毕业设计（论文）-数控机床上下料机械手的结构设计（液动）.doc

中文题目：数控机床上下料机械手的结构设计（液动）外文题目：Nc machine tools and the structure of the manipulator design (hydraulic)毕业设计（论文）共80页（其中：外文文献及译文12页）图纸共6张 完成日期 2016年6月 答辩日期 2016年6月摘要这几年，伴随着工业自动化的连续发展和用人成本的相继增加，好多工厂、数控加工中心对上下料机械手的需要也越来越多。机械手具有很多优点，如动作灵活、快速、能适应危险和恶劣的环境、重复定位精度高以及可以长时间连续作业等，使用机械手上下料可减少工人的劳动量，提高生产效率，降低生产成本。数控加工的出现减轻了工人们的劳动强度，大大提高了生产效率，但数控加工中上下料工序，仍采用人工操作或者是传统继电器控制的半自动装置，人工操作费时费工效率低，继电器控制设计复杂，需采用较多继电器，接线繁杂，且电气控制的部分容易受到车体的振动干扰，由此导致的可靠性差，故障多，维修困难等问题，为解决以上问题，我设计了一套采用可编程控制器PLC控制的上下料机械手控制系统，该系统动作简单，排线设计合理，具有很强的抗干扰能力，保障了系统运行的稳定性，降低维修率，提高工作效率。全套图纸加扣 3012250582机械手能代替工人完成危险的，重复的，枯燥的动作，减轻人类的劳动强度，提高劳动生产力，机械手得到了越来越多广泛的应用，在机械行业中他可以用于零部件组装，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。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，它适用于中小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，适应性强。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的对路的品种，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水平和国外比还有一定的举例，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。关键词：手臂；腰部；腕部；机械手；IABSTRACT In recent years, along with the continuous development of industrial automation and costs have increased, a lot of factory, CNC machining center on the upper and lower feeding manipulator is more and more. Manipulator has many advantages, such as flexible action, fast, and able to adapt to the dangerous and abominable environment, repetitive positioning accuracy and can work continuously for a long time, such as, using mechanical hand feeding can reduce the amount of labor of workers, improve production efficiency, reduce production costs. NC machining appears to reduce the labor intensity of workers, greatly improving the production efficiency, but NC blanking process, still using manual operation or traditional relay control semi automatic device, manual operation is time consuming and low efficiency, relay control design of complex, need to adopt a more relays, wiring complexity, and electrical control part of the vulnerable to interference of car body vibration, resulting in poor reliability, fault, maintenance problems and other issues, to solve the above problems, I design the one set of the programmable logic controller (PLC) control the feeding manipulator control system, movement of the system is simple, reasonable cable design, has the very Strong anti-interference ability, guarantee the stability of the system operation, reduce the maintenance rate, improve work efficiency. Mechanical hand can take the place of workers completed a risk, repetitive, boring movement, reduce human labor intensity, improve labor productivity, manipulator has been more and more widely used, in the machinery industry he can used for parts assembly and workpiece handling, especially in automation of CNC machine tools, modular machine tool use is more prevalent. The machine tool equipment and mechanical hand is composed of a flexible manufacturing system and flexible manufacturing unit. It is used in small batch production, can save a large workpiece conveying device, compact structure, strong adaptability. When the workpiece is changed, the flexible production system is easy to change, for enterprises Ito continuously update the Marketability marketable varieties, improve product quality, better adapt to the needs of market competition. At present our country industrial robot technology and its engineering application level and foreign than there is a certain example, application scale and industrialization level is low, manipulator research and development directly affects the improvement of the automation level of production in China, from the economic, technical considerations are necessary. Therefore, the research and design of manipulator is very meaningful.Keywords: arm;wais;wrist;robot hands;III目录1 绪论71.1 本课题背景和意义71.2 本课题的研究目的71.3 机械手在国内外的发展82设计方案52.1 机械手的整体设计102.1.1 机械手整体结构的类型102.1.2 设计详细采取的方案112.2 对机械手的腰座结构进行设计122.3 对机械手手臂结构进行设计132.4 工业机器人手腕部的结构142.5 机械手最后一端执行器的结构设计152.6 机械手的机械传动机构的设计详细采取方案162.7 对机械手驱动系统进行设计162.7.1 机器人各类驱动系统的特性162.7.2 工业机器人驱动系统的选用要求172.7.3 设计详细采取的方案173 机械手的结构183.1 手部的结构设计183.1.1 手部结构及其受力分析183.1.2 手部夹紧力参数的计算183.2 手夹紧缸的设计参数的确定193.2.1 夹紧缸主要尺寸的计算193.2.2 缸筒底部厚度参数的计算203.2.3 活塞与活塞杆设计参数的确定203.2.4 液压缸强度的校核213.3 臂部结构及其设计参数的确定223.3.1 水平伸缩缸设计参数的确定223.3.2 水平伸缩缸强度的校核243.3.3 升降缸设计参数的确定253.3.4 升降缸强度的校核263.4 腰座的结构设计274 对液压传动系统进行设计304.1 对液压传动系统进行设计计算304.1.1 确定液压系统的基本方案304.1.2 拟定液压执行元件的运动控制回路314.1.3 对液压源系统进行设计314.1.4 做出液压系统图314.1.5 计算确定出液压系统的主要参数334.1.6 计算及选取液压元件364.2 电机选型385 机械手控制系统的设计395.1 机械手控制系统硬件设计395.1.1 机械手工艺过程和控制要求395.1.2 机械手的工作流程395.1.3 对机械手操作面板进行布置415.1.4 控制器的型号415.1.5 控制系统原理的分析425.1.6 PLC外部接线的设计435.1.7 分配I/O地址分配445.2 对机械手控制系统软件进行设计455.2.1 机械手控制主程序的流程图455.2.2 对机械手控制程序进行设计466 技术经济性分析487 结 论49致谢50参考文献51附录A53附录B58附录C65辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 本课题背景和意义机械手是这几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它可以模仿人手和臂的一些动作功能，依照固定程序抓取、搬运物件或操作工具。机械手的发明是人类自动化研究过程中的一个发展，它代表人们不用再拘泥于对自动化单一学科的探索，反而是把机械技术、人工智能技术、控制技术、传感器技术以及计算机技术等进行交流研究。它能使用在生产线、加工中心、工厂等地方替代人类的重复劳动，来提升生产的自动化水平，并且它也可以用在恶劣的环境(比如高温、有毒等)。机械手主要部分包括执行机构、驱动机构和控制系统。执行机构可以抓取工件的，因为被抓持工件的形状、尺寸、重量、材料等不完全一样，机械手有多种执行机构，主要的有夹持型、托持型和吸附型等。一般机械手的执行机构都是用户依据加工工艺和工件等设计的，专一，执行机构的好坏对机械手的加工精度及加工效率等很有影响。 驱动机构可以使执行机构做成许多转动、移动或复合运动来实现既定的动作，改变被抓持物件的位置，姿势。升降、伸缩、旋转这些独立运动方式属于执行机构，叫做机械手的自由度。自由度为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，它的结构也越复杂，已经有学者证明为了抓取空间中任何位置，方位的物体，机械手要6个自由度。通常专用直角坐标机械手有2个或者3个自由度，但是工业常见机械手4自由度和6自由度占很大比例。现在国内已经有冗余的机械手，自由度超过6个，例如宁波韦尔德斯凯勒智能科技有限公司己经生产出7自由度的机械手，这种冗余机械手的优点是通过调节机械手的一个参数来轻松的避开障碍物，杜绝周边物体和机械手之间出现干扰的现象。控制系统经过对机械手任一自由度的电机的操作使机械手完成既定动作。它同时接收编码器的反馈信息，来形成稳固的闭环控制。控制系统为机械手控制中心，它类比人的大脑，每时每刻控制着任一轴电机的运动。1.2 本课题的研究目的 和人工上下料相比，使用机械手上下料的好处主要体现在: 1.机械手自动上下料装置动作迅速、灵活、运动惯性很小、通用性强，重复、定位精度高，可以较长时间一直作业。 2.利用机械手上下料可以提升工业生产的自动化水平及劳动效率，并且减少操作者的劳动量、使劳动条件变好、减少成本、确保产品质量、提升劳动生产力。 3.在高温、不好的加工环境中比如铸锻、热处理等，假设使用人工上下料，会大大影响工人的身体健康。因为机械手有不知道疲劳、不惧怕危险、抓举重物的力量大于人手力的优点，它更应该在恶劣环境下工作。所以借于采取机械手上下料的这么多优点和采用人工上下料的每每不足，探究机械手代替人工进行上下料的操作很有必要性。本设计通过对本科四年所学的知识进行整合，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，可以实现理论和实践的有机结合。机械手采用可编程控制器控制，可以实行手动调整，手动及自动控制，系统结构紧凑，工作可靠，设计周期短且造价较低；PLC有较高的领过性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。设计任务：1）上下料机械手整体机械机构的设计2）上下料机械手液力传动部分的设计3）上下料机械手基于plc的控制系统的设计与编程。1.3 机械手在国内外的发展现在，机器手大多用在机械加工，铸造，锻造，热处理方面等，数量，品种，性能可满足工业发展的需求。所以，近来在全国逐步扩展使用范围，主要在铸造，机器手的热处理上面的发展，来降低劳动强度，提高劳动条件，对比于应用机器人的机械手的一般政策，有条件的还使用了一个教学操纵计算机控制的机械手和机器人的组合。并且加快进度和降低冲击，为了在合适的位置体现机械手的能力。深一步研究伺服类型，内存检索，和具有触觉和机器手视觉功能，并能与电脑进行交流探索，已经逐步变成了整机系统的基本单元。国外机械行业机械手的应用进步超速。大多从事机床，上和下水平锻压机材料，和点焊，涂装等的方面，它能够通过实现遵从既定的性能来完成所需工作。外国的机械手的发展方向是要重点发展其具有特定的智能性，它利用传感外部条件的转变来反馈的具体特点，进行必需的修整。发生位置偏差发生能够改正并自动检索，主要是探索视觉和触觉性能，已经获得了一些成果。更为主要的是将机械手，柔性制造系统相结合，从本质上改变制造业的目前状态为手动的情况。机械手的小巧化将来势必导致朝着高端科技发展。机械结构向模块化，可重构化的方向发展，例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体化；由关节模块，连杆模块用重组方式构造机器人整机；工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜变得精巧，且采用了模块化结构；大大提高了系统的可靠性，易操作性和可维修性； 机器人中的传感器作用越来越重要，除了采用传统的位置，速度，加速度等传感器外，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，遥控机器人则采用视觉，声觉，力觉，触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术；关节式，测喷式，顶喷式。龙门式喷涂机器人产品标准化，通用化。模块化。系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接，搬运，装配，切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对于具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济，简单，可靠，大量采用工业控制器，市场化，模块化的元件。总得来说是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器，多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统。二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济，简洁，可靠，大量采用工业控制器，市场化，模块化的元件。2 设计方案的论证2.1 机械手的整体设计2.1.1 机械手整体结构的类型工业机器人的结构形式有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种最为主要。各结构形式和它相应的特点，具体介绍如下。1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人是三个相互垂直的直线运动来完成空间运动，如图a2-1.。因为直线运动容易实现全闭环的位置控制，因此，直角坐标机器人有希望到达很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间对于机器人的结构尺寸来说，是相对小的。所以，为了实现特定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要远大于他类型的机器人的结构尺寸。 直角坐标机器人的工作空间是一空间长方体。直角坐标机器人最多使用在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 圆柱坐标机器是由一个回转运动及两个直线运动来实现人的空间运动，如图2-1.b。这类机器人构造相对简单，精度一般，常作用在搬运作业。其工作空间为圆柱状的空间。3.球坐标机器人结构 球坐标机器人是由两个回转运动和一个直线运动来完成空间运动。如图2-1.c。此类机器人构造简单、成本便宜，但是精度低。常作用在搬运作业。它的工作空间为类球形的空间。4.关节型机器人的结构 关节型机器人由三个回转运动来实现空间运动的。如图2-1.d。关节型机器人动作敏捷，结构紧凑，需要很小的占地面积。对比于机器人本身尺寸，它的工作空间很大。这类机器人广泛应用在工业中，比如焊接、喷漆、搬运、装配等等作业中，都主要选择这样的机器人。关节型机器人结构包含水平关节型及垂直关节型。图2-1 四种机器人的坐标形式Figure 2-1 Four kinds of coordinates of the robot2.1.2 设计详细采取的方案图2-2 机械手工作布局图Figure 2-2 Manipulator layout work鉴于此设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量为15KG，长度为500MM，并且鉴于数控机床布局的具体形式和对机械手的具体要求，在满足系统工艺要求的背景下，全力使简化结构，来降低成本、提升可靠度。这个机械手使用3种运动在工作中,两个直线运动包括手臂的伸缩和立柱升降,另一个是手臂的回转运动,因此，机械手有3个自由度，选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度。2.2 对机械手的腰座结构进行设计工业机器人腰座，即圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。其是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分都安装在腰座上，它承受了机器人的所有重力。设计机器人腰座结构时，注意以下设计原则：1.腰座需要相对大的安装基面，来保证机器人在工作时具有稳定的整体安装。2.腰座必须承受机器人全部的重量和载荷，所以，机器人的基座，腰部轴及轴承的结构要有非常大的强度及刚度，来确保其承载能力。3.机器人的腰座为机器人的第一个回转关节，它对机器人最后的运动精度影响最为大，所以，在设计时要注意保证腰部轴系和传动链的精度与刚度。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它们包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都有速度，位置传感器，和制动器。5.腰部结构应该便于安装、调整。腰部及机器人手臂的联结要有稳固的定位基准面，以确保各关节的彼此位置精度。要设定调整机构，来调节腰部轴承间隙和减速器的传动间隙。6.为了降低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较轻的铝合金材料制成，而静止的基座是用铸铁或者铸钢材料制成。腰座回转的驱动形式或者是电机通过减速机构来实现，或者是通过摆动液压缸或液压马达去完成，现在都爱用用前者。由于电动方式控制的精度很高，并且结构紧凑，不用设计另外的液压系统和辅助元件。鉴于腰座是机器人的第一个回转关节，影响机械手的最终精度，所以选择电机驱动来实现腰部的回转。通常电机都不能直接驱动，鉴于转速以及扭矩的具体要求，选择大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动有齿侧间隙，对传动精度有影响，所以选择一级齿轮传动，选择大的传动比（大于100），齿轮选取高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，来减小机械手的整体结构，全力降低因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：图2-3 腰座结构图Figure 2-3 Waist block diagram2.3 对机械手手臂结构进行设计机器人手臂具有在特定的载荷和特定的速度下，实现在机器人所需的工作空间内的运动的用处。手臂设计时，要遵守下列原则；1.应该尽全力让机器人手臂每个关节轴彼此平行；彼此垂直的轴尽全力相交于一点，这样简化机器人运动学正逆运算，更好控制机器人。 2.机器人手臂的结构尺寸应该迎合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亲密的关系。但是机器人手臂末端工作空间尚无考虑机器人手腕的空间姿态要求，假设对机器人手腕的姿态提出具体的要求，那么它的手臂末端可实现的空间要低于以上无考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的控制精度和运动速度，应该确保机器人手臂拥有足够强度及刚度的条件下，尽量在结构上、材料上降低手臂的重量。尽可能保证高强度的轻质材料，一般选择高强度铝合金制造机器人手臂。现在，在国外，同时研究选用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料的抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重是钢的1/4，是铝合金的2/3），可是，它的价格高，而且在性能稳定性和制造复杂形状工件的工艺上还有问题，因此还不能在生产实际中推广使用。4.机器人每个关节的轴承间隙要尽量小，来降低机械间隙所造成的运动误差。所以，每个关节都需要工作可靠、便于调节的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂对比它的关节回转轴应尽量在重量上平衡，这对于降低电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是及其有好处。6.机器人手臂在结构上需考虑各关节的限位开关和具有缓冲能力的机械限位块，和驱动装置，传动机构和别的元件的安装。2.4 工业机器人手腕部的结构机器人的手臂运动（包含腰座的回转运动），交待了机器人最后一端执行器在它的工作空间中的运动位置，但安装在机器人手臂最后一端的手腕，则交待了机器人末端执行器在它的工作空间中的运动姿势，机器人手腕是机器人操作机的最后一端，它和机器人手臂一起运动，完成安装在手腕上的最后一端执行器的空间运动轨迹与运动姿势，实现所要做的作业动作。1.机器人手腕的自由度数，应依据作业需求来设计。机器人手腕自由度数目越多，每个关节的运动角度越大，则机器人腕部的敏捷性越高，机器人对对作业的适应性也越强。但是，自由度的增加，同时一定会让腕部结构更加复杂，机器人的控制更加困难，成本也会增多。所以，手腕的自由度数，应依据实际作业要求来定夺。在迎合作业要求的条件下，应让自由度数尽量的少。通常的机器人手腕的自由度数为2到3个，有的要更多的自由度，而有的机器人手腕不必有自由度，只依据手臂和腰部的运动就能完成作业要求的条件。所以，要实际问题具体分析，鉴于机器人的许多布局，运动方法，采用满足要求的最简单的方案。2.机器人手腕部设置在机器人手臂的最后一端，在设计机器人手腕时，应尽量减少它的重量和体积，结构尽量紧凑。为了降低机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器选择分离传动。腕部驱动器通常安装在手臂上，而不选择直接驱动，并采取高强度的铝合金制造。3.机器人手腕和末端执行器相联，所以，需要标准的联接法兰，结构上要方便卸末端执行器。4.机器人的手腕机构需要更多的强度和刚度，以来确保力和运动的传递。 5.要设置稳定的传动间隙调整机构，以降低空回间隙，提升传动精度。 6.手腕每个关节轴转动要有限位开关，同时安装硬限位，来预防超限导致机械破损。通过对数控机床上下料作业的细节分析，鉴于数控机床加工的具体形式和对机械手上下料作业时的实际要求，在迎合系统工艺需求的条件下提高安全和可靠性，为让机械手的结构简单，降低控制的难度，这设计手腕没有自由度，事实证明这是满足作业条件的，3个自由度来完成机床的上下料完全够用。图2-4 手爪联结结构Figure 2-4 Gripper coupling structure2.5 机械手最后一端执行器的结构设计在设计机器人最后端执行器时，需要注意下列问题：1.机器人最后一端执行器是依据机器人作业需求来设计的。一个新的最后一端执行器的出现，就能够增加一种机器人新的使用场所。所以，依据作业的需求和人们的想象力而制造的新的机器人最后一端执行器，将连续扩大机器人的应用范围。2.机器人最后一端执行器的万能性及专用性是矛盾的。万能最后一端执行器在结构上相当复杂，甚至不能实现，比如，模仿人的万能机器人灵巧手，到现在都没有实用化。现在，能应用于生产的仍是那些结构简单、万能性不强的机器人最后端执行器。从工业具体使用出发，应致力于开发各种专用的、高效率的机器人最后一端执行器，加之以最后一端执行器的快速替换装置，来完成机器人多各作业功能，而不提倡用一个万能的最后一端执行器去完成各种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价高。3.通用性和万能性是不同的概念，万能性指的是一机多能，而通用性指的是有限的最后一端执行器，可适合于不同的机器人，这就需要末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），让末端执行器实现标准化及积木化。2.6 机械手的机械传动机构的设计详细采取方案 具体到这个设计，由于采用了液压缸作为机械手的水平手臂及垂直手臂，因为液压缸完成直接驱动，它既是关节机构，也是动力元件。因此不需要中间传动机构，这既简化了结构，也提升了精度。但机械手腰部的回转运动选择步进电机驱动，必须选择传动机构来减速及增大扭矩。分析比较后，采用圆柱齿轮传动，为了确保相对高的精度，尽可能降低由于齿轮传动导致的误差；也大大增大扭矩，同时相对大的减少电机转速，来让机械手的运动稳固，动态性能好。这里只采选择一级齿轮传动，选择大的传动比（大于100），齿轮选择高强度、高硬度的材料，高精度加工完成。2.7 对机械手驱动系统进行设计 2.7.1 机器人各类驱动系统的特性工业机器人的驱动系统，依据动力源分为液压、气动及电动三大类。依据需要也可以这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类根本驱动系统的主要特性如下。1.液压驱动系统因为液压技术是一种相对成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）和惯量比大、快速响应高、容易实现直接驱动等特性。适合于在承载能力大，惯量大和在防火防爆的环境中工作。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数现象下选择节流调速，效率比电动驱动的系统低，液压系统的液体泄露会对环境造成污染，工作噪音也相对高。2.气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格便宜等特性 。但是很难实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，例如在上、下料和冲压机器人中使用较多。3.电动驱动系统因为低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及和它套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛使用，此类驱动系统在机器人中被广泛使用，驱动系统不用能量转换，工作方便，噪声较低，控制灵活。大部分电机后面需安装严密的传动机构。直流有刷电机不能直接应用于要求防爆的工作环境中，成本上也比别的两种驱动系统高。2.7.2 工业机器人驱动系统的选用要求设计机器人时，驱动系统的选取，要依据机器人的用途、作业要求、机器人的功能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比和现有的条件等综合因素一起考虑。在注意各类驱动系统特性的基础上，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.物料搬移（包含上下料）用的是有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选取液压驱动系统，中等负荷的可以选择电机驱动系统，轻负荷的可以选气动驱动系统。冲压机器人多选择气动驱动系统。2.作用在点焊和弧焊以及喷涂作业的机器人，要求具有点位及轨迹控制特点，需采取伺服驱动系统。只有采用液压和电动伺服系统才能迎合要求。点焊、弧焊机器人多选择电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊和搬运机器人选择液压驱动系统。2.7.3 设计详细采取的方案具体到此设计，在分析了具体工作要求后，全面考虑每个因素。机械手腰部的旋转运动要求一定的定位控制精度，所以选择步进电机驱动来完成；由于选择液压执行缸来做水平手臂及垂直手臂，因此大小臂都采取液压驱动；也考虑随着机床加工的工件的不一样，水平手臂伸出长度是一样的。所以，要求水平手臂具有伺服定位功能，所以选择电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开及夹紧通过液压柱塞缸活塞和中间齿轮及扇形齿轮配合来完成，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮和扇形齿轮让手指张及闭合。773 机械手的结构3.1 手部的结构设计3.1.1 手部结构及其受力分析液压抓取机械手手部结构如图图3-1 液压抓取机械手手部结构Figure 3-1 Hydraulic grab manipulator hand structure经分析，手部受力分析如图所示由图可知，手部结构对称，则由得：且。由得：且由几何关系得：且式中b手指回转中心到夹紧力作用点距离；c手指回转中心到滑槽支点距离；a工件被夹紧时，手指滑槽方向和回转中心在水平方向的夹角。 3.1.2 手部夹紧力参数的计算手爪要能抓起工件必须满足： 式中，-所需要夹持力；-安全系数，通常取1.22，此处取1.5；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度，取1.02；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量15；带入数据，计算得：N=225,取N=230； 式中手指传力效率，取 3.2 手夹紧缸的设计参数的确定3.2.1 夹紧缸主要尺寸的计算依据已知，夹紧缸是单作用弹簧复位液压缸，如果夹紧工件时的行程为25，时间为0.4，那么夹紧力是式中F活塞杆实际输出力；弹簧压缩时的作用力。G弹性材料的剪切模量，对于钢材，G=；d弹簧的钢丝直径（3）；弹簧中径（30）；Z弹簧的有效圈数（18圈）；L活塞的行程，L=257；S弹簧的预缩量，S=20。所以F=1015+462=1477N5000N由此，查表取得工作压力是1MPa,考虑到为使液压缸结构简单紧凑，取工作压力为2MPa。由公式,得式中D液压缸内经；液压缸工作压力；液压缸工作效率，0.95。标准系列将缸内径取为D=32，同样查得活塞杆直径20。缸体采用45缸无缝钢管，由JB 1068-67标准系列查得缸筒外径=40，壁厚4。3.2.2 缸筒底部厚度参数的计算夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为=0.4330.0324.1，考虑结构要求，h=10。D缸筒内径；液压缸最大工作压力，取；缸底材料的许用应力，材料为45钢，。则，n为安全系数，取n=5。3.2.3 活塞与活塞杆设计参数的确定1. 活塞设计：活塞的外径与缸筒的内径一致为D=32毫米，活塞宽度B通常是活塞外径的0.6-0.8倍，取0.8倍，B=26。由于单作用弹簧缸，活塞与活塞杆采取相对简单的螺纹连接。活塞与缸筒内壁采取O型密封圈密封。相对没有导向环活塞的材料，通常采用高强度铸铁HT200或球墨铸铁，此处采用HT200。加工上，活塞外径D对孔轴线的径向圆跳动公差值，可按7级，8级精度加工，同时它的圆柱度公差值按其圆柱度公差值，按9级，10级选取；端面T对轴线的垂直度公差值按8级精度加工；外表面粗糙度控制在0.4-0.8微米之间。2. 活塞杆设计：从前面可以知道活塞杆的直径d=20，活塞一头用螺纹和活塞相连接，另一头同样采取外螺纹和手指连接。活塞杆直径d=20毫米你，所以螺纹连接处选择是M30，A=40（螺纹长短型）。缸体材料采用35钢，加工完成后调质到硬度为229-285HBS如果必要，则经高频淬火，硬度至45-55HRC。活塞杆直径d的圆柱度公差值，应按照8级精度加工，它的圆度公差值，应该按9级，10级精度加工；端面的垂直度应该加工成7级精度；外圆表面粗糙度应该位于0.4到0.8微米。3.2.4 液压缸强度的校核1. 夹紧缸缸筒壁厚的校核当时，夹紧缸缸筒壁厚的校核公式D为缸筒内径，为32；是缸筒的试验压力，当缸的额定压力时，取，为3MPa;是缸筒材料的许用应力，是材料的抗拉强度，查取相关资料为650MPa,n安全系数，为5；带入数据计算，上式成立，所以液压缸的壁厚满足要求。1. 夹紧缸活塞杆直径的校核活塞杆的计算长度取你150，由计算知活塞杆直径为20，则，是短行程活塞杆，所以验算抗拉强度，所以活塞杆直径应该符合F液压缸最大推力，F=1.51477=2215.5；d活塞杆直径，20；安全系数，通常取为3；活塞杆材料屈服强度，查资料的35钢为310MPa。已知d=20，故安全。3.3 臂部结构及其设计参数的确定 手臂的伸缩采用双导向杆状作用液压缸手臂结构，导向管在导向套内来回移动。而且导向管内有油管。活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平衡，表面整齐美观，结构紧凑。3.3.1 水平伸缩缸设计参数的确定1. 确定驱动力：依据液压缸运动过程中需要克服的摩擦，惯性和回油背压等这几方面的阻力，来确定液压缸需要的驱动力。理论驱动力估计参加手臂运动部件的总重量G=30kg9.8=294N,并且导向套前端距离重心位置是200毫米。a. 计算 因为导向杆对称布置，所以受力均衡，按照一个导向杆计算。 又因为所以250NL重心距离导向套前端距离(200）；a导向套长度(60）；当量摩擦因数，取=0.15。b.计算：当液压缸的工作压力在10MPa以内，液压缸直径是活塞杆直径2倍时，活塞杆和活塞都采用O型密封圈，这时液压缸的密封阻力是：c.计算：通常，当背压阻力很小时，d.计算：其中速度变化量，取=0.15m/s启动过程时间，通常取0.01-0,5s,此处取0.2s因此 =516N实际驱动力为 k安全系数，取2；传动机构机械效率，取0.8。2. 确定结构尺寸 a.计算缸内径 取工作压力=2MPa,根据液压缸内经尺寸系列，取D为32。根据强度要求，计算活塞杆直d：4.0材料许用应力，碳钢取=100MPa。考虑结构要求，取d=D=。b.计算壁厚：此缸工作压力是2MPa,属于低压工作范围，缸筒壁厚采取薄壁计算公式：0.64将其标准化，取4。c.计算连接螺纹强度 取螺钉数目Z=4，工作载荷N。预紧力：756查手册选螺纹直径=6，螺距e=0.75，材料为35钢的内六角螺纹。3.3.2 水平伸缩缸强度的校核1. 水平伸缩缸壁厚的校核当时，夹紧缸缸筒壁厚的校核公式D为缸筒内径，为32；是缸筒的试验压力，当缸的额定压力时，取，为3MPa;是缸筒材料的许用应力，是材料的抗拉强度，查取相关资料为650MPa,n安全系数，为5；带入数据计算，上式成立，所以液压缸的壁厚满足2. 水平伸缩缸活塞杆校核活塞杆的计算长度取你320，由计算知活塞杆直径为20，则，所以需要进行稳定性校核式中F为液压缸最大推力（N）,F=1.51290=1935N；Fk为液压缸的临界受压载荷(N)；nk为稳定性安全系数，nk =24。因为一端固定，一端自由，n=0.25 液压缸实际的推力计算后满足要求。3.3.3 升降缸设计参数的确定1. 确定驱动力 由分析可知，升降缸在上升阶段需要驱动力最大，根据这个，在伸缩缸的基础上，它的驱动力还必须加上手部上面各运动部件及工件的重力。理论驱动力 估算 =455N；同样 因为回油背压小，所以因此 904。2. 确定结构尺寸a. 计算缸内径 取工作压力P=2MPa,则圆整到D=40。强度要求，活塞杆直径d取。结构上，活塞杆内部装有花键套和花键，有导向作用，并且可以使活塞杆在升降时传动平稳，并且获得较大的刚度。壁厚和伸缩缸一样，取。b.计算连接螺钉强度 取螺钉数目Z=4，工作载荷。预紧力 则查取手册取螺纹直径=6，螺距P=0.75，材料为35钢的内六角螺3.3.4 升降缸强度的校核1. 升降缸壁厚的强度校核当时，夹紧缸缸筒壁厚的校核公式D为缸筒内径，为40；是缸筒的试验压力，当缸的额定压力时，取，为3MPa;是缸筒材料的许用应力，是材料的抗拉强度，查取相关资料为650MPa,n安全系数，为5；带入数据计算，上式成立，所以液压缸的壁厚满足要求。2. 升降缸活塞杆直径的校核活塞杆的计算长度取你220，由计算知活塞杆直径为20，则，所以需要进行稳定性校核式中F为液压缸最大推力（N）,F=1.52260=3390N；Fk为液压缸的临界受压载荷(N)；nk为稳定性安全系数，nk =24由于一端自由，一端固定 ,n=0.25 123104.6KN液压缸实际推力经过计算满足要求。3.4 腰座的结构设计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；式中，-为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-为机械手本身与负载的重量之和，取85；-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且， 带入数据得： =10.45667。负载额定功率： 负载加速功率： 负载力矩（折算到电机轴）： 负载GD： 起动时间： 制动时间： 式中， -为额定功率，KW；-为加速功率，KW；-为负载轴回转速度，r/min；-为电机轴回转速度，r/min；-为负载的速度，m/min；-为减速机效率；-为摩擦系数；-为负载转矩（负载轴），；-为电机启动最大转矩，；-为负载转矩（折算到电机轴上），；-为负载的，；-为负载（折算到电机轴上），；-为电机的，；将带入上面的公式，得： 启动时间 ；制动时间 ；折算到电机轴上的负载转矩为：。4 对液压传动系统进行设计4.1 对液压传动系统进行设计计算4.1.1 确定液压系统的基本方案液压执行元件大体分为液压缸及液压马达，前者完成直线运动，后者完成回转运动。二者的特点和适用场合见表4-1：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