倉儲智能裝卸裝置的物品取送機構(gòu)設(shè)計【含12張CAD圖紙、說明書】
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開題報告
課題名稱
倉儲智能裝卸裝置的物品取送機構(gòu)設(shè)計
課題來源
A.教師科研
課題類型
工程設(shè)計類
1．選題的背景及意義：
在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化的趨勢下，倉儲物流業(yè)正迎來空前的發(fā)展機遇和全新的模式變化。智能化的自動化倉儲模式正在飛速發(fā)展，貨物的取送也隨之要求著自動化、智能化。
隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的崛起,物品取送機構(gòu)中，機械手無疑是比較好的選擇，作為現(xiàn)代物流中重要組成部分的機械手是貨物在倉庫搬運中的重要工具。
機械手不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量,而且對保障人身安全,減輕勞動強度,提高勞動生產(chǎn)率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本,有著十分重要的意義。
2．研究內(nèi)容擬解決的主要問題：
1、選取機械手的坐標(biāo)型式和自由度；
2、設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。
3．研究方法技術(shù)路線：
1、 查閱大量有關(guān)搬運機械手方面的書籍，積累經(jīng)驗以做出大體設(shè)計方案。
2、 參閱有關(guān)機械手設(shè)計的有關(guān)書籍，掌握一般工業(yè)搬運類機械手應(yīng)該具備的一些部件和動力參數(shù)。
3、 向老師請教，咨詢設(shè)計方面有可能出現(xiàn)的問題與解決方案，同時向?qū)熣髑笞约悍桨傅暮侠硇耘c可行性。
4、 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，完成分部件的設(shè)計以及最終的總體設(shè)計。
4．研究的總體安排和進(jìn)度計劃：
第一周：確定題目
第二周：收集翻閱相關(guān)資料
第三周：整理資料，論證分析論文的可行性、實際性，將題目和大致范圍確定下來，進(jìn)行開題報告
第四周：構(gòu)筑論文的大綱
第五-七周：根據(jù)資料，編寫論文，對論文編寫過程中發(fā)現(xiàn)的問題，和老師研究解決方案，進(jìn)行完善。
第八-九周：使用相應(yīng)軟件完成制圖
第十-十三周：完成論文的初稿，向指導(dǎo)老師尋求意見，優(yōu)化論文的結(jié)構(gòu)，查漏補缺，論文答辯
5．主要參考文獻(xiàn)：
1、許福玲、陳堯明，液壓與氣壓傳動-3版，北京：機械工業(yè)出版社，2007
2、李菊麗、何紹華，機械制造技術(shù)基礎(chǔ)，北京：北京大學(xué)出版社，2013
3、孫桓、葛文杰，機械原理-8版，北京：高等教育出版社，2015
4、李瑞琴，機電一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計，北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2005
5、黃其圣，精密機械設(shè)計，北京：機械工業(yè)出版社
6、楊伯源，材料力學(xué)-1版，北京：機械工業(yè)出版社
7、程光蘊，機械設(shè)計基礎(chǔ)-4版，北京：高等教育出版社，2008
8、尹志強，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書，北京：機械工業(yè)大學(xué)出版社。
9、李翠赟，理論力學(xué)，西南交通大學(xué)出版社，2006
10、陳國定、吳立言，機械設(shè)計-9版，北京：高等教育出版社，2013
11、陳立德，機械制造裝備設(shè)計-2版，北京：高等教育出版社，2001
12、周驥平、林崗，機械制造自動化技術(shù)-3版，北京：機械工業(yè)出版社，2013
13、張啟先編著，空間機構(gòu)的分析與綜合，上冊，北京：機械工業(yè)出版社
14、ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. The18thInt. Symposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1988,91-100.
15、John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989.
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
教研室意見：
教研室主任簽名： 年 月 日
學(xué)院意見：
教學(xué)院長簽名： 年 月 日
摘要
倉儲方面的物品取送工作目前仍以人工操作為主體，對于日益增加的工作量來說，人工已經(jīng)難以滿足這方面的需求，急需設(shè)計一款用于物品取送的機構(gòu)來代替人工進(jìn)行繁重的工作，同時大大提高工作效率。
運用所學(xué)知識，對倉儲智能裝卸裝置的物品取送機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與分析，而機械手無疑是很好的取送機構(gòu)，本文就是對于機械手的設(shè)計與分析，其中主要是對于機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括：手爪、手腕、手臂等部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與分析。除了對機械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析外，還對它的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了分析、選擇和設(shè)計。
關(guān)鍵詞 取送機構(gòu)；機械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計；驅(qū)動系統(tǒng)
Abstract
Warehousing and collection of goods is still based on manual operations. For the ever-increasing workload, it is difficult for manpower to meet this demand. It is urgent to design a mechanism for the collection of goods to replace heavy labor. Work, while greatly improving work efficiency.
Using the knowledge learned, design and analysis of the item picking and delivery mechanism of the warehousing intelligent loading and unloading device, and the robot is undoubtedly a good picking and delivery mechanism. This article is for the design and analysis of the robot, which is mainly for the implementing agencies of the robot. Including: Handle, wrist, arm and other parts of the structure of a detailed design and analysis. In addition to the design analysis of the manipulator's structure, it also analyzes, selects, and designs its drive system.
Keywords pickup agency robot structural design drive system
28
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 設(shè)計背景 1
1.2 設(shè)計意義 1
1.3 機械手簡介 1
1.3.1 機械手介紹 1
1.3.2 機械手構(gòu)成 1
1.3.3 機械手發(fā)展史 2
1.3.4 機械手分類 2
1.4 設(shè)計原則 3
2 取送機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 5
2.1 取送機械手的總體設(shè)計 5
2.1.1 取送機械手的結(jié)構(gòu)類型 5
2.1.2 選取方案 6
2.2 關(guān)于取送機械手的腰座設(shè)計 6
2.2.1設(shè)計要求 6
2.2.2機械手腰座的最終設(shè)計方案 7
2.3 關(guān)于取送機械手的手臂設(shè)計 7
2.3.1設(shè)計要求 7
2.3.2機械手手臂的最終設(shè)計方案 8
2.4 關(guān)于取送機械手的手腕設(shè)計 8
2.4.1設(shè)計要求 8
2.4.2機械手手腕的最終設(shè)計方案 8
2.5 關(guān)于取送機械手的手爪設(shè)計 9
2.5.1設(shè)計要求 9
2.5.2結(jié)構(gòu)形式 9
2.5.3機械手手爪的最終設(shè)計方案 10
2.6 關(guān)于取送機械手的機械傳動機構(gòu)設(shè)計 10
2.6.1常見的幾種傳動機構(gòu) 10
2.6.2機械手傳動機構(gòu)的最終設(shè)計方案 12
3 機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案 14
3.1 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分類及特點 14
3.1.1機械式驅(qū)動系統(tǒng) 14
3.1.2液壓式驅(qū)動系統(tǒng) 14
3.1.3氣壓式驅(qū)動系統(tǒng) 15
3.1.4電氣式驅(qū)動系統(tǒng) 16
3.2 機械手對驅(qū)動系統(tǒng)的基本要求 18
3.3 機械手對驅(qū)動系統(tǒng)的取用原則 18
3.4本次設(shè)計對驅(qū)動系統(tǒng)的選取 19
4 理論設(shè)計計算 20
4.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算 20
4.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 20
4.1.3計算和選擇液壓元件 22
4.2 電機選型有關(guān)參數(shù)計算 23
4.2.1有關(guān)參數(shù)的計算 23
4.2.2電機型號的選擇 24
致謝 27
參考文獻(xiàn) 28
1 緒論
1.1 設(shè)計背景
最近這些年來，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們的消費方式也發(fā)生了改變，網(wǎng)購成為了一種風(fēng)尚，這就給倉儲物流方面帶來了巨大的發(fā)展前景，為了順應(yīng)時代的潮流，避免被時代所淘汰，智能倉儲應(yīng)時而生。智能化的自動化倉儲模式正在飛速發(fā)展，貨物的取送也隨之要求著自動化、智能化。
隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的崛起,物品取送機構(gòu)中，機械手無疑是比較好的選擇，作為現(xiàn)代物流中重要組成部分的機械手是貨物在倉庫物品取送中的重要工具。
1.2 設(shè)計意義
現(xiàn)階段，國內(nèi)的很多公司在倉儲物流方面，裝卸工件的工作仍由人工完成，此種方式勞動強度大、效率不高。為了以極小的的投入獲取較多的工作成果,并適應(yīng)現(xiàn)代自動化,根據(jù)相應(yīng)的工作要求與流程,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一臺用于物品取送的機械手代替人工工作，來獲取最大利益。
機械手工作不僅可以改善產(chǎn)品的質(zhì)量和增加產(chǎn)品的產(chǎn)量,而且對保障人身安全,減小勞動強度,促進(jìn)勞動生產(chǎn)效率的提高,減少消耗節(jié)約成本,有著重大意義。
1.3 機械手簡介
1.3.1 機械手介紹
在人們的日常生活中,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展速度快得讓人難以想象,機械手更是如此，機械手手臂與有人類的手臂不同之處就在于靈活、精度及耐力方面，它們在工作時可以做到比人工更精確，也可以日復(fù)一日、年復(fù)一年的重復(fù)著同一段動作。隨著工業(yè)的大力發(fā)展，機械手臂必將應(yīng)用到更多行業(yè),機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展而形成的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，可以在不適于人工的環(huán)境下工作。
機械手的獲取動力的方式有四種，它們分別是液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動。只要將計算機程序控制技術(shù)運用到機械手當(dāng)中便可實現(xiàn)自動化。
1.3.2 機械手構(gòu)成
一個機械手要想做到智能自動化，它得做到對各個方面的設(shè)計，包括對機體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計。機械手手部的作用是抓取所需物品，由于物品的種類、形狀等方面存在差異，也就設(shè)計出了很多種對應(yīng)形式的手部，如夾著物品移動的、托著物品移動的、吸著物品移動的等。機械手的運動機構(gòu)的作用是為手部抓取物品提供定位精度，調(diào)整手部的位置確保手部能夠準(zhǔn)確抓取到物品。機械手的運動機構(gòu)具有一定的自由度，它們都是獨立的運動方式，如手臂的前后直線運動、腰座的回轉(zhuǎn)運動等。擁有6個自由度的機械手就可完成空間中所有的運動，想要抓取哪個物品就能抓到那個物品。雖然說自由度越多，機械手就可以完成越多的動作，但是自由度越多同時也就意味著這個機械手的結(jié)構(gòu)形式越復(fù)雜，也就越難以制造，這就會增加機械手的制造成本，所以機械手的自由度應(yīng)適當(dāng)。控制系統(tǒng)的作用是對機械手的動作進(jìn)行控制，使得它能夠完成我們需要的動作，從而完成相應(yīng)的工作。
1.3.3 機械手發(fā)展史
機械手最原始的表現(xiàn)形態(tài)就是大量用于工業(yè)當(dāng)中的工業(yè)機器人，它的機械化與自動化可以讓人擺脫繁重的工作量，能夠取代人在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作，因此廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等行業(yè)。
它是以古代機器人為基礎(chǔ)而發(fā)展變革出來的，于20世紀(jì)中期開始便進(jìn)行了關(guān)于機械手的研究，隨著計算機技術(shù)方面取得了一個又一個的突破，它的發(fā)展前景也便利了機械手的發(fā)展。此外，工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中對于大批量、大勞動量的生產(chǎn)作業(yè)的方式加速了自動化技術(shù)的發(fā)展，這也促使著機械手的更新?lián)Q代。另一方面，高危行業(yè)也要求機械手代替人工進(jìn)行對有害物質(zhì)的處理工作。隨著越來越多的不同的需求，機械手被運用到越來越多的領(lǐng)域當(dāng)中，它的形式也越來越先進(jìn)。
1.3.4 機械手分類
機械手有好多種，究竟根據(jù)什么標(biāo)準(zhǔn)來對它進(jìn)行分類，至今還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在暫時根據(jù)下面幾點來進(jìn)行：
1、根據(jù)使用途徑來進(jìn)行劃分
（1）專用機械手
這種機械手是依附于加工機床的，程序是固定好的，并且沒有控制系統(tǒng)的。這種類型的機械手動作是比較少的，作業(yè)的對象只能是一種，構(gòu)造不復(fù)雜，用起來可靠性是非常高的，并且價格還不高等等，在很多自動機床，自動生產(chǎn)線上使用。
（2）通用機械手
這種類型的機械手是具備自己的控制系統(tǒng)的，程序是可以進(jìn)行變化的，在動作的時候，靈活性是非常好的。這種機械手按照用的地方不一樣，它的動作順序是可以進(jìn)行變化的，并且控制部分也是獨立的。通用機械手可以工作的地方是比較大的，定位的時候精度是非常高的，并且還通用，生產(chǎn)數(shù)量不多，經(jīng)常要更換加工品種的，可以用它來進(jìn)行。
2、根據(jù)驅(qū)動辦法不一樣來進(jìn)行劃分
（1）液壓傳動機械手
這種機械手的動力部分就是液壓的壓力。主要的特征就是，可以對超過幾百公斤的物料進(jìn)行抓取，在進(jìn)行傳動的時候穩(wěn)定性非常好，并且構(gòu)造也很緊湊，工作起來非常靈活。不過，這種機械手對于密封性的要求是很高的，一旦有油漏出來，那么機械手的工作效果就沒有那么好了，它是不能在溫度很高，或者是很低的地方進(jìn)行工作的。
（2）氣壓機械手的動力來源就是壓縮空氣。它的好處是，介質(zhì)到處都有，輸出的力氣不大，氣動在工作的時候是非常快的，構(gòu)造一點都不復(fù)雜，并且花銷還比較少。不過，也有不好的地方，因為空氣是可以進(jìn)行壓縮的，所以說它的穩(wěn)定性是不怎么好的，沖擊也是不小的，不過起源壓力是比較小的，抓取的產(chǎn)品最多是三十公斤，一樣的抓重條件下，它的體積是大于液壓機械手的，在一些溫度非常高，環(huán)境惡劣的地方，速度非?？欤d荷比較小的時候可以拿來用。
（3）機械傳動機械手
這種機械手是一種專用機械手，是安裝在加工機床上的，它是通過工作機械將動力傳送出去的。好處是工作的時候精度高，并且可靠性非常高，工作的時候頻率是非常大的，不過不好的地方在于構(gòu)造非常大，并且程序不能進(jìn)行變更。正常只能進(jìn)行上下料。
（4）電力傳動機械手
這種機械手的結(jié)構(gòu)是比較特別的，它里面是有電路的，這種機械手不需要安裝轉(zhuǎn)換裝置，所以結(jié)構(gòu)一點都不復(fù)雜。這種機械手工作的時候速度是非?？斓?，并且工作行程非常長，不管是維護(hù)，還是用起來都比較容易。這種機械手現(xiàn)在還比較少，不過市場前景不錯。
3、劃分的時候根據(jù)控制辦法來進(jìn)行
（1）點位控制
在進(jìn)行動作的時候，其實就是點跟點進(jìn)行移動，只需要對點的地點進(jìn)行控制，運動的軌跡是控制不了的。要想要對多一些的點進(jìn)行控制，那么這樣的話電氣控制系統(tǒng)就比較復(fù)雜了?，F(xiàn)在用的專用機械手，通用機械手控制都是這種。
（2）連續(xù)軌跡控制
這種軌跡的線路可以是任何一種不間斷的曲線，它的特征是設(shè)定的點是沒有限制的，所以的移動流程都是被控制的，它的運動是非常穩(wěn)定，并且準(zhǔn)確性是很高的，可以使用的地方是比較多的，不過電氣控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，這樣的機械手在控制的時候一般都是用小型的計算機來實現(xiàn)的。
1.4 設(shè)計原則
對于此次的畢業(yè)設(shè)計，在進(jìn)行設(shè)計之前，有一個指導(dǎo)原則是必要的。此次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則如下：
1.必須以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為一切設(shè)計的前提，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行其他方面的補充設(shè)計。
2.要滿足所有要求的同時還得節(jié)約成本，因為本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計，所以，將大學(xué)期間的所學(xué)到的知識盡可能多的綜合運用到本次設(shè)計中，將會對所學(xué)知識有更深的認(rèn)識與掌握。
3.最后還得考慮到個人的能力水平以及時間安排，充分發(fā)揮自己的主觀能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。
2 取送機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
2.1 取送機械手的總體設(shè)計
2.1.1 取送機械手的結(jié)構(gòu)類型
經(jīng)過查閱資料得知，工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)類型有很多，根據(jù)坐標(biāo)的不一樣分為四種，其結(jié)構(gòu)形式與特點詳細(xì)如下：
1.圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)
機械手中運用最多的就是這種形式，它多用于取送和丈量物品。它的結(jié)構(gòu)很簡單，讓人很容易有一個直觀的認(rèn)識，所占用的空間較小。它的可以做到的動作是兩個直線方向的運動外加一個旋轉(zhuǎn)運動。
圖2-1 圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖
2.直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)式機械手通常都不是單獨使用的，它一般都會與傳送帶結(jié)合起來使用。它手臂所做的上升和下降運動、向左和向右運動以及向前和向后運動是按照空間直角坐標(biāo)系的方向進(jìn)行運作的。其它可以做到的動作只有直線方向的運動。
圖2-2 直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖
3.球坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)式機械手的自由度多，而自由度多就意味著可以做到很多動作，所以此種機械手適用范圍相當(dāng)廣闊。它可以做到的動作可以是一個旋轉(zhuǎn)運動也可以是多個旋轉(zhuǎn)運動，直線運動他也可以完成。
圖2-3 球坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圖
4.關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)式機械手的工作場合基本上都是接近機體的。它的結(jié)構(gòu)形式類似于人手的肘關(guān)節(jié)，非常直觀，也非常靈巧，可以完成很多工作。
圖2-4 關(guān)節(jié)式式結(jié)構(gòu)圖
2.1.2 選取方案
取送機械手雖然可以促進(jìn)勞動生產(chǎn)率、節(jié)省生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)安全系數(shù)，但這是建立在選擇或是設(shè)計出正確的取送機械手的基礎(chǔ)上的，否則將會使工作更加復(fù)雜。
根據(jù)本次設(shè)計需要，以及對于此取送機械手各種要求的綜合考慮，需要在滿足所有系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，我們需要做到盡可能精簡的結(jié)構(gòu)，以最小的代價而實現(xiàn)所需，并且還要有良好的可靠性。而本次設(shè)計的機械手要想實現(xiàn)對物品的取送，那么它至少得做到四個運動，包括手爪部位的旋轉(zhuǎn)運動、臂部的旋轉(zhuǎn)運動和臂部的上下和前后方向的直線運動。綜合考慮這一切之后，可以知道機械手的自由度為4，結(jié)構(gòu)類型選取為關(guān)節(jié)式坐標(biāo)機械手，它的結(jié)構(gòu)形式類似于人手的肘關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡練且動作靈巧，可以完成多種運動，還可較準(zhǔn)定位物品。
2.2 關(guān)于取送機械手的腰座設(shè)計
2.2.1設(shè)計要求
取送機械手的腰座，也就是各類型機械手的旋轉(zhuǎn)基座。作為機械手的基座和首個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它上面安裝了機械手的運動部件，機械手的整體重量也需要它來承擔(dān)。那么，設(shè)計取送機械手的腰座時，就要做到以下幾點要求：
1.為了確保機械手在工作過程中的穩(wěn)定性，這就要求取送機械手的腰座的安裝基面得足夠大。
2.機械手腰座上的各個機構(gòu)部件材料及制造得合要求，它們的剛度和強度必須要符合可以承擔(dān)整個機體重量的標(biāo)準(zhǔn)。
3.機械手腰座上的各個機構(gòu)部件的制造與安裝精度必須達(dá)到要求，以確保機械手的運動精度和定位精度。
4.機械手腰座要設(shè)計驅(qū)動裝置為其提供動力，讓其實現(xiàn)臂部的旋轉(zhuǎn)運動。
5.機械手腰座的結(jié)構(gòu)要盡可能簡單，還得設(shè)計相應(yīng)的調(diào)整機構(gòu)以便利各結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)整。腰部結(jié)構(gòu)與手臂的結(jié)合點得有一個可靠的基準(zhǔn)面，用于確保位置精度。
2.2.2機械手腰座的最終設(shè)計方案
機械手腰座部分要實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)運動，為這個運動提供動力的方法有兩種：一是電機通過減速機構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動從而提供動力，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)實現(xiàn)驅(qū)動從而提供動力。當(dāng)前來說第一種是比較主流的，這是由于這種方式的驅(qū)動形式可以控制得到一個比較高的精度，并且這種形式的結(jié)構(gòu)也很緊密，相對比較精簡，沒有那么多多余的系統(tǒng)和元件等方面的設(shè)計。腰座作為取送機械手承重機構(gòu)的同時還要完成臂部的回轉(zhuǎn)運動，它在機械手當(dāng)中擔(dān)任著重要職責(zé)，它需要對機械手的運動精度負(fù)責(zé)，為了讓機械手在運行之中可以保證較好的運動精度，選取第一種以電機來驅(qū)動的方式來實現(xiàn)腰座的回轉(zhuǎn)運動無疑是最好的選擇。而考慮到通常情況下電機是沒有辦法直接驅(qū)動的，還需要考慮到轉(zhuǎn)速等方面的具體要求，考慮到齒輪傳動過程中會出現(xiàn)無法擺脫的齒側(cè)間隙這種情況，它會對傳動的精度造成極大的負(fù)面作用，為了解決這些問題，綜合對比之后決定，齒輪傳動采用一級齒輪傳動的形式，傳動也取較大傳動比，至少得大于100，而且齒輪的強度、硬度都得足夠高，齒輪的制造精度也得足夠高，這樣做的話，將會使得傳動過程中所形成的誤差降到最小。腰座結(jié)構(gòu)圖如下所示：
圖2-5 腰座結(jié)構(gòu)圖
2.3 關(guān)于取送機械手的手臂設(shè)計
2.3.1設(shè)計要求
取送機械手的手臂是用來將手爪移動到所需位置以及承載手爪抓取物品的最大重量和自身重量，它的設(shè)計要求如下：
1.手臂應(yīng)具有良好的承載能力，用于承載物品及自身重量，還要有良好的剛性，這樣在抓取物品時才能有良好的平穩(wěn)性和定位精度。
2.手臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)精簡，這樣可以使手臂運動靈活，同時節(jié)約成本，手臂的自身重量要輕，這可以讓手臂具有良好的穩(wěn)定性。
3.手臂上各關(guān)節(jié)應(yīng)設(shè)計調(diào)整機構(gòu)用以調(diào)整間隙來減小誤差。
2.3.2機械手手臂的最終設(shè)計方案
機械手手臂獲取動力的方式有多種，如用電機驅(qū)動的方式提供動力、用液壓驅(qū)動的方式提供動力等。為了讓手臂運動得安全且平穩(wěn)，將采用液壓驅(qū)動的方式為手臂提供動力，以液壓缸的直接驅(qū)動來實現(xiàn)此直線運動，簡單易控。
液壓驅(qū)動的方式可以提供較大的驅(qū)動力，這就可以滿足機械手在工作過程中的穩(wěn)定性和剛度的要求。所以手臂液壓缸的設(shè)計得以大的直徑的缸為基礎(chǔ)，慢慢進(jìn)行強度的校核，此外還要考慮到不得影響整體結(jié)構(gòu)。
為了迎合具體工作的需求，手臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)精巧緊湊，由于系統(tǒng)剛度的要求，單單一味地增大缸徑是不行的，為了解決這個問題，所以設(shè)計底座時使用了雙液壓泵的結(jié)構(gòu)，以此來增加剛度，同時對于機械手的運動剛度和平穩(wěn)性也有明顯的提高。
在結(jié)構(gòu)上，要做到精巧緊湊，為此參照了挖掘機的機構(gòu)形式，在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行一些特殊需求的修改，使其滿足設(shè)計要求，設(shè)計的手臂結(jié)構(gòu)如下：
圖2-6 手臂結(jié)構(gòu)圖
2.4 關(guān)于取送機械手的手腕設(shè)計
2.4.1設(shè)計要求
手腕部件是用于連接手臂與手爪的中間部件，它的作用主要是調(diào)整手爪抓取物品時的方向與位置，讓機械手更加靈活同時更加精準(zhǔn)。此設(shè)計中的手腕是兩個旋轉(zhuǎn)運動中除去使臂部旋轉(zhuǎn)的另一個使手爪旋轉(zhuǎn)的部件。設(shè)計手腕時有很多需要考慮的地方：
1.手腕用以連接手臂和手爪，為了確保兩部分連接穩(wěn)定，手腕的強度和剛度必須足夠大。
2.在滿足要求的情況下，手腕的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單緊湊，自身重量也要盡量輕巧，避免給手臂和腰座帶來不必要的負(fù)重。
3.設(shè)計相應(yīng)的調(diào)整機構(gòu)來減小由傳動間隙所帶來的誤差。
2.4.2機械手手腕的最終設(shè)計方案
通過對機械手運行時的要求分析，同時考慮到提升安全性與可靠性（在實現(xiàn)硬性要求的基礎(chǔ)上），也為了使機械手整體結(jié)構(gòu)精簡緊湊，本設(shè)計將小臂與手腕部分設(shè)計在一塊，這樣不僅可以降低機械手在工作中的控制難度，還可以減去一些不需要的結(jié)構(gòu)，同時能夠滿足工作需求。此手腕結(jié)構(gòu)如下：
圖2-7手腕結(jié)構(gòu)圖
2.5 關(guān)于取送機械手的手爪設(shè)計
2.5.1設(shè)計要求
機械手的手爪起到的用途是抓取所需物品和運送它到指定位置的機構(gòu)，它有著類似于人手的模樣與效用，被安裝在機械手手腕的前端。它的設(shè)計要求如下：
1.手爪應(yīng)具有足夠大的夾緊力：除了物品的自身重量外，還需考慮到機械手在抓取和運送過程中慣性力以及過程中的晃動，為了確保物品不脫落和穩(wěn)定到達(dá)位置，手爪的夾緊力必須得足夠大。
2.手爪的手指間應(yīng)有合適的開閉角度：手爪手指打開的最大角度和閉合的最小角度為開閉角度，用以確保物品可以被成功抓取。
3.手爪應(yīng)具有足夠的剛度與強度：足夠的剛度與強度可以保證手爪在抓取物品的過程中不會出現(xiàn)折斷或變形的情況發(fā)生。
4.手爪的設(shè)計還需要考慮到被抓取物的形狀特征，在此基礎(chǔ)上加以設(shè)計來滿足其他方面的要求。
5.手爪應(yīng)設(shè)計得盡可能精簡，這樣不僅節(jié)約成本，還有利于裝卸與維護(hù)。
6.手爪的驅(qū)動裝置得有足夠的驅(qū)動力。
2.5.2結(jié)構(gòu)形式
機械手手爪的形式一般分為以下幾種：
1.平行杠桿式
此種乃是采取的平行四邊形結(jié)構(gòu)，所以很容易就可以確保手爪的平行運動，其產(chǎn)生的摩擦力也相對較小。
2.楔塊杠桿式
此種類型的手爪是應(yīng)用楔塊和杠桿之間的配合來實現(xiàn)手爪的張開與閉合，從達(dá)到抓取與放開物品的要求。
3.齒輪齒條式
此種類型的手爪是利用活塞的運動來提供一個推動力來使齒條運動起來，讓運動的齒條來帶動齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)讓手爪取送物品的目標(biāo)。
4.滑槽式
此種類型的手爪是利用活塞的前后運動來提供動力，從而使滑槽中的銷子來帶動手爪的開合。因為此手爪的開合大，比較適合抓取不同體積的物品。
5.連桿杠桿式
此種類型的手爪是運用活塞的推動產(chǎn)生的動力來使手爪的開合。此種形式通常與彈簧一起使用以此來平衡杠桿帶來的較大的夾緊力。
2.5.3機械手手爪的最終設(shè)計方案
聯(lián)系此次設(shè)計的具體需求，將幾種結(jié)構(gòu)形式的手爪進(jìn)行對比后得出最適方案，本次設(shè)計的機械手手爪將設(shè)計成連桿杠桿式的手爪，通過運用活塞的推動產(chǎn)生的動力來控制手爪的開合，從而實現(xiàn)抓取物品的功用。手爪的開閉角度由手爪所抓取的物品決定，本次設(shè)計為倉儲智能裝卸裝置的物品，所以按照物品直徑為300mm~600mm來設(shè)計。此手爪的結(jié)構(gòu)如下所示：
圖2-8手爪結(jié)構(gòu)圖
2.6 關(guān)于取送機械手的機械傳動機構(gòu)設(shè)計
2.6.1常見的幾種傳動機構(gòu)
1. 諧波齒輪傳動機構(gòu)
諧波齒輪傳動機構(gòu)是一種特殊的新式傳動機構(gòu)，它與其他傳動機構(gòu)的不同之處在于它是利用彈性變形運動來達(dá)到傳動的目的，它一改以往傳統(tǒng)的采用構(gòu)件模式，使用柔性構(gòu)件來替代剛性構(gòu)件來實現(xiàn)機械傳動，從而獲得了一系列其他傳動所難以達(dá)到的特殊效用。
它的優(yōu)點有：
（1）結(jié)構(gòu)簡單，零件少，體積小，重量輕
（2）傳動比大，傳動比范圍廣
（3）由于同時嚙合的齒數(shù)多，齒面相對滑動速度低，使其承載能力高，傳動平穩(wěn)且精度高，噪聲低
（4）傳動效率較高，且在傳動比很大的情況下，仍具有較高的效率
（5）同軸性好等
因為諧波傳動所具有的與眾不同的優(yōu)點，多年來，很多領(lǐng)域都對其進(jìn)行了利用。國內(nèi)外的運用實踐顯示，無論是用于高精度方面的精密諧波傳動，還是用于傳遞扭矩的動力諧波傳動，都表現(xiàn)得十分出色；諧波傳動優(yōu)于其他傳動方式的地方主要在于它可以用于工作環(huán)境比較惡劣的情況下。
2.齒輪傳動機構(gòu)
齒輪傳動種類繁多并且普遍應(yīng)用于大多行業(yè)當(dāng)中。
它的主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)緊湊；工作可靠、壽命長；傳動比穩(wěn)定等。
齒輪傳動的缺點就在于它的齒輪會產(chǎn)生不同形式的失效形式，它們大致包含齒輪折斷和齒面磨損、點蝕、膠合及塑性變形等。
為了讓齒輪擺脫上述幾種失效形式，可以采取一些措施解決這些問題，如選取合適的材料來制造齒輪，并事先將主、從動輪進(jìn)行磨合，或者選用適合的潤滑劑進(jìn)行潤滑等。
齒輪材料的選取也得滿足以下幾個條件：
（1）齒輪材料的選取得以達(dá)到在工作中的各項要求為基礎(chǔ)
（2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小是否得當(dāng)、毛坯成形方法是否合適及熱處理和制造工藝是否是最優(yōu)選擇項，能否達(dá)到要求
（3）齒面要硬、齒心要韌
（4）經(jīng)濟(jì)實惠
3.鏈傳動機構(gòu)
鏈傳動是一種撓性傳動，它的結(jié)構(gòu)如圖4所示，是鏈條與鏈輪的結(jié)合，它的工作方式是經(jīng)由鏈條和鏈輪之間的嚙合來傳送運動和動力，被較為普遍的應(yīng)用在現(xiàn)代機械當(dāng)中。
鏈傳動與帶傳動兩相比較，帶傳動時帶需張得很緊，而鏈傳動時鏈條卻不必如此，因此，作用于軸上的徑向壓力就沒帶傳動那么大；鏈傳動比帶傳動的結(jié)構(gòu)更加精簡，制造成本也就更低；而且，鏈傳動可以在較為苛刻的要求下工作。
使用鏈傳動比起使用齒輪傳動可以節(jié)約較大成本，因為它對于制造精度的要求沒有齒輪傳動那般嚴(yán)苛，就使得它的制造成本較少。
當(dāng)傳動的距離較大時，使用齒輪傳動會增加額外的成本，因為傳動距離較大時，齒輪傳動的結(jié)構(gòu)就得設(shè)計得復(fù)雜以完成工作需求。鏈傳動多用于傳動距離較大，對于工作可靠性有較高要求，或是工作條件比較苛刻的地方。
圖2-9鏈傳動簡圖
4.帶傳動機構(gòu)
帶傳動也是一種撓性傳動，它主要由帶輪和傳動帶構(gòu)成。它的運動原理如圖5所示：當(dāng)主動帶輪1提供動力最先轉(zhuǎn)動時，帶輪和帶之間就會產(chǎn)生摩擦或者形成嚙合現(xiàn)象，將運動和和動力通過傳動帶3傳遞給從動帶輪2。帶傳動的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單，一目了然、在傳動過程中可以保持非常好的穩(wěn)定性、價格比較合理公道等，因為這些優(yōu)點，它也被普遍應(yīng)用于近代機械當(dāng)中。
圖2-10帶傳動運動示意圖
5.螺旋傳動機構(gòu)
螺旋傳動的工作原理是通過操縱由螺母和螺桿組成的螺旋副來完成傳動的。它可以完成很多工作，但是它最普遍也是最特殊、有別于其他傳動的作用就是可以實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的運動-直線運動，在此轉(zhuǎn)變過程中還能保持對力與運動的傳送。
螺旋傳動的種類眾多，按其用途不同，可分為以下三種類型：
（1）傳力螺旋。 顧名思義，它的作用就是傳遞動力。
（2）傳導(dǎo)螺旋。它的主要作用是傳遞運動，也不時用于對軸向載荷的承載工作。
（3）調(diào)整螺旋。它用以調(diào)整、固定零件的相對位置。
2.6.2機械手傳動機構(gòu)的最終設(shè)計方案
結(jié)合先前對執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計，由于手臂部分將液壓缸直接設(shè)計在其上為其提供動力，因此，它既可算是為機械手提供動力的元件，又可當(dāng)做是機械手的一個關(guān)節(jié)，那么它就不需要再進(jìn)行其他中間傳動機構(gòu)的設(shè)計，這樣設(shè)計還有其他的好處，它不單單是將手臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單純的簡化，它還保留原有的工作需求，這樣精簡的結(jié)構(gòu)還意味著成本的減少。
對于機械手腰座部分，它的回轉(zhuǎn)運動是由步進(jìn)電機來提供動力的，難以控制它的運動速度，所以就必須得設(shè)計相應(yīng)的傳動機構(gòu)來增大扭矩和控速。通過查閱資料，相較之下，選取圓柱齒輪傳動機構(gòu)最為合適?？紤]到要盡可能減小傳動過程中的產(chǎn)生的誤差，增加扭矩，同時也要確保較高的精度，還要適當(dāng)?shù)亟档碗姍C的轉(zhuǎn)速，來使得機械手在運行過程中可以保持一個平穩(wěn)的運動狀態(tài)。經(jīng)過查閱資料得知，這里的齒輪傳動就只有采用較大傳動比，至少大于100的一級齒輪傳動才能達(dá)到要求。另外，此處齒輪的材料還得是高強度、高硬度的，其制造精度也必須極高。
最后，手爪部分，為了能夠抓取較重的物品，此處也采用液壓驅(qū)動，也就無需再設(shè)計此部分的傳動機構(gòu)。
3 機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案
3.1 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分類及特點
機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇一般只有四種，它們分別是機械式驅(qū)動系統(tǒng)、液壓式驅(qū)動系統(tǒng)、氣動式驅(qū)動系統(tǒng)和電氣式驅(qū)動系統(tǒng)。對于它們各自的適用范圍和特點在下文有比較全面的介紹。
3.1.1機械式驅(qū)動系統(tǒng)
機械式驅(qū)動系統(tǒng)只用在特定的場合。它一般用于完成固定的動作，而完成這些固定的動作主要是靠凸輪連桿機構(gòu)。其特點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，但存在重量大、動作平滑性差、噪聲大和不易于調(diào)整的缺點。
3.1.2液壓式驅(qū)動系統(tǒng)
液壓驅(qū)動系統(tǒng)是一個完整的系統(tǒng)，它一般由多部分構(gòu)成，如油泵、液壓缸等，它的作用是為各個機構(gòu)提供動力。液壓驅(qū)動系統(tǒng)可以提供相當(dāng)大的動力可以讓機械手擁有超強的抓取能力。液壓驅(qū)動的優(yōu)點可以表現(xiàn)為以下幾個方面：
1.結(jié)構(gòu)精簡，不僅表現(xiàn)直觀，還節(jié)約成本。
2.運動平穩(wěn)，它可以讓機械手在運行過程中保持安穩(wěn)。
3.抗沖擊，它本身的韌性十分高，使得它可以承受較大的沖擊力。
4.防爆，因為其特殊的結(jié)構(gòu)與超強的剛度，可以防止爆炸發(fā)生。
它的缺點是它有可能出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，從而給環(huán)境帶來危害，并且在高溫或低溫環(huán)境下難以工作。
液壓驅(qū)動系統(tǒng)是從世界上第一臺機器人的誕生時便在使用并延續(xù)至今，如今更是廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人行業(yè)。現(xiàn)在，雖然電機驅(qū)動系統(tǒng)在市場中占有較大比重，但它主要占據(jù)著中小型載荷的機器這部分市場，而液壓驅(qū)動系統(tǒng)在大型高負(fù)荷機器市場中仍是主導(dǎo)地位。
液壓驅(qū)動系統(tǒng)在機械手中的作用除了給運動件提供動力外，還起到放大控制信號的功率的作用，這樣就可以對機械手中液壓驅(qū)動的這部分執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而實現(xiàn)對機械手運動動作的控制，讓其完成規(guī)定動作。機械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式可以分為程序控制和伺服控制這兩種。
1.程序控制的液壓驅(qū)動系統(tǒng)
本次設(shè)計的這種只用于取送物品的機械手，要想對液壓系統(tǒng)實現(xiàn)有效的控制，通常需要將計算機程序應(yīng)用其中。這類液壓系統(tǒng)在設(shè)計時需要考慮到以下幾點要求：
（1）密封性設(shè)計：液壓缸的密封性必須得達(dá)到要求，在此基礎(chǔ)上，密封件的選擇要以減小摩擦為目標(biāo)，來延長液壓缸的使用年限。
（2）定位點的緩沖與制動：在定點前設(shè)計必要的緩沖機構(gòu)可以有效解決手臂運動過程中的運動慣量過大的問題。
（3）設(shè)計相應(yīng)的保護(hù)回路以保障安全，從而延續(xù)液壓缸的使用年限。
（4）有需要時得設(shè)計相應(yīng)的蓄能器以備不時只需。
2.伺服控制的液壓驅(qū)動系統(tǒng)
電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)的適用范圍十分寬泛，但通常情況下它主要應(yīng)用于具備點位控制或是連續(xù)軌跡控制的機械手當(dāng)中。它的閥類元件不僅可以有效的實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換，還可以將信號的功率進(jìn)行放大。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電-液伺服馬達(dá)和電-液伺服液壓缸可以設(shè)計成分離式的，也可以設(shè)計成一體式的，用以應(yīng)對不同的情況。分離式的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計時連接部分盡可能短，但也不要影響使用性能。
在機械手的伺服控制的液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服控制的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達(dá)或電-液步進(jìn)馬達(dá)。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是很特殊的伺服機構(gòu)，它的特殊之處就在于可以實現(xiàn)直接驅(qū)動。當(dāng)它安裝在機械手手臂和手腕的關(guān)節(jié)上時，就與機械手手臂和手腕形成了一個整體，它既可算是為機械手提供動力的元件，又可當(dāng)做是機械手的一個關(guān)節(jié)。
3.1.3氣壓式驅(qū)動系統(tǒng)
氣壓式驅(qū)動系統(tǒng)一般由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機構(gòu)成，它的基本原理與液壓式相同，但傳遞介質(zhì)是空氣。它的優(yōu)點有：
1.氣源方便，空氣輕易就可獲得，成本小。
2.動作迅速，由于傳遞的是空氣，它的密度小容易傳送。
3.結(jié)構(gòu)簡單，不僅便于裝卸、維修，還節(jié)省了制造成本。
雖然它的優(yōu)點很多，但也掩蓋不了它的缺點：
1.穩(wěn)定性差，空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作不穩(wěn)定。
2.抓取能力弱，氣動的氣壓太小，動力也就小。
3.由于它工作時存在不穩(wěn)定隱患，它的速度也就很難加以控制。
氣動機械手的動力源壓縮空氣，此類機械手的工作場所通常都建有一個或多個壓縮空氣站，也可以在機械手上直接設(shè)計一個小型的氣源系統(tǒng)為其提供動力。因為它的氣源可以輕松獲得，所以它通常被大量用于所需抓取力不太大，勞動量龐大或是不適合人工的惡劣條件的場合。
氣動驅(qū)動系統(tǒng)主要應(yīng)用是在中、小型機械手中，它的用途是為機械手完成對兩點式或有限點位控制的工作。這類機械手的結(jié)構(gòu)通常是圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)或是直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，又或是這兩者組合而成的新型坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。可編程序控制器作為在市場上占主導(dǎo)地位的控制裝置也是應(yīng)用其中。氣動驅(qū)動系統(tǒng)包含氣源、氣動三聯(lián)件、氣動閥、氣動執(zhí)行機構(gòu)、制動器和限位器，下面是對它們各自的作用、組成等方面的介紹：
1.氣源 機械手工作場所的總的壓縮空氣站或與機械手設(shè)計為一體的小型的氣源機構(gòu)提供壓縮空氣。一個完整的氣源系統(tǒng)包含的機構(gòu)有空氣壓縮機、儲氣罐等。
2.氣動三聯(lián)件 包括分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器這三部分，一般情況下三者是組裝起來使用的，也可以分開使用，但應(yīng)用較少。油霧器可能在某些情況下可以不用，但最好還是運用起來，它可以起到減少摩擦，延長機械使用年限的作用。
3.氣動閥 氣動驅(qū)動系統(tǒng)中，由于它多種多樣，也使得它應(yīng)用廣泛，如減壓閥用以減小壓力，節(jié)流調(diào)速閥用于調(diào)節(jié)速率等等。
4.氣動執(zhí)行機構(gòu) 這部分常常用氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)。直線氣缸有單動式和雙動式兩種形式，雙動式氣缸應(yīng)用較為廣泛，很多場合都有涉及，而單動式氣缸用的很少，它用于少數(shù)特定的場合。氣缸最基本的作用便是為機器提供動力，但它還有一些其他的作用，如對運動部件的速度進(jìn)行緩沖的作用等。根據(jù)機械手的具體需要來選取和設(shè)計相應(yīng)的氣缸，切不可隨意套用，拿來主義不可取。由橡膠和氟化塑料結(jié)合而成的密封環(huán)可以很好的保證氣缸的氣密性，還可以有效減小運行過程中所產(chǎn)生的摩擦力。現(xiàn)已研究出感應(yīng)式氣缸，就是將磁感應(yīng)技術(shù)加以利用，運用其中，可以用于對位置的檢測工作。除了直線氣缸，就屬擺動氣缸在機械手的市場中所占的比重最大。
5.制動器 由于氣動機械手對于精確定位定點的制動有很高的要求，制動器對于機械手的作用也就不言而喻了。對于大流量的電磁氣閥，就要求它的兩個停點之間距離較大，這樣可以形成一個緩沖時間，減小摩擦力，從而延長使用壽命。而對于小流量的電磁氣閥來說，它在制動過程中產(chǎn)生的摩擦力較小，就要求它的兩停點間距離盡可能小，只要保證氣缸的正常工作就行。定點數(shù)的多少也決定著制動效果的好壞，而多位置制動、反壓制動和制動裝置制動是增加定點數(shù)較為有效的制動方式。
6.限位器 限位器的作用就在于當(dāng)各運動部件到指定定位點時發(fā)出信號。對于檢測位置而言，感應(yīng)式氣缸用得最多，它可以不需要接觸部件僅憑電磁感應(yīng)就可精準(zhǔn)定位，是一種很理想的檢測裝置。常見的限位方式是利用氣缸中的鎖緊機構(gòu)將機械手的運動部件進(jìn)行鎖定，這種方式的鎖定在機械再次運行時需首先解鎖，否則會造成部件的損壞。
3.1.4電氣式驅(qū)動系統(tǒng)
如今市面上機械手用的最多的驅(qū)動系統(tǒng)就是電氣式驅(qū)動系統(tǒng)。一開始的時候，機械手多用步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動，經(jīng)過研究，又發(fā)明了直流伺服電機，并再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，最后研究出了交流伺服電機。這種驅(qū)動系統(tǒng)可以對機構(gòu)部件進(jìn)行直接驅(qū)動，不過這種驅(qū)動方式所獲得的動力很大，很難調(diào)控，通常會設(shè)計減速裝置降速后再進(jìn)行驅(qū)動。對于某些有特殊要求的機械手也可直接驅(qū)動，省去了減速裝置后結(jié)構(gòu)就變得簡單很多。
這種驅(qū)動方式的優(yōu)點也很多：
1.電源方便，隨著電力行業(yè)的飛速發(fā)展，電源獲取十分輕松且價格十分便宜。
2.響應(yīng)快，此種驅(qū)動系統(tǒng)十分靈敏，啟動迅速，執(zhí)行效率高。
3.所能提供的動力較大，由于它是電機驅(qū)動，可以獲得較大的驅(qū)動力，而大的驅(qū)動力又可轉(zhuǎn)變成大的動力。
4.對于信號的檢測、傳遞和處理有著天然的優(yōu)勢。
這么多年來，伴隨著多個領(lǐng)域?qū)C械化、自動化的迫切需求，這加大了對驅(qū)動系統(tǒng)更新?lián)Q代的研究投入，使得一個接一個跨革命的驅(qū)動系統(tǒng)的誕生。電機驅(qū)動在市場上占有較大比重，承重不超過一百公斤的機械手基本都使用這種驅(qū)動方式。
伺服電動機與其他好多機構(gòu)相組合，可以形成多種伺服電動機驅(qū)動單元，用于各種不同需要的場合。國外電氣式驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展已進(jìn)入更深層次，他們的系統(tǒng)已經(jīng)可以做到結(jié)合多級旋轉(zhuǎn)變壓器實現(xiàn)直接驅(qū)動，關(guān)鍵的是它還可以讓機械手具有較高的傳動精度，從而準(zhǔn)確定位并工作。
1.機械手驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇
對于機械手的驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇問題，要結(jié)合機械手的特點、使用范圍等多個方面進(jìn)行分析，并結(jié)合各種電機的適用范圍、特征等方面，進(jìn)行多方面比對考慮，從而選取最適合的一種電機，而非驅(qū)動力最大或是其他單一方面表現(xiàn)較好的電機。選好電機的種類之后，還得根據(jù)機械手要求的電機所要達(dá)到的轉(zhuǎn)速、額定功率等參數(shù)選擇相應(yīng)的電機型號。電動機的分類多種多樣，而用于機械手驅(qū)動系統(tǒng)方面的電動機有六種，它們各自的信息如下表3-1所示：
表3-1 各驅(qū)動器信息表
名稱
特點及機能
適用范圍
結(jié)構(gòu)特征
驅(qū)動器
同步交流伺服電動機
電機的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步；不論低速還是高速，定子繞組都可通較大電流，轉(zhuǎn)矩不受影響
適用于中小容量的伺服驅(qū)動系統(tǒng)
轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細(xì)
交流脈沖寬度調(diào)制變頻調(diào)速器
異步交流伺服電動機
電機轉(zhuǎn)速始終小于旋轉(zhuǎn)磁場，結(jié)構(gòu)精簡，容量大，實惠
適用于容量大的場合
定子由對稱三相繞組組成
交流脈沖寬度調(diào)制變頻調(diào)速器
小慣量永磁直流伺服電動機
電機的轉(zhuǎn)動慣量小，理論加速度大，反應(yīng)迅速，低速性好，調(diào)速比范圍大，但低速時輸出力矩小。
適用于要求反應(yīng)迅速而負(fù)載力矩小的場合
轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小
直流脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器SCR變壓驅(qū)動器
大慣量永磁直流伺服電動機
輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，機體硬度高，磨合性較高
適用于驅(qū)動力矩較大的場合
轉(zhuǎn)子較粗
直流脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū)動器
有刷繞組永磁直流伺服電動機
轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)靈敏；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性好，使用壽命長；輸出力矩穩(wěn)定。
適用于可頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速的場合
無鐵心，具有軸向平面間隙
直流脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū)動器
反應(yīng)式步進(jìn)電機
可將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成步距角，輸出力矩較大
適用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件
定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極
直流脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器SCR變壓驅(qū)動器
2.機械手電動驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動器
（1）直流電機伺服驅(qū)動器
直流伺服電機驅(qū)動器一般為直流脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器，它的電源電壓雖然是恒定不變的，但是電機的轉(zhuǎn)速卻是可以改變的，只要對電路加以控制就可改變電路中脈沖的寬度，從而更改電機電樞兩側(cè)的平均電壓，以此來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。
脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動器有著調(diào)速范圍寬泛、低速性好，反應(yīng)靈敏、工作效率高等優(yōu)點。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。
（2）步進(jìn)電機驅(qū)動器
步進(jìn)電機驅(qū)動器的作用是將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴骄嘟菍崿F(xiàn)位移，還可以控制脈沖信號的頻率和個數(shù)來完成電機調(diào)速和精確定位的工作。
步進(jìn)電機驅(qū)動器是步進(jìn)電機系統(tǒng)不可分割的一部分，缺少了它，步進(jìn)電機就無法正常工作。
3.2 機械手對驅(qū)動系統(tǒng)的基本要求
機械手對于驅(qū)動系統(tǒng)的要求有以下幾點：
1.結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，單位重量的輸出功率高、效率高。
2.響應(yīng)速度快、工作時動作要流暢，過程中不能有沖擊。
3.控制要方便靈活，盡量減小運行過程中的位移和速度偏差。
4.運行要保持安全平穩(wěn)，設(shè)備要便于安裝和維修。
5.減小對環(huán)境的負(fù)面影響。
3.3 機械手對驅(qū)動系統(tǒng)的取用原則
對于機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選取，得結(jié)合機械手用于何處、有何性能需求、怎樣控制、是否便于維護(hù)保養(yǎng)、功耗是否合理、成本是否合適等各個方面加以考慮選取。機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選用原則通常包含三方面：
1.控制方式。對倉儲物品的取送機械手的控制方式，通常選取以程序控制的方式。對于用于其他用途的機械手，只要適合，可用伺服控制。
2.作業(yè)環(huán)境要求。如果對于環(huán)境沒有特殊要求，通常采用電機直接驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)，而若是對工作環(huán)境有特殊要求的，如工作場所僅需要做到防爆，那么電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)無疑是最好的選擇，若是對工作環(huán)境有著極嚴(yán)苛的要求，如防腐、防爆、防毒都要做到，那么就得選用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)?？偠灾褪歉鶕?jù)需求而選。
3.運行速度和定位精度。對于機械手的定位精度要求較高且運行速度也要求較高的情況下，常常采取電機直接驅(qū)動的系統(tǒng)，而對于要求定位精度高，卻對運行速度沒有要求的情況下，一般采用步進(jìn)電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
3.4本次設(shè)計對驅(qū)動系統(tǒng)的選取
結(jié)合本次設(shè)計的需求，本設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)可分為三塊。
機械手腰座這部分有個回轉(zhuǎn)運動，它對于精度有較高要求，但對速度卻沒有太高的要求，因此可以采用步進(jìn)電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)。
機械手手臂部分，它對于精度與速度的要求和腰座部分相同，但是它本身的自重較大，會影響定位準(zhǔn)確度，故而取用電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
機械手手爪部分，由于對抓取能力有一定的要求，同樣選取電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
4 理論設(shè)計計算
4.1液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算
4.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案
液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)一般有兩種：用于實現(xiàn)直線運動的液壓缸和用于實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達(dá)。它們的特征和適用范圍如下表4-1所示：
表4-1各類液壓缸及液壓馬達(dá)信息表
名稱
特征
適用范圍
葉片馬達(dá)
體型小、轉(zhuǎn)動慣量小
適用于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動
齒輪馬達(dá)
結(jié)構(gòu)簡單、成本低
適用于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動
擺線齒輪馬達(dá)
體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大
適用于低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動
軸向柱塞馬達(dá)
運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍大
適用于大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動
徑向柱塞馬達(dá)
轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大
適用于低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動
柱塞缸
結(jié)構(gòu)簡單
適用于單向工作，靠外力返回
擺動缸
單葉片式小于360
雙葉片式小于180
適用于小于360的擺動
適用于小于180的擺動
單活塞桿液壓缸
有效工作面積大、雙向不對稱
適用于往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進(jìn)
雙活塞桿液壓缸
雙向?qū)ΨQ
適用于雙向工作的往復(fù)場合
此次設(shè)計的機械手為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)的機械手，此機械手共有4個自由度。
4.1.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
壓力和流量作為液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)，它們對于液壓系統(tǒng)的設(shè)計以及液壓元件的選取起著至關(guān)重要的作用。液壓缸所需承載的外部載荷決定了壓力的大小，而液壓執(zhí)行機構(gòu)的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸決定了流量的大小。
1.計算液壓缸的總載荷
液壓缸的總載荷的計算公式見（4-1）。
（4-1）
式中——表示的是機械手上的外加載荷，因為水平方向沒有外加載荷，故此處為0；
——表示的是活塞所受到的慣性力；
——表示的是克服密封件摩擦阻力所需的力；
——表示的是導(dǎo)向裝置上的摩擦阻力；
——表示的是回油被壓形成的阻力。
（1）對于的計算
活塞所受到的慣性力的計算公式見（4-2）。
（4-2）
式中——表示的是液壓缸所需帶動的總重力，此處取為2000；
——表示的是重力加速度， ；
——表示的是速度的變化量；
——表示的是機器啟動或制動的時間，一般為0.01~0.5，此處取0.2s。
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得：=1.02
（2）對于的計算
克服密封件摩擦阻力所需的力的公式見（4-3）。
（4-3）
式中——表示的是克服密封件摩擦阻力所需的空載壓力，如果該液壓缸工作壓力<16 ，則查相關(guān)手冊此處取=0.2 ；
——表示的是進(jìn)油工作腔的有效面積；
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得，啟動時： 565
運動時： 283
（3）對于的計算
機械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力的計算公式見（4-4）。
（4-4）
式中——表示的是機械手和所取物品的總重力，此處取為2000；
——表示的是摩擦系數(shù)，此處取=0.2；
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得： =400
（4）對于的計算
回油背壓形成的阻力計算公式見（4-5）。
（4-5）
式中——表示的是回油背壓，一般為0.3~0.5 ，此處取=0.3
——表示的是有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；
將數(shù)據(jù)代入上述公式得：，
根據(jù)液壓缸各工作階段受力情況分析，液壓缸的總載荷為
2.液壓缸主要參數(shù)的確定
結(jié)合本設(shè)計為用于物品取送機構(gòu)的機械手的要求來看，此機械手的系統(tǒng)剛度和工作時的安穩(wěn)性是至關(guān)重要的。所以，考慮到剛度和安穩(wěn)性的要求，液壓缸參數(shù)的選取得滿足需要，才能確保整個系統(tǒng)的剛度和安穩(wěn)性。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4-2大臂液壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
15
38
600
3
臂液壓缸主要承受軸向力，同時液壓泵也作為臂部機構(gòu)。
表4-3 小臂液壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
桿直徑
行程
工作壓力
60
15
38
154
2
表4-4 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
直徑
行程
工作壓力
20
5
20
80
3~6
大臂和小臂液壓泵各選取2個。
4.1.3計算和選擇液壓元件
1.對于液壓泵的選取計算
（1）計算液壓泵的實際工作壓力
液壓泵的實際工作壓力的計算公式見（4-6）。
（4-6）
式中——表示的是計算工作壓力，前以定為；
——表示的是對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)壓力，可估為0.5~1.5，這里取為1。
所以，可以計算出液壓泵的實際工作壓力為
（2）計算液壓泵的流量
液壓泵流量的計算公式見（4-7）。
（4-7）
式中——表示的是液壓泵的泄露因數(shù)，取1.1；
——表示的是機械手工作時的最大流量，其計算公式見（4-8）。
（4-8）
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得： =3.140
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得：
（3）計算液壓泵電機的功率
電機功率的計算公式見（4-9）。
（4-9）
式中——表示的是最大運動速度下所需的流量，此處取為3.140；
——表示的是液壓泵實際的工作壓力，此處為5；
——表示的是液壓泵的總效率，此處取為0.8；
將數(shù)據(jù)帶入上述公式計算得： =。
2.控制元件的選擇
根據(jù)系統(tǒng)中的最高工作壓力和通過該閥的最大流量，從標(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。
4.2 電機選型有關(guān)參數(shù)計算
4.2.1有關(guān)參數(shù)的計算
1.當(dāng)傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運動時
電機負(fù)載額定功率的計算公式見（4-10）。
（4-10）
電機負(fù)載加速功率的計算公式見（4-11）。
（4-11）
電機負(fù)載力矩（折算到電機軸）的計算公式見（4-12）。
（4-12）
電機負(fù)載GD（折算到電機軸）的計算公式見（4-13）。
（4-13）
電機起動時間的計算公式見（4-14）。
（4-14）
電機制動時間的計算公式見（4-15）。
（4-15）
式中——表示的是電機的額定功率，KW；
——表示的是電機的加速功率，KW；
——表示的是電機負(fù)載軸的回轉(zhuǎn)速度，r/min；
——表示的是電機軸的回轉(zhuǎn)速度，r/min；
——表示的是負(fù)載的速度，m/min；
——表示的是減速機效率；
——表示的是摩擦系數(shù)；
——表示的是負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸）；
——表示的是電機啟動最大轉(zhuǎn)矩；
——表示的是負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上）；
——表示的是負(fù)載的；
——表示的是負(fù)載（折算到電機軸上）；
——表示的是電機的。
而本設(shè)計中，腰部的回轉(zhuǎn)運動是通過電機驅(qū)動的，那么它傳遞運動形式就屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計算。
因為腰部的回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩，除此之外在圓周轉(zhuǎn)動方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算公式見（4-16）。
（4-16）
式中——表示的是滾動軸承的摩擦系數(shù)，取0.005；
——表示的是機械手本身與負(fù)載的重量之和，此處取2000；
——表示的是回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪的分度圓半徑，R=240；
將數(shù)據(jù)帶入上述公式，計算得：=0.24；
并且，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；
又因為 帶入數(shù)據(jù)計算得：=20.91334。
將其帶入上述公式，計算得：
電機的啟動時間是： ；
電機的制動時間是： ;
則電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。
4.2.2電機型號的選擇
1.腰部電機型號選擇
根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時電機技術(shù)有限公司（原北京四通電機公司）的步進(jìn)電機，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301,此型號的步進(jìn)電機的優(yōu)點是震動很小、轉(zhuǎn)矩很大以及綜合性能不錯。它的相關(guān)參數(shù)和特性曲線如下所示。驅(qū)動方式：升頻升壓； 步距角：0.36°；
其中步距角0.36，而腰部齒輪傳動的傳動比為1：120，理論上步進(jìn)電機通過減速裝置減速后將合適的動力傳遞到回轉(zhuǎn)軸，則回轉(zhuǎn)軸的步距角將為電機實際步距角的1/1
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