机床上下料机械手设计说明书样本

第1章绪论1.1选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用一种具备抓取和移动工件功能自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机广泛应用，机器人研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来一门新兴技术，它更加增进了机械手发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。机械手能代替人类完毕危险、重复枯燥工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。当前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一种重要构成某些。把机床设备和机械手共同构成一种柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节约庞大工件输送装置，构造紧凑，并且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易变化，有助于公司不断更新适销对路品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争需要。而当前国内工业机器人技术及其工程应用水平和国外比尚有一定距离，应用规模和产业化水平低，机械手研究和开发直接影响到国内自动化生产水平提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要。因而，进行机械手研究设计是非常故意义。1.2设计目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，完毕一种特定功能、特殊规定数控机床上下料机械手设计，可以比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具备较强针对性和明的确施目的，可以实现理论和实践有机结合。当前，在国内诸多工厂生产线上数控机床装卸工件仍由人工完毕，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工工作效率,减少成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应当代自动化大生产,针对详细生产工艺,运用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手重要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最后形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）自动化、无人化。当前，国内制造业正在迅速发展，越来越多资金流向制造业，越来越多厂商加入到制造业。本设计可以应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心加工过程安装、卸载加工工件规定，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国内外研究现状和趋势当前，在国内外各种机器人和机械手研究成为科研热点，其研究现状和大体趋势如下：A．机械构造向模块化、可重构化发展。例如关节模块中伺服电机、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。B．工业机器人控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展，便于原则化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造；大大提高了系统可靠性、易操作性和可维修性。C．机器人中传感器作用日益重要，除采用老式位置、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，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器融合技术来进行决策控制；多传感器融合配备技术成为智能化机器人核心技术。D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品原则化、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；E．焊接、搬运、装配、切割等作业工业机器人产品原则化、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。总来说，大体是两个方向：其一是机器人智能化，多传感器、多控制器，先进控制算法，复杂机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对详细任务工业机器人，重要采用性价比高模块，在满足工作规定基本上，追求系统经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化元件。1.4设计原则在设计之前，必要要有一种指引原则。这次毕业设计设计原则是：以任务书所规定详细设计规定为主线设计目的，充分考虑机械手工作环境和工艺流程详细规定。在满足工艺规定基本上，尽量使构造简洁，尽量采用原则化、模块化通用元配件，以减少成本，同步提高可靠性。本着科学经济和满足生产规定设计原则，同步也考虑本次设计是毕业设计特点，将大学期间所学知识，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量多综合运用到设计中，使得通过本次设计对大学阶段知识得到巩固和强化，同步也考虑个人能力水平和时间客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是做好本次设计。第2章设计方案论证2.1机械手总体设计2.1.1机械手总体构造类型工业机器人构造形式重要有直角坐标构造，圆柱坐标构造，球坐标构造，关节型构造四种。各构造形式及其相应特点，分别简介如下。1.直角坐标机器人构造直角坐标机器人空间运动是用三个互相垂直直线运动来实现，如图a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环位置控制，因此，直角坐标机器人有也许达到很高位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人运动空间相对机器人构造尺寸来讲，是比较小。因而，为了实现一定运动空间，直角坐标机器人构造尺寸要比其她类型机器人构造尺寸大得多。直角坐标机器人工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人重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，天车式三种构造。2.圆柱坐标机器人构造圆柱坐标机器人空间运动是用一种回转运动及两个直线运动来实现，如图2-1.b。这种机器人构造比较简朴，精度还可以，惯用于搬运作业。其工作空间是一种圆柱状空间。3.球坐标机器人构造球坐标机器人空间运动是由两个回转运动和一种直线运动来实现，如图2-1.c。这种机器人构造简朴、成本较低，但精度不很高。重要应用于搬运作业。其工作空间是一种类球形空间。4.关节型机器人构造关节型机器人空间运动是由三个回转运动实现，如图2-1.d。关节型机器人动作灵活，构造紧凑，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机器人。关节型机器人构造，有水平关节型和垂直关节型两种。图2-1四种机器人坐标形式2.1.2设计详细采用方案图2-2详细到本设计，由于设计规定搬运加工工件质量达30KG，且长度达500MM，同步考虑到数控机床布局详细形式及对机械手详细规定，考虑在满足系统工艺规定前提下，尽量简化构造，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一种为手臂回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选取圆柱坐标形式，即一种转动自由度两个移动自由度，其特点是:构造比较简朴,手臂运动范畴大,且有较高定位精确度。机械手工作布局图如图2-2所示。2.2机械手腰座构造设计进行了机械手总体设计后，就要针对机械手腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个某些进行详细设计。2.2.1机械手腰座构造设计规定工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人回转基座。它是机器人第一种回转关节，机器人运动某些所有安装在腰座上，它承受了机器人所有重量。在设计机器人腰座构造时，要注意如下设计原则：1.腰座要有足够大安装基面，以保证机器人在工作时整体安装稳定性。2.腰座要承受机器人所有重量和载荷，因而，机器人基座和腰部轴及轴承构造要有足够大强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人腰座是机器人第一种回转关节，它对机器人末端运动精度影响最大，因而，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链精度与刚度保证。4.腰部回转运动要有相应驱动装置，它涉及驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置普通都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部构造要便于安装、调节。腰部与机器人手臂联结要有可靠定位基准面，以保证各关节互相位置精度。要设有调节机构，用来调节腰部轴承间隙及减速器传动间隙。6.为了减轻机器人运动某些惯量，提高机器人控制精度，普通腰部回转运动某些壳体是由比重较小铝合金材料制成，而不运动基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.2.2设计详细采用方案腰座回转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，当前趋势是用前者。由于电动方式控制精度可以很高，并且构造紧凑，不用设计此外液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人第一种回转关节，对机械手最后精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部回转运动。普通电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩详细规定，采用大传动比齿轮传动系统进行减速和扭矩放大。由于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，采用大传动比（不不大于100），同步为了减小机械手整体构造，齿轮采用高强度、高硬度材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动导致误差。腰座详细构造如图2-3所示：图2-3腰座构造图2.3机械手手臂构造设计2.3.1机械手手臂设计规定机器人手臂作用，是在一定载荷和一定速度下，实当前机器人所规定工作空间内运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；1.应尽量使机器人手臂各关节轴互相平行；互相垂直轴应尽量相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有助于机器人控制。2.机器人手臂构造尺寸应满足机器人工作空间规定。工作空间形状和大小与机器人手臂长度，手臂关节转动范畴有密切关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕空间姿态规定，如果对机器人手腕姿态提出详细规定，则其手臂末端可实现空间要不大于上述没有考虑手腕姿态工作空间。3.为了提高机器人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条件下，尽量在构造上、材料上设法减轻手臂重量。力求选用高强度轻质材料，普通选用高强度铝合金制造机器人手臂。当前，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（其比重相称于钢1/4，相称于铝合金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工艺上尚存在问题，故尚未能在生产实际中推广应用。当前比较有效办法是用有限元法进行机器人手臂构造优化设计。在保证所需强度与刚度状况下，减轻机器人手臂重量。4.机器人各关节轴承间隙要尽量小，以减小机械间隙所导致运动误差。因而，各关节都应有工作可靠、便于调节轴承间隙调节机构。5.机器人手臂相对其关节回转轴应尽量在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动响应速度是非常有利。在设计机器人手臂时，应尽量运用在机器人上安装机电元器件与装置重量来减小机器人手臂不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残存不平衡重量。6.机器人手臂在构造上要考虑各关节限位开关和具备一定缓冲能力机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其他元件安装。2.3.2设计详细采用方案机械手垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）伸缩运动都为直线运动。直线运动实现普通是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件重量较大，考虑加工工件质量达30KG，属中型重量，同步考虑到机械手动态性能及运动稳定性，安全性，对手臂刚度有较高规定。综合考虑，两手臂驱动均选取液压驱动方式，通过液压缸直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计此外执行件了；并且液压缸实现直线运动，控制简朴，易于实现计算机控制。由于液压系统能提供很大驱动力，因而在驱动力和构造强度都是比较容易实现，核心是机械手运动稳定性和刚度满足。因而手臂液压缸设计原则是缸直径获得大一点（在整体构造容许状况下），再进行强度较核。同步，由于控制和详细工作规定，机械手手臂构造不能太大，若仅仅通过增大液压缸缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度规定。因而，在设计时此外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形截面形式，尽量增长其刚度；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构造。通过增设导杆，能明显提高机械手运动刚度和稳定性，比较好解决了构造、稳定性问题。2.4机械手腕部构造设计机器人手臂运动（涉及腰座回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中运动位置，而安装在机器人手臂末端手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中运动姿态。机器人手腕是机器人操作机最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上末端执行器空间运动轨迹与运动姿态，完毕所需要作业动作。2.4.1机器人手腕构造设计规定1.机器人手腕自由度数，应依照作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节运动角度愈大，则机器人腕部灵活性愈高，机器人对对作业适应能力也愈强。但是，自由度增长，也必然会使腕部构造更复杂，机器人控制更困难，成本也会增长。因而，手腕自由度数，应依照实际作业规定来拟定。在满足作业规定前提下，应使自由度数尽量少。普通机器人手腕自由度数为2至3个，有需要更多自由度，而有机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部运动就能实现作业规定任务。因而，要详细问题详细分析，考虑机器人各种布局，运动方案，选取满足规定最简朴方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，构造力求紧凑。为了减轻机器人腕部重量，腕部机构驱动器采用分离传动。腕部驱动器普通安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因而，要有原则联接法兰，构造上要便于装卸末端执行器。4.机器人手腕机构要有足够强度和刚度，以保证力与运动传递。5.要设有可靠传动间隙调节机构，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，并设立硬限位，以防止超限导致机械损坏。2.4.2设计详细采用方案通过对数控机床上下料作业详细分析，考虑数控机床加工详细形式及对机械手上下料作业时详细规定，在满足系统工艺规定前提下提高安全和可靠性，为使机械手构造尽量简朴，减少控制难度，本设计手腕不增长自由度，实践证明这是完全能满足作业规定，3个自由度来实现机床上下料完全足够。详细手腕（手臂手爪联结梁）构造见图2-4。图2-4手爪联结构造2.5机械手末端执行器（手爪）构造设计2.5.1机械手末端执行器设计规定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附加装置。机器人末端执行器种类诸多，以适应机器人不同作业及操作规定。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、铣刀等加工工具机器人附加装置，用来进行相应加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器附加装置，用来进行测量及检查作业。在设计机器人末端执行器时，应注意如下问题；1.机器人末端执行器是依照机器人作业规定来设计。一种新末端执行器浮现，就可以增长一种机器人新应用场合。因而，依照作业需要和人们想象力而创造新机器人末端执行器，将不断扩大机器人应用领域。2.机器人末端执行器重量、被抓取物体重量及操作力总和机器人容许负荷力。因而，规定机器人末端执行器体积小、重量轻、构造紧凑。3.机器人末端执行器万能性与专用性是矛盾。万能末端执行器在构造上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人万能机器人机灵手，至今尚未实用化。当前，能用于生产还是那些构造简朴、万能性不强机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用、高效率机器人末端执行器，加之以末端执行器迅速更换装置，以实现机器人各种作业功能，而不主张用一种万能末端执行器去完毕各种作业。由于这种万能执行器构造复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限末端执行器，可合用于不同机器人，这就规定末端执行器要有原则机械接口（如法兰），使末端执行器实现原则化和积木化。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。用计算机控制最以便是电气式执行机构。因而，工业机器人执行机构主流是电气式，另一方面是液压式和气压式（在驱动接口中需要增长电-液或电-气变换环节）。2.5.2机器人夹持器运动和驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。普通工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指运动方式，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）驱动方式重要有三种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，因此气动夹持器在工业中应用较为普遍。此外，由于气体可压缩性，使气动手爪抓取运动具备一定柔顺性，这一点是抓取动作十分需要。2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，普通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驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆规定条件下，由于电机有也许产生火花和发热。3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现持续位置控制。2.5.3机器人夹持器典型构造1.楔块杠杆式手爪运用楔块与杠杆来实现手爪松、开，来实现抓取工件。2.滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同物体。3.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆力放大作用，这种手爪有也许产生较大夹紧力。普通与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因而不需要导轨就可以保证手爪两手指保持平行运动，比带有导轨平行移动手爪摩擦力要小诸多。2.5.4设计详细采用方案结合详细工作状况，本设计采用连杆杠杆式手爪。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。手指最小开度由加工工件直径来调定。本设计按照工件直径为50mm来设计。手爪详细构造形式如图2-5所示：图2-5机械手末端执行手爪构造图2.6机械手机械传动机构设计2.6.1工业机器人传动机构设计应注意问题机器人是由多级联杆和关节构成多自由度空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节运动都是由驱动器通过各种机械传动机构进行驱动。机器人所采用传动机构与普通机械传动机构相类似。惯用机械传动机构重要有螺旋传动、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精度、稳定性和迅速响应能力，因而，应设计和选取满足传动间隙小，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他环节动态性能相匹配等规定传动部件。在设计机器人传动机构时要注意如下问题：1.为了提高机器人运动速度及控制精度，规定机器人各运动部件重量要轻，惯量要小。因而，机器人传动机构要力求构造紧凑，重量轻，体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调节机构，以减小反向空回所导致运动误差。3.系统传动部件静摩擦力应尽量小，动摩擦力应是尽量小正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度减少，寿命减小。因而，要采用低摩擦阻力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，如用预紧办法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速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；丝杠支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承构造等。5.选用最佳传动比，以达到提高系统辨别率、减少等效到执行元件输出轴上等效转动惯量，尽量提高加速能力。6.缩小反向死区误差，如采用消除传动间隙、减少支承变形等办法。7.恰当阻尼比，机械零件产生共振时，系统阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度减少。故在设计时要使传动机构阻尼适当。2.6.2工业机器人惯用传动机构形式1.齿轮传动机构在机器人中惯用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某些问题（1）齿轮传动形式及其传动比最佳匹配选取。齿轮传动部件是转矩、转速和转向变换器用于伺服系统齿轮减速器是一种力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间位移及转矩、转速匹配规定，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刚度，还规定其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮啮合间隙会导致传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则也许导致系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因而要尽量采用齿侧间隙小，精度高齿轮；为尽量减少制导致本，要采用调节齿侧间隙办法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统稳定性。（2）各级传动比最佳分派原则。当计算出传动比后，为使减速系统构造紧凑，满足动态性能和提高传动精度规定，要对各级传动比进行合理分派，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运动精度，各级传动比应按“先小后大”原则分派，以便减少齿轮加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度影响。设齿轮传动中各级齿轮转角误差换算到末级输出轴上总转角误差为，则（2-1）式中：-----第个齿轮所具备转角误差；-----第个齿轮转轴至n级输出轴传动比。则四级齿轮传动系统各级齿轮转角误差（、、...、）换算到末级输出轴上总转角误差为（2-2）由此可知总转角误差重要取决于最末级齿轮转角误差和传动比大小。因而，在设计中最末两级传动比应取大某些，并尽量提高其加工精度。b．等效转动惯量最小原则。运用该原则设计齿轮系统要使换算到电动机轴上等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”顺序分派，以使其构造紧凑。详细而言有几点：（1）对规定运动平稳，起停频繁和动态性能好伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小原则来解决。（2）对于变负载传动齿轮系统各级传动比最佳采用不可约比数，避免同期啮合以减少噪音和振动。（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主传动齿轮系统，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平稳性，应在开始几级就增速，并且规定每级增速比最佳不不大于1:3，以有助于增长轮系刚度，减小传动误差。（4）对以比较大传动比传动齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相称大大传动比、并且规定传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型谐波齿轮传动。2.谐波齿轮传动谐波齿轮传动具备构造简朴、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、效率高等一系列长处。故在工业机器人系统中得到广泛应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依托柔性齿轮产生可控变形波引起齿间相对错齿来传递动力与运动，故谐波齿轮传动与普通齿轮传动具备本质上差别。3.螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它重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，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主，如机床工作台进给丝杠。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），前者构造简朴、加工以便、制导致本低，具备自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。后者虽然构造复杂、制导致本高，但是其最大长处是摩擦阻力矩小、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；并且同步性好，使用可靠、润滑简朴，因而滚珠丝杠在机器人中应用诸多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因而在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑如下几项指标：（1）滚珠丝杠精度级别；（2）滚珠丝杠传动间隙容许值和预加载荷盼望值；（3）载荷条件（静、动载荷）以及载荷容许值；（4）滚珠丝杠工作寿命；（5）滚珠丝杠临界转速；（6）滚珠丝杠刚度；减小滚珠丝杠空回行程办法，多是采用双螺母构造，使螺母与丝杠之间有一定预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，因此，预加载荷不应超过工作载荷1/3。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长处一种新型传动，它在带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同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具备传动比精确、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，构造紧凑、维护以便等长处，故在机器人中使用诸多。其重要缺陷是安装精度规定高、中心距规定严格，同步具备一定蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5.钢带传动钢带传动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，构造简朴紧凑、运营可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。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重量，普通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腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。7.钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具备构造简朴、传动刚度大、构造柔软，成本较低等长处。其缺陷是带轮较大、安装面积大、加速度不适当太高。2.6.3设计详细采用方案详细到本设计，由于选用了液压缸作为机械手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，这既简化了构造，同步又提高了精度。而机械手腰部回转运动采用步进电机驱动，必要采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选取圆柱齿轮传动，为了保证比较高精度，尽量减小因齿轮传动导致误差；同步大大增大扭矩，同步较大减少电机转速，以使机械手运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大传动比（不不大于100），齿轮采用高强度、高硬度材料，高精度加工制造。2.7机械手驱动系统设计2.7.1机器人各类驱动系统特点工业机器人驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。依照需要也可这三种基本类型组合成复合式驱动系统。这三类基本驱动系统重要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟技术，它具备动力大、力（或力矩）与惯量比大、迅速响应高、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环境中工作机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数状况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2.气动驱动系统具备速度快，系统构造简朴，维修以便、价格低等特点。合用于中、小负荷机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩交、直流伺服电机及其配套伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）广泛采用，此类驱动系统在机器人中被大量采用。此类驱动系统不需要能量转换，使用以便，噪声较低，控制灵活。大多数电机背面需安装精密传动机构。直流有刷电机不能直接用于规定防爆工作环境中，成本上也较其她两种驱动系统高。但由于此类驱动系统长处比较突出，因而在机器人中被广泛使用。2.7.2工业机器人驱动系统选取原则设计机器人时，驱动系统选取，要依照机器人用途、作业规定、机器人性能规范、控制功能、维护复杂限度、运营功耗、性价比以及既有条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点基本上，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后选取。普通状况下：1.物料搬运（涉及上下料）使用有限点位控制程序控制机器人，重负荷选取液压驱动系统，中档负荷可选电机驱动系统，轻负荷可选气动驱动系统。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机器人，规定具备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干满足规定。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷任意点位控制点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.7.3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当前，已在工业机器人中获得了广泛应用。当前，虽然在中档负荷如下工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统还依然占有很大比例。液压系统在机器人中所起作用是通过电-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、和速度控制，进而控制机器人手臂按给定运动规律动作。液压动力机构多数状况下采用直线液压缸或摆动马达，持续回转液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率液压驱动系统用节流调速为多，大功率用容积调速系统。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涉及程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人液压系统此类机器人属非伺服控制机器人，在只有简朴搬运作业功能机器人中，经常采用简易逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实既有限点位控制。此类机器人液压系统设计要注重如下方面：（1）液压缸设计：在保证密封性前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸寿命。（2）定位点缓冲与制动：由于机器人手臂运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。（3）对惯量比较大运动轴液压缸两侧最佳加设安全保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械构造。（4）液压源应当加蓄能器，以利于多运动轴同步动作或加速运动提供瞬时能量储备。2.伺服控制机器人液压系统具备点位控制和持续轨迹控制功能工业机器人，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构成电-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-RotoryServeActuator）等各种电-液伺服动力机构。依照构造设计需要，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管道容积，以增大液压固有频率。在机器人驱动系统中，惯用电-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一种安放在摆动马达或持续回转马达转子内一种回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动一种电-液伺服机构。它可安装在机器人手臂和手腕关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。2.7.4机器人气动驱动系统气动机器人采用压缩空气为动力源，普通从工厂压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具备气源使用以便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适当在恶劣环境下工作等特点，因而它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件输送和自动装配等作业，食品包装及运送，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数状况下是用于实现两位式或有限点位控制中、小机器人中。此类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或两者组合型构造；3-5个自由度；负荷在200N如下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置当前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆场合下可采用气动逻辑元件构成控制装置。气动驱动系统大体由如下几某些构成。1.气源由总压缩空气站提供。气源某些涉及空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站条件，可以按机器人及配套其她气动设备需要配备相应供气量气源设备。2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件构成，可以是分离式，也可以是三联组装式，多数状况下用三联组装式构造。无论是由压缩空气站供气还是用单独气源，气动三联件是必备。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是普通状况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增长使用寿命。3.气动阀气动阀种类诸多，在工业机器人气动驱动系统中，惯用阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4.气动执行机构多数状况下使用气缸（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），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气缸。气缸构造形式以及与机器人机构连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆螺纹连接或铰接等）由设计机器人时依照构造规定而定。气缸内径，行程大小可依照对机器人运动分析和动力分析进行计算。为了保证气缸密封规定，同步又要尽量减少摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合密封环。无接触感应式气缸当前在气动系统中已获得广泛应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多尚有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。5.制动器气动机器人定位问题很大限度上是如何实现停点制动。气缸活塞运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点距离约为70mm，两个停点步长应不不大于这个数值。对于小流量电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点步长也要相应缩短。因而对机器人一种单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增长定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动办法尚有：反压制动，制动装置制动。6.限位器气动机器人各运动轴制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。依照规定和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关反映时间不大于20ms，在机器人中应用比较抱负。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。惯用限位机构是由电磁阀控制气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。2.7.5机器人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各种类型伺服电动机及伺服驱动器大量浮现，为机器人驱动系统更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量交、直流电机在机器人中应用，因而普通状况下，负重在100kg如下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电动机大体可分为如下类型：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），反映式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现某些组合、由几种组合或所有组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人传动精度，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，这种直接驱动电机（DD驱动电机）在迅速高精度定位装配机器人中已经得到应用。1.机器人驱动系统电机选取机器人驱动系统电机选取要依照机器人用途、功能、构造特点，结合各类电机自身特点、性能、构造特点以及性能价格比等综合考虑进行。依照机器人各运动轴所计算、规定电机转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选取电机型号。关于各类驱动电动机重要特点及性能、构造特点、用途及使用范畴、合用驱动器见表2-1：表2-1名称重要特点及性能构造特点用途及使用范畴驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机惯量小，理论加速度大，迅速反映性好，低速性好，调速比可达1：10e4范畴，但低速输出力矩不大，转子直径小，惯量小合用于对迅速性规定严格而负载力矩不大场合直流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，迅速响应性能好；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，具备轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，合用于机器人，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，其转子较粗合用于驱动力矩较大场合，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续表反映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、制动转矩不减少，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细重要用于中小容量伺服驱动系统中，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旋转磁场，机构简朴，容量大，价格低定子由对称三相绕组构成，用于数控机床主轴等容量大场合交流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当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，以固定开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而变化，变化了脉冲宽度也就可以变化加在电机电枢两端平均电压，从而变化了电机转速。这种伺服驱动器普通由电流内环和速度外环构成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。PWM伺服驱动器具备调速范畴宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。当前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其他机电一体化产品中用做直流伺服电机驱动。（2）步进电机驱动器步进电机控制装置重要涉及脉冲发生器，环行分派器和功率放大器等几某些构成。脉冲发生器可以按照起、制动及调速规定变化频率、以控制步进电机。环行分派器是控制步进电机各绕组按一定顺序通过环节。它作用是把脉冲发生器送来一系列脉冲信号按照一定循环规律依次分派给各绕组，以使步进电机按着一定规律运动。功率放大器作用是将环行分派器输出毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。当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。高电压加入时间长短由控制电路来实现。2.7.6设计详细采用方案详细到本设计，在分析了详细工作规定后，综合考虑各个因素。机械手腰部旋转运动需要一定定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；由于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；同步考虑随着机床加工工件不同，水平手臂伸出长度是不同。因而，规定水平手臂具备伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪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。2.8机器人手臂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，优化设计构造，使得手臂自身也许达到平衡。关节机器人手臂普通都需要平衡装置，以减小驱动器负荷，同步缩短启动时间。2.8.1机器人平衡机构形式普通，机器人所采用平衡机构重要有如下几种：1.配重平衡机构这种平衡装置构造简朴，平衡效果好，易于调节，工作可靠，但增长了机器人手臂惯量与关节轴载荷。普通在机器人手臂不平衡力矩比较小状况下采用这种平衡机构。2.弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简朴、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因而应用广泛。3.活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定阻尼作用；气动平衡系统，具备较好阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门液压或气动装置，系统复杂，因而造价高，设计、安装和调试都增长了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作规定场合。2.8.2设计详细采用方案由于本设计机械手采用圆柱坐标型构造，并且在手臂构造设计以及整个机械手设计和布局中都重点考虑了机械手手臂平衡问题，通过合理布局，优化设计构造，使得手臂自身尽量达到平衡。若实际工作中平衡成果不满足，则设立弹簧平衡机构进行平衡。第3章理论分析和设计计算3.1液压传动系统设计计算3.1.1拟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。两者特点及合用场合见表3-1：表3-1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称来回不对称直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸构造简朴单向工作，靠重力或其他外力返回摆动缸单叶片式不大于360双叶片式不大于180不大于360摆动；不大于180摆动齿轮马达构造简朴、价格便宜高转速、低转矩回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作敏捷回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范畴宽大转矩回转运动径向柱塞马达转速低，构造复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动本设计由于机械手形式为圆柱坐标形式，具备3个自由度，一种转动，两个移动自由度。同步考虑机械手工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度详细规定以及计算机控制因素，腰部回转用电机驱动实现，剩余两个运动均为直线运动。因而，机械手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拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件拟定后，其运动方向和运动速度控制是液压回路核心问题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于普通中小流量液压系统，通过换向阀有机组合来实现所规定动作。对高压大流量系统，多采用插装阀与先导控制阀逻辑组合来实现。速度控制通过变化液压执行元件输入或输出流量或者运用密封空间容积变化来实现。相应调速方式有节流调速、容积调速以及两者结合容积节流调速。本设计方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度控制重要采用节流调速，重要方式是采用比较简朴节流阀来实现。3.1.3液压源系统设计液压系统工作介质完全由液压源来提供，液压源核心是液压泵。节流调速系统普通用定量泵供油，在无其她辅助油源状况下，液压泵供油量要不不大于系统需油量，多余油经溢流阀流回油箱，溢流阀同步起到控制并稳定油源压力作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统最高压力。油液净化装置是液压源中不可缺元件。普通泵入口要装粗滤油器，进入系统油液依照规定，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设立磁过滤器。依照液压设备所处环境及对温升规定，还要考虑加热、冷却等办法。本设计液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油干净，避免液压油带入污染物，故在油泵入口安装粗过滤器，而在油泵出口安装精过滤器对循环液压油进行净化。3.1.4绘制液压系统图本机械手液压系统图如图3-1所示，它拥有垂直手臂上升、下降，水平伸缩缸/前伸、后缩，以及执行手爪夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT得失电决定了动力源投入与摘除。考虑到手爪工作规定轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。此外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快趋势，为使运动过程平稳，同步尽量减小冲击、振动，保证系统安全性，采用V2构成平衡回路相升降油缸下腔提供一定排油背压，以平衡重力负载。图3-1机械手液压系统原理图3.1.5拟定液压系统重要参数液压系统重要参数是压力和流量，她们是设计液压系统，选取液压元件重要根据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件运动速度和构造尺寸。1.计算液压缸总机械载荷依照机构工作状况液压缸所受总机械载荷为（3-1）式中，-----为外加载荷，由于水平方无外载荷，故为0；------为活塞上所受惯性力；------为密封阻力；------为导向装置摩擦阻力；------为回油被压形成阻力；（1）计算（3-2）式中，------为液压缸所要移动总重量，取为100KG；------为重力加速度，；------为速度变化量；------启动或制动时间，普通为0.01~0.5，取0.2s将各值带入上式，得：=1.02（2）计算（3-3）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<16，查有关手册取=0.2；------为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：=283N（3）计算机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间摩擦力为（3-4）式中，------为机械手和所操作工件总重量，取为100KG；------为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得：=98（4）计算回油背压形成阻力按下式计算（3-5）式中，-----为回油背压，普通为0.3~0.5，取=0.3-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力状况，作用在活塞上总机械载荷为。2.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必要满足：（3-6）式中，-----为所需夹持力；-----安全系数，普通取1.2~2；-----为动载系数，重要考虑惯性力影响可按估算，为机械手在搬运工件过程加速度，，为重力加速度；-----方位系数，查表选用；-----被抓持工件重量30；带入数据，计算得：；理论驱动力计算：（3-7）式中，----为柱塞缸所需理论驱动力；----为夹紧力至回转支点垂直距离；-----为扇形齿轮分度圆半径；-----为手指夹紧力；---齿轮传动机构效率，此处选为0.92；其她同上。带入数据，计算得计算驱动力计算公式为：（3-8）式中，-----为计算驱动力；---安全系数，此处选1.2；---工作条件系数，此处选1.1；其她同上。带入数据，计算得：而液压缸工作驱动力是由缸内油压提供，故有（3-9）式中，---为柱塞缸工作油压；----为柱塞截面积；经计算，所需油压约为：3.液压缸重要参数拟定针对本设计是一种机械手特点考虑，机械手系统刚度及其稳定性是很重要。因而，先从刚度角度进行液压缸缸径选取，以尽量优先保证机械手构造和运动稳定性、安全性。至于液压缸工作压力和缸工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部液压回路、采用适当调速回路和元件来实现。通过仔细分析，综合考虑各方面因素，初步拟定各液压缸基本参数如下；表3-2手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力20520803~6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壁厚杆直径行程工作压力6010254001由于伸缩缸作用重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工作载荷（由于手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向重要是克服摩擦力矩，其所受载荷重要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。并且由于机械手规定具备一定柔性，水平液压缸活塞杆规定具备比较大工作行程。同步具备比较大弯矩和比较长行程，这对液压缸稳定性和刚度问题有较高规定。因而，在水平伸缩缸设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理构造布局设计，使其具备尽量大刚度。为了达到这个目，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆稳定性和导向问题。另一方面，为增大构造刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增长了液压缸工作刚度。表3-4垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001由于垂直液压缸所承受载荷方式既有一定轴向载荷，又存在着比较大倾覆力矩（由加工工件重力引起）。作为液压执行元件，满足此处驱动力规定是轻而易举，要解决核心问题依然是它构造设计能否有足够刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，环绕垂直升降缸设立四根导杆，较好解决了这一问题。4.液压缸强度较核（1）缸筒壁厚较核当D/时，液压缸壁厚较核公式如下：（3-10）式中，----为缸筒内径；----为缸筒实验压力，当缸额定压力时，取为；----为缸筒材料许用应力，，为材料抗拉强度，经查有关资料取为650，为安全系数，此处取；带入数据计算，上式成立。因而液压缸壁厚强度满足规定。（2）活塞杆直径较核活塞杆直径较核公式为（3-11）式中，-----为活塞杆上作用力；-----为活塞杆材料许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因而活塞杆强度能满足工作规定。3.1.6计算和选取液压元件1.液压泵计算（1）拟定液压泵实际工作压力（3-12）式中，-------计算工作压力，前以定为；------对于进油路采用调速阀系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因而，可以拟定液压泵实际工作压力为（3-13）（2）拟定液压泵流量（3-14）式中，------为泄露因数，取1.1；-----为机械手工作时最大流量。（3-15）经计算得=3.140带入上式得（3）拟定液压泵电机功率（3-16）式中，------为最大运动速度下所需流量，同前，取为3.140；-------液压泵实际工作压力，5；------为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。2.控制元件选取依照系统最高工作压力和通过该阀最大流量，在原则元件产品样本中选用各控制元件。这某些在考虑详细作业时依照详细规定再结合详细状况进行详细，这里暂从略。3.油管及其她辅助装置选取（1）查阅设计手册，选取油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选用；液压泵吸油管稍微粗些，选取；别的都选为；（2）拟定油箱容量普通取泵流量3~5倍，这里取为5倍，有效容积为（3-17）3.1.7液压系统性能验算绘制液压系统图后，进行压力损失验算。由于该液压系统比较简朴，该项验算从略。本系统采用液压回路简朴，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量获得较大，因而，不再进行温升验算。3.2电机选型关于参数计算3.2.1关于参数计算1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有负载额定功率：（3-18）负载加速功率：（3-19）负载力矩（折算到电机轴）：（3-20）负载（折算到电机轴）：（3-21）起动时间：（3-22）制动时间：（3-23）2.若传动负载作回转运动负载额定功率：（3-24）负载加速功率：（3-25）负载力矩（折算到电机轴）：（3-26）负载GD（折算到电机轴）：（3-27）起动时间：（3-28）制动时间：（3-29）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，；-----为负载（折算到电机轴上），；-----为电机，；详细到本设计，由于步进电机是驱动腰部回转，传递运动形式属于第二种。下面进行详细计算。由于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她转矩，则在回转轴上有；（3-30）式中，-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-----为机械手自身与负载重量之和，取100；-----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；同步，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。将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上负载转矩为：。3.2.2电机型号选取依照以上成果，综合考虑各种因素，选取国产北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）步进电机，详细型号为：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301,该步进电机高转矩，低振动，综合性能较好。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和有关技术参数。驱动方式：升频升压；步距角：0.36°；其中步距角0.36，同步由于腰部齿轮传动比为1：120，步进电机通过减速后传递到回转轴，回转轴实际步距角将为电机实际步距角1/120（理论上），虽然事实上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴最小步距角也依然是很小，故其精度是相称高，完全能满足机械手上下料定位精度规定。所选电机有关参数图3-2图3-3110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机矩频特性曲线第4章机械手控制系统设计4.1机械手控制系统硬件设计4.1.1机械手工艺过程与控制规定机械手动作有水平手臂伸缩，垂直手臂升降，执行手爪加快与松开以及腰部旋转。其中，垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应电磁阀控制。其中，升降分别由双线圈两位电磁阀控制，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。而水平方向伸缩重要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成回路进行调节控制。而执行手爪加快与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈电磁阀（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，为了保证安全，必要在机床停止工作并发出上下料命令时，才容许机械手下降进行作业。同步，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。4.1.2机械手作业流程机械手作业动作流程如图4-1所示：图4-1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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同步张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同步手爪夹紧，抓住工件；——→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，遇到上限位开关，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，遇到下限行程开关，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，遇到上限位开关，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种工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC立即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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，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，遇到上限位开关，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，下降到位后遇到下限行程开关，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，遇到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同步手爪也闭合复原；——→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，一种上下料过程结束；——→机械手在原点等待命令，准备下一种工作循环。机械手每次循环都从原点位置开始动作。4.1.3机械手操作面板布置操作面板布置如图4-2所示。机械手操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选取。1.手动操作：就是用按钮作机械手每一步运动进行单独控制。例如，当选取上/下按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选取逆转/顺转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选取夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。图4-22.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手动作将自动、持续周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完毕一种周期动作后，回到原点位置。4.1.4控制器选型机械手控制系统硬件设计上考虑到机械手工作稳定性、可靠性以及各种控制元件连接灵活性和以便性，控制器选取有极高可靠性、专门面向恶劣工业环境设计开发工业控制器---PLC，选取在国内应用较多西门子S7-200型PLC。详细型号为SIMATICS7-200CPU224。图4-3SIEMENSSIMATICS-700PLC该机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模仿量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，具备PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具备较强控制能力控制器。4.1.5控制系统原理分析由于机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件均有定位精度规定，因此在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要水平手臂进行闭环伺服控制。为了减少PLCI/O点数，以伺服放大器作为闭环比较点。伺服放大器具备传感器反馈输入端，给定输入信号和反馈信号进行比较后形成控制信号通过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，构成模仿控制系统，如图4-4所示。这种方案使得PLC控制量少（特别是模仿量），节约了系统资源，并且编程简朴，不必过多考虑控制算法等长处，也是完全能满足工作规定。`图4-4水平手臂伺服定位控制原理图4.1.6PLC外部接线设计为适应水平手臂液压缸伺服定位控制规定，运用西门子SIMATICS7-200（CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用都为模仿量，故增长一种模仿量输出模块EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器输入规定，PLC模仿量采用-10V~+10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。PLC详细硬件接线图如下图所示（详细硬件设计见图纸）图4-5PLC硬件接线图4.1.7I/O地址分派表4-1PLC输入元件地址分派明细表控制元件符号编程地址备注总停开关SB0I0.0按下停止工作启动开关SB1I0.1按下开始工作垂直缸上限行程开关SM1I0.2垂直缸下限行程开关SM2I0.3机床上下料命令开关SB2I0.4检测料架有无工件光电开关SP0I0.5常闭开关，闭合表达有工件控制面板上/下选取开关SQ1I0.6用于手动调节时控制面板夹紧/松开选取开关SQ2I0.7用于手动调节时控制面板顺/逆选取开关SQ3I1.0用于手动调节时控制面板手动工作选取开关SQ4I1.1用于手动调节时控制面板自动工作选取开关SQ5I1.2表4-2PLC输出元件地址分派明细表控制元件符号编程地址备注步进电机高速驱动脉冲输出/Q0.0步进电机方向控制/Q0.2Q0.2为1顺时针，反之为逆时针；垂直缸上升动作电磁阀2DTQ0.1垂直缸下降动作电磁阀3DTQ0.3手爪张开动作电磁阀5DTQ0.4机械手原点状态批示灯L1Q0.5显示原点位置中断强制关机开关KMQ0.6用于中断控制4.2机械手控制系统软件设计4.2.1机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图4-6所示：图4-6机械手控制主程序流程图4.2.2机械手控制程序设计机械手控制系统软件设计采用西门子S7-200PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32进行，通过编程给出详细控制程序梯形图并进行编译和调试。得出了详细程序梯形图，详细梯形图（LAD）程序见附录3。图4-7STEP7-MICRO/WIN32编程窗口技术经济性分析1．普通公司引进上下料机械手做法是直接购买通用型机械手（关节式），由于通用机械手能合用范畴比较广，柔性和灵活性都较大，功能较强，因而成本很高。而作为上下料机械手在诸多场合下，通用机械手是“大材小用”，诸多功能和高精度都挥霍了，形成经济损失。这种现状急需变化。2．本设计摒弃了照搬照抄国外设计，不详细问题详细分析，不顾详细工作规定，一味仿照国外原型，盲目选取高精度、高性能、高价格先进元件和设备，从而导致诸多功能主线用不着，“大材小用”，无谓提高了成本，导致资源挥霍老设计“套路”和老办法。在满足系统工艺规定前提下，将机械手系统中相对独立环节采用高性价比且相对简洁构造形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用原则化、模块化通用元配件，从而使成本大为减少，具备明显技术经济性。本设计符合国内普通工厂加工车间设备和生产条件详细实情，符合国内现阶段机械行业实际国情，具备应用可推广性。3．本设计机械手可以实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料自动化、无人化。并且，只要把手爪构造稍作变化,就可实现各种工件自动上料。它在实际生产中应用推广必将提高产品质量，并且节约能源，减轻工人劳动强度，增进生产技术进步。具备较好经济效益。4．本机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调节、手动及自动控制。系统构造紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高灵活性，当机械手工艺流程变化时，只要对I/O点接线稍作修改，或I/O继电器重新分派，程序中作简朴修改，补充扩展即可。机械手速度、步进电机运营所需脉冲数都可以依