门架式工业机器人驱动系统设计（三维建模CAD图纸）.pdf

门架式工业机器人驱动系统设计 门架式工业机器人驱动系统设计 摘要摘要 机器人学是涉及电子精密机械 空间机构学 操纵动力学 人机工程学等的一 门系统工程的学科 机器人技术是近 30 年来迅速发展起来的一门新兴技术 它代 表了机电一体化的最高成就 本论文结合理论与实践 对五自由度机器人的机械系 统控制系统 及其它一些系统进行了研究 本文是对以液压为动力源的机械加工用机器人的设计说明 它由执行机构 驱 动机构和控制系统等组成 本设计说明书是门架式工业机器人的设计论文 是经过 查阅大量参考资料后对所设计机械人具体设计过程的一个详细说明 本文设计了门 架式工业机器人的驱动原理 介绍了液压缓冲系统 关键词关键词 工业机器人 液动 实用化设计 Abstract The robotics is an course which involves the precise machine the space organization manipulated the dynamics person with machine engineering learns a system engineering of etc Technology of Robot is a new technology which has devolopped rapidly for about 30 years It delegates the tiptop achievement of the system of mechanics and electronics This paper studies on the control system mechanical system and other systems of a robot of five degree freedom This paper is the design illustration about programmed controlling robot for machining which is droved by liquid pressure The industry robot is usually made up of operating system driving and controlling system This thesis is the design courses of the Gantry Industrial Robot Drive System Written after looking up lots of materials the article is the detailed explain of the courses about the design This manual designed gantry driving principle introduced the hydraulic buffer system Keywords Industry mechanical robot Liquid powered Mdulation design 目 目 录 录 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 国内外机器人的现状和发展趋势 1 1 1 工业机器人的概述 1 1 2 工业机器人的发展 1 1 3 我国机器人技术应用研究进展及发展趋势 1 2 工业机器人研究的意义 1 3 毕业设计课题 1 3 1 课题的提出 1 3 2 课题题目及要求 1 3 3 研究内容和要求 1 4 设计机构及特点分析 1 4 1 门架式工业机器人结构组成 1 4 2 该工业机器人的主要结构特点 1 5 门架式工业机器人的结构分析及可行性论证 第二章 第二章 驱动原理方案设计驱动原理方案设计 2 1 明确设计目标 2 1 1 机器人的主要技术参数指标 2 1 2 机器人主要装置机构的功能要求 2 2 驱动原理方案的实现 2 2 1 驱动系统的选用原则 2 2 2 驱动方式的类型 2 2 3 驱动方式比较 2 2 4 原理方案的评价 2 2 5 原理方案的决策 第三章 第三章 液压驱动系统设计液压驱动系统设计 3 1 总体规划 3 2 液压泵的选用 3 3 液压泵的选用 3 4 液压工作介质的选择 3 5 滑板液压缸的设计计算 3 5 1 压力 3 5 2 流量 3 5 3 活塞运动速度 3 5 4 速比 3 5 5 活塞的理论推力和拉力 3 6 液压控制 3 6 1 小车液压控制装置 第四章 零部件实用化设计第四章 零部件实用化设计 4 1 小车传动装置 二级齿轮减速器设计 4 1 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 4 1 2 按齿面接触强度设计 4 1 3 按齿根弯曲强度设计 4 1 4 几何尺寸计算 4 1 5 第二级齿轮传动的设计 4 1 6 减速器的输出端 4 1 7 减速器大齿轮键的设计 4 2 门架单轨的截面设计 4 2 1 单轨刚度校合 4 2 2 单轨强度校核 4 3 滑板机构定位装置的弹簧设计 4 3 1 根据工作条件选择材料并确定许用应力 4 3 2 根据强度条件计算弹簧丝直径 4 3 3 根据刚度条件计算弹簧圈数 4 3 4 计算弹簧尺寸 4 3 5 验算稳定性 4 3 6 疲劳强度校核 第五章 技术经济分析第五章 技术经济分析 5 1 液压系统元件 介质选择方面 5 2 液压控制原理的选择方面 5 3 二级齿轮减速器设计方面 5 4 单轨的截面设计方面 5 5 滑板机构定位装置的弹簧设计方面 第六章 总 结第六章 总 结 参 考 参 考 文 献文 献 致 致 谢谢 第一章 第一章 绪 绪 论 论 1 1 1 1 国内外机器人的现状和国内外机器人的现状和发展趋势发展趋势 1 1 1 工业机器人的概述工业机器人的概述 工业机器人是广泛运用的能够自主动作 且多轴联动的机械设备 他们在必要 的情况下配有传感器 其动作步骤包括灵活的 转动都是可编程控制的 即在工作 过程中 无需任何外力的干预 他们通常配备有机械手 刀具或其他可装配的加 工工具 以及能够执行搬运操作与加工制造的任务 1 1 2 工业机器人的发展工业机器人的发展 机器人的发展 它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果 同时 为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术 工业机器人有三个方面使我们必要去发展的理由 一个是机器人干人不愿意干 的事把人从有毒的 有害 高温的或危险的 这样的环境中解放出来 同时机器人 可以干不好干的活 另一方面机器人干人干不了的活 这也是非常重要的发展机器 人的一个理由 比方说人们对太空的认识 人上不去的时候 叫机器人上天 上月 球 以及到海洋 进入到人体的小机器人 以及在微观环境下 对原子分子进行搬 迁的机器人 都是人们不可达的工作 上述的三个问题也就是说机器人发展的三个 理由 1 1 3 我国机器人技术应用研究进展及发展趋势我国机器人技术应用研究进展及发展趋势 中国机器人经过 七五 攻关计划 九五 攻关计划和 863 计划的支持 已 经取得了较大的进展 工业机器人市场也已经成熟 应用上也已经遍布各行各业 但进口机器人占了绝大多数 我国在某些关键技术上有所突破 但还缺乏整体核心 技术的突破 具有中国知识产权的工业机器人则很少 目前我国机器人技术相当于 国外发达国家 20 世纪 0 年代初的水平 特别是在制造工艺与装备方面不能生产高 精密 高速与高效的关键部件 我国目前取得较大进展的机器人技术有 数控机床 关键技术与装备 隧道掘进机器人相关技术 工程机械智能化机器人相关技术 装 配自动化机器人相关技术 现已开发出金属焊接 喷涂 浇铸装配 搬运 包装 激光加工 检验 真空 自动导引车等的工业机器人产品 主要应用于汽车 摩托 车 工程机械 家电等行业 1 2 1 2 工业机器人研究的意义工业机器人研究的意义 工业机器人是集机械 电子 控制 计算机 传感器 人工智能等多学科先进 金属于一体的重要现代化制造业自动化装备工业机器人已经广泛地应用于各种自 动化生产线上 它是机器人家族中最重要的成员 工业机器人由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编 程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备 工业机器人包括模仿 人类关节结构的关节型工业型机器人 直角坐标型机器人 园柱坐标型机器人 球坐 标型机器人 喷漆机器人 焊接机器人等 据专家预测 工业机器人的研究工作已 向仿人化特种化智能化发展我们着手设计的门架机器人属特种化机器人 所以工业 机器人的研究具有重大的意义 随着我国工业生产力飞跃发展 自动化程度的迅速提高 实现工件的装卸 转 向 输送或操持焊枪喷枪 扳手等工具进行加工 装配等作业的自动化 并减轻工 人的劳动强度 已愈来愈引起人们的重视 1 3 1 3 毕业设计课题毕业设计课题 1 3 1 课题的提出课题的提出 经社会调研 工业机器人分为三类 第一类是不需要人工操作的通用机器人 它是一种独立不附属于某一主机的装置 它可以根据任务的需要编制程序 以完成 各项规定的动作 它的特点是除具备普通机械的物理特性之外 还具备通用机械记 忆智能的三元机械 第二类是需要人工操作的 称为操作机 它起源于原子 军事 工业 先是通过操作机来完成特定的作业 后来发展到用无线电讯号操作机器人进 行探测月球等 工业中采用的锻造机也属于这一范畴 第三类是专用机器人 主 要附属在自动机床多自动线上 用以解决机床上下料和工件的传送 在这里我要设 计的是数控机床用机器人执行系统 在国内主要是逐步扩大应用范围 重点发展数控机床用 锻造 热处理方面的 机器人 以减轻劳动强度 改善作业条件 在应用专用机器人的同时相应的发展通 用机器人 有条件的还要研制示教式机器人 计算机控制机器人和组合机器人等 将机器人个运动构件 如伸缩 摆动 升降 横移 俯仰等机构 以及适于不同的 典型部件 即可组成各种不同用途的机器人 即便于设计制造 又便于改换工作 扩大了应用的范围 同时提高速度 减少冲击 正确定位 以更好的发挥机器人的 作用 目前 美 日 俄以及瑞典 瑞士处在制造业的前沿 机器人在工厂普遍使用 其他国家也加快工业机器人的改进和发展 使用机器人不仅能提高生产效率增加产 值 还能带动整个制造业的发展 提高国民生产总值 所以本课题的研究在现实生 活中具有重大的意义 1 3 2 课题题目及要求课题题目及要求 课题名称 门架式工业机器人驱动系统设计 1 承载能力 kg 40 2 自由度数 5 3 最大位移 小车沿单轨 mm 10800 手臂在垂直方向 mm 420 手臂转动 摆动 100 手腕转动 摆动 90 手腕相对纵轴转动 90 180 4 小车位移最大速度 m s 0 8 手臂在垂直方向 m s 0 8 手腕及手转动 s 90 5 定位精度 mm 1 6 重量 数控装置除外 kg 3000 1 3 3 研究内容和要求研究内容和要求 在设计过程中主要完成以下内容 1 展开市场调研 查阅有关资料 2 进行原理方案论证 进行优化组合 3 进行总体方案设计 确定主要技术参数 4 详细设计完成典型部件 零件图 5 进行论文总结 要求 原理方案设计 要进行对功能原理进行评价与决策 实用化设计 总体 设计 对主要零部件设计 完成设计图纸 3 张 A0 用 CAD 完成 设计说明书 1 5 万字以上 外文翻译 4000 汉字以上 1 4 1 4 设计机构及特点分析设计机构及特点分析 门架式工业机器人是一种新型的自动化操作装置 它是根据作业的要求 按照 预先确定的程序抓取物体或操持喷枪 焊把等工具去完成一定的作业 因此可以在 繁重 高温和多粉尘等劳动条件较差的环境下作业 部分地代替人工操作 门架式工业机器人随着电子技术的发展已逐步成为一个独立的自动化装置 并 扩大应用到各个机械加工制造行业 机械制造工业中繁重的劳动比较多 迫切需要 进行技术改造 而工业机器人的研究和应用将是有效改善生产劳动条件 提高产品 质量和劳动效率的有效手段之一 也是新技术革命的重要内容之一 1 4 1 门架式工业机器人结构组成门架式工业机器人结构组成 根据上节要求的规格参数 决定该工业机器人的主要执行元件采用液压驱动 为满足规格以及定位 控制要求 本液动工业机器人具体细节如下 1 该门架式工业机器人装备有自动可换夹持器的装置 其中双夹持器的装置 用来保证同时操作毛坯和在机床上加工的零件 工业机器人的操作机构有可能作成 可移动的 并有门架结构 使之能在一组带有水平主轴的金属切削机床上工作 2 该机器人具有五个自由度 小车沿单轨的水平移动 滑板在小车上垂直伸 缩 手腕相对于水平轴转动 手臂在垂直平面内摆动 手腕还可以绕自身轴线旋转 一个有限角度 3 操作机杆件的驱动装置是液压式的 小车驱动装置沿单轨纵向移动 电液 步进式 液压马达通过二级齿轮减速器与齿轮相连 在于固定在门架上的齿条啮 合 从而通过液压马达驱动小车沿门架上的导轨运动 4 在固定于滑板上的支架中滚动轴承上安装有轴颈 手臂的小尖做成支架形 式 在其上固定有带铰链的的支承 以连接手臂摆动的电液步进驱动装置的活塞杆 手臂安装在滑板上 1 4 2 该工业机器人的主要结构特点该工业机器人的主要结构特点 1 手臂伸缩及回转机构 该机器人采用单杆双作用式气缸空心活塞杆结构 手臂回转 气缸的伸缩气管分别内藏在活塞杆内 以使外形清晰紧凑 避免气管损 伤 在双作用式气缸上方装有导向杆 用它防止活塞杆在伸缩运动时发生转动 以 保证手部的夹持器手部按正确的方向运动 2 夹持器结构 夹持器结构为齿轮齿条式 当压缩空气经手臂伸缩气缸内的 伸缩气管和夹紧缸的气孔进入右腔时 推动齿条活塞杆向左移动 经齿轮传动带动 手部夹持器夹紧工件 夹持器的松开是靠定位弹簧达到的 3 手臂升降用液压缓冲器 通过液压缓冲器的缓冲行程 达到缓冲的作用 使减轻部件的硬性冲击及噪音 以及能够精确定位等 缓冲的阻尼力可以通过调节 节流阀来实现 4 手腕结构 手腕结构是连接夹持器与手臂的中间结构 通过该结构 使夹 持器获得一定角度的灵活摆动 同时也可以将回转运动传递给夹持器 其回转功能 的实现也是靠安装在手腕内部的气体管道通气来控制的 1 5 1 5 门架式工业机器人的结构分析及可行性论证门架式工业机器人的结构分析及可行性论证 门架式工业机器人的主体为门架结构 门架上有光滑的导轨 单轨 在门架 上装有可移动小车 小车可沿门架上的单轨纵向移动 小车里安装有滚轮及滑板 由液压带动小车 沿导轨在门架上移动 工业机器人的操作机滑板及手腕机构安装 在小车上 小车的移动可控制机械手抓取东西 在固定于滑板的支架中 滚动轴承上安装有轴颈 它是与手臂机体刚性相连的 半轴 手臂机体是双肩杠杆焊接 手臂的肩部形成两个平行板 承载上下轴颈 手 腕驱动装配齿组建 平移机构齿轮的轴以及此机构中齿条的支承滚轮的轴 操作机的手臂做成双臂连杆形式 铰接在滑板上 并可以在垂直平面内做摆动 运动 在手臂的下端铰接带夹持器的手腕 手腕可相对于水平轴转动 摆动 此 轴穿过将手腕固定在手臂上的连接铰链 手腕还可以绕自身轴线旋转一个自身角 度 从而增大了工作范围 从理论上讲 这种结构设计是可行的 并且此门架式工业机器人将应用于汽车 工业 工程工业中 第二章 第二章 驱动原理方案设计 驱动原理方案设计 2 1 2 1 明确设计目标明确设计目标 2 1 1 机器人的主要技术参数指标机器人的主要技术参数指标 表 2 1 序号 序号 项目 项目 参数指标参数指标 1 承载能力 kg 40 2 自由度数 5 3 最大位移 小车沿单轨 mm 10800 手臂在垂直方向 mm 420 手臂转动 摆动 100 手腕转动 摆动 90 手腕相对纵轴转动 90 180 4 小车位移最大速度 m s 0 8 手臂在垂直方向 m s 0 8 手腕及手转动 s 90 5 定位精度 mm 1 6 重量 数控装置除外 kg 3000 2 1 2 机器人主要装置机构的功能要求机器人主要装置机构的功能要求 表 2 2 序号 序号 装置装置 机构 机构 实 现 实 现 功 能功 能 1 定位数控装置 实现沿三个坐标轴的给定程序的位移 2 可移动门架机构 装有可移动小车 能在一组带有水平主轴的金属 切削机床上工作 3 小车机构 支撑滑板 在门架的单轨上水平移动 4 滑板机构 带动手臂 在机体的滚轮上竖直升降 5 自动可换夹持器 双夹持器装置 保证同时操作毛坯和在机床上加工零件 6 附加机构和装置 检验毛坯基准面 测量加工零件直径 清洗机床 和设备 2 2 2 2 驱动原理方案的实现 驱动原理方案的实现 2 2 1 2 2 1 驱动系统的选用原则驱动系统的选用原则 工业机器人驱动系统的选用 应根据工业机器人的性能要求 控制功能 运行 的功耗 应用环境及作业要求 性能价格比以及其他因素综合加以考虑 在充分考 虑各种驱动系统特点的基础上 在保证工业机器人性能规范 可行性和可靠性的前 提下做出决定 一般情况下 各种机器人驱动系统的设计选用原则大致如下 1 控制方式 对物料搬运 包括上 下料 冲压用的有限点位控制的程序控制机器人 低速 重负载时可选用液压驱动系统 中等负载时可选用电动驱动系统 轻负载时可选用 电动驱动系统 轻负载 高速时可选用气动驱动系统 冲压机器人手爪多选用气动 驱动系统 2 作业环境要求 从事喷涂作业的工业机器人 由于工作环境需要防爆 考虑到其防爆性能 多采 用电液伺服驱动系统和具有本征防爆的交流电动伺服驱动系统 水下机器人 核工 业专用机器人 空间机器人 以及在腐蚀性 易燃易爆气体 放射性物质环境中工 作的移动机器人 一般采用交流伺服驱动 如要求在洁净环境中使用 则多要求采 用直接驱动 Direct Drive DD 电动机驱动系统 3 操作运行速度 对于装配机器人 由于要求其有较高的点位重复精度和较高的运行速度 通常在 运行速度相对较低 4 5m s 的情况下 可采用 AC DC 或步进电动机伺服驱动 系统 在速度 精度要求均很高的条件下 多采用直接驱动 DD 电动机驱动系 统 2 2 2 驱动方式的类型驱动方式的类型 1 液压式 其驱动系统由油缸 电磁阀 油泵和油箱等组成 其特点是操作力大 体积小 动作平稳 耐冲击 耐振动 但环境因素和漏油对系统的工作性能影响大 比气压成本高 2 气压式 其驱动系统由气缸 气阀 空气压缩机和储油罐等组成 其特点是操 作力小 体积大 响应慢 动作不平稳 有冲击 但成本低 维修简单 臂力不超 过 300N 3 电气式 其驱动系统由电动机驱动 优点是电源方便 信号传递及运算容易 响应 快 驱动力较大 2 2 3 驱动方式比较驱动方式比较 表 2 3 比较内容 比较内容 液压驱动 液压驱动 气压驱动 气压驱动 电气驱动电气驱动 交直流电机 步进 伺服电机 控制性能 可无级调速反映 灵敏 可连续轨 迹控制 气体压缩性大 精确定位困难 阻尼效果差 控制性能较 差 不易精确 定位 控制性能好 能 精确定位 但系 统复杂 输出力 大 小 大 小 体积 在输出力相同条 件下 体积小 较大 要有减速装 置 体积较大 较小 维修及使用 方便 但油液对 环境温度有一定 要求 方便 方便 较复杂 环境影响 易漏油 易燃 排气有噪声 无 无 应用范围 适用于重型低速 驱动 适用于中小型快 速驱动 速度低的中重 型机器人 要求严格控制 运动轨迹的中 小型机器人 成本 较高 低 低 较高 2 2 4 原理方案的评价原理方案的评价 液压驱动与其它两种驱动方式相比 其优点是 1 功率密度比大 能够以较小的作动器输出较大的驱动力或驱动力矩 2 结构简单紧凑 刚性好 可以把动作油缸直接做成关节的一部分 3 由于液体的不可伸缩性 定位精度比气压驱动高 并可以实现任意位置的 停止 4 能在很大范围内调整 实现无级调速 调速过程也比较简单 5 运动件的惯性小 能够频繁迅速换向 液压驱动平稳 6 系统容易实现缓冲吸震 使用安全阀可简单而有效地防止过载现象的发生 7 有良好的润滑性能 寿命长 8 元件已基本上系列化 通用化和标准化 利于 CAD 技术的应用 提高工效 降 低成本 9 和电气控制结合 容易实现动作和操作自动化 与微电子技术和计算机配合 能实现各种自动控制工作 液压驱动的主要缺点是 1 油液容易泄漏 不仅影响稳定性与定位精度 而且会有环境污染 2 油液粘度随温度变化 不但影响工作性能 而且在高低温条件下很难应用 3 油液中容易混入气泡 水分等 4 需配备压力源及复杂的管路系统 因之成本较高 5 易燃烧 2 2 5 原理方案的决策原理方案的决策 综合考虑 选择机器人的小 车机构和滑板机构的驱动系统为 液压式驱动系统 其功能原理图 如左图所示 1 门架机构的单轨上装有可 移动小车机构 能在一组带有水 平主轴的金属切削机床上工作 2 小车机构装在有加强筋焊 接的机体上 靠滚拄支撑移动 其驱动装置包含两个圆柱齿轮减 速器 减速器的输出轴上安装齿 轮 齿轮与齿条相啮合 它支撑 滑板 在门架的单轨上水平移动 3 滑板机构与线性电液步进 式驱动装置的连杆相连 其横截 面采用封闭梯形结构的焊接箱 体 它带动手臂 在机体的滚轮 上竖直升降 4 手臂机构采用双臂连杆 图 2 1 形式 铰接在滑板上 在垂直面内作摆动 5 手腕机构固定在手臂机构的连接铰链上 也可以在垂直面内作摆动 并能 自转有限角度 第三章 第三章 液压驱动系统设计 液压驱动系统设计 3 1 3 1 总体规划总体规划 液压系统 液压回路按给定的用途和要求组成的整体 液压系统的组成 5 表 3 1 动力部分 动力部分 控制部分 控制部分 执行部分 执行部分 辅助装置辅助装置 液压泵 用以将机 械能转换成液体压 力能 有时也将蓄 能器作为紧急或辅 助动力源 各类压力 流量和方向 等控制阀 用以实现对 执行元件的运动 方向 作用力等的控制 也用 于实现过载保护 程序 控制等 液压缸 液压马 达等用以将液体 动力能转换成机 械能 管道 蓄能器 过滤器 油箱 冷却器 加热器 压力表 流量计 等 液压执行元件的类型 数量 安装位置与主机的连接关系 对主机的设计有很 大影响 所以 在考虑液压设备的总体方案时 确定液压执行元件和确定主机整体 机构布局是同时进行的 液压执行元件的选择由主机的动作要求 载荷轻重和布置 空间条件确定 3 2 3 2 液压泵的选用液压泵的选用 根据系统的工况来选择液压泵 泵的主要参数有压力 流量 转速和效率 为 保证系统正常运转和泵的使用寿命 一般在固定设备系统中 正常工作压力为泵的 额定压力的 80 左右 泵的流量要大于系统工作的最大流量 为了延长泵的寿命 泵的最高压力与最高转速不易同时使用 液压泵的类型及特点 1 齿轮泵 结构简单 工艺性好 但工作压力较低 流量脉动和压力脉动较大 如高压下不采用端面补偿时 其容积效率将明显下降 2 叶片泵 结构紧凑 外形尺寸小 运动平稳 流量均匀 寿命长 其中单作用 式叶片泵有一个排油口和一个吸油口 转子旋转一周 每两片间的容积各吸排 油一次 适用于低压大流量的场合 3 柱塞泵 精度高 密封性能好 但它结构比较复杂 制造精度高 价格贵 对 油液污染敏感 4 螺杆泵 结构简单 重量轻 但加工较难 不能改变流量 根据门架式工业机器人的工作环境 工况和经济性等方面的综合考虑 确定选 用叶片泵 根据液压泵标准产品的特点 选用 YB A36B 型的液压泵 其主要技术参数如 下 5 表 3 2 型号 型号 理论排 理论排 量 量 ml r 额定压 额定压 力 力 MPa pa pa 输出流量 输出流量 L min L min 驱动 驱动 功率 功率 KW KW 转速 转速 r min r min 重量 kg 重量 kg 油口尺寸 油口尺寸 Mpa Mpa 型号 型号 理论排 理论排 量 量 ml r 额定压 额定压 力 力 MPa pa pa 输出流量 输出流量 L min L min 驱动 驱动 功率 功率 KW KW 转速 转速 r min r min 重量 kg 重量 kg 油口尺寸 油口尺寸 KW KW 型号 型号 理论排 理论排 量 量 ml r 额定压 额定压 力 力 MPa pa pa 输出流量 输出流量 L min L min 驱动 驱动 功率 功率 KW KW 转速 转速 r min r min 重量 kg 重量 kg 油口尺寸 油口尺寸 法兰 法兰 安装 安装 脚脚 架架 安安 装 装 进口 进口 出口出口 YB A 36B 35 9 7 30 9 5 2 600 1500 9 10 Rc1 Rc3 4 YB A36B 型液压泵的外形尺寸如下图所示 YB 泵系是我国第一代国产叶片泵 的第五次改型产品 具有结构简单 性能稳定 流量范围大 压力流量脉动小 噪 声低等一系列优点 广泛适用于机床设备和其它低压系统中 图 3 1 3 3 3 3 液压泵液压泵的选用的选用 液压泵的主要性能参数有转矩 压力 排量 容积效率 总效率等 要根据运 转工况进行选择 液压泵的类型及特点 1 齿轮泵 结构简单 制造容易 但输出的转矩和转速脉动较大 2 叶片泵 结构紧凑 外形尺寸小 运动平稳 噪声小 负载转矩小 3 轴向柱塞泵 结构紧凑 转动惯量小 转速高 易于变量 4 球塞式泵 负载转矩大 径向尺寸大 适合于中等工况 根据门架式工业机器人的工作环境 工况和经济性等反面的综合考虑 确定选 用叶片式液压泵 根据其产品的主要性能参数 选择小车机构和滑板机构的液压泵 分别是 YM A32B 型和 YM A28B 型 其外形尺寸如下图所示 其主要性能参数如下 5 表 3 3 表 3 4 型号 型号 理论排 理论排 量 量 ml r ml r 额定压 额定压 力 力 Mpa Mpa 转速转速 r min r min 输出转 输出转 矩 矩 N m N m 重量重量 kg kg 油口尺寸 油口尺寸 法兰 法兰 安装 安装 脚架 脚架 安装 安装 进口 进口 出口出口 YM A32B 29 9 6 3 100 2000 21 6 9 8 12 7 3 4 3 4 YM A28B 24 5 16 1 3 4 3 4 液压工作介质的选择液压工作介质的选择 针对门架式工业机器人的应用条件 其介质品种选择的考虑因素是 1 液压系统所处的工作环境 室内作业 在东北地区工作 周围有明火和热源 需保证防火安全 保持环境清洁 2 液压系统的工况 采用叶片泵驱动 每日两班制 每年工作 300 天 3 经济性 价格适中 更换周期长 维护使用方便 根据 GB T 7631 2 1987 的产品介绍选用 L HFC 型的工作介质 其粘度等级在 15 到 100 该产品通常为含乙二醇或其他聚合物的水溶液 使用温度为 20 50 低温性和对橡胶的适应性好 它的难燃性好 适用于冶金和煤矿等行业的低中压液 压系统 介质粘度选择的考虑因素有 1 意义 对于多数液压工作介质来说 粘度选择就是介质牌号的选择 粘度选择适 当不仅可以提高液压系统的工作效率 灵敏度和可靠性 还可以减少温升 降 低磨损 从而延长系统元件的使用寿命 2 选择依据 液压系统的元件中 液压泵的载荷最重 所以 介质粘度的选择通常 是以满足液压泵的要求来确定 3 修正 对执行机构运动速度较高的系统 工作介质的粘度要适当选小些 以提高 动作灵敏度 减少流动阻力和系统发热 根据 GB T 7631 2 1987 选定的 L HFC 型的工作介质综合考虑 确定介质粘度 等级是 32 3 5 3 5 滑板液压缸的设计计算滑板液压缸的设计计算 综合考虑滑板机构的工作特点和功能要求 根据 GB T 2348 1993 和 GB T 2349 1980 初选 液压缸内径 D 63mm 活塞杆直径 d 32mm 活塞行程 L 500mm 3 5 1 压力压力 油液作用在单位面积上的压强 p F A Pa 活塞的有效面积 A 2 2 D 3 12 10 3 m 2 如果活塞的有效工作面积一定 油液 的压力越大 活塞产生的作用力就越大 已知滑板机构最大承载m 40kg 若取液压缸所提升的执行装置总重量 M 500kg 那么 作用在活塞上的载荷最大值 F max m M g 40 500 9 8 N 5292 N 3 1 最高允许压力 p max F max A 5292 3 12 10 3 Mpa 1 70 Mpa 它也是动态试验压 力 是液压缸在瞬间所能承受的极限压力 各国规范通常规定为 p max 1 5PN 工称压力 PN 是液压缸能用以长期工作的压力 取 PN 1 6 Mpa p max 1 70 Mpa 1 5PN 符合规定 3 5 2 流量流量 Q V t L min V 液压缸活塞一次行程中所消耗的油液体积 L t 液压缸活塞一次行程所需时间 min v 活塞杆运动速度 m min v 当活塞密封为弹性密封材料时 v 1 当活塞密封为金属环时 v 0 98 现取 v 1 由于 V vAt 10 3 L 那么 Q vA 4 D 2 v 10 3 L min 对于单活塞液压缸 如图所 示 最大速度 v max 0 8 m s v m s 当活塞伸出时 Q v 4 D 2 v 10 3 L min 0 8 1 4 063 0 2 48 10 3 L min 149 63 L min 0 t s 3 2 图 3 2 当活塞缩回时 Q v 4 D 2 d 2 v 10 3 L min 48 1 4 032 0 063 0 2 2 10 3 L min 111 03 L min 3 3 当活塞差动伸出时 Q v 4 d 2 v 10 3 L min 1 4 032 0 2 48 10 3 L min 38 60 L min 3 4 3 5 3 活塞运动速度活塞运动速度 v Q A m min 当 Q 常数时 v 常数 但是实际上 活塞在行程两端各有一个加减速阶段 如上图 故上述公式中计算的数值均为活塞的最高运动速度 v max 但活塞的最高运 动速度受到活塞和活塞杆密封圈以及行程末端缓冲机构所能承受的动能的限制 活塞的最低速度 v min 受活塞和活塞杆密封件摩擦力和加工精度的影响不能太 低 以免产生爬行 一般 v min 0 1 0 2m min 3 5 4 速比速比 液压缸活塞往复运动时的速度之比 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 4 4 d D D d D D A A v v 3 5 v 1 活塞杆的伸出速 度 m min 348 1 032 0 063 0 063 0 2 2 2 v 2 活塞杆的缩回速 度 m min 计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和是否设置缓冲装置 速比不宜过大或 过小 以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好 根据工称压力选 定 1 33 3 5 5 活塞的理论推力和拉力活塞的理论推力和拉力 活塞杆伸出时的理论推力为 A 1 活塞无杆侧有效面积 m 2 F 1 A 1 10 6 1 4 063 0 2 1 6 10 6 N 3 6 A 2 活塞有杆侧有效面积 m 2 4 99 10 3 N p 供油压力 工作油压 Mpa 活塞杆缩回时的理论拉力为 F 2 A 2 p 10 6 1 4 032 0 063 0 2 2 1 6 10 6 N 3 70 10 3 N 3 7 活塞杆差动前进时的理论推力为 F p A A 2 1 3 10 6 1 4 032 0 2 1 6 10 6 N 1 29 10 3 N 3 8 3 5 6 3 5 6 活塞的最大允许行程活塞的最大允许行程 活塞行程在初步确定时 主要是按实际工作需要的长度来考虑 但这一工作行程并 不一定是液压缸的稳定性所允许的行程 应首先计算出活塞杆的最大允许长度 L k 因为活塞杆一般为细长杆 当 L k 10 15 d 时 由欧拉公式推导出 L k k F EI 2 mm 3 9 F k 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 F k Pn k 将右侧数据代入并化简后 n k 安全系数 通常 n k 3 5 6 L k 320 k F d 2 E 材料的弹性模数 钢材 的材料弹性模数 E 2 1 10 5 N mm 2 3 10 活塞杆最大压力 P 5292N 取 n k 6 I 活塞杆的横截面 惯性矩 mm 4 L k 320 6 5292 32 2 1838 8mm 圆截面 I 64 4 d 0 049d 4 对活塞杆来说 n 1 如下图所示 那么 L L k 1838 8mm 许用行程 S L l 2 K 若 l 2 200mm K 1000mm S 638 8 根据 GB T2349 1980 选取标准行程 630mm 图 3 3 3 5 7 液压缸的功和功率液压缸的功和功率 液压缸所作的功为 W FS J F 液压缸的载荷 推力或拉力 N 活塞杆伸出时 W FS 4 99 10 3 630 10 3 J 3143 7J 3 11 S 活塞行程 m 活塞杆缩回时 W FS 3 70 10 3 630 10 3 J 2331J 3 12 功率 N t FS t W Fv 活塞杆伸出时 N Fv 4 99 10 3 0 8W 3 99 10 3 W 3 13 活塞杆缩回时 N Fv 3 70 10 3 0 8W 2 96 10 3 W 3 14 根据液压缸的性能参数计算 选用带接近开关的拉杆式液压缸 接近感应开关 用来控制行程两端位置的换向 它是非接触敏感元件 无接触 无磨损 输出信号准 确 安全可靠 感应开关位置可以任意调节 其技术参数如下 5 表 3 5 额定压力 Mpa 7 14 使用温度 10 60 最高允许压力 Mpa 10 5 21 最高运行速度 m s 1 最低启动压力 Mpa 0 3 工作介质 等 矿物油 水 乙二醇 榆次油研液压有限公司的产品有 CJT35L CJT70L CJT140L 工作压力为 3 5MPa 7 MPa 14 Mpa 带接近开关 武汉油缸厂生产的产品有 WY10 工作压力为 7 MPa 14 Mpa 其外形尺寸如下图 所示 其参数如下 5 图 3 4 表 3 6 工作压力工作压力 MPa 缸径缸径 mm A 1 mm A mm h 2 mm h 1 mm H mm 7 14 63 51 102 57 76 20 3 6 3 6 液压控制液压控制 液压系统的基本工作参数是压力和流量 电液比例压力控制就是采用电液比例 压力阀对系统压力进行单参数比例控制 进而实现对系统输出力或转矩的比例控制 6 电液控制的技术优势 电器或电子技术在信号的检测 放大 处理和传输等方 面比其它方面更具有明显的优势 特别是现代微电子集成技术和计算机科学的进 展 使得这种优势更显突出 因此 工程系统的指令及信号处理单元和检测反馈单 元几乎无一例外地采用了电子器件 即在功率放大单元和执行部件方面 液压元件 则有更多的优越性 电液控制技术集合了电控与液压的交叉技术优势 6 电液比例系统的基本特点 1 可明显的简化液压系统 实现复杂程序控制 2 引进微电子技术的优势 利用电信号便于远距离控制 以及实现计算机或 总线检测与控制 3 电液系统的快速性 是系统开关阀控制无法达到的 4 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标 5 便于机电一体化的实现 本机器人的液压控制阀采用力马达控制喷嘴挡板的直控式比例压力阀 其结构 类似比例电磁铁的结构 挡板直接与力马达衔铁推杆固接 压力油进入喷嘴腔室前 经过固定节流器 6 如右图所示力马达比例压力阀的工作原理是 力马达在输入控制电流后通过推 杆使挡板产生位移 改变输入力马达电流信号的大小 可以改变挡板和喷嘴之间的 距离 x 因而能控制喷嘴处的压力 C p 它的压力 流量特性比较容易控制 工作比 较可靠 是提高比例阀控制精度和响应速度的一种结构形式 图 3 5 3 6 1 小车液压控制装置小车液压控制装置 小车液压驱动装置如下图所示 它由步进马达和成套电液步进驱动装置组成 当信号传递到步进马达上时 其转子通过螺旋传动推动液压分配器的滑阀 它连接 者压力管和溢流管与相应的液压马达腔 液压马达之间的连接使其在轴上的力矩方 向相反 以保持在齿轮齿条传动中无隙啮合 步进马达转动时 其与分配器滑阀刚 性相连的轴 使得滑阀回到初始位置 从而实现位置反馈 图 3 6 3 6 2 滑板液压控制装置滑板液压控制装置 图 3 7 滑板液压驱动装置如下图所示 它步进马达 随动分配器和液压缸组成 液压缸 塞杆内装有位置反馈螺旋机构 在信号传递到步进电机时 其转子通过螺旋传动 为丝杠传动 而通过齿轮传动和螺旋副变为滑阀轴向移动 第四章 第四章 零部件实用化设计 零部件实用化设计 4 1 4 1 小车传动装置 二级齿轮减速器设计小车传动装置 二级齿轮减速器设计 小车传动装置包含两个二级圆柱齿轮减速器 减速器的输出轴上安装齿轮 齿 轮与单轨上的齿条相啮合 在门架单轨上水平移动 已知 二级减速器由 YM A32B 的叶片式液压马达驱动 其输入功率 P 3 28KW 第一级小齿轮转速 n 1 1450r min 齿数比 u 1 3 工作寿命十年 设每年工作 300 天 两班制 工作载荷有轻微冲击 4 1 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 选用直齿圆柱齿轮传动 2 选用 7 级精度 3 材料选择 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 号钢 调质 硬度为 240HBS 二者硬度差为 40 HBS 4 选小齿轮齿数 z 1 20 大齿轮齿数 z 2 u 1 z 1 3 20 60 4 1 2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 3 由设计计算公式进行计算 即 d t 1 2 32 3 2 1 1 1 1 H E d t Z u u T K 4 1 1 确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数 Kt 1 3 2 计算小齿轮传递的转矩 T 1 95 5 10 5 P n 1 95 5 10 5 3 28 1450N mm 2 16 10 4 N mm 4 2 3 查取齿宽系数 d 1 4 查得材料的弹性影响系数 Z E 189 8MPa 2 1 5 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 1 lim H 600Mpa 大齿轮的接触疲劳 强度极限 2 lim H 550Mpa 6 计算应力循环次数 N 1 60n 1 jL h 60 1450 1 2 8 300 10 4 176 10 9 4 3 N 2 4 176 10 9 3 1 392 10 9 4 4 7 查得接触疲劳寿命系数 K 1 HN 0 9 K 2 HN 0 95 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 H 1 K 1 HN 1 lim H S 0 9 600MPa 540 MPa 4 5 H 2 K 2 HN 2 lim H S 0 95 550 MPa 522 5 MPa 4 6 2 计算 1 计算小齿轮分度圆直径 d t 1 代入 H 中较小的值 d t 1 2 32 3 2 1 1 1 1 H E d t Z u u T K 2 32 3 2 4 5 522 8 189 3 4 1 10 16 2 3 1 mm 39 513mm 4 7 2 计算圆周速度 v v 1000 60 1 1 n d t 1000 60 1450 513 39 m s 3 0 m s 4 8 3 计算齿宽 b b d d t 1 1 39 513 mm 39 513 mm 4 9 4 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 mt d t 1 z 1 39 513 20 mm 1 976 mm 4 10 齿高 h 2 25 mt 2 25 1 976 mm 4 45 mm 4 11 b h 39 513 4 45 8 88 5 计算载荷系数 根据 v 3 0 m s 7 级精度 查得动载荷系数 K v 1 13 对于直齿轮 假设 K A F t b 100 N mm 查得 K H K F 1 2 查得使用系数 K A 1 35 查得 7 级精度 小齿轮相对支撑非对称布置时 K H 1 12 0 18 1 0 6 d 2 d 2 0 23 10 3 b 1 12 0 18 1 0 6 d 2 d 2 0 23 10 3 39 513 1 417 4 12 由 b h 8 88 K H 1 417 查得 K F 1 34 故载荷系数 K K A K v K H K H 1 35 1 13 1 2 1 417 2 594 4 13 6 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 d 1 d t 1 3 t K K 39 513 3 3 1 594 2 49 74 mm 4 14 7 计算模数 m m d 1 z 1 49 74 20 mm 2 49 mm 4 15 4 1 3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 3 弯曲强度设计公式 m 3 2 1 1 2 F Sa Fa d Y Y Z KT 4 16 1 确定公式内各计算数值 1 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 1 FE 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极 限 2 FE 380MPa 2 查得弯曲疲劳寿命系数 K 1 FN 0 85 K 2 FN 0 88 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 F 1 K 1 FN 1 FE S 0 85 500 1 4 MPa 303 57 MPa 4 17 F 2 K 2 FN 2 FE S 0 88 380 1 4 MPa 238 86 MPa 4 18 4 计算载荷系数 K K K A K v K F K F 1 35 1 13 1 2 1 34 2 453 4 19 5 齿形系数查取 查得 Y 1 Fa 2 8 Y 2 Fa 2 28 6 应力校正系数查取 Y 1 Sa 1 55 Y 2 Sa 1 73 7 计算大小齿轮的 Y Fa Y Sa F 并加以比较 Y 1 Fa Y 1 Sa F 1 2 8 1 55 303 57 0 0143 4 20 Y 2 Fa Y 2 Sa F 2 2 28 1 73 238 86 0 0165 4 21 大齿轮的数值较大 2 设计计算 m 3 2 4 0165 0 20 1 10 16 2 453 2 2 mm 1 635 4 22 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算 的模数 由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 而齿面接触 疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关 可取由弯曲强度算得的模数 1 635 并就近圆整为标准值 1 75mm 按接触强度算得的分度圆直径 算出小齿轮齿数 z 1 d 1 m 49 74 1 75 29 所以 z 2 u 1 z 1 3 29 87 这样设计出的齿轮传动既满足了齿面接触疲劳强度 又满足了齿根弯曲疲劳强 度 并做到结构紧凑 避免浪费 4 1 4 几何尺寸计算几何尺寸计算 1 计算分度圆直径 d 1 z 1 m 29 1 75 mm 50 75 mm 4 23 d 2 z 2 m 87 1 75 mm 152 25 mm 4