目录
摘要Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章绪论1
1.1选题背景1
1.2设计目的1
1.3国内外研究现状和趋势2
1.4设计原则3
第2章设计方案的论证3
2.1机械手的总体设计3
2.1.1机械手总体结构的类型3
2.1.2设计具体采用方案4
2.2机械手腰座结构的设计5
2.2.1机械手腰座结构的设计要求5
2.2.2设计具体采用方案6
2.3机械手手臂结构的设计7
2.3.1机械手手臂的设计要求7
2.3.2设计具体采用方案8
2.4工业机器人腕部的结构9
2.4.1机器人手腕结构的设计要求9
2.4.2设计具体采用方案10
2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计10
2.5.1机械手末端执行器的设计要求11
2.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式12
2.5.3机器人夹持器的典型结构12
2.5.4设计具体采用方案13
2.6机械手的机械传动机构的设计13
2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题14
2.6.2工业机器人常用的传动机构形式15
2.6.3设计具体采用方案18
2.7机械手驱动系统的设计18
2.7.1机器人各类驱动系统的特点18
2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则19
2.7.3机器人液压驱动系统20
2.7.4机器人气动驱动系统21
2.7.5机器人电动驱动系统23
2.7.6设计具体采用方案25
2.8机器人手臂的平衡机构设计26
2.8.1机器人平衡机构的形式26
2.8.2设计具体采用的方案26
第3章理论分析和设计计算27
3.1液压传动系统设计计算27
3.1.1确定液压系统基本方案27
3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路28
3.1.3液压源系统的设计28
3.1.4绘制液压系统图29
3.1.5确定液压系统的主要参数30
3.1.6计算和选择液压元件35
3.1.7液压系统性能的验算37
3.2电机选型有关参数计算37
3.2.1有关参数的计算37
3.2.2电机型号的选择40
第4章机械手控制系统的设计41
4.1机械手控制系统硬件设计41
4.1.1机械手工艺过程与控制要求41
4.1.2机械手的作业流程42
4.1.3机械手操作面板布置43
4.1.4控制器的选型45
4.1.5控制系统原理分析45
4.1.6 PLC外部接线设计46
4.1.7 I/O地址分配47
4.2机械手控制系统软件设计49
4.2.1机械手控制主程序流程图49
4.2.2机械手控制程序设计49
技术经济分析51
结论52
专题部分53
参考文献64
附录1 66
附录2 71
附录3 78
致谢94
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。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。
2.3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。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。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。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。
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。
