數(shù)控機床上下料機械手的設計

數(shù)控機床上下料機械手的設計,數(shù)控機床上下料機械手的設計,數(shù)控機床,上下,機械手,設計 本科畢業(yè)設計說明書（論文） I 摘 要 通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，對工業(yè) 機械手各部分機械結構和功能的論述和分析，設計了一種圓柱坐標形式的數(shù)控機床上 下料機械手。重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各部分機械結構以及機械手控制 系統(tǒng)進行了詳細的設計。具體進行了機械手的總體設計，腰座結構的設計，機械手手 臂結構的設計，機械手腕部的結構設計，末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計，機械手的 機械傳動機構的設計，機械手驅動系統(tǒng)的設計。同時對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了理 論分析和計算。 本課題在設計的過程當中，深入生產實際，進行調查研究，吸取國內外先進技術， 制定出合理的設計方案，再進行具體設計。 關鍵詞：機械手；液壓伺服定位；電液系統(tǒng) 本科畢業(yè)設計說明書（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)設計說明書（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 設計方案的論證 .2 2.1 機械手的總體設計 .2 2.2 機械手腰座結構的設計 .3 2.3 機械手手臂的結構設計 .4 2.4 機械手腕部的結構設計 .5 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 .6 2.6 機械手的機械傳動機構的設計 .7 2.7 機械手驅動系統(tǒng)的設計 .10 2.8 機器人手臂的平衡機構設計 .12 3 理論分析和設計計算 .13 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設計計算 .13 3.2 電機選型有關參數(shù)計算 .19 4 機械手控制系統(tǒng)的設計 .22 結論 .24 致謝 .25 參考文獻 .26 附錄 1.27 附錄 2.32 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 1 1 緒論 1.1 選題背景 機械手，也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、 搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和 自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電 子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(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 結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動） 、 移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、 伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位 的物體，需有 6 個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手 的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有 23 個自由度 1.2 研究意義與方法 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸 和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需 要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所 要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體 要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化 的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經濟和滿足生產要求的設計 原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、 機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC） 、電子技術、 自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經過本次設計對 大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分 發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 2 2 設計方案的論證 2.1 機械手的總體設計 2.1.1 機械手總體結構的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié) 型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1.直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 a2-1.。 由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的 位置精度（m 級） 。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來 講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比 其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè) 及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 2.圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2- 1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓 柱狀的空間。 3. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 2- 1.c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作 空間是一個類球形的空間。 4. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖 2-1.d。關節(jié)型機器人動 作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機 器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類 型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 （參考吳 振 彪 ， 王 正 家 工 業(yè) 機 器 人 第 1 章 概 論 1.3 工 業(yè) 機 器 人 的 分 類 及 應 用 ） 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 3 圖 2-1 四種機器人坐標形式 2.1.2 設計具體采用方案 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達 30KG，且長度達 500MM， 同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要 求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要 3 種 運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉運動,綜合考慮， 機械手自由度數(shù)目取為 3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自 由度，其特點是:結構比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作 布局圖如圖 2-2 所示。 2.2 機械手腰座結構的設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器 等各個部分進行詳細設計。 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉基 座。它是機器人的第一個回轉關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了 機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的 結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最 大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 4 減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 5.腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面， 以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的 傳動間隙。 6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動 部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制 成。 （參考孫兵, 趙斌, 施永康. 物料搬運機械手的研制. 機電一體化. 2005, (2): 4345） 2.2.2 設計具體采用方案 腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或 液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結 構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉 關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。一般電 機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng) 進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級 齒輪傳動，采用大的傳動比（大于 100） ，同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用 高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。 2.3 機械手手臂的結構設計 2.3.1 機械手手臂的設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工 作空間內的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點， 這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小 與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空 間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求， 則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛 度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質 材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復 合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 5 當于鋼的 1/4，相當于鋁合金的 2/3） ，但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復 雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的 辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下， 減輕機器人手臂的重量。 4.機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因 此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。 5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和 提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利 用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要 時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機器人手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位 塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 2.3.2 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。 直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)。考慮到 搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達 30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手 的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手 臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是 執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易 于實現(xiàn)計算機的控制。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實 現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的 直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下） ，再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，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，在設計時另外增 設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡 量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采 用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決 了結構、穩(wěn)定性的問題。 2.4 機械手腕部的結構設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動） ，給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空 間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 6 工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合 運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作 業(yè)動作。 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多， 各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也 愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成 本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求 的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個，有 的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能 實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方 案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重 量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離 傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制 造。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于 裝卸末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2 設計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械 手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使 機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是 完全能滿足作業(yè)要求的，3 個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂 手爪聯(lián)結梁） 。 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 7 機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可 分為搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置， 用來進行相應的加工作業(yè)。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出 現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而 創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負 荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。 3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復 雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用 于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)， 應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換 裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作 業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端 執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭） ， 使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。 5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最 方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓 式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)） 。 2.5.2 設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪.這種手爪在活塞的推力下， 連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能 產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用.驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條， 中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。 本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 8 2.6 機械手的機械傳動機構的設計 2.6.1 工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題 機器人是由多級聯(lián)桿和關節(jié)組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅動型機器 人以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動 的。機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主 要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機 器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高， 低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉矩大、諧振頻率高以及與 伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題： 1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕， 慣量要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。 3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為 負斜率則易產生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和 導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導 軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母 副連接，以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構 等。 5.選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等 效轉動慣量，盡可能提高加速能力。 6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。 7.適當?shù)淖枘岜?，機械零件產生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且 衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。 故在設計時要使傳動機構的阻尼合適（參考吳 振 彪 ， 王 正 家 工 業(yè) 機 器 人 第 4 章 4.2 傳 動 部 件 設 計 ） 。 2.6.2 齒輪傳動機構 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及 蝸輪蝸桿傳動等。 機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 9 （1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉 向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應滿足驅動部 件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而 輸出則為低轉速，高轉矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量 小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最 大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量） ，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)產生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪； 為盡量降低制造成本，要采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高 傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2）各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結構緊湊， 滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下： a輸出軸轉角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應 按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出 轉角精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉角誤差換算到末級輸出軸上的總轉角誤 差為 ，則 max （2-1） )(1max/knnii 式中： -第 個齒輪所具有的轉角誤差；k -第 個齒輪的轉軸至 n 級輸出軸的傳動比。)(kni 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉角誤差（ 、 、.、 ）換算到末級128 輸出軸上的總轉角誤差為 （2- 84764354321max iiii 2） 由此可知總轉角誤差主要取決于最末級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。因此， 在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。 b等效轉動慣量最小原則。利用該原則設計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的 等效轉動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結構緊湊。 具體而言有幾點： （1）對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉動慣量 和總轉角誤差最小的原則來處理。 （2）對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期 嚙合以降低噪音和振動。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 10 （3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉角誤差最小 原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級 就增速，并且要求每級增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。 （4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結合為混 合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積 小重量輕時?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。(參考孫恒，陳作模，葛文杰 主編機械原 理) 2.6.3 設計具體采用方案 具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓 缸實現(xiàn)直接驅動，它既是關節(jié)機構，又是動力元件。故不需要中間傳動機構，這既簡 化了結構，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉運動采用步進電機驅動，必須采 用傳動機構來減速和增大扭矩。經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，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轉 速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動 比（大于 100） ，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7 機械手驅動系統(tǒng)的設計 2.7.1 機器人液壓驅動系統(tǒng)特點 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、 快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防 爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能） ， 速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會 對環(huán)境產生污染，工作噪音也較高。 2.7.2 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性 能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因 素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理 性、可行性、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 1.物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選 擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 11 機器人多采用氣動驅動系統(tǒng)。 2.用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用 伺服驅動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采 用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統(tǒng)。 2.7.3 機器人液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得 了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅動系統(tǒng)， 但是在簡易經濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很 大的比例。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉換元件把控制信號進行功率放大， 對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動 規(guī)律動作。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉的液壓馬 達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功 率的用容積調速系統(tǒng)。節(jié)流調速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調速系統(tǒng)，動 態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 1.程序控制機器人的液壓系統(tǒng) 這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常 采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人 的液壓系統(tǒng)設計要重視以下方面： （1）液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封 件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。 （2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加 緩沖與制動機構或鎖定裝置。 （3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側最好加設安全保護回路，防止因碰撞過 載而損壞機械結構。 （4）液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲 備。 2.伺服控制機器人的液壓系統(tǒng) 具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電-液伺服驅動系統(tǒng)。 其電-液轉換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥等。由以上 各類閥件與液壓動力機構可組成電-液伺服馬達，電-液伺服液壓缸，電-液步進馬達， 電-液步進液壓缸，液壓回轉伺服執(zhí)行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液 伺服動力機構。根據(jù)結構設計的需要，電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離 本科畢業(yè)設計說明書（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構間的管道容積，以增大液壓固有頻率。 在機器人的驅動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構是電-液伺服液壓缸和電-液伺 服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機 或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉馬達轉子內的一個回轉滑閥，通 過機械反饋，驅動轉子運動的一種電-液伺服機構。它可安裝在機器人手臂和手腕的關 節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。 2.7.4 設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋 轉運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅動來實現(xiàn)；因為采用液壓執(zhí)行缸 來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅動；同時考慮隨著機床加工的工件 的不同，水平手臂伸出長度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采 用電液伺服液壓缸進行驅動。 而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即 手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉 合。 2.8 機器人手臂的平衡機構設計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構， 使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的 負荷，同時縮短啟動時間 因為本設計機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械 手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結 構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足，則設置彈簧平衡 機構彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用 廣泛進行平衡。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 13 3 理論分析和設計計算 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設計計算 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，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉運 動。 本設計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有 3 個自由度，一個轉動，兩個移 動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的 具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現(xiàn)，剩下的兩個運動均 為直線運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸其特點是有 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)快進來 實現(xiàn)直線往復運動。 3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)， 通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與 先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化 來實現(xiàn)。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速。 本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調速，主 要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設計 液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系 本科畢業(yè)設計說明書（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，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容 積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(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)中雜質流回油箱，可在回油 路上設置磁過濾器。根據(jù)液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻 等措施。 本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓 油的潔凈，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)的液壓油進行凈化。 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 3-1 所示， 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、 張開三個執(zhí)行機構。 其中，泵由三相交流異步電動機 M 拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥 V1 調定；1DT 的得失 電決定了動力源的投入與摘除。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單 向節(jié)流閥。當 5DT 得電時，工作液體經由節(jié)流閥 V5 進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊； 當 6DT 失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。 另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下 降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保 證系統(tǒng)的安全性，采用 V2 構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平 衡重力負載。 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，他們是設計液壓系統(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)行元件的運動速度和結構尺寸。 1.計算液壓缸的總機械載荷 根據(jù)機構的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 （3-1）bfsfmwFF 式中， -為外加的載荷，因為水平方無外載荷，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)設計說明書（論文） 15 -為導向裝置的摩擦阻力；fF -為回油被壓形成的阻力；b （1） 的計算m （3-2）t vgGm 式中， -為液壓缸所要移動的總重量，取為 100KG；G -為重力加速度， ；g2/81.9s -為速度變化量；v -啟動或制動時間，一般為 0.010.5 ，取 0.2st s 將各值帶入上式，得： =1.02mFN （2） 的計算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 ，查相關手冊取=0.2 ；aMPaMP -為進油工作腔有效面積； 1A 啟動時： 565NsfF 運動時： =283N （3） 的計算fF 機械手水平方向上有兩個導桿，內導桿和外導套之間的摩擦力為 （3-4）fGFf 式中， -為機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)計算得： =98fN （4） 的計算bF 回油背壓形成的阻力按下式計算 （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械載荷為 。F108 2.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 本科畢業(yè)設計說明書（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 -為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按 估算， 為機械手2 g ak12 在搬運工件過程的加速度 ， ， 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)，計算得： ；N20 理論驅動力的計算： （3-7） 1Rbp 式中， -為柱塞缸所需理論驅動力；p -為夾緊力至回轉支點的垂直距離；b -為扇形齒輪分度圓半徑；R -為手指夾緊力；N -齒輪傳動機構的效率，此處選為 0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 NP37 計算驅動力計算公式為： （3-8） Fkc41 式中， -為計算驅動力；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)，計算得： NFc920 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9）APc 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 17 式中， -為柱塞缸工作油壓；P -為柱塞截面積；A 經計算，所需的油壓約為： MPa3 3.液壓缸主要參數(shù)的確定 針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。 因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的 穩(wěn)定性、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)設計階段， 通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現(xiàn)。經過仔細分析，綜合考慮 各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 表 3-1 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù) 缸內徑 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)壓力閥調定。 表 3-2 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內徑 m壁厚 桿直徑 m行程 工作壓力 MPa 60 10 25 400 1 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在其軸向上并不承受 顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向） ，軸向主要是克服摩擦力 矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產生彎曲變形。而且因為 機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。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。 因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局 設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿 足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩 個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加 了液壓缸的工作剛度。 表 3-3 垂直液壓缸參數(shù) 缸內徑 m壁厚 桿直徑 m行程 工作壓力 MPa 60 10 25 100 1 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆 本科畢業(yè)設計說明書（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，滿足此處的驅動力要求是輕而 易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同 樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。 4.液壓缸強度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當 D/ 時，液壓缸壁厚的較核公式如下：0 （3-10） )13.40(2yPD 式中， -為缸筒內徑；D -為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力 時，取為 ；yP Mapn6nyp5.1 -為缸筒材料的許用應力， ， 為材料抗拉強度，經查相關資b/b 料取為 650 ， 為安全系數(shù)，此處取 ；Man5 帶入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。 （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力，此處 ； 4.1/b 帶入數(shù)據(jù)，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。 3.1.6 計算和選擇液壓元件 1.液壓泵的計算 （1）確定液壓泵的實際工作壓力 p （3-12）11p 式中， -計算工作壓力，前以定為 ；1pMPa4 -對于進油路采用調速閥的系統(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)設計說明書（論文） 19 式中， -為泄露因數(shù)，取 1.1；K -為機械手工作時最大流量。maxq （3-15）vAqmax 經計算得 =3.140 in/L 帶入上式得 mi/45.310.p （3）確定液壓泵電機的功率 （3-16） 602maxqPp工 式中， -為最大運動速度下所需的流量，同前，取為 3.140 ；maxq in/L -液壓泵實際工作壓力，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，在標準元件的產品樣本中選取各 控制元件。 3.油管及其他輔助裝置的選擇 （1）查閱設計手冊，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，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)性能的驗算 繪制液壓系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從 略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大， 因此，不再進行溫升驗算。 3.2 電機選型有關參數(shù)計算 3.2.1 有關參數(shù)的計算 因為驅動負載作回轉運動 負載額定功率： 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 20 （3-24） 9501LNTP 負載加速功率： （3-25）a LatGD321057 負載力矩（折算到電機軸）： （3-26） lMLTN 負載 GD（折算到電機軸）： （3-27） 22)(lMLGD 起動時間： （3-28）)(375 2LPaTNt 制動時間： （3-29）)( 2LPMMdGDt 式中， -為額定功率，KW；0P -為加速功率，KW；a -為負載軸回轉速度，r/min；lN -為電機軸回轉速度，r/min；M -為負載的速度，m/min；lV -為減速機效率； -為摩擦系數(shù)； -為負載轉矩（負載軸） ， ；lTmN -為電機啟動最大轉矩， ；p -為負載轉矩（折算到電機軸上） ， ；L -為負載的 ， ； 2lGD2GD2mN 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 21 -為負載 （折算到電機軸上） ， ；2LGD2 2mN -為電機的 ， ；MGD2N 具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，下面進行具體的計算。 因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在 回轉軸上有； （3-30）RfFTfl 式中， -為滾動軸承摩擦系數(shù)，取 0.005；f -為機械手本身與負載的重量之和，取 100 ；GKG -為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240 ；R m 帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12 ；lTmN 同時，腰部回轉速度定為 =5r/min；傳動比定為 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. 啟動時間 ； msta96 制動時間 ；sd 折算到電機軸上的負載轉矩為： 。01523.LTN 3.2.2 電機型號的選擇 根據(jù)以上結果，綜合考慮各種因素，選擇國產北京和利時電機技術有限公司（原 北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為： 110BYG550B-SAKRMA-0301 該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好。下圖為 110BYG550B-SAKRMA-0301 型 步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數(shù)。 驅動方式：升頻升壓； 步距角：0.36； 其中步距角 0.36，同時因為腰部齒輪傳動比為 1：120，步進電機經過減速后傳遞 到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的 1/120（理論上） ，雖然實際上 存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 22 精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。 （參考鄧星鐘主編機電傳 動控制） 4 機械手控制系統(tǒng)的設計 機械手的動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。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅動。而液壓缸又由相應的電磁 閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時， 機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機 械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電 液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(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現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥 （夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工 作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。 當機械手旋轉到機床上方時并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須 在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料 架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。 機械手的作業(yè)動作流程如圖 4-1 所示： 圖 4-1 上下料機械手工作流程圖 從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服 定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通 電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電， 下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上 升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 開始輸出高速 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 23 脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機械手停止 轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關， 下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位 后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手 松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后， 碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 啟動高速脈沖驅動機械手 作順時針轉動，當轉過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回 到原點待命； 機床進行加工。 當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC 馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機械 手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且 張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，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；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床 上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上 限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC 輸出高速脈沖，驅動機械手順時 針轉動，當轉過 90 度到位后，PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，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，放下工件準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位