車床自動裝料機械手的設(shè)計【含cad圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

1、<p>　　車床自動裝料機械手的設(shè)計</p><p>　　學生姓名 楊宋建 </p><p>　　學 號 8011212133 </p><p>　　所屬學院 機械電氣化工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 </p>

2、<p>　　班 級 16-1班 </p><p>　　指導教師 雷福祥 </p><p>　　日 期 2016 .06 </p><p>　　塔里木大學機械電氣化工程學院制前 言</p><p>　　機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的

3、一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝

4、卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的

5、距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)</p><p>　　本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。</p>

6、<p>　　關(guān)鍵詞：機械手;控制器；液壓；傳感器</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1機械手的總體設(shè)計1</p><p>　　1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型1</p><p>　　1.2設(shè)計具體采用方案2</p><p>　　2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計3

7、</p><p>　　2.1機械手腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　2.2 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　2.3 機械手爪部的結(jié)構(gòu)設(shè)計4</p><p>　　2.4手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計5</p><p>　　2.5機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計6</p><p>　　3理論分

8、析和設(shè)計計算9</p><p>　　3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案9</p><p>　　3.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)9</p><p>　　3.3計算和選擇液壓元件13</p><p>　　3.4液壓系統(tǒng)性能的驗算14</p><p>　　3.5電機選型有關(guān)參數(shù)計算14</p><p>

9、;　　3.6電機型號的選擇16</p><p>　　4.齒輪的設(shè)計計算17</p><p>　　4.1齒輪設(shè)計17</p><p>　　4.2 校正18</p><p><b>　　總 結(jié)20</b></p><p><b>　　致 謝21</b></p&

10、gt;<p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　工程概況</b></p><p>　　目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一

11、臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。</p><p>　　本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)

12、力。</p><p>　　在設(shè)計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、

13、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。</p><p><b>　　1機械手的總體設(shè)計</b></p><p>　　1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型</

14、p><p>　　工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。</p><p>　　1.直角坐標機器人結(jié)構(gòu) </p><p>　　直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a1-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級

15、）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。</p><p>　　直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)</p>&l

16、t;p>　　圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1-1.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。</p><p>　　3. 球坐標機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1-1.c。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工

17、作空間是一個類球形的空間。</p><p>　　4. 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)</p><p>　　關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖1-1.d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。</p><p>　　1.2設(shè)計具體采用

18、方案</p><p>　　圖1-2 機械手工作布局圖</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達30KG，且長度達500MM，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(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。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮，機械手自由度

19、數(shù)目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖1-2所示。</p><p>　　2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　2.1機械手腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.1.1 設(shè)計具體采用方案</p><p>　　腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形

20、式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大

21、的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 腰座結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.2.1 機械手手臂的設(shè)計要求</p><p>　　機器人手臂的作用，

22、是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；</p><p>　　1.應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)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。</p><p>　　2.機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工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

23、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。</p><p>　　3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)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(shè)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。</p><

24、p>　　2.2.2 設(shè)計具體采用方案 </p><p>　　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(shè)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。</p><p>　　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

25、不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)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。</p><p>　　2.3 機械手爪部的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.3.1 機器人手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計

26、要求</p><p>　　機器人手爪的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。</p><p>　　人手腕的自由度數(shù)為

27、2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。</p><p>　　2.3.2設(shè)計具體采用方案</p><p>　　通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全

28、和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手爪不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體結(jié)構(gòu)見圖2-2</p><p>　　圖2-2 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.4手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪

29、蝸桿傳動等。</p><p>　　機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題</p><p>　　齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得

30、同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.5機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　2.5.1機器

31、人液壓驅(qū)動系統(tǒng) </p><p>　　液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應(yīng)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。</p><p>　　液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置

32、、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。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。</p><p>　　1.程序控制機器人的液壓系統(tǒng)</p>&

33、lt;p>　　這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計要重視以下方面：</p><p>　?。?）液壓缸設(shè)計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。</p><p>　　（2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運

34、動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。</p><p>　?。?）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.伺服控制機器人的液壓系統(tǒng)</p><p>　　具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電

35、-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電-液伺服馬達，電-液伺服液壓缸，電-液步進馬達，電-液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構(gòu)間的管道容積，以增大液壓固有頻率。</p><

36、p>　　在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-液伺服機構(gòu)。它可安裝在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。</p><p>　　2.6.2機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)&

37、lt;/p><p>　　這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應(yīng)用，因此一般情況下，負重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p>　　1.機器人驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇</p><p>　　機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電

38、機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合各類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉(zhuǎn)速、負載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關(guān)各類驅(qū)動電動機主要特點及性能、結(jié)構(gòu)特點、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表2-1。</p><p>　　表2-1 電機的性能</p><p>　　2.機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)伺

39、服驅(qū)動器</p><p>　　（1）直流電機伺服驅(qū)動器</p><p>　　直流伺服電機驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。其電源電壓為固定不變值，由大功率三極管作為開關(guān)元件，以固定的開關(guān)頻率動作，但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變，改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機電樞兩端的平均電壓，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋

40、式開關(guān)電路。</p><p>　　PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、效率高、過載能力強等特點。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。</p><p>　?。?）步進電機驅(qū)動器</p><p>　　步進電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。</p><

41、p>　　脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進電機。環(huán)行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組，以使步進電機按著一定的規(guī)律運動。</p><p>　　功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅(qū)動步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。這種電路有高、低壓二組電源。當繞組剛通電

42、瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。</p><p>　　3理論分析和設(shè)計計算</p><p>　　3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案</p><p>　　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3-1：</p&

43、gt;<p>　　表3-1 液壓缸和液壓馬達的特點</p><p>　　3.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)</p><p>　　液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)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。</p><p>　　1.計算液壓缸的總機械載荷</p><p>　　

44、根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中， -----為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為0；</p><p>　　------為活塞上所受的慣性力；</p><p>　　------為密封阻力；</p><p>　　-

45、-----為導向裝置的摩擦阻力；</p><p>　　------為回油被壓形成的阻力；</p><p><b>　　（1）的計算</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中， ------為液壓缸所要移動的總重量，取為100kg；</p>&l

46、t;p>　　------為重力加速度， ；</p><p>　　------為速度變化量；</p><p>　　------啟動或制動時間，一般為0.01~0.5，取0.2s</p><p>　　將各值帶入上式，得：=1.02</p><p><b>　?。?）的計算</b></p><p>

47、;<b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，-----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力<16 ，查相關(guān)手冊取=0.2 ；</p><p>　　------為進油工作腔有效面積； </p><p>　　啟動時： </p><p>　　運動時：

48、 283N</p><p><b>　　（3）的計算</b></p><p>　　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</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中，------為機械手和所操作工件的總重量，取為100KG；<

49、/p><p>　　------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)計算得： =98</p><p><b>　?。?）的計算</b></p><p>　　回油背壓形成的阻力按下式計算</p><p><b>　　（3-5）</b></p>

50、;<p>　　式中，-----為回油背壓，一般為0.3~0.5 ，取=0.3 </p><p>　　-----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；</p><p>　　將各值帶入上式有， </p><p>　　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</p><p><b>　　。<

51、/b></p><p>　　2腰部執(zhí)行液壓缸工作壓力計算</p><p>　　腰部要能頂起工件必須滿足： </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中，-----為所需夾持力；</p><p>　　-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；</p>&

52、lt;p>　　-----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為液壓缸在頂起工件過程的加速度，，為重力加速度；</p><p>　　-----方位系數(shù)，查表選?。?lt;/p><p>　　-----被抓持工件的重量 30；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，計算得： ；</p><p>　　理論驅(qū)動力的計算：

53、 （3-7）</p><p>　　式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；</p><p>　　----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離；</p><p>　　-----為扇形齒輪分度圓半徑；</p><p><b>　　-----為頂力；</b></p><

54、p>　　---齒輪傳動機構(gòu)的效率，此處選為0.92；</p><p>　　其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 </p><p>　　計算驅(qū)動力計算公式為： </p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中，-----為計算驅(qū)動力；</p><p>　　---安全

55、系數(shù)，此處選1.2；</p><p>　　---工作條件系數(shù)，此處選1.1；</p><p>　　其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得： </p><p>　　而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中，---為柱塞缸工作油壓；&l

56、t;/p><p>　　----為柱塞截面積；</p><p>　　經(jīng)計算，所需的油壓約為： </p><p>　　3.液壓缸主要參數(shù)的確定</p><p>　　針對本設(shè)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

57、的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)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；</p><p>　　表3-1 水平伸縮液壓缸參數(shù)</p><p>　　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，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，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

58、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。</p><p>　　因此，在水平伸縮缸的設(shè)計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設(shè)計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大

59、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。</p><p>　　表3-2 垂直液壓缸參數(shù)</p><p>　　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(shè)計能否有足夠的剛度

60、來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導桿，較好的解決了這一問題。</p><p>　　4.液壓缸強度的較核</p><p>　?。?）缸筒壁厚的較核</p><p>　　當 D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>

61、　　式中，----為缸筒內(nèi)徑；</p><p>　　----為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取為；</p><p>　　----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處??；</p><p>　　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。</p><p>　?。?）活塞桿直徑的較核</p

62、><p>　　活塞桿直徑的較核公式為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中， -----為活塞桿上作用力；</p><p>　　-----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。<

63、/p><p>　　3.3計算和選擇液壓元件</p><p><b>　　1.液壓泵的計算</b></p><p>　　（1）確定液壓泵的實際工作壓力</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中，-------計算工作壓力，前以定為；</p&g

64、t;<p>　　------對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5~1.5），這里取為1。</p><p>　　因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　?。?）確定液壓泵的流量</p><p><b>　?。?-14）</

65、b></p><p>　　式中，------為泄露因數(shù)，取1.1；</p><p>　　-----為機械手工作時最大流量。</p><p><b>　　（3-15）</b></p><p>　　經(jīng)計算得 =3.140</p><p>　　帶入上式得 </p>

66、<p>　?。?）確定液壓泵電機的功率</p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　式中，------為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.140；</p><p>　　-------液壓泵實際工作壓力，5；</p><p>　　------為液壓泵總效率，取為0.8；<

67、/p><p>　　帶入數(shù)據(jù)計算得： =。</p><p><b>　　5.控制元件的選擇</b></p><p>　　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。</p><p>　　6.油管及其他輔助裝置的

68、選擇</p><p>　?。?）查閱設(shè)計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù)</p><p>　　液壓泵出口流量以3.140L/MIN計，選??；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；</p><p>　　（2）確定油箱的容量</p><p>　　一般取泵流量的3~5倍，這里取為5倍，有效容積為</p><p>&l

69、t;b>　?。?-17）</b></p><p>　　3.4液壓系統(tǒng)性能的驗算</p><p>　　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。</p><p>　　3.5電機選型有關(guān)參數(shù)計算</p><p

70、>　　若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有</p><p>　　負載額定功率： （3-1）</p><p>　　負載加速功率： （3-2）</p><p>　　負載力矩（折算到電機軸）：</p><p><b>

71、　?。?-3）</b></p><p>　　負載（折算到電機軸）： </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　起動時間： </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　制動時間： </p&

72、gt;<p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　2.若傳動負載作回轉(zhuǎn)運動</p><p>　　負載額定功率： （3-7）</p><p>　　負載加速功率： （3-8）</p&g

73、t;<p>　　負載力矩（折算到電機軸）： </p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　負載GD（折算到電機軸）： </p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　起動時間： </p><p&

74、gt;<b>　?。?-11）</b></p><p>　　制動時間： </p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中，-----為額定功率，KW；</p><p>　　-----為加速功率，KW；</p><p>　　-----為

75、負載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；</p><p>　　-----為電機軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；</p><p>　　-----為負載的速度，m/min；</p><p>　　-----為減速機效率；</p><p>　　-----為摩擦系數(shù)；</p><p>　　-----為負載轉(zhuǎn)矩（負載軸），；</p>&

76、lt;p>　　-----為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，；</p><p>　　-----為負載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），；</p><p>　　-----為負載的，；</p><p>　　-----為負載（折算到電機軸上），；</p><p>　　-----為電機的，；</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為步進電機是驅(qū)動腰

77、部的回轉(zhuǎn)，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。</p><p>　　因為腰部回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中，-----為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；</p><p>　　-----為機械手本

78、身與負載的重量之和，取100kg；</p><p>　　-----為回轉(zhuǎn)軸上傳動渦輪分度圓半徑，R=350；</p><p>　　帶入數(shù)據(jù)，計算得 =1.75；</p><p>　　同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=1r/min；傳動比定為1/70；</p><p>　　且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。</p>&

79、lt;p>　　將其帶入上（3-10）~（3-11）式，得：</p><p>　　啟動時間 ； </p><p>　　制動時間 ；</p><p>　　折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為：。</p><p>　　3.6電機型號的選擇</p><p>　　根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國

80、產(chǎn)北京和利時電機技術(shù)有限公司（原北京四通電機公司）的減速機，具體型號為：YCJ180同時因為腰部齒輪傳動比為1：70，步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/70（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。</p><p><b>　　4.齒輪的設(shè)計計算</b

81、></p><p><b>　　4.1齒輪設(shè)計</b></p><p>　　4.1.1 預(yù)選兩個齒輪均用35siMn鋼制造。</p><p>　　采用軟齒面： HBS<= 350;（標準齒形a=20°）</p><p>　　小齒輪調(diào)質(zhì)處理：HBS=217-269 取260； </p>

82、;<p>　　大齒輪調(diào)制處理：HBS=217-269 取220；</p><p>　　4.1.2低速級齒輪大，對外部影響大，所以先設(shè)計低速級</p><p><b>　　(初選</b></p><p>　　非對稱布置，軟齒面，</p><p><b>　　鋼-鋼 </b><

83、/p><p>　?、苤饼X的α=20°， </p><p><b>　　計算[]</b></p><p><b>　　N= 計算循環(huán)次數(shù)</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N</b>

84、</p><p><b>　　取1.4 </b></p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　==</b></p><p>　　將的較小值代入,計算dt3</p><p><b>　　d</b></

85、p><p><b>　　㎜</b></p><p>　　4.1.3計算中心距 m 和齒數(shù)及圓周速度V</p><p><b>　　m=0.015=</b></p><p><b>　　V</b></p><p><b>　　計算寬度:b=&l

86、t;/b></p><p><b>　　取;㎜</b></p><p><b>　　4.1.4計算k值</b></p><p>　　,8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)</p><p>　　非對稱布置，軟齒面8級精度</p><p><b>　　低速級直齒齒輪

87、 </b></p><p><b>　　非對稱布置 取</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　4.2 校正</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p>&l

88、t;p>　　取 （5-3）</p><p>　　計算實際傳動比 </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　計算實際中心距</b></p><p><b>　?。?-5）</b></

89、p><p><b>　　計算分度圓直徑</b></p><p><b>　　5.2.1設(shè)計匯總</b></p><p>　　5.2.2低速級齒輪彎曲疲勞強度校核</p><p>　　(查圖10-17 P200 得齒形系數(shù)Y</p><p>　　(查圖10-18 得應(yīng)力修正系數(shù)

90、</p><p>　　( 5-6）</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)為S=1.4</p><p>　?、苡蓤D10-22查得彎曲疲勞壽命系數(shù)</p><p><b>　　（5-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b&

91、gt;</p><p>　　[]= （5-9）</p><p>　　[]= （5-10）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　所以低速級齒輪齒根彎曲疲勞強度安全。</p><p><b>　　總 結(jié)</

92、b></p><p>　　本課題所設(shè)計的機械手的操作過程是由電動機和液壓缸組成執(zhí)行機構(gòu)作為驅(qū)動，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運用步進順序控制編程，程序簡單且便于調(diào)試。通過PLC本身通訊接口和計算機聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)場操作的各項參數(shù)進行監(jiān)測、修改、調(diào)整，是系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用PLCA控制機械手相對于其他控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價比，較強的可操作性和實用性。就本課題設(shè)計的目的，實際應(yīng)用運行良好，大大方便

93、了工作和生活。</p><p>　　通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多東西，在做設(shè)計的過程中對工作的細心得到了提高，認識到自己對這方面的不足。并且對本設(shè)計的內(nèi)容有了更好的了解，比如加深了解了可編程控制器的功能，還有機械手的工作原理等等。通過做這次設(shè)計，對以前的不足的知識進行彌補，在指導老師那里學到了很多寶貴的東西，這些對我都是很有幫助的。</p><p><b>　　致 謝<

94、/b></p><p>　　歷時近三個月的畢業(yè)設(shè)計終于完成，在這這段時間里，我運用大學四年的專業(yè)知識比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計，在畢業(yè)設(shè)計中通過方案論證，理論設(shè)計計算，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，工程圖的繪制，設(shè)計說明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓練，已經(jīng)使個人理論水平和實際動手能力有了一次飛躍，鍛煉了個人在設(shè)計、分析，動手實踐等方面的能力，同時使所學專業(yè)知識得到一次全面的鞏固和加強。</p><p>　

95、　此次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，我得到了很多老師、同學的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計過程中，我的指導老師雷福祥老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設(shè)計前期的準備時，張老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項；在進行方案選擇時，為我指出所需要重點掌握的知識范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識難點的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計能順利進行。</p><p>　　

96、同時，我也要感謝大學四年所有教過和沒有教過但給我很多幫助的老師，是他們的教導讓我能在這里學到很多的專業(yè)知識，給我以后工作和學習打下了堅實的基礎(chǔ)，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，給我今后的人生足跡烙下更深的印跡，在此我衷心地感謝所有幫助過我的老師。此外，非常感謝許多其他同學，他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。在此一并致謝！</p><p>　　還有在中華工業(yè)控制網(wǎng)和中國機器人聯(lián)盟網(wǎng)上以及在其他場合給提供

97、我?guī)椭闹烂趾筒恢烂值呐笥眩诖艘惨徊⒅轮x，謝謝你們！</p><p>　　由于時間和個人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正。不勝感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機床

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