沖床上下料機械手設(shè)計【液壓驅(qū)動 三自由度圓柱坐標(biāo)式】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

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機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[1]。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[2]。 1.1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 被抓取工件 執(zhí)行機構(gòu) 位置檢測裝置 圖1.1機械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。 附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂運動 基本運動 復(fù)合運動 直線運動與回轉(zhuǎn)運動的組合(即螺旋運動) 兩直線運動的組合(即平面運動) 回轉(zhuǎn)運動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動)。 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式。 （三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置[3]。 2.1機械手的總體設(shè)計 2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機器人的結(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，分別介紹如下。 1.直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)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(biāo)機器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)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(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2.圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)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(gòu)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(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4. 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 2.1.2 設(shè)計具體采用方案 機械手工作布局圖2-2 具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量6KG，且時考慮到?jīng)_壓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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。 2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 進(jìn)行了機械手的總體設(shè)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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)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(shè)計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設(shè)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(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(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)整機構(gòu)，用來調(diào)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(zhuǎn)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。 2.2.1 機械手腰座設(shè)計的具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)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(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)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10），同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手手臂的設(shè)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(nèi)的運動。在進(jìn)行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； 1.應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)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(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)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(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(guān)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(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。 5.機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)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(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機器人手臂在結(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械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.1 設(shè)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?？紤]到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設(shè)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(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)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(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，通過增設(shè)導(dǎo)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(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 2.4機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 氣動驅(qū)動方式 因為抓取的零件為鈑金件毛坯或成品件,使用氣流負(fù)壓式吸盤。 2.5機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 1.齒輪傳動機構(gòu) 在機器人中常用的齒輪傳動機構(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等。 機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題 （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(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力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)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(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(dāng)計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jìn)行合理的分配，原則如下： a．輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。 b．等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設(shè)計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 （2）對于變負(fù)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。 （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(zhuǎn)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(yīng)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(jié)合為混合輪系。對于相當(dāng)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。 2.諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。 3.螺旋傳動 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為主的，如機床工作臺的進(jìn)給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標(biāo)： （1）滾珠絲杠的精度等級； （2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值； （3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值； （4）滾珠絲杠的工作壽命； （5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速； （6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預(yù)加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的1/3。 4.同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 5.鋼帶傳動 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。 6.鏈傳動 在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 7.鋼絲繩輪傳動 鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 2.6設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)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(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用步進(jìn)電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)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(zhuǎn)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10），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(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 1.液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)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(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，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2.氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負(fù)荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中。 3.電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機器人時，驅(qū)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(hù)的復(fù)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(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(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（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)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(qū)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(qū)動系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機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)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控制，進(jìn)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(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅(qū)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(shè)計要重視以下方面： （1）液壓缸設(shè)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(gòu)或鎖定裝置。 （3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護(hù)回路，防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。 （4）液壓源應(yīng)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(qū)動系統(tǒng)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構(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-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電-液伺服馬達(dá)和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達(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，步進(jìn)電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達(dá)或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-液伺服機構(gòu)。它可安裝在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。 機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應(yīng)用。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；3-5個自由度；負(fù)荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復(fù)定位精度為+/-0.1-0。5mm?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。 1.氣源 由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。 2.氣動三聯(lián)件 由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。 3.氣動閥 氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。 4.氣動執(zhí)行機構(gòu) 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機器人機構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計機器人時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進(jìn)行計算。 為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構(gòu)上。 5.制動器 氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達(dá)1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停點的步長也要相應(yīng)縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。 6.限位器 氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms，在機器人中應(yīng)用比較理想。當(dāng)氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構(gòu)（插鎖，滑塊等）將機器人運動機構(gòu)鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。 機器人電動驅(qū)動系統(tǒng) 這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負(fù)重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。其驅(qū)動原理方塊圖如下所示： 在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機），反應(yīng)式步進(jìn)電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。 速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機，位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅(qū)動單元。為了提高機器人的傳動精度，國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動電動機，并將多級旋轉(zhuǎn)變壓器組合在一起，這種旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)可達(dá)40-60萬個脈沖，這種直接驅(qū)動的電機（DD驅(qū)動電機）在快速高精度定位的裝配機器人中已經(jīng)得到應(yīng)用。 1.機器人驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進(jìn)行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉(zhuǎn)速、負(fù)載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關(guān)各類驅(qū)動電動機主要特點及性能、結(jié)構(gòu)特點、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表2-1： 表2-1 名 稱 主要特點及性能 結(jié)構(gòu)特點 用途及使用范圍 驅(qū)動器 小慣量直流永磁伺服電動機 電機的慣量小，理論加速度大，快速反應(yīng)性好，低速性好，調(diào)速比可達(dá)1：10e4范圍，但低速輸出力矩不大， 轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小 適用于對快速性要求嚴(yán)格而負(fù)載力矩不大的場合 直流PWM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，快速響應(yīng)性能好；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好，壽命長；負(fù)載波動對轉(zhuǎn)速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。 無鐵心，具有軸向平面間隙 可頻繁起制動、正反轉(zhuǎn)工作，響應(yīng)迅速，適用于機器人，數(shù)控等 直流PWM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，機械特性硬度大，可以長時間工作在堵轉(zhuǎn)條件下 又稱力矩電機，其轉(zhuǎn)子較粗 適用于驅(qū)動力矩較大的場合，因可不用齒輪傳動，消除了齒輪間隙 直流PWM伺服驅(qū)動器，SCR變壓驅(qū)動器 表2-1續(xù)表 反應(yīng)步進(jìn)電機 將電脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角與脈沖數(shù)成正比，輸出力矩也較大 電機轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)租，由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極 用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，如數(shù)控機床、機器人；開環(huán)控制 直流PWM伺服驅(qū)動器SCR變壓驅(qū)動器 同步交流伺服電動機 轉(zhuǎn)速與定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場嚴(yán)格同步；從低度到高速，定子繞組可通過大電流，故起、制動轉(zhuǎn)矩不降低，可頻繁起、制動 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，定子有三相，轉(zhuǎn)子比較細(xì) 主要用于中小容量的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控、機器人等系統(tǒng)中 交流PWM變頻調(diào)速器 異步交流伺服電動機 轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場，機構(gòu)簡單，容量大，價格低 定子由對稱三相繞組組成， 用于數(shù)控機床主軸等容量大的場合 交流PWM變頻調(diào)速器 2.機器人電動驅(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)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的開關(guān)頻率動作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。 PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強等特點。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)電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進(jìn)電機。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進(jìn)電機按著一定的規(guī)律運動。 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅(qū)動步進(jìn)電機。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。這種電路有高、低壓二組電源。當(dāng)繞組剛通電瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。而當(dāng)達(dá)到步進(jìn)電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。 2.7.1設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)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(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，故采用步進(jìn)電機驅(qū)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(qū)動；機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 在工件是板料，使用氣流負(fù)壓式吸盤.采用氣動驅(qū)動. 3.1系統(tǒng)設(shè)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(dá)，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。二者的特點及適用場合見表3-1： 表3-1 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進(jìn) 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于360 雙葉片式小于180 小于360的擺動； 小于180的擺動 齒輪馬達(dá) 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達(dá) 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達(dá) 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 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)速范圍寬 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 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 本設(shè)計因為機械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。同時考慮機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(zhuǎn)用電機驅(qū)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，來實現(xiàn)直線往復(fù)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(dǎo)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(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(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 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)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 本設(shè)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。 3.1.3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(jié)構(gòu)尺寸。 1.計算液壓缸的總機械載荷 根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 （3-1） 式中， -----為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為0； ------為活塞上所受的慣性力； ------為密封阻力； ------為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； ------為回油被壓形成的阻力； （1）的計算 （3-2） 式中， ------為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG； ------為重力加速度， ； ------為速度變化量； ------啟動或制動時間，一般為0.01-0.5，取0.2s 將各值帶入上式，得：=1.02 （2）的計算 （3-3） 式中，-----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 ，查相關(guān)手冊取=0.2 ； ------為進(jìn)油工作腔有效面積； 啟動時： 565N 運動時： =283N （3）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)套之間的摩擦力為 （3-4） 式中，------為機械手和所操作工件的總重量，取為100KG； ------為摩擦系數(shù)，取f=0.1； 帶入數(shù)據(jù)計算得： =98 （4）的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算 （3-5） 式中，-----為回油背壓，一般為0.3-0.5 ，取=0.3 -----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2； 將各值帶入上式有， 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 。 3.1.5.液壓缸主要參數(shù)的確定 針對本設(shè)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(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)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(shè)計階段，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3-3 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 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，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(shè)計上，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，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個目的，設(shè)計中采用了兩個導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 表3-4 垂直液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 60 10 25 400 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，又存在著傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機構(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.液壓缸強度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下： （3-10） 式中，----為缸筒內(nèi)徑； ----為缸筒試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取為； ----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處??； 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） 式中， -----為活塞桿上作用力； -----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處； 帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)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。 3.1.4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 （3-12） 式中，-------計算工作壓力，前以定為； ------對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5~1.5），這里取為1。 因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 （3-13） （2）確定液壓泵的流量 （3-14） 式中，------為泄露因數(shù)，取1.1； -----為機械手工作時最大流量。 （3-15） 經(jīng)計算得 =3.140 帶入上式得 （3）確定液壓泵電機的功率 （3-16） 式中，------為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.140； -------液壓泵實際工作壓力，5； ------為液壓泵總效率，取為0.8； 帶入數(shù)據(jù)計算得： =。 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。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。 3.油管及其他輔助裝置的選擇 （1）查閱設(shè)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??；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為； （2）確定油箱的容量 一般取泵流量的3-5倍，這里取為5倍，有效容積為 （3-17） 3.1.7液壓系統(tǒng)性能的驗算 繪制液壓系統(tǒng)圖后，進(jìn)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(jìn)行溫升驗算。 3.2 電機選型有關(guān)參數(shù)計算 3.2.1有關(guān)參數(shù)的計算 1.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運動 負(fù)載額定功率： （3-24） 負(fù)載加速功率： （3-25） 負(fù)載力矩（折算到電機軸）： （3-26） 負(fù)載GD（折算到電機軸）： （3-27） 起動時間： （3-28） 制動時間： （3-29） 式中，-----為額定功率，KW； -----為加速功率，KW； -----為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----為電機軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----為負(fù)載的速度，m/min； -----為減速機效率； -----為摩擦系數(shù)； -----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），； -----為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，； -----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），； -----為負(fù)載的，； -----為負(fù)載（折算到電機軸上），； -----為電機的，； 具體到本設(shè)計，因為步進(jìn)電機是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn),下面進(jìn)行具體的計算。 因為腰部回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩，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） 式中，-----為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005； -----為機械手本身與負(fù)載的重量之和，取100； -----為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240； 帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12； 同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/12； 且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。 將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ； 折算到電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。機械手的回轉(zhuǎn)角度為30度/秒 3.2電機型號的選擇 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： YG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301, 該步進(jìn)電機高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。下圖為110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。 驅(qū)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1：12，步進(jìn)電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/12（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(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當(dāng)高，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。 所選電機相關(guān)參數(shù) 圖3-2 圖3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301步進(jìn)電機的矩頻 特性曲線 3.3吸盤的選擇和計算 1.負(fù)壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。它適用于搬運一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為明顯。 氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負(fù)壓(或真空)的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤。 下面計算吸盤的直徑: 2.吸力的計算公式為: 式中:P—吸盤吸力(N)，本機械手的吸盤吸力為60N，故P=60N; D — 吸盤直徑((cm). n — 吸盤數(shù)量，本機械手吸盤數(shù)量為2; K1—吸盤吸附工件在起動時的安全系數(shù)，可取K,在此取K1=1.5; K2—工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分料器，則吸附力就可小些。另外工件從模具取出時，也有摩擦力的作用，同時還應(yīng)考慮吸盤在運動過程中由于加速運動而產(chǎn)生的慣性力影響。因此，應(yīng)根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在(1-3的范