機械手課程設計

《機電系統(tǒng)》課程設計說明書課程設計任務書姓名班級學號設計題目簡易型機械手的設計設計任務：〔1〕方案論證；在其根底上進行機械手的總體設計，并繪制總體布局圖?！?〕驅動系統(tǒng)設計：根據機械手的特點，選用舍黨的驅動方式，根據總體設計要求進行電機選型。進行電機選型相關計算。進行驅動系統(tǒng)零部件的選型和設計。繪制驅動系統(tǒng)布局圖?！?〕控制系統(tǒng)設計：確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖?！?〕傳感與測試系統(tǒng)設計：進行控制與驅動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設計?！?〕機械本體設計：進行機械本體零部件設計，繪制總體和零件圖。設計工作量:〔1〕設計說明書一份〔2〕CAD圖紙5張〔3〕文檔整理排版指導教師設計時間2011年1月3日～2011年1月21日目錄第1章緒論……………11.1機械手概述……………11.2機械手的設計目的……………………31.3機械手的設計內容……………………41.4機械手的分類及其在生產中的應用……51.5機械手的應用意義……………………81.6機械手的技術開展方向………………9第2章設計方案的論證………………102.1機械手的總體設計…………………102.2機械手腰座結構的設計………………122.3機械手手臂結構的設計………………142.4工業(yè)機器人腕部的結構………………162.5機械手末端執(zhí)行器〔手爪〕的結構設計………………182.6機械手的機械傳動機構的設計…………212.7機械手驅動系統(tǒng)的設計………………262.8機器人手臂的平衡機構設計……………33第3章理論分析和設計計算…………343.1液壓傳動系統(tǒng)設計計算………343.2電機選型有關參數(shù)計算………43第4章控制系統(tǒng)的設計………………474.1可編程控制器PLC……………………474.2PLC的選型……………514.3機械手的工藝流程……………………534.4機械手的PLC控制系統(tǒng)程序…………57第5章機械手本體設計………………595.1機械手零部件設計…………………..595.2機械手總成和零件圖…………...….…61致謝……………………62參考文獻………………63第1章緒論1.1機械手的概述機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大局部組成。手部是用來抓持工件〔或工具〕的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動〔擺動〕、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反響的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。機械手通常常機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步開展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。機械手是在機械化、自動化生產過程中開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已成為高技術領域內迅速開展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的開展，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。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步開展,自動化已經成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產流水線等等，已經隨處可見。同時，現(xiàn)代生產中，存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成局部。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的開展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。專用機械手經過幾十年的開展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和開展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等根底知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對開展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和開展一直比擬活潑，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的開展，已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的開展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、效勞業(yè)、軍事領域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速開展，機械手技術也得到飛速的多元化開展?？傊?，目前機械手的主要經歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改良的方向主要是將低本錢和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反響，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步開展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。1.2機械手的設計目的工業(yè)機械手設計是機械制造、機械設計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要教學環(huán)節(jié)，是學完技術根底課及有關專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內容得綜合設計。通過設計提高學生的機械分析與綜合能力、機械結構設計的能力、機電液一體化系統(tǒng)設計的能力，掌握實現(xiàn)生產過程自動化的設計方法。通過這一環(huán)節(jié)要求到達：〔1〕通過設計，把握有關課程〔機構分析與綜合、機械原理、機械設計、液壓與氣壓傳動技術、自動控制理論、測試技術、數(shù)控技術、微型計算機原理及應用、自動化機械設計等〕中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用，是這些知識得到穩(wěn)固和開展，并使理論知識和生產密切的結合起來。因此，工業(yè)機械手的設計是有關專業(yè)根底課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設計?！?〕工業(yè)機械手設計是機械設計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學生一次比擬完整的機電一體化的整機設計。通過設計，培養(yǎng)學生獨立的機械整機設計能力，樹立正確的設計思路，掌握機電一體化機械產品設計的根本方法和步驟，為自動化機械設計打下良好的根底?！?〕通過設計，使學生能熟練地應用有關參考資料、計算圖表、手冊、圖冊及標準，熟悉有關國家標準和局部標準，以完成一個工業(yè)技術人員在機械整機設計方面所必須具備的根本技能訓練?！?〕由于機械手設計工作量比擬大，為使學生在短時間內得到完整訓練，同學以小組為單位，分工合作共同完成此次機械手設計任務，這樣既節(jié)省了時間，有解決了量大，時間緊的矛盾，同時最大限度的培養(yǎng)了學生分工協(xié)作完成大型設計的能力。1.3機械手的設計內容1.3.1機械手的方案論證根據國內外同類產品現(xiàn)狀，設計課題方案。1.3.2機械手的總體設計在方案論證的根底上進行機械手的總體設計，并繪制總體布局圖。1.3.3驅動系統(tǒng)的設計根據機械手的特點，選用舍黨的驅動方式，根據總體設計要求進行電機選型。進行電機選型相關計算。進行驅動系統(tǒng)零部件的選型和設計。繪制驅動系統(tǒng)布局圖。1.3.4控制系統(tǒng)的設計確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。1.3.5傳感與測試系統(tǒng)的設計進行控制與驅動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設計。機械本體設計進行機械本體零部件設計，繪制總體和零件圖。1.4機械手的分類及其在生產中的應用1.4.1機械手的分類〔1〕油田鉆柱操作機械手本產品由山東科技大學研發(fā)而成，主要用于鉆井時的鉆桿、鉆鋌等的裝、卸工作。操作機械手設計有兩個，一個坐落在一層臺井口旁邊2米左右處，簡稱為下手；一個坐落在二層臺上的中心臺上，簡稱為上手。下手的腰部回轉角度≥120°，最大伸縮距離為5.7米，有5個運動關節(jié)，在手臂做伸縮運動時,手部保持水平平動。上手的腰部回轉角度為310°，最大伸縮距離≥2800mm，上手有9個運動關節(jié)，手臂做伸縮運動時，手部保持水平平動。機械手采用手動比例閥控制下的液壓控制方式。機械手可以完成的操作對象參數(shù)為：①鉆柱高30m；②鉆桿重量為：40Kg/m，總重1200Kg；③鉆鋌〔七英寸直徑〕重量為：180Kg/m，總重5400Kg?！?〕硬臂式助力機械手硬臂式助力機械手與氣動平衡吊和軟索式助力機械手一樣都具有全行程“漂浮”功能，區(qū)別是在有扭矩產生的情況下無法使用氣動平衡吊或是軟索式助力機械手，而必須選用硬臂式助力機械手。比方在工件重心遠離臂懸掛點，或是工件需要翻轉或傾斜情況下，必須選用硬臂式助力機械手，還有在廠房高度有限情況下，可以選用硬臂式助力機械手。硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)提升最大500Kg的工件，半徑最大可以到達3000mm，提升高度最大2500mm。根據起吊工件重量不同，應選擇符合最大工件重量的最小型號的機器，如果我們用最大負載200Kg的機械手來搬運30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感覺很笨重。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖功能，防止工件下降。并設有平安系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放置在平安外表時，操作者不能釋放工件。上海永乾制造的助力機械手〔含硬臂式、軟索式〕還可以在用戶現(xiàn)場氣壓缺乏的情況下，增加增壓泵，可以使設備運行更加平穩(wěn)。配合各種非標夾具，硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以是地面固定、懸掛固定或是導軌移動?！?〕軟索式機械手軟索式機械手的功能與氣動平衡吊類似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比氣動平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大負載只有450Kg。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者。配合各種非標夾具，軟索式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以固定地面或懸掛固定使用，不能使用導軌式。〔4〕T型助力機械手區(qū)別于硬臂式助力機械手的是T型助力機械手沒有雙關節(jié)機械臂，它的前后左右位移靠導軌來實現(xiàn)。由于T型助力機械手沒有機械臂，因而它比硬臂式顯得小巧，更適合于操作空間狹小的場合。T型助力機械手的最大負載要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根據客戶要求設計，而且搬運范圍要比硬臂式大的多。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖功能，防止工件下降。并設有平安系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放置在平安外表時，操作者不能釋放工件。配合各種非標夾具，硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式為導軌移動。1.4.2機械手在生產中的應用在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效方法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要方法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：1.熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身平安，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。2.冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成局部。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的開展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、去除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經成為工業(yè)生產中提高勞動生產率的重要因素。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：

(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。

(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。

(3)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。(4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。

(5)宇宙及海洋的開發(fā)。

(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。1.5機械手的應用意義在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：1.可以提高生產過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產本錢，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、防止人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可局部或全部代替人平安地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以防止由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。1.6機械手的技術開展方向目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產開展的需要。因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點開展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地開展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個根本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，開展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反響能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的開展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反響外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀〔即距離傳感器〕以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反響控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，到達自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的開展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的開展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。第2章設計方案的論證2.1機械手的總體設計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。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a2-1.。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到達很高的位置精度〔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，是比擬小的。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。這種機器人構造比擬簡單，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、本錢較低，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。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，其工作空間比擬大。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設計具體采用方案圖2-2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，以減小本錢、提高可靠度。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自由度，其特點是:結構比擬簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖2-2所示。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)行器等各個局部進行詳細設計。機械手腰座結構的設計要求工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，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)，機器人的運動局部全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原那么：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.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，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。4.腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器〔電動、液壓及氣動〕及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。5.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。6.為了減輕機器人運動局部的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動局部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。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。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比〔大于100〕，同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖2-3所示：圖2-3腰座結構圖2.3機械手手臂的結構設計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，要遵循下述原那么；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，那么其手臂末端可實現(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。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小〔其比重相當于鋼的1/4，相當于鋁合金的2/3〕，但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比擬有效的方法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。4.機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。5.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剩余的不平衡重量。6.機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。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，平安性，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擬容易實現(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那么是缸的直徑取得大一點〔在整體結構允許的情況下〕，再進行強度的較核。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，假設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，成正四邊形布置，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，比擬好的解決了結構、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，那么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。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，那么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，本錢也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據實際作業(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別離傳動。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。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平安和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕〔手臂手爪聯(lián)結梁〕結構見圖2-4。圖2-4手爪聯(lián)結結構2.5機械手末端執(zhí)行器〔手爪〕的結構設計機械手末端執(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)〕。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。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，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。機器人夾持器的典型結構1.楔塊杠桿式手爪：利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪：當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。3.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，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4.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，產生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪：采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。設計具體采用方案結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。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50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-5所示：圖2-5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、高速帶傳動等。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.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。3.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，假設為負斜率那么易產生爬行，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。4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。5.選用最正確傳動比，以到達提高系統(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。6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。7.適當?shù)淖枘岜?，機械零件產生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構的阻尼適宜。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，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。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正確匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。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，而輸出那么為低轉速，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〕，假設該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，那么可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造本錢，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?！?〕各級傳動比的最正確分配原那么。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，原那么如下：a．輸出軸轉角誤差最小原那么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”的原那么分配，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。設齒輪傳動中各級齒輪的轉角誤差換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為，那么〔2-1〕式中：-----第個齒輪所具有的轉角誤差；-----第個齒輪的轉軸至n級輸出軸的傳動比。那么四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉角誤差〔、、...、〕換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為〔2-2〕由此可知總轉角誤差主要取決于最末級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。因此，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。b．等效轉動慣量最小原那么利用該原那么設計的齒輪系統(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。具體而言有幾點：〔1〕對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉動慣量和總轉角誤差最小的原那么來處理。〔2〕對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，防止同期嚙合以降低噪音和振動?！?〕對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉角誤差最小原那么；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。〔4〕對以比擬大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結合為混合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。可選用新型的諧波齒輪傳動。2.諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大〔幾十到幾百〕，傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質上的差異。3.螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，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)龋挥幸詡鬟f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、制造本錢低，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、制造本錢高，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。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標：〔1〕滾珠絲杠的精度等級；〔2〕滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值；〔3〕載荷條件〔靜、動載荷〕以及載荷允許值；〔4〕滾珠絲杠的工作壽命；〔5〕滾珠絲杠的臨界轉速；〔6〕滾珠絲杠的剛度；減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結構，使螺母與絲杠之間有一定的預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/3。4.同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高〔可達98%〕、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動〔可達40m/s〕、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。5.鋼帶傳動鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。6.鏈傳動在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。7.鋼絲繩輪傳動鋼絲繩輪傳動具有結構簡單、傳動剛度大、結構柔軟，本錢較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。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步進電機驅動，必須采用傳動機構來減速和增大扭矩。經分析比擬，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比擬高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉速，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100〕，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。根據需要也可這三種根本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類根本驅動系統(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擬成熟的技術，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，本錢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)點比擬突出，因此在機器人中被廣泛的使用。工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原那么設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能標準、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的根底上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下：1.物料搬運〔包括上下料〕使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。2.用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統(tǒng)。機器人液壓驅動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅動系統(tǒng)，但是在簡易經濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。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)包括程序控制和伺服控制兩類。1.程序控制機器人的液壓系統(tǒng)這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設計要重視以下方面：〔1〕液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命?！?〕定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比擬大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖定裝置?！?〕對慣量比擬大的運動軸的液壓缸兩側最好加設平安保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結構?！?〕液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲藏。2.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)。其電-液轉換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構可組成電-液伺服馬達，電-液伺服液壓缸，電-液步進馬達，電-液步進液壓缸，液壓回轉伺服執(zhí)行器〔RSA-RotoryServeActuator〕等各種電-液伺服動力機構。根據結構設計的需要，電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是別離式，也可以是組合成為一體。如果是別離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構間的管道容積，以增大液壓固有頻率。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，通過機械反響，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。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、工作平安可靠、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，電子產品輸送、自動插接，彈藥生產自動化等方面獲得大量應用。氣動驅動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結構；3-5個自由度；負荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復定位精度為+/-0.1-0。5mm。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器〔PLC〕。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅動系統(tǒng)大體由以下幾局部組成。1.氣源由總壓縮空氣站提供。氣源局部包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水別離器，調壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。2.氣動三聯(lián)件由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是別離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結構。不管是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。3.氣動閥氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調速閥、減壓閥等。4.氣動執(zhí)行機構多數(shù)情況下使用氣缸〔直線氣缸或擺動氣缸〕。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外〔如手爪機構上用的〕，多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機器人機構的連接方式〔如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等〕由設計機器人時根據結構要求而定。氣缸的內徑，行程大小可根據對機器人的運動分析和動力分析進行計算。為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發(fā)訊，進行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比擬多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構上。5.制動器氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。6.限位器氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關發(fā)訊。根據要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于20ms，在機器人中應用比擬理想。當氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構〔插鎖，滑塊等〕將機器人運動機構鎖定。再啟動時，事先翻開鎖緊機構。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)。其驅動原理方塊圖如下所示：在機器人驅動系統(tǒng)中應用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機〔力矩電機〕，反響式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結合，實現(xiàn)局部組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅動單元。為了提高機器人的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅動電動機，并將多級旋轉變壓器組合在一起，這種旋轉變壓器每轉可達40-60萬個脈沖，這種直接驅動的電機〔DD驅動電機〕在快速高精度定位的裝配機器人中已經得到應用。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、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關各類驅動電動機主要特點及性能、結構特點、用途及使用范圍、適用的驅動器見表2-1：表2-1名稱主要特點及性能結構特點用途及使用范圍驅動器小慣量直流永磁伺服電動機電機的慣量小，理論加速度大，快速反響性好，低速性好，調速比可達1：10e4范圍，但低速輸出力矩不大，轉子直徑小，慣量小適用于對快速性要求嚴格而負載力矩不大的場合直流PWM伺服驅動器SCR變壓驅動器有刷繞組永磁直流伺服電動機轉動慣量小，快速響應性能好；轉子無鐵損，效率高；換向性能好，壽命長；負載波動對轉速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。無鐵心，具有軸向平面間隙可頻繁起制動、正反轉工作，響應迅速，適用于機器人，數(shù)控等直流PWM伺服驅動器，SCR變壓驅動器大慣量永磁直流伺服電動機輸出力矩大，轉矩波動小，機械特性硬度大，可以長時間工作在堵轉條件下又稱力矩電機，其轉子較粗適用于驅動力矩較大的場合，因可不用齒輪傳動，消除了齒輪間隙直流PWM伺服驅動器，SCR變壓驅動器表2-1續(xù)表反響步進電機將電脈沖信號直接轉換成轉角，轉角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大電機轉子無轉租，由永磁體構成轉子磁極用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機床、機器人；開環(huán)控制直流PWM伺服驅動器SCR變壓驅動器同步交流伺服電動機轉速與定子繞組所建立的旋轉磁場嚴格同步；從低度到高速，定子繞組可通過大電流，故起、制動轉矩不降低，可頻繁起、制動轉子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉子比擬細主要用于中小容量的伺服驅動系統(tǒng)中，如數(shù)控、機器人等系統(tǒng)中交流PWM變頻調速器異步交流伺服電動機轉速永遠低于定子繞組所建立的旋轉磁場，機構簡單，容量大，價格低定子由對稱三相繞組組成，用于數(shù)控機床主軸等容量大的場合交流PWM變頻調速器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品中用做直流伺服電機的驅動?！?〕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局部組成。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上下壓驅動電路。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?shù)竭_步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓參加的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。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，故采用步進電機驅動來實現(xiàn)；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。2.8機器人手臂的平衡機構設計直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身可能到達平衡。關節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。機器人平衡機構的形式通常，機器人所采用的平衡機構主要有以下幾種：1.配重平衡機構這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機器人手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機器人手臂的不平衡力矩比擬小的情況下采用這種平衡機構。2.彈簧平衡機構彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。3.活塞推桿平衡機構活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比擬大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。設計具體采用的方案因為本設計機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身盡可能到達平衡。假設實際工作中平衡結果不滿足，那么設置彈簧平衡機構進行平衡。第3章理論分析和設計計算3.1液壓傳動系統(tǒng)設計計算確定液壓系統(tǒng)根本方案液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：表3-1名稱特點適用場合雙活塞桿液壓缸雙向對稱雙向工作的往復場合單活塞桿液壓缸有效工作面積大、雙向不對稱往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進柱塞缸結構簡單單向工作，靠重力或其它外力返回擺動缸單葉片式小于360雙葉片式小于180小于360的擺動；小于180的擺動齒輪馬達結構簡單、價格廉價高轉速、低轉矩的回轉運動葉片馬達體積小、轉動慣量小高速低轉矩、動作靈敏的回轉運動擺線齒輪馬達體積小、輸出轉局大低速、小功率大轉矩的回轉運動軸向柱塞馬達運動平穩(wěn)、轉矩大、轉速范圍寬大轉矩的回轉運動徑向柱塞馬達轉速低，結構復雜，輸出轉矩大低速大轉矩回轉運動本設計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有3個自由度，一個轉動，兩個移動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現(xiàn)，剩下的兩個運動均為直線運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速。本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調速，主要方式是采用比擬簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。液壓源系統(tǒng)的設計液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用平安閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，防止液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。繪制液壓系統(tǒng)圖本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示，它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的平安性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。圖3-1機械手的液壓系統(tǒng)原理圖確定液壓系統(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。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。〔1〕.計算液壓缸的總機械載荷根據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\*GB3①的計算〔3-2〕式中，------為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG；------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\*GB3②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\*GB3③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100KG；------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；帶入數(shù)據計算得：=98④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。⑵.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；-----平安系數(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，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，計算得計算驅動力計算公式為：〔3-8〕式中，-----為計算驅動力；---平安系數(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，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；經計算，所需的油壓約為：⑶.液壓缸主要參數(shù)確實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、平安性。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、采用適宜的調速回路和元件來實現(xiàn)。經過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的根本參數(shù)如下；表3-2手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內徑壁厚直徑行程工作壓力20520803~6注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調定。表3-3水平伸縮液壓缸參數(shù)缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010254001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擬大的工作行程。同時具有比擬大的彎矩和比擬長的行程，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。為了到達這個目的，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3-4垂直液壓缸參數(shù)缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010251001因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比擬大的傾覆力矩〔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。⑷.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