数控机床上下料机械手的毕业设计

摘要通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。本课题在设计的过程当中，深入生产实际，进行调查研究，吸取国内外先进技术，制定出合理的设计方案，再进行具体设计。关键词机械手；液压伺服定位；电液系统ABSTRACTINTEGRATETHEKNOWLEDGEOFTHEPASTFOURYEARSOFUNDERGRADUATECOURSEOFMACHINE,DISCUSSANDANALYSISTHEEACHPARTANDFUNCTIONOFMANIPULATORDESIGNAKINDOFCYLINDERICALCOORDINATEMANIPULATORUSEDTOPACKANDUNLOADWORKPIECEFORCNCMACHINETOOLSINPARTICULAR,MADETHEDETAILEDDESIGNABOUTBASE,ARM,ANDENDEFFECTORANDTHECONTROLSYSTEMETCINCLUDINGTOTALDESIGN,WAISTSCONSTRUCTIONDESIGN,THEARMSCONSTRUCTIONDESIGN,THEWRISTSCONSTRUCTIONDESIGN,THEENDEFFECTORSCONSTRUCTIONDESIGN,ANDTHEDRIVESYSTEMOFMANIPULATORATTHESAMETIME,ANALYSISANDCOMPUTETHEHYDRAULICPRESSURESYSTEMANDCONTROLSYSTEMDEEPLYDESIGNTHEMANIPULATORSCONTROLSYSTEM,WHICHBASEDONPLCAFTERANALYSISABOUTTHECRAFTPROCESSANDTHEREQUESTSOFTHEMANIPULATOR,THEHARDWARECIRCUITANDTHECONTROLPROGRAMOFTHEMANIPULATORTHENISDESIGNEDINAWORD,THEDESIGNOFTHEMANIPULATORHASCOMETOTHEANTICIPANTOBJECTTHEISSUEINTHEDESIGNPROCESS,INDEPTHTHEACTUALPRODUCTION,CONDUCTRESEARCH,TOLEARNFOREIGNADVANCEDTECHNOLOGY,TODEVELOPAREASONABLEDESIGN,CARRYINGOUTTHESPECIFICDESIGNKEYWORDSMANIPULATOR,HYDRAULICSERVOCONTROL,ELECTROHYDRAULICSYSTEM目录摘要IABSTRACTII1绪论111选题背景112研究意义与方法12设计方案的论证221机械手的总体设计222机械手腰座结构的设计323机械手手臂的结构设计424机械手腕部的结构设计525机械手末端执行器（手爪）的结构设计626机械手的机械传动机构的设计727机械手驱动系统的设计1028机器人手臂的平衡机构设计123理论分析和设计计算1331液压传动系统设计计算1332电机选型有关参数计算194机械手控制系统的设计22结论24致谢25参考文献26附录127附录2321绪论11选题背景机械手，也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度12研究意义与方法机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。2设计方案的论证21机械手的总体设计211机械手总体结构的类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图A21。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（M级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图21B。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图21C。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图21D。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。（参考吴振彪，王正家工业机器人第1章概论13工业机器人的分类及应用）图21四种机器人坐标形式212设计具体采用方案具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图22所示。22机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。221机械手腰座结构的设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则1腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。（参考孙兵,赵斌,施永康物料搬运机械手的研制机电一体化2005,24345）222设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。23机械手手臂的结构设计231机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；1应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。232设计具体采用方案机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。24机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。241机器人手腕结构的设计要求1机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。242设计具体采用方案通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）。25机械手末端执行器（手爪）的结构设计251机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；1机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电液或电气变换环节）。252设计具体采用方案结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50MM来设计。26机械手的机械传动机构的设计261工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题1为了提高机器人的运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件的重量要轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。2在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。3系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。4缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。5选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。6缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适（参考吴振彪，王正家工业机器人第4章42传动部件设计）。262齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系统中齿轮传动设计的一些问题（1）齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。（2）各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原则如下A输出轴转角误差最小原则。为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则MAX（21）1MAX/KNNII式中第个齿轮所具有的转角误差；K第个齿轮的转轴至N级输出轴的传动比。KNI则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（、）换算到末级128输出轴上的总转角误差为（284764354321MAXIIII2）由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。B等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。具体而言有几点（1）对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。（2）对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小原则；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于13，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。（4）对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。参考孙恒，陈作模，葛文杰主编机械原理263设计具体采用方案具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。27机械手驱动系统的设计271机器人液压驱动系统特点由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。272工业机器人驱动系统的选择原则设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下1物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。273机器人液压驱动系统液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。1程序控制机器人的液压系统这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面（1）液压缸设计在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。（2）定位点的缓冲与制动因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。（3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械结构。（4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。2伺服控制机器人的液压系统具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电液伺服驱动系统。其电液转换和功率放大元件有电液伺服阀，电液比例阀，电液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电液伺服马达，电液伺服液压缸，电液步进马达，电液步进液压缸，液压回转伺服执行器（RSAROTORYSERVEACTUATOR）等各种电液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电液伺服马达和电液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。在机器人的驱动系统中，常用的电液伺服动力机构是电液伺服液压缸和电液伺服摆动马达，也可以用电液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电液伺服机构。它可安装在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。274设计具体采用方案具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。28机器人手臂的平衡机构设计直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛进行平衡。3理论分析和设计计算31液压传动系统设计计算此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等请联系扣扣九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载该论文已经通过答辩315确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。1计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为（31）BFSFMWFF式中，为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；W为活塞上所受的惯性力；M为密封阻力；SF为导向装置的摩擦阻力；F为回油被压形成的阻力；B（1）的计算M（32）TVGGM式中，为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；G为重力加速度，；G2/819SM为速度变化量；V启动或制动时间，一般为00105，取02STS将各值带入上式，得102MFN（2）的计算SF（33）1APFSF式中，克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力16FP，查相关手册取02；AMPAMP为进油工作腔有效面积；1A启动时565NSFF运动时283N（3）的计算FF机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为（34）FGFF式中，为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；G为摩擦系数，取F01；F带入数据计算得98FN（4）的计算BF回油背压形成的阻力按下式计算（35）2APFB式中，为回油背压，一般为0305，取03BPAMPAAMP为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；2A将各值带入上式有，NB4分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。F1082手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足（36）GKN321式中，为所需夹持力；N安全系数，通常取122；1K为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手2KGAK12在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；2/SM2/89SAG方位系数，查表选取；3K13K被抓持工件的重量30；G带入数据，计算得；N20理论驱动力的计算（37）1RBP式中，为柱塞缸所需理论驱动力；P为夹紧力至回转支点的垂直距离；B为扇形齿轮分度圆半径；R为手指夹紧力；N齿轮传动机构的效率，此处选为092；其他同上。带入数据，计算得NP37计算驱动力计算公式为（38）FKC41式中，为计算驱动力；CF安全系数，此处选12；1K工作条件系数，此处选11；4其他同上。带入数据，计算得NFC920而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有（39）APC式中，为柱塞缸工作油压；P为柱塞截面积；A经计算，所需的油压约为MA33液压缸主要参数的确定针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；表31手爪执行柱塞缸参数缸内径M壁厚直径M行程工作压力MPA205208036注手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。表32水平伸缩液压缸参数缸内径M壁厚杆直径M行程工作压力MPA6010254001因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度问题有较高的要求。因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。表33垂直液压缸参数缸内径M壁厚杆直径M行程工作压力MPA6010251001因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。4液压缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的较核公式如下10（310）13402YPD式中，为缸筒内径；D为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；YPMAPN6NYP51为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资B/B料取为650，为安全系数，此处取；MAN5带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为（311）4FD式中，为活塞杆上作用力；F为活塞杆材料的许用应力，此处；41/B带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。316计算和选择液压元件1液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力P（312）11P式中，计算工作压力，前以定为；1PMPA4对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0515），这里取MPA为1。MPA因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（313）PAP514（2）确定液压泵的流量（314）MAXQKP式中，为泄露因数，取11；K为机械手工作时最大流量。MAXQ（315）VAQMAX经计算得3140IN/L带入上式得MIN/45310LQP（3）确定液压泵电机的功率（316）602MAXPP工式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3140；MAXQIN/L液压泵实际工作压力，5；PM为液压泵总效率，取为08；带入数据计算得。工P0654KW2控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。3油管及其他辅助装置的选择（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余68都选为；5（2）确定油箱的容量一般取泵流量的35倍，这里取为5倍，有效容积为（317）LQVP1623317液压系统性能的验算绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。32电机选型有关参数计算321有关参数的计算因为驱动负载作回转运动负载额定功率（324）9501LNTP负载加速功率（325）ALATNGDP321057负载力矩（折算到电机轴）（326）LMLT负载GD（折算到电机轴）（327）22LMLGDN起动时间（328）3752LPATT制动时间（329）2LPMMDNGDT式中，为额定功率，KW；0P为加速功率，KW；A为负载轴回转速度，R/MIN；LN为电机轴回转速度，R/MIN；M为负载的速度，M/MIN；LV为减速机效率；为摩擦系数；为负载转矩（负载轴），；LTMN为电机启动最大转矩，；P为负载转矩（折算到电机轴上），；L为负载的，；2LGD2GD2MN为负载（折算到电机轴上），；L2N为电机的，；2M22具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，下面进行具体的计算。因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；（330）RFGFTFL式中，为滚动轴承摩擦系数，取0005；F为机械手本身与负载的重量之和，取100；GKG为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R240；RM带入数据，计算得012；LTMN同时，腰部回转速度定为5R/MIN；传动比定为1/120；L且，带入数据得1045667。2MGDGLLGD2N将其带入上（324）（330）式，得；WP32710；PA068启动时间；MSTA96制动时间；SD折算到电机轴上的负载转矩为。01523LTN322电机型号的选择根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为110BYG550BSAKRMA0301该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为110BYG550BSAKRMA0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。驱动方式升频升压；步距角036；其中步距角036，同时因为腰部齿轮传动比为1120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。（参考邓星钟主编机电传动控制）4机械手控制系统的设计机械手的动作有水平手臂的伸缩，垂直手臂的升降，执行手爪的加紧与松开以及腰部的旋转。其中，垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；而当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。而执行手爪的加紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方时并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。机械手的作业动作流程如图41所示图41上下料机械手工作流程图从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；当工件装入到位后，卡盘收紧；机械手松开手爪，准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；机床进行加工。当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开；机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。机械手的每次循环都从原点位置开始动作。结论本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。本设计摒弃了照搬照抄国外设计，不具体问题具体分析，不顾具体工作要求，一味仿照国外原型，盲目选择高精度、高性能、高价格的先进元件和设备，从而导致很多功能根本用不着，“大材小用”，无谓的提高了成本，造成资源浪费的老设计“套路”和老方法。在满足系统工艺要求的前提下，将机械手系统中相对独立的环节采用高性价比且相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。它在实际生产中的应用推广必将提高产品的质量，并且节约能源，减轻工人的劳动强度，促进生产技术的进步。具有很好的经济效益。综上，通过近三个月的毕业设计，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。致谢这次毕业设计让我学到了很多新知识，在此我要感谢我的指导老师老师，感谢他这些天对我的细心指导，让我顺利的完成了此次设计。辅导老师的教学态度，和追求科学真理的精神，耐心对我们的指导，永远值得我学习。在老师的身上我看到了作为老师的伟大和崇高，在我以后的生活和工作中，所有的这一切都会让我受益。在我四年学习期间，各个认课老师的言传身教，认真教课，使我学到了扎实的公共基础课程和专业知识。在此，我感谢老师们，向老师们说一声老师，你们辛苦了同学们的帮助也是很重要的，在完成本次设计的过程中，与同学一起探讨问题也使我学到了很多，是他们让我感到学习不是一种负担，而是一种快乐。在彼此的互相帮助中，这一切都让我的学习、生活变得精彩。在这里，我向各位同窗好友表示衷心的感谢还要感谢参考文献中所列参考资料的作者。最后，还要感谢我的母校，是她让我有了这样的机会，让我在此度过了人生中美好的四年。祝愿我的母校明天