自動(dòng)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書另外有完整圖紙

1、1 緒論1.1 機(jī)器人目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人作如下定義：工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具1。工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，

2、自動(dòng)進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人是在計(jì)算機(jī)控制下可編程的自動(dòng)機(jī)器。采用工業(yè)機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。機(jī)器人的誕生和開展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和開展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力2。根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機(jī)器人具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，如抓取功能或移動(dòng)功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能如視覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)等。以及語(yǔ)音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動(dòng)是最主要的功能。這兩

3、項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)根底是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用錐齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)以及對(duì)零件的抓取。在步進(jìn)電機(jī)的控制下，機(jī)器到達(dá)精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的開展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的開展過(guò)程可分為三代：第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比擬簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋

4、力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反應(yīng)的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開始進(jìn)入了實(shí)用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用2-4。1.2 機(jī)械手機(jī)械手，顧名思義，是指能模仿人手的局部動(dòng)作，用以完成某些抓放，搬運(yùn)物件或操縱工具等工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。機(jī)械手通常用附屬于它所效勞的設(shè)備，動(dòng)作程序固定，多數(shù)沒(méi)有

5、獨(dú)立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機(jī)的控制系統(tǒng)不包括工業(yè)機(jī)器人。 機(jī)械手以及工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工自動(dòng)化方面的應(yīng)用主要有：自動(dòng)上、下料和自動(dòng)換刀3。 機(jī)械手的組成執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機(jī)身機(jī)座等，其中最主要是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三局部組成。手部是夾緊或吸附、托持與松開工件或工具 的部件，由手指或吸盤，驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件等組成。腕部、臂部、機(jī)身是將手部抓取的工件或工具進(jìn)行搬運(yùn)或操作的部件。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)臂部、腕部、手部和機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的動(dòng)力裝置，常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓、氣動(dòng)、機(jī)械、電氣或其他的組合?？刂葡到y(tǒng)是支配機(jī)械手按規(guī)定程序和要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置，

6、他們主要用來(lái)控制：位置點(diǎn)位控制或連續(xù)軌跡控制時(shí)間、速度和加速度等參數(shù)機(jī)械手與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系3。 機(jī)械手的應(yīng)用按機(jī)械手布局形式分可分為：架空式機(jī)械手、附機(jī)式機(jī)械手、落地式機(jī)械手三種。此外，還有安裝在自動(dòng)線料道上或料道旁，實(shí)現(xiàn)工件上、下料，傳遞轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)向，粉料等用途的機(jī)械手，他們具有運(yùn)動(dòng)單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置靈活及精度一般要求較低的特點(diǎn)。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置3。 機(jī)械手的分類(1)根據(jù)所承當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)的特點(diǎn)，工業(yè)機(jī)械手可分為以下三類：(a)承當(dāng)搬運(yùn)工作的機(jī)械手：這種機(jī)械手在主要工藝

7、設(shè)備運(yùn)行時(shí)，用來(lái)完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。(b)生產(chǎn)工業(yè)用機(jī)械手：可用于完成工藝過(guò)程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。(c)通用工業(yè)機(jī)械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)9。(2)按功能分類:(a)專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少，工作對(duì)象單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批大量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床，自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加工中心附屬的自動(dòng)換刀機(jī)械手。(b)通用機(jī)械手：又稱工業(yè)機(jī)器人。它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于不斷變換

8、品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。(c)示教再現(xiàn)機(jī)械手：采用示教法編程的通用機(jī)械手。所謂示教，即由人通過(guò)手動(dòng)控制，“拎著機(jī)械手做一遍操作示范，完成全部動(dòng)作后，其儲(chǔ)存裝置即能記憶下來(lái)。機(jī)械手手可按示范操作的程序行程進(jìn)行重復(fù)的再現(xiàn)工作。(3)按驅(qū)動(dòng)方式分：(a)氣力驅(qū)動(dòng)式的機(jī)器人：氣源壓力一般只有60Mpa左右，適宜抓舉力較小的場(chǎng)合。(b)液力驅(qū)動(dòng)式的機(jī)器人：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作，要求的制造精度較高，本錢較高。(c)電力驅(qū)動(dòng)式的機(jī)器人：無(wú)環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，本錢低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)用最為廣泛。(d)新型驅(qū)動(dòng)式的機(jī)器人：例如靜電驅(qū)

9、動(dòng)器，壓電驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器，人工肌肉及光驅(qū)動(dòng)器等(4)按控制方式分:(a)固定程序機(jī)械手：控制系統(tǒng)是一個(gè)固定程序的控制器。程序簡(jiǎn)單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調(diào)但不能任意點(diǎn)定位。(b)可編程序機(jī)械手：控制系統(tǒng)是一個(gè)可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變9。1.3 課題研究?jī)?nèi)容及解決手段(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求及原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)進(jìn)行液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，并畫草圖；(3)進(jìn)行機(jī)座機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(4)研究機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性；(5)研究機(jī)械手的控制方式。 課題研究意義(1)培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識(shí)。

10、 (2)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序標(biāo)準(zhǔn)和方法。(3)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和使用技術(shù)資料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等手冊(cè)、圖冊(cè)工具書進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。(4)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的根本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動(dòng)方案選型 原始數(shù)據(jù)及資料(1)原始數(shù)據(jù)：(a)生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件兩班制生產(chǎn)(b)自由度四個(gè)自由度臂轉(zhuǎn)動(dòng)180º臂上下運(yùn)動(dòng) 500mm臂伸長(zhǎng)收縮500mm手部轉(zhuǎn)動(dòng) ±180º(2)技術(shù)要求主要參數(shù)確實(shí)定：(a)坐標(biāo)形式

11、：圓柱坐標(biāo)系(b)臂的運(yùn)動(dòng)行程：伸縮運(yùn)動(dòng)500mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)180º。(c)運(yùn)動(dòng)速度：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求即可。(d)控制方式：起止設(shè)定位置。(e)定位精度：±。(f)手指握力：392N(g)驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。 料槽形式及分析動(dòng)作要求(1)料槽形式由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自重輸送的輸料槽,如圖2.1所示，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要其它動(dòng)力源和特殊裝置，所以本課題采用此種輸料槽。圖2.1 機(jī)械手安裝簡(jiǎn)易圖(2)動(dòng)作要求分析如圖2.2所示動(dòng)作一：送 料動(dòng)作二：預(yù)夾緊動(dòng)作三：手臂上升動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng)動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn) 預(yù)夾緊手臂上升

12、手臂旋轉(zhuǎn) 小臂伸長(zhǎng) 手腕旋轉(zhuǎn)手臂轉(zhuǎn)回圖2.2 機(jī)械手動(dòng)作簡(jiǎn)易圖 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手為通用型的機(jī)械手，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式手部設(shè)計(jì)方案。手部局部由手指和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成，手指與工件接觸而傳力機(jī)構(gòu)那么通過(guò)手指夾緊力來(lái)完成夾放工件的任務(wù)。其他局部那么按照一般工業(yè)生產(chǎn)所采用的通用形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和機(jī)械手的夾取和翻轉(zhuǎn)3。3 系統(tǒng)各主要組成局部設(shè)計(jì)3.1 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)計(jì)算(1)對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求(a)有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時(shí)，應(yīng)具

13、有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工外表。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖平安裝置。(b)有足夠的開閉范圍夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖3.1所示。圖3.1 機(jī)械手開閉例如簡(jiǎn)圖(c) 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手

14、的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。(d) 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度(e)其它要求：因此送料，夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。(2)拉緊裝置4如圖3.2所示：油缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。P圖3.2 油缸示意圖(a)右腔推力為 3.1=(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為： 3.3 其中 N=498N=392N，帶入公式2.2得： =(2150/50)cos30º²392

15、 =1764N那么實(shí)際加緊力為 F1實(shí)際=PK1K2/ 3.3=1764經(jīng)圓整F1=3500N由公式得： a= mm b=72 mm(c)計(jì)算手部活塞桿行程長(zhǎng)L,即 3.4 =25×tg30º =經(jīng)圓整取l=25mm(d)確定“V型鉗爪的L、3。取L/Rcp=3 3.5式中： Rcp=P/4=200/4=50 3.6由公式3.53.6得：L=3×Rcp=150取“V型鉗口的夾角2=120º，那么偏轉(zhuǎn)角按最正確偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定，查表得：=22º39(5)機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍速度(a)伸縮運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b)上升運(yùn)動(dòng) Vm

16、ax=500mm/sVmin=40mm/s(c)下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s(d)回轉(zhuǎn) =90º/s =30º/s所以取手部驅(qū)動(dòng)活塞速度V=60mm/s (6)手部右腔流量 3.7=60=60××25²=³/s(7)手部工作壓強(qiáng) 3.8 pa機(jī)械手手部的尺寸如圖3.3所示： 圖3.3 尺寸示意圖 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。要求：回轉(zhuǎn)±90º 角速

17、度=45º/s以最大負(fù)荷計(jì)算：當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l =650mm。如圖3.4所示。(1)計(jì)算扭矩4設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為： 3.9=10××0.2=19.6N·M 工件 F S F 圖3.4 腕部受力簡(jiǎn)圖(2)油缸伸縮及其配件的估算扭矩 4F =5kg S =10cm=5××0.1 =4.9N·M (3)擺動(dòng)缸的摩擦力矩4=300N估算值S=20mm 估算值=×S =6N·M(4)擺動(dòng)缸的總摩擦力矩 4=+ 3.10N

18、3;M (5)由公式 3.11其中： b葉片密度，這里取b=3cm；擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。所以代入3.11公式=8×ײ²×106又因?yàn)樗?=²²× ×10-4m³/s =27ml/s 臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手的精度最終集中

19、在反映在手部的位置精度上。所以在選擇適宜的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了5。手臂的伸縮速度為200m/s行程L=500mm(1)手臂右腔流量，公式3.7得： =200××40² =1004800mm³/s ²m³/s =1000ml/s(2)手臂右腔工作壓力，公式3.8 得： 2.12式中：F 取工件重和手臂活動(dòng)部件總重，估算 F =10+20=30kg，=1000N。所以代入公式3.12得： =30×9.8+1000/×40²(3)繪制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表如表3.1所示：表3.1 機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表機(jī)構(gòu)名稱工

20、作速度行程工作壓力流量手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂伸縮60mm/s45°/s200mm/s25mm±90°500mm1.78 Mpa0.89 Mpa/s27m/s1000ml/s(4)由初步計(jì)算選液壓泵所需液壓最高壓力 P a所需液壓最大流量 Q =1000ml/s選取CB-D型液壓泵齒輪泵此泵工作壓力為10Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之間，可以滿足需要。(5)驗(yàn)算腕部擺動(dòng)缸： 3.13 3.14式中：所以代入公式3.13得：T ×ײ²××106/8 N·MT <

21、; MN·M代入公式3.14得：W =8×27×10-6ײ²× W </4因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P =1Mpa 流量 Q =35ml/s圓整其他缸的數(shù)值：手部抓取缸工作壓力=2Mpa 流量=120ml/s小臂伸縮缸工作壓力=0.25Mpa 流量=1000ml/s3.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓控制室機(jī)械手的一種主要的控制形式。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來(lái)確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，油壓壓力一般在5140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。主要優(yōu)點(diǎn)

22、：(1)液壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。(2)可通過(guò)液壓油帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行，并由于液壓油的潤(rùn)滑作用，可延長(zhǎng)元件的使用壽命。(3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比擬寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。(4)響應(yīng)速度比擬快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。(5)液壓元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。缺點(diǎn):(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價(jià)格較貴。(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比擬臟，易于使閥和執(zhí)行元

23、件堵塞。(3)控制系統(tǒng)比擬復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便4-6。 手部抓取缸 圖 3.5 手部抓取缸液壓原理圖(1)手部抓取缸液壓原理圖如圖3.5所示(2)泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。因此，需裝圖中所示的調(diào)速閥，流量定為/min，工作壓力P=2Mpa。選取采用： YF-B10B溢流閥 2FRM5-20/102調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 腕部擺動(dòng)液壓回路 圖 3.6 腕部擺動(dòng)液壓回路(1)腕部擺動(dòng)缸液壓原理圖如圖3.6所示(2)工作壓力: P=1Mpa流量: Q=35ml/s選取采用

24、:2FRM5-20/102調(diào)速閥34E1-10B 換向閥YF-B10B 溢流閥 小臂伸縮缸液壓回路圖 3.7 小臂伸縮缸液壓回路(1)小臂伸縮缸液壓原理圖如圖3.7所示(2)工作壓力: P 流量: Q =1000ml/s選取采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5-20/102 調(diào)速閥23E1-10B二位三通閥 總體系統(tǒng)圖 圖 3.8 總體系統(tǒng)圖(1)總體系統(tǒng)圖如圖3.8所示,(2)工作過(guò)程: 小臂伸長(zhǎng)手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松(3)電磁鐵動(dòng)作順序表: 表3.2總體系統(tǒng)圖元件動(dòng)作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長(zhǎng)手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松卸荷-+-±+-+&#

25、177;-+-±-±(4)確電機(jī)規(guī)格：液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =10Mpa，工作流量在3270ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此：傳動(dòng)功率 5式中：=0.8 經(jīng)驗(yàn)值5得： N =10×80×103×106/60×選取電動(dòng)機(jī)JQZ-61-2型電動(dòng)機(jī)，額定功率17KW，轉(zhuǎn)速為2940r/min。3.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)身是直接支承和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者就直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜，機(jī)

26、身既可以是固定式的，也可以 是行走式的,如圖3.9所示。圖3.9 機(jī)身機(jī)座結(jié)構(gòu)圖臂部和機(jī)身的配置形式根本上反映了機(jī)械手的總體布局。本課題機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣機(jī)械手可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過(guò)程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而到達(dá)了自由度的要求7-9。 電機(jī)的選擇機(jī)身部使用了兩個(gè)電機(jī)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)安裝

27、在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在混凝土地基上。帶動(dòng)臂部升降的電機(jī)：初選上升速度 V =100mm/s P =6KW所以n =100/6×60=1000轉(zhuǎn)/分選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動(dòng)機(jī)。采用B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為I014即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如表3.3 Y90S-4電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：表3.3 Y90S-4電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號(hào)額定功率KW滿載時(shí)堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電流A轉(zhuǎn)速r/min效率%功率因素額定電流額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y90S-4140079 減速器的選擇10減速器的原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置。

28、用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。初選WD80型圓柱蝸桿減速器。WD為蝸桿下置式一級(jí)傳動(dòng)的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)蝸輪的材料為ZQA19-4中心矩 a=80Ms×q×11 傳動(dòng)比I =30×10³kg·m² 螺柱的設(shè)計(jì)與校核11螺桿是機(jī)械手的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距 P =6mm 梯形螺紋螺紋的工作高度 h P =3mm螺紋牙底寬度 b ×6= 螺桿強(qiáng)度11 = s/35 =150/35=3050Mpa螺紋牙剪切 =40彎

29、曲=4555(1)當(dāng)量應(yīng)力 ()式中 T傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm螺桿材料的許用應(yīng)力 所以代入公式得：= = =2495/ d1²²1³²9002500×1012=6225025/d14+11236/d169002500×10126225025d12+11236900d16×10126225025×2+11236900×6×1012即16471pa535340pa合格(2)剪切強(qiáng)度 =160/6 旋合圈數(shù) =200××××160/6×10-3 &

30、#215;103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)彎曲強(qiáng)度=3×200××3/××2×160/6=0.48Mpa=45Mpa合格 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)：初選轉(zhuǎn)速 W =60º/s N =1/6轉(zhuǎn)/秒=10轉(zhuǎn)/分由于齒輪 I =3減速器 I =30所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分選擇 Y90L-6型籠型異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)采用B級(jí)絕緣。外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為I014即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如表3.4 Y90S-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：

31、表3.4 Y90L-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)型號(hào)額定功率KW滿載時(shí)堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電流A轉(zhuǎn)速r/min效率%功率因素額定電流額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y9OL-6910機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.10所示:圖3.10 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖3.4 機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定 常用的定位方式機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。假設(shè)定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能到達(dá)較高的重復(fù)精度。一般可高于±，假設(shè)定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路而去掉工作壓力，這時(shí)機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)微小距離，因而定位精度變低12。 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)

32、際上是一個(gè)三維空間的定位問(wèn)題，是假設(shè)干線量和角量定位的組合。在許多較簡(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)線量或角量定位誤差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。(2)定位速度定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。(3)精度機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。(4)剛度機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，因易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。(5)

33、運(yùn)動(dòng)件的重量運(yùn)動(dòng)件的重量包括機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。(6)驅(qū)動(dòng)源液壓、氣壓的壓力波動(dòng)及電壓、油溫、氣溫的波動(dòng)都會(huì)影響機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時(shí)，用溫度、壓力補(bǔ)償流量控制閥控制。(7)控制系統(tǒng)開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反應(yīng)裝置的有無(wú)有關(guān)13。本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋

34、塊定位。3. 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。但有時(shí)安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點(diǎn)是安置位置靈活，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到距油缸端蓋某一距離時(shí)能在活塞與端蓋之間形成一個(gè)緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時(shí)背壓阻力，以使運(yùn)動(dòng)減速直至停止，而防止硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置12-15。在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。設(shè)計(jì)油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時(shí)，最大加速度、緩沖腔最大沖

35、擊壓力和剩余速度三個(gè)參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的方法是先選定其中一個(gè)參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個(gè)參數(shù)。步驟如下：(1)選擇最大加速度通常，amax值按機(jī)械手類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取，同時(shí)要考慮速度與載荷大小。對(duì)于重載低速機(jī)械手，- 取5m/s2以下，對(duì)于輕載高速機(jī)械手，-取510 m/s2(2)計(jì)算沿運(yùn)動(dòng)方向作用在活塞上的外力F水平運(yùn)動(dòng)時(shí)： ×103××2-7=138N(3)計(jì)算剩余速度Vr /s4 傳動(dòng)系統(tǒng)三維造型設(shè)計(jì)4.1 三維造型軟件的概述 PRO/E概述1985年，PTC公司成立于美國(guó)波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEE

36、R誕生了。經(jīng)過(guò)10余年的開展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能到達(dá)的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)

37、在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)給這些特征設(shè)置參數(shù)不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性，然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行屢次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允

38、許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的根本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合、“插入、“對(duì)齊等很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)還提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 模塊工業(yè)設(shè)計(jì)(CAID)模塊 工業(yè)設(shè)計(jì)模塊主要用

39、于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)，以前，在零件未制造出時(shí)，是無(wú)法觀看零件形狀的，只能通過(guò)二維平面圖進(jìn)行想象?，F(xiàn)在，用3DS可以生成實(shí)體模型，但用3DS生成的模型在工程實(shí)際中是“中看不中用。用PRO/E生成的實(shí)體建模，不僅中看，而且相當(dāng)管用。事實(shí)上，PRO/E后階段的各個(gè)工作數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都要依賴于實(shí)體建模所生成的數(shù)據(jù)。 包括： PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(動(dòng)畫模擬)、 PRO/DESIGNER(概念設(shè)計(jì))、PRO/NETWORKANIMATOR(網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH圖片轉(zhuǎn)三維模型、PRO/PHOTORENDER(圖片渲染)幾個(gè)子模塊。 機(jī)械

40、設(shè)計(jì)(CAD)模塊 機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，它可繪制任意復(fù)雜形狀的零件。在實(shí)際中存在大量形狀不規(guī)那么的物體外表，如圖1中的摩托車輪轱，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對(duì)曲面產(chǎn)品的需求將會(huì)大大增加。用 PRO/E生成曲面僅需2步3步*作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃掠、網(wǎng)格、點(diǎn)陣等。由于生成曲面的方法較多，因此PRO/E可以迅速建立任何復(fù)雜曲面。 它既能作為高性能系統(tǒng)獨(dú)立使用，又能與其它實(shí)體建模模塊結(jié)合起來(lái)使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等標(biāo)準(zhǔn)。包括：PRO/ASSEMBLY實(shí)體裝配、PRO/CABLING電路設(shè)計(jì)、PRO/PIPING彎管鋪設(shè)、PRO/REPORT應(yīng)用數(shù)據(jù)圖形顯示、PRO/SCAN-TOOLS物理模型數(shù)字化、PRO/SURFACE曲面設(shè)計(jì)、PRO/WELDING焊接設(shè)計(jì) 功能仿真(CAE)模塊 功能仿真(CAE)模塊主要進(jìn)行有限元分析。我們中國(guó)有句古話：“畫虎畫皮難畫骨，知人知面不知心。主要是講事物內(nèi)在特征很難把握。機(jī)械零件的內(nèi)部變化情況是難以知曉的。有限元仿真使我們有了一雙慧眼，能“看到零件內(nèi)部的受力狀態(tài)。利用該功能，在滿足零件受力要求的根底上，便可充分優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)。著名的可口可樂(lè)公司，利用有限元仿真，分析其飲料瓶，結(jié)果使瓶體質(zhì)量減輕了近20，而其功能絲毫不受影響，僅此