基于proe的数控机床机械手上下料设计毕业论.doc

届本科毕业论文 题题 目：目：基于基于 ProeProe 的数控机床上下料机械手设计的数控机床上下料机械手设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 专专 业：业： 指导老师：指导老师： 职职 称：称： 完成日期：完成日期： 2011 年年 6 月月 福建工程学院毕业设计（论文） I 目 录 目目 录录2 1.1. 绪论绪论1 1.1 选题背景1 1.2 设计目的1 1.3 设计原则2 2.2. 基于基于 PROEPROE 的机械手结构设计的机械手结构设计2 2.11 PROE 的优点.2 212 总体设计4 2.1.3 机械手的规格参数4 2.1.4 手臂运动参数 5 2.1.5 驱动方式的选择和设计5 2.1.6 设计具体采用方案6 2.2 机械手腰座结构的设计7 2.2.1 设计具体采用方案7 2.3 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 8 2.3.1 机器人夹持器的运动和驱动方式 8 2.3.2 设计具体采用方案 9 2.4 机械手腕部的结构设计10 2.5 液压缸的设计 11 2.6 导向套的设计12 2.7 中间结构的组成12 2.8 齿轮的设计与强度计算 13 2.9 工业机器人驱动系统的选择原则 16 2.10 总装图 19 3.3. 理论分析和设计计算理论分析和设计计算21 3.1 液压传动系统设计计算 21 3.1.1 确定液压系统基本方案21 福建工程学院毕业设计（论文） II 3.1.2 确定液压系统的主要参数22 3.1.3 计算和选择液压元件26 3.1.4 液压系统性能的验算28 3.2 电机选型有关参数计算28 3.2.1 确电机规格28 4 4、机械手运动分析、机械手运动分析29 5 5、总结、总结39 6.6.参考文献参考文献.40 7.7.致致 谢谢.41 福建工程学院毕业设计（论文） III 基于基于 ProeProe 的数控机床上下料机械手设计的数控机床上下料机械手设计 摘要：通过对机械设计制造专业大学本科两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。 关键词：机械手 ；液压伺服定位 ；电液系统 福建工程学院毕业设计（论文） IV Abstract Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. Keyways: Manipulator；Hydraulic servo control；Electrohydraulic system 福建工程学院毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动 化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来， 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技 术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机 械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、 重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的 得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特 别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔 性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械 手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可 以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔 性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量， 更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水 平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发 直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要 的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的 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的所学知识进行 整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比 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，能够实现理论 和实践的有机结合。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动 强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发 展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技 术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 福建工程学院毕业设计（论文） 2 本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线， 实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业 正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。 本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、 卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产 效率和生产力。 1.3 设计原则 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 基于 PROE 的机械手结构设计 2.11 PROEPROE 的优点 经过 20 多年不断的创新和完善， pore 现在已经是三维建模软件领域的领 头羊之一，它具有如下特点和优势： 参参数数化化设设计计和和特特征征功功能能 Pro/Engineer 是采用参数化设计的、基于特征 的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生 成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这 一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单单一一数数据据库库 Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不象一 些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中 的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不 福建工程学院毕业设计（论文） 3 管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何 一处发生改动，亦 可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。 例如，一旦工程详图有改变， NC（数控）工具路径也会自动更新； 组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的 数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优 点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便 宜。 全全相相关关性性：Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在 产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新 所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在 开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所 以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基基于于特特征征的的参参数数化化造造型型 ：Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产 品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先 设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工 程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给 这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参 数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数数据据管管理理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为 了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数 据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作， 由于使用了 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装装配配管管理理：Pro/ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令， 例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意 图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数 量不受限制。 易易于于使使用用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的 最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使 得容易学习和使用。 福建工程学院毕业设计（论文） 4 2 21 12 2 总体设计总体设计 工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序，轨迹和要求代替人手 抓搬 运或操作工具或进行操作自动化装置。 机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑， 容易操作安全可靠，安装维修方便，经济性好。 为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度 的条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻 质材料，通常用高强度铝合金制造。 据设计题目给出的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构，其中已确 定的各项有： 1本工业机械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动 作灵活多样的机械手。通用机械手工作的范围大，定位精度高，通用性强，适 用于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。本工业机械手的控制定位方式 是简易型的点定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。 2本工业机械手是圆柱坐标的坐标型式，其手臂的运动系由两个直线运动和 两个回转运动所组成，即沿 X 轴的伸缩，沿 Z 轴的升降和绕 Z 轴的回转。特点： 占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛， 但因机械手结构关系，沿 Z 轴方向移动的最低位置限制，故不能抓取地面上的 物体。 3 本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度就是整机手 臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动：1 手臂的升降；2 手臂的升缩；3 手腕部回转； 4手臂回转。根据给出的工业机械手的规格参数，还需确定其余各部件的 设计。 2.1.3 机械手的规格参数 1 抓重：50 N （额定抓取重量或额定负荷） 2. 自由度： 3 3. 坐标形式： 圆柱坐标 福建工程学院毕业设计（论文） 5 4. 最大工作半径：1200 5. 手臂最大中心高（下降时）：800 2.1.4 手臂运动参数 1. 水平伸缩行程：0400 1.2. 伸缩速度： 50s 2.3. 垂直升降行程：100 3.4. 升降速度：200s 4. 回转范围： 5. 回转速度：45s 手腕参数 . 回转范围： .回转速度：s ii.手指夹持范围： iii.定位精度： iv.驱动方式：气压传动,液压驱动； 11电气控制方式：PLC 点位程序控制 12电气操作方式：手动和自动 2.1.5 驱动方式的选择和设计 根据有关资料的显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要 以下几种方式，并进行比较选择： 1 液压传动机械手，是以油液的压力来驱动执行机构的机械手，但对密 封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大影响，且不宜在高 温，低温下工作。 2 气压传动机械手：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。 其主要特点：介质来源极方便，不污染环境，工作可靠，气动动作迅速，结构 福建工程学院毕业设计（论文） 6 简单，成本低，操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特点，工作速度的 稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，适用于高速，轻载， 高温和粉尘大的环境中进行工作。 3 机械传动机械手：既由机械传动机构（如凸轮，连杆，齿轮和齿条， 间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力 是由工作机械传递的。它的特点是运动准确可靠，动作频率高，但结构较大， 动作程序不可变。常被用于为工作主机的上，下料。 4电力传动机械手：即由特殊结构的感应电动机，直线电机或步进电机直 接驱动执行机构的机械手，因为不需中间的转换机构，故机械结构简单。其中 直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。 综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求， 应选用气压传动来实现，则其抓重和定位都可达到，且结构可简单，其传动平 稳和动作灵敏性可达到设计要求。 因此，本设计的四自由度工业机械手选用液压传动机械手作为驱动方式。 2.1.6 设计具体采用方案 图 2-1 机械手工作布局图 福建工程学院毕业设计（论文） 7 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 2-1 所示。 2.2 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。 2.2.1 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。腰座具体结构如图 2-2 所示：其原理如下：电机转动带动腰部小齿轮转动，腰部小齿轮再带动腰 部大齿轮转动，腰部大齿轮通过键带动腰回轮转转动，其次工作台转动，电机 停止，工作台就停止。 福建工程学院毕业设计（论文） 8 图 2-2 腰座结构图 2.3 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 2.3.1 机器人夹持器的运动和驱动方式 机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手 指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式 两种。 机器人夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种： 1.气动驱动方式：这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气 流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在 工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具 有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。 2.电动驱动方式 ：电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直 流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱 动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求 福建工程学院毕业设计（论文） 9 的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。 3.液压驱动方式：液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。 由于本次设计主要采用液压于完成机械手的运动，且本次设计在传动方面 的刚度要求较大，所以本次设计采用液压传动的方式来完成机械手的运动。来 实现抓取物体。 2.3.2 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。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。手爪的具 体结构形式如图 2-3 所示：其原理是：进油口进油推动活塞向前运动，活塞带 动齿条运动，然后齿条与齿轮 1 啮合带动齿轮 1 运动，齿轮 1 带动扇形齿轮运 动，手爪张开，然后通过保压口回油活塞向后运动，齿条后退，带动齿轮 1 和 扇形齿轮反转，手爪闭合。通过进油出油来控制手爪的来回运动。 福建工程学院毕业设计（论文） 10 图 2-3 机械手末端执行手爪结构图 2.4 机械手腕部的结构设计 福建工程学院毕业设计（论文） 11 图 2-4 手爪联结结构 设计原则：考虑到此机械手的总体结构是对称的，因此手爪连接结构会触及到 中间的螺母，因此本次设计对此连接采用了侧边加长，此链接底面 采用加长的圆形面，是为了跟手爪配合的时候油路能从旁边输入如 图 2-4 所示； 2.5 液压缸的设计 福建工程学院毕业设计（论文） 12 图 2-5 液压缸结构 设计原则：为了配合导套所以液压缸上面做成圆柱形状，为了便于加工钻孔下 面做成平面，旁边的孔螺纹是油路口，通过此孔进油驱动导柱的移 动，从而使工作台向上运动，如图 2-5 所示； 2.6 导向套的设计 图 2-6 导向套结构 设计原则：设计导向套的原则是为了提高导向精度，此导向套设计成锥形，在 锥面上挖油沟槽，是因为本次的机械手设计是采用液压的形式，这 样可以防尘埃或者漏油，同时采用锥形面也节省了材料与摩擦。如 图 2-6 所示； 2.7 中间结构的组成 福建工程学院毕业设计（论文） 13 图 2-7 中间结构 设计原则：油路从液压缸进油口输入，然后推动活塞向上移动，从而带动导柱 移动，因为本次设计主要采用液压的形式，所以必须有密封圈，以 此来防止灰尘或者尘埃的进入，结构如图 2-7 所示； 2.8 齿轮的设计与强度计算 福建工程学院毕业设计（论文） 14 图 2-8 齿轮结构 设计原则：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。 该齿轮模数取（m=2.5） 。为了能过与转轴配合的紧凑，本次齿轮设计在上面做 一个凸台这样会避免齿轮的滑动、尽量避免错位的发生、内孔挖个键槽孔，能 够与键配合。如图 2-8 所示； 2.8.1 齿轮强度的计算 (1)选取齿轮材料 一般用途减速器，无特殊要求，选取大、小齿轮均用 45 钢。 （2）选择热处理方法及齿轮面硬度 考虑到生产批量小，为便于加工，采 用软齿面。小齿轮调质，229286HBS，大齿轮正火，169217HBS。 （3）小齿轮传递的转矩 T1 转矩 T1=9550N/n=9550*17/2940Nm=55.2 Nm, 齿数比 u=z1/z2=n1/n2=2940/294=10。 （4）初取载荷系数 K 因齿轮参数尚未确定，载荷系数 K无法准确确定， 需预选。一般可在 K=1.71.9 范围内选取。在确定齿轮参数后，在进行校核。 初取 K=1.8. （5）选取齿宽系数 因为相对于轴承对称布置，取=1，得=0.4。 a d a （6）初取重合度系数 一般直齿轮传动，在 1.11.9 之间。这里初取=1.8，Z a a =1.6。Z(10 1.8)/3 （7）确定许用接触疲劳应力 接触应力变化总次数（按每年 300 个工作日计）： H 1 N=60n=60 *2940*1*12000=2.12X h L 9 10 2 N=60n=60 *294*1*12000=2.12X h L 8 10 寿命系数=0.95，=1 （图 6-34） ，弹性系数=189.8（表 6-7） ，接触疲劳 1N Z 2N Z E Z 极限应力=560Mpa(图 6-32c)，=500Mpa(图 6-32c)，最小安全系数，按 lim1 lim2 表 6-8，失效概率低于 1/100，=1，许用接触疲劳应力按式（6-28）有： minH S 【】=560/1 X 0.95Mpa =500/1 X 1Mpa=500Mpa 1H 2H 福建工程学院毕业设计（论文） 15 (8) 按齿面接触疲劳应力初步计算中心距 a 节点区域系数=2.5(图 6-30)。 H Z 按式（6-35） ；a=(10+1)X mm=274.5mm,取 32 (500 1.855.2)(189.82.5 1.6)/500 /0.4 10XXXXXX a=275mm。 （9）初取齿宽 b 齿宽 b=a=0.1X275mm=27.5mm。 a （10）取标准模数 按表 6-2，取 m=2.5mm （11）确定齿数 由 a=m/2(),有=2a/m=2X275/2.5=220,及 u=10,解 12 zz 12 zz 21 /zz 得=20，=200，实际齿数比 u=10.2，传动比误差（10.2-10）/10=0.5%（在 1 z 2 z 5%允许范围内） 。 （12）确定载荷系数 K 1）使用系数，按表 6-5，=1。 A K A K 2）动载荷系数，齿轮圆周速度 v=（）/6000=26.062m/s,齿轮精度参 v K 1 d 1 n 考表 6-6，取为 6 级，则由图 6-20，=1.17。 v K 3）齿向载荷分布系数取 1.06.K 4）齿间载荷分布系数，由式（6-13）计算重合度=1.89，按图 6-24，K a =1.32，故 K=1X1.32X1.61X1.32=1.61, K,偏于安全。K AV K K K K K （13）确定重合度系数，由式（6-26） ，=0.84.ZZ(4)/3 a (4 1.89)/3 （14）确定齿宽 b 取=30mm，=25mm (微小于) 1 b 2 b 2 b 1 b （15）验算齿根弯曲疲劳强度 1）齿形系数，按图 6-27，=2.52，=2.18。 1Fa Y 2Fa Y 2) 应力修正系数，按图 6-28，=1.64，=1.83。 1Sa Y 2Sa Y 3）重合度系数，按式(6-23), =0.25+0.75/1.89=0.65。Y 4）弯曲疲劳极限应力，按图 6-31c, =240MPa,按图 6-31c, lim1F =220Mpa。 lim2F 5）寿命系数 1 60 h Nn L=60X2940X1X12000=2.12X 9 10 2 N=60n=60 *294*1*12000=2.12X h L 8 10 福建工程学院毕业设计（论文） 16 按图 6-33，=0.9，=0.95。 1N Y 2N Y 6）试验齿轮的应力修正系数，按国家标准规定，=2。 ST Y 7）最小安全系数，按表 6-8，失效概率低于 1/100，=1.25。 minF S 8）许用弯曲应力，按式（6-27）有 【】=240X2X0.9/1.25Mpa=346Mpa 1F 【】=220X2X0.95/1.25MPa=334MPa 2F 9 )齿根弯曲疲劳应力，按式（6-32） 1F =(2000X1.61X55.2X2.52X1.64X0.65)/(50X30X2)MPa=159.2mpa【】 1F 2F =(2000X1.61X55.2X2.18X1.83X0.65)/(500X25X2)MPa=18.43mpa 【】 2F （16）设计结果 中心距 a=275mm；模数 m=2；齿数=20；=200；分度圆直径 1 z 2 z =50mm, =500mm；齿宽=30mm，=25mm;齿轮精度 6 级；齿轮材料：小 1 d 2 d 1 b 2 b 齿轮 45 钢，调质，229286HBS,大齿轮 45 钢，正火，169217HBS。 2.9 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。 1.机器人驱动系统电机的选择 机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结 合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根 福建工程学院毕业设计（论文） 17 据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、 额定功率、加速功率等参数选择电机型号。有关各类驱动电动机主要特点及性 能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表 2-1： 表 2-1 各类驱动电动机比较 名 称主要特点及性能结构特点 用途及使用 范围 驱动器 小惯量直 流永磁伺 服电动机 电机的惯量小，理论加速 度大，快速反应性好，低 速性好，调速比可达 1：10e4 范围，但低速输 出力矩不大， 转子直径 小，惯量 小 适用于对快速 性要求严格而 负载力矩不大 的场合 直流 PWM 伺服驱动 器 SCR 变 压驱动器 有刷绕组 永磁直流 伺服电动 机 转动惯量小，快速响应性 能好；转子无铁损，效率 高；换向性能好，寿命长； 负载波动对转速影响小， 输出力矩平稳。 无铁心， 具有轴向 平面间隙 可频繁起制动、 正反转工作， 响应迅速，适 用于机器人， 数控等 直流 PWM 伺服驱动 器，SCR 变压驱动 器 大惯量永 磁直流伺 服电动机 输出力矩大，转矩波动小， 机械特性硬度大，可以长 时间工作在堵转条件下 又称力矩 电机 其转子较 粗 适用于驱动力 矩较大的场合， 因可不用齿轮 传动，消除了 齿轮间隙 直流 PWM 伺服驱动 器，SCR 变压驱动 器 反应步进 电机 将电脉冲信号直接转换成 转角，转角与脉冲数成正 比，输出力矩也较大 电机转子 无转租， 由永磁体 构成转子 磁极 用于数字系统 中作为执行元 件，如数控机 床、机器人； 开环控制 直流 PWM 伺服驱动 器 SCR 变 压驱动器 同步交流 伺服电动 转速与定子绕组所建立的 旋转磁场严格同步；从低 转子由永 久磁铁做 主要用于中小 容量的伺服驱 交流 PWM 变频调速 福建工程学院毕业设计（论文） 18 机度到高速，定子绕组可通 过大电流，故起、制动转 矩不降低，可频繁起、制 动 成，定子 有三相， 转子比较 细 动系统中，如 数控、机器人 等系统中 器 同步交流 伺服电动 机 转速与定子绕组所建立的 旋转磁场严格同步；从低 度到高速，定子绕组可通 过大电流，故起、制动转 矩不降低，可频繁起、制 动 转子由永 久磁铁做 成，定子 有三相， 转子比较 细 主要用于中小 容量的伺服驱 动系统中，如 数控、机器人 等系统中 交流 PWM 变频调速 器 异步交流 伺服电动 机 转速永远低于定子绕组所 建立的旋转磁场，机构简 单，容量大，价格低 定子由对 称三相绕 组组成， 用于数控机床 主轴等容量大 的场合 交流 PWM 变频调速 器 2.机器人电动驱动系统伺服驱动器 （1）直流电机伺服驱动器 直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其电源 电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作， 但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机 电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内 环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。 PWM 伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能 力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化 产品中用做直流伺服电机的驱动。 （2）步进电机驱动器 步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几 部分组成。 脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环 行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲 发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步 福建工程学院毕业设计（论文） 19 进电机按着一定的规律运动。 功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以 驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压 二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。 而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间 长短由控制电路来实现。 2.9.1 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。 2.10 总装图 福建工程学院毕业设计（论文） 20 图 2-10 机械手总装结构 工作路线工作路线： 腰部回转台转动液压缸 1 驱动导柱向上移动液压缸 2 驱动导柱向右移动进油手爪张开抓物体回油手爪闭合液压缸 2 驱动导柱 向左移动液压缸 1 驱动导柱向下移动电机停止运动停止。 原理：原理：电机启动带动腰部小齿轮转动，腰部小齿轮带动腰部大齿轮转动，腰部大 齿轮的转动带动了腰部回转台的转动，通过液压缸 1 推动活塞 1 向上运动，活塞 1 带动导 柱 1 向上移动，达到一定位置停止向上移动，通过另外一个液压缸 2 推动活塞 2 向右移动， 达到一定位置停止移动，通过油路把油输入手爪，带动里面的活塞运动，从而带动了齿条 向下运动，齿条带动齿轮 1 转动然后再带动扇形齿轮转动，手爪张开抓物体，通过保压口 福建工程学院毕业设计（论文） 21 的回油活塞向上运动，齿条向上运动，齿轮 1 和扇形齿轮反转，手爪闭合。然后通过液压 缸 2 驱动导柱向左移动达到一定位置停止，然后再驱动液压缸 1 使得导柱 1 向下移动，达 到一定位置停止，电机停止，工作台停止运动。通过驱动液压缸的油路往复操作。如图 2- 10 所示； 3. 理论分析和设计计算 3.1 液压传动系统设计计算 3.1.1 确定液压系统基本方案 液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现 回转运动。二者的特点及适用场合见表 3-1： 表 3-1 液压执行元件比较 名 称特 点适 用 场 合 双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合 单活塞杆液压缸 有效工作面积大、 双向不对称 往返不对称的直线运动，差 动连接可实现快进 柱塞缸结构简单 单向工作，靠重力或其它外 力返回 摆动缸 单叶片式小于 360 双叶片式小于 180 小于 360 的摆动； 小于 180 的摆动 齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动 叶片马达体积小、转动惯量小 高速低转矩、动作灵敏的回 转运动 摆线齿轮马达体积小、输出转局大 低速、小功率大转矩的回转 运动 轴向柱塞马达 运动平稳、转矩大、转速 范围宽 大转矩的回转运动 径向柱塞马达 转速低，结构复杂，输出 转矩大 低速大转矩回转运动 福建工程学院毕业设计（论文） 22 本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有 3 个自由度，一个转动， 两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以 及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现， 剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单 活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。 3.1.2 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 式（3-1） bfsfmw FFFFFF 式中， -为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为 0； w F -为活塞上所受的惯性力； m F -为密封阻力； sf F -为导向装置的摩擦阻力； f F -为回油被压形成的阻力； b F （1）的计算 m F 式（3-2） t v g G Fm 式中， -为液压缸所要移动的总重量，取为 100KG；G -为重力加速度， ；g 2 /81 . 9 sm -为速度变化量；v -启动或制动时间，一般为 0.010.5 ，取 0.2sts 将各值带入上式，得：=1.02 m FN 福建工程学院毕业设计（论文） 23 （2）的计算 sf F 式（3-3） 1 ApF fsf 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 f p 力16 ，查相关手册取=0.2 ； a MP a MP -为进油工作腔有效面积； 1 A 启动时： 565N sf F 运动时： =283N sf F （3）的计算 f F 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 式（3-4）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 f=0.1；f 带入数据计算得： =98 f FN （4）的计算 b F 回油背压形成的阻力按下式计算 式（3-5） 2 ApF bb 式中，-为回油背压，一般为 0.30.5 ，取=0.3 b p a MP a MP a MP -为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为 2； 2 A 将各值带入上式有，NFb424 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 。NF1088 2.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： 福建工程学院毕业设计（论文） 24 式（3-6）GkkkN 321 式中，-为所需夹持力；N -安全系数，通常取 1.22； 1 k -为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机 2 k 2 1 a k g a 械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度； 2 /sm 2 /8 . 9sma g -方位系数，查表选取； 3 k1 3 k -被抓持工件的重量 30；Gkg 带入数据，计算得： ；NN120 理论驱动力的计算： 式（3-7） 12 N R b p 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 0.92； 其他同上。带入数据，计算得 NP377 计算驱动力计算公式为： 式（3-8） Fkk Fc 41 式中，-为计算驱动力； c F -安全系数，此处选 1.2； 1 k -工作条件系数，此处选 1.1； 4 k 福建工程学院毕业设计（论文） 25 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 式（3-9）APFc 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： MPa3 3.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 3-2 手爪执行柱塞缸参数 缸内径mm壁厚mm直径mm行程mm工作压力MPa 205208036 注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。 表 3-3 水平伸缩液压缸参数 缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa 6010254001 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 福建工程学院毕业设计（论文） 26 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 3-4 垂直液压缸参数 缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力MPa 6010251001 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.液压缸强度的校核 （1）缸筒壁厚的校核 当 D/时，液压缸壁厚的较核公式如下：10 式（3-10） 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 y PMPapn16 ； ny pP5 . 1 -为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经n b/ b 查相关资料取为 650，为安全系数，此处取；MPan5n 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 0.4 (1) 2 1.3 y y P D P 福建工程学院毕业设计（论文） 27 活塞杆直径的较核公式为 式（3-11） 式中， -为活塞杆上作用力；F -为活塞杆材料的许用应力，此处；4 . 1/ 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。 3.1.3 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 p 式（3-12） 11 pppp 式中，-计算工作压力，前以定为； 1 pMPa4 -对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5）， 1 pMPa 这里取为 1。MPa 因此，可以确定液压泵的实际工作压力为 式（3-13） MPapp514 （2）确定液压泵的流量 式（3-14） max qKqp 式中，-为泄露因数，取 1.1；K -为机械手工作时最大流量。 max q 式（3-15） vAq max 4 F d 福建工程学院毕业设计（论文） 28 经计算得 =3.140 max qmin/L 带入上式得 min/454 . 3 140 . 3 1 . 1Lqp （3）确定液压泵电机的功率 式（3-16） 式中，-为最