數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì),數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì),數(shù)控機(jī)床,上下,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） I 摘 要 通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，對(duì)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(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、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)。具體進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手 臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了理 論分析和計(jì)算。 本課題在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)， 制定出合理的設(shè)計(jì)方案，再進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓伺服定位；電液系統(tǒng) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） II Abstract Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulators control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. The issue in the design process, in-depth the actual production, conduct research, to learn foreign advanced technology, to develop a reasonable design, carrying out the specific design. Key words: Manipulator, Hydraulic servo control, Electrohydraulic system 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） III 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 1 緒論 .1 1.1 選題背景 .1 1.2 研究意義與方法 .1 2 設(shè)計(jì)方案的論證 .2 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) .2 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .3 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .4 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .5 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .6 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .7 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .10 2.8 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .12 3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 .13 3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .13 3.2 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 .19 4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .22 結(jié)論 .24 致謝 .25 參考文獻(xiàn) .26 附錄 1.27 附錄 2.32 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 1 1 緒論 1.1 選題背景 機(jī)械手，也被稱為自動(dòng)手能模仿人手和臂的某些動(dòng)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(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和 自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電 子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件 （或工具）的部件，根據(jù)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、 移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、 伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手 的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 23 個(gè)自由度 1.2 研究意義與方法 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)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(dú)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(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所 要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體 要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化 的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì) 原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、 機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC） 、電子技術(shù)、 自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì) 大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分 發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 2 2 設(shè)計(jì)方案的論證 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 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。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。 1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖 a2-1.。 由于直線運(yùn)動(dòng)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（m 級(jí)） 。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)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(dòng)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(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè) 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)。 2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖 2- 1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓 柱狀的空間。 3. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖 2- 1.c。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、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(gè)類球形的空間。 4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng) 作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)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。 （參考吳 振 彪 ， 王 正 家 工 業(yè) 機(jī) 器 人 第 1 章 概 論 1.3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 分 類 及 應(yīng) 用 ） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 3 圖 2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 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，且長(zhǎng)度達(dá) 500MM， 同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)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(jiǎn)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(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自 由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)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。 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器 等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 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(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 2.腰座要承受機(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。 3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最 大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 4 減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。 5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面， 以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的 傳動(dòng)間隙。 6.為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制 成。 （參考孫兵, 趙斌, 施永康. 物料搬運(yùn)機(jī)械手的研制. 機(jī)電一體化. 2005, (2): 4345） 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)液壓缸或 液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié) 構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電 機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí) 齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于 100） ，同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用 高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定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(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 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(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。 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(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(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(duì)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。 3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù) 合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵?本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 當(dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3） ，但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù) 雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的 辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下， 減輕機(jī)器人手臂的重量。 4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因 此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和 提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利 用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要 時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位 塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 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(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。 直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]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(shí)考慮到機(jī)械手 的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手 臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是 執(zhí)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易 于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w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(shí)另外增 設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)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(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)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(dòng)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。 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)） ，給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空 間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作 業(yè)動(dòng)作。 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 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(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)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(huì)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(huì)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。在滿足作業(yè)要求 的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個(gè)，有 的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能 實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方 案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。 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(shí)，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(dòng)器采用分離 傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制 造。 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。 4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 2.4.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 通過對(duì)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(duì)機(jī)械 手上下料作業(yè)時(shí)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(jiǎn)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(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂 手爪聯(lián)結(jié)梁） 。 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可 分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。 搬運(yùn)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(yùn)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(jī)器人附加裝置， 用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題； 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(gè)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(chǎng)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。 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。 3.機(jī)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(jié)構(gòu)上很復(fù) 雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用 于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)， 應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作 業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)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(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭） ， 使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最 方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓 式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)） 。 2.5.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪.這種手爪在活塞的推力下， 連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，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.驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，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 50mm 來設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 8 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.6.1 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 機(jī)器人是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器 人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主 要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(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(dòng)間隙小，精度高， 低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題： 1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕， 慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)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(dòng)誤差。 3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)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(dòng)部件和 導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 4.縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo) 軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母 副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu) 等。 5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等 效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)間隙、減少支承變形等措施。 7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，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(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。 故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適（參考吳 振 彪 ， 王 正 家 工 業(yè) 機(jī) 器 人 第 4 章 4.2 傳 動(dòng) 部 件 設(shè) 計(jì) ） 。 2.6.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及 蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。 機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問題 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 （1）齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部 件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而 輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量 小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最 大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)量） ，若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成 系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪； 為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高 傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2）各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊， 滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下： a輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng) 按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出 轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤 差為 ，則 max （2-1） )(1max/knnii 式中： -第 個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；k -第 個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至 n 級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。)(kni 則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（ 、 、.、 ）換算到末級(jí)128 輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （2- 84764354321max iiii 2） 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。因此， 在設(shè)計(jì)中最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。 b等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點(diǎn)： （1）對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 （2）對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期 嚙合以降低噪音和振動(dòng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 10 （3）對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小 原則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級(jí) 就增速，并且要求每級(jí)增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。 （4）對(duì)以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混 合輪系。對(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積 小重量輕時(shí)。可選用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。(參考孫恒，陳作模，葛文杰 主編機(jī)械原 理) 2.6.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓 缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn) 化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采 用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的 精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，同時(shí)較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn) 速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng) 比（大于 100） ，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.7.1 機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、 快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。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(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能） ， 速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì) 對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2.7.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、機(jī)器人的性 能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因 素加以考慮。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理 性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下： 1.物料搬運(yùn)（包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)荷的選 擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 11 機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采 用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.7.3 機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)， 但是在簡(jiǎn)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。 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(hào)進(jìn)行功率放大， 對(duì)液壓動(dòng)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(dòng) 規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng) 態(tài)特性不如前者，但效率高。機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 1.程序控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng) 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常 采用簡(jiǎn)易的邏輯控制裝置或可編程控制器對(duì)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： （1）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。 （2）定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)慣量比較大，在定位點(diǎn)前要加 緩沖與制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。 （3）對(duì)慣量比較大的運(yùn)動(dòng)軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護(hù)回路，防止因碰撞過 載而損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。 （4）液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)動(dòng)作或加速運(yùn)動(dòng)提供瞬時(shí)能量?jī)?chǔ) 備。 2.伺服控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng) 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(dòng)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(dòng)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)馬達(dá)， 電-液步進(jìn)液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液 伺服動(dòng)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 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 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。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動(dòng)力機(jī)構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺 服擺動(dòng)馬達(dá)，也可以用電-液步進(jìn)馬達(dá)。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī) 或比例電磁鐵帶動(dòng)的一個(gè)安放在擺動(dòng)馬達(dá)或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個(gè)回轉(zhuǎn)滑閥，通 過機(jī)械反饋，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的一種電-液伺服機(jī)構(gòu)。它可安裝在機(jī)器人手臂和手腕的關(guān) 節(jié)上，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。 2.7.4 設(shè)計(jì)具體采用方案 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(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)；同時(shí)考慮隨著機(jī)床加工的工件 的不同，水平手臂伸出長(zhǎng)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(dòng)。 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(shí)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(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的 負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械 手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡 機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用 廣泛進(jìn)行平衡。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 13 3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 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(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。 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(gè)自由度，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移 動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)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，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均 為直線運(yùn)動(dòng)。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其特點(diǎn)是有 效工作面積大、雙向不對(duì)稱，適用于往返不對(duì)稱的直線運(yùn)動(dòng)，差動(dòng)連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)來 實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)， 通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)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)。 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。 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(jiǎn)單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 14 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(shí)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。 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(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(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻 等措施。 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(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機(jī)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(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī) M 拖動(dòng)；系統(tǒng)壓力由溢流閥 V1 調(diào)定；1DT 的得失 電決定了動(dòng)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(gè)單 向節(jié)流閥。當(dāng) 5DT 得電時(shí)，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥 V5 進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊； 當(dāng) 6DT 失電時(shí)，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。 另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下 降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，保 證系統(tǒng)的安全性，采用 V2 構(gòu)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(fù)載。 3.1.5 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(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，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 1.計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷 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 （3-1）bfsfmwFF 式中， -為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o外載荷，故為 0；w -為活塞上所受的慣性力；m -為密封阻力；sf 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 15 -為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；fF -為回油被壓形成的阻力；b （1） 的計(jì)算m （3-2）t vgGm 式中， -為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為 100KG；G -為重力加速度， ；g2/81.9s -為速度變化量；v -啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為 0.010.5 ，取 0.2st s 將各值帶入上式，得： =1.02mFN （2） 的計(jì)算sf （3-3）1Apfsf 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 fp ，查相關(guān)手冊(cè)取=0.2 ；aMPaMP -為進(jìn)油工作腔有效面積； 1A 啟動(dòng)時(shí)： 565NsfF 運(yùn)動(dòng)時(shí)： =283N （3） 的計(jì)算fF 機(jī)械手水平方向上有兩個(gè)導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為 （3-4）fGFf 式中， -為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為 100KG；G -為摩擦系數(shù)，取 f=0.1；f 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =98fN （4） 的計(jì)算bF 回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算 （3-5）2ApFb 式中， -為回油背壓，一般為 0.3 0.5 ，取=0.3 bpaMPaaMP -為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為 2；2A 將各值帶入上式有， Nb4 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 。F108 2.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 16 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6）GkN321 式中， -為所需夾持力；N -安全系數(shù)，通常取 1.22；1k -為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 估算， 為機(jī)械手2 g ak12 在搬運(yùn)工件過程的加速度 ， ， 為重力加速度；2/sm2/8.9sag -方位系數(shù)，查表選取 ；3k 13k -被抓持工件的重量 30 ；G 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；N20 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7） 1Rbp 式中， -為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；p -為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；b -為扇形齒輪分度圓半徑；R -為手指夾緊力；N -齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為 0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 NP37 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： （3-8） Fkc41 式中， -為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；cF -安全系數(shù)，此處選 1.2；1k -工作條件系數(shù)，此處選 1.1；4 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： NFc920 而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （3-9）APc 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 17 式中， -為柱塞缸工作油壓；P -為柱塞截面積；A 經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為： MPa3 3.液壓缸主要參數(shù)的確定 針對(duì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)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?jī)?yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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； 表 3-1 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 m壁厚 直徑 m行程 工作壓力 MPa 20 5 20 80 36 注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 表 3-2 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 m壁厚 桿直徑 m行程 工作壓力 MPa 60 10 25 400 1 因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，在其軸向上并不承受 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)?機(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(shí)具 有比較大的彎矩和比較長(zhǎng)的行程，這對(duì)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(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。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿 足長(zhǎng)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(gè)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。 表 3-3 垂直液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 m壁厚 桿直徑 m行程 工作壓力 MPa 60 10 25 100 1 因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 18 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(dòng)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。 4.液壓缸強(qiáng)度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/ 時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下：0 （3-10） )13.40(2yPD 式中， -為缸筒內(nèi)徑；D -為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力 時(shí)，取為 ；yP Mapn6nyp5.1 -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b/b 料取為 650 ， 為安全系數(shù)，此處取 ；Man5 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。 （2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 （3-11） 4Fd 式中， -為活塞桿上作用力；F -為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處 ； 4.1/b 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。 3.1.6 計(jì)算和選擇液壓元件 1.液壓泵的計(jì)算 （1）確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 p （3-12）11p 式中， -計(jì)算工作壓力，前以定為 ；1pMPa4 -對(duì)于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.51.5） ，這里取 MPa 為 1 。MPa 因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 （3-13）Pap514 （2）確定液壓泵的流量 （3-14）maxqKp 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 19 式中， -為泄露因數(shù)，取 1.1；K -為機(jī)械手工作時(shí)最大流量。maxq （3-15）vAqmax 經(jīng)計(jì)算得 =3.140 in/L 帶入上式得 mi/45.310.p （3）確定液壓泵電機(jī)的功率 （3-16） 602maxqPp工 式中， -為最大運(yùn)動(dòng)速度下所需的流量，同前，取為 3.140 ；maxq in/L -液壓泵實(shí)際工作壓力，5 ；p M -為液壓泵總效率，取為 0.8； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： = 。工P0.654kw 2.控制元件的選擇 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。 3.油管及其他輔助裝置的選擇 （1）查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量以 3.140L/MIN 計(jì)，選取 ；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇 ；其余68 都選為 ；5 （2）確定油箱的容量 一般取泵流量的 35 倍，這里取為 5 倍，有效容積為 （3-17）LqVp162.3 3.1.7 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 繪制液壓系統(tǒng)圖后，進(jìn)行壓力損失驗(yàn)算。因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，該項(xiàng)驗(yàn)算從 略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡(jiǎn)單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大， 因此，不再進(jìn)行溫升驗(yàn)算。 3.2 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 3.2.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 因?yàn)轵?qū)動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 負(fù)載額定功率： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 20 （3-24） 9501LNTP 負(fù)載加速功率： （3-25）a LatGD321057 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （3-26） lMLTN 負(fù)載 GD（折算到電機(jī)軸）： （3-27） 22)(lMLGD 起動(dòng)時(shí)間： （3-28）)(375 2LPaTNt 制動(dòng)時(shí)間： （3-29）)( 2LPMMdGDt 式中， -為額定功率，KW；0P -為加速功率，KW；a -為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；lN -為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；M -為負(fù)載的速度，m/min；lV -為減速機(jī)效率； -為摩擦系數(shù)； -為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸） ， ；lTmN -為電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩， ；p -為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上） ， ；L -為負(fù)載的 ， ； 2lGD2GD2mN 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 21 -為負(fù)載 （折算到電機(jī)軸上） ， ；2LGD2 2mN -為電機(jī)的 ， ；MGD2N 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，下面進(jìn)行具體的計(jì)算。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在 回轉(zhuǎn)軸上有； （3-30）RfFTfl 式中， -為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取 0.005；f -為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取 100 ；GKG -為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240 ；R m 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.12 ；lTmN 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 =5r/min；傳動(dòng)比定為 1/120；l 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667 。 2mgDGllGD2N 將其帶入上（3-24）（3-30）式，得： ；WP327.10；Pa068. 啟動(dòng)時(shí)間 ； msta96 制動(dòng)時(shí)間 ；sd 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 。01523.LTN 3.2.2 電機(jī)型號(hào)的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國(guó)產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原 北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為： 110BYG550B-SAKRMA-0301 該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好。下圖為 110BYG550B-SAKRMA-0301 型 步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。 驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角：0.36； 其中步距角 0.36，同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動(dòng)比為 1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞 到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的 1/120（理論上） ，雖然實(shí)際上 存在著間隙和齒輪傳動(dòng)非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 22 精度是相當(dāng)高的，完全能滿足機(jī)械手上下料的定位精度要求。 （參考鄧星鐘主編機(jī)電傳 動(dòng)控制） 4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的動(dòng)作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及 腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁 閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)， 機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī) 械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電 液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥 （夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工 作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。 當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須 在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，從工件料 架上抓取工件時(shí)，也要先判斷料架上有無工件可取。 機(jī)械手的作業(yè)動(dòng)作流程如圖 4-1 所示： 圖 4-1 上下料機(jī)械手工作流程圖 從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服 定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通 電，機(jī)械手下降，同時(shí)張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電， 下降停止，同時(shí)手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上 升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 開始輸出高速 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 23 脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止 轉(zhuǎn)動(dòng)； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)， 下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位 后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手 松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后， 碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回 到原點(diǎn)待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。 當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí)，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC 馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械 手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且 張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊， 夾緊已加工好的工件；機(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床 上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上 限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí) 針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥 斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位