買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 哈 爾 濱 理 工 大 學 畢 業(yè) 設 計 題 目： 汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結(jié)構(gòu)設計 院 、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 汽車工業(yè)用裝裝卸機械手結(jié)構(gòu)設計 摘 要 本設計 如今，隨著工業(yè)技術(shù)幾十年的發(fā)展，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，它可以代替工人來進行各種循環(huán)單調(diào)，危險，以及高疲勞強度的工作，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)作業(yè)中的安全隱患。 機 械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓 住 工件 或工具 的部件，根據(jù)被抓 住工件 的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式 。 機械手配件運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 本文介紹了過對曲軸搬運機械手的結(jié)構(gòu)設計，詳細討論了機械手的手抓、手臂、機身等主要部件的設計與選擇，并給出了所需要的參數(shù)和計算。 最后通過本次設計，將大學所學的知識進行了鞏固和應用，提高了動手和動腦的能力。 關(guān)鍵詞 機械手；液壓驅(qū)動；液壓缸； 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 is in a of it so as to to of is of is to or to of is a of of or to of of of of we of of 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 摘 要 . I . 1 章 緒論 . 1 械手的概念 . 1 械手的簡史 . 1 械手的組成 . 2 行機構(gòu) . 2 動機構(gòu) . 2 制機構(gòu) . 2 械手的生產(chǎn)應用簡述 . 2 第 2 章 機械手的設計 . 4 械手的總體設計 . 4 械手的總體結(jié)構(gòu)類型 . 4 械手的總體設計 . 5 械手的手部設計 . 5 部概述 . 5 部的設計方案 . 6 械手的手臂設計 . 7 臂概述 . 7 臂的設計 . 8 械手的驅(qū)動系 統(tǒng)設計 . 9 動系統(tǒng)概述 . 9 動系統(tǒng)的選擇原則 . 9 器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) . 10 動系統(tǒng)的設計方案 . 10 第 3 章 液壓系統(tǒng)設計與計算 . 11 定液壓系統(tǒng)基本方案 . 11 定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 . 12 壓源系統(tǒng)的設計 . 12 制液壓系統(tǒng)圖 . 12 定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) . 13 擇液壓元件 . 17 壓系統(tǒng)性能的驗算 . 18 第 4 章 機械手控制系統(tǒng)的設計 . 19 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 械手控制系統(tǒng)硬件設計 . 19 械手的作業(yè)流程 . 19 械手操作面板布置 . 20 制器的選型 . 20 制系統(tǒng)原理分析 . 21 部接線設計 . 22 結(jié)論 . 23 致謝 . 24 參考文獻 . 25 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 第 1章 緒論 械手的概念 機械手是指用于再現(xiàn)人手功能的技術(shù)裝置。機械手是模仿著 人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成 各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。 尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的 引用。 械手的簡史 機械手首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 萬能自動 )。同年該公司和普魯曼公司買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 合并成立萬能自動公司（ ,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 械手，原意是靈活搬運。 1978 年美國 司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種工業(yè)機械手 ，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于 1 毫米。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。 械手的組成 機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動、 開閉手指。機械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作的需要。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位?？傊瑱C械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手 臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的機架。本設計采用二指的構(gòu)造，直線液壓缸。 動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 制機構(gòu) 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 械手 的生產(chǎn)應用簡述 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬運、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。工業(yè)機械手是為實現(xiàn)這些工序而產(chǎn)生的。目前機械手常用于工業(yè)中快速抓取工件并將工件轉(zhuǎn)移到下一個生產(chǎn)工序。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為設計對象。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 第 2章 機械手的設計 械手的總體設計 械手的總體結(jié)構(gòu)類型 工業(yè)機械手有很多種分類方法，目前還沒有統(tǒng)一的分類標準，比如可以按機械手的結(jié)構(gòu)坐標系提點分類，或者按機械手的驅(qū)動方式分類，也可以按機械手的用途分類。在這里我們按工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)坐標系特點來進行分類。 工業(yè)機械手按結(jié)構(gòu)坐標系特點可以分為直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型，關(guān)節(jié)型四種。如圖 示。 圖 業(yè)機械手按結(jié)構(gòu)坐標分類 1 直角坐標型 直角坐標型也稱為笛卡爾坐標型或臺架型。這種 機器人有三個線性關(guān)節(jié)組成，這三個關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在 X,Y,Z 軸上的運動式獨立的，運動方程可獨立處理，且方程是線性的，因此進行計算機操作控制簡單；他可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，剛性最大；他的進度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達到高精度。 2 圓柱坐標型 圓柱坐標機器人有兩個滑動關(guān)節(jié)有兩個滑動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置，在附加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個角，工作范圍可以擴大且計算簡單；直 線部分可以采用液壓驅(qū)動，可以輸出較大的動力。 3 球坐標型 球坐標機器人采用球坐標系，它用一個滑動關(guān)節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 中心軸旋轉(zhuǎn)，在中心支架附近的工作范圍很大，兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。 4 關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型機器人的關(guān)節(jié)全部可以旋轉(zhuǎn)，類似于人的手臂，他是工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)，工作范圍較復雜。 械手的總體設計 圖 械手工作布局圖 在本設計中， 因為設計要求搬運的工件的質(zhì)量要求為 20搬運直線距離為 1000慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中只需要做直線運動 ,其中手臂的升降和梁的平移為兩個直線運動 ,機械手自由度數(shù)目取為 2，坐標形式選擇直角坐標形式，即 X 軸 Y 軸兩個移動自由度，其特點是 :結(jié)構(gòu)比較簡單 ,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖 示。 械手的手部設計 部概述 工業(yè)機器人的手部稱為末端操作器，是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具進行操作的部件，他能夠模仿人手的動作，是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，安裝于機器人手臂的前端。工業(yè)機器人發(fā)展到現(xiàn)在，應用范圍越來越廣泛，被操作的工件的形狀、尺寸、重量、材料以及表面狀態(tài)各不相同，所以工業(yè)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 機器人末端操作器是多種多樣的，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有以下幾種： 1， 夾鉗式取料手。 2， 吸附式取料手。 3， 專用操作器及轉(zhuǎn)換器。 4， 仿生多指靈巧手。 部的設計方案 由于本設計所搬運的是發(fā)動機曲軸，所以選用夾鉗式取料手。 夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在裝配流水線上用的較為廣泛。它一般由手指（手抓）、驅(qū)動機構(gòu)、連接與支撐元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。 指的設計方案 手指是夾鉗式取料手直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指，個別有三個或多個手指，它們的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀有 V 型指，平面指、尖指等。 由于本設計被夾持的工件形狀為圓柱體，所以選用 V 型指，其特點是加持平穩(wěn)可靠，加持誤差小。如圖 示。 動機構(gòu)設計 傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)加緊和松開動作的機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點，分為回轉(zhuǎn)型和移動型。 本設計采用回轉(zhuǎn)型傳動結(jié)構(gòu)，如圖 示。驅(qū)動桿與連桿由銷連接，當驅(qū)動桿做直線往復運動時，則通過兩岸推動兩桿手指各繞其支點做回轉(zhuǎn)運動，從而使手指松開或閉合。該機構(gòu)的活動環(huán)節(jié)較多，所以定位精度會差一些。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 圖 械手手指 圖 械手傳動結(jié)構(gòu) 械手的手臂設計 臂概述 手臂是機器人執(zhí)行機構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運送到指定的位置上，因而一般機器人手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的，所以，它不僅僅承受被抓工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度都直接影響機器人的工作性能。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選 用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應有工作可靠 、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。 對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 臂的設計 機械手的垂直手臂（小臂）升降和水平手臂（大臂）的伸縮運動都為直線運動。 直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達 20中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因 此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構(gòu)，小臂增設了兩個導桿，盡量增加其剛度。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 械手的驅(qū)動系統(tǒng)設計 動系統(tǒng)概述 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源可以分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可以將這三種基 本類型組合成一個復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中 采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 求具有 點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電 號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 動系統(tǒng)的設計方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手的手臂驅(qū)動系統(tǒng)全部采用液壓缸；而手爪通過液壓柱塞缸活塞與中間驅(qū)動桿配 合來實現(xiàn)控制，即手爪在柱塞缸推力作用下推動驅(qū)動桿，通過端部銷連接到手指進行松開和夾緊。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 第 3章 液壓系統(tǒng)設計與計算 定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。二者的特點及適用場合見表 3 表 3壓缸與液壓馬達的特點與適用場合 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單 向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 本設計因為機械手的形式為直角坐標形式，具有兩個自由度，均為移動自由度。同 時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求，以及計算機的控制的因素，手臂運動均為直線運動。因此，機械手的手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復運動。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流 量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。相應的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。 本設計的方向控制采用電磁換向閥來實現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡單的節(jié)流閥來實現(xiàn)。 壓源系統(tǒng)的設計 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 油 液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據(jù)液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 確定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。 制液壓系統(tǒng)圖 本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 示， 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸 縮缸 /的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構(gòu)。 其中，液壓泵是由三相交流異步電動機 M 拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥 1得失電決定了動力源的投入與摘除。 考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當 5電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥 入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當 6電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪的迅速松開。 另外，由于機械手垂直升降液壓缸在工作時其下降方向與負荷重力作用買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同 時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用 成的平衡回路向升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。 執(zhí)行手爪柱塞缸垂直升降缸水平伸縮缸感應式位移傳感器電液伺服閥圖 械手的液壓系統(tǒng)原理圖 定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 （ 3 式中 ， 為水平方向無外載荷，故為 0； 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 （ 1）（ 3 式中， G 為 100 g 2/81.9 v t 般為 取 各值帶入上式，得：（ 2）1（ 3 式中，該液壓缸工作壓力 16 相關(guān)手冊取 =0.2 1A 啟動時： 動時： 83N （ 3）機械手水平方向上有兩個導桿，內(nèi)導桿和外導套之間的摩擦力為 （ 3 式中， G 為 100 f f= 帶入數(shù)據(jù)計算得： 8N 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 （ 4）回油背壓形成的阻力按下式計算 2（ 3 式中，般為 .5 =0.3 慮兩邊差動比為 2； 將各值帶入上式有， 24分 析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為 088 。 手爪要能抓起工件必須滿足： 21 （ 3 式中， N 1k 常取 ； 2k ，主要考慮慣性力的影響可按 12 估算， a 為機械手在搬運工件過程的加速度 2/ 2/8.9 ， g 為重力加速度； 3表選取 13 k； G 20 帶入數(shù)據(jù)，計算得： 0 ； 計算驅(qū)動力計算公式為： 1（ 3 式中， 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 1k 處選 4k 處選 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： 20 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （ 3 式中， P A 經(jīng)計算 ，所需的油壓約為： 針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 表 3手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù) 內(nèi)徑 壁厚 直徑 行程 工作壓力 20 5 20 11 36 注：手爪液壓缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 表 3平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 60 10 20 1100 1 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式，在軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持的工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 表 3垂直液壓缸 參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 60 10 25 100 1 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構(gòu)，圍繞垂直升降液壓缸設置兩根導桿，較好的解決了這一問題。 （ 1）缸筒壁厚的較核 當 D/ 10 時，液壓缸壁厚的較核公式如下： )(2 （ 3 式中， D 驗壓力，當液壓缸的額定壓力 6時，取為ny ， b 為材料抗拉強度，經(jīng)查相關(guān)資料取為 650 n 為安全系數(shù)，此處取 5n ； 帶入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。 （ 2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 4 （ 3 式中， F 處 b ； 帶入數(shù)據(jù)，進行計算需要上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。 擇液壓元件 通過計算和分析，最后決定選擇： 向地腳型液壓缸 。如圖 示。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 圖 B 軸向地腳型液壓缸 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。這 部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細的要求再結(jié)合具體情況進行詳細，這里暫從略。 （ 1） 查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量以 ，選取 6 ；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇 8 ；其余都選為 5 ； （ 2）確定油箱的容量 一般取泵流量的 35 倍，這里取為 5 倍，有效容積為 p （ 3 壓系統(tǒng)性能的驗算 繪制液壓系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進行溫升驗算。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 第 4章 機械手控制系統(tǒng)的設計 械手控制系統(tǒng)硬件設計 機械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，以及執(zhí)行手爪的加緊與松開。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅(qū)動。而液壓缸又由相應的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時， 機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應式位移傳感器構(gòu)成的回路進行調(diào)節(jié)控制。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)。柱塞液壓缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞液壓缸不工作，當線圈通電時，柱塞液壓缸工作沖程，手爪閉合，柱塞液壓缸工作回程，手爪張開。 械手的作業(yè)流程 機械手的作業(yè)動作流程如圖 4示： 原點水平前伸豎直下降夾緊豎直上升水平前伸豎直下降松開豎直上升水平后縮圖 4動機曲軸搬運機械手工作流程圖 從原點開始，按下啟動鍵，水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 20 機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； 水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 接著下降電磁閥通電，機械手下降 ，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； 機械手開始水平定位后縮； 機械手回到原點待命。 機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。 械手操作面板布置 操作面板布置如圖 4示。 機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇。 就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。例如，當按上 /下按鈕時，機械手上 升或下降，按一下，動一下，長時間按住，機械手就會連續(xù)移動；前 /后按鈕同理；當按緊 /松按鈕時，按下按緊按鈕鈕，手爪夾緊，而按下松按鈕時，手爪松開。 圖 4作面板示意圖 機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、 連續(xù)的周期性循環(huán)，直到程序結(jié)束。在工作中若按下急停按鈕，則機械手無論運行到什么地方，都會