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多工位冲床上下料机械手设计【三自由度】【9张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 多工位冲床机械手设计三自由度 cad图纸毕业论文多工位机械手冲床上下料机械手

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多工位冲床料机械手设计

35页 17000字数+说明书+9张CAD图纸【详情如下】

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论…………………………………………………………………………1

1.1 机械手的发展状况………………………………………………………….1

1.2 课题背景及研究意义……………………………………………………….4

1.3 日程安排…………………………………………………………………….5

第二章机械手的总体设计…………………………………………………………6

2.1 设计具体采用方案………………………………………………………….7

2.2 机械手腰座结构设计……………………………………………………….7

2.3 机械手手臂结构设计……………………………………………………….8

2.4 机械手手部结构设计方案………………………………………………….9

2.5 机械手机械传动结构设计………………………………………………….9

2.6 机械手驱动系统的设计………………………………………………...….11

2.7 确定采用方案………………………………………………………………15

第三章理论分析与设计计算……………………………………………………...16

3.1 手部驱动力计算……………………………………………………………16.

3.2 手腕驱动力矩计算…………………………………………………………19

3.3手臂伸缩、升降、回转气缸的吃尺寸设计与校核……………………….25

第四章结论………………………………………………………………………...30

参考文献.................31

致谢…………………………32

附录

摘要

本论文主要介绍了多工位冲床料机械手的设计过程。在查阅了一系列参考资料以后，参阅国内的设计情况。选用圆柱座标和三自由度。机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部。用气流负压式吸盘来吸取板料工件。

在分析了具体工作要求，对个方案进行对比之后，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手臂，故手臂均采用液压驱动；机械手的手部结构设计，因为工件是板料，使用气流负压式吸盘.采用气动驱动。

关键词：冲床机械手负压吸盘

Abstract

The present paper mainly introduced on the punch press the yummy treats manipulator's design process. After having consulted a series of reference, refers to the domestic design situation. Selects the circular cylindrical coordinate and three degrees-of-freedom. Manipulator's each implementing agency, including: Hand, arm and so on. Absorbs the sheet work piece with the air current negative pressure type sucker. In has analyzed the concrete work requirement, carries on the contrast after a plan, overall evaluation each factor. The manipulator waist's rotary motion needs certain positioning control precision, therefore uses step-by-steps the motor-driven to realize; Because uses the hydraulic pressure execution cylinder to make the arm, therefore thel arm uses the hydraulic pressure actuation; Manipulator's hand structural design, because the work piece is the sheet, use air current negative pressure type sucker. Uses the air-operated drive.

key words: Punch press manipulator negative pressure sucker

第一章绪论

1.1机械手发展状况

1.1.1发展历史

机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。机械手又称为自动手，auto hand。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。

1948年诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器人中的通信和控制机能与人的神经，感觉机能的共同规律，率先提出从计算机为核心的自动化工厂。1954年，美国科学家George Devol取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动(即点一点运动)，这被认为是“机器人时代”的开始。五年后，George Devol与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器。随后，成立世界上第一家机器人制造工厂—vnimqtion公司，由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“机器人之父”。1970年，机器人学界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的工业机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进，技术很复杂，迄今还被很多研究中心使用。70年代以后，机械手和以机械手为核心

参考文献

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内容简介：: 目录摘要ABSTRACT第一章绪论1 1.1 机械手的发展状况.1 1.2 课题背景及研究意义.4 1.3 日程安排.5第二章机械手的总体设计6 2.1 设计具体采用方案.7 2.2 机械手腰座结构设计.7 2.3 机械手手臂结构设计.8 2.4 机械手手部结构设计方案.9 2.5 机械手机械传动结构设计.9 2.6 机械手驱动系统的设计.11 2.7 确定采用方案15第三章理论分析与设计计算.16 3.1 手部驱动力计算16. 3.2 手腕驱动力矩计算19 3.3手臂伸缩、升降、回转气缸的吃尺寸设计与校核.25第四章结论.30参考文献.31致谢.32附录摘要本论文主要介绍了多工位冲床料机械手的设计过程。在查阅了一系列参考资料以后，参阅国内的设计情况。选用圆柱座标和三自由度。机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部。用气流负压式吸盘来吸取板料工件。在分析了具体工作要求，对个方案进行对比之后，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手臂，故手臂均采用液压驱动；机械手的手部结构设计，因为工件是板料，使用气流负压式吸盘.采用气动驱动。关键词：冲床机械手负压吸盘AbstractThe present paper mainly introduced on the punch press the yummy treats manipulators design process. After having consulted a series of reference, refers to the domestic design situation. Selects the circular cylindrical coordinate and three degrees-of-freedom. Manipulators each implementing agency, including: Hand, arm and so on. Absorbs the sheet work piece with the air current negative pressure type sucker. In has analyzed the concrete work requirement, carries on the contrast after a plan, overall evaluation each factor. The manipulator waists rotary motion needs certain positioning control precision, therefore uses step-by-steps the motor-driven to realize; Because uses the hydraulic pressure execution cylinder to make the arm, therefore thel arm uses the hydraulic pressure actuation; Manipulators hand structural design, because the work piece is the sheet, use air current negative pressure type sucker. Uses the air-operated drive. key words: Punch press manipulator negative pressure sucker 第一章绪论1.1机械手发展状况1.1.1发展历史机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。机械手又称为自动手，auto hand。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。1948年诺伯特维纳出版控制论，阐述了机器人中的通信和控制机能与人的神经，感觉机能的共同规律，率先提出从计算机为核心的自动化工厂。1954年，美国科学家George Devol取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动(即点一点运动)，这被认为是“机器人时代”的开始。五年后，George Devol与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器。随后，成立世界上第一家机器人制造工厂vnimqtion公司，由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“机器人之父”。1970年，机器人学界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的工业机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进，技术很复杂，迄今还被很多研究中心使用。70年代以后，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由工业机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度上激发了人们对机械手的研究和开发，它的技术也因此取得了长足的进步。到了80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。应用于这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。上世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展。再到一直到2006年6月，微软公司推出microsoft robotics studio，机器人模块化，平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。经过了40年的发展，现在全世界已装备了90余万台工业机器人，种类达数十种，他们有许多领域为人类的生产和人活服务。1.1.2当今技术发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。根据机器人技术及其应用和工业机械手设计基础中，当前机器人领域主要研究内容集中在以下几个方面：1、机械手的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重够方向发展。2、机械手控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。3、多传感器系统：为进一步提高机械手的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器信息融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。4、机械手的机构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝者一体化方向发展。5、机械手遥控及监控技术，半自主和自主技术，多个机械手和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机械手遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机械手的虚拟遥控操作和人机交互。6、多智能体调节控制技术：这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。7、软机械手技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机械手技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机械手意外地与环境或人碰撞时是安全，机器人对人是友好的。8、仿人和仿生技术：这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。1.1.3国内发展状况及应用举例工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机械手机器人是国外近30年来新兴起的、且发展较快的一门新学科、新技术。它综合了机械、液压、气动、检测、自动控制、计算机等学科和应用技术的最新成果。国外很多学者甚至认为, 机器人的发展和完善将爆发第三次工业革命.日本在20世纪60年代和美国都在开始进行其相关的研究，到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本。尤其在工业方面，机器手更是有着不可取代的地位，如法国赛姆斯公司的大口径弹体自动热冲生产线上, 配有五台工业机械手,使冲压、拔伸和润滑都自动地进行。第一个上料机械手能抓取100kg的重物, 从压力机旁的料架上抓取工件, 旋转135 , 将毛坯送到第一工位模膛内。第二个转位机械手, 从第一工位取料送到第二工位, 一火冲两次。第三个转位机械手, 从第二工位的模膛里将冲孔后工件取出倒掉氧化皮, 送到拔伸机。另外两个润滑机械手, 对着热冲两个工位喷涂石墨与机油混合的润滑剂。又如焊接方面，日本东芝Tosmanix一15巧型工业机械手就是用于车体内部点焊生产线上。该机械手的手臂能伸缩、俯仰、回转, 手腕能弯曲、转动、扭转。定位精度士1毫米。机械手手臂的端部有一只点焊钳,焊接变压器装在机械手本体上。该机械手垂直安装在一个形基座上。基座在架空的门形支架上移动、翻转。焊接时, 机械手手臂持焊钳由无顶盖车体上部伸人车体内部, 进行点焊。44个焊点,66 秒可全部焊完。平均每1.5点秒, 其中实焊时间0.6秒。在试验将活塞装到汽缸内, 机械手采用四个触觉敏感器, 以感觉出工件的位置, 能在只有20微米的间隙情况下, 将活塞插人时间仅3秒, 循环时间为8秒。而在美国，布罗瓦钟表Buloa公司采用了微型信息处理机和小型计算机控制的两台。Auto-place机械手, 用于炮弹定时机构装配的上下料。以摄像机作为“ 眼睛” , 观察和测定定机械零件的装配情况, 由计算机作出判断, 使机械手在取下装配件时, 将合格的与不合格的分别放到不同的传送带上运走。我们国家在机器人及工业机械手的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。到现在，我国的智能机器人开发研究己从单纯“跟踪”转到部分创新和为国民经济建设服务的轨道上。根据国内外发展机器人的经验、教训和我国的实际情况，我国为机器人发展制定的发展战略是:4个方向，即工业机器人、特种机器人、关键技术和应用基础研究;重点是工业机器人和特种机器人。在工业机器人和特种机器人这两个方面，又特别强调产品开发和实用化工程。国内在机器人研究和产品开发方面成绩突出的单位有:中科院沈阳自动化所、哈工大机器人所、机械部自动化所、上海交大机器人所、中国矿业大学、山东矿业学院机器人研究中心等。鉴于国民经济发展的需要，国内许多单位和学者正对工业搬运机器人进行全面而深入的研究，例如，大重量负载机器人的研究、玻璃搬运机器人研究、控制系统的研究、轨迹的规划、仿真研究以及搬运机器人工作站等等。在工业机器人应用和研究方面，日本和美国走在世界的前列，美国是机器人技术发展最早、也是目前机器人技术发展最先进的国家:而日本则是机器人声业化最成功的国家。这些国家的工业机器人技术己经趋于成熟，应用领域相当普及，已制作出各种型号的机器人，可完成点焊，弧焊，切割，搬运，装配等各种工作。1.2课题背景及研究意义机械手的发展已有近400年的历史了。现在全世界已有近100万台机械手在运行，机械手对国民经济和人民生活的各个方面，已产生重要的影响5 机械手技术已成为当今主导技术之一。随着工业机械化和自动化的发展，机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。工业机械手人又称通用自动机械手, 是一种“ 独立”的可变程序的自动机械手。它是在五十年代末期出现, 近年来才迅速发展起来的重要自动化装置, 现已成为实现工业自动化的一种重要手段。抛光作业是一种非常艰苦的劳动。操作者总是处于噪音大，粉尘多的环境中。操作者总是技术熟练的老工人，也是必存在老龄化的问题。也给企业带来人手不足的问题。另外，随着技术快速发展，相关标准越来越高，零件越来越小，精度越来越高，手工艺不能满足其要求，此时工业机械手开始发挥其潜能，并占有越来越重要的地位。本课题设计的是抛光自动线机械手，手臂能180左右回转。, 上下30摆动“ 。手腕能180回转。手爪能夹持7080根缝纫机针。在抛光作业中，势必有表面粗糙度和离散度，工件标准差等问题。为正确判断表面状态，需要采用传感器。加装在机械手上进行抛光作业，随时检测相关信号大小，以把握工作准概况，达到加工目的。本课题研究不仅能大幅降低加工成本，还能显著提高微型件的表面质量。因此将机器人应用于微型件加工替代手工操作前景广阔，不仅能大幅度提高生产率，保证产品质量，而且还能解决熟练劳动力的短缺问题。 1.3 日程安排进度安排：第一周社会调研第二周开题报告第三五周功能原理设计第六八周结构设计（画结构简图）第九十三周 CAD制图（手画草图、零件图）第十四周整理设计说明书第二章机械手的总体设计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a2-1.。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2-1.b。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2-1.c。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2-1.d。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。 2.1设计具体采用方案机械手工作布局图2-2具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量6KG，且时考虑到冲压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。 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。5.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。 2.2.2机械手腰座设计的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10），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。 2.3机械手手臂的结构设计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。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。考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，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，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。 2.4机械手的手部结构方案设计气动驱动方式因为抓取的零件为钣金件毛坯或成品件,使用气流负压式吸盘。 2.5机械手的机械传动机构的设计2.5.1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。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1:3，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。2.5.2谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。2.5.3螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。2.5.4同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。2.5.5钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。2.5.6链传动在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。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10），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。2.6机械手驱动系统的设计2.6.1机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统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。2.气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。2.6.2工业机器人驱动系统的选择原则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。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。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（RSA-Rotory Serve Actuator）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。气动驱动系统气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。 1.气源由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4.气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。电动驱动系统这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下所示：在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。为了提高机器人的传动精度，国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转变压器每转可达40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机（DD驱动电机）在快速高精度定位的装配机器人中已经得到应用。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变压驱动器表2-1续表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。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。 2.7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；机械手的手部结构设计在工件是板料，使用气流负压式吸盘.采用气动驱动.第三章理论分析和设计计算3.1手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以(3)实际驱动力: 1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:Gf = 式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则:满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为: 3.2 手腕的驱动力矩的计算 3.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。 1.工件2.手部3.手腕图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 3.2.2 回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为: 或 3.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计气缸长度设计为,气缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩： 2.尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量：假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1，，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计, （4）回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，3 设计尺寸符合使用要求，安全。 3.3 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 3.3.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 1.手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63。厂 2. 尺寸校核1）. 在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力： 2）测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力： 3）.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 总受力所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。3. 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。4. 平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。 3.3.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核1.

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