三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人設計含proe三維仿真及10張CAD圖

三自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人設計含proe三維仿真及10張CAD圖,自由度,圓柱,坐標,工業(yè),機器人,設計,proe,三維,仿真,10,cad 摘要 機器人，也稱為自動手，模仿手和手臂的一些動作功能，用于在固定程序中抓握，移動物體或工具。 本次設計中首先分析了工業(yè)機器人的結構原理，經過分析最后得出了本次設計中所要應用的最佳方案為三自由度圓柱坐標型，然后通過設計計算，設計并選擇各種零部件，并對其強度進行了一個分析，最后使用三維繪圖軟件優(yōu)化了結構，并對機器人結構進行了建模。 完成本次設計使我對大學所學的專業(yè)知識有了更深的理解，如：材料力學、理論力學、機械制造、公差與互換性理論、機械原理、機械制圖、機械設計等；對機械產品設計方法有所掌握，而且能熟練的應用AutoCAD軟件，這對我今后的生活與工作具有重要意義。 關鍵字：工業(yè)機器人，三自由度，圓柱坐標，建模，機械設計 Abstract Robots, also known as automatic hands, imitate some of the action functions of hands and arms, and are used to grasp, move objects or tools in fixed programs. Firstly, the structure principle of industrial robot is analyzed in this design. Finally, the best scheme to be applied in this design is three-degree-of-freedom cylindrical coordinate. Then, through design calculation, various parts and components are designed and selected, and their strength is analyzed. Finally, the structure is optimized by using three-dimensional drawing software, and the structure of the robot is modeled. 。 The completion of this design enables me to have a deeper understanding of the professional knowledge I have learned in university, such as material mechanics, theoretical mechanics, mechanical manufacturing, tolerance and interchangeability theory, mechanical principle, mechanical drawing, mechanical design, etc. I have a good grasp of the design method of mechanical products, and can skillfully apply AutoCAD software, which is of great significance to my future life and work. Key words: industrial robots, three degrees of freedom, cylindrical coordinates, modeling, mechanical design 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機器人概述 1 1.2.1機器人的組成 1 1.2.2機器人的分類 2 1.3 國內外發(fā)展狀況 2 第2章 總體方案設計 3 2.1 設計要求 3 2.1.1 動作要求 3 2.1.2參數(shù)要求 3 2.2方案設定 3 2.2.1初步分析 3 2.2.2 擬定方案 3 第3章 機器人手部設計 5 3.1手部分析 5 3.2夾緊力及驅動力設計的計算 6 3.3 夾緊油缸的參數(shù)的b選用 7 3.4手抓的設計 7 第4章 機器人臂部設計 10 4.1臂部整體設計 10 4.2手臂伸縮驅動力計算 11 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 11 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 12 4.2.3手臂慣性力的計算 12 4.3手臂伸縮油缸的設計 12 4.3.1確定液壓缸的結構尺寸 13 4.3.2液壓缸外徑的設計 13 4.3.3活塞桿的計算校核 14 4.3.4 油缸端蓋的設計 15 第5章 機器人機身設計 16 5.1 機身的整體設計 17 5.2回轉機構的設計 17 5.2.1回轉缸驅動力矩的計算 17 5.2.2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 18 5.3機身升降機構的設計 20 5.3.1手臂片重力矩的計算 20 5.3.2升降導向立柱不自鎖條件 21 5.3.3升降油缸驅動力的計算 21 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 22 第6章 機器人液壓及控制系統(tǒng)設計 23 6.1液壓系統(tǒng)方案擬定 23 6.1.1調速回路方案分析 23 6.1.2 快進回路b方案分析 25 6.1.3夾緊回路的選擇 27 6.2液壓元件的計算和選擇 28 6.2.1液壓泵 28 6.2.2確定油箱容量 29 6.2.3液壓元件的選擇 29 6.3液壓系統(tǒng)性能驗算 30 6.3.1驗算回路中的壓力損失 30 6.3.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 31 第7章 基于Pro/E的三維設計 33 7.1 Pro/E三維設計軟件概述 33 7.2三維設計 34 7.2.1升降缸體 34 7.2.2伸縮缸體 34 7.2.3轉動缸體 34 7.2.4支座 35 7.2.5總成三維裝配 35 7.3仿真分析 36 7.3.1 Pro/E仿真介紹 36 7.3.2仿真 37 總 結 40 參考文獻 41 致 謝 42 IV 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，因為人工老本和技術問題，國際機床仍采納手動裝卸。 它不僅效率低，而且可能影響產品的質量和人工健康。 人類對生產線自動化水平的不斷提高，過去人工操作已不滿足現(xiàn)狀。因而，設計機器人以替代人工進行上下料的操作就變得非常重要，需要我們去借鑒和學習機器人技術。本設計就是根據這一工程應用需求，設計上下料機器人構造，并對其進行運動學剖析。 自21世紀起，工業(yè)機器人的研討取得了不錯的開展，它是機械制造、自動控制、人工智能、傳感技術于一體的先進設備，因此機器人的出現(xiàn)，在提高現(xiàn)代化工廠的自動化程度、提高生產率、改善生產質量都具有現(xiàn)實意義。 隨著社會消費的始終提高和人們生活節(jié)拍的加快，人們不斷提出生產效率的新要求。由于軟件和硬件技術的飛速發(fā)展和指導理論的不斷完善，機器人技術得到了迅速發(fā)展。液壓機器人系統(tǒng)因其介質來源簡單，對環(huán)境無污染，零部件成本低，維護方便，在各個行業(yè)和領域中的地位已無可取代。本文介紹的液壓機器人主要組成有：氣動控制機器人，XY軸螺桿組，轉盤機構，旋轉底座。主要用于各種生產線或物流線上，對機械部件進行處理，使零件處理和貨物運輸更快捷，更方便。 機器人可以模擬人體手臂運動的一部分，根據預定的程序，軌跡和其他要求，來掌握，運輸工件或操縱工具。 這為機器人大規(guī)模進入市場開辟了不錯的條件。 1.2機器人概述 機器人也被稱為自動手能模擬人手和臂的某些舉措性能，它可以讓工人不用雙手去完成的復雜的機械工作和一些自動去完成的工作流程，在有損害人身體的環(huán)境中進行工作，這樣可以保護人身安全，它會依照程序實現(xiàn)抓取、搬運物件或操作工具的自動操作安裝。因此普遍應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及液壓技術本身的一些優(yōu)點，液壓機器人已經普遍應用在生產自動化的各個行業(yè)。 1.2.1機器人的組成 機器人主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 機械系統(tǒng)包括工件的抓取，滿足各種運動條件?？刂葡到y(tǒng)通過對運動的控制，按規(guī)定要求進行工作，出現(xiàn)問題，發(fā)出警報。檢測系統(tǒng)，根據運動的反饋與設定的進行比較，保證運動行走安全。 1.2.2機器人的分類 機器人的種類，按驅動方式可分為液壓式、電動式、機械式機器人；這三種方式各有優(yōu)缺，通過對輸出功率、控制性能，響應速度三個因素分析，液壓機器人與其他兩種進行比較輸出功率很大，可實現(xiàn)無極變速，響應速度也快。因此，綜合考慮，本文采用了液壓式機器人。 1.3 國內外發(fā)展狀況 二十世紀六十年代研制出世界上第一臺機器人在美國聯(lián)合控制公司出產。設計者在它的機體上設置了一個回轉長臂、工件抓取機構和示教形的控制系統(tǒng)。 二十世紀六十年代，該公司在第一代機器人的基礎上又開發(fā)了一臺名為Unimate（即萬能自動）的數(shù)控示教再現(xiàn)型機器人。其運動系統(tǒng)模仿坦克炮塔；控制系統(tǒng)中的存儲裝置使用磁鼓；通過液壓驅動，長臂可以實現(xiàn)伸縮、回轉、俯仰的動作。后來的球坐標機器人大部分都是在該機器人基礎上開發(fā)出來的。。 在Unimate機器人研制成功的同一年，美國機械制造公司也推出了自己研制的機器人：Vewrsatran。該機器人的運動通過液壓驅動控制，它具有可伸縮、旋轉的中央立柱和示教再現(xiàn)型的控制系統(tǒng)。之后國內外工業(yè)機器人發(fā)展都是以這兩種機器人為基礎。 二十世紀六十年代末， Unimate公司聯(lián)合斯坦福大學和麻省理工學院推出一種新型工業(yè)機器人：Unimate-Vicarm。首次機器人去進行裝配的工作，在這個工業(yè)的機器人的控制系統(tǒng)中，裝上小型電子的計算機，這樣工作的定位準確值差異范圍在±1毫米之內。 KnKa公司推出了一種點焊機器人，該機器人設計為關節(jié)式結構，機器人的動作采用程序控制。日本是工業(yè)機器人在日本的發(fā)展最快、應用最多。 目前，最常用的機器人還是主要依靠工人進行控制得第一代工業(yè)機器人；減少成本和提高精度是第一代工業(yè)機器人的改善方向。第二代機器人還在研發(fā)改進中，它利用微型電子計算機作為機器人的控制系統(tǒng)，同時具備機器視覺和機器觸覺，甚至還具備聽、說和思考的能力。是機器人感覺機能主要是利用各種傳感器，傳感器將取得的各種信息反饋給機器人，使機器人具備了各種 ‘感覺’能力。第三代機器人具備獨立地完成工作中過程中出現(xiàn)的各種任務的能力。機器人要一直保持聯(lián)系的設備是電視機和電子計算機，并且一步步的進展成為制作柔和的系統(tǒng)簡稱FMS和柔性制造單元簡稱FMC中的重要的一環(huán)。 國內的生產的公司一般采用專用機器人進行工作，這種機器人附屬于一臺設備，它的工作是提前設計好的。常用的通用機器人開關式點位控制型有也有發(fā)展，目前應用的都是開關式點位控制型、伺服型和連續(xù)軌跡控制型。觸點固定程序控制是最常用的工業(yè)機器人控制方式，專用機器人多采用這種控制。 第2章 總體方案設計 2.1 設計要求 2.1.1 動作要求 快速，精準抓取、放置和移動物體，且具有高精度、速度快、能實現(xiàn)預定的位置，不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象、靈活的自由度以及能自動定位。 2.1.2參數(shù)要求 主要參數(shù)如下： （1） 最大工作半徑約為300mm； （2） 升降距離100mm，回轉距離范圍210度； （3） 平均移動速度3m/s； （4）手臂的最大抓取量：15kg。 2.2方案設定 2.2.1初步分析 機器人能提取分量為15kg和按工業(yè)機器人的分類和用處，該機器人契合中型通用機器人，有許多長處：根據一開始設想的規(guī)則、流程及先后步驟，要可以在環(huán)境比較差的環(huán)境，比如危險系數(shù)高，同時溫度也高的工作環(huán)境去進行長時間的工作，保障了生產安全，提高了工作環(huán)境，滿足中小批量自動化生產的需求。圓柱坐標式機器人與直角坐標式械手進行對比，占地面積小而活動范圍大，構造較簡略，定位精度高等特點，被普遍使用。 2.2.2 擬定方案 (1)整體設計方案設定 依照要求本設計選擇三個自由度，滿足水平移動、垂直移動、和回轉運動，其結構簡圖如圖2-1： 圖2-1 結構簡圖 (2)整體結構 設計要求實現(xiàn)手臂的三個舉措，一升降，二旋轉，三伸縮。則可以思考升降在下或回轉缸在下兩種模式。通過綜合考慮，本次試驗決定采用升降缸在下的模式。 第3章 機器人手部設計 3.1手部分析 手臂有多種功能，手可大致分為兩類：保持和吸附。 最常見的夾緊類型是夾緊類型。 該設計主要考慮夾鉗式的手工設計。 驅動的設備、傳動的機械和手指，這三個方面可以組合成夾鉗式手。它可以很快的去適應，不同樣子的零部件都可以去抓起來。 它可以抓住軸，盤和套筒部件。 通常，使用兩個手指。 滑槽杠桿式手部設計的基本要求為： (1)夾緊力的大小要需要在一定的范圍內。 (2)手指要有足夠的張開和閉合角度。 (3)要有很高的定位精度。 (4)結構簡單，維修容易。 (5)動作迅速、準確、靈活。 考慮到設計的簡潔性，該設計采用滑槽式旋轉式手動構造。如下圖所示。 驅動桿的一端與液壓缸連接，液壓缸伸展和縮回以使其來回驅動，從而可以夾緊或松弛手指。通過綜合考慮，該設計選用雙指雙支點旋轉手柄，并采用滑槽式旋轉手柄結構。簡圖如下。 驅動桿的一端與液壓缸連接，液壓缸伸展和縮回以使其來回驅動，從而可以夾緊或松弛手指。 下面對其基本結構進行力學分析： (a) (b) 圖3-1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1-手指 2-銷軸 3-杠桿 在O點受力分析F、F1、F2構成平衡條件得： 由方程 得 由方程 得 又有 由方程 得 式中 ——支撐點到O的距離(mm)。 ——當工件被夾緊時，手指滑槽的方向與兩個旋轉支點之間的角度。 通過計算得，影響掌握的力度Fn, 的變大隨著Fn也在變大，是要在驅動的力度F的大小值成為固定的情況下。但是角過大也會使得拉桿的路徑變大，也會讓手的組成部分變大，因此在=~是合理的。 3.2夾緊力及驅動力設計的計算 能夠干預手組成部分設計的，是零部件的夾緊力的大小，，夾緊力太大，抓取的物品容易損壞。因此需要對力的三要素：大小、方向和作用點進行分析計算。夾緊力的計算則需查閱相關公式和理論推導，來滿足相應的條件。 查閱到下列不等式則Fn按不等式計算： 式中 ——避免因為外面的力量、所用的材料不好的地方、以及在工作的時候產生的誤差等其他東西而引起的結果，在工程當中現(xiàn)實中可以承受的力度肯定小于理論中工程中承受的力度，極限應力比上許用應力之比，兩者相對比，通常1.0~2.0； ——工作條件系數(shù)，由慣性力的大小決定； ——方位角的系數(shù)，可以根據零部件相對應的位置和手指進行正確的選擇； ——在去抓取零部件的時候，那個零部件所承受的重力（N）。 查閱相關資料有，初選，，，=1.6，=0.5；求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸的大小。 根據公式，將已知條件代入得： 根據上述公式得： (1) 按照最初要求取 (2) 3.3 夾緊油缸的參數(shù)的b選用 確定液壓缸的直徑 ， 選取活塞桿直徑，選擇液壓缸壓力油工作壓力 則 根據以上大約的計算、參考的工作環(huán)境和液壓缸內徑系列表（JB826-66）的標準和一些氣缸生產產品手冊選取D=25mm。由公式計算得活塞桿直徑為： ，根據活塞桿標準系列去表格里面選選取。 3.4手抓的設計 抓取零部件的時候，對于零部件的定位準確，去抓的時候要精準度高，重復定位的精準度和在不斷運動的時候，穩(wěn)定性要好，要有一定的抓取的能力，這些是在機器人的精度設計要求有一定的影響。 機器人是否精確維護工件并將其發(fā)送到指定位置的能力不僅取決于機器人的定位精度，還取決于機器人夾持誤差的大小。特別是在多種中小批量生產中，尺寸在某些環(huán)境下會出現(xiàn)變化，為了適應工件尺寸在一定范圍內的變化，有必要分析機器人的夾持誤差。 圖3-3 手抓夾持誤差分析示意圖 本文通過選取棒料為假設對象來確定機器人的夾持誤差精度。 機器人能夠夾住的物體大小范圍是。 夾持誤差不能夠大于，其中具體的原因講解如下： 零件半徑的平均值： = 機械手指的長度，取型夾角 偏轉角的大?。? 按上面的計算得來的角度為最佳偏轉角確定： 計算理論平均半徑 由不等式 和 書本上的 0.166 進行比較 最終夾持的誤差大小是在安全范圍內。 第4章 機器人臂部設計 4.1臂部整體設計 機械手的最主要運動部件就是手臂，也是最大的受力部件，對機械手能夠承受的力度和運動的精度等參數(shù)來說，跟它的工作性能好壞有直接的關系。臂部設計時要求如下: 1）機器人臂式機身的承受能力 機器人臂式機身的承受能力，決定于其材料在受力時抵抗彈性變形的能力，結構上采用水平懸伸梁形式。伸出去的長度愈大，則材料在受力時抵抗彈性變形的能力變差，空間點位獲取坐標值與其真實坐標值的符合程度和它的運動能力也變差。 2）臂部運動時的速度要快，慣性要慢速度要高，慣性要小 機器人的主要參數(shù)其中一個就是運動時候的速度，因為可以看出機器人的生產狀況，在一般情況下，可以依據生產的節(jié)奏要求來設定。。合適的運動速度回直接影響到加速度，避免振動大，必須要在剛開始和最后的時候，加速度都不可以太大，太大的話，損壞機器人的零部件。 3）手臂動作應靈活 避免出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，和減b少手臂運動件之間的摩擦阻力，用滑動摩擦代替滾動摩擦。 4）空間點位獲取坐標值與其真實坐標值的符合程度要高 一般說來，直角和圓柱坐標式機器b人空間點位獲取坐標值與其真實坐標值的符合程度比較相近；除了這些以外，對于機器人的要求就是同用性好，要可以在各種情況下進行工作；工藝性能要好，這樣有利于工件的加工和組裝；用于工件加熱的機器人，這樣可以有效的避免問題的出現(xiàn)。也要思考到阻隔熱量，冷卻；機器人在粉塵比較大的工作環(huán)境中，可以有效的躲開粉塵，避免堵塞。在設計中要設置防塵的設備等。 想到這次設計的機器人可以夾取物體的重量為15Kg；抓取的重量比較小，為此在設計的時候，最好的選擇就是選用油缸桿伸縮機構。在導向套內部安裝了手臂的伸縮油缸活塞桿，這樣就只承受軸向力。隨著導向性在增加。在活塞杠受到拉壓和彎曲的負荷的共同影響下，作用在它下面的力，沒有那么復雜，對它沒有沖擊，傳遞的比較穩(wěn)當。整齊的把外形進行分布。這樣可以達到外形美觀，整體的架構很緊湊，運用液壓驅動，能更好控制運動。為了實現(xiàn)更多的功能，液壓缸選取雙作用液壓缸。 4.2手臂伸縮驅動力計算 根據在液壓缸運動過b程中克服的摩擦和b流體中作加速運動所引起的阻力。決定液壓缸在平行線上運動的驅動力是有上面的情況而決定的。經過幾種力一起組成的液壓缸活塞驅動力的公式是： 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 導向桿受力分析如下： 由平衡方程： 得 計算結果有： 將求得結果代入得 式中 機械手的總重量（包含工件）(N)； ——機械手的導向支撐的前端到總體重量的核心的距離(m),可以參照上面一節(jié)的計算； ——導向支撐的長短（m）; ——當量摩擦系數(shù)，其值和導向支撐的橫斷面有關。 ——摩擦系數(shù)，沒有任何潤滑靜摩擦的時候： 計算：選擇鋼做為油缸桿和導向套的材料， 預計估算，已經知道，導向支撐設定為 把有關的數(shù)據進行代人，然后進行公式計算 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 查閱資料有： 。 4.2.3手臂慣性力的計算 由摩擦力公式得 = 式中 ——經行在運動時候的零件總重力（包含工件）（N）； ——從一開始的不動加速到工作時候的速度的變化量(m/s)； ——開啟或者是關閉時間（s）；可以參考資料去查詢得到； 將啟動的時間設定為0.2s；最大為0.2m/s。 則： = 因為背面受壓的阻力比較小，可以取 把數(shù)據放進去得 計算得到 =1434N 驅動手臂的動力。 4.3手臂伸縮油缸的設計 表5-1 液壓缸的工作壓力 通過以上的計算，可以得到準確的液壓缸驅動動力為，選擇液壓缸的工作壓力是依據表5-1和力的大?。? 4.3.1確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸里面的直徑的計算，如圖5-2所示 圖4-2 雙作用液壓缸示意圖 把油放進無桿腔： 杠腔進入到油： 液壓缸的有效面積： (mm) 通過變化，可以得到 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅動力()； ——油缸去克服外面所承載的負荷的壓力 ()； ——活塞桿直徑； ——油缸機械效率，一般取，壓力高時取最大值，壓力小時，取較小=0.9； 驅動力可以通過以上的條件得到，，機械效率 把數(shù)據放進去得到： 依據表確定要根據標準液壓缸內徑系列來，應該選。 4.3.2液壓缸外徑的設計 按照設計需求和其他的參數(shù)取得滿足最初的情況下，確定油缸的外徑. 4.3.3活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸不光要滿足活塞(或液壓缸)的運動和強度要求。還有要求桿子的長度L，尺寸要大于直徑d的15倍以上，然后計算基于垃、壓的強度值： 活塞桿的原材料用碳鋼，碳鋼受載后的工作壓力不超過或不低于某個預設值的。論文中 用式子計算出來： 因為活塞桿的里面安裝了機械手的夾緊油缸，前面介紹過，機械手夾緊油缸外徑，從下面表格將活塞直徑定下，對于裝配還有強度的需求都是符合的。 表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 校核穩(wěn)定性，需要滿足下面的關系式 安全系數(shù)，=2~4。 校核穩(wěn)定性的時候根據中長桿來，它的臨界力是 ——活塞桿的截面有多大(mm)； 因為原料用碳鋼，它的常數(shù)是：； ——物體桿件在單位力的作用下，桿件頂部產生的位移，經計算為70。 代入數(shù)據，由b公式計算臨界力得 取 活塞桿的穩(wěn)定性滿足需求，很安全。 4.3.4 油缸端蓋的設計 (1) 用無縫鋼管加工缸筒，氣密性相當不錯。這個時候，用半環(huán)連接來將端蓋連接起來。好處是生產，裝配都很容易，但缺點是氣缸體的強度降低。主要因開設了開環(huán)槽，所以強度就變差。 (2) 算出缸蓋螺釘?shù)臄?shù)據 要想連接時候緊密型滿足要求，空氣不允許進到里面，所以螺釘?shù)拈g距數(shù)據要符合要求，圖4-2展示，這樣的連接里面，將作用在每個螺釘上的極限承受最大的拉力還有工作載荷還有剩下來的預緊力總和給算出來 ——工作時候的載荷，； ——螺釘?shù)闹行脑诘哪莻€圓直徑的大小 ——驅動力。 —螺釘有多少個，； ——工作載荷作用下，接合面預留的壓力。，，； 計算： ，取，，間距有多大跟工作壓強有直接的關系，彼此之間的關系在表4-3里面展示，間距最多，初步確定用六個螺釘： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系 （） 小于 小于 小于 小于 ，代入數(shù)據計算得，滿足要求； ； 選擇，; 根據強度的條件將螺釘?shù)闹睆接嬎愠鰜? ——算出來載荷； ； 因為原料是45鋼，那么屈服強度=； ——極限應力與許用應力之比，，此處??； ——螺紋內徑，，為螺釘?shù)腷公稱直徑，為螺距。 計算： 代入數(shù)據計算得： 第5章 機器人機身設計 機身可以用來對手臂部件進行支承還有驅動，機身的作用很大，將傳動裝置都裝在上面，可以做更多的動作。為了更好的實現(xiàn)手臂的回轉和升降。穩(wěn)定性體現(xiàn)在機身的軀干與底座相連。機身有多種形式：分為固定的，無固定的。無固定的包括行走的，沿地面滾動的或架空軌道運動等。因此，臂部的運動影響著機身的機構和受力情況，運動多少決定著結構的復雜性。 5.1 機身的整體設計 按照設計需要，機械臂進行回轉動作達到210°，在機身上安裝它的回轉裝置，進行分析還有設計，將運動機構給設計出來。 對機器人來說，機身是非常重要的，它攜帶手臂，進行轉動還有上升，下降。用的比較多的機身構造有： （1） 回轉結構處于升降下部，它的好處是可以對很大的偏置力矩進行承擔，不好的是，回轉運動需要傳送很長距離，花鍵軸有形狀的改變，會影響到回轉精度。 （2） 回轉結構處在升降的上部，它用的活塞桿是單缸的，內部定向緊湊。 但是旋轉氣缸隨著手臂上升和下降，并且運動部件更大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機構。 通過齒條機構讓臂實現(xiàn)旋轉動作，齒條進行來回動作帶著跟臂連接在一起的齒輪進行來回動作，這樣臂就擺動到左邊還有右邊。 考慮到這一點，使用設計提升缸的 上部結構。機身的設計包 括兩個機芯。一個用于擺動車身，另一個用 于升降機。如圖1所示，該結 構的機身結構旋轉到提升缸的頂部。首先，臂構件連 接到旋轉 缸的上蓋，并且旋轉缸的旋轉連接到缸上以旋轉臂帶動臂的動作。旋轉缸的旋轉軸跟提升缸的活塞桿是一個整體。活塞桿的結構中間是空的，花鍵套筒與內花 鍵軸重合，花鍵軸的 運動驅動活塞 移動。鑰匙固定在提升缸和底蓋的 花鍵軸上，下一個底蓋固定在 與地面連接的底座上。結果，同時固定花鍵軸還有活塞桿，內部結構相當緊湊，詳細的構造下面有展示。 液壓帶動驅動裝置，轉動的氣缸從一個進油孔，一個排油孔給穿過去，以抽出每個葉片 的葉片并使葉片旋轉。 旋轉角 度通常受機械 擋塊的影響。因為這兩個能夠旋轉的葉片中間的角度，一定要符合論文設計的需求。轉子，定子先進行旋轉，角度在210°。 5.2回轉機構的設計 5.2.1回轉缸驅動力矩的計算 用下面的式子將臂旋轉缸的驅動扭矩： 慣性力矩 啟動時候，； 要是機械手臂的回轉零件重心距離回轉軸)，那么 ——機械手臂圍繞軸進行轉動的慣性量度。 旋轉部件可以相b當于長度為，圓柱體直徑是，質量為.啟動時候角速度定，那么，設計時長是。 想計算簡單些，假設密封這個地方摩擦阻力矩是，因為回油背差的壓力差不大，在這，就不需要在意 那么 5.2.2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 （1）用底下式子將回轉缸油腔內徑算出： 輸出軸連接動片這個地方的直徑，根據； 確定動片有多寬根據式子來進行。 將回轉缸動片的寬定為，工作時的壓力， 確定內徑就是。 （2）算出油缸缸蓋螺釘?shù)臄?shù)據 對于回轉缸來說，長時間穩(wěn)定的壓力是，根據前面的資料，定螺釘?shù)拈g距最多。計算出螺釘?shù)膫€數(shù) 那么用六個缸蓋螺釘就可以。 計算出危險截面的大小 那么 放進去數(shù)值，算出來 用生產螺釘，那么 計算螺釘?shù)闹睆酱笮? 確定直徑是.用的是內六角圓頭螺釘，型號M10。 根據之前算的，確定液壓缸內徑，按照中等的壁厚來確定外徑。 翻看表4-2，確定外徑是，輸出軸的直徑是。 （3）算出動片連接螺釘?shù)拇笮? 輸出螺釘是旋轉還有球形的，一般根據順序對稱的進行組裝，擺放兩個針在上面。螺釘可以在車子部件跟外面孔中間面上進行粘附。通過 當下的平衡情 況，當收到變化時 介紹式中的參數(shù) 進行連接的零件面跟面之間的摩擦系數(shù)，鋼對于鋼是 螺釘強度要想符合要求，就要滿足下面式子 或 將數(shù)據放進去 加工螺釘 螺釘?shù)闹睆? 確定螺釘直徑是.用的內六角圓頭螺釘，型號M10。 5.3機身升降機構的設計 5.3.1手臂片重力矩的計算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 對重量進行確定：=150N，， (2) 將產品重心地點定下來進行計算，將從重心到回轉軸線有多遠算出來: ，， 。 因為 那么 (3) 將偏重力矩算出來 用式子 將數(shù)據放進去 5.3.2升降導向立柱不自鎖條件 手臂因為會有作用，所以它一定會向下，但是立柱導套就是為了避免這種狀況的出現(xiàn)，這就是不自鎖條件 那么 要是摩擦系數(shù)定為 ，那么導套的長 也就是 5.3.3升降油缸驅動力的計算 摩擦阻力計算出來，定。 (1) 算出來 設定速度b為；起動或制動的時間差、。 將數(shù)據帶入上面公式有： (2) 的計算 那么 (3) 密封液壓缸通過O型密封圈來進行，非常可靠，不會有太大摩擦阻力。在進行密封時候的摩擦力算出 (4) 因為沒有太大的背壓阻力，為了算起來便利，這里就不思考 那么 在液壓缸的驅動是向上 在液壓缸的驅動是向下 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 (1) 算出液壓缸里面的直徑 液壓缸向上升，將他的驅動力算出來，，翻看表格 (5-1)將油缸工作時候的壓力確定為1.0MPa，用5.4節(jié)的式子給算出，放到公式里算出數(shù)值： 翻看表 (4-1)將液壓缸里面直徑確定下來。 (2) 算出液壓缸外部直徑的大小 算數(shù)據根據厚壁來進行 ()： ——缸體材質應力的許用值，鋼管是無縫的， 翻看表格4-2（JB1068-67）定外面直徑是. (3) 算出活塞桿的數(shù)據 用碳鋼作為活塞桿的原材料，它的許用應力。論文中定 那么： 對比之后活塞桿的直徑要比8.5mm還要大，才能確保工作安全。 (4) 算出缸蓋螺釘?shù)臄?shù)據 ，確定，，空檔的大小跟工作壓強有直接聯(lián)系，從表4-3可知道他們有什么聯(lián)系，間距最多，初步定用六個螺釘： 那么 ，將數(shù)值放進去，符合設計需要，很安全。； ； 確定，; 根據強度的條件將螺釘直徑算出來： ——算出來載荷，； ——抗拉應力的許用值，； 用45號鋼作為原料，螺釘這種材質的屈服點，它的塑性變形的應力就是352MPa； ，在這是； ——螺紋里面直徑，。 算出數(shù)值： 代入數(shù)據： 第6章 機器人液壓及控制系統(tǒng)設計 6.1液壓系統(tǒng)方案擬定 6.1.1調速回路方案分析 （1）第一個方案：調整速度通過節(jié)流實現(xiàn) 這種對速度進行調整的組成有泵，這個泵輸出的流量沒有改變，控制閥還有執(zhí)行零部件。供油系統(tǒng)中，泵源的壓力b用安全閥進行b恒壓控制。 圖（7）為節(jié)流調速原理圖 它的好處是：構造不復雜，花銷少，虧損的能量不錯，用的時候，保養(yǎng)起來都很便利，控制起來不復雜。 不好的地方：有些能量損失一點功效都沒有。效率很差，出現(xiàn)的熱量很多。 （2）第二個方案，調整速度通過容積進行 容積調速，分為兩大類。其中有變排量和變轉速。采用變量泵或者是能夠將泵改變的電機，對速度進行調整。這個系統(tǒng)的名字是泵控制系統(tǒng)，圖紙（8）里面展示。 圖（8）為容積調速原理圖 它的好處是：不容易出現(xiàn)熱量或者熱量很低，效率較高。避免能量損失易于使b用和維護。不好就是：購買花的錢很多，結構也不簡單。 （3）第三個方案：調整速度通過容積節(jié)流來實現(xiàn) 通過流量來對元件確定進入液壓缸或由液壓缸流出的流量進行控制，來調節(jié)活塞的運動速度，形成壓力差，再進行壓力補償。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調速原理圖 它的好處是：速度穩(wěn)b定性比單純的容積調速回路好。不會出現(xiàn)溢流的虧損，有很高的效率。不好的在于：會出現(xiàn)節(jié)流虧損。 這些方案都有好還有不好，對比了這些之后，將回路確定下來。專用使用液壓的機床體型不大的，在它的液壓系統(tǒng)里面，通常使用節(jié)b流閥或調速閥來控制b進給速度。 根據特種銑床比較慢的速度，性能上的要求，還有速度載荷特點，論文中用的是容積節(jié)流來對速度進行調整，它的組成有限壓變量葉片泵還有調速閥，調整速度的電路有很高的效率，節(jié)流閥前后的壓力差不變。發(fā)熱量小，速度、剛性好的特點，調速閥安裝在b回油回路上，讓液壓缸的流量穩(wěn)定，還使供流量和液壓缸相匹配。對于切削力它是可以承擔的。 6.1.2 快進回路b方案分析 （1）第一個方案：實現(xiàn)快速跳幀速度通過液壓缸差動連接來實現(xiàn) 差動連接這個回路是增速的，是一種英語較為廣泛的回路。我們也知道作用在活塞無桿端面的面積是要比有桿端面還要大的，盡管兩頭的壓力都是一樣的，作用在無桿端面上總的壓力比較大，這樣活塞移動就變快，推動活塞到桿端，利用液壓缸兩端的有效面積差來進行傳動的液壓缸，具有差動連接的單活塞桿液壓缸。這就是差動。這個時候，油從桿室里面淌出來，講這些油引入到無桿室里面去，這樣基于泵的油流淌速度就更快，這樣活塞桿移動起來就更快，這樣差速就出現(xiàn)。圖（10）里面就是怎么去連接油路。 圖（10）為液壓缸差動連接原理圖 它的好處是：伸出來活塞桿的時候，即使泵的流量很小，它也可以獲得更快的速度，但是氣缸的輸出很小，重載使得不能移動，這不適合重載。 當氣缸設計合理時，活塞桿的速度在沒有調節(jié)的情況下均勻地伸展和縮回。缺點：推力小，不適合在負載大的場合，噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調速 蓄能器是把液壓轉變?yōu)橹匚?、彈簧、和氣體的勢能而儲藏起來。對于液壓系統(tǒng)來說，這部分是用來節(jié)能的。合適的時候，轉換系統(tǒng)的能量成為壓縮能量，在系統(tǒng)要用的時候，再加這些壓縮的能量釋放出來，這樣就可以對系統(tǒng)進行再一次供應。要是系統(tǒng)瞬間的壓力加大，那么這部分的能量就被吸走，確保這個歌系統(tǒng)的壓力在正常范圍內。圖（11）里面展示。 圖（11）為蓄能器快速調速原理圖 它的好處是：發(fā)熱量變小，出現(xiàn)壓力供應不足，可作應急液壓源。反應是很快的，工作起來相當可靠。不好的就是：裝的時候有很高要求，加工起來有難度，密封性有很高的要求。 （3）方案三：雙泵供油快速調速 因為動力是從兩個泵里面來，一個流量比較大的泵2能夠進行快速動作，還有一個流量比較小的泵1工作速度是很慢的，這樣工作進給也就實現(xiàn)了，圖紙（12）里面有展示 圖（12）為雙泵供油快速調速 它的好處是：耗費的功率不大，能實現(xiàn)比最大的速度還要大的多的運動。系統(tǒng)有很高的效率，用的地方非常多。不好的地方：控制的時候有難度，系統(tǒng)的構造不簡單。 三種方案各有優(yōu)缺點，通過對比了之后，調整速度用快速的方式，對液壓缸的差動連接進行選擇，跳幀速度很快，有好多的功能。因為它的工作有很高的效率，回收率高，調速性能好，與雙泵供油，還有容積調整速度等進行對比。結構還是要簡單點，生產起來沒有蓄能器那么困難，并且反應也很快。最后得出結論選用第一種，它滿足符合社會的發(fā)展趨勢，也符合工業(yè)加工的要求。 6.1.3夾緊回路的選擇 通過兩位四通電磁閥來對夾緊進行控制，松開反轉之后，應采用掉電夾緊方式，防止工作的時候忽然沒有電還有松開來。另外在油的壓力很快降低的時候，對于夾緊的時間能夠進行調整，還要確保夾緊力符合要求，跟節(jié)流閥連接起來，可以對速度進行調整，單向b閥壓力保持。 該回b路還配備有將高壓氣體降為低壓氣體、并保持輸出氣體的壓力還有流量沒有變化的調整裝置，要想確保夾緊力的穩(wěn)定要對夾緊力的大小進行調整 之后，將液壓回路確定下來，圖6-3里面就是液壓系統(tǒng)的原理。 圖6-3液壓系統(tǒng)原理圖 6.2液壓元件的計算和選擇 6.2.1液壓泵 ① 壓力運行相當穩(wěn)定，它的大?。? P，計算出 那么 ② 流動量的大小： ，定 那么 ③ 尺寸及型號： 翻看液壓設計資料P152，表20-5-6，齒輪泵用的是，，， ④ 確定使用的電機： 泵的效率總值，那么 通過公式算出數(shù)值，查手冊選擇電機的型號：Y132M-4，，。 6.2.2確定油箱容量 6.2.3液壓元件的選擇 表7 液壓元件一覽表 注意：在表里面元素的系列號匹配液壓系統(tǒng)圖紙里面的序列號。 6.3液壓系統(tǒng)性能驗算 6.3.1驗算回路中的壓力損失 系統(tǒng)并不簡單，我需要考慮更多的因素和結果。有許多液壓執(zhí)行裝置的動作電路，這里面很多部分還有比較大的管路的消耗都是注射液壓缸動作回路，所以就是要將泵到注射缸這段管道里面的虧損給算出來。 ⑴沿程壓力損失 沿著注射缸形成的壓力差和別的因數(shù)，壓力損失就出現(xiàn)了bb主要b是由快速注b射期間進氣b管道的壓力損失引起的。 管道長度為5米，直徑為0.032米，無阻礙時速度可到達b流量為2.7升/秒。 比較優(yōu)劣后選擇20號機械系統(tǒng)的油耗。正常運轉后，我們選擇油的單位動力粘度在同溫度的密度之比，油的密度將它作為根據。 在管路里面油真正流動的速度 對比雷諾數(shù)，就可以知道在管路里面油的流動狀態(tài)是紊流，它的阻力系數(shù)： 將數(shù)據放進去，將沿程損失的壓力算出來： ⑵局部虧損的壓力 局部虧損的壓力有管道破裂之后出現(xiàn)損失的壓力加上管接頭這個地方受到沖擊，因為損耗而損失的壓力Δp2，還有在控制閥作用下出現(xiàn)的局部壓力，這些虧損的壓力Δp3。管路局部虧損沒有太多的壓力，不需要專門進行計算，所以只要將控制閥局部虧損的壓力算出來。 知道單向順序閥17的流量的額定值，額定虧損的壓力是。電液換向閥2流量的額定值，額定虧損的壓力是。單向順b序閥18流量的額定值，額定虧損的壓力是，如何去進行選用。 每個閥局部虧損的所有壓力是 泵是大型的，從出油的地方到注射缸進油口，需要借助單向b閥13的作用，電動b液壓換向閥2產生作用還有單向順序閥作用。知道單向閥13的技術數(shù)據，單向b閥13流量的額定值250L / min，額定虧損的壓力是0.2MPa。 每個閥局部虧損的所有壓力是： 根據前面算出來的數(shù)值，我們得出可以獲得快b速噴射加工時小蹦還有注射泵虧損的壓力總數(shù)是 從大泵到注射缸這段過程中虧損的壓力總數(shù) ，算出數(shù)值b，知道大泵，小泵真正出口的壓力跟泵的額定壓力是有差距的，所以說用的這個泵滿足設計需要。 因為要用到很多環(huán)境里面，定系統(tǒng)工作時候最大壓力是6.3MPa，也就是安全閥7指定的壓力。 6.3.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 ⑴算出數(shù)值發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)里面虧損的動力成為熱量。 發(fā)熱功率算出數(shù)值 對這個系統(tǒng)來說，在進行工作時兩個泵輸入功率的平均值。 將系統(tǒng)輸出功率的總值計算出來 將這個系統(tǒng)輸出的有效功率計算出來： 從給定的參數(shù)和算出數(shù)值結果可以看出，夾緊缸的外部載荷為，行程為0.35 m; 注射缸的外部載荷為，行程為0.2 m; 預塑螺b桿的有效功率為5 kW，工作時間為15秒; 打開模具時夾緊缸的外部載荷幾乎相同，行程相同。 注射機的有效功率輸出主要是上述。 總的引起的發(fā)熱功率為： ⑵算出散熱功率的大小 初步算出數(shù)值，油箱有效容積是1m3，根據算出來油箱每一邊的乘積： 如果是1.25，、的大小都是1。用式子可以將油箱的散熱面積算出來： 將油箱的散熱功率算出來： ——油箱穩(wěn)定傳熱，面板兩側空氣溫度為1度，查表5—1，取； ——油溫b與環(huán)境溫度之b差，取。 。 由上面算出數(shù)值得出結論，能知道，油箱這里的散熱量沒有達到要求，對于系統(tǒng)對于散熱要求是沒有滿足。管道的散熱量一點都不高，散熱知識依靠管道來進行肯定不行，所以要再加裝一個冷卻器。 ⑶冷卻器需要多大的冷卻面積進行計算 用式子將冷卻面積的大小算出： ； —平均溫度差(℃)； 進入冷卻器前的b溫度為，油流出b冷卻器的得到降溫，此時的溫度為，冷卻水進去之前的度數(shù)，冷卻器作用在冷卻水出口之后，度數(shù)變少， 。那么： 算出數(shù)值，可以知道需要冷卻器進行降溫的面積大?。? 對于使用來進行思考，冷卻器對機器進行長時間的降溫，這樣容易導致機器腐蝕，有很多油垢或者水垢在里面，會影響到傳熱，這樣一來散熱面積就需要加大，所以冷卻的地方大小要比算出來的數(shù)據大30%，定下來冷卻器真正散熱的大小是： 第7章 基于Pro/E的三維設計 7.1 Pro/E三維設計軟件概述 Pro / Engineer操作程序是American Parametric Technology Corporation（PTC）的3D CAD / CAM / CAE集成3D軟件。Pro / Engineer軟件的主要功能是參數(shù)化，在當前的三維建模軟件領域中已經多次使用。 Pro / Engineer作為一種CAD / CAM / CAE軟件，在國內產品設計中發(fā)揮著重要作用，并得到了認可和廣泛應用。Pro / E解決了單個數(shù)據庫中的特征相關問題，并提出了參數(shù)化設計。 主要功能用于素描，零件制作，裝配設計，鈑金設計，加工等，以滿足用戶的需求。功能如下： （1）特殊功能的使用，形成槽、倒角、腔、凸臺、殼等圖形； （2）對尺寸、圖形以及邊界條件提出參數(shù)化； （3）掌握圖形之間的連接關系，進行下一步的設計工作； （4）滿足復雜圖形設計要求。 （5）梳理各種零件之間的相關性。 7.2三維設計 7.2.1升降缸體 升降缸體如下圖示： 圖7-1升降缸體 7.2.2伸縮缸體 伸縮缸體如下圖示： 圖7-2伸縮缸體 7.2.3轉動缸體 轉動缸體如下圖示： 圖7-3轉動缸體 7.2.4支座 支座如下圖示： 圖7-4支座 7.2.5總成三維裝配 圖7-5 手抓裝配 圖7-6整體裝配 7.3仿真分析 7.3.1 Pro/E仿真介紹 運動仿真技術是一種高新技術，從分析和解決b整體產品性能b及相關問題的角度解決了傳統(tǒng)設計和生產過程的弊端。工程設計人員可以直接使用Pro / E系統(tǒng)b提供的每個組件的物理信息和幾何信息來確定運動模擬中組件之間的關系，并執(zhí)行虛擬組件以獲得系統(tǒng)的虛擬原型機械設計。在虛擬環(huán)境中，實際模擬了系統(tǒng)的運動，并模擬和分析了不同工況下的運動和應力條件。模擬各種設計方案，并且不斷升級整個系統(tǒng)，直到實現(xiàn)最佳設計。然后制作物理原型。b其重要性在于降低甚至消除創(chuàng)建物理原型的成本，b縮短產品開發(fā)周期在市場具有很高的競爭力。 7.3.2仿真 （1）典型機構運動仿真詳細過程 (a)首先打開裝配圖，在應用程序里面，點擊“機構”命令 圖7-7點擊“機構” (b)接著建立伺服電動，設定一些參數(shù) 圖7-8建立電動機 (c)緊接著點擊“機構分析”，彈出界面，在彈出的頁面選擇 圖7-9機構分析 (d)點擊運行，得出結果 （2）仿真動畫獲取 (a)點擊“回放”-右鍵選擇“播放” 圖7-10啟動動畫 (b)點擊 “動畫”中“捕獲”命令再點擊關閉 圖7-11動畫 (c)設置“捕獲”命令參數(shù) 設置目錄，圖像大小等參數(shù)后，并保存，單擊“確定”，等待算出數(shù)值機運行和捕獲，即可獲得模擬動畫。 圖7-12捕獲 （2）總體運動仿真 總成運動仿真過程與手抓部分類似，仿真參數(shù)設置完成后效果如下圖，隨后運行仿真并“捕獲”仿真動畫即可。 總 結 該設計是整合了大學學到的許多知識，包括基礎課，專業(yè)課，實習等方面的學習內容。將在學校學到的書本知識跟實踐結合起來，對于我本人來說解決實際問題的水平提升了不少。 該項設計使用算出數(shù)值機輔助設計，詳細算出數(shù)值和解釋每個重要的設計步驟，結合教科書和在線文獻研究，深入剖析研究課題。完成論文之后，現(xiàn)在對于如何去翻找有用的