基于S7-200plc機械手設(shè)計

基于S7-200plc機械手設(shè)計,基于,S7,200,plc,機械手,設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 目 錄 摘要…………………………………………………………………………… 1 Abstract………………………………………………………………………… 1 1 緒論…………………………………………………………………………… 2 1.1 選題背景………………………………………………………………………… 2 1.2 設(shè)計目的………………………………………………………………………… 2 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢………………………………………………………… 2 1.4 設(shè)計原則………………………………………………………………………… 3 2 設(shè)計方案的論證…………………………………………………………………… 4 2.1 機械手的總體設(shè)計……………………………………………………………… 4 2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………… 4 2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………… 6 2.4 機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………… 7 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………… 9 2.6 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………… 11 2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………… 15 2.8 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計………………………………………………… 22 3 理論分析和設(shè)計計算…………………………………………………………… 23 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算……………………………………………………… 23 3.2 電機選型有關(guān)參數(shù)計算………………………………………………………… 31 4 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………… 35 4.1 機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計…………………………………………………… 35 4.2 機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計…………………………………………………… 40 結(jié)束語 ……………………………………………………………………………… 41 致謝 ………………………………………………………………………………… 42 參考文獻…………………………………………………………………………… 43 摘要 在工業(yè)生產(chǎn)中，具有廣泛的應(yīng)用范圍的是自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)自動化銑床，計算機控制系統(tǒng)，機器人等。 工業(yè)機器人是一種新興，智能化設(shè)備，逐步改變現(xiàn)代工業(yè)的面貌，決定工業(yè)自動化進程。 實際的機器人還帶有機械手腕（或手臂）的主體和機身末端的抓取工具（通常是某種夾具）。 它還包括一套控制系統(tǒng)，本文使用plc作為整體設(shè)計，對控制機器人工作更全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：機爪；夾持器；工業(yè)機器人；plc Abstract In industrial production, automatic control systems with a wide range of applications, such as industrial automation milling machines, computer control systems, robots, etc. Industrial robots are a new, intelligent device that gradually changes the face of modern industry and determines the process of industrial automation. The actual robot also has the main body of the robot wrist (or arm) and the gripping tool (usually some type of grip) at the end of the fuselage. It also includes a set of control systems. This article uses plc as an overall design to provide a more comprehensive introduction and summary of the control of robots. Keywords: robotic arm; gripper; industrial robot; plc 1 緒論 1.1 選題背景 近年來，隨著電子行業(yè)和自動控制研究領(lǐng)域的不斷發(fā)展，使的機械人行業(yè)迅速發(fā)展，并使機械人的功能越來越適用，越來越多樣化[ 1 ]。更換工件后,可靈活更換柔性生產(chǎn)系統(tǒng),有助于公司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。目前，工業(yè)機器人技術(shù)水平與其在國內(nèi)外的工程應(yīng)用還存在一定距離。應(yīng)用規(guī)模和工業(yè)化水平較低。機械手的研究與開發(fā)已在中國自動化生產(chǎn)水平的提高有直接的影響,從經(jīng)濟和技術(shù)兩個方面?？紤]它是非常必要的。因此,開展機器人的研究與設(shè)計具有十分重要的意義。 1.2 設(shè)計目的 本設(shè)計結(jié)合了四年的機械設(shè)計制造和自動化本科知識，完成了數(shù)控機床搬運機器人的特定功能和特殊要求的設(shè)計。它可以更好地反映機械設(shè)計，該機器人主要由數(shù)控車床（CNC銑床，加工中心等）組成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工（上料，加工，生產(chǎn)）的自動化和無人值守過程。目前，中國制造業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的資本流入制造業(yè)。越來越多的制造商加入了制造業(yè)。這種設(shè)計可應(yīng)用于車間地面，為滿足數(shù)控機床和加工中心加工過程中工件的安裝和卸載要求。這降低了工人的勞動強度。節(jié)省了加工援助時間,提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)率。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢 目前國內(nèi)外對機器人和機械手的研究已成為研究熱點。其研究現(xiàn)狀和總體趨勢如下[2]： （1）機械結(jié)構(gòu)向模塊化和可行性發(fā)展。例如，三聯(lián)式伺服電機，減速器和聯(lián)合模塊中的檢測系統(tǒng);關(guān)節(jié)機器人模塊和連桿模塊被用來以整潔的方式構(gòu)造整個機器人機器。 （2）機器人普遍采用傳感器設(shè)置，除了常規(guī)限位傳感器，速度和加速度等傳感器外，傳感器（如視覺和力傳感器）也用于組裝和焊接機器人。遠程機器人使用視覺，聲音和能量感知，觸摸和其他多傳感器融合技術(shù)可以進行決策交互控制。 1.4 設(shè)計原則 本畢業(yè)設(shè)計的原則是以任務(wù)書中具體設(shè)計要求為設(shè)計目標,同時還考慮機器人工作環(huán)境與機械工藝流程，使結(jié)構(gòu)盡可能簡單,盡可能使用標準化的通用零部件,降低成本,提高可靠性。根據(jù)科學(xué)的經(jīng)濟性和符合生產(chǎn)要求的設(shè)計原則,我們也將此設(shè)計作為畢業(yè)設(shè)計。 2 設(shè)計方案的論證 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)機器人常用的坐標系主要包括笛卡爾坐標系、圓柱坐標系、球坐標系以及描述各種結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)特征的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)坐標系[3]。 （1）直角坐標系機器人 如圖2-1（a）所示， 笛卡爾坐標機器人的工作空間是一個空間立方體。笛卡爾機器人主要用于組裝和運輸操作。笛卡爾機器人有三種類型的結(jié)構(gòu)：懸臂，龍門和起重機。 （2）圓柱坐標機器人 圓柱坐標機器人的空間運動是通過旋轉(zhuǎn)運動和兩個線性運動實現(xiàn)的，如圖2-1（b）所示。這個機器人結(jié)構(gòu)相對簡單和準確。它通常用于處理操作。它的工作空間是一個圓柱空間。 (3)球形坐標機器人 球面坐標機器人如圖2-1(c)所示，這種機器人結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但精度不高。主要用于加工操作。它的工作空間是一個球面空間。 （4）鉸接式機器人坐標系 多關(guān)節(jié)機器人的空間運動由三個旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，如圖2-1（d）所示。多關(guān)節(jié)機器人靈活，緊湊，占地面積小。相對于機器人的體型而言，其工作空間相對較大。此外有兩種類型的鉸接機器人：水平和垂直結(jié)構(gòu)。 (a) 直角坐標系 (b) 圓柱坐標系 (c) 球坐標系 (d) 節(jié)點式坐標系 圖2-1 四種機器人坐標形式 2.1.2 設(shè)計具體采用方案 圖2-2 機械手工作布局圖 針對該設(shè)計，由于設(shè)計要求加工工件的質(zhì)量達到30KG，長度可達500mm，考慮到CNC機床布局的具體形式和機器人的具體要求，考慮到滿足系統(tǒng)過程的要求，盡量簡化結(jié)構(gòu)以降低成本，提高可靠性。機器人的工作原理如上圖2-2所示。 2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 在機械手總體設(shè)計之后,有必要對機械手的腰部、手臂、手腕和末端執(zhí)行器進行定位。 2.2.1 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 工業(yè)機器人的腰座包括關(guān)節(jié)式機器人、球形坐標機器人或者關(guān)節(jié)式機器人類似的一種旋轉(zhuǎn)底座。底座時機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，移動部分隨著腰部底座運動而運動，集中了機器人基本所有重量[ 4 ]。設(shè)計機器人腰部底座結(jié)構(gòu)時,應(yīng)注意以下三個設(shè)計原則: （1）腰部底座必須有足夠大的底座，以確保機器人在操作過程中的整體穩(wěn)定性。 （2）腰部底座必須承受機器人的所有重量和負荷。因此，機器人基座和腰軸以及軸承結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強度和剛性以確保其承載能力。 (3)為了減少機器人運動部件的慣性,提高機器人的控制精度,腰部的殼體通常采用質(zhì)量比較輕鋁合金材料和不可移動部分是鑄鐵等脆性材料制。 2.2.2 設(shè)計的具體方案 腰部的轉(zhuǎn)動由電動機通過減速機構(gòu)或擺動液壓缸或液壓馬達驅(qū)動。目前的趨勢是使用前者。由于電動模式控制的精度非常高，結(jié)構(gòu)緊湊，因此不需要另外設(shè)計液壓系統(tǒng)及其輔助部件?？紤]到腰部座椅是機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機器人的最終精度有很大的影響，電機驅(qū)動器用于實現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動的[ 5 ]。一般來說,由于齒輪傳動裝置存在影響傳動??精度的齒隙，因此使用齒輪傳動裝置，并使用傳動比（大于100）。為了減少機器人的整體結(jié)構(gòu)，齒輪由高強度，高硬度材料制成。精確的加工和制造將齒輪傳動造成的誤差降到最低。圖2-3顯示了腰部的具體結(jié)構(gòu)： 圖2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 機械手手臂的設(shè)計要求 設(shè)計機械臂主要承擔負載和伴隨一定運動，應(yīng)遵循以下設(shè)計原則： (1)機械臂的關(guān)節(jié)軸應(yīng)盡可能平行;彼此的縱軸應(yīng)盡可能地相交。這可以簡化機器人運動學(xué)的正向和反向操作，并促進機器人的控制。 （2）為了精確控制提高機器人的運動速度，有必要采用合適的材料來減少結(jié)構(gòu)和手臂重量，同時確保機器人手臂具有足夠的強度和剛度。為了選擇高強度輕質(zhì)材料,通常采用高強度鋁合金制造機械臂。在形狀工件的加工過程中仍然存在問題，尚未在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。目前最有效的方法是使用有限元方法來優(yōu)化機器人手臂結(jié)構(gòu)。減少機器人手臂的重量，同時確保所需的強度和剛度。 2.3.2 設(shè)計的具體方案 機械手臂（臂架）和懸臂（臂架）的垂直運動是線性運動直線運動的實現(xiàn)通常是通過氣動驅(qū)動、液壓傳動和電動滾珠絲杠實現(xiàn)的[ 7 ]?？紤]傳輸部件的重量,考慮動態(tài)性能、穩(wěn)定性和運動的更高的要求,安全,工件質(zhì)量是30KG。這是一個中等重量的重量對手臂的剛度。由于液壓系統(tǒng)可以提供很大的驅(qū)動力，所以結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力和強度相對容易實現(xiàn)。關(guān)鍵是機器人的穩(wěn)定性和剛度。因此，懸臂缸的設(shè)計原理是，缸的直徑應(yīng)該較大（如果整體結(jié)構(gòu)允許），然后比較缸的強度。 同時，由于控制和具體工作的要求，機械臂的臂結(jié)構(gòu)不能太大。如果只能通過增加液壓缸的內(nèi)徑來增加操縱臂的剛度，則不能滿足系統(tǒng)剛度要求。因此，在設(shè)計中增加了一個導(dǎo)桿機構(gòu)，在小臂上增加兩根導(dǎo)桿，與活塞桿一起形成等邊三角形橫截面，以增加其剛性。四個導(dǎo)桿被添加到大臂形成一個規(guī)則的四邊形布局。為了減少質(zhì)量，每個導(dǎo)桿采用中空結(jié)構(gòu)，通過增加導(dǎo)向桿,增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 2.4 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人手腕是機器手的最末端執(zhí)行器，配合機器人手臂，根據(jù)設(shè)定運動軌跡完成精確動作抓取動作[8]。 2.4.1 機器手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）機器人手腕的靈活性越高，機器人對工作的適應(yīng)性越強。然而，自由度的增加將不可避免地使手腕的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，機器人的控制更加困難，并且成本將會增加。典型的機器人手腕的自由度為2?3，其他自由度更高，少部分機器人手腕零自由度，操作所需的任務(wù)只能通過動作來實現(xiàn)的手臂和腰部。因此，為了分析具體問題，考慮機器人的各種布局，鍛煉計劃，并選擇符合要求的最簡單的解決方案[9]。 （2）機器人的手腕應(yīng)與末端執(zhí)行器相關(guān)聯(lián)。因此，需要一個標準的連接法蘭，并且末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上易于處理。 （3）關(guān)節(jié)的腕軸旋轉(zhuǎn)被限定為限位開關(guān)，為了防止因超限引起的機械損傷而設(shè)定硬限位。 2.4.2 設(shè)計具體采用方案 圖2-4顯示了特定手腕（手爪聯(lián)結(jié)）的結(jié)構(gòu)。。 圖2-4 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5 機械手末端機爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5.1 機械手末端機爪的設(shè)計要求 機器人末端執(zhí)行器大概分為運輸，加工和測量,輸送用末端執(zhí)行器是指用于夾持或吸附被搬運物的各種夾持裝置[10]。用于加工的末端執(zhí)行器是具有諸如噴槍，焊炬，砂輪，銑刀等的加工工具的機器人附件，并且用于相應(yīng)的加工操作。 用于測量的末端執(zhí)行器是配備有用于測量和檢查操作的測量頭或傳感器的附加裝置。 設(shè)計機器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題： （1）機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人的操作要求而設(shè)計的。隨著新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，可以添加新的機器人應(yīng)用程序。 （2）機器人末端執(zhí)行器的全能性和特異性是矛盾的。通用末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，甚至難以實施。例如，人形萬能機器人的靈巧手尚未投入實際使用。目前，用于生產(chǎn)的仍然是一種結(jié)構(gòu)簡單，通用性低的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)的實際應(yīng)用來看，我們應(yīng)該專注于開發(fā)各種專用，高效率的機器人末端執(zhí)行器，再加上一個用于末端執(zhí)行器的快速切換裝置，以實現(xiàn)各種機器人工作功能，而不是聲稱具有通用性末端執(zhí)行器。完成各種操作。由于這種通用型執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。 （3）普遍性和多功能性是兩個概念。普遍性是指多能量，多功能性是指有限的末端效應(yīng)器，可以應(yīng)用于不同的機器人。這就需要末端執(zhí)行器具有標準的機械接口（如法蘭）來標準化和制造末端執(zhí)行器[11]。 2.5.2 機器人機爪的驅(qū)動方式 機器人手爪和機器人手爪。一般工業(yè)機器人的爪子大多是指尖。根據(jù)手指的運動，可分為旋轉(zhuǎn)式和運動式，按夾緊方式分為外夾式和內(nèi)支式兩種[12]。機器人手爪（手爪）主要有三種驅(qū)動方式： （1）氣動驅(qū)動方式該驅(qū)動系統(tǒng)使用電磁閥來控制夾具的移動方向，并且使用氣流控制閥來調(diào)節(jié)其速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)的價格較低，氣動夾具在工業(yè)中更常用。另外，由于氣體的可壓縮性，氣動夾具的夾持運動具有一定程度的靈活性，這對夾持動作非常必要。 （2）電動驅(qū)動模式電動驅(qū)動手柄也被廣泛使用,電動驅(qū)動方式可以實現(xiàn)爪的受力和位置控制。但是，這種驅(qū)動器不能在防爆條件下使用，因為電機可能會產(chǎn)生火花和高熱量。 （3）液壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的剛性，可以實現(xiàn)連續(xù)的位置控制。 2.5.3 機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) (1) 楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿的組合來實現(xiàn)機爪的開、合，用來抓取和釋放工件。 (2) 滑槽式手爪 (3) 齒輪齒條式手爪 此手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開的力 2.5.4 設(shè)計具體采用方案 結(jié)合具體的工作條件，本設(shè)計使用杠桿式手爪，手指的最小開度由加工工件的直徑?jīng)Q定，本設(shè)計的設(shè)計要求設(shè)計工件直徑50mm。 手爪的具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。 圖2-5 手爪的結(jié)構(gòu)形式 2.6 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 2.6.1 工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題 機器人是由多個葉柵和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間運動機構(gòu)[14]。除了直驅(qū)機器人之外，機器人的連桿和關(guān)節(jié)都由驅(qū)動器通過各種機械傳動機構(gòu)驅(qū)動。機器人使用的傳動機構(gòu)類似于通用機械的傳動機構(gòu)。一般的機械傳動機構(gòu)主要有齒輪傳動，皮帶傳動和高速皮帶傳動，同時響應(yīng)高諧振頻率以及與伺服電機等其他部件的動態(tài)性能相匹配的傳動部件。 在設(shè)計機器人的傳動機構(gòu)時，請注意以下問題： （1）系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小。這種結(jié)構(gòu)常見如滾珠絲杠副，滾動導(dǎo)軌支撐等。 （2）縮短傳輸鏈條，提高傳輸和支持的剛性。例如，使用預(yù)緊方法增加滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)向副的傳動和支撐剛度;直接使用高轉(zhuǎn)矩，寬速直流或交流伺服電機和電線連接螺母和螺母以減少中間傳動機構(gòu);螺桿的支撐設(shè)計采用軸向預(yù)載或預(yù)緊支撐結(jié)構(gòu)。 （3）減少反向死區(qū)誤差，如采取措施消除傳動間隙，減少軸承變形。 （4）在阻尼比適當?shù)那闆r下，機械部分共振時，系統(tǒng)阻尼越大，最大振幅越小，衰減越快;但較大的阻尼也會增加系統(tǒng)的無功和反轉(zhuǎn)誤差 [15]。 2.6.2 工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式 （1）齒輪傳動 機器人中的普通齒輪傳動機構(gòu)包括圓柱齒輪，錐齒輪，諧波齒輪，擺線齒輪和蝸輪。 機器人系統(tǒng)齒輪傳動設(shè)計中的幾個問題 （a）齒輪傳動比和齒輪比的最佳選擇。齒輪傳動部件是扭矩轉(zhuǎn)換器，速度控制器和轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換器。伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是變矩器，使得獲得相同加速度時所需的轉(zhuǎn)矩較小，即當使用相同的驅(qū)動功率時，加速度響應(yīng)為最大。 （b）輸出軸角度誤差的最小原則[16]。設(shè)齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （2-1） 式中：-----第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； -----第個齒輪軸至n級軸的傳動比。 則四級齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、、...、）換算到最后一級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為: （2-2） 可以看出，設(shè)計中最后兩個階段的傳動比應(yīng)該較大，并且應(yīng)盡可能地提高其加工精度。 （c）等效慣性矩最小原則。 采用這種原理設(shè)計的齒輪系統(tǒng)是為了最小化轉(zhuǎn)換成電機軸的等效慣性矩，并且各級的傳動比也按照“先大后小”的順序分布，以使結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點： （a）對于需要平穩(wěn)運動，頻繁啟動和停止以及良好的動態(tài)性能的伺服系統(tǒng)，應(yīng)處理最小等效慣性和總旋轉(zhuǎn)角度誤差最小化的原則。 （b）建議在變速器齒輪系統(tǒng)的齒輪比的所有階段使用不可約比率，以避免同時嚙合以減少噪音和振動。 （c）對于增加傳動精度和減少回程誤差的傳動齒輪系統(tǒng)，采用最小化總轉(zhuǎn)角誤差的原則;對于增速傳動，由于在增速過程中易損壞傳動齒輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該在前幾級。為了提高輪系的剛性，降低傳動誤差，需要提高轉(zhuǎn)速，并且要求每級增速比大于1：3。 （d）對于傳動比較大的齒輪系，固定軸和行星齒輪系統(tǒng)通常需要組合成一個混合齒輪系。對于較大的傳動比，以及所需的傳動精度和傳動效率，傳動平穩(wěn)，體積小，重量輕。可以使用新的諧波齒輪傳動。 （2）螺絲傳動 螺母傳動分為普通螺絲（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），由于滾珠絲杠的回位運動不能自鎖，所以在用于垂直傳動時，需要安裝自鎖機構(gòu)或制動裝置[17]。指標如下： （a）負載條件（靜態(tài)，動態(tài)負載）和允許的負載值; （b）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速; （c）滾珠絲杠的剛性; 減少滾珠絲杠返回行程的方法大多為雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與螺桿之間存在一定的預(yù)緊力。這消除了驅(qū)動間隙并提高了驅(qū)動精度和剛度。但是，預(yù)加載會縮短滾珠絲杠的使用壽命。因此預(yù)緊力不應(yīng)超過工作載荷的1/3。 （3）同步帶傳動 在皮帶的工作表面和皮帶輪的外圓周上具有嚙合的齒，并通過嚙合傳動與齒嚙合。為了確保皮帶和皮帶輪同步而不滑動，齒形皮帶采用高強度材料，在加載后不會彈性變形，并且不會彈性滑動以確保間距不變。 2.6.3 具體采用設(shè)計方案 具體到本設(shè)計，分析和比較后，選擇正齒輪傳動。為了保證相對較高的精度，齒輪傳動造成的誤差最小;同時扭矩大大增加，同時電機轉(zhuǎn)速大大降低，機械手運動穩(wěn)定，動態(tài)性能好。此處僅使用一個齒輪傳動，并使用一個較大大傳動比。 2.7 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 2.7.1 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)分為三大類：液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動。根據(jù)需要，這三種基本類型也可以互相組合成混合驅(qū)動系統(tǒng)[18]。這三個基本驅(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)是一項成熟的技術(shù)，具有功率大，力（或力矩）大，慣性比大，響應(yīng)速度快，直接驅(qū)動方便等特點。適用于負載能力大，慣性大，防火防爆環(huán)境的機器人。然而，液壓系統(tǒng)需要能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換為液壓能量）。在大多數(shù)情況下，速度控制采用節(jié)流，效率低于電力驅(qū)動系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的液體泄漏會污染環(huán)境，運行噪音也很高。 。 （2）氣動傳動系統(tǒng) 它具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，價格低廉的特點。適用于中低負載機器人。然而，由于很難實現(xiàn)伺服控制，很多機器人都用于程序控制，如上下料和沖壓機器人。 （3）電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣性，高轉(zhuǎn)矩交流和無刷直流電機不能直接用于防爆工作環(huán)境，并且比其他兩個驅(qū)動系統(tǒng)更昂貴。 2.7.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 在設(shè)計機器人時，必須根據(jù)機器人的使用，工作要求，機器人的性能規(guī)格，控制功能，維護的復(fù)雜性，操作的功耗等因素綜合考慮驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，成本績效和現(xiàn)有條件。在注重各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合以上因素，充分展示系統(tǒng)在合理選型前的合理性，可行性，經(jīng)濟性和可靠性[19]。在正常情況下，用于點焊和電弧焊接和噴涂操作的機器人需要點和跟蹤控制功能，并且需要伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只能使用液壓或電動伺服系統(tǒng)來滿足要求;點焊和電弧焊機器人通常使用電驅(qū)動系統(tǒng);重型點控制和點焊機器人使用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 2.7.3 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 自1962年以來，液壓系統(tǒng)一直被用于世界上第一臺機器人，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人。目前，盡管在中等負載的工業(yè)機器人中使用大量電機驅(qū)動系統(tǒng)，但在簡單經(jīng)濟的重型工業(yè)機器人和噴涂機器人中使用液壓系統(tǒng)仍占有很大比例。在大多數(shù)情況下，液壓動力機構(gòu)采用線性液壓缸或回轉(zhuǎn)馬達，并且很少使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)液壓馬達。在工業(yè)機器人中，中等和低功率液壓驅(qū)動系統(tǒng)用于節(jié)流速度控制和高功率音量控制系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但效率低。 （1）程控機器人液壓系統(tǒng) 這種類型的機器人是一個非伺服控制的機器人。在具有簡單傳輸功能的機器人中，通常使用簡單的邏輯控制設(shè)備或可編程控制器來控制機器人在有限的位置。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意以下幾個方面： （a）液壓缸設(shè)計：在確保密封性能的前提下，盡量使用橡膠和氟塑料密封件的組合，以減少摩擦阻力，延長液壓缸壽命。 （b）定位點的緩沖和制動：由于機器人手臂的慣性力矩較大，因此必須在定位點之前添加緩沖和制動機構(gòu)或鎖定裝置。 （c）應(yīng)將蓄能器添加到液壓源中，以便同時移動或加速多個運動軸以提供瞬時能量儲備。 （2）伺服控制機器人液壓系統(tǒng) 帶點控制和連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機器人需要使用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電液轉(zhuǎn)換和功率放大部件包括電液伺服閥，電液比例閥和電液脈沖閥。上述類型的閥件和液壓動力機構(gòu)可以組合形成電液伺服馬達，電液伺服缸，電液步進馬達，電液步進缸和液壓旋轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器和其他電動液壓伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電液伺服馬達和電液伺服缸可以分離或組合成一體。 在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電液伺服動力機構(gòu)是電液伺服缸和電液伺服回轉(zhuǎn)馬達，也可以采用電液液壓步進馬達。液壓旋轉(zhuǎn)致動器是安裝在旋轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)滑閥或由伺服馬達，步進馬達或比例電磁體驅(qū)動的連續(xù)旋轉(zhuǎn)馬達。機電反饋用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電動液壓運動，伺服機構(gòu)[20]。它可以安裝在機器人手臂和腕關(guān)節(jié)上進行直接驅(qū)動。它既是一個聯(lián)合機制，也是一個受力要素。 2.7.4 機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機器人使用壓縮空氣作為動力源。它們通常從工廠的壓縮空氣站引入機器人的工作位置，并且還可以建立一個小型空氣源系統(tǒng)。氣動機器人對環(huán)境無污染，移動靈活快速，操作安全可靠，操作維修方便等特點，適合在惡劣環(huán)境下工作。因此，它們在有毒或高溫條件下運行，如沖壓，注塑和壓鑄。 ，儀器和輕工業(yè)中的機床裝卸，中小型零件的運輸和自動裝配，食品包裝運輸，電子產(chǎn)品交付，自動對接，自動化彈藥生產(chǎn)等，已經(jīng)獲得了很多應(yīng)用。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)在許多情況下用于小型和中型機器人，用于兩點或限點控制。這種類型的機器人主要是圓柱坐標系和直角坐標系或兩者的組合; 3-5個自由度;負載小于200N;速度為300-1000mm / s;重復(fù)性為+/- 0.1-0。 5mm處[21]。 （1）氣動三聯(lián)機組由三部分組成：分水器，調(diào)壓器和先導(dǎo)油器。它可以是單獨的類型或三重類型。在大多數(shù)情況下，使用三重組裝類型結(jié)構(gòu)。無論是從壓縮空氣站還是單獨的來源供應(yīng)氣動三元組都是必須的。盡管無潤滑油缸可以在沒有油霧器的情況下使用，但在正常情況下，建議在油道上安裝油霧器，以減少油缸摩擦并延長使用壽命。 （2）為了實現(xiàn)最終緩沖，使用雙向端點緩沖氣缸。根據(jù)設(shè)計機器人時的結(jié)構(gòu)要求確定氣缸的結(jié)構(gòu)形式和與機器人機構(gòu)的連接（如法蘭連接，鉸接尾部，前部或中部鉸鏈，螺紋連接或鉸接活塞桿等）。缸的內(nèi)徑，行程大小可以根據(jù)機器人的運動分析和動態(tài)分析來計算。 （3）制動器氣動機器人的定位問題在很大程度上取決于如何實現(xiàn)停車制動。對于小流量電磁閥，吸入的關(guān)閉時間較短，停止點的步長應(yīng)相應(yīng)縮短。因此，對于機器人的單一自由度，停止點的數(shù)量可達6-9個。為了增加定位點的數(shù)量，除了使用多位置氣缸外可采用制動方式：背壓制動，制動制動裝置。 （4）根據(jù)要求和條件，如果使用非接觸式感應(yīng)缸，限位開關(guān)是非接觸式接近開關(guān)。 該開關(guān)的反射時間小于20ms，非常適合用于機器人。驅(qū)動鎖定機構(gòu)（插鎖，滑塊等）鎖定機器人移動機構(gòu)，重新啟動時，需提前打開鎖定機構(gòu)。 2.7.5 機器人電動驅(qū)動系統(tǒng) 多年來，為機器人數(shù)控機床和其他自動機器開發(fā)的眾多類型的伺服電機和伺服驅(qū)動器為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于機器人應(yīng)用了高起動轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)矩和低慣性的交流和直流電機，大多數(shù)工業(yè)機器人通常使用電力驅(qū)動系統(tǒng)。其驅(qū)動原理框圖如下： 用于機器人驅(qū)動系統(tǒng)的電機大致可以分為以下幾種：小慣量永磁直流伺服電機，電刷繞組永磁直流伺服電機，大慣量永磁直流伺服電機（力矩電機），無功步進電機電機，同步交流伺服電機，異步交流伺服電機。 大多數(shù)速度傳感器使用測速發(fā)電機，大多數(shù)位置傳感器使用光學(xué)編碼器。伺服電機可與測速發(fā)電機，光電編碼器，制動器和減速器組合。這種旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)可以達到400,000到600,000個脈沖。此直接驅(qū)動電機（DD驅(qū)動電機已用于裝配機器人中，用于快速和高精度定位。 （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)電動機的選擇應(yīng)根據(jù)使用的機器人，功能，結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各類電動機自身的特點，性能，結(jié)構(gòu)特點和性價比等綜合考慮。根據(jù)機器人各運動軸計算出的電機轉(zhuǎn)速，負載額定轉(zhuǎn)矩，加減速特性，額定功率，加速度等參數(shù)計算電機模型[22]。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格而負載力矩不大的場合 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 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 （a）直流電機伺服驅(qū)動器 當前的伺服電機驅(qū)動器使用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。電源電壓是一個固定值。大功率晶體管用作開關(guān)元件，并以固定的開關(guān)頻率工作。但是，脈寬可以通過電路的控制來改變。也可以在電機電樞的兩端更改脈沖寬度。平均電壓，從而改變電機的速度。這種類型的伺服驅(qū)動器通常由一個電流內(nèi)環(huán)和一個速度外環(huán)組成。最后一級使用高功率晶體管來形成橋式開關(guān)電路。 PWM伺服驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)速范圍寬，速度特性低，響應(yīng)速度快，效率高，過載能力強等特點。被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機床，工業(yè)機器人等機電一體化產(chǎn)品中，用作直流伺服電機驅(qū)動器。 （b）步進電機驅(qū)動器 步進電機控制設(shè)備包括脈沖發(fā)生器，環(huán)形分配??器和功率放大器。功率放大器的目的是將環(huán)形分配器的毫安電流輸出放大到安培電平電流以驅(qū)動步進電機。目前，功率放大器使用高低壓驅(qū)動電路。該電路具有高壓和低壓電源。當繞組剛剛通電時，繞組以高電壓開啟，以便快速建立每相的電流。當達到步進電機的額定電流時，只有低壓供應(yīng)給每相繞組?？刂齐娐房梢赃_到增加高壓的時間長短。2.7.6 設(shè)計具體采用方案 具體到設(shè)計，在考慮具體工作要求后，綜合考慮各種因素。機器人腰部的旋轉(zhuǎn)需要一定的定位控制精度，所以采用步進電機驅(qū)動來實現(xiàn);因為使用液壓缸做橫臂和縱臂，所以小臂和大臂都采用液壓驅(qū)動;考慮與機器的工件不同的是，水平臂的延伸長度是不同的。因此，要求水平臂具有伺服定位能力，以便電動液壓伺服缸用于驅(qū)動。 夾具的打開和夾緊是通過液壓柱塞缸的活塞與中間齒輪和扇形齒輪的配合實現(xiàn)的，也就是說夾爪的手指將手指推過活塞桿的端架，中間齒輪和扇形齒輪在柱塞缸的推力下打開并關(guān)閉。 2.8 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計 可以合理布置笛卡爾，圓柱形和球形坐標系以優(yōu)化機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)，使臂本身達到平衡[23]。 聯(lián)合機器人手臂通常需要平衡裝置以減少駕駛員的負擔，同時減少啟動時間。 2.8.1 機器人平衡機構(gòu)的形式 一般來說，機器人使用的平衡機制主要有以下幾點： （1）配重平衡機構(gòu) 平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，調(diào)整方便，運行可靠，但增加了機器人手臂的慣性和關(guān)節(jié)軸的負荷。這種平衡機構(gòu)通常在機器人手臂的不平衡力矩相對較小時使用。 （2）彈簧平衡機制 彈簧平衡機構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，操作可靠，平衡效果好，維修方便而具有廣泛的應(yīng)用。 （3）活塞推桿平衡機構(gòu) 氣動平衡系統(tǒng)具有良好的減振效果，但體積較大?；钊炱叫枰鋫涮厥獾囊簤夯驓鈩友b置，系統(tǒng)復(fù)雜。因此，成本高，設(shè)計，安裝和調(diào)試都比較困難，但平衡效果好。 2.8.2 設(shè)計具體采用的方案 由于本設(shè)計的機械手采用了圓柱坐標系，而在臂結(jié)構(gòu)設(shè)計和整個機械手的設(shè)計和布局都側(cè)重于機械臂的平衡問題，合理設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化機械設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得機械臂本身盡可能達到平衡狀態(tài)。 不能滿足實際工作中的平衡，則調(diào)整彈簧平衡機構(gòu)設(shè)置為平衡。 3 理論分析和設(shè)計計算 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算 3.1.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行器大致分為液壓缸和液壓馬達。 前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動 表3-1列出了兩者的特點和適用場合： 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 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 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 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 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 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 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 這種設(shè)計是因為機械手是以圓柱坐標定義的，具有3個自由度，腰部的轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動，其余兩個動作 是線性運動。 因此，機械手的水平臂和垂直臂都采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)線性往復(fù)運動[24]。 3.1.2 確定液壓執(zhí)行元件的運動控制回路 液壓執(zhí)行器確后，控制運動方向和運動速度是液壓回路的一個很重要問題。相應(yīng)的速度控制方法包括節(jié)流速度控制，音量控制和兩者組合的體積節(jié)流。該控制方向的設(shè)計采用電磁閥來實現(xiàn)，而轉(zhuǎn)速控制主要采用節(jié)流控制，主要采用一種比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)油門速度控制系統(tǒng)一般用于定量油泵，在沒有其他輔助油源的情況下，液壓泵的燃油體積速度控制系統(tǒng)通常配備變量泵，而安全閥用于限制系統(tǒng)最大壓力。 油凈化裝置是液壓源中不可缺少的元件。一般泵的進口裝有一個粗濾油器，進入系統(tǒng)的油根據(jù)需要再由一個精濾器過濾。為防止系統(tǒng)中的雜質(zhì)回流到油箱，可在回油管路上安裝磁性過濾器。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計使用定量泵來提供油，由安全閥V1系統(tǒng)壓力設(shè)定。為了保證液壓油的清潔和防止液壓油進入污染物，在油泵的入口處安裝粗濾器，在油泵出口處安裝精濾器以凈化循環(huán)液壓油。 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 該機器人的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示。 它有上下垂直的手臂，水平伸縮式氣瓶的前后卷收器，以及三個執(zhí)行器，用于抓取和打開氣爪。其中，泵由三相交流異步電動機M驅(qū)動;系統(tǒng)壓力由安全閥V1設(shè)定; 1DT的收益和損失決定了電源的輸入和消除?？紤]到夾具的工作需要溫和抓握和快速釋放，以實現(xiàn)抓爪的輕柔抓握;當6DT斷電時，工作流體進入柱塞缸并且機爪快速釋放。另外，由于機械手垂直升降油缸與負載的作用方向相同，所以機械手的向下運動方向有加速運動速度的趨勢。為了使運動過程穩(wěn)定，沖擊和振動被最小化，并保證了系統(tǒng)的安全性。 V2的使用由相位提升缸下腔的平衡構(gòu)成，以提供一定 的回油壓力來平衡重力負荷。 圖3-1 機械手的液壓系統(tǒng)原理圖 3.1.5 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)壓力取決于外部負載，流量取決于移動速度和液壓執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的大小。 (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。 (a) 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 (b) 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 ； ------為進油工作腔有效面積。 啟動時： 565N 運動時： =283N (c) 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 (d) 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 。 (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)，查表選取； -----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； ----為回轉(zhuǎn)支點到夾緊力的垂直距離； -----扇形齒輪分度圓的半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動的機械效率，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： 同時 （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) 液壓缸主要參數(shù)的確定 考慮到設(shè)計是機器人特征，機器人系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性非常重要。 因此，首先從剛度角度出發(fā)選擇液壓缸內(nèi)徑，以保證機械手的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性及安全性[25]。 對于液壓缸的工作壓力和液壓缸的運行速度，它被放置在液壓系統(tǒng)的設(shè)計階段，并通過外部液壓回路實現(xiàn)，使用適當?shù)乃俣瓤刂苹芈泛徒M件。 在仔細分析和綜合考慮各種因素后，各液壓缸的基本參數(shù)初步確定如下： 表3-2 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 注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 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 由于伸縮油缸的功能主要是實現(xiàn)伸縮運動的直線運動，因此它不承受軸向的顯式工作載荷（因為夾具抓住工件，力的方向是垂直的），而軸向主要克服了摩擦。扭矩，它接收的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)是彎矩，導(dǎo)致其彎曲和變形。而且由于操縱器需要一定程度的靈活性，所以水平液壓缸活塞桿需要相對較大的工作行程。同時具 有較大的彎矩和較大的行程，對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度提出了更高的要求。 因此，在設(shè)計水平伸縮油缸時，一是增加其抗彎能力，二是采取合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，使其盡可能大[26]。為了實現(xiàn)這一目標，在設(shè)計中使用了兩根導(dǎo)桿來解決長行程活塞桿的穩(wěn)定性和制導(dǎo)問題。另一方面，為了增加結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性，兩個導(dǎo)桿和活塞桿以等邊三角形的形式布置，以增加彎曲部分的模量，并且還大大增加了工作液壓缸的剛性。 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 25 100 1 由于立式液壓缸承受一定的軸向載荷，因此也存在較大的傾覆力矩（由工件重量引起）。 作為液壓執(zhí)行機構(gòu)，在這里滿足驅(qū)動力要求是一件輕而易舉的事情，而要解決的關(guān)鍵問題是其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否具有足夠的剛性來抵抗傾翻。 這里也使用導(dǎo)向桿機構(gòu)，并且圍繞垂直升降缸布置四個導(dǎo)向桿，這更好地解決了這個問題。 (4) 液壓缸強度的較核 (a) 缸筒壁厚的較核 當 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)，此處取。 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。 (b) 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 (a) 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） (b) 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 (c) 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）選擇控制元素 根據(jù)系統(tǒng)的最大工作壓力和通過閥門的最大流量，在標準組件的產(chǎn)品樣本中選擇每個控制元素。 在這一部分，當考慮具體的操作時，詳細的要求將與特定的條件結(jié)合使用。 這里暫且省略。 （3）選擇油管和其他輔助設(shè)備 （a）檢查設(shè)計手冊并選擇油管公稱直徑，外徑和壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量至3.140L / MIN計數(shù)，選擇; 液壓泵吸入管稍粗，選擇; 其余都選為; （b）確定油箱的容量 一般取泵的流量的3?5倍，在這里取5倍，有效容積為 （3-17） 3.1.7 液壓系統(tǒng)性能的驗算 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(guān)參數(shù)計算 3.2.1 有關(guān)參數(shù)的計算 (1) 若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有 負載額定功率： （3-18） 負載加速功率： （3-19） 負載力矩（折算到電機軸）： （3-20） 負載（折算到電機軸）： （3-21） 起動時間： （3-22） 制動時間： （3-23） (2) 若傳動負載作回轉(zhuǎn)運動 負載額定功率： （3-24） 負載加速功率： （3-25） 負載力矩（折算到電機軸）： （3-26） 負載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； -----為負載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min； -----電機軸回轉(zhuǎn)的速度，單位r/min； -----為負載的速度，m/min； -----為減速機效率； -----為摩擦系數(shù)； -----為負載轉(zhuǎn)矩（負載軸），； -----為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，； -----負載的轉(zhuǎn)矩，； -----為負載的，； -----為負載（折算到電機軸上），； -----為電機的，。 具體到這種設(shè)計，由于步進電機是為了驅(qū)動腰部的旋轉(zhuǎn)，傳動運動的形式屬于第二種。 以下具體計算。 因為在腰部區(qū)域的旋轉(zhuǎn)中只有一個摩擦力矩，所以在旋轉(zhuǎn)的圓周方向有 其他力矩，并且在旋轉(zhuǎn)軸線上。 （3-30） 式中 -----為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005； -----為機械手本身與負載的重量之和，取100； -----其中R=240是回轉(zhuǎn)軸上大齒輪分度圓半徑， 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1/120； 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載轉(zhuǎn)矩為：。 3.2.2 電機型號的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選用的步進電機，它的型號是：110BYG550B- SAKRMA-03012或110BYG550B-SAKRMT-03012或110BYG550B-BAKRMT-03012， 步進電機扭矩大，振動小，綜合性能好。下圖為110BYG550B-SAKRMA-0301步進電機的轉(zhuǎn)矩 - 頻率特性曲線及相關(guān)技術(shù)參數(shù)。 圖3-2 所選電機相關(guān)參數(shù) 圖3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301步進電機的矩頻特性曲線 4 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 機械手控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 4.1.1 機械手工藝過程與控制要求 機械手的基本動作包括水平臂的伸縮運動，垂直臂的上下運動，以及手柄的緊固和松開以及腰部的轉(zhuǎn)動。其中，垂直升降和水平擴張是液壓驅(qū)動的。液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由電磁閥控制兩個線圈來實現(xiàn)。例如，下降電磁閥通電時，機械手下降;當下降的電磁閥斷電時，機械手下降并停止。只有當上升的電磁閥通電時，機器人才會上升;當上升電磁閥失電時，機器人升起并停止。水平膨脹和收縮主要由電液伺服閥，伺服驅(qū)動器和感應(yīng)位移傳感器形成的回路控制[27]。 通過柱塞缸和齒輪實現(xiàn)爪的收緊和放松。柱塞缸由單線圈電磁閥（夾緊電磁閥）控制。當線圈未通電時，柱塞缸不工作。當線圈通電時，柱塞缸的工作行程，爪打開，柱塞缸工作。在回程中，機爪被關(guān)閉。 當機器人旋轉(zhuǎn)到機器的頂部并準備下降以執(zhí)行裝載和卸載工作時，為了確保安全，當機床停止工作并且發(fā)出裝載和卸載命令時有必要允許機器人下降。同時，當從工件架上抓取工件時，還需要首先確定工件是否在機架上可取。 4.1.2 機械手的作業(yè)流程 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