小型夾持式機(jī)械手及手臂設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 緒論1.1課題研究的目的和意義機(jī)器人是人類很早就夢(mèng)想制造的、具有仿生性且處處聽(tīng)命于人的自動(dòng)化機(jī)器，它可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)。機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)以及認(rèn)識(shí)科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具有代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會(huì)的需求，各院校都比較重視機(jī)器人技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的開設(shè)，使培養(yǎng)的學(xué)生懂得機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)

2、、國(guó)防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，所到之處使整個(gè)制造業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)都發(fā)生了和正在發(fā)生著翻天覆地的變化。機(jī)器人是最具代表性的現(xiàn)代多種高新技術(shù)的綜合體，它可以從某個(gè)角度折射出一個(gè)國(guó)家的科學(xué)水平和綜合國(guó)力。由于社會(huì)的需求，造就了一批從事設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用機(jī)器人的高級(jí)人才。而設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)，是對(duì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的理解和掌握，才能較好的使用其中的資源來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。故此本文介紹了機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本理論，討論了機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，描述了機(jī)器人控制器和傳感器等的基本原理，然后再介紹機(jī)器人軌跡規(guī)劃和靜

3、力分析方面的知識(shí)，使學(xué)生既懂得怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，同時(shí)能熟練地運(yùn)用此設(shè)計(jì)理論。機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷肩部和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個(gè)新的水平。機(jī)器人涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)以及認(rèn)識(shí)科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了不可分的關(guān)系。機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代最具代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用得特別廣泛，而其與外界環(huán)境直接接觸的部分是機(jī)械手，它可以代替人手，與外界環(huán)境中有毒以及有害的物質(zhì)直接接

4、觸以減少對(duì)人的危害，它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。人類社會(huì)的發(fā)展已離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步又對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展起著不可代替的作用。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械手有特別重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況目前，對(duì)全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國(guó)家應(yīng)該是美國(guó)和日本。美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程，開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作，如美國(guó)的MIT、RP

5、I、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ of California等大學(xué)都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也日漸增多，目前最有影響的國(guó)際會(huì)議是IEEE每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議，此外還有國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議(ISIR)和國(guó)際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)議(CIRT)等。出版的相關(guān)期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多種。我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，約于20世紀(jì)70年代末、80年代初開始。20世紀(jì)90年代中期，6000以

6、下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功，以后的近10年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國(guó)際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。1.3機(jī)械手的特點(diǎn)機(jī)械手最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè):（1） 可編程 生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)械手可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。（2） 擬人化 能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，用來(lái)按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全（3） 通用性 除了專門設(shè)計(jì)的

7、專用機(jī)械手外，一般機(jī)械手在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)械手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。1.4機(jī)械手的組成作為一個(gè)系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械手由三部分、六個(gè)子系統(tǒng)組成。這三部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分；六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。（1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)以及把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。（2） 機(jī)械系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng)又稱操作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，它由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副所組成。機(jī)械系統(tǒng)通常包括臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)

8、和手爪等，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。（3） 感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用的信息。（4） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的引動(dòng)和功能。（5） 機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。（6） 人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)械手控制并與機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)系的裝置，一般來(lái)說(shuō)，人機(jī)交互系統(tǒng)可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。2 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)機(jī)械手的第一步是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，即在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)

9、行可行性分析論證，確定夾持機(jī)械手的使用范圍、夾持方法、初選各部件的結(jié)構(gòu)和總體布局等。這是整臺(tái)機(jī)器技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時(shí)，必須全面地考慮，使確定的方案既先進(jìn)有經(jīng)濟(jì)效益高。2.1機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)對(duì)5kg以內(nèi)物品的夾持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，抬起運(yùn)動(dòng)。為了滿足設(shè)計(jì)要求，首先要考慮所要設(shè)計(jì)的機(jī)械手的自由度。在三維空間描述一個(gè)物體的位置和位姿需要6個(gè)自由度。機(jī)械手的自由度是根據(jù)用途而設(shè)計(jì)的，可能小于也可能大于6個(gè)自由度。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有兩個(gè)自由度，即機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)、抬起運(yùn)動(dòng)，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。如圖2.1所示： 圖2.1 機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃示意圖2.2傳動(dòng)方案

10、的確定 傳動(dòng)方案反映運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞路線和各部件的組成和聯(lián)接關(guān)系。合理的傳動(dòng)方案首先要滿足機(jī)器的功能要求，例如傳動(dòng)功率的大小，轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式。此外還要適應(yīng)工作條件（工作環(huán)境、場(chǎng)地、工作制度等），滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)性合理等要求。同時(shí)滿足這些要求是比較困難的，因此要通過(guò)分析比較多種方案，來(lái)選擇能保證重點(diǎn)要求的較好的傳動(dòng)方案。2.2.1 手部方案的確定手部最重要的部分是機(jī)械夾持器，首先它應(yīng)具有夾持和松緊的功能。夾持器夾持工件是，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾持工件在移動(dòng)、停留和裝入過(guò)程中，不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時(shí)，應(yīng)完全松開，另外它還應(yīng)

11、保證工件夾持姿態(tài)在現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。機(jī)械夾持器可分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開合型。本次設(shè)計(jì)選用圓弧開合型，這種類型在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，手指指端的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，兩手指繞支點(diǎn)做圓弧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在對(duì)工件進(jìn)行加緊和定心。這類夾持器對(duì)工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會(huì)造成工件狀態(tài)失常。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2 手爪示意圖2.2.2 手臂回轉(zhuǎn)方案的確定手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)等形式。如圖2.3所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸，這種形式直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承的支撐和導(dǎo)向作用，帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)有較高的定位精度。 圖2.

12、3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)到關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸承和軸承座的剛度不敏感。至于手臂回轉(zhuǎn)軸承的選擇將在以下章節(jié)用介紹。2.2.3 手臂俯仰方案的確定機(jī)械手手臂俯仰運(yùn)動(dòng)通常采用擺臂油（氣）缸驅(qū)動(dòng)、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰，本次設(shè)計(jì)采用油缸驅(qū)動(dòng)。如圖2.4所示，手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。 圖2.4 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)示意圖3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)小型夾持機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：手部設(shè)計(jì)、手臂回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)和手

13、臂俯仰設(shè)計(jì)。3.1手部設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機(jī)械手手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部主要具有以下特點(diǎn)：（1） 手部和腕部相連處可拆卸。（2） 手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。（3） 手部的通用性比較差。（4） 手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。3.1.1 手指夾緊力的確定 為了增大夾緊力，在機(jī)械手手爪加緊面上加上橡膠，通過(guò)增大摩擦系數(shù)來(lái)加大夾緊力。 選擇被夾物體的材料為鐵，則摩擦系數(shù)=0.45。由于設(shè)計(jì)要求能夾持5kg重的物體，所以，夾緊力為： （3.1） =108.9（N）3.1.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部設(shè)計(jì)和選用時(shí)最主要的是滿足功能上的要求。首先要考慮的是要抓握什么樣的工件，本次設(shè)計(jì)選用

14、被夾持物體的材料為鐵，其密度，形狀尺寸為圓柱體，選取高= ，則被夾持物體的半徑為： = （3.2）則夾緊時(shí)手爪作用點(diǎn)之間的距離為2R。機(jī)械手通常利用手指與工件接觸面間的摩擦力來(lái)夾持工件。工件在被夾持的過(guò)程中，從靜止?fàn)顟B(tài)開始可能有多種運(yùn)動(dòng)形式。在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，工件的受力情況是不同的，當(dāng)工件處于靜止或勻速移動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，工件除了與手爪的作用力外，所承受的只用重力；當(dāng)工件加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況還應(yīng)考慮慣性力的影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)夾持器的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，使其結(jié)構(gòu)能提供必學(xué)的夾持力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖： 圖3.1 手爪設(shè)計(jì)分析圖 圖中,e為支持器活塞中心至手指支點(diǎn)的

15、距離；為手指支點(diǎn)至指端（與工件接觸點(diǎn)）的長(zhǎng)度；為手指支點(diǎn)銷軸的半徑；為液壓缸所需要提供的軸向作用力；為手指回轉(zhuǎn)有效分力，=；為垂直分力，；為單手指指端作用力（加持力）；為壓力角；為構(gòu)件間相互摩擦系數(shù)。由圖可知手指對(duì)手指支點(diǎn)的力矩平衡式為 整理得 考慮到手指夾持工件時(shí)，若忽略摩擦影響（），則上式可簡(jiǎn)化為 （3.3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求，并考慮手部結(jié)構(gòu)的特征，取=20,=60則所需提供軸向作用力為 =3.2 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）組成。手臂的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)幾種形式，其中電動(dòng)形式最為通用。臂部設(shè)計(jì)需要注意以下問(wèn)題：(1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物

16、體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。(2) 剛度高。為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸的大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。(3) 導(dǎo)向性能好，動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。(4) 重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

17、速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(5) 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響機(jī)器人的外觀。3.2.1 手臂材料的選擇機(jī)械手手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)械手手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)

18、度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯(PEH)和碳素纖維等；金屬材料以輕合金(特別是鋁合金)為主。因此，本次設(shè)計(jì)選擇手臂的材料為鋁合金。3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)，如圖2.3所示。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對(duì)電動(dòng)機(jī)、軸承和聯(lián)軸器等設(shè)計(jì)。1、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概論手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與回轉(zhuǎn)軸用聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一

19、般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有時(shí)也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D/A轉(zhuǎn)換裝置。按照輸出位移的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接收一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就帶動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1） 輸出角度精度高，無(wú)積累誤差，慣性小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出精度主要由步距角來(lái)反映。所謂步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收一個(gè)脈沖電信號(hào)其輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。目

20、前步距角一般可以做到0.002°0.005°甚至更小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角總存在一定的誤差，這誤差在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)會(huì)逐步積累，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后其轉(zhuǎn)軸又回到初始位置，使誤差回到零。（2） 輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。輸出角度不受電壓、電流及波形等因素的影響，取決于輸入脈沖數(shù)的多少。（3） 容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置(輸出角度)由輸入脈沖數(shù)確定，其轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定，正、反轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)由脈沖輸入的順序決定，而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計(jì)算機(jī)輸出控制。（4） 輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以與計(jì)算機(jī)直接接口

21、。（5） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性好，壽命長(zhǎng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式分有反應(yīng)式、永磁式和混合式。這里以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理。如圖3.2所示為單定子、徑向分相三相反應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。與普通電動(dòng)機(jī)一樣，該電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖下圖所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個(gè)均勻分布的齒上的線圈，直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的N、S極。在定子的每個(gè)磁極即定子鐵心上每個(gè)齒又開了5個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角是9°，與磁極

22、上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開1/3齒距。當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的齒對(duì)齊時(shí)，B相磁極上的小齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子上的齒1/3齒距角，C相磁極超前或滯后2/3齒距角。1 定子繞組；2定子鐵心；3轉(zhuǎn)子；4A相磁通圖3.2 伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的齒與定子AA上的小齒對(duì)齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的小齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)3°。如果控制線路不斷地按ABCA的順序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通、斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序改為ACAA，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為三

23、相單三拍通電方式。通常為了得到小的步距角和較好的輸出性能，用三相六拍通電方式，其通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA(順時(shí)針)和AACCCBBBAA，相應(yīng)地繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1.5°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可用下式表示 （3.4）式中： 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；為定子繞組的相數(shù)；為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；為通電方式常數(shù)，相拍通電時(shí)=1，相2拍通電時(shí)=2。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。硬件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用是把代表轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)分配到電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組上，使電動(dòng)機(jī)按既定的方向和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。2、 步進(jìn)電動(dòng)

24、機(jī)的選擇根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選用5相PK系列單轉(zhuǎn)軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為PK564-A 。5相PK系列為1轉(zhuǎn)500分割（0.72°/step）的高轉(zhuǎn)矩·低振動(dòng)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為了適應(yīng)所有的驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)線規(guī)格設(shè)計(jì)為10條導(dǎo)線。其實(shí)體模型如圖3.3所示： 圖3.3 步進(jìn)電機(jī)實(shí)體圖和其配套使用的還有安裝底座、彈性聯(lián)軸器、制振器等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的尺寸參數(shù)如下圖： 圖3.4 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖其中： L1=46.5mm，L2=69.5。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它規(guī)格如表3.1： 表3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)格安裝尺寸mm品名保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)到慣量額定電流A/相線圈電阻 /相基本步距角重量60PK564-A步

25、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性如下圖： 圖3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖3、 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核由于所夾持工件為回轉(zhuǎn)體，且回轉(zhuǎn)過(guò)程為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不會(huì)裁成轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)到過(guò)程中，只有軸承和聯(lián)軸器產(chǎn)生的摩擦，以及手爪結(jié)構(gòu)不平衡產(chǎn)生的力矩。由于這些轉(zhuǎn)矩?fù)p失非常小，可以忽略不計(jì)，因此所選電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。4、 聯(lián)軸器的選擇（1） 類型選擇為了隔離振動(dòng)與沖擊，并保證較高的定位精度，選用彈性無(wú)齒隙聯(lián)軸器。（2） 載荷計(jì)算從表1得知電動(dòng)機(jī)公稱轉(zhuǎn)矩由機(jī)械設(shè)計(jì)表14-1，即表3.2，查得,故由機(jī)械設(shè)計(jì)式（14-3） （3.5）得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 表3.2 工作情況系數(shù)K工作機(jī) K原動(dòng)機(jī)分類工作情況及舉例電動(dòng)機(jī)汽輪機(jī)雙缸內(nèi)燃機(jī)單

26、缸內(nèi)燃機(jī)1轉(zhuǎn)矩變化很小，如發(fā)電機(jī)、小型離心泵1.31.82.02轉(zhuǎn)矩變化小，如透平壓縮機(jī)、運(yùn)輸機(jī)1.52.02.43轉(zhuǎn)矩變化中等，如攪拌機(jī)、增壓機(jī)、沖床1.72.22.64轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，如織布機(jī)、拖拉機(jī)1.92.42.85轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷較大，如造紙機(jī)，碎石機(jī)2.32.83.26轉(zhuǎn)矩變化大并有極強(qiáng)烈沖擊載荷3.13.64.0（3） 型號(hào)選擇從 4324-84中查得TL1型彈性聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為,許用最大轉(zhuǎn)速為8800，軸徑為614mm之間，故合用。5、軸承的選擇根據(jù)工作條件決定選用角接觸球軸承。由于受回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，選擇左端支撐軸承型號(hào)為7012，右端支撐軸承型號(hào)為7000。

27、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和估算，確定所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.3 手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂俯仰結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。俯仰機(jī)構(gòu)中要有控制手臂仰起角度的機(jī)構(gòu)，如圖3.6所示。 圖3.6 手臂俯仰結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)手臂仰起到一定角度時(shí)，手臂尾部將被立柱擋住而不能繼續(xù)仰起，從而控制手臂俯仰范圍。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性好，可靠性高。手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對(duì)俯仰液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)手臂俯仰缸的設(shè)計(jì)將在以后章節(jié)中介紹。4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)該明確液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算的步驟和方法。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須重視調(diào)查研究，注意借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重解決的主要問(wèn)

28、題是滿足工作部件對(duì)力和運(yùn)動(dòng)兩方面的要求。在滿足工作性能和工作可能性的前提下，應(yīng)力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且維護(hù)方便。具體的設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 明確設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行工況分析（2） 初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)（3） 擬定液壓系統(tǒng)原理圖（4） 計(jì)算、選擇或設(shè)計(jì)液壓元件4.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為以下幾類:（1） 氣壓驅(qū)動(dòng) 使用壓力通常在 0. 40. 6Mpa，最高可達(dá) 1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，

29、同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合。（2） 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，可以使機(jī)器入的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場(chǎng)合。（3） 電氣驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求

30、的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，90年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。由于機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式。即手臂旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而夾緊和抬起運(yùn)動(dòng)要求體積小、質(zhì)量比大、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，所以選用液壓驅(qū)動(dòng)方式。即采用單桿液壓缸對(duì)工件進(jìn)行夾緊，手臂的抬起運(yùn)動(dòng)靠液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，使得整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于小型夾持式機(jī)械手。4.2 機(jī)械手液壓

31、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要還是經(jīng)驗(yàn)法，即使使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也是在專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)先進(jìn)行的。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，必須明確液壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求，例如，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方式、行程范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動(dòng)作周期、工作可靠性要求等。同時(shí)還要考慮到液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和具體設(shè)計(jì)要求來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.2.1 夾緊缸的設(shè)計(jì)1、 計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，總機(jī)械載荷 （4.1）式中 工作載荷，已知為653N； 密封阻力； 回油背壓形成的阻力。（1） 的計(jì)算 =（N） （4.2）式中 克

32、服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（），液壓缸選O型密封圈，設(shè)液壓缸工作壓力<16，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得<0.3，取=0.1； 進(jìn)油工作腔有效作用面積（），此值屬未定數(shù)值，初估為2。 啟動(dòng)時(shí) = 運(yùn)動(dòng)時(shí) =（2） 的計(jì)算回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算 = （4.3）式中 回油背壓，一般為，取=； 無(wú)桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為2，已經(jīng)初估=2=4。各值代入上式 = 分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為 =653+10+120=783（N）2、 確定液壓缸的主要尺寸和工作壓力按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力 （4.4）液壓缸工作腔有效工作

33、面積 因差動(dòng)比為1：2，所以=2=15.6活塞直徑 D=活塞桿直徑 計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，根據(jù)8液壓傳動(dòng)與控制M表5-3及表5-4，取標(biāo)準(zhǔn)直徑，則工作壓力 取。在確定液壓缸活塞面積之后，還要按最低進(jìn)給速度驗(yàn)算液壓缸尺寸。設(shè)液壓缸有效工作面積為，則 （4.5）式中 流量閥最小穩(wěn)定流量，取調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量40mL/min； 活塞最低進(jìn)給速度，本設(shè)計(jì)取20mm/min； 液壓缸有效工作面積。根據(jù)上面計(jì)算值，得 =又，所以 說(shuō)明液壓缸尺寸滿足活塞最小穩(wěn)定速度要求。3、 液壓缸活塞寬度B的確定對(duì)于一般的液壓缸，活塞寬度 B=（0.61.0）D （4.6）根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，取B=

34、0.6D=0.625=15mm4、 活塞缸缸體壁厚的確定液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)確定。本設(shè)計(jì)取=3mm5、 液壓缸行程的確定 液壓缸的行程見(jiàn)參考文獻(xiàn)8液壓傳動(dòng)與控制M表5-5活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選。6、 液壓缸的長(zhǎng)度L的確定按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長(zhǎng)度L=92。7、 活塞桿長(zhǎng)度的確定活塞桿直徑確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長(zhǎng)度確定活塞桿長(zhǎng)度。8、 液壓缸的安裝方式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了單桿液壓缸的安裝方式，本次設(shè)計(jì)采用加長(zhǎng)拉桿穿過(guò)安裝板的安裝方式進(jìn)行安裝。9、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作壓力不高，缸體內(nèi)徑也不大，所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。（2） 液壓缸

35、缸蓋固定螺栓直徑校核液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過(guò)程中，同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑，其螺栓直徑可按下式校核 （4.7）式中 K 螺栓擰緊系數(shù)，取K=1.5； F液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計(jì)算得知F=783N； Z螺栓個(gè)數(shù)，Z=4；螺栓材料的許用應(yīng)力， =，螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料為，查材料力學(xué)表2.1，即如下表4.1，得=，為安全系數(shù)，一般取=，此處取。將以上數(shù)值代入公式 成立滿足要求。 表4.1 幾種常用材料的主要力學(xué)性能材料名稱牌號(hào)普通碳素鋼Q235Q23521623525527537346149060825271921優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼404533335356959

36、81916普通合金結(jié)構(gòu)鋼Q345Q39027434333341247151049054919211719合金結(jié)構(gòu)鋼2040540785835980109碳素鑄鋼ZG170-50027050018可鍛鑄鐵KTZ450-064506()球墨鑄鐵QT450-1045010()灰鑄鐵HT150120175（3） 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核活塞桿直徑可按下式校核強(qiáng)度 （4.8）式中 活塞桿材料的許用應(yīng)力，為材料抗拉強(qiáng)度，取活塞桿材料為鋼，由表4.1得；為安全系數(shù)，一般取1.4。 F活塞桿所受負(fù)載；將以上數(shù)值代入公式 成立滿足要求。4.2.2 手臂俯仰液壓缸設(shè)計(jì)1、 確定液壓缸的牽引力F根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，液

37、壓缸受力如圖10所示。牽引力 （4.9） 圖4.1 液壓缸受力分析示意圖其中 支撐點(diǎn)左端機(jī)械手手臂的重力； 支撐點(diǎn)右端配重塊的重力； 支點(diǎn)支撐力。據(jù)手臂材料和結(jié)構(gòu)尺寸估算其重量，然后在手臂尾部加配重塊，則手臂在支點(diǎn)支撐作用下基本上保持平衡狀態(tài)，因此只需較小的牽引力就能滿足設(shè)計(jì)要求。取F=200。2、 去定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力 液壓缸工作腔有效工作面積 活塞直徑 D=因差動(dòng)比為1：2，所以活塞桿直徑 計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，根據(jù)液壓傳動(dòng)與控制表5-3、表5-4，取標(biāo)準(zhǔn)直徑，則工作壓力 取。3、 液壓缸活塞寬度B的確定對(duì)于一般的液

38、壓缸，活塞寬度由式（4.6） B=（0.61.0）D根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，取B=0.6D=0.616=9.6mm4、 活塞缸缸體壁厚的確定液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)確定。本設(shè)計(jì)取=。5、 液壓缸行程的確定液壓缸的行程見(jiàn)8液壓傳動(dòng)與控制M表5-5活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選。6、 液壓缸的長(zhǎng)度L的確定按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長(zhǎng)度L=70。7、 活塞桿長(zhǎng)度的確定活塞桿直徑確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長(zhǎng)度確定活塞桿長(zhǎng)度。8、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核（1） 缸筒壁厚的校核由于工作壓力不高，缸體內(nèi)徑也不大，所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。（2） 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過(guò)程

39、中，同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑，其螺栓直徑可按式（4.7）校核 式中 K 螺栓擰緊系數(shù)，取K=1.5； F液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計(jì)算得知F=200N； Z螺栓個(gè)數(shù)，Z=4；螺栓材料的許用應(yīng)力， =，螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料為，查表4.1得=，為安全系數(shù)，一般取=，此處取。將以上數(shù)值代入公式 成立滿足要求。（3） 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核活塞桿直徑可按式（4.8）校核強(qiáng)度 式中 活塞桿材料的許用應(yīng)力，為材料抗拉強(qiáng)度，取活塞桿材料為鋼，由表4.1查得；為安全系數(shù)，一般取。 F活塞桿所受負(fù)載；將以上數(shù)值代入公式 成立滿足要求。4.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定4.3.1 夾緊

40、系統(tǒng)原理圖的擬定如圖4.2所示，此夾緊過(guò)程通過(guò)液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電磁鐵1DT得電時(shí)，壓力油通過(guò)換向閥左位進(jìn)入液壓缸有桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器對(duì)工件進(jìn)行夾緊，當(dāng)電磁鐵1DT失電，而電磁鐵2DT得電時(shí)，壓力油通過(guò)換向閥右位進(jìn)入無(wú)桿腔，驅(qū)動(dòng)液壓缸松開工件。 圖4.2 夾緊系統(tǒng)原理圖4.3.2 俯仰系統(tǒng)原理圖的擬定如圖4.3所示，當(dāng)電磁鐵3DT得電時(shí)，壓力油通過(guò)換向閥左位進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)手臂仰起，當(dāng)電磁鐵3DT失電，而電磁鐵4DT得電時(shí)，壓力油通過(guò)換向閥右位進(jìn)入無(wú)桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)手臂俯下。 圖4.3 俯仰系統(tǒng)原理圖4.3.3 系統(tǒng)合成如圖4.4所示，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分由壓力油直接驅(qū)動(dòng)。

41、油泵采用限壓式變量葉片泵。系統(tǒng)的工作壓力用溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)，各油缸的運(yùn)動(dòng)速度用節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。機(jī)械手夾緊運(yùn)動(dòng)和手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，采用適時(shí)切換油路節(jié)流減速緩沖。各電磁換向閥電磁鐵動(dòng)作情況如表4.2所示。 表4.2 電磁換向閥電磁鐵動(dòng)作情況分析表 電磁鐵序號(hào)動(dòng)作名稱1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT機(jī)械手夾緊工件 - - - -+ - -機(jī)械手松開工件 - - - - -+ -機(jī)械手夾緊工件節(jié)流緩沖 -+ - -+ - -機(jī)械手松開工件節(jié)流緩沖 -+ - - -+ -機(jī)械手手臂仰起 - -+ - - -機(jī)械手手臂下俯 - - -+ - - -機(jī)械手手臂仰起節(jié)流緩沖+ -+ - - - -機(jī)械手手臂俯

42、下節(jié)流緩沖+ - -+ - - -液壓系統(tǒng)卸荷 - - - - - -+ 圖4.4 系統(tǒng)合成原理圖4.4液壓泵的計(jì)算1、 確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 （4.10）式中 前以選定為； 對(duì)于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.51.5），取0.5。因此，可確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 5 機(jī)械手軌跡規(guī)劃?rùn)C(jī)械手在作業(yè)空間要完成給定的任務(wù)，其手部運(yùn)動(dòng)必須按一定的軌跡進(jìn)行。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過(guò)程通常稱為軌跡規(guī)劃。運(yùn)動(dòng)軌跡的描述一般是對(duì)其手部位姿的描述，此位姿

43、值可與關(guān)節(jié)變量相互轉(zhuǎn)換。下面將對(duì)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.42N·，由圖表1查得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖速度為，即250次/秒。則機(jī)械手手部實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間為 根據(jù)需要，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)必須運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并具有如下作業(yè)狀態(tài)：初始時(shí)，關(guān)節(jié)靜止不動(dòng)，位置；運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，此時(shí)關(guān)節(jié)速度為。根據(jù)要求，可以對(duì)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)來(lái)規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知，=1，代入機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)式（3.8），即如下式 （4.11）可得三次多項(xiàng)式的系數(shù) a0=0.0，a1=0.0，a2=540，a3=360由機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)式（3.5）和式（3.6） （4.12） （4.13）可確定回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡

44、，即 對(duì)于手指夾緊運(yùn)動(dòng)和手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的計(jì)算過(guò)程是相似的，不再一一進(jìn)行討論，從略。 結(jié)論本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種小型夾持式機(jī)械手的設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程。理論和實(shí)踐證明，本課題所研制的小型夾持式機(jī)械手系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能要求。本人在課題研究過(guò)程中獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一定的研究經(jīng)驗(yàn)，為夾持式機(jī)械手的產(chǎn)品化提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。論文的主要工作如下：1、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)。2、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)。3、進(jìn)行了機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了機(jī)械手姿態(tài)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，擬定了液壓控制系統(tǒng)原理圖。4、進(jìn)行了機(jī)械手的軌跡規(guī)劃。主要對(duì)機(jī)械手回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的軌跡方程。5、運(yùn)用Solidworks三維軟件建立了機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了虛擬裝配，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作要求。本次設(shè)計(jì)的小型夾持式機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)合理，布局比較完善，各項(xiàng)性能指標(biāo)也達(dá)