數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計

大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計需要圖紙請聯(lián)系本人。專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程 學(xué) 生： 準(zhǔn)考證號： 指導(dǎo)老師：_ _畢業(yè)設(shè)計（論文）時間：2009年 11月 10日 2010年 3月 15日 摘 要通過對機(jī)械設(shè)計、制造及其自動化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，總結(jié)大學(xué)四年所學(xué)的知識，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，以及實際操作中的應(yīng)用情況，設(shè)計了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。重點針對機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)（傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)）進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。同時對其控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計計算?；赑LC對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計，通過對機(jī)械手作業(yè)的工藝過程和控制要求的分析，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時編制了機(jī)械手的控制程序。設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；液壓伺服定位；電液系統(tǒng)AbstractThrough mechanical design, manufacturing and automation professional course of study, four-year summary of what you have learned, on industrial robot mechanical parts of the structure and function of discussion and analysis, as well as the actual operation of the application, designed a cylindrical form of CNC machine tool Manipulator. Focused on robotic hand, wrist, arm, waist, and other parts of the mechanical structure, and the robot control system (transmission system, driving system) with a detailed design. At the same time on the control system and hydraulic system for the calculation of theoretical analysis anddesign. The PLC-based control system of the manipulator for intensive design, by manipulators of process and control requirements analysis, design of control systems hardware circuit, be compiled in a robotic control program. The design reached the intended target.Key words: Robotics; PLC; hydraulic servo positioning; electro-hydraulic system目 錄第1章 緒論11.1選題背景11.2設(shè)計目的11.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1第2章 機(jī)械手各部件的設(shè)計32.1機(jī)械手的總體設(shè)計32.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型32.1.2具體設(shè)計方案42.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計42.2.1設(shè)計要求42.2.2驅(qū)動方式52.2.3典型結(jié)構(gòu)52.2.4具體設(shè)計方案62.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計72.3.1手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求72.3.2具體設(shè)計方案72.4機(jī)械手手臂構(gòu)的設(shè)計82.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求82.4.2具體設(shè)計方案82.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計92.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求92.5.2具體設(shè)計方案92.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計102.6.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題102.6.2常用的傳動機(jī)構(gòu)形式102.6.3具體設(shè)計方案112.7機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計122.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點122.7.2具體設(shè)計方案122.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計122.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式122.8.2具體設(shè)計方案13第3章 理論分析和設(shè)計計算143.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計算143.1.1有關(guān)參數(shù)的計算143.1.2電機(jī)型號的選擇163.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算183.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案183.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路193.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計193.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖203.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)213.2.6計算和選擇液壓元件26第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計284.1系統(tǒng)硬件設(shè)計284.1.1 操作面板布置284.1.2 工藝過程與控制要求284.1.3 作業(yè)流程294.1.4 控制器的選型304.1.5 控制系統(tǒng)原理分析314.1.6 PLC外部接線設(shè)計314.1.7 I/O地址分配324.2系統(tǒng)軟件設(shè)計334.2.1控制主程序流程圖334.2.2控制程序設(shè)計34結(jié)論51致謝52參考文獻(xiàn)53第一章 緒論1.1選題背景由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。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，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(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(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)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)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)計具有重要意義。1.2設(shè)計目的目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：一機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。二工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。三機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進(jìn)了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。四關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； 五焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)械手的智能化，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，性價比高，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。第二章機(jī)械手各部件的設(shè)計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)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：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)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。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)械手結(jié)構(gòu)特點直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運(yùn)動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2.圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。3.球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。4.關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。圖2-12.1.2具體采用方案如圖2-2所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實際操作的需要，該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動,其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動,另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計要求。圖2-22.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1設(shè)計要求手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪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)。機(jī)械手手爪設(shè)計有如下要求：、機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。、機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，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)械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益。、機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機(jī)械手，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。、機(jī)械手手爪要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制。2.2.2驅(qū)動方式一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)械手夾持器（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(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)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(yùn)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)動方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。2.2.3典型結(jié)構(gòu)機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種：1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式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(yùn)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。4.齒輪齒條式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。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。2.2.4具體設(shè)計方案結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。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50mm來設(shè)計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示：圖2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動，完成所需要的作業(yè)動作。2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求、由于手腕安裝在機(jī)械手末端，因此要求手腕設(shè)計應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。、根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計機(jī)械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加，必然使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會相應(yīng)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。、為實現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于和不同的機(jī)械手手爪進(jìn)行連接。、為保證工作時力的傳遞和運(yùn)動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度。、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。、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。2.3.2具體設(shè)計方案通過對數(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(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4。水平液壓缸支承板手臂手爪聯(lián)結(jié)梁執(zhí)行手爪圖2-4手腕結(jié)構(gòu)2.4機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求機(jī)械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計需要遵循以下設(shè)計要求：、工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。、為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)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。、應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(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)械手運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的控制。、機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。、為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。2.4.2具體設(shè)計方案由于機(jī)械手手臂運(yùn)動為直線運(yùn)動，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)30KG），以及機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(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(yùn)動件，因此不用再額外設(shè)計執(zhí)行件；而且液壓缸實現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機(jī)的控制。由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是液壓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(qiáng)度的較核。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直徑來增大剛度，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，成正四邊形布置，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(yùn)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。2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時，有以下設(shè)計要求：、由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)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。、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。、腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。、為了減輕機(jī)械手運(yùn)動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。2.5.2具體設(shè)計方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式主要有兩種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實現(xiàn)?？紤]到腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因為電動方式控制的精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，不用額外設(shè)計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機(jī)都不能直接驅(qū)動，并考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，故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。由于齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計2.6.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題由于傳動部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)時要注意以下問題：、機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動速度及控制精度。并在傳動鏈及運(yùn)動副中采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動誤差。、盡量減少系統(tǒng)運(yùn)動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命。、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。、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。、適當(dāng)?shù)淖枘岜取Ｗ枘岜仍酱?，零件產(chǎn)生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應(yīng)采取合適的阻尼比。2.6.2常用的傳動機(jī)構(gòu)形式常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。1.螺旋傳動它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動為主的，如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。2.齒輪傳動在機(jī)械手中常用的齒輪傳動機(jī)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。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。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，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，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并采用調(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，降低成本。3.鏈傳動在機(jī)械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)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。4.同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進(jìn)行傳動。其特點是傳動比準(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(jī)械手中使用很多。2.6.3具體設(shè)計方案因為選用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動力單元，因此不需要中間傳動機(jī)構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，而電動機(jī)不能作為直接驅(qū)動元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)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，以較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械手的運(yùn)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(qiáng)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)設(shè)計2.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點工業(yè)常用驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將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)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、精度高等特點。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)械手。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)械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。3.電動驅(qū)動系統(tǒng)具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。2.7.2具體設(shè)計方案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(yùn)動需要一定的定位控制精度，因此采用步進(jìn)電動機(jī)來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動。隨著機(jī)床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求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。2.8 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。2.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式1.配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。2.彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。3.活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。2.8.2具體設(shè)計方案因為本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機(jī)械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。第3章 理論分析和設(shè)計計算3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計算3.1.1有關(guān)參數(shù)的計算1.若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）則有負(fù)載額定功率： （3-1）負(fù)載加速功率： （3-2）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （3-3）負(fù)載（折算到電機(jī)軸）： （3-4）起動時間： （3-5） 制動時間： （3-6）2.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動負(fù)載額定功率： （3-7）負(fù)載加速功率： （3-8）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （3-9）負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸）： （3-10）起動時間： （3-11）制動時間： （3-12） 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(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；-為負(fù)載的速度，m/min；-為減速機(jī)效率；-為摩擦系數(shù)；-為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；-為電機(jī)啟動最大轉(zhuǎn)矩，；-為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），；-為負(fù)載的，；-為負(fù)載（折算到電機(jī)軸上），；-為電機(jī)的，；具體到本設(shè)計，因為步進(jìn)電機(jī)是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計算。 因為腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)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； （3-13）式中，-為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；-為機(jī)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1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。將其帶入上（3-7）（3-13）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ；折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。3.1.2電機(jī)型號的選擇根據(jù)以上計算結(jié)果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好，各項參數(shù)如表3-2。型號相數(shù)步距角（）靜態(tài)相電流（A）相電阻（歐）相電感（mH）保持轉(zhuǎn)矩（Nm）定位轉(zhuǎn)矩（Nm)空載啟動頻率（半步方式） （KHz）重量（Kg）轉(zhuǎn)動慣量（gcm2）110BYG550B-SAKRMA-03015036/0.7230.710.080.53.56.49700110BYG550B-SAKRMT-03015036/0.7230.710.080.53.56.49700110BYG550B-BAKRMT-03015036/0.7230.710.080.53.56.49700表3-2所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。如圖3-3所示驅(qū)動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當(dāng)高，完全滿足機(jī)械手的定位精度要求。圖3-1 110BYG550B-SAKRMA-0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算3.2.1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)，液壓缸實現(xiàn)直線運(yùn)動，液壓馬達(dá)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。二者的特點及適用場合見表3-1：名 稱特 點適 用 場 合柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單單向工作，靠重力或其它外力返回雙活塞桿液壓缸雙向?qū)ΨQ雙向工作的往復(fù)場合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(yùn)動，差動連接可實現(xiàn)快進(jìn)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(yùn)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(yùn)動軸向柱塞馬達(dá)運(yùn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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(yùn)動表3-1因為機(jī)械手設(shè)計為圓柱坐標(biāo)形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉(zhuǎn)動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，機(jī)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(yùn)動。3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的控制是液壓回路的核心問題。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；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(jī)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)。 本設(shè)計的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)。3.2.3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。3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖 本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示（詳見圖紙第四頁），圖3-2 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，泵由三相交流異步電動機(jī)M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)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(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時有使運(yùn)動速度加快的趨勢，為使運(yùn)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(gòu)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(fù)載。3.2.5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(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(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。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 （3-14）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 （3-15）式中，-為進(jìn)油工作腔有效面積；-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 ； 啟動時： 565N運(yùn)動時： =283N（2）的計算 （3-16）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0.010.5，取0.2s將各值帶入上式，得：=1.02（3）的計算回油背壓形成的阻力按下式計算 （3-17）式中，-為回油背壓，一般為0.30.5 ，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。（4）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 （3-18）式中，-為機(jī)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： =982.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： （3-19）式中，-為所需夾持力；-被抓持工件的重量 30；-安全系數(shù)，通常取1.22；-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(yùn)工件過程的加速度，為重力加速度；-方位系數(shù)，查表選取；帶入數(shù)據(jù)，計算得： ；理論驅(qū)動力的計算： （3-20）式中，-為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；-為手指夾緊力；-為扇形齒輪分度圓半徑；-為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離；-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： （3-21）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 （3-22）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)的確定考慮到機(jī)械手的特點，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(yùn)動的穩(wěn)定性和安全性。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；缸內(nèi)徑mm壁厚mm直徑mm行程mm工作壓力Mpa205208036表3-2 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm桿直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010254001表3-3 水平伸縮液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm桿直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010251001表3-4 垂直液壓缸參數(shù) 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)直線運(yùn)動，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。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。4.液壓缸強(qiáng)度的較核（1）活塞桿直徑的較核活塞桿直徑的較核公式為 （3-23）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(qiáng)度能滿足工作要求。（2）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下： （3-24）式中，-為缸筒內(nèi)徑；-為缸筒材料的許用應(yīng)力，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處??；-為缸筒試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取為； 帶入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。3.2.6計算和選擇液壓元件1. 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。2. 液壓泵的計算（1）確定液壓泵的實際工作壓力 （3-25）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（0.51.5），這里取為1。因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 （3-26）（2）確定液壓泵的流量 （3-27）式中，-為泄露因數(shù)，取1.1；-為機(jī)械手工作時最大流量。 （3-28）經(jīng)計算得 =3.140帶入上式得 （3）確定液壓泵電機(jī)的功率 （3-29） 式中，-液壓泵實際工作壓力，5；-為最大運(yùn)動速度下所需的流量，同前，取為3.140；-為液壓泵總效率，取為0.8；帶入數(shù)據(jù)計算得： =。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，選取；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35倍，這里取為5倍，有效容積為 （3-30）第4章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1硬件設(shè)計4.1.1操作面板布置操作面板布置如圖4-2所示： 圖4-2機(jī)械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。1.手動操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的控制。當(dāng)選擇升降按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。2.自動操作：機(jī)械手從原點開始，按下啟動按鈕，機(jī)械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。4.1.2工藝過程與控制要求機(jī)械手的動作有腰座的旋轉(zhuǎn)，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現(xiàn)驅(qū)動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進(jìn)電動機(jī)與齒輪來實現(xiàn)。其中，液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當(dāng)下降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；斷電時，機(jī)械手下降停止；當(dāng)上升電磁閥通電時，機(jī)械手上升；斷電時，機(jī)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(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。實現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)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(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機(jī)械手下降進(jìn)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。4.1.3作業(yè)流程機(jī)械手工作流程如圖4-1所示：圖4-1 機(jī)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(jìn)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(jī)械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅(qū)動機(jī)械手作順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動，機(jī)械手回到原點待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，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(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復(fù)原； 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機(jī)械手回到原點，一個上下料過程結(jié)束； 機(jī)械手在原點等待命令，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。4.1.4控制器的選型機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計開發(fā)的工業(yè)控制器-PLC，故選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖所示：圖4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC該P(yáng)LC集成14，輸入/10，輸出共24個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨(dú)立的30kHz 高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。4.1.5控制系統(tǒng)原理分析由于機(jī)械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動進(jìn)行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為