工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。通過對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。重點(diǎn)針對機(jī)械手的腰座、手

2、臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。主要包括三個方面：機(jī)械手腰部，大臂，小臂，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；PLC控制部分的設(shè)定。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；PLC控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In the modern large-scale man

3、ufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automat

4、ion production line, manipulators gradually approved and adopted by enterprises. Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of mani

5、pulator; design a kind of Cylin</p><p>　　Keywords: Manipulator; Structure; Hydraulic system; PLC control</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>&l

6、t;b>　　1.緒論1</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)目的1</b></p><p>　　1.2機(jī)械手的發(fā)展歷史2</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢2</p><p><b>　　1.4應(yīng)用領(lǐng)域3</b></p><p&g

7、t;　　2.機(jī)械手的整體方案5</p><p>　　2.1機(jī)械手坐標(biāo)形式分類5</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)方案6</b></p><p>　　2.3整體設(shè)計(jì)參數(shù)7</p><p>　　3.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8</p>

8、<p>　　3.2機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.3機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.4末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題14</p><p><b>　　4.

9、2減速箱14</b></p><p>　　4.3設(shè)計(jì)方案17</p><p>　　5.機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1液壓驅(qū)動系統(tǒng)18</p><p>　　5.2電動驅(qū)動系統(tǒng)19</p><p>　　5.3設(shè)計(jì)方案23</p><p>　　6.液壓系統(tǒng)

10、基本方案24</p><p>　　6.1液壓執(zhí)行元件24</p><p>　　6.2液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路25</p><p>　　6.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)25</p><p>　　6.4繪制液壓系統(tǒng)圖26</p><p>　　7.理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算28</p><p>　　7.1液

11、壓系統(tǒng)的主要參數(shù)28</p><p>　　7.2計(jì)算和選擇液壓元件33</p><p>　　8.機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)39</p><p>　　8.1機(jī)械手控制要求39</p><p>　　8.2機(jī)械手的作業(yè)流程39</p><p>　　8.3機(jī)械手操作面板布置41</p><p>

12、　　8.4控制器的選型42</p><p>　　8.5控制系統(tǒng)原理分析42</p><p>　　8.6 PLC外部接線設(shè)計(jì)43</p><p>　　8.7 I/O地址分配44</p><p>　　9.機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)46</p><p><b>　　結(jié)論47</b></p&

13、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)48</b></p><p><b>　　致謝50</b></p><p>　　附錄1英文文獻(xiàn)譯文51</p><p>　　1.1英文文獻(xiàn)51</p><p><b>　　1.2譯文59</b></p>&

14、lt;p><b>　　附錄2程序66</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)

15、算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸。［1］目前，機(jī)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(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加

16、工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)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(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到</p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)目的</b></

17、p><p>　　通過機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)大學(xué)四年知識的學(xué)習(xí),進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì),可以更好地鞏固所學(xué)的課程，,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。</p><p>　　目前,國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上機(jī)床裝卸工件仍由人工完成,勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù),設(shè)計(jì)用一個裝卸機(jī)械手代替人工工作,以提高勞動

18、生產(chǎn)率。</p><p>　　本機(jī)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(shí)現(xiàn)過程無人自動化。目前,中國的制造業(yè)發(fā)展迅速,越來越多的制造業(yè),越來越多的生產(chǎn)制造商。這個設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到加工廠車間,滿足數(shù)控機(jī)床和加工中心加工、安裝和卸載加工要求,以降低勞動強(qiáng)度,節(jié)省加工輔助時間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。［3］</p><p>　　1.2機(jī)械手的發(fā)展歷史</p>

19、<p>　　機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算

20、法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能。</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢</p><p>　　目前，在國內(nèi)

21、外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：</p><p>　　A．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。</p><p>　　B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)

22、的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　C．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系

23、列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； </p><p>　　E．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。</p><p>　　總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相

24、對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。</p><p><b>　　1.4應(yīng)用領(lǐng)域</b></p><p>　　工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機(jī)器手在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）的制造等。化工等

25、行業(yè)自動化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的,如圖1.1。</p><p>　　軍事領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些相對較為危險的任務(wù)，比如，無人偵察機(jī)、拆除炸彈等。還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程及后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，去從事更加重要的工作。</p><p>　　醫(yī)療領(lǐng)域：主要用來輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工

26、作，以及協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。</p><p>　　圖1.1 工業(yè)機(jī)械手</p><p>　　2.機(jī)械手的整體方案</p><p>　　2.1機(jī)械手坐標(biāo)形式分類</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。其結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。&

27、lt;/p><p>　　直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖a。由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)

28、及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。</p><p>　　球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖c。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單

29、、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。</p><p>　　關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。</p><p>

30、　　圖2.1關(guān)節(jié)型機(jī)械手類型</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，直徑160MM。同時考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)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(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運(yùn)動,

31、另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運(yùn)動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 機(jī)械手工作布局圖</p><p><b>　　2.3整體設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　1.水平伸

32、縮位移：0～400mm</p><p>　　水平伸縮速度: 50mm/s</p><p>　　重復(fù)定位精度：+/-1mm</p><p>　　2.垂直升降位移：100mm</p><p>　　垂直升降速度：200mm/s</p><p>　　重復(fù)定位精度：+/-1mm</p><p>　　3.回

33、轉(zhuǎn)速度：45°/s</p><p>　　4.最大持重：30KG（可隨液壓系統(tǒng)壓力適當(dāng)增大）</p><p>　　5.驅(qū)動方式：電液混合驅(qū)動</p><p>　　6.液壓油：石油基液壓油</p><p>　　7.控制方式：PLC</p><p><b>　　8.自由度數(shù)：3</b><

34、/p><p>　　9.結(jié)構(gòu)型式：圓柱坐標(biāo)型式</p><p>　　10.整機(jī)重量：約180KG</p><p>　　11.電源：220VAC/24VDC</p><p><b>　　3.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3

35、.1.1腰座設(shè)計(jì)要求</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計(jì)原則：</p><p>　　1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.腰座

36、要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。</p><p>　　3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。</p><p>　　4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度

37、與位置傳感器，以及制動器。</p><p><b>　　3.1.2設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因?yàn)殡妱臃绞娇刂频木饶軌蚝芨?，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外輔助元件。考慮到腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)

38、運(yùn)動。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用減速箱進(jìn)行減速和扭矩的放大。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：</p><p><b>　　圖3.1 基座結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　3.2機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　機(jī)器人手臂的作用，是在一定

39、的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時，要遵循下述原則：</p><p>　　1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。</p><p>　　2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的

40、關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。</p><p>　　3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。</p><p>

41、;<b>　　3.2.2設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動都為直線運(yùn)動。直線運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。考慮到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同時考慮到機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)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(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓

42、缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運(yùn)動件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。</p><p>　　因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。</p><p>　　同時，因?yàn)榭?/p>

43、制和具體工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。</p><p>　　3.3機(jī)械手腕部結(jié)

44、構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)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(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。</p>&l

45、t;p>　　2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。</p><p>　　3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。</p><p>　　4.機(jī)器人的手腕機(jī)

46、構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞</p><p><b>　　3.3.2設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由

47、度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。</p><p>　　3.4末端執(zhí)行器（手爪）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.4.1設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。</p><p>　　在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題：</p>&

48、lt;p>　　1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)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(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。［10］</p><p>　　2.機(jī)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(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。</p><

49、p>　　3.4.2夾持器典型結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1.楔塊杠桿式手爪</b></p><p>　　利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。</p><p>　　2.滑槽式手爪 </p><p>　　當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開

50、。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。</p><p><b>　　3.連桿杠桿式手爪</b></p><p>　　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(yùn)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。</p><p><b>　　4.齒輪齒條式手爪</b><

51、;/p><p>　　這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。</p><p><b>　　5.平行杠桿式手爪</b></p><p>　　采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。</p><p><b>　　3.4

52、.3設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用齒輪齒條式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為160mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3.2所示：</p><p><b>　　圖3.2 手爪</b></p><

53、;p>　　4.機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題</p><p>　　機(jī)械手是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動型機(jī)器人以外，機(jī)械手各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的。機(jī)械手所采用的傳動機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)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

54、接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。</p><p>　　在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)時要注意以下問題：</p><p>　　1.為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度及控制精度，要求機(jī)械手各運(yùn)動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)械手

55、的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。</p><p>　　2.在傳動鏈及運(yùn)動副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動誤差。</p><p>　　3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)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(dǎo)向支承部件。</p><p><b>　　4.2減

56、速箱</b></p><p>　　減速器是原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置，如圖4.1，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。</p><p><b>　　圖4.1 減速箱</b></p><p>　　選用減速器時應(yīng)根據(jù)工作機(jī)的選用條件，技術(shù)參數(shù)，動力機(jī)的性能，經(jīng)濟(jì)性等因素，比較不同類型、品種減速器的外廓尺寸，傳動效率，承載

57、能力，質(zhì)量，價格等，選擇最適合的減速器。減速器是一種相對精密的機(jī)械，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　1.齒輪、軸及軸承組合</p><p>　　小齒輪與軸制成一體，稱齒輪軸，這種結(jié)構(gòu)用于齒輪直徑與軸的直徑相關(guān)不大的情況下，如果軸的直徑為d，齒輪齒根圓的直徑為df，則當(dāng)df-d≤6～7mn時，應(yīng)采用這種結(jié)構(gòu)。而當(dāng)df-d>6～7mn時，采用齒輪與軸分開為兩個零件

58、的結(jié)構(gòu)，如低速軸與大齒輪。此時齒輪與軸的周向固定平鍵聯(lián)接，軸上零件利用軸肩、軸套和軸承蓋作軸向固定。兩軸均采用了深溝球軸承。這種組合，用于承受徑向載荷和不大的軸向載荷的情況。當(dāng)軸向載荷較大時，應(yīng)采用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承與推力軸承的組合結(jié)構(gòu)。軸承是利用齒輪旋轉(zhuǎn)時濺起的稀油，進(jìn)行潤滑。箱座中油池的潤滑油，被旋轉(zhuǎn)的齒輪濺起飛濺到箱蓋的內(nèi)壁上，沿內(nèi)壁流到分箱面坡口后，通過導(dǎo)油槽流入軸承。當(dāng)浸油齒輪圓周速度υ≤2m/s時，應(yīng)采用

59、潤滑脂潤滑軸承，為避免可能濺起的稀油沖掉潤滑脂，可采用擋油環(huán)將其分開。為防止?jié)櫥土魇Ш屯饨缁覊m進(jìn)入箱內(nèi)，在軸承端蓋和外伸軸之間裝有密封元件。</p><p><b>　　2.箱體</b></p><p>　　箱體是減速器的重要組成部件。它是傳動零件的基座，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。</p><p>　　箱體通常用灰鑄鐵制造，對于重載或有沖擊載荷

60、的減速器也可以采用鑄鋼箱體。單體生產(chǎn)的減速器，為了簡化工藝、降低成本，可采用鋼板焊接的箱體。</p><p>　　灰鑄鐵具有很好的鑄造性能和減振性能。為了便于軸系部件的安裝和拆卸，箱體制成沿軸心線水平剖分式。上箱蓋和下箱體用螺栓聯(lián)接成一體。軸承座的聯(lián)接螺栓應(yīng)盡量靠近軸承座孔，而軸承座旁的凸臺，應(yīng)具有足夠的承托面，以便放置聯(lián)接螺栓，并保證旋緊螺栓時需要的扳手空間。為保證箱體具有足夠的剛度，在軸承孔附近加支撐肋。為保

61、證減速器安置在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性并盡可能減少箱體底座平面的機(jī)械加工面積，箱體底座一般不采用完整的平面。</p><p><b>　　3.減速器附件</b></p><p>　　為了保證減速器的正常工作，除了對齒輪、軸、軸承組合和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給予足夠的重視外，還應(yīng)考慮到為減速器潤滑油池注油、排油、檢查油面高度、加工及拆裝檢修時箱蓋與箱座的精確定位、吊裝等輔助零件和部件的合

62、理選擇和設(shè)計(jì)。檢查孔為檢查傳動零件的嚙合情況，并向箱內(nèi)注入潤滑油，應(yīng)在箱體的適當(dāng)位置設(shè)置檢查孔。檢查孔設(shè)在上箱蓋頂部能直接觀察到齒輪嚙合部位處。平時，檢查孔的蓋板用螺釘固定在箱蓋上。通氣器減速器工作時，箱體內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓力增大，為使箱內(nèi)熱脹空氣能自由排出，以保持箱內(nèi)外壓力平衡，不致使?jié)櫥脱胤窒涿婊蜉S伸密封件等其他縫隙滲漏，通常在箱體頂部裝設(shè)通氣器。軸承蓋為固定軸系部件的軸向位置并承受軸向載荷，軸承座孔兩端用軸承蓋封閉。軸承蓋

63、有凸緣式和嵌入式兩種。利用六角螺栓固定在箱體上，外伸軸處的軸承蓋是通孔，其中裝有密封裝置。凸緣式軸承蓋的優(yōu)點(diǎn)是拆裝、調(diào)整軸承方便，但和嵌入式軸承蓋相比，零件數(shù)目較多，尺寸較大，外觀不平整。</p><p><b>　　4.3設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂、垂直手臂和手爪，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，

64、又是動力元件。故不需要中間傳動機(jī)構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。</p><p>　　機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，必須采用傳動機(jī)構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪箱傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。采用大的傳動比120，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。隨著減速箱的廣泛應(yīng)用，已

65、經(jīng)成為標(biāo)配，可以直接按型號選擇。硬齒面減速機(jī)是按照國家標(biāo)準(zhǔn)（Gb19004-88）生產(chǎn)的，主要包括ZDY（單級）、ZLY（兩級）、ZSY（三級）和ZFY（四級）四大系列。本設(shè)計(jì)選用三級傳動即可，見圖4.2，性能特點(diǎn)：</p><p>　　1.中心距，傳動比等主要均經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要零、部件互換性好。</p><p>　　2.齒輪均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼滲碳、淬火而成，齒輪硬度達(dá)HRC58-62。&l

66、t;/p><p>　　3.體積小、重量輕、精度高、承載能力大、壽命長、可靠性高、傳動平穩(wěn)、噪音低。</p><p>　　4.一般采用油池潤滑，自然冷卻，當(dāng)熱功率不能滿足時，可采用循環(huán)油潤滑或風(fēng)扇，冷卻盤管冷卻。</p><p>　　圖4.2 硬齒面減速箱</p><p>　　5.機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><

67、;b>　　5.1液壓驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機(jī)器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機(jī)器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟(jì)型、重型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。</p><p>　　液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行

68、功率放大，對液壓動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)器人手臂按給定的運(yùn)動規(guī)律動作。液壓動力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很少。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。［4］</p><p>　　1.程序控

69、制機(jī)器人的液壓系統(tǒng)</p><p>　　這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。這類機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面：</p><p>　?。?）液壓缸設(shè)計(jì)：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。</p><p>　　

70、（2）定位點(diǎn)的緩沖與制動：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)動慣量比較大，在定位點(diǎn)前要加緩沖與制動機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。</p><p>　　2.伺服控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng)</p><p>　　具有點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機(jī)器人，需要采用電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其電-液轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)可組成電-液伺服馬達(dá)，電-液伺服液壓缸，電-液步進(jìn)

71、馬達(dá)，電-液步進(jìn)液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器等各種電-液伺服動力機(jī)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，電-液伺服馬達(dá)和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機(jī)構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。</p><p><b>　　5.2電動驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　這些年來，針對機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床

72、等自動機(jī)械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機(jī)及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在100kg以下的工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。［5］</p><p>　　在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的電動機(jī)大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機(jī)，有刷繞組永磁直流伺服電動機(jī)，大慣量永磁直流伺服電動機(jī)（力矩電機(jī)），反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，同

73、步式交流伺服電動機(jī)，異步式交流伺服電動機(jī)。</p><p>　　速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機(jī)，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機(jī)可與測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機(jī)驅(qū)動單元。［8］</p><p>　　1.機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的選擇</p><p>　　機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的選擇要根據(jù)機(jī)器人的用途、

74、功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合各類電機(jī)自身的特點(diǎn)、性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能價格比等綜合考慮進(jìn)行。根據(jù)機(jī)器人各運(yùn)動軸所計(jì)算的、要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)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(jī)型號。［6］有關(guān)各類驅(qū)動電動機(jī)主要特點(diǎn)及性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表5.1。</p><p><b>　　表5.1 驅(qū)動電機(jī)</b></p><p>　　2.機(jī)器人

75、電動驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動器</p><p>　　（1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動器</p><p>　　直流伺服電機(jī)驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的開關(guān)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(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功

76、率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。</p><p>　　PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動。</p><p>　　（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)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

77、起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進(jìn)電機(jī)。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)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(qū)動步進(jìn)電機(jī)。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。這種電路有高、低壓二組電源。當(dāng)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(dāng)達(dá)到步進(jìn)電機(jī)額定電流時僅以低

78、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(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　5.3設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；同時考慮隨著機(jī)床加工的工件的不同，水平手臂伸出

79、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(jìn)行驅(qū)動。</p><p>　　而手爪的張開和夾緊通過液壓缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn)，即手爪在液壓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。</p><p>　　6.液壓系統(tǒng)基本方案</p><p><b>　　6.1液壓執(zhí)行元件</b>&

80、lt;/p><p>　　液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。二者的特點(diǎn)及適用場合見表6.1</p><p>　　表6.1 液壓執(zhí)行原件</p><p>　　本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。同時考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰

81、部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個運(yùn)動均為直線運(yùn)動。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。</p><p>　　6.2液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路</p><p>　　液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動方向和運(yùn)動速度的控制是液壓回路的核心問題。</p><p>　　方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向

82、閥的有機(jī)組合來實(shí)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(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　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(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。［2］</p><p>　　本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。&

83、lt;/p><p>　　6.3液壓源系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)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(jīng)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(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。</p><p>　　油液的凈化

84、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(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)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。［11］</p><p>　　本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，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

85、油進(jìn)行凈化。</p><p>　　6.4繪制液壓系統(tǒng)圖</p><p>　　本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖6.1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(jī)構(gòu)。</p><p>　　其中，泵由三相交流異步電動機(jī)M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。</p><p>

86、;　　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(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入液壓缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT得電時，工作液體進(jìn)入液壓缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。</p><p>　　另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時有使運(yùn)動速度加快的趨勢，為使運(yùn)動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構(gòu)成的平衡回路

87、相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。</p><p><b>　　圖6.1 液壓系統(tǒng)</b></p><p>　　7.理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　7.1液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)</p><p>　　液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)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

88、液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。［14］</p><p>　　1.液壓缸的總機(jī)械載荷</p><p>　　根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為</p><p><b>　?。ㄊ?.1）</b></p><p>　　式中， -----為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o外載荷，故為0；</p><p>

89、;　　------為活塞上所受的慣性力；</p><p>　　------為密封阻力；</p><p>　　------為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；</p><p>　　------為回油被壓形成的阻力；</p><p><b>　?。?）的計(jì)算</b></p><p><b>　?。ㄊ?.2

90、）</b></p><p>　　式中， ------為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG；</p><p>　　------為重力加速度， ；</p><p>　　------為速度變化量；</p><p>　　------啟動或制動時間，一般為0.01~0.5，取0.2s</p><p>　　將各值

91、帶入上式，得：=1.02</p><p><b>　?。?）的計(jì)算</b></p><p><b>　　（式7.3）</b></p><p>　　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(guān)手冊取=0.2 ；</p><p>　　------為進(jìn)油工

92、作腔有效面積； </p><p>　　啟動時： 565N</p><p>　　運(yùn)動時： =283N</p><p><b>　?。?）的計(jì)算</b></p><p>　　機(jī)械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為</p><p>

93、;<b>　?。ㄊ?.4）</b></p><p>　　式中，------為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG；</p><p>　　------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =98</p><p><b>　　（4）的計(jì)算</b></p

94、><p>　　回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算</p><p><b>　?。ㄊ?.5）</b></p><p>　　式中，-----為回油背壓，一般為0.3~0.5 ，取=0.3 </p><p>　　-----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；</p><p><b>　　將各值帶入上式

95、有，</b></p><p>　　分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為</p><p><b>　　。</b></p><p>　　2.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算</p><p>　　手爪要能抓起工件必須滿足： </p><p><b>　?。ㄊ?.6）&

96、lt;/b></p><p>　　式中，-----為所需夾持力；</p><p>　　-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；</p><p>　　-----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度，，為重力加速度；</p><p>　　-----方位系數(shù)，查表選??；</p><p>

97、;　　-----被抓持工件的重量 30；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；</p><p><b>　　理論驅(qū)動力的計(jì)算：</b></p><p><b>　?。ㄊ?.7）</b></p><p>　　式中，----為液壓缸所需理論驅(qū)動力；</p><p&

98、gt;　　----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；</p><p>　　-----為扇形齒輪分度圓半徑；</p><p>　　-----為手指夾緊力；</p><p>　　---齒輪傳動機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；</p><p>　　其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 </p><p>　　計(jì)算驅(qū)動力計(jì)算公式為：

99、 </p><p><b>　?。ㄊ?.8）</b></p><p>　　式中，-----為計(jì)算驅(qū)動力；</p><p>　　---安全系數(shù)，此處選1.2；</p><p>　　---工作條件系數(shù)，此處選1.1；</p><p>　　其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： </p><p

100、>　　而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有</p><p><b>　?。ㄊ?.9）</b></p><p>　　式中，---為液壓缸工作油壓；</p><p>　　----為活塞截面積；</p><p>　　經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為： </p><p>　　3.液壓缸主要參數(shù)確定&

101、lt;/p><p>　　針對本設(shè)計(jì)是一個機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)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(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(shè)計(jì)階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)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；</p><p>　　手爪執(zhí)行液

102、壓缸參數(shù)表7.1:</p><p>　　表7.1：手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù)</p><p>　　注：手爪液壓缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。</p><p>　　水平伸縮液壓缸參數(shù)表7.2:</p><p>　　表7.2水平伸縮液壓缸參數(shù)</p><p>　　因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動這個運(yùn)動形式，在其軸向上并不承受

103、顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，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(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因?yàn)闄C(jī)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。</p><p>　　因此，在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。

104、為了達(dá)到這個目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導(dǎo)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。</p><p>　　垂直液壓缸參數(shù)表7.3:</p><p>　　表7.3 垂直液壓缸參數(shù)</p><p>　　因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的

105、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(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了這一問題。［13］</p><p>　　4.液壓缸強(qiáng)度的較核</p><p>　　（1）缸筒壁厚的較核</p><p>　　當(dāng)

106、D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下：</p><p>　?。ㄊ?.20） </p><p>　　式中，----為缸筒內(nèi)徑；</p><p>　　----為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取為；</p><p>　　----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處??；</p>

107、<p>　　帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。</p><p>　?。?）活塞桿直徑的較核</p><p>　　活塞桿直徑的較核公式為</p><p><b>　?。ㄊ?.11）</b></p><p>　　式中， -----為活塞桿上作用力；</p><p>　　--

108、---為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。</p><p>　　7.2計(jì)算和選擇液壓元件</p><p><b>　　1.液壓泵的計(jì)算</b></p><p>　?。?）確定液壓泵的實(shí)際工作壓力</p><p>&l

109、t;b>　?。ㄊ?.12）</b></p><p>　　式中，-------計(jì)算工作壓力，前以定為；</p><p>　　------對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5~1.5），這里取為1。</p><p>　　因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為</p><p>　?。?）確定液壓泵的流量</p>

110、<p><b>　　（式7.13）</b></p><p>　　式中，------為泄露因數(shù)，取1.1；</p><p>　　-----為機(jī)械手工作時最大流量。</p><p>　　經(jīng)計(jì)算得 =3.140</p><p>　　帶入上式得 </p><p>　　

111、（3）確定液壓泵電機(jī)的功率</p><p><b>　?。ㄊ?.14）</b></p><p>　　式中，------為最大運(yùn)動速度下所需的流量，同前，取為3.140；</p><p>　　-------液壓泵實(shí)際工作壓力，5；</p><p>　　------為液壓泵總效率，取為0.8；</p><

112、p>　　帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =。</p><p><b>　　2.控制元件選型</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進(jìn)行詳細(xì)，這里暫從略。</p><p>　　3.油管及其他輔助裝置的選型</p>

113、<p>　　（1）查閱設(shè)計(jì)手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù)</p><p>　　液壓泵出口流量以3.140L/MIN計(jì)，選??；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；</p><p>　　（2）確定油箱的容量</p><p>　　一般取泵流量的3~5倍，這里取為5倍，有效容積為</p><p>　　7.3 電機(jī)相關(guān)參數(shù)和選型

114、</p><p>　　1.若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）則有</p><p>　　負(fù)載額定功率： （式7.15） </p><p>　　負(fù)載加速功率： （式7.16）</p><p>　　負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）：</p><p><b&g

115、t;　?。ㄊ?.17）</b></p><p>　　負(fù)載（折算到電機(jī)軸）： </p><p><b>　　（式7.18）</b></p><p>　　起動時間： </p><p><b>　?。ㄊ?.19）</b></p><p>　　制動時間：

116、 </p><p><b>　?。ㄊ?.20）</b></p><p>　　2.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動</p><p>　　負(fù)載額定功率： （式7.21） </p><p>　　負(fù)載加速功率： （式7.22） </p><p>