沖床上下料機(jī)械手設(shè)計【液壓驅(qū)動 三自由度圓柱坐標(biāo)式】【CAD高清圖紙和文檔】
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緒 論1. 機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成,是一種仿人操作,自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍,應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動,而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置,既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各,也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。機(jī)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(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床的上下料裝置,是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)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(jī)械手”,簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)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(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)位置檢測裝置 圖1.1機(jī)械手的組成方框圖(一)執(zhí)行機(jī)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(jī)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。回轉(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(jī)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(jī)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(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)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(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu),以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運動。滾輪式行走機(jī)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(jī)械傳動裝置。6、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分,機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)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(jī)械手執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運動,并記憶人們給予機(jī)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(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時可對機(jī)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(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置,并隨時將執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置3。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。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(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度(m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。2.1.2 設(shè)計具體采用方案機(jī)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(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(jī)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(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。 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,就是圓柱坐標(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.腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷,因此,機(jī)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(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),它對機(jī)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(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。6.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。2.2.1 機(jī)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(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(jī)器人的第一個回轉(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)運動。一般電機(jī)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(jī)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(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。目前,在國外,也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高,抗振性好,比重?。ㄆ浔戎叵喈?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(jī)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(jī)器人手臂的重量。4.機(jī)器人各關(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(jī)構(gòu)。5.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。6.機(jī)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(jī)械限位塊,以及驅(qū)動裝置,傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。2.3.1 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??紤]到機(jī)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(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),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(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(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計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,諧波齒輪,擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。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(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。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。 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(jī)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(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。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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人中鏈傳動多用于腕傳動上,為了減輕機(jī)器人末端的重量,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。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(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)運動采用步進(jìn)電機(jī)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;同時大大增大扭矩,同時較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,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。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。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機(jī)器人時,驅(qū)動系統(tǒng)的選擇,要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)要求、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)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(jī)器人中應(yīng)用到現(xiàn)在,已在工業(yè)機(jī)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(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),但是在簡易經(jīng)濟(jì)型、重型的工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)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(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)包括程序控制和伺服控制兩類。1.程序控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng) 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人,在只有簡單搬運作業(yè)功能的機(jī)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(jī)器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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)。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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)間的管道容積,以增大液壓固有頻率。 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。 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。 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(jī)器人中的。這類機(jī)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。控制裝置目前多數(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(jī),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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)上。5.制動器 氣動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機(jī)構(gòu)(插鎖,滑塊等)將機(jī)器人運動機(jī)構(gòu)鎖定。再啟動時,事先打開鎖緊機(jī)構(gòu)。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)。其驅(qū)動原理方塊圖如下所示: 在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的電動機(jī)大致可分為如下類型:小慣量永磁直流伺服電動機(jī),有刷繞組永磁直流伺服電動機(jī),大慣量永磁直流伺服電動機(jī)(力矩電機(jī)),反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),同步式交流伺服電動機(jī),異步式交流伺服電動機(jī)。 速度傳感器多數(shù)用的是測速發(fā)電機(jī),位置傳感器多數(shù)用光電編碼器。伺服電動機(jī)可與測速發(fā)電機(jī)、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(jī)驅(qū)動單元。為了提高機(jī)器人的傳動精度,國外近幾年開發(fā)了直接驅(qū)動電動機(jī),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(jī)(DD驅(qū)動電機(jī))在快速高精度定位的裝配機(jī)器人中已經(jīng)得到應(yīng)用。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、加速功率等參數(shù)選擇電機(jī)型號。有關(guān)各類驅(qū)動電動機(jī)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(jī)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)輸出力矩大,轉(zhuǎn)矩波動小,機(jī)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(jī),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(jī)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(jī)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(jī)床、機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于定子繞組所建立的旋轉(zhuǎn)磁場,機(jī)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(jī)床主軸等容量大的場合交流PWM變頻調(diào)速器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)。2.7.1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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機(jī)的控制的因素,腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn),剩下的兩個運動均為直線運動。因此,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(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)。 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(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(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(jī)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(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3-3 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6010254001 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(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3-4 垂直液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010254001 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(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(0.51.5),這里取為1。因此,可以確定液壓泵的實際工作壓力為 (3-13)(2)確定液壓泵的流量 (3-14)式中,-為泄露因數(shù),取1.1;-為機(jī)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(jī)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?。灰簤罕梦凸苌晕⒋中?,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(jī)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(jī)軸): (3-26)負(fù)載GD(折算到電機(jī)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(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),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(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1/12;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(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:。機(jī)械手的回轉(zhuǎn)角度為30度/秒3.2電機(jī)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(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: YG550B-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。下圖為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)。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(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1/12(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(jī)械手上下料的定位精度要求。所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)圖3-2圖3-3 110BYG550B-SAKRMA-0301步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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
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