數(shù)控機(jī)床液壓上下料機(jī)械手設(shè)計【含CAD圖紙和文檔】

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The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ； through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign. The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces . Can improve working conditions, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of. Keywords：Manipulator ；Hydraulic；Control Loop  目 錄 摘要..................................................................I Abstract..............................................................II 第1章 緒論 1.1 選題背景........................................................1 1.2 設(shè)計目的........................................................1 1.3 國內(nèi)外研究方向..................................................2 1.4 設(shè)計原則........................................................2 第2章 機(jī)械手設(shè)計方案的論證 2.1機(jī)械手的總體設(shè)計................................................3 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型.......................................3 2.1.2 設(shè)計具體采用方案...........................................4 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計............................................4 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求...................................5 2.2.2 設(shè)計具體采用方案...........................................5 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................5 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計要求.......................................5 2.3.2 設(shè)計具體采用方案...........................................6 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................7 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求...................................7 2.4.2 設(shè)計具體采用方案...........................................7 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計..............................8 2.5.1 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求.................................8 2.5.2 機(jī)器人夾持器的運動和驅(qū)動方式...............................9 2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu).....................................9 2.5.4 設(shè)計具體采用方案...........................................9 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計......................................10 2.6.1 工業(yè)機(jī)械人傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題.........................10 2.6.2 工業(yè)機(jī)械人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式...............................11 2.6.3 設(shè)計具體采用方案...........................................12 2.7 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計............................................12 2.7.1 機(jī)器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點...................................12 2.7.2 機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng).........................................13 2.7.3 機(jī)器人氣動驅(qū)動系統(tǒng).........................................13 2.7.4 機(jī)器人電動驅(qū)動系統(tǒng).........................................14 2.7.5 設(shè)計具體采用方案...........................................15 第3章 理論分析和設(shè)計計算 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算............................................16 3.1、 機(jī)械手的動作范圍.............................................16 3.2、 確定運動速度.................................................16 3.3、 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù).......................................17 3.3.1、計算液壓缸的總機(jī)械載荷 ....................................17 3.3.2、手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算.................................18 3.3.3、無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）...........................20 3.3.4、液壓缸主要參數(shù)的確定.......................................21 3.3.5、液壓缸強度的較核...........................................22 3.4、 計算和選擇液壓元件...........................................23 3.4.1、液壓泵的計算...............................................23 3.4.2、控制元件的選擇.............................................24 3.4.3、油管及其他輔助裝置的選擇...................................24 結(jié)論..................................................................25 參考文獻(xiàn) .............................................................26 致謝..................................................................27  第1章 緒 論 1.1 選題背景 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。它是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科——機(jī)械工程。 在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.2 設(shè)計目的 本設(shè)計通機(jī)電一體化專業(yè)大學(xué)三年所學(xué)知識進(jìn)行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)電一體化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機(jī)結(jié)合。 本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國內(nèi)外研究方向 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其大體方向有兩個：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 設(shè)計原則 在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(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)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、液壓等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)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(shè)計。  第2章 機(jī)械手設(shè)計方案的論證 2.1機(jī)械手的總體設(shè)計 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。如圖2-1所示。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(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)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2-1. a。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(jī)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(jī)器人的運動空間相對機(jī)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(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方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(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(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)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(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)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(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(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、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。 圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.1.2 設(shè)計具體采用方案 圖2-2機(jī)械手工作布局圖 具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，且長度達(dá)500MM，同時考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(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4種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降、橫移為三個直線運動,另一個為手臂、手腕的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為4，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度、三個移動自由度，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(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計后，就要針對機(jī)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。 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，它是圓柱坐標(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)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運動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)計機(jī)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(jī)器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運動精度影響很大，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。 3.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間隙。 4.為了減輕機(jī)器人運動部分的慣量，提高機(jī)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。 2.2.2 設(shè)計具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)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。因為精度能夠要求不是很高，不用設(shè)計另外考慮到腰座是機(jī)器人的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，故采用齒條擺動缸來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。立柱橫移液壓缸采用雙出桿活塞液壓缸。 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計時，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，這樣可以使機(jī)器人運動學(xué)正逆運算簡化，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)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(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)器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)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(jī)器人手臂。 4.機(jī)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(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機(jī)器人的手臂時，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，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 2.3.2 設(shè)計具體采用方案 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(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同時考慮到機(jī)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(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(jī)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(jī)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）。 同時，因為控制和具體工作的要求，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)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(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)了四個導(dǎo)桿，成四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(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(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機(jī)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(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(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(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 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。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)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(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，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動就能實現(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，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計機(jī)器人手腕時，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)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 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)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(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)計具體采用方案 通過對數(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機(jī)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角度為±90度，手腕增加1自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，4個自由度來實現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求 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。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(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行測量及檢驗作業(yè)。 在設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器時，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)計的。一個新的末端執(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，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應(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，以實現(xiàn)機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)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(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，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制。用計算機(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)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機(jī)器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種 1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 1.連桿杠桿式手爪 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）運動，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。 2.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 2.5.4設(shè)計具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用齒輪齒條式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)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(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為160mm來設(shè)計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-3所示： 圖2-3機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題 機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的。機(jī)器人所采用的傳動機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機(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(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)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(shè)計機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)時要注意以下問題： 1.為了提高機(jī)器人的運動速度及控制精度，要求機(jī)器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 2.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動摩擦力應(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部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。 3.選用最佳傳動比，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)動慣量，盡可能提高加速能力。 2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動機(jī)構(gòu)形式 1.齒輪傳動機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪蝸桿傳動等。 機(jī)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。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(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。 為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應(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)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。 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(jī)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。 2. 絲杠螺母副傳動 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(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機(jī)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。而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單、壽命長，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。 2.6.3 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(jī)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(jī)構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間傳動機(jī)構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用液壓擺動驅(qū)動，必須采用傳動機(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，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；以使機(jī)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(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 2.7.1機(jī)器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機(jī)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(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(jī)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(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。 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(jī)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(jī)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(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)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(jī)器人中被廣泛的使用。 2.7.2機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機(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動規(guī)律動作。液壓動力機(jī)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(jī)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(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)最常用的是伺服控制的機(jī)器人液壓系統(tǒng)。 伺服控制機(jī)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(jī)器人，需要采用電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機(jī)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(jī)，步進(jìn)電機(jī)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(jī)械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-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，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動力元件。 2.7.3 機(jī)器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。 2.7.4機(jī)器人電動驅(qū)動系統(tǒng) 這些年來，針對機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等自動機(jī)械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機(jī)及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機(jī)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(jī)在機(jī)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(jī)器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 1.機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的選擇 機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的選擇要根據(jù)機(jī)器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各類電機(jī)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(jī)器人各運動軸所計算的、要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等來選擇電機(jī)型號。 2.機(jī)器人電動驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動器 （1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動器 直流伺服電機(jī)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(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機(jī)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(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機(jī)的驅(qū)動。 （2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)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(jī)。環(huán)行分配器是控制步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)。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(jī)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)。 2.7.5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(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度采用擺動缸驅(qū)動來實現(xiàn)即可；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；同時考慮隨著機(jī)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(jìn)行驅(qū)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。  第3章 理論分析和設(shè)計計算 3.1本機(jī)械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度±90° 手臂伸長量 400mm 手臂回轉(zhuǎn)角度±115° 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 3.2 確定運動速度 機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進(jìn)而確定各動作的運動速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手爪升降、伸縮、回轉(zhuǎn)、平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素。根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間長的計算分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間。 ② 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運動速度。機(jī)械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 ③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下常使幾個動作同時進(jìn)行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施以保證動作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V 腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度 V 臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V 臂回 = 40°/s 手爪升降速度 V 爪升 = 50 mm/s 立柱水平運動速度 V 柱移 = 50 mm/s 3.3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。 3.3.1計算液壓缸的總機(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） 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40KG； ------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(jī)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(jī)械手和所操作工件的總重量，取為40KG； ------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(jī)械載荷為 。 3.3.2手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選??； -----被抓持工件的重量 30； 帶入數(shù)據(jù)，計算得： ； 理論驅(qū)動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動力； ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 計算驅(qū)動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅(qū)動力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積； 經(jīng)計算，所需的油壓約為： 3.3.3 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖6.3條活塞缸計算簡圖 ① 流量、驅(qū)動力的計算 Q = （6.12） 當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時 Q = 952N ② 作用在活塞上的總機(jī)械載荷P （6.13） 其中 P工 為工作阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 66+108+208=382（N） ③ 油缸內(nèi)徑的計算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機(jī)械載荷的平衡條件，求得 D = （厘米） （6.14） D = 54mm 3.3.4液壓缸主要參數(shù)的確定 針對本設(shè)計是一個機(jī)械手的特點考慮，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，以盡量優(yōu)先保證機(jī)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3-1 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 桿直 行程 工作壓力 70 5 18 80 3~6 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 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（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(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機(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3-3 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 30 170 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(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。 3.3.5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