需夹持力；

k1-----安全系数，通常取1.2～2；

2-----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按k21g估算，

在搬运工件过程的加速度m/s2，a9.8m/s2，g为重力加速度；

k3-----方位系数，查表选取k31；

G-----被抓持工件的重量 30kg。

带入数据，计算得： N120N；

理论驱动力的计算： p2b

RN1



式中 p----为柱塞缸所需理论驱动力；

b----为夹紧力至回转支点的垂直距离；

R-----为扇形齿轮分度圆半径；

N-----为手指夹紧力；

---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92。

其他同上。带入数据，计算得

P377N

计算驱动力计算公式为： Fk1k4F

c

式中 Fc-----为计算驱动力； a为机械手（3-7）（3-8）

k1---安全系数，此处选1.2； k4---工作条件系数，此处选1.1。

其他同上。带入数据，计算得：

Fc920N

而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有

FcPA （3-9）

式中 P---为柱塞缸工作油压；

A----为柱塞截面积。

经计算，所需的油压约为： 3MPa

(3) 液压缸主要参数的确定

针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性[25]。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；

表3-2 手爪执行柱塞缸参数

注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。

表3-3

水平伸缩液压缸参数

因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度[26]。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增

加了液压缸的工作刚度。

表3-4 垂直液压缸参数

因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。

(4) 液压缸强度的较核

(a) 缸筒壁厚的较核

当 D/10时，液压缸壁厚的较核公式如下：

D[]0.4Py(1) （3-10） 2[]1.3Py

式中 D----为缸筒内径；

Py----为缸筒试验压力，当缸的额定压力pn16MPa时，取为Py1.5pn；

[]----为缸筒材料的许用应力，[]b/n，b为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa，n为安全系数，此处取n5。

带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。

(b) 活塞杆直径的较核

活塞杆直径的较核公式为

d4F （3-11） []

式中 F-----为活塞杆上作用力；

[]-----为活塞杆材料的许用应力，此处[]b/1.4。

带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。

3.1.6 计算和选择液压元件

(1) 液压泵的计算

(a) 确定液压泵的实际工作压力pp

ppp1p1 （3-12）

式中 p1-------计算工作压力，前以定为4MPa； p1------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5～1.5）MPa，这里

取为1MPa。

因此，可以确定液压泵的实际工作压力为

pp415MPa （3-13）

(b) 确定液压泵的流量

qpKqmax （3-14）

式中 K------为泄露因数，取1.1；

qmax-----为机械手工作时最大流量。

qmaxAv （3-15）

经计算得 qmax=3.140L/min

带入上式得 qp1.13.1403.454L/min

P工2ppqmax60 （3-16）

式中 qmax------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L/min；

pp-------液压泵实际工作压力，5MPa；

------为液压泵总效率，取为0.8。

带入数据计算得： P工=0.654kw。

(2) 控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。

(3) 油管及其他辅助装置的选择

(a) 查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数

液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取6；液压泵吸油管稍微粗些，选择8；

其余都选为5；

(b) 确定油箱的容量

一般取泵流量的3～5倍，这里取为5倍，有效容积为

V5qp53.216L （3-17）

3.1.7 液压系统性能的验算

绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。

3.2 电机选型有关参数计算

3.2.1 有关参数的计算

(1) 若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

负载额定功率： P0

WVL

（3-18） 4

610

22GDLNL

负载加速功率： Pa （3-19）

3577103ta

负载力矩（折算到电机轴）：

TL

负载GD2（折算到电机轴）：

WVL

（3-20）

2NM

2GDLW（

VL2

（3-21））

NM

起动时间：

(GDMGDL)NM

（3-22） ta

375(TPTL)

制动时间：

(GDMGDL)NM

（3-23） td

375(TPTL)

(2) 若传动负载作回转运动

负载额定功率： P0

T1NL

（3-24）

9550

22GDLNL

负载加速功率： Pa （3-25） 3

357710ta

负载力矩（折算到电机轴）：

TL

Tl （3-26） NM

负载GD（折算到电机轴）：

GD2

L(

NLN)2

GD2l M

起动时间：

t

(GD2GD2

ML)NM

a375(TT PL)

制动时间：

t(GD22

MGDL)NM

d

375(TPTL) 式中 P0-----为额定功率，KW；

Pa-----为加速功率，KW；

Nl-----为负载轴回转速度，r/min； NM-----为电机轴回转速度，r/min；

Vl-----为负载的速度，m/min； -----为减速机效率； -----为摩擦系数；

Tl-----为负载转矩（负载轴），Nm；

-----为电机启动最大转矩，Nm；

TL-----为负载转矩（折算到电机轴上），Nm；

3-27） 3-28） 3-29）

（（（

GDl2-----为负载的GD2，Nm2；

222GDL

-----为负载GD（折算到电机轴上），Nm； 222

GDM

-----为电机的GD，Nm。

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

TlFfRGfR

式中 f-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；

（3-30）

G-----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG； R-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm。

带入数据，计算得 Tl=0.12Nm；

同时，腰部回转速度定为Nl=5r/min；传动比定为1/120；

22GDmgDl且，带入数据得： GDl=10.45667Nm。

将其带入上（3-24）～（3-30）式，得：

P01.3227W；W； Pa0.0068

s3ms；启动时间 ta0.002962制动时间 td3ms；

折算到电机轴上的负载转矩为：TL0.0010523Nm。 3.2.2 电机型号的选择

根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为： 110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301,

该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。

驱动方式：升频升压；步距角：0.36°；

其中步距角0.36°，同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。

图3-2 所选电机相关参数

图3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线

4 机械手控制系统的设计

4.1 机械手控制系统硬件设计

4.1.1 机械手工艺过程与控制要求

机械手的动作有水平手臂的伸缩，垂直手臂的升降，执行手爪的加紧与松开以及腰部的旋转。其中，垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；而当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制[27]。

而执行手爪的加紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。

当机械手旋转到机床上方时并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。 4.1.2 机械手的作业流程

机械手的作业动作流程如图4-1所示：

图4-1 上下料机械手工作流程图

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；——→ 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；——→ 上升电磁阀通电，机械手开始上升，

本科毕业设计说明书（论文）

第 36 页共 45 页

上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；——→ PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；——→ 接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；——→ 机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；——→ 当工件装入到位后，卡盘收紧；——→ 机械手松开手爪，准备离开；——→ 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；——→ PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；——→ 机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；——→ 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；——→机床卡盘松开；——→ 机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；——→ 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；——→ PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；——→ 下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；——→ 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；——→ 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；——→ 接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；——→ 机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。 4.1.3 机械手操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示。机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选择[28]。

(1) 手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。例如，当选择上/下按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择逆转/顺转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械

按下停止按钮时，手爪松开。

手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而

图4-2 机械手操作面板示意图

(2) 自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。 4.1.4控制器的选型

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC[29]。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。

图4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC

该机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 4.1.5 控制系统原理分析

因为机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件都有定位精度的要求，

控制外，还要水平手臂进行闭环伺服控制[30]。

所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环

为了减少PLC的I/O点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示。这种方案使得PLC控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。

图4-4 水平手臂伺服定位控制原理图

4.1.6 PLC外部接线设计

为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，故增加一个模拟量输出模块EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器的输入要求，PLC的模拟量采用-10V~ +10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示[31]。PLC的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）

本科毕业设计说明书（论文）

第 39 页共 45 页

图4-5 PLC硬件接线图

4.1.7 I/O地址分配

表4-1 PLC输入元件地址分配明细表

本科毕业设计说明书（论文）

第 40 页共 45 页

4.2 机械手控制系统软件设计

4.2.1 机械手控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

图4-6 机械手控制主程序流程图

4.2.2 机械手控制程序设计

机械手控制系统的软件设计采用西门子S7-200 PLC的编程软件

得出了具体的程序梯形图，详细梯形图（LAD）程序。

STEP7-Micro/WIN32进行，通过编程给出具体控制程序梯形图并进行编译和调试[32]。

图4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32编程窗口

结束语

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

通过这次毕业设计使我初步掌握机械设计、PLC控制设计、液压系统设计的方法及基本步骤。掌握技术文件编写的格式。首先根据数控机床的总体结构，确定合适的机械手的运动空间，然后根据机械手的运动空间要求确定机械手的总体结构、手臂结构、夹持方法等，设计液压系统原理图。画出总装备图，然后根据装备图设计零件图。在满足系统工艺要求的前提下，将机械手系统中相对独立的环节采用高性价比且相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。它在实际生产中的应用推广必将提高产品的质量，并且节约能源，减轻工人的劳动强度，促进生产技术的进步。具有很好的经济效益。机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，通过近三个月的毕业设计，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致谢

历时近三个月的毕业设计终于完成，在这这段时间里，我运用大学四年的专业知识比较成功的完成了本次毕业设计，在毕业设计中通过方案论证，理论设计计算，机械结构的设计，工程图的绘制，设计说明书的撰写等环节的训练，已经使个人理论水平和实际动手能力有了一次飞跃，锻炼了个人在设计、分析，动手实践等方面的能力，同时使所学专业知识得到一次全面的巩固和加强。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师、同学的关心、帮助和支持，在此本人首先向他们表示感谢。在毕业设计过程中，我的指导老师XX老师给予很多专业方面的帮助。在设计前期的准备时，X老师就非常关注我的选题，指明选题方向，帮助分析题目的可行性和实际中可能出现的问题以及需要注意的事项；在进行方案选择时，为我指出所需要重点掌握的知识范围，并帮助我分析相应知识难点的原理，使我的毕业设计能顺利进行。

同时，我也要感谢大学四年所有教过和没有教过但给我很多帮助的老师，是他们的教导让我能在这里学到很多的专业知识，给我以后工作和学习打下了坚实的基础，是他们的谆谆教诲使我明白了更多为人处事的道理，给我今后的人生足迹烙下更深的印迹，在此我衷心地感谢所有帮助过我的老师。此外，非常感谢许多其他同学，他们很多想法和建议对我启发很大。在此一并致谢！

还有在中华工业控制网和中国机器人联盟网上以及在其他场合给提供我帮助的知道名字和不知道名字的朋友，在此也一并致谢，谢谢你们！

由于时间和个人知识及能力水平有限，论文中难免会有一些纰漏或错误之处，恳请各位老师批评指正。不胜感谢！

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1 绪论

1.2 设计目的

1.3 国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大

(5) 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

1.4 设计原则

2 设计方案的论证

2.1 机械手的总体设计

(1) 直角坐标机器人结构

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

(2) 圆柱坐标机器人结构

(3) 球坐标机器人结构

(4) 关节型机器人结构

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型

图2-1 四种机器人坐标形式

2.1.2 设计具体采用方案

图2-2 机械手工作布局图

2.2 机械手腰座结构的设计

进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求

机器人的全部重量[4]。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：

(1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。

(2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

(4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

2.2.2 设计具体采用方案

图2-3 腰座结构图

2.3 机械手手臂的结构设计

2.3.1 机械手手臂的设计要求

机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动[6]。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；

(1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。

(4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

(6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

2.3.2 设计具体采用方案

2.4 机械手腕部的结构设计

(3) 机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。

(4) 机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。

(5) 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

(6) 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.4.2 设计具体采用方案

水平液压缸支承板手臂手

爪联结

梁

执行手爪

图2-4 手爪联结结构

2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计

2.5.1 机械手末端执行器的设计要求

搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。

加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。

测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；

(2) 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式

(3) 液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.5.3 机器人夹持器的典型结构

(1) 楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

(2) 滑槽式手爪

(3) 连杆杠杆式手爪

(4) 齿轮齿条式手爪

本科毕业设计说明书（论文）

(5) 平行杠杆式手爪第 11 页共 45 页这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多[13]。

2.5.4 设计具体采用方案

图2-5 手爪的结构形式

2.6 机械手的机械传动机构的设计

2.6.1 工业机器人传动机构设计应注意的问题

在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：

(1) 为了提高机器人的运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件的重量要

轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。

(2) 在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

(5) 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

(6) 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。

2.6.2 工业机器人常用的传动机构形式

(1) 齿轮传动机构

在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

机器人系统中齿轮传动设计的一些问题

maxk/i(kn) （2-1）

i1

式中：k-----第k个齿轮所具有的转角误差；

i(kn)-----第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。

则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（1、2、...、8）换算到末级输出轴上的总转角误差为

max1234567（2-2） 8 ii2i3i4i3i4i4

由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。

具体而言有几点：

(a) 对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。

(b) 对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。

(2) 谐波齿轮传动

(3) 螺旋传动

(a) 滚珠丝杠的精度等级；

(b) 滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值；

(d) 滚珠丝杠的工作寿命；

(e) 滚珠丝杠的临界转速；

(f) 滚珠丝杠的刚度；

(5) 钢带传动

(6) 链传动

(7) 钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

2.6.3 设计具体采用方案

2.7 机械手驱动系统的设计

2.7.1 机器人各类驱动系统的特点

工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可

(1) 液压驱动系统这三种基本类型组合成复合式的驱动系统[18]。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

(2) 气动驱动系统

(3) 电动驱动系统

2.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则

2.7.3 机器人液压驱动系统

液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获

(1) 程序控制机器人的液压系统

(a) 液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。

(b) 定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。

(d) 液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。

(2) 伺服控制机器人的液压系统

在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液

2.7.4 机器人气动驱动系统

(3) 气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。

2.7.5 机器人电动驱动系统

人中已经得到应用。

(1) 机器人驱动系统电机的选择 40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机（DD驱动电机）在快速高精度定位的装配机器

表2-1 续表 (2) 机器人电动驱动系统伺服驱动器

本科毕业设计说明书（论文）

(a) 直流电机伺服驱动器第 21 页共 45 页

(b) 步进电机驱动器

步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部分组成。

2.7.6 设计具体采用方案

2.8 机器人手臂的平衡机构设计

2.8.1 机器人平衡机构的形式

通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：

(1) 配重平衡机构

(2) 弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

(3) 活塞推杆平衡机构

2.8.2 设计具体采用的方案

3 理论分析和设计计算

3.1 液压传动系统设计计算

3.1.1 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

表3-1

3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路

要方式是采用比较简单的节流阀来实现。

3.1.3 液压源系统的设计本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主

3.1.4 绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-1所示，

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

图3-1 机械手的液压系统原理图

3.1.5 确定液压系统的主要参数

(1) 计算液压缸的总机械载荷

根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为

FFwFmFsfFfFb （3-1）

式中 Fw-----为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；

Fm------为活塞上所受的惯性力；

Fsf------为密封阻力；

Ff------为导向装置的摩擦阻力；

Fb------为回油被压形成的阻力。

(a) Fm的计算

FmGv （3-2） gt

式中 G------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；

g------为重力加速度， 9.81m/s2；

v------为速度变化量；

t------启动或制动时间，一般为0.01～0.5s，取0.2s

将各值带入上式，得：Fm=1.02N

(b) Fsf的计算

FsfpfA1 （3-3）

式中 pf-----克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力

MPa，查相关手册取=0.2 MPa；

A1------为进油工作腔有效面积。

启动时： Fsf565N

运动时： Fsf=283N

机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为

FfGf （3-4）

式中 G------为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；

f------为摩擦系数，取f=0.1。

带入数据计算得： Ff=98N

(d) Fb的计算

回油背压形成的阻力按下式计算

FbpbA2 （3-5）

式中 pb-----为回油背压，一般为0.3MPa～0.5 MPa，取=0.3 MPa

A2-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2。

将各值带入上式有，Fb424N

分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为

F1088N。 (2) 手爪执行液压缸工作压力计算

手爪要能抓起工件必须满足：

Nk1k2k3G （3-6）

式中 N-----为所需夹持力；

k1-----安全系数，通常取1.2～2；

2-----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按k21g估算，

在搬运工件过程的加速度m/s2，a9.8m/s2，g为重力加速度；

k3-----方位系数，查表选取k31；

G-----被抓持工件的重量 30kg。

带入数据，计算得： N120N；

理论驱动力的计算： p2b

RN1



式中 p----为柱塞缸所需理论驱动力；

b----为夹紧力至回转支点的垂直距离；

R-----为扇形齿轮分度圆半径；

N-----为手指夹紧力；

---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92。

其他同上。带入数据，计算得

P377N

计算驱动力计算公式为： Fk1k4F

c

式中 Fc-----为计算驱动力； a为机械手（3-7）（3-8）

k1---安全系数，此处选1.2； k4---工作条件系数，此处选1.1。

其他同上。带入数据，计算得：

Fc920N

而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有

FcPA （3-9）

式中 P---为柱塞缸工作油压；

A----为柱塞截面积。

经计算，所需的油压约为： 3MPa

(3) 液压缸主要参数的确定

表3-2 手爪执行柱塞缸参数

注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。

表3-3

水平伸缩液压缸参数

加了液压缸的工作刚度。

表3-4 垂直液压缸参数

(4) 液压缸强度的较核

(a) 缸筒壁厚的较核

当 D/10时，液压缸壁厚的较核公式如下：

D[]0.4Py(1) （3-10） 2[]1.3Py

式中 D----为缸筒内径；

Py----为缸筒试验压力，当缸的额定压力pn16MPa时，取为Py1.5pn；

[]----为缸筒材料的许用应力，[]b/n，b为材料抗拉强度，经查相关资料取为650MPa，n为安全系数，此处取n5。

带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。

(b) 活塞杆直径的较核

活塞杆直径的较核公式为

d4F （3-11） []

式中 F-----为活塞杆上作用力；

[]-----为活塞杆材料的许用应力，此处[]b/1.4。

带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。

3.1.6 计算和选择液压元件

(1) 液压泵的计算

(a) 确定液压泵的实际工作压力pp

ppp1p1 （3-12）

式中 p1-------计算工作压力，前以定为4MPa； p1------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5～1.5）MPa，这里

取为1MPa。

因此，可以确定液压泵的实际工作压力为

pp415MPa （3-13）

(b) 确定液压泵的流量

qpKqmax （3-14）

式中 K------为泄露因数，取1.1；

qmax-----为机械手工作时最大流量。

qmaxAv （3-15）

经计算得 qmax=3.140L/min

带入上式得 qp1.13.1403.454L/min

P工2ppqmax60 （3-16）

式中 qmax------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L/min；

pp-------液压泵实际工作压力，5MPa；

------为液压泵总效率，取为0.8。

带入数据计算得： P工=0.654kw。

(2) 控制元件的选择

(3) 油管及其他辅助装置的选择

(a) 查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数

液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取6；液压泵吸油管稍微粗些，选择8；

其余都选为5；

(b) 确定油箱的容量

一般取泵流量的3～5倍，这里取为5倍，有效容积为

V5qp53.216L （3-17）

3.1.7 液压系统性能的验算

3.2 电机选型有关参数计算

3.2.1 有关参数的计算

(1) 若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

负载额定功率： P0

WVL

（3-18） 4

610

22GDLNL

负载加速功率： Pa （3-19）

3577103ta

负载力矩（折算到电机轴）：

TL

负载GD2（折算到电机轴）：

WVL

（3-20）

2NM

2GDLW（

VL2

（3-21））

NM

起动时间：

(GDMGDL)NM

（3-22） ta

375(TPTL)

制动时间：

(GDMGDL)NM

（3-23） td

375(TPTL)

(2) 若传动负载作回转运动

负载额定功率： P0

T1NL

（3-24）

9550

22GDLNL

负载加速功率： Pa （3-25） 3

357710ta

负载力矩（折算到电机轴）：

TL

Tl （3-26） NM

负载GD（折算到电机轴）：

GD2

L(

NLN)2

GD2l M

起动时间：

t

(GD2GD2

ML)NM

a375(TT PL)

制动时间：

t(GD22

MGDL)NM

d

375(TPTL) 式中 P0-----为额定功率，KW；

Pa-----为加速功率，KW；

Nl-----为负载轴回转速度，r/min； NM-----为电机轴回转速度，r/min；

Vl-----为负载的速度，m/min； -----为减速机效率； -----为摩擦系数；

Tl-----为负载转矩（负载轴），Nm；

-----为电机启动最大转矩，Nm；

TL-----为负载转矩（折算到电机轴上），Nm；

3-27） 3-28） 3-29）

（（（

GDl2-----为负载的GD2，Nm2；

222GDL

-----为负载GD（折算到电机轴上），Nm； 222

GDM

-----为电机的GD，Nm。

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

TlFfRGfR

式中 f-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；

（3-30）

G-----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG； R-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm。

带入数据，计算得 Tl=0.12Nm；

同时，腰部回转速度定为Nl=5r/min；传动比定为1/120；

22GDmgDl且，带入数据得： GDl=10.45667Nm。

将其带入上（3-24）～（3-30）式，得：

P01.3227W；W； Pa0.0068

s3ms；启动时间 ta0.002962制动时间 td3ms；

折算到电机轴上的负载转矩为：TL0.0010523Nm。 3.2.2 电机型号的选择

该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。

驱动方式：升频升压；步距角：0.36°；

图3-2 所选电机相关参数

图3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线

4 机械手控制系统的设计

4.1 机械手控制系统硬件设计

4.1.1 机械手工艺过程与控制要求

机械手的作业动作流程如图4-1所示：

图4-1 上下料机械手工作流程图

本科毕业设计说明书（论文）

第 36 页共 45 页

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。 4.1.3 机械手操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示。机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选择[28]。

按下停止按钮时，手爪松开。

手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而

图4-2 机械手操作面板示意图

图4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC

因为机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件都有定位精度的要求，

控制外，还要水平手臂进行闭环伺服控制[30]。

所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环

图4-4 水平手臂伺服定位控制原理图

4.1.6 PLC外部接线设计

本科毕业设计说明书（论文）

第 39 页共 45 页

图4-5 PLC硬件接线图

4.1.7 I/O地址分配

表4-1 PLC输入元件地址分配明细表

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第 40 页共 45 页

4.2 机械手控制系统软件设计

4.2.1 机械手控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

图4-6 机械手控制主程序流程图

4.2.2 机械手控制程序设计

机械手控制系统的软件设计采用西门子S7-200 PLC的编程软件

得出了具体的程序梯形图，详细梯形图（LAD）程序。

STEP7-Micro/WIN32进行，通过编程给出具体控制程序梯形图并进行编译和调试[32]。

图4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32编程窗口

结束语

致谢

还有在中华工业控制网和中国机器人联盟网上以及在其他场合给提供我帮助的知道名字和不知道名字的朋友，在此也一并致谢，谢谢你们！

由于时间和个人知识及能力水平有限，论文中难免会有一些纰漏或错误之处，恳请各位老师批评指正。不胜感谢！

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