机器人设计论文

标题 移动式堆垛机械手设计

摘要：移动式堆垛机械手以液压系统中的活塞和活塞缸作为机械设计机

体，以液压作为驱动动力，以PLC作为控制手段，以变频器作为调速方式，实现升降、伸缩、回转、行走、刹车等多种动作的操作。因而它具有机械化、程序化、可控化，适应性、灵活性强的特点。 目录：

前言：工业机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械手尤为如此。因此设计实用、高效的机械手对于机械设计者来说是义不容辞的责任，对于毕业的大学生也是一个实时、富有意义和挑战的设计课题。

机械手的种类很多，移动式堆垛机械手是其中常见的一种。移动式堆垛机械手造型各异，控制方式主要有：机械传动控制、液气压传动控制、数控、程序控制。本设计采用PLC程序控制下的液压传动结构。液压结构简单，便于实现轻型灵活的机械手。PLC控制操作方便，易于修改，通过不同的程序实现不同的操作要求。

机械手是各种技术知识综合应用的成果。毕业生在作此设计中可以全面复习所学知识，并且拓展新的知识，为过去学业与未来工作搭建良好的桥梁。 正文： 设计方案：

一.课题名称：移动式堆垛机械手设计 二.机械手工作过程及设计要求

A处固定位置供应工件，在B处有专用的运货小车。机械手在固定在地面的轨道上运动，轨距500，与机械手轮子圆柱面接触的轨道面宽50，距地面120。

1．机械手从A处固定位置取工件，搬运到B处后，在专用的运货小车中把工件堆成一纵列，每列10个工件。

2.堆完一列后，满载的专用小车开走，另一列辆空载的专用小车驶到B处.

3.机械手重复上述过程。 三.机械手设计的内容

1.系统的总体设计：系统的运动、设计机构设计、系统的功能分配和电控系统方案设计。

2.机械设计：机构设计、结构设计和零件设计。 3.电控系统设计：画电控系统的原理图。

4.其它部分设计：所设计机械的技术性能和用途，机械的操作、调整、润滑、维护、安装、安全使用等方面的说明。

机械结构：

组成：手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、手爪、机座、行

走机构、制动机构、驱动电机、液压系统。

手臂回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构、手爪、行走机构、制动机构分别由旋转缸、升降缸、伸缩缸、手爪缸、行走小车、夹轨器缸来实现。

旋转缸、升降缸、伸缩缸、手爪缸均采用单活塞缸，旋转缸侧面中部双油路进回油。升降缸、伸缩缸、手爪缸前后端进回油。

旋转缸的组成：定片和动片。

一般来说缸体不动，为定片，活塞运动，为动片。定片与动片常见的连接方式由一销钉定位，一螺钉紧固。由于旋转缸与基座相连，又只作回转运动，本设计用平键作周向定位，轴向在自重的作用下即可。， 旋转缸的旋转角度=360度——动片结构角度——定片结构角度 0度<旋转缸的旋转角度<360度 旋转缸与活塞缸的类比：

1、 定片与缸体固连体=(活塞缸)缸体 2、 动片与轴固连体=活塞

3、 当然亦可颠倒，原来运动部分固定，而固定部分为旋转部分。 升降缸由两个对称的导向杆导向。

导向杆：内部导向，一根导向花键，它兼有防止活塞套筒的转动。 外部导向，两根对称轴向分布的导向管（杆），兼有承受偏重力

矩以防止活塞缸体转动之用。

伸缩缸由于结构上的限制采用单杆导向。

行走小车通过V带传动，由电机驱动。小车上安装了夹轨器，以固定位置。夹轨器采用单缸双杆结构。夹轨器缸由中间及两端进回油，两活塞杆可以实现较好的同步性。

注意小车的轮子不要做成过定位形式，可借鉴火车轮子的结构样式。 机械手的手爪采用从工件上部抓取式结构，四个钩子手指钩抓工件。 它通过钩子手指的几何结构及其固定形式来实现抓取动作。手爪缸杆的

直线运动带动钩子手指的一端，而另一端则作绕固定轴的转动，这样就实现了手爪的张开与闭合。

液压系统

液压装置主要实现液压缸与活塞的相对双向运动，电磁换向阀是实现这种动作不可缺少的元件。夹轨器缸采用三位六通电磁换向阀，其余缸体均采用三位四通电磁换向阀。

旋转缸、升降缸、伸缩缸由于其运动行程长，及其在调解机械手的运动中的作用，在其油路中安装了背压阀，以使运动部件启动平稳。手爪缸和夹轨器缸的运动载荷与旋转缸、升降缸、伸缩缸的负荷比起来小得多，所以在其油路中安装了减压阀，以调解压力。因为实现堆垛功能，升降缸就成为实现动作的核心机构，升降杆的升降动作准确与否影响到堆垛动作能否实现。手爪的精确定位才可实现要求的堆垛。升降速度是影响 手爪定位的重要因素，因此在其液压支路中加了节流调速阀，控制升降速度。进入油泵之前的油流经过滤器，以防止油路中的杂质流入油泵，破坏价格昂贵的油泵。流出油泵的油流入单向阀。单向阀阻止油路中的油回流，起保护油泵的作用。在主油路和油箱之间安装了溢流阀，它既可以作普通溢流阀，又可以作安全阀。本机械手的液压系统中安装了二位二通手动卸荷阀，以保证系统性能。这是因为液压系统在期待和短时间停止时，一般都要求泵空载启动并在卸荷状态下运转。带负载启动时，电机消耗功率大。同时，电机的频繁启动，系统中容易混入空气，使运动不平稳。

一、方向控制回路

方向控制回路的作用是改变液、气压执行元件的运动方向，控制它的启动、停止和缩紧。 1

换向回路

（1） 动换向阀换向回路 （2） 磁换向阀换向回路 本设计普遍采用电磁换向阀换向

（3） 液换向阀换向回路 （４）电气控制阀换向回路

２、锁紧回路

（1） 向阀锁紧回路

为了保护油泵，本设计在油泵后加了一个单向阀。

（2） 控单向阀锁紧回路

二、压力控制回路

1、 调压回路

溢流阀是应用最广泛的压力控制元件，把它安装在回路的不同位置，可以有不同的动作。

（1） 作溢流阀用调定系统压力 （2） 作安全阀用限定系统压力 （3） 作背压阀用控制回油腔压力 （4） 作卸荷阀用使泵卸荷

（5） 作远程调压阀用 （6） 多级调压回路 2、 卸荷回路

（1） 用中位滑阀机能的卸荷回路 （2） 用二位二通阀的卸荷回路 3、减压回路

减压回路的作用是使系统中某一支路获得比主系统低的稳定压力，由减压阀来实现。 4、 增压回路

增压回路的作用是使工作缸的压力远远高于蹦的输出压力。 5、 保压回路

保压回路的作用是使液压缸在规定的时间内维持压力不变，以满足工况要求。

（1） 用液控单向阀的保压回路 （2） 用蓄能器的保压回路 （3） 自动不（4） 由的保压回路 6、 卸压回路

写压回路的作用是卸去加载的压力，防止活塞回程时产生冲击。 7、 平衡回路

平衡回路的作用是平衡运动部件的自重,防止执行机构下行时因自重而产生超速运行。

（1） 用顺序阀的平衡回路 （2） 用平衡缸的平衡回路

液压系统的优点:

较纯机械结构，液压机械构造简单，大体上一液压缸，一活塞，再辅以若干油管即可，这样大大简化了机械传动中的繁琐部件。

1、功率密度大，能够输出大的力和力矩。执行机构在相同功率下，功率远比电气元件轻，运动惯性小、响应速度快。

2、易于实现大范围的无级调速（调速范围达２０００：１）。 3、易于实现过载保护。

4、容易和电气控制结合，实现自动控制。

5、标准化程度高，执行元件布置灵活，易于设计和制造。 液压系统的缺点：

1、由于液压装置工作时泄漏很难免和油液的可压缩性，液压传动不适宜要求严格的定比传动。

2、由于液压流动时损失较大，系统容易发热，产生振动和升温。 液压传动系统要求细心维护，而且出现故障不易查找，要求维修人员有较高的技术水平。

电控系统：

本设计以ＰＬＣ为工具，编制程序，实现控制功能。 ＰＬＣ编程以机械手的运动流程为依据，完成要求的动作。 机械手的运动流程：

初始位置停在Ａ处，取工件—— 检测到有工件，伸缩缸伸长，伸至伸限开关——升降缸下降，下降到升降缸下限位置——手爪缸上升，手爪收笼，抓紧工件——升降缸上升，至上限位置——伸缩缸缩短，缩至缩限位置——夹轨器缸伸长，使夹持手部放松轨道——电机正转，小车从Ａ驶向Ｂ处，经位置检测后停止——手爪缸上升，夹轨器夹紧轨道——旋转缸顺时针旋转，至顺限开关——伸缩缸伸长——升降缸下降，下降位置由接近开关检测定位——手爪缸下降，下降至下限位置时，工件被放松——升降缸上升至上限位置——伸缩缸缩至缩限位置——旋转缸逆时针转至逆限位置——夹轨器放松轨道——电机反转，小车从Ｂ驶向Ａ处，经Ａ处位置检测后停下，回到初始位置——夹轨器夹紧轨道，固定小车，小车完成一次工作循环。 ＰＬＣ的特点： 1 2 3 4 5 6

以可编程控制器为核心构造控制系统所需周期短。 可编程控制器易学易用。 可编程控制器通用性和适应性强。 可编程控制器的可靠性高、抗干扰能力强。 可编程控制器的维护性好。 可编程控制器的体积小、能耗低。

可编程控制器是专为工业控制现场使用和设计的控制器，硬件结构结实可靠，硬件部分已系列化，有各种各样的实现特殊功能动模块，从简单控制到复杂控制，都有合适的产品，可以根据不同的控制场合灵活

配置，输入输出直接连接到其I/O模块上。不需要编写系统软件，用户程序使梯形图语言编写直观易懂。可编程控制器可以和通用个人计算机或个人计算机组成控制网络，取长补短，构成十分完善的控制系统。 控制系统方案比较

可编程控制器与继电器—接触器的比较

1、 功能 继电器接触器具有逻辑、顺序控制和定时功能；可编程控制器

除具有这三大功能外还有计数、运动控制、模拟量处理、闭环控制、数据处理、网络功能。

2、 功能实现方式 继电器接触器用硬件实现；可编程控制器用软件来实

现。

3、 电路设计方式 继电器接触器和可编程控制器均采用经验设计法设计

控制电路，但PLC程序规律性和可读性更强。

4、 可靠性 与继电器接触器比较而言，可编程控制器故障少，可靠性更

高。

5、 灵活性 可编程控制器由编制及更改程序来实现不同的功能；继电器

接触器由连接硬件电器，布置电路，实现功能。 采用经验设计法

接近开关的选择：

移动式堆垛机械手堆垛动作的完成主要靠接近开关来检测定位。

电感式接近开关工作原理

1.工作原理 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放附录 1：部分常用材料的值 材料 钢 不锈钢 黄铜 铜 大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 衰减系数 1 0.85 0.3 0.4 2.工作流程方框图

电感式接近开关术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 2. 设定距离：接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。 3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。 4. 标准检测体：可使接近开关作比较的金属检测体。本厂所采用的检测体为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面的2.5倍。 5. 输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 6. 检测方式：分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。

7.响应频率f：按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。 响应时间t：接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。 可用公式换算 t=1/f 8.导通压降：既接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。 以NPN型输出的接近开关为例 9.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。（详细接线图）

电感式接近开关接线图号

电感式接近开关注意事项

1：当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。

2：电感式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。 6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7：本厂产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。为了保证意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。

8： 为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。

电容式接近开关

1.工作原理

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位

置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数

ε

的物体时，可以

顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感

应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。 2.工作流程方框图

3.安装要求

附录1：部分常用材料的介电常数

材料 水 大理石 云母 陶瓷 硬橡胶 玻璃 硬纸 空气 介电常数 材料 80 软橡胶 8 松节油 6 水 4.4 酒精 4 电木 5 电缆 4.5 油纸 1 汽油 介电常数 2.5 2.2 80 25.8 3.6 2.5 4 2.2

合成树脂 3.6 赛璐璐 3 普通纸 2.3 有机玻璃 3.2 聚乙稀 2.3 苯乙稀 3 石蜡 2.2 石英沙 4.5 附录

2：标注及含义

标号 安装距离 S1 ≥1Sn S2 ≥3Sn S4 ≥3Sn

米 3.5 聚丙稀 2.3 聚乙稀 2.9 纸碎屑 4 石英玻璃 3.7 硅 2.8 变压器油 2.2 木材 2-7 说明 检测面与支架的间距 检测面与背景的间距 检测面与侧壁的间距 S3 ≥5Sn 并列安装间距 注：1. Sn为电容式接近开关的标准检测距离。

2.高防水等级的产品均不具备灵敏度调节功能，另外其检测距离为标准值的1/2或

1/3，甚至更小。

接近开关型号说明

电容式接近开关术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2. 设定距离：接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。 3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。 4. 标准检测体：可使接近开关作比较的金属检测体。本厂所采用的检测体为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面的2.5倍。 5. 输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 6. 检测方式：分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。 7.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。 8.导通压降：既开关在导通时，残留在开关输出晶体管上的电压降。 6.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。

电容式接近开关注意事项

1：电容式接近开关理论上可以检测任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。

2：电容式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的电容式接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。 6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7：本厂产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。为了保证意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。

8： 为了使电容式接近开关长期稳定工作，由于其受潮湿、灰尘等因素的影响比较大，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动

或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有粉尘粘附。 接线

接近开关应用图例

1.料位的控制 2.物体的定位

3.物体的到位/通过 4.连续通过的检测 5.开关位置的确认 6.行程限位 7.采用电容式开关液位控制 8.产品计数

9.存在/通过 10.采用电容式开关上下限控制 11.投料速度控制 12.气流量控制 调速：

方案： 一、直流

1、改变电枢电路外串电阻 2、改变电动机电枢供电电压 3、改变电动机主磁通 调压调速 二、交流 1、调压调速

这种调速方法能够无级调速，但当降低电压时，转矩也按电压低平方比例缩小，所以调速的范围不大。 2、转子电路串电阻调速

转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速。随转速降低，特性变软。转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。所以，这种方法大多用在重复短期的生产机械中，如在起重机械设备中应用非常广泛。 3、改变极对数调速

在生产中有大量的生产机械，它们并不需要连续平滑调速，只需几分种特定的转速就可以了，而且对启动性能没有高的要求，一般只在空载或轻载下启动，在这种情况用变极对数调速的多鼠笼式异步电机是合理的。

4、变频调速

变频调速用于一般鼠笼式异步电机，采用一个频率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源为晶闸管或晶体管变频装置。 小车驱动电机为交流电机，由变频器调速。变频器根据电机的功率选择型号。变频器是现代工业中普遍应用的一种变频装置。 5、电机的选择

概 述

本系列产品是具有齿轮减速、电子调速、且可正反两个方向旋转的交流异步电动机。整机有齿轮减速箱、电动机、电子调速器（带测速反馈）三大部分组成。通过对三大部分的不同组合，可获得不同使用性能的产品。整机既可利用齿轮减速箱获得任意固定转速，也可通过电子调速器达到无级调速的目的。另外我厂还生产制造各种蜗轮、蜗杆减速电机、带制动减速电机、阻尼电机。

本系列产品由于具备减速范围宽广、力能指标高、使用方便、运行可靠等特点，而被广泛应用于各类小型轻工机械、包装、食品、纺织、医疗、化妆（美容）机械、印刷设备、仪器及各种自动化设备、生产流水线上。 使用环境

海拔不超过1000米 环境温度不超过40℃ 空气相对湿度≤90%（25℃）

具体产品技术数据、外型及接线图

三、液压： 1、节流调速

（1） 进油节流调速回路。

本设计中升降缸采用了进油节流阀节流调速。 （2） 回油节流调速。 （3） 旁路节流调速回路。

2、容积调速回路 3、容积节流调速回路 工业机器人机构及设计概述

机器人是近30年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机器人是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程完成各种预期的作业任务，，在构造和性能上兼优有人和机器人的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的前景。

机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机器人操作机的分类及主要技术指标

1、 工业机器人及其操作及工业机器人是一种能自动定位控制并可重

新编程予以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运材料、零件和握持工具，以完成各种不同的作业。

工业机器人通常由执行机构、驱动—传动机构、控制系统和智能系统四部分组成各部分的相互关系如图一所示。

位形检测 控制系统 驱动-传动机构 执行机构 工作系统

智能系统 图一 工业机器人的机械结构部分称为操作机，其组成为：机座、腰部、手部（末端执行器）、手臂机构、手腕机构和姿态机构。 2、操作机的主要类型

操作机机构一般为空间开链连杆机构，其关节分为主动关节和从动关节。 工业机器人常按手臂运动的坐标形式和形态分为四类： （1）直角坐标型

直角坐标型操作机具有三个移动关节，可使手部产生三个相互垂直的独立位移。由于运动方程可独立处理，且为线性的，因此具有定位精度高，空间轨迹易求解，计算控制简单等特点。但操作机本身所占空间尺寸大，相对工作范围小，操作灵活性较差，运动速度较低。 （2）圆柱坐标型

圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节。这种操作机的优点所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速

度。而缺点手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机器人。 （3） 球坐标型

球坐标型操作机具有两个移动关节和一个转动关节，可使手部实现绕中心轴转动。此种操作机的优点是结构紧凑，所占空间尺寸小。 （4） 关节型

关节型操作机是模拟人的上肢而构成。它有三个转动关节，可绕铅直轴和两个平行于水平面的轴转动。这种操作机具有结构紧凑，所占空间体积小等特点，还能绕机座周围的一些障碍物，是目前应用最多的一种结构形式。

3、操作机的主要技术指标 （1）自由度

即用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目。自由度是反映操作机的通用通用性和适应性的一项重要指标。自由度较多，就更能接近人手的动作机能，通用性更好，但结构更复杂。目前，一般的通用工业机械人大多为5个自由度左右，已能满足多种作业的要求。 （2）工作空间

即操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占的体积来表示。操作机能完成对操纵对象完成操作的那一部分空间称为看管区域或工作区域。

（3）灵活度

是指操作机末端执行器在工作时所能采取的姿态多少。若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位取物体，则其灵活度最小。

此外，用来表征工业机器人性能的技术指标还有负荷能力、速动作特性 、重复定位精度及能量消耗等。 机器人操作机的运动分析

机器人操作机机构一般是有多个自由度的开链空间连杆机构。它由若干构件用关节串接而成，其一端固接在机座上，而另一端则是末端执行器。操作机的各运动构件与末端执行器在空间的位置、姿态之间的关系以及它们的速度及加速度的确定是机器人机构运动学研究的主要内容，也是机器人机构学、机构设计和运动控制的基础。 1、 操作机位置与姿态的确定

位置矩阵和姿态矩阵是描述计算操作机的位置与姿态的公式。 2、操作机两杆间的位姿矩阵

操作机为多杆系统，两杆间的位姿矩阵是确定操作机末端执行器位姿矩阵的基础。它取决于两杆之间的相对运动形式、结构参数、运动参数以及两杆的坐标变换顺序。机器人操作机的运动关节由于受驱动方式的制约，目前实际上只有转动关节和移动关节。 工业机器人设计中的连接

本设计中主要采用螺纹联接。螺纹联接是普遍采用的机械联接方式。

螺纹联接的基本类型 1、螺栓联接

这种联接能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度较高。

2、双头螺柱联接这种联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合。 3、螺钉联接

这种联接的特点是螺栓或螺钉直接拧入被联接件的螺纹中,不用螺母，在结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。其用途与双头螺柱相似，但如经常拆装时，易使螺纹孔磨损，可能导致被联接件报废，故多用于受力不大，或不需要经常拆装的场合。 4、紧定螺钉联接

紧定螺钉联接可传递不大的力矩，它除了作为联接和紧定外，还用于调整零件位置。

螺纹联接分为 三个A、B、C等级，常用的标准螺纹连接件通常采用C级精度。 螺纹联接的预紧

预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑动。

受变载的螺栓联接的预紧力比受静载荷的要大。

带传动

带传动的类型：平带传动、V带传动、多楔带传动和同步带传动。

在一般机械中，应用最广的是V带传动。在同样的张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。这是V带传动性能上的最主要优点。再加上V带传动允许的传动比较大，结构紧凑，以及V带多已标准化并大量生产等优点，因而V带的应用比平带更广泛。

V带的类型：普通V带、窄V带、联组V带、齿形V带、大楔角V带、

宽V带。

其中普通V带应用最广。

窄V带是用合成纤维绳作抗体，与普通V带相比，当高度相同时，窄V 带的宽度约缩小1/3，而承载能力可提高1.5~2.5倍，适用于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。本设计也由此选择窄V带。 计算： 1、概述

承载结构安全性验算必须符合静力学、动力学原理和强度理论，如果通过试验确定部件应力或强度特性，在保持相同情况下，其试验结果可作为验算基础。系统、尺寸和材料参数必须和图纸相一致，如果不影响安全性，允许其偏差。 2、计算内容

在巷道堆垛机承载结构 安全性验算中必须确定下列要素： （1）巷道堆垛机型式及工作方式 （2）寿命期内载荷及工作循环总次数 （3）标准起升级别

（4）按照DIN15018第1部分的标准载荷组合 （5）尽可能接近实际的承载系统简图及主要尺寸 （6）载荷假设

（7）所有承载部件的形状，尺寸及静力学截面参数 （8）单一部件及联接的材料

（9）按照第3条进行承载部件及主要联接验算 3、计算方式

利用载荷假设对承载结构进行下列验算： A、普通应力计算

防止超越材料屈服极限的安全性验算 B、稳定性验算

防止弯曲、翻转和翘曲的安全性验算 C、工作强度验算

防止超越材料疲劳极限的安全性验算 D整体稳定性验算

防止整机倾翻的安全性验算

A和B验算可按DIN18800第2部分中第二种规定理论进行计算。在这种情况下，截面大小和应力不允许乘自重系数以及起升载荷系数。 承载结构中部件的应力按表 5单独载荷组合计算。 许用应力取自DIN15018第一部分。 5、载荷假设

作用在承载结构上的载荷分为主要载荷、附加载荷和特种载荷。 并作为作用力以N为单位用于计算。

主要载荷有：自重载荷、起升载荷、工作运行产生的惯性力和静态导向力

附加载荷是以以下因素产生的作用力：运行跑偏、温度影响和走台、梯子、平台、栏杆上的作用载荷

特种载荷：Q——k、缓冲力、试验载荷、紧锁载荷、紧急制动产生的载荷

5.1主要载荷 （1）自重载荷

自重载荷G是在工作中始终存在的固定和运动部件、机械和电气装置以及牵引构件，如钢丝绳的重力，第（2）条中的除外。 （2）起升载荷

起升载荷是以下部分的重力：单元货物、单元货物的取物部件（外伸装置、辊子平台、货叉）、载货台和可能的操作人员、部分牵引机构（如钢丝绳、链条）

（3）垂直惯性力的作用

第（1）和第（2）条中的载荷运动产生的垂直惯性力，其作用通过自重载荷系数和起升载荷系数考虑。

自重载荷系数：运动的巷道堆垛机的自重载荷等于第（1）条中的自重载荷系数。

1）紧急刹车制动载荷通过相应的特种载荷组合进行考虑。

表1 取决于公称运行速度的自重载荷系数

自重载荷系数

公称运行速度Vm/min

带接头运行轨道

《63

无接头运行轨道

〈=100

1.1 1.2 1.3

〉63~125 〉125 〉100~200 〉200

表中速度单位是m/min

结论：

液压系统与PLC控制的结合可以设计出自动化高性能的机器人，适应实际生产中的需要。由于液压实现的操作力和力矩很大，理论上趋于无穷，所以在该机械手机体材料、结构力学性能限度内可以搬堆垛各种不同重量的工件。本机械手虽名为移动式堆垛机械手，其实它可以实现搬运、堆垛、卸料三种动作，适应移动式、固定式两种运动模式，只需更改PLC程序即可。因而它可谓多功能机器人。 总结和体会：

通过本次毕业设计，复习并加深理解了机械制图、机械原理、机械设计、 液压、PLC、机器人学、力学等基础知识，同时学习了变频器、接近开关 等新知识。

该移动式堆垛机械手是本人在查阅资料后自主创新设计的第一台机器，对于笔者有着重要的意义。自己切身第一次体会了机械创新设计，品味 了机械设计中的快乐和困苦，积累了机械设计中的一点智慧和经验，对 未来实际工作具有巨大的指导作用。这次设计将成为自己设计道路的起 点。 谢词：

在此，感谢王老师一个学期来对本人的精心指导，另外有一段小插 曲，本人在作毕业设计中途，存储设计资料和成果的U盘意外损坏，王 老师为本人提供了电脑，使得本人的毕业设计能够及时顺利地完成，再 此表示深深的感谢。感谢答辩及评阅教师，感谢他们对学生的毕业设计 的公正、客观的评价。感谢学校、学院为我们提供计算机以及完成毕业 设计的必需品。感谢机房老师一个学期来辛苦地工作。

参考文献： 参考文献、资料：

1. 工业机器人图册 机械工业出版社 2. 工业机械手设计基础 天津科学技术出版社 3. 机械手--理论及应用 中国铁道出版社 4. 交流调速系统 机械工业出版社 5. 交流变频调速技术应用例集 科学出版社

6. 机械原理 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编 高等教育出版社

7. 机械设计 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编 高等教育出版社

8. 理论力学 哈尔滨工业大学理论力学教研组 编 高等教育出版社 9. 材料力学 刘鸿文 主编 高等教育出版社 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

可编程控制器原理及应用 王庭有 等编 国防工业出版社 液气压传动与控制 袁子荣 主编 重庆大学出版社 机电传动控制 邓星钟 主编 华中科技大学出版社 机械制造技术基础 华楚生 重庆大学出版社

机械工程材料 杨瑞成 刘昌明 张方 主编 重庆大学出版社 材料成型基础 胡成立 朱敏 主编 武汉理工大学出版社 机械工程专业英语 司徒忠 主编 武汉理工大学出版社