摘 要
机器人学是涉及电子精密机械、空间机构学、操纵动力学、人机工程学等的一门系统工程的学科。机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门新兴技术，它代表了机电一体化的最高成就。本论文结合理论与实践，对五自由度机器人的机械系统控制系统，及其它一些系统进行了研究。
本文是对以气压为动力源的机械加工用机器人的设计说明。它由执行机构，驱动机构和控制系统等组成。本设计说明书是机械加工用工业机器人的设计论文，是经过查阅大量参考资料后对所设计机械人具体设计过程的一个详细说明。在正文部分，说明了该机器人整体的规格参数，并论证了手臂升降及回转装置的最优化设计方案，然后详细说明了各个单元模块的设计参数和计算,也介绍了液压缓冲器系统。
关键词：工业机器人 气动 模块化设计
Abstract
The robotics is an course, which involves the precise machine, the space organization, manipulated the dynamics, person with machine engineering learns a system engineering of etc..Technology of Robot is a new technology which has devolopped rapidly for about 30 years. It delegates the tiptop achievement of the system of mechanics and electronics. This paper studies on the control system，mechanical system and other systems of a robot of five-degree freedom.
This paper is the design illustration about programmed controlling robot for machining, which is droved by gassiest pressure. The industry robot is usually made up of operating system, driving and controlling system. This thesis is the design courses of the General Industrial Robot For Machining. Written after looking up lots of materials, the article is the detailed explain of the courses about the design.
On the main part of the text, this paper narrated the standard parameters, and enhanced the best design idea of the machine arm, the machine fingers and machine body, and then it detailed the design parameters and the calculating way. It also introduced the buffer to the hydraulic pressure at the same time.
Keywords: Industry mechanical robot Air powered Mdulation design
目 录
绪论 ..................................................................................................................................... 1 1. 国内外机器人的现状和发展趋势 ............................................................................. 1 2. 工业机器人研究的意义 ............................................................................................ 2 第一章 原理方案设计 ..................................................................................................... 3 1.1了解设计问题，明确设计目标 ................................................................................ 3 1.2功能原理设计 ............................................................................................................ 5 1.2.1问题的抽象化 ................................................................................................... 5 1.2.2功能分析 ........................................................................................................... 5 1.2.3功能组合 ........................................................................................................... 5 1.3解决原理 ............................................................................................................... 6 1.4原理方案评价与决策 ........................................................................................... 9 第二章 总体设计 ........................................................................................................... 10 2.1驱动方案的分析与选择 .......................................................................................... 10 2.1.1驱动系统的特点 ............................................................................................. 10 2.1.2驱动系统的选择原则 ..................................................................................... 13 2.2 缓冲方案的分析及选择 ......................................................................................... 13 第三章 缓冲装置分析与计算 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.1 缓冲装置的分析 .................................................................................................... 16 3.2 缓冲计算 ................................................................................................................ 16 3.3 定位误差计算 ........................................................................................................ 17 3.4综合分析 .................................................................................................................. 18 第四章 气路的分析与计算 ............................................................................................. 21 4.1 气路的一般分析 .................................................................................................... 21 4.2 压缩空气管道管径和压力降的计算 .................................................................... 21 第五章 技术经济分析 ................................................................................................... 24 总 结 ............................................................................................................................. 25 致 谢 ............................................................................................................................. 26 参 考 文 献 ..................................................................................................................... 27
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绪论
1. 国内外机器人的现状和发展趋势
机器人，英语为ROBOT，意思是一种干脏活的人形机器。它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造一种像人一样的智能机器，以便能够代替人去进行各种各样的工作。美国是现代机器人的故乡。50年代，发明家英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅特”公司，并生产出了第一批工业机器人——“尤尼梅特”。1962年，机械与铸造公司研制出了“沃尔萨特兰”工业机器人。这两种机器人是世界上最早、最有名的机器人。至今，它们仍在使用。1968年，斯坦福研究所研制出了世界上第一台智能机器人。70到80年代，是美国机器人技术发展的黄金时期。从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。
目前国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。
我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目
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前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。
2. 工业机器人研究的意义
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备工业机器人已经广泛地应用于各种自动化生产线上,它是机器人家族中最重要的成员,工业机器人由操作机(机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作、自动控制,可重复编程,能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备,工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业型机器人,直角坐标型机器人,园柱坐标型机器人、球坐标型机器人、喷漆机器人、焊接机器人等。据专家预测，工业机器人的研究工作已向仿人化特种化智能化发展我们着手设计的门架机器人属特种化机器人，所以工业机器人的研究具有重大的意义。
随着我国工业生产力飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，并减轻工人的劳动强度，已愈来愈引起人们的重视。
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第一章 原理方案设计
1.1 了解设计问题，明确设计目标
1.1.1 意义和任务
由于原理方案设计是机械产品设计中的第一步，是对产品成败好坏起决定性作用的工作，所以必须慎重。构成设计问题来源于人——机——环境三个方面，它们之间不断发生相互作用的影响，可以从以下几个方面来考虑。能量方面，安全方面，人机工程方面，运动方面，制造方面，作用方面，装配方面，运输方面，使用方面，材料方面，维修及回收应用方面，几何关系方面，费用方面，信息方面，设计期限方面等。当然，以上各方面都要注意与费用方面相联系来考虑，尽量降低整机的成本。
1.1.2 要求明细表的内容
要求明细表的内容包含着对设计任务提出的全部要求愿望，必须从数量上和质量上两个方面阐明它们，编制具体的要求明细表。
（F）—— 要求 （W）——愿望
表1-1总体部分明细表
气动机械加工用机器人 序号 F(W) 1-01 1-02 1-03 1-04 1-05 1-06 1-07 1-08 1-09 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14 F F F F F F F F F F F W F F 要求明细表 通用机器人总体编号01 制表：2009年 共 1 页 内容 具有执行机构，驱动机构和控制机构 整机密封性好，防潮，适用各种场合 机器人上身可以回转 机器人手臂可以伸缩 机器人手腕可以回转和摆动 动臂尽量轻 手臂伸缩升降要缓冲 整机外包铁皮，全用密封胶 外露螺钉用漆防锈 气压缸工作可靠平稳 气路要安全合理，密封好，不泄气 最好把气路安放在缸体内 动力电机要有足够大的功率，满足安装 下部转体宽大，为以后的附加件留空间
更改日期 原因 负责人 3
1-15 1-16 1-17 1-18 1-19 1-20 1-21 1-22 1-23 1-24 F F F F F F F F W F 机体防锈，防腐蚀 外露非加工表面涂绿色防锈漆 出现故障时自动停机，不损坏主要部件 运动轨迹准确可靠 该机尽量使用标准件 整机性能稳定，能完成规定的动作 模块化集中 满足强度要求的条件下，重量要轻 工艺简单，制造方便 整机设计制造出来美观 表1-2执行系统明细表
制表：2009年 更改日期 原因 共1页 负责人 机械加工机器人 通用机器人执行系统编号02 序号 F(W) 2-01 2-02 2-03 2-04 2-05 2-06 2-07 2-08 2-09 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F 内容 手臂最大工作半径1440mm 手臂最大中心高1380mm 手臂伸缩行程范围0-600mm 手臂水平位移速度0.5m/s 手臂垂直位移300mm 手臂升降速度0.5m/s 手臂绕垂直轴转动220º 手臂回转速度60º/s 手腕摆动90º 夹持器相对纵轴转动90º，180º 可调机械挡块定位 定位精度在0.5mm以上 执行系统安装在驱动系统的上面 手臂可以在竖直方向升降 手臂可以回转 手臂可以伸缩 整个执行系统用气压驱动 手臂伸缩要求缓冲 各部分运动互不干涉 强度满足的条件下尽量减轻重量 检测维修方便
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表1-3驱动系统明细表
机械加工机器人 通用机器人执行系统编号03 制表：2009年 更改日期 原 因 共1页 负责人 序号 3-01 3-02
F(W) F F 内 容 驱动方式 气压 控制方式 点位程序控制 1.2 功能原理设计
机械产品的功能原理设计是机械产品设计的第一阶段，是对产品成败起决定作用的工作，功能原理设计是对系统工作原理提出新的构思，期望通过这种新的构思，使机械具有更好的使用效果，功能原理设计的目的是构思出具有创新工作的原理方案，因此它的中心工作是找到实现功能的新的工作原理。
1.2.1 问题的抽象化
抽象是在复杂事物中提取本质核心，通过采用问题淘汰和问题扩展的方法进行抽象，得到抽象化的结果。本课题抽象结果为，能在一个柱体范围内进行作业的机械加工用工业机器人。
1.2.2 功能分析
明确功能目标：对所要求明细表进行抽象化后，得到系统功能所包含能量流，材料流和信号流的黑箱图如下：
能量 E E机械能和损失能量 材料 S S 处理后的材料 中断和起停N N 反馈信号
1.2.3 功能组合
功能分解为功能组合提供了组合元素，功能组合的目的是形成各种形式达到设计功能目标和集合化，即功能结构。显然，功能结构的多样性与功能分解的合理与否有很大关系。下面是执行功能结构：
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图1.1 机械加工用工业机器人功能黑箱图
变速 起停 气动能 结合 机械运动 位置变化的夹持器 夹持器 图1.2 机械加工用工业机器人执行功能结构 转换 机械能 转换 驱动能
下面是机器人执行结构与驱动结构进行功能组合：
转换 合成功能 具有定轨迹运动的 结合 传导 腰部升降 传导 分离 腰部回转 传导 结合 手腕回转 传导 伸缩性 传导 机械能 传导 机械手臂 图1.3 功能组合图
1.3 解决原理
解决原理在机械设计方法中又叫作用原理，所谓作用原理在本质上就是把物理
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学中的物理效应体现在机械原理机构中，达到设计任务的目的。寻找作用原理的目的，就是要找到一物理效应，并将其与合适的机构相结合，最终形成解决问题的方案。改变物理效应或改变特征都能获得实现某一功能的解决原理。
利用横幅箱图法，把所要寻求到的各个功能的各种解决原理收集在一起，构成作用原理横幅图：
序方案 1 2 3 4 号 功能 1 手臂伸缩 齿轮齿条驱动 活塞油缸驱动 活塞气缸驱动 凸轮推杆 2 手腕回转 活塞油缸驱动 活塞气缸驱动 齿轮传动 蜗轮蜗杆 3 手部夹紧 活塞气缸驱动 活塞油缸驱动 齿轮传动 4 控制阀 手动换向阀 电磁换向阀 液动换向阀 5 定位 电气开关定位 机械挡块元件 伺服定位系统 6 缓冲 弹性缓冲元件 液压缓冲 气压缓冲 7 过载保护 保险丝 过载销 跳闸 8 故障显示 灯光显示 声显示 超声波显示 9 漏电保护 PC 跳闸 10 测控 绝缘材料 单片机 电脑 11 腰部回转 活塞气缸驱动 活塞油缸驱动 齿轮传动 蜗轮蜗杆 12 腰部升降 活塞气缸驱动 活塞油缸驱动 齿轮齿条 凸轮推杆 从中选出三种组合方案：
序方案 1 2 3 号 功能 1 手臂伸缩 v o * 2 手腕回转 v * o 3 手部夹紧 o v * 4 控制阀 o * v 5 定位 v * o 6 缓冲 o * v 7 过载保护 * o v 8 故障显示 v * o 9 漏电保护 v * o 10 测控 v o * 11 腰部回转 * v o 12 腰部升降 * v o
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方案一：1.3-2.2-3.3-4.2-5.2-6.2-7.1-8.2-9.2-10.3-11.1-12.1 方案二：1.1-2.1-3.2-4.3-5.1-6.3-7.3-8.1-9.1-10.1-11.2-12.2 方案三：1.2-2.3-3.1-4.1-5.3-6.1-7.2-8.3-9.3-10.2-11.3-12.3 附图：
伸缩气缸 手臂齿轮齿条夹紧手部 手腕回转部分 升降气缸
腰部回转气缸
图1.4 方案一
手腕回转液压缸 夹紧油缸 手臂伸缩齿轮齿条 腰部升降油缸 腰部回转油缸
图1.5方案二
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手臂伸缩油缸
夹紧气缸
手腕回转油缸 腰部回转油缸
腰部升降齿轮齿条
图1.6方案三
1.4 原理方案评价与决策
在确定了原理，反复论证了方案之后，要求对以上方案进行评价和决策。进行方案评价必须有评价原则，衡量尺度和评价方法【1】。
1. 方案一：优点 本方案除了夹持器外全是气压系统驱动，动力源统一， 所用气缸可外购，通用性好。此外，对安装空间的要求也较小。
缺点 所用气压缸价格相对较高，所以造成机器本身成本高。
并且是全气压驱动，因不同功用，所以对气压也要不同要求，要安装减压阀，这使得管路复杂化。
2. 方案二：优点 本方案除了手臂伸缩端为齿轮齿条结构外，其他均为液
压驱动，动力源较统一，所用油缸均可外购，通用性好。 缺点 整个机器人的安装需要较大空间。 3. 方案三：优点 标准件多，制造成本相对较低。 缺点 整个机器比较大，动力源不统一。
通过原理方案评价，综合效果方案一为最佳，我们选择方案一，作为我们的设计方案。
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第二章 总体设计
2.1 驱动方案的分析与选择
2.1.1 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，气动和电力三大类。根据需要也可以由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：
1. 液压驱动系统
输出力：液压压力大，常在20-70kgf/cm输出力可达100kgf/cm以上的力和力矩也大，可以得到较大的直线和回转运动抓取重量可达100-800 kgf。
传动性能：液压压缩小，传动平稳，无冲击没，基本无传动带滞后现象，反映较灵活最高速度可达2m/s。
控制性能：压力，流量均易控制，可无级变速通过调节压力流量，可较方便的控制输出功率，可达较高的精度。使用维护性能：油液粘度对温度变化敏感，当温度升高时，油粘度显著下降。油液粘度的变化直接影响系统，工作性能，对密封和配合体制造精度要求较高，漏油会影响正常工作污染环境而且易造成失火。
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图2.1 液压原理图
体积重量：输出相同的条件下，体积小重量轻，转动惯量下。 寿命：润滑性能好，寿命长。
成本；液压元件成本较高，油路较复杂，运行成本较高。 应用：适用于抓取较大的机械手和机器人，可实现连续轨迹控制。
2. 气动驱动系统
图2.2 气压原理图
输出力：压缩空气压力低，一般428kgf/cm抓取重量小于30kgf。
传动性能：压缩空气粘度小，管路损失小流速大，气动传动可达较高速度，但高速平稳性差冲击严重。
控制性能：低速不宜控制，因为气压压缩性大，阻尼效果差，难于准确定位。一般不能作伺服控制。近年来国外研究出的气压伺服机构可实现任意点定位精度高，速度快。
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使用维护性能：能在高温多粉尘等恶劣条件下工做，耐负荷，无发热问题。没有爆炸着火危险，安全性好，使用维护简单，但排气噪音大要注意空气中去除水分及系统润滑防锈问题。
体积重量：压力小，输出力，体积大。
寿命：空气取之不尽，用过之后排入大气不许回收处理，机构简单。元件成本低，能量损失大。
应用：适用于抓取重量不大，而节拍快的作业。多用于点位控制，适于弹性握持和空气吸附。
3. 电动驱动系统
图2.3 电气原理图
输出力：可得到中小程度的输出力，抓取重量约300 kg左右。 传动性能：动作速度较快，最高可达350-1000mm/s。
控制性能: 异步电动机控制性能差，响应速度慢，不易精确定位，但由于小惯量伺服电机研制成功，响应速度大大增加。在中小输出力时可接近液压驱动，定位精度高。
使用维护性能：无配管，使用维护方便，统一采用电信号，标准化程度高。但不耐受过载荷，还要注意防爆。
体积重量：直流伺服电机本身体积重量小，但加上齿轮，减速装置后体积重量变大。
寿命:较长。 成本:电机成本较贵。
应用:可适用于程序复杂，运动轨迹要求严格的工业机器人。
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2.1.2 驱动系统的选择原则
设计机器人时，选择哪一类驱动系统，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，运行功耗，性能与价格比以及现有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，经济性以及可靠性后进行最终选择。一般情况下，选择如下：
(1) 控制方式
对物料搬运（包括上、下料）、冲压用的有限点位控制的程序控制机器人，低速重负载时可选用液压驱动系统；中等负载时可选用电动驱动系统；轻负载时可选用电动驱动系统；轻负载、高速时可选用气动驱动系统，冲压机器人手爪多选用气动驱动系统。
(2) 作业环境要求
从事喷涂作业的工业机器人，由于工作环境需要防爆，考虑到其防爆性能，多采用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统。水下机器人、核工业专用机器人、空间机器人，以及在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质环境中工作的移动机器人，一般采用交流伺服驱动。如要求在洁净环境中使用，则多要求采用直接驱动（Direct Drive——DD）电动机驱动系统。
(3) 操作运行速度
对于装配机器人，由于要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度，通常在运行速度相对较低（≤4.5m/s）的情况下，可采用AC、DC或步进电动机伺服驱动系统；在速度、精度要求均很高的条件下，多采用直接驱动（DD）电动机驱动系统电动驱动系统。
机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。
对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。由此可见，本机械加工用工业机器人当然也采用了气动程序控制系统。
2.2 缓冲方案的分析及选择
工业机器人在工作时由于运动的速度较快（200-2000mm/s），惯性力较大。因此，在启动和停止时就会发生震动和冲击。如果冲击力过大，将使机器人的有关部件发生松动，甚至发生破碎或飞出工件等事故。尤其是高速的机器人，这个问题更为突出，需要注意解决。
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目前缓冲机械冲击的办法是，一面从机械机构本身结构着手，采用刚性较好，精度较高的部件结构。更主要的是在传动系统中加装缓冲装置和定位装置，以缓和或消除冲击，减少振动，从而保证机器人的定位精度。
下面对机器人的运动能量作一个分析【2】。
GV02EP0A0S2 （2-1） 机器人的运动能量：
式中,P0——驱动压力，kg/mm;
2A0——活塞有效截面积，mm
2G——运动件质量，kg ; V0——机器人最大速度，mm/s S——减速行程，mm.
要想控制减速度，以缓和冲击，必须在减速过程中逐渐吸收机器人的能量，并同时减少驱动能量。右图为控制减速度的方法。单靠减少驱动能量，最大限度地使驱动
P02GV/2则靠摩擦阻力来消耗，但需要很长的行程才0S，趋近于零，而
，
A02GV/2吸收运0能缓冲，达不到高速的要求。采用回油节流吸收能量的方法，可吸收
动能量能在较短距离内实现缓冲，既减少驱动能量，又吸收运动能量，可取得更好的效果。
减少驱动能量 吸收运动能量
降
低 驱动能
进油节流
油泵卸载
回油节流
回油溢流
蓄能器吸能
弹性件吸能
图2.4 能量的缓冲方式
用于机器人的缓冲装置可以分为内缓冲和外缓冲两种。内缓冲主要有端部缓冲，切断油路缓冲和任意定位缓冲等。外部缓冲主要有机械缓冲器和液压缓冲器等。本机械加工用工业机器人为了达到定位精度的要求，采用了外部液压缓冲器进行缓冲。当缓冲行程为20-40mm时，缓冲时间只需要0.03-0.04秒。对于高速度，惯性
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负载较大的情况，可采用两级缓冲阻尼油缸，如BJS110通用机器人就采用二级缓冲阻尼油缸。
采用气液联合传动，是一种使气动机器人速度平稳的有效方法，气缸提供动力，油缸可以带动机械臂运动，还边可采用液压缓冲装置。本机械加工用工业机器人的液压缓冲器也采用了气液转换缸结构，这就使本气动机器人的运动比较平稳【3】。
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第三章 缓冲装置分析与计算
3.1 缓冲装置的分析
机器人运动特性大致有三种：
第一种：没有缓冲装置的机器人，启动时加速度及定位的减速度都很大，必然都会发生严重的冲击【4】。（如曲线图1）
图3.1 启动时对机器人的冲击
第二种：有一般缓冲装置的机器人，按曲线2运动，缓冲行程中减速度及平均速度都比较小，定位时速度及减速度都趋进于0，无明显冲击现象。
第三种：具有特殊缓冲装置的机器人，运动如曲线3。行程速度很高，但最大减速度及平均速度却很小，定位时减速度为0。所以机器人运行非常平稳，定位精度高，但按曲线3运动时，减速行程较长，降低平均速度，延长了机器人的运行时间，因此选择适宜的减速度值，负荷较轻，速度较高的机器人，平均减速度可选20——30米/秒2，重负荷机器人则可选90米/秒2的减速度【5】。
3.2 缓冲计算
(1) 平均减速度，缓冲行程长度及缓冲时间的计算【6】。
at2SVt2 （3-1） 公式
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其中，缓冲行程长度S0.5m， 缓冲前瞬时速度V0.5m/s 平均减速度a取30m/s2 代入公式解得缓冲时间t0.017s
(2) 机器人按等加速，等速，等减速时，运动时间的计算【7】。
(v/22L) 公式
T=L21v/2L 其中总行程长度S 0.5m 平均速度 v 0.5m / 加速度与减速度比值 1 代入值到公式得运动时间 T=6s (3) 机器人的惯性力计算
FGav 公式
gGgt
其中 重力加速度g9.8m/s2
机器人运动部件及抓取工件重量G114kg
加速度a30m/s2代入公式得惯性力 F342N
(4) 定位精度计算
公式
xaGgk 其中：加速度a30m/s2
运动件及抓取工件重量 G114kg
重力加速度g 9.8m/s2
机械刚度k1.2 代入 x0.29mm
3.3 定位误差计算
由主要设计参数知：夹持器要夹的零件尺寸在50——268mm之间【8】。LR22Ysin2r
3-2） 3-3）
3-4） 公式
3-5） 17
（
（ （
（
所以
（1） 当夹持直径为50mm工件时，取Y1.2毫米，则
据公式
LR22Ysin2r25221.2sin27006252.40.942260mm
（2） 当夹持直径为268mm工件时，取Y1.2mm，则
据公式
LR22Ysin2r134221.2sin2700179562.40.9428502mm
图3.2 一支点回转手爪 图3.3 直径R与长度L的关系
从图2可以看出，要使Y变化在3毫米以下，亦即X的变化在3毫米以下，当直径为50毫米时，L值小于260毫米即可。当直径为268毫米时，L值须大于8502毫米。因此，手爪应抓取50——268毫米之间的零件【9】。
3.4 综合分析
表3-1机器人（抓重20公斤）常用缓冲方法及定位精度
机器人类型 运动速度 毫米/秒 <300 常用缓冲方法 常用定位方法及 重复定位精度 1. 汽缸端部节流缓机械挡块或多点定冲装置。 位挡块机构。 2. 平稳性要求不高 2—0.02毫米 气 动 机 300——600 1. 汽缸端部缓冲装机械挡块或多点定置。 2. 缓冲回路。 3. 液压缓冲。 位挡块机构。 2—0.02毫米 器 人
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600——1000 1. 液压缓冲器。 液压缓冲上挡块机2. 通过摆动导杆和构。 滑槽摆杆变速驱2—0.5毫米动。 液<300 1. 油缸端部缓冲装1. 机械挡块或紧 置。 靠油缸端部 压2. 多点定位简单缓1—0.02毫米 冲回路。 机2.关闭电磁阀实现 任意定位。 器300——600 1.油缸端部缓冲装1.机械挡块或紧靠 置（加长柱塞）。 油缸端部 人2.缓冲回路。 3.贮能器。 1—0.02毫米 4.多变速缓冲。 2.关闭电磁阀实现5.电液比例阀。 任意定位。 600——1000 1. 多变速缓冲回路1. 电液比例定位。 与贮能器并用。 2. 电液伺服定位。 2. 电液比例阀。 3. 伺服阀。 2—0.5毫米 3. 机械挡块。 0.5—0.05毫米 <300 1. 反接制动。 1. 吊车制动器。 2. 机械缓冲。 2. 机械挡块定位。2—0.05毫米 电 动300——600 1. 反接制动。 1. 制动器。 机2. 用脉冲马达驱动2. 脉冲数。 器降低脉冲频率。 2—0.02毫米人3. 缓冲汽缸（油 缸）。
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600——1000 1. 反接制动。 2. 缓冲汽缸。 3. 控制脉冲频率。 机械式机器30——120 人
1. 制动器。 2. 脉冲数。 机械结构1. 凸轮机构。 2. 摆动导杆。 2—0.05毫米
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第四章 气路的分析与计算
4.1 气路的一般分析
气路与油路的区别之一是，前者是一个动力站来集中供气，而后者是一单位分散供油。因此，在设计和分析气路时，处处要从集中供气的特点着眼。
首先，考虑动力的合理分布和利用。气路工作的特点是：1 在各个工作地点全部气动装置同时都在工作的情况是很少的；2 每个气动装置的压缩空气消耗量也不是固定的。有时要求量很大，而有时却很小或相同。因此，在设计时，对空气压缩机的功率，排气量和工作压力的选择，应该有适当的分析和计算。
其次，是网路的合理布置。对于网路的设计要求是：1 线路最短，并尽量做到拐弯少；2 尽量少采用供应较少而且较贵的橡胶软管；3 控制阀以及其它辅助装置少【10】。
第三，是保证各部分工作运动在时间上的协调。由于空气介质的可压缩性，气压的能量转换过程较为复杂，而且不够稳定。因此，在运用“一阀控制多缸”原则时，还必须同时考虑多缸协调问题。在设计气路，选用控制阀和辅助装置时，必须考虑这个因素【11】。
4.2 压缩空气管道管径和压力降的计算
由贮气罐输出的压缩空气，经管道各种接头，控制阀和辅助装置而最后到气动工作机械时，往往有两种损失：
第一种：由于管道接头及各种装置漏气，使实际使用到的气量较贮气罐中输出的为少。
第二种：由于压缩空气在管路中流动，发生摩擦阻力，使压力下降。 在设计和安装气压网络时，应使以上两种损失达到最少。前者应在管路接头处和各种附设装置中无漏气现象，而后者应使管路安装时尽量避免弯曲，少加接头等
【12】
。
（1）压缩空气管道管径的确定
不同的管段应采用不同的计算流量作为计算管径和压力降的依据。直接供给一
个用气设备支管的计算流量，就是这项设备的铭牌最大排气量。对于供给两个以上的用气设备的支管，该支管供给范围可能出现的实际最大消耗量，即为此支管的计算流量【13】。
管道内径的基本计算公式：
d
4G3600(m) （4-1）
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式中，d——管道内径（m） G——介质的质量流量（kg/n）
3 ——介质的流动速度（m/s） ——介质的重度（kg/m）
（2）管道压力降的计算
管道压力降包括两部分，即沿程直线管段的压力降和介质在流径非直线管段（如变径管，弯管，阀门，三通等）处的压力降（也称局部阻力损失）之和【14】。
2 dppz (kg/m) （4-2）
2式中，dp——管道内总压力降（kg/m）
2 p——沿程直线管道的压力降（kg/m）
z——介质流经非直线段的压力降（kg/m2或毫米水柱） （3） 直线管道段压力降p的计算公式
l2p2d2g （kg/m） （4-3）
式中，——摩擦系数 l——管道长度（m）
g——重力加速度（m/s）d, , ——意义与式7.1相同【15】。 厂区压缩空气管道流速，一般取8-10m/s，用气车间压缩空气管道流速，一般取8-15m/s。摩擦系数值，决定雷诺数以及管道内表面的粗糙程度。
RevdG36106gd （4-4）
2雷诺数：
2式中，Re——雷诺数 ——动力粘度（kg·s/m）
当雷诺数Re在2300以下时，流动状态可以认为是层流，此时摩擦系数值时，按下式算出：
64Re （4-5）
当雷诺数在3000-100000时，流动状态属于絮流，摩擦系数可以按下式算出：
0.3164Re0.25 （4-6）
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当雷诺数在10-10时，摩擦系数值仅与管道内壁的粗糙度有关，而与Re
58无关，其值可按下式求出：
1(1.14d2lo2g) （4-7）
式中，d——管道内径（mm） ——管道内壁的绝对粗糙度（mm）
（4）管道的压力降的计算 i.
公式计算法
v2z2g （毫米水柱） （4-8） 式中，——局部阻力系数 ii.
当量长度法
把局部阻力折合成直线管段的阻力，然后按普通直线管道阻力的公式来进行计算。一般在实际工程设计中，采用局部阻力系数方法来计算局部阻力。对于介质输送压力远大于用户所需用的压力，并不需要特别精确计算压力降的，可用当量长度法，此法计算局部阻力较简便。按上述方法计算出管道直径以后，再进行圆整。根据国家标准选择使用的标准元件进行装配即可【16】。
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第五章 技术经济分析
产品的技术经济性是指，产品所具有的技术含量和成本之间一个结合点。其往往能决定一个产品设计的成败与优劣。因为设计出来的一个产品最终是要面向市场，其技术成分决定其立于科技与时代前沿，而其价格的高低又能决定其市场的亲和度和占有率。因此对产品作一定的技术经济分析是必要的。
一个好的产品设计，不仅要安全可靠的实现设计任务规定的功能，而且还要考虑设计的费用，制造费用以便降低成本，评价产品的技术经济性，应该从产品的技术性能，经济效益和社会影响反复强调进行综全分析和比较，它贯彻在整个设计过程中。
技术评价是以所设计的反复强调案能否实现所要求的功能及实现程度为中心，评价方案在技术上的先进性，可靠性，可行性和实用性。
本次设计的机械加工用工业机器人，是通过对驱动方式的性能，功率以及各种方案的综合论证等方面的实际经济可行性，进行的优化选择与改进，因此具有良好的经济性能，既可以完成工作需求又能节省能源，另外还可以避免原材料的浪费。这与我们要建设一个集约型社会的主题相吻合。
在设计的过程中，我们有幸到一汽大众公司去调研，这对本次设计大有裨益。而该机器人也是在此基础上开展的。事实显示，工业机器人代替人工劳作能够大大降低人们的劳动强度和提高工作效率.即可以节省不必要的人力，又有良好的经济性能.非常具有技术经济性。
由于时间匆忙，未能全面而详细的分析和设计其更优化的产品，这确是遗憾。希望在以后的设计中一定要设计更优秀的产品，具有更加全面而突出的技术经济性能，更节能，更高效，更环保，使之符合时代和社会的主题。
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总 结
本次设计的任务是机械加工用工业机器人机构的设计。通过查阅资料和文献，对目前国内和国外的一些工业机器人的结构及工作原理有了一定的了解和认识。基于查阅资料，论证分析和设计计算，这种机器人的设计机构在理论上是可行的。但是任何理论的产品都需要在实践中得到进一步的检验，所以该机具有待于进一步与实践相结合，以便趋于完善与合理。
在本次设计中，主要完成如下的工作：
1.进行原理方案的设计，从中选出最优组合方案。
2.通过可能的驱动方式分析，选择了较为合理的方式。最终选择的驱动方式为气压式驱动系统。
3.对各零件部件进行了实用化设计，通过计算确定了主要技术参数。校核了部分零件的强度和刚度。
4.进行了市场调查，针对反馈意见进行了完善。
通过本次毕业设计，锻炼了我独立解决实际问题以及对所学知识综合运用的能力。在设计过程中，首先要了解一些类似产品的工作原理以及其优缺点，然后经过比较分析，最终确定总体方案。在设计过程中，锻炼了我全面考虑问题，充分联系实际的能力。只有全面细致的考虑分析遇到的问题，才能够合理安排工艺流程和零部件布置，才能够设计出合格的产品。
此外，在设计过程中，另一个收获是培养了搜集查询和参阅分析资料的能力。在这次的整个设计过程中，我们都需要自己亲自行动起来，通过各种途径进行查询翻阅，寻找所需的有用材料，并进行汇总分析。这提高了我们的知识检索的能力，使我们在今后的工作中，能够更加得心应手，事半功倍。
在这次设计中，我还深刻体会大家的共同探讨分析是非常有必要的，不懂之处大家共同研究。这能使我们更有效率的完成设计任务而少走弯路。相反，如果闭门造车，自己凭空想当然对待设计的话，是肯定不能设计出任何好产品来的。
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致 谢
本次毕业设计是在吴晓敏老师的精心指导以及帮助下得以顺利完成。在开题后帮助大家积极进行理论分析，最后阶段又在论文组织上给以启发和指导，精心检查大家绘图，论文编写等各方面工作情况，帮助改正错漏之处，并提出合理性的建议和意见。吴老师百忙之中对全文进行了多次细致认真的审改，并提出诸多详细意见。老师严谨的治学作风、渊博的知识、丰富的工作经验，耐心的指导使我受益匪浅。在此，我谨代表我自己，对我们导师几个月来对我的精心指导和无微不至的关心教诲，表示由衷的感谢！
同时在本次毕业设计期间，也得到其他老师的点拨与建议，以及同组成员的协助，也给了我莫大的帮助，才使毕业设计的顺利进行。在此也一并向所有关心帮助过我毕业设计的老师们、同学们表示衷心的感谢！
在此也对所有参看本文的读者及老师表示最崇高的谢意。希望你们对本文的不足与 错误之处提出批评与意见，我将尽我最大努力去修改完善，谢谢。
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参 考 文 献
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[2] 陆顺生，杨秀莲. 机器人理论及应用[M].北京：中国铁道出版社，1982. [7] 刘品,张也晗.机械精度设计与检测基础[M].哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社，2003.
[8] 齐占庆,机床电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，1999.
[9] 路纯红,郭朝勇.Auto CAD2004中文版机械应用实例教程[M].北京：清华大 学出版社，2003.
[10] 许景.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991 .
[11] 施平主. 机械工程专业英语（第四版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2002.
[12] 柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础[M].北京：冶金工业出版社，2002. [13] 郑堤,唐可洪. 机电一体化设计基础[M].北京：机械工业出版社，2004. [14] Bedini.R.a.o Academic Research on the Olivetti:SIGMA-system applications. Proceeding of the TshIsIR,Tokyo,1977.
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[16] Prof.Dr.-Ing.H.J.WarneckeDr.R.D.Schraft.IndustrialRobots:Application Experience. England: IFS Publications Ltd,1982.
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