門架式工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)設計

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長春理工大學畢業(yè)設計 門架式工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)設計 摘要 機器人學是涉及電子精密機械、空間機構學、操縱動力學、人機工程學等的一門系統(tǒng)工程的學科。機器人技術是近30年來迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它代表了機電一體化的最高成就。本論文結合理論與實踐，對五自由度機器人的機械系統(tǒng)控制系統(tǒng)，及其它一些系統(tǒng)進行了研究。 本文是對以液壓為動力源的機械加工用機器人的設計說明。它由執(zhí)行機構，驅動機構和控制系統(tǒng)等組成。本設計說明書是門架式工業(yè)機器人的設計論文，是經(jīng)過查閱大量參考資料后對所設計機械人具體設計過程的一個詳細說明，本文設計了門架式工業(yè)機器人的驅動原理，介紹了液壓緩沖系統(tǒng)。 關鍵詞：工業(yè)機器人 液動 實用化設計 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 liquid pressure. The industry robot is usually made up of operating system, driving and controlling system. This thesis is the design courses of the Gantry Industrial Robot Drive System. Written after looking up lots of materials, the article is the detailed explain of the courses about the design.This manual designed gantry driving principle,introduced the hydraulic buffer system. Keywords: Industry mechanical robot Liquid powered Mdulation design II 目 錄 第一章 緒論 1 1.1國內外機器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1 1.1.1工業(yè)機器人的概述 1 1.1.2工業(yè)機器人的發(fā)展 1 1.1.3我國機器人技術應用研究進展及發(fā)展趨勢 1 1.2工業(yè)機器人研究的意義 1 1.3畢業(yè)設計課題 2 1.3.1課題的提出 2 1.3.2課題題目及要求 2 1.3.3研究內容和要求 3 1.4 設計機構及特點分析 3 1.4.1 門架式工業(yè)機器人結構組成 3 1.4.2該工業(yè)機器人的主要結構特點 4 1.5門架式工業(yè)機器人的結構分析及可行性論證 4 第二章 驅動原理方案設計 6 2.1明確設計目標 6 2.1.1機器人的主要技術參數(shù)指標 6 2.1.2機器人主要裝置機構的功能要求 6 2.2驅動原理方案的實現(xiàn) 7 2.2.1驅動系統(tǒng)的選用原則 7 2.2.2驅動方式的類型 7 2.2.3驅動方式比較 8 2.2.4原理方案的評價 8 2.2.5 原理方案的決策 9 第三章 液壓驅動系統(tǒng)設計 １０ 3.1總體規(guī)劃 １０ 3.2液壓泵的選用 １０ 3.3液壓泵的選用 １２ 3.4液壓工作介質的選擇 １３ 3.5 滑板液壓缸的設計計算 １３ 3.5.1壓力 １３ 3.5.2 流量 １４ 3.5.3活塞運動速度 １４ 3.5.4速比 １５ 3.5.5活塞的理論推力和拉力 １５ 3.6 液壓控制 １８ 3.6.1小車液壓控制裝置 １９ 第四章 零部件實用化設計 ２１ 4.1 小車傳動裝置——二級齒輪減速器設計 ２１ 4.1.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) ２１ 4.1.2按齒面接觸強度設計 ２１ 4.1.3 按齒根彎曲強度設計 ２３ 4.1.4幾何尺寸計算 ２４ 4.1.5 第二級齒輪傳動的設計 ２４ 4.1.6減速器的輸出端 ２５ 4.1.7減速器大齒輪鍵的設計 ２５ 4.2 門架單軌的截面設計 ２６ 4.2.1單軌剛度校合 ２７ 4.2.2 單軌強度校核 ２９ 4.3 滑板機構定位裝置的彈簧設計 ３０ 4.3.1 根據(jù)工作條件選擇材料并確定許用應力 ３０ 4.3.2根據(jù)強度條件計算彈簧絲直徑 ３１ 4.3.3 根據(jù)剛度條件計算彈簧圈數(shù) ３１ 4.3.4 計算彈簧尺寸 ３１ 4.3.5 驗算穩(wěn)定性 ３１ 4.3.6 疲勞強度校核 ３２ 第五章 技術經(jīng)濟分析 ３３ 5.1液壓系統(tǒng)元件、介質選擇方面 ３３ 5.2液壓控制原理的選擇方面 ３３ 5.3二級齒輪減速器設計方面 ３３ 5.4單軌的截面設計方面 ３３ 5.5滑板機構定位裝置的彈簧設計方面 ３３ 第六章 總 結 ３５ 參 考 文 獻 ３６ 致 謝 ３７ 第一章 緒 論 1.1國內外機器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.1.1工業(yè)機器人的概述 工業(yè)機器人是廣泛運用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機械設備。他們在必要的情況下配有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預）。他們通常配備有機械手，刀具或其他可裝配的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務。 1.1.2工業(yè)機器人的發(fā)展 機器人的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術。 工業(yè)機器人有三個方面使我們必要去發(fā)展的理由：一個是機器人干人不愿意干的事把人從有毒的、有害、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時機器人可以干不好干的活，另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的發(fā)展機器人的一個理由，比方說人們對太空的認識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。上述的三個問題也就是說機器人發(fā)展的三個理由。 1.1.3我國機器人技術應用研究進展及發(fā)展趨勢 中國機器人經(jīng)過“七五”攻關計劃、“九五”攻關計劃和863計劃的支持，已經(jīng)取得了較大的進展，工業(yè)機器人市場也已經(jīng)成熟，應用上也已經(jīng)遍布各行各業(yè)，但進口機器人占了絕大多數(shù)。我國在某些關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，具有中國知識產(chǎn)權的工業(yè)機器人則很少。目前我國機器人技術相當于國外發(fā)達國家20世紀0年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關鍵部件。我國目前取得較大進展的機器人技術有：數(shù)控機床關鍵技術與裝備、隧道掘進機器人相關技術、工程機械智能化機器人相關技術、裝配自動化機器人相關技術。現(xiàn)已開發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運、包裝、激光加工、檢驗、真空、自動導引車等的工業(yè)機器人產(chǎn)品，主要應用于汽車、摩托車、工程機械、家電等行業(yè)。 1.2工業(yè)機器人研究的意義 工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進金屬于一體的重要現(xiàn)代化制造業(yè)自動化裝備工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛地應用于各種自動化生產(chǎn)線上,它是機器人家族中最重要的成員,工業(yè)機器人由操作機(機械本體) 、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成, 是一種仿人操作、自動控制,可重復編程,能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備,工業(yè)機器人包括模仿人類關節(jié)結構的關節(jié)型工業(yè)型機器人,直角坐標型機器人,園柱坐標型機器人、球坐標型機器人、噴漆機器人、焊接機器人等。據(jù)專家預測，工業(yè)機器人的研究工作已向仿人化特種化智能化發(fā)展我們著手設計的門架機器人屬特種化機器人，所以工業(yè)機器人的研究具有重大的意義。 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)力飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，并減輕工人的勞動強度，已愈來愈引起人們的重視。 1.3畢業(yè)設計課題 1.3.1課題的提出 經(jīng)社會調研，工業(yè)機器人分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機器人，它是一種獨立不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的動作。它的特點是除具備普通機械的物理特性之外，還具備通用機械記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造機也屬于這一范疇 。第三類是專用機器人，主要附屬在自動機床多自動線上，用以解決機床上下料和工件的傳送。在這里我要設計的是數(shù)控機床用機器人執(zhí)行系統(tǒng)。 在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展數(shù)控機床用，鍛造，熱處理方面的機器人，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機器人的同時相應的發(fā)展通用機器人，有條件的還要研制示教式機器人，計算機控制機器人和組合機器人等。將機器人個運動構件，如伸縮，擺動，升降，橫移，俯仰等機構，以及適于不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機器人。即便于設計制造，又便于改換工作。擴大了應用的范圍。同時提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好的發(fā)揮機器人的作用。 目前，美，日，俄以及瑞典，瑞士處在制造業(yè)的前沿，機器人在工廠普遍使用，其他國家也加快工業(yè)機器人的改進和發(fā)展，使用機器人不僅能提高生產(chǎn)效率增加產(chǎn)值，還能帶動整個制造業(yè)的發(fā)展，提高國民生產(chǎn)總值。所以本課題的研究在現(xiàn)實生活中具有重大的意義。 1.3.2課題題目及要求 課題名稱：門架式工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)設計： 1)承載能力：kg 40 2)自由度數(shù)： 5 3)最大位移：小車沿單軌，mm 10800 手臂在垂直方向，mm 420 手臂轉動（擺動），（°） 100 手腕轉動（擺動），（°） 90 手腕相對縱軸轉動，（°） 90,180 4) 小車位移最大速度，m/s 0.8 手臂在垂直方向，m/s 0.8 手腕及手轉動，（°）/s 90 5) 定位精度，mm ±1 6) 重量（數(shù)控裝置除外），kg 3000 1.3.3研究內容和要求 在設計過程中主要完成以下內容： 1. 展開市場調研，查閱有關資料。 2.進行原理方案論證，進行優(yōu)化組合。 3.進行總體方案設計，確定主要技術參數(shù)。 4. 詳細設計完成典型部件，零件圖。 5. 進行論文總結。 要求：原理方案設計，要進行對功能原理進行評價與決策，實用化設計，總體設計，對主要零部件設計，完成設計圖紙3張A0，用CAD完成。設計說明書1.5萬字以上，外文翻譯4000漢字以上。 1.4 設計機構及特點分析 門架式工業(yè)機器人是一種新型的自動化操作裝置。它是根據(jù)作業(yè)的要求，按照預先確定的程序抓取物體或操持噴槍，焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此可以在繁重，高溫和多粉塵等勞動條件較差的環(huán)境下作業(yè)，部分地代替人工操作。 門架式工業(yè)機器人隨著電子技術的發(fā)展已逐步成為一個獨立的自動化裝置，并擴大應用到各個機械加工制造行業(yè)。機械制造工業(yè)中繁重的勞動比較多，迫切需要進行技術改造。而工業(yè)機器人的研究和應用將是有效改善生產(chǎn)勞動條件，提高產(chǎn)品質量和勞動效率的有效手段之一。也是新技術革命的重要內容之一。 1.4.1 門架式工業(yè)機器人結構組成 根據(jù)上節(jié)要求的規(guī)格參數(shù)，決定該工業(yè)機器人的主要執(zhí)行元件采用液壓驅動，為滿足規(guī)格以及定位，控制要求，本液動工業(yè)機器人具體細節(jié)如下： 1）該門架式工業(yè)機器人裝備有自動可換夾持器的裝置，其中雙夾持器的裝置用來保證同時操作毛坯和在機床上加工的零件。工業(yè)機器人的操作機構有可能作成可移動的，并有門架結構，使之能在一組帶有水平主軸的金屬切削機床上工作。 2）該機器人具有五個自由度，小車沿單軌的水平移動，滑板在小車上垂直伸縮，手腕相對于水平軸轉動，手臂在垂直平面內擺動，手腕還可以繞自身軸線旋轉一個有限角度。 3）操作機桿件的驅動裝置是液壓式的，小車驅動裝置沿單軌縱向移動（電液步進式），液壓馬達通過二級齒輪減速器與齒輪相連，在于固定在門架上的齒條嚙合。從而通過液壓馬達驅動小車沿門架上的導軌運動。 4）在固定于滑板上的支架中滾動軸承上安裝有軸頸。手臂的小尖做成支架形式，在其上固定有帶鉸鏈的的支承，以連接手臂擺動的電液步進驅動裝置的活塞桿，手臂安裝在滑板上。 1.4.2該工業(yè)機器人的主要結構特點 1）手臂伸縮及回轉機構：該機器人采用單桿雙作用式氣缸空心活塞桿結構。手臂回轉，氣缸的伸縮氣管分別內藏在活塞桿內，以使外形清晰緊湊，避免氣管損傷。在雙作用式氣缸上方裝有導向桿，用它防止活塞桿在伸縮運動時發(fā)生轉動，以保證手部的夾持器手部按正確的方向運動。 2）夾持器結構：夾持器結構為齒輪齒條式。當壓縮空氣經(jīng)手臂伸縮氣缸內的伸縮氣管和夾緊缸的氣孔進入右腔時，推動齒條活塞桿向左移動。經(jīng)齒輪傳動帶動手部夾持器夾緊工件，夾持器的松開是靠定位彈簧達到的。 3）手臂升降用液壓緩沖器：通過液壓緩沖器的緩沖行程，達到緩沖的作用，使減輕部件的硬性沖擊及噪音，以及能夠精確定位等。緩沖的阻尼力可以通過調節(jié)節(jié)流閥來實現(xiàn)。 4）手腕結構：手腕結構是連接夾持器與手臂的中間結構，通過該結構，使夾持器獲得一定角度的靈活擺動，同時也可以將回轉運動傳遞給夾持器，其回轉功能的實現(xiàn)也是靠安裝在手腕內部的氣體管道通氣來控制的。 1.5門架式工業(yè)機器人的結構分析及可行性論證 門架式工業(yè)機器人的主體為門架結構。門架上有光滑的導軌（單軌），在門架上裝有可移動小車，小車可沿門架上的單軌縱向移動。小車里安裝有滾輪及滑板，由液壓帶動小車，沿導軌在門架上移動。工業(yè)機器人的操作機滑板及手腕機構安裝在小車上，小車的移動可控制機械手抓取東西。 在固定于滑板的支架中，滾動軸承上安裝有軸頸，它是與手臂機體剛性相連的半軸。手臂機體是雙肩杠桿焊接，手臂的肩部形成兩個平行板，承載上下軸頸，手腕驅動裝配齒組建，平移機構齒輪的軸以及此機構中齒條的支承滾輪的軸。 操作機的手臂做成雙臂連桿形式，鉸接在滑板上，并可以在垂直平面內做擺動運動。在手臂的下端鉸接帶夾持器的手腕，手腕可相對于水平軸轉動（擺動），此軸穿過將手腕固定在手臂上的連接鉸鏈，手腕還可以繞自身軸線旋轉一個自身角度，從而增大了工作范圍。 從理論上講，這種結構設計是可行的，并且此門架式工業(yè)機器人將應用于汽車工業(yè)、工程工業(yè)中。 ３７ 第二章 驅動原理方案設計 2.1明確設計目標 2.1.1機器人的主要技術參數(shù)指標 表2-1 序號 項目 參數(shù)指標 1 承載能力，kg 40 2 自由度數(shù) 5 3 最大位移：小車沿單軌，mm 10800 手臂在垂直方向，mm 420 手臂轉動（擺動）, 100 手腕轉動（擺動）, 90 手腕相對縱軸轉動, 90，180 4 小車位移最大速度，m/s 0.8 手臂在垂直方向，m/s 0.8 手腕及手轉動(.)/s 90 5 定位精度，mm 1 6 重量（數(shù)控裝置除外），kg 3000 2.1.2機器人主要裝置機構的功能要求 表2-2 序號 裝置、機構 實 現(xiàn) 功 能 1 定位數(shù)控裝置 實現(xiàn)沿三個坐標軸的給定程序的位移 2 可移動門架機構 裝有可移動小車，能在一組帶有水平主軸的金屬切削機床上工作 3 小車機構 支撐滑板，在門架的單軌上水平移動 4 滑板機構 帶動手臂，在機體的滾輪上豎直升降 5 自動可換夾持器（雙夾持器裝置） 保證同時操作毛坯和在機床上加工零件 6 附加機構和裝置 檢驗毛坯基準面、測量加工零件直徑、清洗機床和設備 2.2驅動原理方案的實現(xiàn) 2.2.1驅動系統(tǒng)的選用原則 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選用，應根據(jù)工業(yè)機器人的性能要求、控制功能、運行的功耗、應用環(huán)境及作業(yè)要求、性能價格比以及其他因素綜合加以考慮。在充分考慮各種驅動系統(tǒng)特點的基礎上，在保證工業(yè)機器人性能規(guī)范、可行性和可靠性的前提下做出決定。一般情況下，各種機器人驅動系統(tǒng)的設計選用原則大致如下： ???1）控制方式 ??? 對物料搬運（包括上、下料）、沖壓用的有限點位控制的程序控制機器人，低速重負載時可選用液壓驅動系統(tǒng)；中等負載時可選用電動驅動系統(tǒng)；輕負載時可選用電動驅動系統(tǒng)；輕負載、高速時可選用氣動驅動系統(tǒng)，沖壓機器人手爪多選用氣動驅動系統(tǒng)。 ???2）作業(yè)環(huán)境要求 ??? 從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機器人，由于工作環(huán)境需要防爆，考慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅動系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動伺服驅動系統(tǒng)。水下機器人、核工業(yè)專用機器人、空間機器人，以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質環(huán)境中工作的移動機器人，一般采用交流伺服驅動。如要求在潔凈環(huán)境中使用，則多要求采用直接驅動（Direct Drive——DD）電動機驅動系統(tǒng)。 ???3）?操作運行速度 ??? 對于裝配機器人，由于要求其有較高的點位重復精度和較高的運行速度，通常在運行速度相對較低（≤4.5m/s）的情況下，可采用AC、DC或步進電動機伺服驅動系統(tǒng)；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅動（DD）電動機驅動系統(tǒng)。 2.2.2驅動方式的類型 1）液壓式：其驅動系統(tǒng)由油缸、電磁閥、油泵和油箱等組成。其特點是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動，但環(huán)境因素和漏油對系統(tǒng)的工作性能影響大，比氣壓成本高。 2）氣壓式：其驅動系統(tǒng)由氣缸、氣閥、空氣壓縮機和儲油罐等組成。其特點是操作力小，體積大，響應慢，動作不平穩(wěn)，有沖擊，但成本低，維修簡單，臂力不超過300N。 3) 電氣式:其驅動系統(tǒng)由電動機驅動,優(yōu)點是電源方便,信號傳遞及運算容易,響應快,驅動力較大。  2.2.3驅動方式比較 表2-3 比較內容 液壓驅動 氣壓驅動 電氣驅動 交直流電機 步進/伺服電機 控制性能 可無級調速反映靈敏，可連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精確定位困難，阻尼效果差 控制性能較差，不易精確定位 控制性能好，能精確定位，但系統(tǒng)復雜 輸出力 大 小 大 小 體積 在輸出力相同條件下，體積小 較大 要有減速裝置，體積較大 較小 維修及使用 方便、但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 方便 較復雜 環(huán)境影響 易漏油，易燃 排氣有噪聲 無 無 應用范圍 適用于重型低速驅動 適用于中小型快速驅動 速度低的中重型機器人 要求嚴格控制運動軌跡的中小型機器人 成本 較高 低 低 較高 2.2.4原理方案的評價 液壓驅動與其它兩種驅動方式相比，其優(yōu)點是: 1) 功率密度比大，能夠以較小的作動器輸出較大的驅動力或驅動力矩。 2) 結構簡單緊湊，剛性好，可以把動作油缸直接做成關節(jié)的一部分。 3) 由于液體的不可伸縮性，定位精度比氣壓驅動高，并可以實現(xiàn)任意位置的停止。 4) 能在很大范圍內調整，實現(xiàn)無級調速，調速過程也比較簡單。 5) 運動件的慣性小,能夠頻繁迅速換向;液壓驅動平穩(wěn)。 6) 系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸震,使用安全閥可簡單而有效地防止過載現(xiàn)象的發(fā)生。 7) 有良好的潤滑性能，壽命長。 8) 元件已基本上系列化、通用化和標準化,利于CAD技術的應用,提高工效,降低成本。 9) 和電氣控制結合，容易實現(xiàn)動作和操作自動化;與微電子技術和計算機配合,能實現(xiàn)各種自動控制工作。 液壓驅動的主要缺點是： 1]油液容易泄漏，不僅影響穩(wěn)定性與定位精度，而且會有環(huán)境污染。 2]油液粘度隨溫度變化，不但影響工作性能，而且在高低溫條件下很難應用。 3]油液中容易混入氣泡、水分等。 4]需配備壓力源及復雜的管路系統(tǒng)，因之成本較高。 5]易燃燒。 2.2.5 原理方案的決策 綜合考慮，選擇機器人的小車機構和滑板機構的驅動系統(tǒng)為液壓式驅動系統(tǒng),其功能原理圖如左圖所示： 1）門架機構的單軌上裝有可移動小車機構，能在一組帶有水平主軸的金屬切削機床上工作 ； 2）小車機構裝在有加強筋焊接的機體上，靠滾拄支撐移動，其驅動裝置包含兩個圓柱齒輪減速器，減速器的輸出軸上安裝齒輪，齒輪與齒條相嚙合。它支撐滑板，在門架的單軌上水平移動； 3）滑板機構與線性電液步進式驅動裝置的連桿相連，其橫截面采用封閉梯形結構的焊接箱體，它帶動手臂，在機體的滾輪上豎直升降； 4) 手臂機構采用雙臂連桿 圖2.1 形式，鉸接在滑板上，在垂直面內作擺動； 5）手腕機構固定在手臂機構的連接鉸鏈上，也可以在垂直面內作擺動，并能自轉有限角度。 第三章 液壓驅動系統(tǒng)設計 3.1總體規(guī)劃 液壓系統(tǒng):液壓回路按給定的用途和要求組成的整體. 液壓系統(tǒng)的組成 表3-1 動力部分 控制部分 執(zhí)行部分 輔助裝置 液壓泵,用以將機械能轉換成液體壓力能.有時也將蓄能器作為緊急或輔助動力源 各類壓力、流量和方向等控制閥,用以實現(xiàn)對執(zhí)行元件的運動、方向、作用力等的控制,也用于實現(xiàn)過載保護,程序控制等 液壓缸、液壓馬達等用以將液體動力能轉換成機械能 管道、蓄能器、過濾器、油箱、冷卻器、加熱器、壓力表、流量計等 液壓執(zhí)行元件的類型、數(shù)量、安裝位置與主機的連接關系，對主機的設計有很大影響，所以，在考慮液壓設備的總體方案時，確定液壓執(zhí)行元件和確定主機整體機構布局是同時進行的，液壓執(zhí)行元件的選擇由主機的動作要求、載荷輕重和布置空間條件確定。 3.2液壓泵的選用 根據(jù)系統(tǒng)的工況來選擇液壓泵。泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉速和效率。為保證系統(tǒng)正常運轉和泵的使用壽命，一般在固定設備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80％左右。泵的流量要大于系統(tǒng)工作的最大流量。為了延長泵的壽命，泵的最高壓力與最高轉速不易同時使用。 液壓泵的類型及特點： 1. 齒輪泵：結構簡單，工藝性好，但工作壓力較低，流量脈動和壓力脈動較大，如高壓下不采用端面補償時，其容積效率將明顯下降 2. 葉片泵：結構緊湊，外形尺寸小，運動平穩(wěn)，流量均勻，壽命長。其中單作用式葉片泵有一個排油口和一個吸油口，轉子旋轉一周，每兩片間的容積各吸排油一次，適用于低壓大流量的場合。 3. 柱塞泵：精度高，密封性能好，但它結構比較復雜，制造精度高，價格貴，對油液污染敏感。 4. 螺桿泵：結構簡單，重量輕，但加工較難，不能改變流量。 根據(jù)門架式工業(yè)機器人的工作環(huán)境、工況和經(jīng)濟性等方面的綜合考慮，確定選用葉片泵。 根據(jù)液壓泵標準產(chǎn)品的特點，選用YB－A36B型的液壓泵，其主要技術參數(shù)如下： 表3-2 型號 理論排量, ml/r 額定壓力, MPa Mpa 輸出流量L/min 驅動功率, KW 轉速, r/min 重量,kg 油口尺寸 法蘭安裝 腳架安裝 進口 出口 YB-A 36B 35.9 7 30.9 5.2 600- 1500 9 10 Rc1 Rc3/4 YB－A36B型液壓泵的外形尺寸如下圖所示，YB泵系是我國第一代國產(chǎn)葉片泵的第五次改型產(chǎn)品，具有結構簡單，性能穩(wěn)定，流量范圍大，壓力流量脈動小，噪聲低等一系列優(yōu)點，廣泛適用于機床設備和其它低壓系統(tǒng)中。 圖3.1 3.3液壓泵的選用 液壓泵的主要性能參數(shù)有轉矩、壓力、排量、容積效率、總效率等,要根據(jù)運轉工況進行選擇。 液壓泵的類型及特點： 1. 齒輪泵：結構簡單，制造容易，但輸出的轉矩和轉速脈動較大。 2. 葉片泵：結構緊湊，外形尺寸小，運動平穩(wěn)，噪聲小，負載轉矩小。 3. 軸向柱塞泵：結構緊湊，轉動慣量小，轉速高，易于變量。 4. 球塞式泵：負載轉矩大，徑向尺寸大，適合于中等工況。 根據(jù)門架式工業(yè)機器人的工作環(huán)境、工況和經(jīng)濟性等反面的綜合考慮，確定選用葉片式液壓泵，根據(jù)其產(chǎn)品的主要性能參數(shù)，選擇小車機構和滑板機構的液壓泵分別是YM-A32B型和YM-A28B型，其外形尺寸如下圖所示： 其主要性能參數(shù)如下： 表3-3 表3-4 型號 理論排量， ml/r 額定壓力， Mpa 轉速， r/min 輸出轉矩， N*m 重量，kg 油口尺寸 法蘭安裝 腳架安裝 進口 出口 YM-A32B 29.9 6.3 100-2000 21.6 9.8 12.7 3/4” 3/4” YM-A28B 24.5 16.1 3.4液壓工作介質的選擇 針對門架式工業(yè)機器人的應用條件，其介質品種選擇的考慮因素是： 1） 液壓系統(tǒng)所處的工作環(huán)境：室內作業(yè)，在東北地區(qū)工作，周圍有明火和熱源。需保證防火安全，保持環(huán)境清潔。 2） 液壓系統(tǒng)的工況：采用葉片泵驅動，每日兩班制，每年工作300天 3） 經(jīng)濟性：價格適中，更換周期長，維護使用方便。 根據(jù)GB/T 7631.2-1987的產(chǎn)品介紹選用L-HFC型的工作介質，其粘度等級在15到100，該產(chǎn)品通常為含乙二醇或其他聚合物的水溶液，使用溫度為－20～50℃，低溫性和對橡膠的適應性好。它的難燃性好，適用于冶金和煤礦等行業(yè)的低中壓液壓系統(tǒng)。 介質粘度選擇的考慮因素有： 1】 意義 對于多數(shù)液壓工作介質來說，粘度選擇就是介質牌號的選擇，粘度選擇適當不僅可以提高液壓系統(tǒng)的工作效率、靈敏度和可靠性，還可以減少溫升，降低磨損，從而延長系統(tǒng)元件的使用壽命。 2】 選擇依據(jù) 液壓系統(tǒng)的元件中，液壓泵的載荷最重，所以，介質粘度的選擇通常是以滿足液壓泵的要求來確定。 3】 修正 對執(zhí)行機構運動速度較高的系統(tǒng)，工作介質的粘度要適當選小些，以提高動作靈敏度，減少流動阻力和系統(tǒng)發(fā)熱。 根據(jù)GB/T 7631.2-1987選定的L-HFC型的工作介質綜合考慮，確定介質粘度等級是32. 3.5 滑板液壓缸的設計計算 綜合考慮滑板機構的工作特點和功能要求，根據(jù)GB/T 2348-1993和GB/T 2349-1980初選: 液壓缸內徑 D=63mm ，活塞桿直徑 d=32mm，活塞行程 L=500mm 3.5.1壓力 油液作用在單位面積上的壓強 p=F/A Pa 活塞的有效面積 A＝＝3.12×10m.如果活塞的有效工作面積一定，油液的壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大. 已知滑板機構最大承載m=40kg,若取液壓缸所提升的執(zhí)行裝置總重量M=500kg.那么作用在活塞上的載荷最大值 F=(m+M)g=(40+500)×9.8 N=5292 N (3-1) 最高允許壓力p= F/A=5292/3.12×10 Mpa＝1.70 Mpa,它也是動態(tài)試驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力，各國規(guī)范通常規(guī)定為p1.5PN 工稱壓力PN是液壓缸能用以長期工作的壓力，取PN=1.6 Mpa, p＝1.70 Mpa1.5PN,符合規(guī)定. 3.5.2 流量 Q=V/t , L/min V-液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L t-液壓缸活塞一次行程所需時間，min v-活塞桿運動速度，m/min -當活塞密封為彈性密封材料時, =1;當活塞密封為金屬環(huán)時, =0.98現(xiàn)取=1 由于V=vAt×10 L，那么Q＝vA=Dv×10 L/min. 對于單活塞液壓缸,如圖所示， 最大速度v =0.8 m/s. v,m/s 當活塞伸出時，Q＝Dv×10 L/min＝ 0.8 ×48×10 L/min＝149.63 L/min. 0 t, s （3-2） 圖3.2 當活塞縮回時，Q＝(D-d) v×10 L/min=×10 L/min=111.03 L/min (3-3) 當活塞差動伸出時，Q＝dv× 10 L/min=×48×10 L/min＝38.60 L/min (3-4) 3.5.3活塞運動速度 v=Q/A, m/min 當Q＝常數(shù)時，v＝常數(shù)，但是實際上，活塞在行程兩端各有一個加減速階段，如上圖，故上述公式中計算的數(shù)值均為活塞的最高運動速度 v，但活塞的最高運動速度受到活塞和活塞桿密封圈以及行程末端緩沖機構所能承受的動能的限制. 活塞的最低速度v受活塞和活塞桿密封件摩擦力和加工精度的影響不能太低，以免產(chǎn)生爬行，一般v>0.1～0.2m/min. 3.5.4速比 液壓缸活塞往復運動時的速度之比 (3-5) v-活塞桿的伸出速度,m/min. v-活塞桿的縮回速度,m/min. 計算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否設置緩沖裝置.速比不宜過大或過小,以免產(chǎn)生過大的背壓或造成因活塞桿太細導致穩(wěn)定性不好,根據(jù)工稱壓力選定=1.33. 3.5.5活塞的理論推力和拉力 活塞桿伸出時的理論推力為 A-活塞無桿側有效面積,m F＝Aｐ×10＝×1.6×10 N (3-6) A-活塞有桿側有效面積,m =4.99×10 N p-供油壓力（工作油壓），Mpa 活塞桿縮回時的理論拉力為 F＝Ap×10＝×1.6×10 N＝3.70×10 N (3-7) 活塞桿差動前進時的理論推力為 F×10=×1.6×10 N＝1.29×10 N (3-8) 3.5.6活塞的最大允許行程 活塞行程在初步確定時，主要是按實際工作需要的長度來考慮，但這一工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程，應首先計算出活塞桿的最大允許長度L.因為活塞桿一般為細長桿，當L（10～15）d時，由歐拉公式推導出 L＝ ，mm. (3-9) F-活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力 FPn 將右側數(shù)據(jù)代入并化簡后 n－安全系數(shù)，通常n=3.5～6 L≈320. E－材料的彈性模數(shù)，鋼材 的材料彈性模數(shù) E＝2.1×10N/mm (3-10) 活塞桿最大壓力P=5292N.取n=6 I－活塞桿的橫截面 慣性矩,mm L≈320×≈1838.8mm 圓截面I ＝＝0.049d 對活塞桿來說n=1，如下圖所示， 那么L= L=1838.8mm 許用行程S=L-l-K 若l=200mm,K=1000mm S=638.8 根據(jù)GB/T2349-1980 選取標準行程630mm.  圖3..3 3.5.7液壓缸的功和功率 液壓缸所作的功為 W＝FS. J F－液壓缸的載荷（推力或拉力）N 活塞桿伸出時, W＝FS=4.99×10×630×10J＝3143.7J (3-11) S－活塞行程，m 活塞桿縮回時，W＝FS=3.70×10×630×10J＝2331J (3-12) 功率N＝＝Fv 活塞桿伸出時, N＝Fv=4.99×10×0.8W＝3.99×10W (3-13) 活塞桿縮回時，N＝Fv=3.70×10×0.8W＝2.96×10W (3-14) 根據(jù)液壓缸的性能參數(shù)計算，選用帶接近開關的拉桿式液壓缸。接近感應開關用來控制行程兩端位置的換向,它是非接觸敏感元件，無接觸，無磨損，輸出信號準確，安全可靠，感應開關位置可以任意調節(jié)。其技術參數(shù)如下： 表3-5 額定壓力/Mpa 7～14 使用溫度/℃ -10～60 最高允許壓力/Mpa 10.5～21 最高運行速度m/s 1 最低啟動壓力/Mpa <0.3 工作介質 等 礦物油,水-乙二醇 榆次油研液壓有限公司的產(chǎn)品有CJT35L、CJT70L、CJT140L,工作壓力為3.5MPa、7 MPa、14 Mpa,帶接近開關. 武漢油缸廠生產(chǎn)的產(chǎn)品有WY10,工作壓力為7 MPa、14 Mpa,其外形尺寸如下圖所示， 其參數(shù)如下： 圖3.4 表3-6 工作壓力/MPa 缸徑/mm A/mm A/mm h/mm h/mm H/mm 7、14 63 51 102 57 76 20 3.6 液壓控制 液壓系統(tǒng)的基本工作參數(shù)是壓力和流量。電液比例壓力控制就是采用電液比例壓力閥對系統(tǒng)壓力進行單參數(shù)比例控制，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出力或轉矩的比例控制。 電液控制的技術優(yōu)勢：電器或電子技術在信號的檢測、放大、處理和傳輸?shù)确矫姹绕渌矫娓哂忻黠@的優(yōu)勢，特別是現(xiàn)代微電子集成技術和計算機科學的進展，使得這種優(yōu)勢更顯突出。因此，工程系統(tǒng)的指令及信號處理單元和檢測反饋單元幾乎無一例外地采用了電子器件，即在功率放大單元和執(zhí)行部件方面，液壓元件則有更多的優(yōu)越性。電液控制技術集合了電控與液壓的交叉技術優(yōu)勢。 電液比例系統(tǒng)的基本特點： 1）可明顯的簡化液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜程序控制； 2）引進微電子技術的優(yōu)勢，利用電信號便于遠距離控制，以及實現(xiàn)計算機或總線檢測與控制； 3）電液系統(tǒng)的快速性，是系統(tǒng)開關閥控制無法達到的； 4）利用反饋提高控制精度或實現(xiàn)特定的控制目標； 5）便于機電一體化的實現(xiàn) 本機器人的液壓控制閥采用力馬達控制噴嘴擋板的直控式比例壓力閥，其結構類似比例電磁鐵的結構，擋板直接與力馬達銜鐵推桿固接，壓力油進入噴嘴腔室前經(jīng)過固定節(jié)流器。 如右圖所示力馬達比例壓力閥的工作原理是：力馬達在輸入控制電流后通過推桿使擋板產(chǎn)生位移，改變輸入力馬達電流信號的大小，可以改變擋板和噴嘴之間的距離x，因而能控制噴嘴處的壓力，它的壓力、流量特性比較容易控制，工作比較可靠，是提高比例閥控制精度和響應速度的一種結構形式。 圖3.5 3.6.1小車液壓控制裝置 小車液壓驅動裝置如下圖所示，它由步進馬達和成套電液步進驅動裝置組成。當信號傳遞到步進馬達上時，其轉子通過螺旋傳動推動液壓分配器的滑閥，它連接者壓力管和溢流管與相應的液壓馬達腔。液壓馬達之間的連接使其在軸上的力矩方向相反，以保持在齒輪齒條傳動中無隙嚙合。步進馬達轉動時，其與分配器滑閥剛性相連的軸，使得滑閥回到初始位置，從而實現(xiàn)位置反饋。 圖3.6 3.6.2滑板液壓控制裝置 圖3.7 滑板液壓驅動裝置如下圖所示，它步進馬達、隨動分配器和液壓缸組成，液壓缸 塞桿內裝有位置反饋螺旋機構。在信號傳遞到步進電機時，其轉子通過螺旋傳動 為絲杠傳動，而通過齒輪傳動和螺旋副變?yōu)榛y軸向移動。 第四章 零部件實用化設計 4.1 小車傳動裝置——二級齒輪減速器設計 小車傳動裝置包含兩個二級圓柱齒輪減速器，減速器的輸出軸上安裝齒輪，齒輪與單軌上的齒條相嚙合，在門架單軌上水平移動。 [已知] 二級減速器由YM－A32B的葉片式液壓馬達驅動，其輸入功率P＝3.28KW.第一級小齒輪轉速n=1450r/min.齒數(shù)比u=3. 工作壽命十年,設每年工作300天,兩班制,工作載荷有輕微沖擊。 4.1.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1]選用直齒圓柱齒輪傳動 2]選用7級精度 3]材料選擇. 選擇小齒輪材料為40Cr(調質),硬度為280HBS. 大齒輪材料為45號鋼 (調質),硬度為240HBS,二者硬度差為40 HBS。 4]選小齒輪齒數(shù)z=20.大齒輪齒數(shù)z= u z=3×20＝60 4.1.2按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 d≥2.32 （4-1） 1．確定公式內的各計算數(shù)值 1]試選載荷系數(shù)K=1.3 2]計算小齒輪傳遞的轉矩 T=95.5×10P/ n=95.5×10×3.28/1450N.mm=2.16×10N.mm （4-2） 3]查取齒寬系數(shù)＝1 4]查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa 5]按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600Mpa. 大齒輪的接觸疲勞強度極限=550Mpa 6]計算應力循環(huán)次數(shù) N＝60njL=60×1450×1×（2×8×300×10）＝4.176×10 (4-3) N＝4.176×10/3＝1.392×10 (4-4) 7]查得接觸疲勞壽命系數(shù) K=0.9 K=0.95 8]計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1 []=K/S=0.9×600MPa=540 MPa (4-5) []=K/S=0.95×550 MPa＝522.5 MPa (4-6) 2. 計算 1） 計算小齒輪分度圓直徑d，代入[]中較小的值 d≥2.32 =2.32mm=39.513mm (4-7) 2)計算圓周速度v v== m/s=3.0 m/s (4-8) 3)計算齒寬b b=d=1×39.513 mm=39.513 mm (4-9) 4)計算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) m= d/ z=39.513/20 mm=1.976 mm (4-10) 齒高 h=2.25 m=2.25×1.976 mm=4.45 mm (4-11) b/h=39.513/4.45=8.88 5)計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=3.0 m/s,7級精度，查得動載荷系數(shù)K=1.13; 對于直齒輪，假設KF/b<100 N/mm查得K=K=1.2; 查得使用系數(shù) K=1.35; 查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時 K=1.12+0.18(1+0.6)+0.23×10b =1.12+0.18(1+0.6)+0.23×10×39.513＝1.417 (4-12) 由 b/h=8.88，K＝1.417查得K=1.34故載荷系數(shù) K= KKKK=1.35×1.13×1.2×1.417＝2.594 (4-13) 6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 d= d=39.513×＝49.74 mm (4-14) 7）計算模數(shù)m m= d/ z=49.74/20 mm=2.49 mm (4-15) 4.1.3 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度設計公式 m (4-16) 1. 確定公式內各計算數(shù)值 1） 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ＝500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa 2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85, K=0.88 3） 計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 []=K/S=0.85×500/1.4 MPa=303.57 MPa (4-17) []=K/S=0.88×380/1.4 MPa＝238.86 MPa (4-18) 4） 計算載荷系數(shù)K K= KK KK=1.35×1.13×1.2×1.34＝2.453 (4-19) 5） 齒形系數(shù)查取，查得Y=2.8,Y=2.28 6） 應力校正系數(shù)查取 Y=1.55,Y=1.73 7） 計算大小齒輪的YY/[] 并加以比較 Y Y/[]=2.8×1.55/303.57＝0.0143 (4-20) Y Y/[]＝2.28×1.73/238.86＝0.0165 (4-21) 大齒輪的數(shù)值較大 2. 設計計算 m≥ mm=1.635 (4-22) 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.635，并就近圓整為標準值1.75mm按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) z＝d/m=49.74/1.75＝29，所以z=u z=3×29＝87 這樣設計出的齒輪傳動既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費 4.1.4幾何尺寸計算 1） 計算分度圓直徑 d＝zm=29×1.75 mm=50.75 mm (4-23) d= zm=87×1.75 mm=152.25 mm (4-24) 2） 計算中心距 =( d+ d)/2=(50.75+152.25)/2 mm=101.5 mm (4-25) 3） 計算齒輪寬度 b=d=1×50.75 mm=50.75 mm,取B=50.75 mm,B=55.75 mm 驗算 ＝2T/ d＝2×2.16×10/50.75＝851.23 N (4-26) K/b=1.35×851.23/50.75 N/mm＝22.64 N/mm.合適 4.1.5 第二級齒輪傳動的設計 對于第二級齒輪傳動，取齒數(shù)比u=2，大小齒輪齒數(shù)z=24，z= uz=48.齒輪傳動效率取0.99，那么第二級齒輪傳動所傳遞的轉矩 T= T×0.99＝2.16×10×0.99 N·mm＝2.14×10 N·mm (4-27) 根據(jù)第一級齒輪傳動的計算設計過程，同理類似地設計出第二級齒輪傳動，二級減速器簡圖如下圖所示： 第二級齒輪傳動的設計結果如下： 1. 模數(shù) m=1.5 2. 齒數(shù) 小齒輪z=d/m=49.69/1.5=34 大齒輪z= uz=68 3. 分度圓直徑 小齒輪d＝zm=34×1.5 mm=51 mm (4-28) 大齒輪d= zm=68×1.5 mm=102 mm (4-29) 4. 中心距 =( d+ d)/2=(51+102)/2=76.5 mm (4-30) 5. 齒輪寬度 b=d=1×51 mm=51 mm，取B＝51 mm，B=56 mm 圖4.1 4.1.6減速器的輸出端 對于減速器的輸出端， 轉速n=n=n/ u,因為n=n/u=1450/3 r/min=484 r/min 所以輸出端轉速n=n/ u=484/2 r/min=242 r/min (4-31) 由于輸出端最大速度v=0.8m/s，根據(jù)公式 v=計算出輸出端齒輪直徑， d== mm=63.14 mm .(4-32) 4.1.7減速器大齒輪鍵的設計 [已知]若齒輪用平鍵與軸聯(lián)接，傳遞的扭轉力矩M＝21.6 Nm. 鍵的許用應力＝60Mpa，=100 Mpa 軸的直徑d=36 mm 根據(jù)GB1096－79選取鍵的尺寸為b×h=10×8，取鍵長l=20 mm 1. 校核鍵的剪切強度 如圖所示將平鍵沿n-n截面分成兩部分，并把n-n以下部分和軸作為一個整體來考慮，因為假設在n-n截面上的剪應力均勻分布，故n-n截面上剪應力Q為 Q＝A＝bl 對軸心取矩，由平衡方程＝0 Q=bl=M(4-33) 故有，＝＝＝6Mpa<，可見鍵滿足剪切強度條件 2. 校核鍵的擠壓強度 考慮鍵在n-n截面以上部分的平衡，在n-n截面上的剪應力Q＝bl 擠壓力為P＝＝，投影于水平方向Q＝P 圖4.2 因此求得＝＝＝15 Mpa<， (4-33) 故該鍵滿足擠壓強度要求 4.2 門架單軌的截面設計 圖4.3 門架式工業(yè)機器人的單軌受負載及其機械設備的重力（m＋M）g作用，如圖簡化成在集中力P作用下的簡支梁. [已知]單軌的材料彈性模量 E＝210 Gpa. l＝5.78m P＝（m＋M）g=(40+70