數(shù)控機床液壓上下料機械手設計【含CAD圖紙和文檔】

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The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ； through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign. The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces . Can improve working conditions, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of. Keywords：Manipulator ；Hydraulic；Control Loop  目 錄 摘要..................................................................I Abstract..............................................................II 第1章 緒論 1.1 選題背景........................................................1 1.2 設計目的........................................................1 1.3 國內外研究方向..................................................2 1.4 設計原則........................................................2 第2章 機械手設計方案的論證 2.1機械手的總體設計................................................3 2.1.1 機械手總體結構的類型.......................................3 2.1.2 設計具體采用方案...........................................4 2.2 機械手腰座結構的設計............................................4 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求...................................5 2.2.2 設計具體采用方案...........................................5 2.3 機械手手臂的結構設計............................................5 2.3.1 機械手手臂的設計要求.......................................5 2.3.2 設計具體采用方案...........................................6 2.4 機械手腕部的結構設計............................................7 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求...................................7 2.4.2 設計具體采用方案...........................................7 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計..............................8 2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設計要求.................................8 2.5.2 機器人夾持器的運動和驅動方式...............................9 2.5.3 機器人夾持器的典型結構.....................................9 2.5.4 設計具體采用方案...........................................9 2.6 機械手的機械傳動機構的設計......................................10 2.6.1 工業(yè)機械人傳動機構設計應注意的問題.........................10 2.6.2 工業(yè)機械人常用的傳動機構形式...............................11 2.6.3 設計具體采用方案...........................................12 2.7 機械手驅動系統(tǒng)的設計............................................12 2.7.1 機器人各類驅動系統(tǒng)的特點...................................12 2.7.2 機器人液壓驅動系統(tǒng).........................................13 2.7.3 機器人氣動驅動系統(tǒng).........................................13 2.7.4 機器人電動驅動系統(tǒng).........................................14 2.7.5 設計具體采用方案...........................................15 第3章 理論分析和設計計算 液壓傳動系統(tǒng)設計計算............................................16 3.1、 機械手的動作范圍.............................................16 3.2、 確定運動速度.................................................16 3.3、 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù).......................................17 3.3.1、計算液壓缸的總機械載荷 ....................................17 3.3.2、手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算.................................18 3.3.3、無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）...........................20 3.3.4、液壓缸主要參數(shù)的確定.......................................21 3.3.5、液壓缸強度的較核...........................................22 3.4、 計算和選擇液壓元件...........................................23 3.4.1、液壓泵的計算...............................................23 3.4.2、控制元件的選擇.............................................24 3.4.3、油管及其他輔助裝置的選擇...................................24 結論..................................................................25 參考文獻 .............................................................26 致謝..................................................................27  第1章 緒 論 1.1 選題背景 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。它是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學科——機械工程。 在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 1.2 設計目的 本設計通機電一體化專業(yè)大學三年所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機電一體化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國內外研究方向 目前，在國內外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其大體方向有兩個：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、液壓等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。  第2章 機械手設計方案的論證 2.1機械手的總體設計 2.1.1 機械手總體結構的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。如圖2-1所示。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1.直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1. a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 2.圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 圖2-1 四種機器人坐標形式 2.1.2 設計具體采用方案 圖2-2機械手工作布局圖 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達30KG，且長度達500MM，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要4種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降、橫移為三個直線運動,另一個為手臂、手腕的回轉運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為4，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度、三個移動自由度，其特點是:結構比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。 2.2 機械手腰座結構的設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 工業(yè)機器人腰座，它是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉基座。它是機器人的第一個回轉關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2.機器人的腰座是機器人的回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響很大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 3.腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 4.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.2.2 設計具體采用方案 腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為精度能夠要求不是很高，不用設計另外考慮到腰座是機器人的回轉關節(jié)，故采用齒條擺動缸來實現(xiàn)腰部的回轉運動。立柱橫移液壓缸采用雙出桿活塞液壓缸。 2.3 機械手手臂的結構設計 2.3.1 機械手手臂的設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。 4.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 2.3.2 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下）。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。 2.4 機械手腕部的結構設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2設計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計采用回轉油缸驅動實現(xiàn)手腕回轉運動，回轉角度為±90度，手腕增加1自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，4個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。 3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。 5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機器人夾持器的運動和驅動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。 機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種 1.氣動驅動方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 2.電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅動方式 液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3 機器人夾持器的典型結構 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 2.5.4設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用齒輪齒條式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為160mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-3所示： 圖2-3機械手末端執(zhí)行手爪結構圖 2.6機械手的機械傳動機構的設計 2.6.1工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題 機器人是由多級聯(lián)桿和關節(jié)組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅動器經(jīng)過各種機械傳動機構進行驅動的。機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題： 1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。 2.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 3.選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 1.齒輪傳動機構 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪蝸桿傳動等。 機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題 （1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器。齒輪傳動比應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2）各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結構緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下： a．輸出軸轉角誤差最小原則。 為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出轉角精度的影響。 b．等效轉動慣量最小原則。 利用該原則設計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結構緊湊。 2. 絲杠螺母副傳動 它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結構簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單、壽命長，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。 2.6.3 設計具體采用方案 具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅動，它既是關節(jié)機構，又是動力元件。故不需要中間傳動機構，這既簡化了結構，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉運動采用液壓擺動驅動，必須采用傳動機構來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于10），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計 2.7.1機器人各類驅動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。 1.液壓驅動系統(tǒng) 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2.氣動驅動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 3.電動驅動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 2.7.2機器人液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統(tǒng)最常用的是伺服控制的機器人液壓系統(tǒng)。 伺服控制機器人的液壓系統(tǒng) 具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電-液伺服驅動系統(tǒng)。 在機器人的驅動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉馬達轉子內的一個回轉滑閥，通過機械反饋，驅動轉子運動的一種電-液伺服機構。它可安裝在機器人手臂和手腕的關節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。 2.7.3 機器人氣動驅動系統(tǒng) 氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應用。 2.7.4機器人電動驅動系統(tǒng) 這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應用，因此一般情況下，負重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅動系統(tǒng)。 1.機器人驅動系統(tǒng)電機的選擇 機器人的驅動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結構特點，結合各類電機自身的特點、性能、結構特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉速、負載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等來選擇電機型號。 2.機器人電動驅動系統(tǒng)伺服驅動器 （1）直流電機伺服驅動器 直流伺服電機驅動器目前多采用脈沖寬度調制（PWM）伺服驅動器。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關元件，以固定的開關頻率動作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機的轉速。這種伺服驅動器一般由電流內環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功率三極管構成橋式開關電路。 PWM伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好，響應快、效率高、過載能力強等特點。目前已廣泛應用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅動。 （2）步進電機驅動器 步進電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調速要求改變頻率、以控制步進電機。環(huán)行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進電機按著一定的規(guī)律運動。 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅動步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅動電路。這種電路有高、低壓二組電源。當繞組剛通電瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。 2.7.5設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度采用擺動缸驅動來實現(xiàn)即可；因為采用液壓執(zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅動；同時考慮隨著機床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅動。 而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。  第3章 理論分析和設計計算 3.1本機械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉角度±90° 手臂伸長量 400mm 手臂回轉角度±115° 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 3.2 確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手爪升降、伸縮、回轉、平移等一系列的動作，這些動作都應該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內完成，具體時間的分配取決于很多因素。根據(jù)各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。 機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算分配各動作時間應考慮以下要求： ① 給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間。 ② 伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度，因為回轉運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系，應根據(jù)具體情況加以確定。 ③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下常使幾個動作同時進行。為此驅動系統(tǒng)要采取相應的措施以保證動作的同步。 液壓上料機械手的各運動速度如下： 手腕回轉速度 V 腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度 V 臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉速度 V 臂回 = 40°/s 手爪升降速度 V 爪升 = 50 mm/s 立柱水平運動速度 V 柱移 = 50 mm/s 3.3確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。 3.3.1計算液壓缸的總機械載荷 根據(jù)機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 （3-1） 式中， -----為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為0； ------為活塞上所受的慣性力； ------為密封阻力； ------為導向裝置的摩擦阻力； ------為回油被壓形成的阻力； （1）的計算 （3-2） 式中， ------為液壓缸所要移動的總重量，取為40KG； ------為重力加速度， ； ------為速度變化量； ------啟動或制動時間，一般為0.01~0.5，取0.2s 將各值帶入上式，得：=1.02 （2）的計算 （3-3） 式中，-----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 ，查相關手冊取=0.2 ； ------為進油工作腔有效面積； 啟動時： 565N 運動時： 283N （3）的計算 機械手水平方向上有兩個導桿，內導桿和外導套之間的摩擦力為 （3-4） 式中，------為機械手和所操作工件的總重量，取為40KG； ------為摩擦系數(shù)，取f=0.1； 帶入數(shù)據(jù)計算得： =98 （4）的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算 （3-5） 式中，-----為回油背壓，一般為0.3~0.5 ，取=0.3 -----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2； 將各值帶入上式有， 分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為 。 3.3.2手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選??； -----被抓持工件的重量 30； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： ； 理論驅動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積； 經(jīng)計算，所需的油壓約為： 3.3.3 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖6.3條活塞缸計算簡圖 ① 流量、驅動力的計算 Q = （6.12） 當D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時 Q = 952N ② 作用在活塞上的總機械載荷P （6.13） 其中 P工 為工作阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 66+108+208=382（N） ③ 油缸內徑的計算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅動力與總機械載荷的平衡條件，求得 D = （厘米） （6.14） D = 54mm 3.3.4液壓缸主要參數(shù)的確定 針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下: 表3-1 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù) 缸內徑 壁厚 桿直 行程 工作壓力 70 5 18 80 3~6 注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調定。 表3-2 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 60 10 25 400 1 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。 因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 表3-3 垂直液壓缸參數(shù) 缸內徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 60 10 30 170 1 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。 3.3.5液壓缸強度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當 D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下： （3-10） 式中，----為缸筒內徑； ----為缸筒試驗壓力，當缸的